电容器串联应用中的均压问题及解决方案
IGBT串联运行时的动态均压
第19卷第3期 中南民族学院学报(自然科学版) V o l.19N o.3 2000年9月 Journal of South2Central U niversity fo r N ati onalities(N at.Sci.) Sep.2000αIGB T串联运行时的动态均压熊承义 孙奉娄(电子工程系)摘 要 分析了高电压工作中IGBT串联运行时导致端电压静态和动态不均衡的种种原因,给出了几种改善端电压不均衡的具体控制措施和电路,主要给出了对称均压电路和驱动控制均衡电路.经实际应用表明效果良好.关键词 绝缘栅双极型晶体管;串联;动态电压均衡中图分类号 TN386.2 文献标识码 A 文章编号 100523018(2000)0320001204功率器件的串联使用可以提高功率器件的变换效率,减小系统尺寸,扩大器件的应用场合.晶闸管和门控可关断晶闸管(GTO)的串联曾经应用于高压直流电路(HVDC)、静态可变补偿器和高压逆变器等.但是为了器件的安全运行,提出了对器件的端电压实现过压均衡,以防因其过压超出额定值而导致器件的损坏.但是,串联器件的被动均压必定会带来器件的额外功率消耗和降低开关速度.其额外的功率损耗和开关特性的变慢,阻止了晶闸管在PWM逆变器中的串联应用.如果应用IGB T,PWM逆变器将具有如下优点:(1)提高了系统工作频率;(2)电路结构更紧凑;(3)吸收电路的功率损耗减小;(4)驱动电路简单.过去几年里,高压大功率IGB T和IGCT开始应用.但其应用仍受到了较大的限制,特别是在甚高电压的设备中,因此串联使用显得很有必要.然而原来的功率器件串联技术不能直接用于IGB T的串联使用,因为IGB T的通常关断时间在0.3～0.5Λs.因此传统的均压措施是行不通的.串联联接IGB T实行均压的目的是为了保证在关断瞬间对每个IGB T的过电压保持均衡,因而要求控制电路的响应是快速的;不允许产生更多的损耗和降低系统的开关频率;同时在工程上是经济有效的.设计有效的动态均压控制电路将是十分必要的.1 串联IGB T过电压失衡原因控析串联IGB T的门极信号的延迟是引起端电压失衡的原因之一.信号的延迟极大地影响了电压的不平衡,门极信号延迟不同会造成开通过程中在慢开的器件上产生电压尖峰.驱动信号的提前关断也会造成另外器件的过电压,而且会引起静态电压不均衡,然而如果这些信号的延α收稿日期 2000205216作者简介 熊承义(1969～),男,讲师,中南民族学院电子工程系,武汉430074基金项目 国家民委科研基金资助项目(970101)迟或提前能限制在0.3Λs 以内,则不会引起严重的过电压失衡问题.仔细设计门极驱动电路使之信号延迟控制在0.1Λs ,不致引起严重过压.但是这样的延迟在串联使用中不可避免,所以必须予以考虑.引起过电压的另一个主要原因在于器件引线分布电感和级联器件的吸收电路的特性不一致.不同IGB T 其引线电感会不一样,因而会导致不同的开关特性和电压尖峰.关断瞬间的电压上升速率d V d t 主要取决于吸收电容,而电容容量的误差在5%～10%,因此每个串联的IGB T 的d V d t 也会有所不同.当处在门信号延时的情形下,由于吸收电容的作用,容量的不同会产生严重的电压尖峰.因而,如果IGB T 被串联于高压的条件下,就会在最小的吸收电容的IGB T 两端产生严重的过电压.为了分析IGB T 串联条件下的过电压失衡原因及情况,采用如图1所示电路,进行了几种相关因素引起过电压失衡的实验.图1 过电压失衡实验电路框图为了观察不同情形下开关器件的过压失衡特性,在如下条件下进行实验:①IGB T 选用3种不同型号;②选用不同容量的吸收电容;③不同延时的门极驱动信号;④门极驱动电路也采用不同的参数.2 实验结果通过实验发现,电压不平衡的主要原因在于吸收电容的不同和门极驱动信号的相对延迟.(1)吸收电容的影响.吸收电容不同会导致所用电容小的IGB T 在关断瞬间产生很高的过压,而对其开通不会产生什么影响.吸收电容小者,由于在关断瞬间端电压的变化率d V d t 较大,因而导致了出现最大的过电压.(2)门极驱动开通延时的影响.开通延时的门极信号所驱动的IGB T 两端在开通瞬间会产生电压尖峰.