為什么MOSFET是自動(dòng)平衡超級(jí)電容器泄漏的最佳選擇

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在將超級(jí)電容器用于能量收集、辦公自動(dòng)化、備份系統(tǒng)等領(lǐng)域的一系列新產(chǎn)品。這些超級(jí)電容器電池提供高效的存儲(chǔ)，可以根據(jù)需要快速釋放能量。為確保最佳性能和較長(zhǎng)的產(chǎn)品生命周期，必須平衡超級(jí)電容器的電壓。如果由于電池之間的泄漏電流差異而出現(xiàn)不平衡，則可能會(huì)觸發(fā)能量消耗，從而導(dǎo)致超級(jí)電容器電池過(guò)早失效。

超級(jí)電容器，也稱為超級(jí)電容器，可為關(guān)鍵任務(wù)數(shù)據(jù)保護(hù)和電池備份應(yīng)用提供高功率、快速充電和放電、峰值功率削減和備用電源功能。它們正在成為電力需求不超過(guò) 30 秒的應(yīng)用的流行選擇。

超級(jí)電容器也在提高能量密度的標(biāo)準(zhǔn)。隨著電池逐漸增加功率密度，它們可以更有效地緩沖和儲(chǔ)存能量——從而最大限度地提高能量收集工作。

問(wèn)題是：每個(gè)超級(jí)電容器在電容、內(nèi)阻和漏電流方面都有容差。這可能會(huì)造成電池電壓的不平衡。必須平衡超級(jí)電容器，以確保電壓不超過(guò)超級(jí)電容器的最大額定電壓。

電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)選擇同一制造商的超級(jí)電容器，以確保初始電池電壓值落入相似的范圍內(nèi)。其次，必須對(duì)由單個(gè)電池中的漏電流引起的任何電池電壓不平衡進(jìn)行補(bǔ)償。

有兩種用于調(diào)節(jié)超級(jí)電容器電池電壓的平衡方法：主動(dòng)式和被動(dòng)式。在被動(dòng)平衡方法中使用低阻值電阻。這種方法會(huì)消耗功率并且不會(huì)對(duì)溫度變化做出響應(yīng)。主動(dòng)平衡技術(shù)通過(guò)運(yùn)算放大器 (op-amps) 或使用 MOSFET 的電流平衡來(lái)實(shí)現(xiàn)。

以下是超級(jí)電容器串聯(lián)堆疊的兩種情況。第一種情況是具有自動(dòng)平衡功能的超級(jí)電容器，第二種情況是沒(méi)有自動(dòng)平衡功能的超級(jí)電容器。這兩種設(shè)計(jì)方案之間的差異將證明需要一種能夠自動(dòng)糾正變化漏電流影響的平衡方法。

沒(méi)有自動(dòng)平衡的超級(jí)電容器

漏電流會(huì)導(dǎo)致電壓不平衡和功耗。電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須補(bǔ)償每個(gè)超級(jí)電容器單元的泄漏電流。否則，如果超壓長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)電池的額定電壓，超級(jí)電容器的使用壽命可能會(huì)縮短甚至永久損壞。

下圖(圖 1)顯示了兩個(gè)超級(jí)電容器在沒(méi)有自動(dòng)平衡機(jī)制的幫助下串聯(lián)。它描述了泄漏電流如何隨差分電壓上下移動(dòng)。如果不平衡，此問(wèn)題可能會(huì)因過(guò)壓效應(yīng)而導(dǎo)致故障。

圖 1：兩個(gè)超級(jí)電容器串聯(lián)連接的視圖，沒(méi)有自動(dòng)平衡機(jī)制。

圖 1 說(shuō)明在 2.3 V 時(shí)，上超級(jí)電容器的漏電流為 1.6 μA，而下超級(jí)電容器的漏電流為 0.8 μA。如果這兩個(gè)超級(jí)電容器不能平衡和均衡泄漏電流，則下部超級(jí)電容器可能會(huì)由于電壓過(guò)高而永久失效。

