超级电容器是一种独特的无源器件，其众多性能指标介于电容器和电池之间。这些器件特性催生了许多新颖的电路设计，其应用领域从电源转换器、瞬态浪涌抑制器到热水器，不一而足。在本文中，我们将讨论超级电容器的一些关键差异化特性，并概述其在高效率线性转换器设计中的应用。

超级电容器的基本特性

超级电容器由通用电气公司在20世纪50年代末发明。该技术后来授权给了日本电气公司(NEC)，后者于1978年开发出首批商用器件，用于计算机备用电源。过去30年间，材料和设计的众多进步提升了其性能，从而扩展了其应用领域。

超级电容器大致可分为三种类型：电化学双层电容器(EDLC)、赝电容器和混合超级电容器。

EDLC是最常见的超级电容器类型。对称型EDLC由两个串联的相同电容器组成，如图1所示。

图1

通常，在金属箔片上涂覆活性炭形成两个电极，而周围空间的电解质中含有多孔活性炭。可以使用隔膜(如纸)来隔离正极和负极。与电池中使用的化学反应不同，EDLC通过电极表面离子的吸附和解吸来存储电荷。这个过程要快得多。超级电容器巨大的电极表面积使其能够在与常规电解电容器尺寸相同的外壳内，提供几乎高出百万倍的电容。

赝电容器可使用导电聚合物或金属氧化物层，并利用电极表面的快速氧化还原反应来存储能量。

最后，混合超级电容器是非对称的，其一个电极(正极)像EDLC一样是活性炭，而负极则是利用化学氧化还原反应的电池电极。与对称型EDLC单元相比，这第二个电极导致串联电容要大得多，从而储能也更多。

超级电容器 vs 锂离子电池

图2比较了超级电容器和锂离子电池。这些指标是商用器件的典型值，并尽可能使用相似的物理尺寸进行比较。

图2

让我们更详细地逐一审视这些指标。

功率密度和能量密度

超级电容器的功率密度高于锂离子电池，但能量密度较低。这些电池单元的功率(P)和能量(E)方程式为：

其中 V 是电池单元的电压，C 为电容，Req 为内部等效串联电阻。超级电容器具有极低的 Req，因而功率密度高。在图2中，"Capa Battery"指的是最近推出的电容器电池单元，其特点是采用负LTO电极和正锂过渡金属氧化物电极，其能量密度值可达铅酸电池的水平。因此，混合型和Capa-Battery超级电容器的特性比传统的EDLC更接近电池。商用EDLC可达3000 F，混合型可达7500 F，而Capa-Batteries则高达40,000 F。

低温性能

在0°C以下的温度环境中，超级电容器的性能远优于锂离子电池。它们在较高温度(> 50°C)下确实会出现性能下降，因此非常适合室温或更低的温度范围。使用寿命大约在5年或更长。

循环特性

超级电容器的循环特性要好得多。其循环寿命可比锂离子电池高出几个数量级。它们也可以完全放电，而不会对其寿命产生不良影响。另一个优势是其Req不会随放电深度(DoD)的增加而增加。

工作电压及充放电

超级电容器的工作电压低于电池，通常在1.5 – 2.7 V范围内。而锂离子电池的充放电通常需要数小时，超级电容器则可以在几秒钟内完成。

自放电

超级电容器的自放电远高于锂离子电池。因此，它们不适合长期存储电荷。超级电容器中的可用电压最多只能维持数天，这使得它们不适用于烟雾探测器等应用。

成本

虽然超级电容器的单位成本(每瓦时)远高于电池，但最终系统成本取决于具体应用。在许多情况下，使用超级电容器可以带来系统成本效益。一个例子是发动机启动/停止操作，例如许多现代汽车中使用的节能驾驶功能。可以将一组超级电容器与12V电池并联使用，以支持短时间的高放电。这消除了对电池施加高负载的需要，从而延长了电池寿命并降低了系统成本。

线性稳压器中的应用

现在我们来探讨超级电容器在线性稳压器中的应用。这项新颖的应用称为SCALDO，由新西兰怀卡托大学的N. Kularatna教授及其团队率先提出并获得了专利。

超级电容器辅助型低压差稳压器(SCALDO)

线性稳压器使用一个通路器件(如mosfet)来实现直流降压稳压。其基本原理图如图3所示。

图3

虽然其优点是成本低、设计简单，并且与开关稳压器相比电磁干扰(EMI)极低，但当稳压输出电压(Vout)远低于输入电压(Vin)时，代价是效率低下。其效率可近似为 η = Vout / Vin。低压差稳压器(LDO)保持Vin和Vout之间的差值很小。考虑一个12 V转5 V的线性稳压器情况。其最高效率仅为42%左右。

SCALDO稳压器本质上是将超级电容器用作无损耗的电压降低器。如果在通路晶体管LDO电路的输入端使用一个预充电的超级电容器，并且预充电电压接近Vout，则可以显著提高LDO的效率。这一概念如图4所示。

图4

充电阶段

假设5V输出的LDO在LDO输入电压降至5.1V之前都能正常工作，且Vin为10.3V。如果最初将超级电容器阵列置于其充电周期，如图4(a)所示，则恒流电源可以将其从5.1V的基准电压充电到5.2V，从而使Vsc缓慢增加。

在此期间，LDO输入电压(Vin - Vsc)将不断下降。这个过程的时间常数(t)取决于电容的大小，并遵循基本方程式：

其中I是平均负载电流，ΔV是电容C在充满电和放电状态之间的电压差。假设I = 1A，C = 1F，ΔV = 0.1 V，t = 0.1 s，则净充放电周期为5 Hz。

放电阶段

在放电阶段，可将现已充满电的电容器从电源断开，并通过LDO放电，直至其达到LDO所需的最低电压5.1V。因此，低频开关将电容器从串联充电配置切换到图4(b)所示的放电配置。

超级电容器低Req的特性确保了近乎理想、无损耗的电压降低。在上述示例中，该转换器的理想效率η约为97%，可能会因电容器的Req而降低几个百分点。

12V至5V SCALDO

图5展示了一个12V至5V SCALDO稳压器的实际实现效率结果。其效率比传统设计提高了一倍。早期的实现方案使用固态继电器作为开关。通过使用背对背MOSFET开关，可以减少这些开关的损耗。

图5

总结

这种无电感、慢速开关的SCALDO转换器可用于那些对射频干扰/电磁干扰(RFI/EMI)有顾虑的场合，例如医疗和工业设备。