但是实验发现,对于小于0.3Λs 延迟不会产生明显的电压尖峰;这种不平衡还不致引起电路在稳态时的电压不平衡,但是额外功率损耗会导致器件过热.(3)门极驱动关断延时的影响.关断的延迟会引起在首先关断器件的两端产生高的过压.无论是在瞬态或是在稳态,其电压均会不平衡.3 IGB T 端电压过冲均衡措施2 中南民族学院学报(自然科学版)第19卷基于以上分析和实验结果,对于IGB T 的串联使用可以采取以下一些措施:(1)系统设计时尽量选用型号一致、特性一致的IGB T ,并且其吸收电路、驱动电路的结构,参数应严格一致.(2)除了对元件提出上述要求外,系统设计工艺也要讲究,以避免电路分布参数带来的影响.另外,在主电路结构上尽量采用对称形式,二级串联联接运行时可采用如图2所示对称均压电路,其工作原理是:当某一管的过电压大于直流电压的一半时,相应二极管导通,从而将其端电压拉回到电源电压的一半,实现了端电压的静态和动态均衡.实际应用表明其静态和动态均压效果较理想.图2 对称均压控制电路(3)对多级串联系统,可对驱动信号实行动态电压均衡控制,尽可能减少其开通和关断的延时.为了控制IGB T 的过电压,以达到电压均衡之目的,有人提出了门极电压倾斜控制的方法[1].其控制原理是根据IGB T 的瞬间电压来改变门极信号的斜率,为了在动态控制瞬间不致使产生电压过冲,产生一个精确的控制输入到门极驱动.但是为了在串联使用的任何一个IGB T 上都没有过冲的电压均衡,其控制斜率将会比最慢的器件还慢,其原因就是在开关过程的瞬间有一个很长的过渡时间.因此系统的工作频率将会大大降低,而且产生大量的开关损耗,由于过热,器件被用于它的额定值下.这种控制方法的缺点在于当电压均衡时,这种控制作用依然工作,因此在正常工作期间仍会产生额外的功率损耗.图3 驱动控制均衡电路在开关瞬间采用数字无差拍控制均压[2,3]也是一种好的方法,无差拍控制是一个能精确控制均压的监视器.结果证明在控制的瞬间过冲电压是相当小的,且功率损耗较小.但是这种控制方式需要传感器,模数转换器等等,因此会有较大的延时.并且控制是离散的,为了减少延时,传感器部分和控制部分必须选用快速器件,因而使得不适合于实际应用.3第3期 熊承义等:IGBT 串联运行时的动态均压 4 中南民族学院学报(自然科学版)第19卷门极电流脉冲控制[4]是一种直接均压的方法.其控制是非常有效的,控制路径小,功率损耗小,结果显示在控制瞬间电压过冲小.但是由于控制的过渡过程是由控制器的内容决定的,因此在可变负载的情况下无法产生精确的门极脉冲数.这种控制为门极提供一个离散的充电脉冲,因此无法响应连续的过电压.图3所示驱动控制均衡电路,是一种新的控制电路.其工作原理是:IGB T端电压V CE与V R EF进行比较输出一控制信号,当V CE>V R EF时,比较器输出高电平,延迟相应驱动关断时刻,以实现端电压的动态和静态平衡.该电路在正常工作期间不工作,因而大大地减少了额外功率损耗.4 结论动态均压性能的好坏,是决定IGB T串联工作是否稳定、可靠的关键因素,文中设计的均压控制电路在实际应用中取得了满意的效果.参 考 文 献[1] Pal m er P R,Gith iari A N.T he Series Connecti on of IGBT’s w ith Op ti m ized V o ltage Sharing in theSw itch ing T ransient[J].P roc IEEE PESC,1995,(1):44～99.[2] Gerster C.Fast H igh Pow er H igh V o ltage Sw itch U sign Series Connected IGBT’s w ith A ctive Gate2Contro lled V o ltage Balancing[J].P roc IEEE A PEC,1994,(1):469～472.[3] Gerster C,Ho to r P,Karrer N.Gate2Contro l Strategy fo r Snubberless Operati on of Series ConnectedIGBT’s[J].P roc IEEE PESC,1996,(1):1739～1742.