超级电容(EDLC)技术指南连载(九):长时间使用时的平衡电路

村田的超级电容为提高电压,1个封装内由2个电容串联连接构成(图52)。例如,DMF3Z5R5H474M3DTA0 (470mF)2940mF的元件串联连接。因此,受各自元件容量和绝缘阻抗的差异影响,施加在各元件上的电压有时候会不平衡。使用超级电容时,一旦产生这种不平衡,施加在单侧元件上的电压就会变高,一旦超过这个电压的最大允许值,可能会引起特性劣化故障。此外,元件间的电压差会造成元件间的寿命差,所以也是缩短产品寿命的重要原因。

超级电容中,为获得元件间的电压平衡,有必要控制各施加电压的平衡。平衡控制的方法有被动平衡控制和主动平衡控制2种方法。

图52   1个封装中将2个电容元件串联连接的村田的超级电容

被动平衡控制

被动平衡控制是使用阻抗的电路(图53),具有结构简单成本低的优势。电压平衡收敛很快,所以建议使用低阻抗值。阻抗值低会造成电力损耗,多数情况下,损耗少到可以忽略。例如,即使是使用1kΩ的阻抗,电力损耗也只不过8.8mW(表7)。

图53 被动平衡电路

7 平衡阻抗值和平衡电流/电力消耗量

表7 平衡阻抗值和平衡电流/电力消耗量

如果担心mW级上的电力损耗,请使用高阻抗值。但是为了保持电压平衡,要有被允许的最大阻抗值(表8)。在高电压使用电容时,有必要更加严谨地管理电压平衡。也就是说施加电压越高,最大阻抗值越低。请注意不要超过表8所示的阻抗值。关于表格中没有的品名,请至本公司咨询。

8 阻抗的最大值

表 8 阻抗的最大值

主动平衡控制

主动平衡控制是使用运算放大器的平衡电路(图54),即使是使用高阻抗,通过电流增幅作用,也能在短时间内收敛电压平衡。

运算放大器有必要选择大于施加在Vcc上的电压。此外,为了防止异常振荡,有时候需要阻尼阻抗。需要通过消耗电力和驱动电流选择运算放大器。

在使用运算放大器的平衡电路中,仅在有电压差时运行,电压平衡收敛后就变成仅在无负荷时的消耗电力,所以与被动平衡相比,具有优越的能量效率。

一般来说运算放大器的通过速率越高,能够进行高速运行,驱动电流也变高,对短时间内的电压平衡收敛有好处。另一方面,运行速度很快,消耗电力有变大的倾向(表9)。请结合需求进行选择。

主动平衡控制的其他方法还有使用专用IC的方法。表10IC的一个例子。IC具有控制充放电电压的机能。这种通过IC控制电压平衡的控制方式是超好的。此外,通过变换电压的电路方式改变元件构造。供给泵型的充电电流很小,外部元件是只需要陶瓷电容。另一方面,升压和升降压方式能够有较大的电流输出,外部元件需要FEI和功率电感器等,元件数量增多。

图54 主动平衡电路

9 运算放大器的倾向

表9   运算放大器的倾向

10 专用IC的例子

表10 专用IC的例子

被动平衡控制和主动平衡控制的区别

11是被动平衡控制和主动平衡控制的区别。贴装面积和成本方面,被动方式更有优势。一方面,运算放大器和专用IC的收敛速度很快,收敛后的电力消耗很小。使用专用IC能够控制充电电压,具有更高机能,但成本也相应变高。

选择时,请兼顾机能和成本进行选择。

11 被动平衡控制和主动平衡控制的区别

表11 被动平衡控制和主动平衡控制的区别