电容器均压电路：特点、问题及有效解决途径

在电子设备的运行中，电容器扮演着至关重要的角色。然而，电容器的额定电压通常较低，往往不到 3V，在实际应用里需要大量串联使用。由于实际应用中常常需要大电流进行充、放电操作，因此串联的各个单体电容器上的电压是否一致就显得尤为关键。影响电容器电压均分的因素主要包括电容量、等效串联电阻（ESR）、漏电流等。尽管在电容器应用初期，这些参数对电压均分的影响相对较小，但在应用的中后期，随着这些参数离散性的增大，对电压均分的影响也会越来越显著，最终可能导致电容器寿命急剧缩短。若不采取必要的均压措施，各个单体电容器上的电压会出现较大差异，而单纯增加串联数量来解决问题并非明智之举。

目前，电容器均压电路主要分为限幅型均压电路和动态电压均压电路两种。

限幅型均压电路及特点

限幅型均压电路如图 1 所示。

从图中能够看出，当电压低于转折电压时，电路处于 “阻断” 状态，仅有极小的漏电流；而当电压达到并超过转折电压后，流过电路的电流会随电压的增加而急剧上升，呈现出稳压二极管的特性，以此实现分流充电电流或泄放过充的电荷，从而将电容器的电压限制在转折电压以下。

这种电路的优势在于工作原理简单，工作可靠性高，参数一致性良好，一般的大工作电流在 1A 以下。不过，这一特性在应用时也会引发问题，即在充电过程中，电容器组中的某些电容器单体会出现较为严重的过电压现象。

例如，应用2.7V/600F、ESR0.8Ω电容器144只串联的390V/4F电容器组用7A电流充电到390V时，单体电压高的达到2.95V，低的仅仅2.45V。在充电电压维持在390V的条件下，采用图1均压电路均衡各单体电压，各单体电压达到基本一致（2.65V~2.75V）的时间需要7~10分钟；如果采用更高的充电电流，其单体电压的分散性更大。应用限幅型均电路造成单体电压严重过电压的原因就是只有单体电压超过限幅值均压电路才开始动作所致。如果能在电容器充电过程中实现单体电压的“均分”，可以比较好的抑制单体过电压，这种电压均分方式称为动态均压。

动态电压均压电路及特点

动态电压均压电路的基本原理是比较相邻的两个电容器的电压是否一致，若不一致，电路便会动作，将电压相对较高的电容器旁路部分电流，从而降低其充电电压升高的速率，使两个电容器的充电电压上升速率尽可能保持一致，如图 2 所示的 MAXWELL 动态均压电路。

这种电路在原理上解决电容器组充电过程的单体电压均分问题。然而在实际上比非如此。图2电路的低工作电压是2.4V对应单体电压1.2V，这表明在电容器充电的前半程这个电路是不工作的。不仅如此，该电路在高工作电压下的大均分电流仅0.5A，甚至低于限幅型均压电路的大工作电流，当电压低于工作电压时均分电流随之下降。这样的特性同样导致了电容器在大电流充电过程中出现个别单体电压的过电压，而且电压的均分过程长于限幅型均压电路。。

图 2 电路还存在一个缺陷，即只要单体存在差异，电路就会动作，并且会消耗电容器的储能，降低超级电容器的能量利用率，因此这种电路的应用受到一定限制。

由于上述种种原因，在电容器组的充电过程中会导致单体电容器出现过电压现象，而过电压正是电容器寿命急剧缩短的主要因素。在频繁高电流充放电的应用场景中，电容器的寿命甚至不到 1 年，这严重违背了电容器高倍率充放电、高充放电循环寿命以及长产品寿命的特性，因此需要采取措施加以改进。

解决电容器组的单体电压均分的方法

1.加大均压电路的均压电流可以有效抑制充电过程单体电压的偏差

针对上述问题，可以通过加大均压电流的方法来改善。对于限幅型均压电路，可以采用图 3 所示的电路，将最大工作电流扩展到 4A，而电路成本增加并不多，这是一种较为实用的电容器均压电路解决方案。

从图中可以看出，图 3 电路实际上是在图 1 电路的基础上增加了 3 路输出级，从而扩大了均压电流。进一步改进该电路，可以使大均压电流达到 10A，这样基本能够解决电容器在充电过程中可能出现的严重过电压问题。不过，需要注意的是，上述均压电路都属于耗能型，电路在动作时会产生较大的损耗。为了大幅降低均压过程中的损耗，采用非能量损耗型均压电路将是更好的选择。

2.改进型动态电压均衡方式

图 2 电路存在的问题实际上是电路的开环增益过高，导致两个电容器电压稍有差异电路就会动作。如果放大器 A 的开环增益为 100dB，那么克服晶体管 Q1、Q2 发射结电压仅需要 7μV，因此均压电路会持续不断地进行调节，将电容器储存的电能消耗在电压均衡过程中。

在实际应用中，两个电容器的电压偏差允许在一个较小的数值范围内即可，例如 10mV - 30mV 就能满足实际应用要求，如 20mV。基于这一思路，可以使均衡电路变得不那么敏感，当电压偏差低于 20mV 时，电路不动作，只有当电压偏差大于 20mV 后，电路才会动作。这一功能可以通过图 4 所示的电路来实现。

这样，当两个电容器电压偏差小于 20mV 时，电路处于静止状态，此时电路的损耗仅为放大器的损耗和分压电阻的损耗。

3.非能量损耗型均压电路是解决电容器电压均分的好方法

解决电容器均压电路损耗问题的有效方法是采用 DC/DC 变换器，将单体电压相对较高的电容器的电荷转移到电荷相对较低的电容器中。由于这是电荷的转移，而非电能的消耗，因此这种均压电路的损耗非常低，属于非能量损耗型均压电路，电路如图 5 所示。

实现图4电路的关键是DC/DC变换器应能够在1V左右就能正常工作，并且受电压监测与控制电路控制。当电容器C1电压高于电容器C3电压时，图中上面的DC/DC变换器工作，将C1中的电能（电荷）转移到C2中，这时下面的DC/DC变换器不工作；同理，如果电容器C2电压低于电容器C1电压，则电压监测与控制电路控下面的DC/DC变换器工作，将C2的电能（电荷）转移到C1中，这时上面的DC/DC变换器是不工作的。图4电路的均压电流取决于DC/DC变换器的设计，可以达到10A以上。

小结

电容器均压电路是电容器组中的必备电路，用以均分各单体电容器上的电压基本一致，因此电容器均压电路的性能决定了均压效果。通过增加均压电流可以减轻单体电压过电压的程度。利用DC/DC变换器技术可以获得非能量损耗的均压电路。