[4] Conso li A,M usum eci S,O riti G,et al.A ctive V o ltage Balancem ent of Series Connected IGBT’s[J].P rocIEEE2I A S A nnu M eeting,1995,(3):2752～2758.Active Voltage Ba lanc i ng on Ser ies Connection of IGBT’sX iong Chengy i S un F eng louAbstract T he reason s of overvo ltage i m balancing of series connecti on of IGB T’s in h igh vo ltage system are analysed,som e m ethods and circu its to ach ieve vo ltage balancing are given,good resu lts are ach ieved in app licati on.Keywords in su lated gate b i po lar tran sisto r;series connecti on;active vo ltage balancingX iong Chengy i L ect.,D ep t.of E lectronic Engineering,SCU FN,W uhan430074。
新型多电平VSC子模块电容参数与均压策略
新型多电平VSC子模块电容参数与均压策略一、本文概述随着可再生能源的快速发展和电力电子设备在电力系统中的广泛应用，电压源型换流器（VSC）在高压直流输电（HVDC）、灵活交流输电系统（FACTS）以及分布式能源接入等领域的应用日益广泛。
作为VSC的核心组成部分，子模块电容在维持换流器稳定运行、提高电能质量以及实现高效能量转换等方面发挥着至关重要的作用。
特别是在新型多电平VSC结构中，子模块电容参数的合理选择和均压策略的有效实施，对提升换流器的整体性能至关重要。
本文旨在深入探讨新型多电平VSC子模块电容参数的选择原则及其影响机制，并在此基础上研究均压策略的优化设计。
通过对子模块电容参数的理论分析，本文将揭示其对VSC性能的影响规律，为电容参数的合理设定提供理论依据。
结合均压策略的研究，本文旨在开发高效、稳定的均压方法，以解决新型多电平VSC在实际应用中可能出现的电压不平衡问题，确保VSC的长期稳定运行。
本文的研究内容不仅有助于提升VSC的设计水平和运行效率，也有助于推动可再生能源和电力电子技术的发展。
通过不断优化VSC子模块电容参数和均压策略，未来VSC将在智能电网、新能源接入等领域发挥更加重要的作用，为实现清洁、高效的能源利用和可持续发展做出重要贡献。
二、多电平VSC子模块电容参数分析随着电力电子技术的不断发展，多电平电压源型换流器（VSC）在高压直流输电、灵活交流输电系统以及分布式发电等领域的应用日益广泛。
VSC的核心组成部分之一是其子模块，而子模块中的电容参数对于VSC的性能具有重要影响。
因此，对多电平VSC子模块电容参数的分析与优化，是提高VSC性能的关键。
子模块电容的主要作用是维持直流电压的稳定，同时在VSC进行能量转换时提供所需的缓冲。
电容参数的选取直接关系到VSC的电压波动、动态响应以及故障穿越能力。
电容值过小，可能导致VSC在受到扰动时电压波动较大，影响系统的稳定性；而电容值过大，虽然可以提高系统的稳定性，但会增加系统的成本和体积。
超级电容器储能系统电压均衡的研究
ｓｔｒａｔｅｇｙ ｔｏ ｄｒｉｖｅ ｔｈｅ
刚ｔｃｈ
ｎｅｔ，Ａｓ
ｒｅｓｕｌｔ，ｅｎｅｒｇｙ ｗｉｌｌ ｂｅ ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ
ｂｅｔｗｅｅｎ
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ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｃｅｌｌｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｗｉｌｌ ｂｅ ｒｅｄｕｃｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ．ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｄａｔａ．