具有自動(dòng)平衡功能的超級(jí)電容器

圖 2 說(shuō)明了 MOSFETS 如何通過(guò)降低超級(jí)電容器的工作偏置電壓來(lái)平衡超級(jí)電容器，從而平衡電路的功耗。

圖 2：兩個(gè)串聯(lián)的超級(jí)電容器使用 MOSFET 芯片實(shí)現(xiàn)出色的自動(dòng)平衡。

沒(méi)有自動(dòng)平衡的超級(jí)電容器，由上面的水平虛線表示，隨后會(huì)由于過(guò)壓而損壞電池。水平實(shí)線表示使用 MOSFET 器件的電流平衡操作。當(dāng) MOSFET 跨接在陣列中的超級(jí)電容器上時(shí)，由另一個(gè)超級(jí)電容器的漏電流引起的電壓小幅上升會(huì)導(dǎo)致該 MOSFET 的導(dǎo)通電阻 (R DS(ON) )大幅下降。這會(huì)導(dǎo)致超級(jí)電容器的電流升高，從而降低電壓。

自動(dòng)平衡原理利用 MOSFET 器件的自然閾值特性。在閾值電壓下，MOSFET 開(kāi)啟并開(kāi)始傳導(dǎo)電流。該功能可確保 MOSFET 芯片幾乎沒(méi)有或沒(méi)有額外的泄漏電流。

圖 2 還顯示了運(yùn)算放大器電壓平衡方法如何迫使兩個(gè)超級(jí)電容器單元在 2.3 V 的中點(diǎn)處達(dá)到相同的電壓。但是，這樣做時(shí)，兩個(gè)單元會(huì)消耗一些功率。如果兩個(gè)電池的電容沒(méi)有充分平衡，則會(huì)導(dǎo)致額外的功率消耗。因此，在與運(yùn)算放大器進(jìn)行自動(dòng)平衡的過(guò)程中存在大量能源浪費(fèi)。此外，運(yùn)算放大器通過(guò)其電路網(wǎng)絡(luò)自行耗散功率。

與運(yùn)算放大器不同，如果兩個(gè)電池的電容值不匹配，可能會(huì)導(dǎo)致功率損失，MOSFET 可通過(guò)互補(bǔ)的相反電流水平實(shí)現(xiàn)自然的電池平衡。

另外，圖2中的超級(jí)電容電芯1和超級(jí)電容電芯2是可以互換的。因此，不知道哪一個(gè)的漏電流更大。一些電流來(lái)自 MOSFET 本身，而不是超級(jí)電容器單元 2。

基于 MOSFET 的漏電流平衡機(jī)制是完全自動(dòng)化的，幾乎適用于所有超級(jí)電容器。這種自動(dòng)平衡技術(shù)不需要額外的電流消耗，并且可以根據(jù)溫度、時(shí)間和環(huán)境變化自動(dòng)調(diào)整。

從 MOSFET 到電路板

即插即用印刷電路板 (PCB) 可以安裝 MOSFET，自動(dòng)平衡超級(jí)電容器單元的漏電流和電壓。單個(gè) MOSFET 或多個(gè) MOSFET 可以安裝在超級(jí)電容器自動(dòng)平衡 (SAB) PCB 上，以自動(dòng)平衡超級(jí)電容器單元。

圖 3：SABMB2 板的框圖，尺寸為 0.6 × 1 英寸，用于超級(jí)電容器自動(dòng)平衡。

例如，ALD 的即插即用 SAB PCB 可用于原型設(shè)計(jì)或生產(chǎn)設(shè)計(jì)。這些板可以級(jí)聯(lián)以形成串聯(lián)鏈，范圍從兩個(gè)到數(shù)百個(gè)，用于平衡超級(jí)電容器堆棧。

審核編輯：湯梓紅