和应急电源等领域具有广泛的应用前景。对于大功率储能系统来说，为了满足容量和电
压等级的需要，一般是由多个超级电容器串联和并联的组合方式构成。然而超级电容器 在串并联使用时，单体电容器参数的分散性是制约其寿命和可靠性的主要因素。因此， 为了提高储能效率，对超级电容器组合进行电压均衡管理具有十分重要的意义。 本文针对超级电容器串联使用时充电电压的均衡问题，对超级电容器组充放电均衡
和高比功率输出的贮能系统。
超级电容器储能系统电压均衡的研究
（６）高可靠性。超级电容器工作过程中没有运动部件，维护工作极少，因而超级电
容器的可靠性是非常高的。
（７）对环境无污染。产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程中均没有环
境污染，是理想的绿色环保电源。
超级电容器的一个很大缺点是其参数的不一致【５．６】。同一型号规格的超级电容器在电 压、内阻、容量等参数上存在着不一致性，这主要是由制造过程中工艺和材质不均造成 的，而在超级电容器使用过程中，工作环境不同以及电压不均匀的积累又加剧了超级电
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基于PVI的IGBT串联驱动及均压措施研究_王永青
第４１卷第９期２００７年９月电力电子技术ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＶｏｌ．４１，Ｎｏ．９Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２００７基金项目：国家科技部科学仪器设备升级改造专项课题（ＪＧ－２００２－９）定稿日期：２００７－０３－３０作者简介：王永青（１９６２－），博士研究生，教授，副院长，研究方向为传感器应用和分析检测仪器。
１引言ＩＧＢＴ兼备了功率ＭＯＳＦＥＴ的电压驱动和超高速开关特性，以及双极型功率晶体管的大电流开关特性［１］，因此在电力电子行业得到了广泛的应用。
虽然ＩＧＢＴ的耐压可达１．７ｋＶ（如ＦＧＬ６０Ｎ１７０Ｄ），但考虑到工作的安全性和可靠性，单只ＩＧＢＴ难以工作在１．５ｋＶ及以上的工作电压，因此需要将ＩＧＢＴ串联使用。
但其串联使用也带来了需隔离驱动、使集射极间均压等问题。
这里采用由ＬＥＤ－Ｓｉ光电池组构成的光压隔离器（ＰｈｏｔｏＶｏｌｔａｉｃＩｓｏｌａｔｏｒ，简称ＰＶＩ）作为隔离驱动器件，同时采用ＰＭＯＳ管为ＩＧＢＴ的集射极提供均压。
以两只ＦＧＬ６０Ｎ１７０Ｄ型ＩＧＢＴ构成的串联电路为例，给出了ＩＧＢＴ在高压下串联使用的实验结果。
２采用ＰＶＩ的隔离驱动电路因ＩＧＢＴ的开启电压Ｕｇｅ是其栅射极之间的相对值，当两只ＩＧＢＴ串联使用时，其中一只ＩＧＢＴ的发射极电压Ｕｅ１为供电电压的１／２。
此时Ｕｅ１可达数百伏以上，ＩＧＢＴ的驱动必须采用隔离驱动技术。
在此采用了一种新型ＬＥＤ－Ｓｉ光电池组器件ＰＶＩ来实现ＩＧＢＴ隔离驱动。
２．１ＰＶＩ的工作原理ＰＶＩ系列光压隔离器是将小型硅光电池组置于距ＬＥＤ管芯约１ｍｍ处的塑料空腔内，完成能量从ＬＥＤ到硅光电池组的有效传输。
从ＬＥＤ发出的红外线照射在串联的硅光电池组上，使其具有一定的输出电压［２］。
图１示出ＰＶＩ的等效电路。
２．２ＰＶＩ的特性ＰＶＩ系列光压隔离器的输入特性和普通的红外ＬＥＤ相同，输入电流为２～５０ｍＡ，最大正向压降不大于１．４Ｖ；其输出特性可视为一个受输入电流控制的电压源，电压源的输出阻抗约为５００ｋΩ，最大输出电压为８Ｖ，最小短路电流为５μＡ。
二极管串联均压问题的判断误区
二极管串联均压问题的判断误区由于快恢复二极管的反向耐压有限，当用于高压环境下时，往往需要采用多个快恢复整流二极管串联来满足反向耐压的需要。
由于生产过程中二极管存在伏安特性、开通时间、恢复电荷等方面的不一致性，从而使得在串联使用时，发生二极管不均压的问题，进而导致某个二极管反向电压过高而损坏，进一步影响其他二极管的正常运行，最终影响整个装置的可靠陛和稳定胜。
二极管串联均压问题一直是高功率电力电子变换装置研究的难题。
二极管串联不均压的因素有自身因素和外围电路的因素。
在午维伯的《二极管串联不需要均压电阻》一文给出二极管串联不需均压的结论；而在《二极管串联高压整流的电压分布与均压问题》一文给出了二极管串联需要均压；在《用于高压高频整流的二极管串联均压问题》一文给出了二极管串联均压方法及参数选型等等。
因此在判断二极管串联均压问题上容易产生误区。
1、二极管的特}生及其串联不均压因素分析1．1二极管特l生二极管属于电力电子器件，也是应用较多较为普遍的器件。
一般越熟悉的器件越容易遗漏其关键参数指标，一般情况下只是关心宏观上的参数指标，诸如反向耐压、通态电流、反向漏电流等。
一般隋况下，二极管的结电容、关断和开通特眭图等等容易被忽视。
1．2二极管串联不均压因素分析二极管串联不均压主要原因来自自身和外部两类。
自身原因主要由加工工艺造成的，外因主要是由外部电路造成的。
同一批次生产出来二极管的伏安特性不一致，造成二极管的静态不均压；反向恢复时间及开通状态的不一致造成二极管的动态不均压目。
外部电路设计会造成杂散电感和电容，在高压高频环境中会造成不均压问题。
2、二极管串联不均压误区分析2.1宏观下二极管串联不均压分析《二极管串联不需要均压电阻》一文给出二极管串联不需均压，这是从宏观上分析得出的，主要考虑的是二极管自身因素的影响。
如图1所示，二个二极管串联，外接反向直流电压。
反向饱和电流较小的二极管承受电压较大，因为两个二极管串联，在外部施加电压额定的J隋况下，反向饱和电流是不变的。
超级电容均压技术
本文每一章内容安排如下:第一章:绪论部分,主要介绍了本文研究背景及现状,阐述了超级电容器的概念和优缺点等相关知识,简要介绍了几种电压均衡方案"第二章:理论基础部分,介绍了超级电容器的构成!原理和相关参数,分析研究了超级电容器的输入输出特性"第三章:仿真分析部分,对几种常用的电压均衡方案进行详细的介绍和仿真分析,全面比较几种电压均衡方案的优劣"第四章:均衡方案确定和改进部分,结合仿真比较和实际情况选择合适的电压均衡方案,针对此方案存在的不足之处提出改进意见并分析其可行性"第五章:稳压方案设计部分,设计合适的超级电容器输出电压稳压方案,保证其两端输出电压恒定不变"第六章:硬件搭建部分,在前几章分析讨论的基础上搭建充放电控制系统的 硬件电路,给出硬件的设计过程和调试结果"第七章:总结展望部分,简要总结论文的主要研究工作,展望超级电容器储 能系统应用的发展前景"超级电容器作为近年来兴起的一种新型电力储能元件，在电动汽车、有轨列车、新能源等领域的应用日益广泛。
但由于超级电容器的电压值很低 ( 1.6-3 V) ，不能满足一些大功率储能系统的要求，所以需要将大量的超级电容器单体进行串联以提高电压等级。
生产工艺等原因造成了各个电容单体参数的分散性，导致在串联工作时，各个单体上的电压大小不一，即有可能在储能系统充放电过程中出现过电压和欠电压两种不健康状态。
欠电压状态的超级电容器，其容量不能得到充分地利用，存在浪费现象。
而处于过电压状态会很大程度上缩短超级电容器的使用寿命，严重时还会发生爆炸。
所以必须对超级电容器组引入均压技术，来提高超级电容器组的利用率和可靠性［3-5］，同时使超级电容器的使用寿命得以延长。
影响超级电容电压不均衡的原因 1）容量偏差超级电容器的电压u 、电流i 、电量Q 以及容量W 满足以下的关系式：221u C W du C dt i Q dtdu C i ⨯⨯=⨯=⨯=⨯=从公式2-1可以看出，在恒定电流充电的条件下，如果电容单体之间，电容值C 存在差异， 电压u 的变化率是不相同的。
电容器串联应用中的均压问题及解决方案
min com 超级电容器串联应用中的均压问题及解决方案1. 问题的提出超级电容器的额定电压很低〔不到 3V 〕，在应用中需要大量的串联。
由于应用中常需要大电流充放电，因此串联中的各个单体电容器上电压是否全都是至关重要的。
假设不实行必要的均压措施，会引起各个单体电容器 上电压较大，实行更多的串联数来解决问题是不行取的。
影响均压的因素主要有：1.1 容量的偏差对电容器组的影响通常超级电容器容量偏差为-10%--+30%，上下偏差 1.44。
当电容器组中消灭容量偏差较大时，在充电时容量最小的电容器首先到达额定电压而电容量偏差最大的仅充到 69%的额定电压，其储能为最小容量电容器的0.69%。
如式〔1〕〔1〕其中 C 为最大负偏差电容量。
电容器组的平均储能为：〔2〕比全部由下偏容量超级电容器构成的电容器组还小，为标称值电容器的 76%，即，其中 C 为标称电容量。
由〔1〕，〔2〕可得〔3〕在批量生产电容器组时精选电容量在很小的偏差内对提高电容器组的储能是有意义的，但将提高生产本钱。
1.2 漏电流对超级电容器组的影响超级电容器多为储能用。
充有电荷后静置状态下的电荷〔或电压〕保持力气取决于漏电流，经过相对长的静 置时间后，漏电流大的超级电容器保持的电荷〔或电压〕明显低于漏电流小的。
因此放电时，漏电流大的首先达 到放电终了，而漏电流小的仍保持较多的电荷，充电时漏电流小的首先到达充电终了。
因此，这时超级电容器组 的各单体的充放电能量为：〔4〕其中ΔU 为充放电前漏电流最小和漏电流最大的超级电容器电压差值。
1.3 ESR 的影响由于超级电容器的ESR 相对较大，而且反复充电后ESR 渐渐变大，ESR 大的将越来越大，在充放电时ESR 大的将先于ESR 小的先到达充放电终了电压，使其他ESR 相对小的充放电不充分。
综上所述，超级电容器串联应用中必需考虑并解决均压问题。
2. 解决方案2.1 无源元件解决方案图1 超级电容器的阻容均压通常两个以上电容器串联可以承受并联电阻均压方式，通常应用于较高电压的整流滤波，电路如图1，图中C1=C2、R1=R2 由于电容器工作时有电源供电，电容的作用为滤波，故均压电阻的电流与功耗可以承受，不会影响滤波作用，假设用于储能的超级电容器，假设仅漏电流的差异，此法还可以，但与均衡高幅值充放电电流，则需格外小的阻值的均压电阻，这个分压电流将由超级电容器供给，使超级电容器储能变低，在多只大容量超级电容器串联时是不有用的方法。
超级电容器均压电路状况与展望
超级电容器均压电路状况与展望摘要：本文分析了现有的超级电容器限幅型均压电路和动态均压电路的特点与实用性以及存在的问题，其本质就是均压电流远低于充电电流，导致分流效果差。
针对这些问题提出了改进的方法，采用加大均压电流方式减缓单体电压在充电过程中可能出现的过电压。
最后提出非能量损耗型均压电路是解决超级电容器电压均分的最好方法。
关键词：超级电容器；限幅型均压电路；动态均压电路；非能量损耗型均压电路引言超级电容器的额定电压很低（不到3V），在应用中需要大量的串联。
由于应用中常需要大电流充、放电，因此串联中的各个单体电容器上电压是否一致是至关重要的。
影响超级电容器电压是否均分的因素主要有：电容量、ESR、漏电流等，尽管超级电容器在应用初期这些参数对超级电容器的电压均分的影响比较小，但是在超级电容器应用的中后期，随着这些参数的离散性变大，对超级电容器电压均分的影响越来越大，最终导致超级电容器寿命的急剧缩短。
如果不采取必要的均压措施，会引起各个单体电容器上电压较大，采取更多的串联数来解决问题是不可取的。
1 超级电容器常用的均压方法及存在的问题目前超级电容器均压电路主要有两种：限幅型均压电路和动态电压均压电路。
1.1 限幅型均压电路及特点限幅型均压电路如图1。
从图中可以看到，当电压低于转折电压时，电路处于“阻断”状态，仅有很小的漏电流；而电压达到并超过转折电压后，流过电路的电流将随电压的增加而急剧增加，呈现稳压二极管特性，以达到分流充电电流或泄放过充的电荷，最终超级电容器的电压被限制在转折电压以下。
图1 限幅型均压电路这种电路的优点是电路工作原理简单，工作可靠，参数一致性好，一般的最大工作电流在1A以下。
这种特性也带来了应用时的问题，也就是充电过程超级电容器组中的某些超级电容器单体会出现比较严重的过电压。
例如，应用2.7V/600F、ESR0.8Ω超级电容器144只串联的390V/4F超级电容器组用7A电流充电到390V时，最高的单体电压达到2.95V，最低的仅仅2.45V。
电容器的常见故障处理方法与技术
电容 器 油 、 二 烷 基苯 、 丙基 联 苯 、 芳 基 异 烷 十 异 二 苯 甲基硅 油 ； 按照 电容 器 固体 电介 质可 分为 ： 电 全 容器 纸 电介质 、 聚丙 烯 薄 膜 介 质 、 、 膜 复合 全 纸 薄
容器 、 串联 电容器 、 电热 电容 器 、 均压 电容 器 、 波 滤
电容器 、 脉冲电容器 、 标准电容器等 ８ 个系列。不 同类 型 的电力 电容器 具 有不 同的用途 。 并 联 电容 器 与负 荷 或 者 供 电设 备 并 联 运 行 ，
施， 正确掌握 电容器各种常见故障相应的处理方法和注意事项。可以延长电容器的使 用寿命 ， 减 少运行 中 出现 故 障的机 会 ， 保证 电力 系统 正 常 的运行 。 关键 词 ： 电容 器 ； 故 障 ； 运行 ； 处 理 ； 检修 ； 防 火措施 中图分类 号 ： Ｍ ３ ． 文献 标识 码 ： Ｔ ５ １４ Ｂ 文章编 号 ： ６ ４ １５ （ ０ ０ ０ － ６ － １ ７ —７ ７ ２ １ ）４０ １ ４ ０ ０
ｒ ｔ ｆｃ ｐａ ｉ ｒａ ｄ ａ ｓ ｒ ｒ ｌｏ ｅ ａｉ ｎ ｏ ｏ ｒｓ ｓｅ ． ａ ｅ ｏ ａ ｃｔ ｎ ｓ ｕ ｅ ｎｏ ｍａ ｐ ｒ ｔ ｆｐ ｗｅ ｙ ｔ ｍ ｏ ｏ Ｋ ｅ ｗｏ ｄ ｃ ｐ ｃｔ ｒ ａ ｌ； ｏ ｒ ｔｏ ｙ ｒ ｓ： ａ ａ ｉ ；ｆ ｕ ｔ ｐｅａ ｉｎ；ｔｅ ｔ ｎ ；ｍａ ｎ ｅ ｎ ｅ；ｆｒ ｒ ｖ ｎ ｏ ａ ｕ ｅ ｏ ｒ ａｍｅ ｔ ｉ ｔｎａ ｃ ｉ ｅ ｐ ｅ ｅ ｔ ｎ ｍｅ ｉ ｓ ｒｓ
用于高压高频整流的二极管串联均压问题
用于高压高频整流的二极管串联均压问题陈曦;王瑾;肖岚【摘要】The high voltage and high power converters require high voltage level of the power electronic devices,which would cause extra costs,large volume and short lifetime.One of feasible methods to derate the voltage of the devices is to use the elements coupled in series currently.However,the serial devices can not get equal voltage sharing.This paper discusses the problem of the voltage sharing in series coupled diodes,and some factors that influence this problem are gotten based on the analysis of the equivalent network of the coupled diodes.The influence of the parasitic capacitance and the number of the coupled diodes are discussed,and the phenomenon of unequal distribution of each diode in bridge rectifier circuit is resolved.At last the solution and the experiment verification are given.The simulation and the experiment indicate that the main factor that causes the voltage of the coupled diodes different under high voltage pressure is the parasitic capacitance,and the influence can be solved effectively by coupling a compensating resistance and a compensating capacitor in parallel with each switch.%大功率高压直流输出变换器对电力电子器件的耐压等级要求较高,导致变换器成本增加、体积增大以及寿命减小。
基于双向DC／DC的超级电容均压电路盛
基于双向DC／DC的超级电容均压电路盛超级电容功率密度大、循环寿命长及工作温度范围宽等优点使其成为近年来备受青睐的一种新型储能装置。
针对由于制造误差、自放电率等因素引起的电容器单体间电压差异，文章研究一种双向DC/DC均压电路实现超级电容电压均衡。
均压电路实时采集两组电容器电压值进行比例运算，通过算法控制达到均压效果。
基于MATLAB/Simulink搭建电路仿真模型，验证该方法的可行性。
标签：超级电容；双向DC/DC；均压1 概述與其他储能元件相比，超级电容具有功率密度大、循环寿命长、使用温度范围宽等优点，具有很好的发展前景。
超级电容具有双电层结构，单体电压一般为2.5～3.0V，为满足电压等级要求必须对其串并联使用。
但由于制造误差和制造水平等限制，超级电容器单体储存能力不一，因此需采用均压措施使超级电容器单体电压保持一致。
目前存在的均压电路主要分为能耗型和能量转移型。
能耗型均压法电路简单易实现，但能量浪费严重。
能量转移型均压方法通过中间元件传输能量，使超级电容器单体电压达到均衡，具有能耗低的优点，但其控制方法复杂，成本较高。
针对上述问题，本文研究一种基于双向DC/DC的超级电容均压电路，利用并联于超级电容器单体间的电感实现能量传输，最后达到均压目的。
2 双向DC/DC均压电路2.1 工作原理如图1所示双向DC/DC均压电路，在两个超级电容器SC1、SC2间并联一个电感，通过两侧开关控制两条支路的关断与接通，实现能量传输，到达均压效果。
当SC1电压高于SC2电压时，开关S1导通，S2关断，SC1向电感L充电，电感电流升高，SC1电压降低，充电一段时间后，断开S1接通S2，电感L向SC2放电，此时电感电流降低，SC2电压升高，放电一段时间再次开通S1关断S2，如此循环。
当SC2电压高于SC1电压时，开关S2导通，S1关断，SC2向电感L充电，电感电流升高，SC2电压降低，电感充电一段时间后，断开S2接通S1，电感L 向SC1放电，此时电感电流降低，SC1电压升高，放电一段时间再次开通S2关断S1，如此重复，最后达到电压平衡。
超级电容均衡方式
超级电容器串联应用中的均压问题及解决方案2009年09月14日作者：陈永真来源：《中国电源博览》编辑：樊晓琳摘要：本文详尽的分析了超级电容器串联应用中影响各单体电容器上电压的一致性的原因，对不同的电压均衡的方法及存在的问题，提出使用的电压均衡电路单元，最后给出了实验结果。
关键词：超级电容器电压均衡温度系数Abstract: In this papper the reason has been analysed that si the ultra capacitor in series infkuence the consistency of the voltage of each unit capacitor in detailed .For different methods of the voltage balance and the questions existing,the voltage balance citcuit unit and the test result has been provided .Keywords: Ultra Capacitor Voltage Balance Temperature Coeffcient1. 问题的提出超级电容器的额定电压很低（不到3V），在应用中需要大量的串联。
由于应用中常需要大电流充放电，因此串联中的各个单体电容器上电压是否一致是至关重要的。
如果不采取必要的均压措施，会引起各个单体电容器上电压较大，采取更多的串联数来解决问题是不可取的。
影响均压的因素主要有：1.1 容量的偏差对电容器组的影响通常超级电容器容量偏差为-10%--+30%，上下偏差1.44。
当电容器组中出现容量偏差较大时，在充电时容量最小的电容器首先到达额定电压而电容量偏差最大的仅充到69%的额定电压，其储能为最小容量电容器的0.69%。
如式（1）（1）其中C min为最大负偏差电容量。
均压电阻工作原理
均压电阻工作原理
均压电阻是一种特殊类型的电阻器，通常用于需要稳定电压的电路中。
其工作原理主要是通过调节电阻值来改变电路中的电流，从而使输出电压保持稳定。
在电路中，均压电阻通常与其他元器件一起组成稳压器电路，以保持电源输出的稳定性。
具体来说，均压电阻利用了分压原理，可以保证各个电容上的电压保持相等。
如果没有均压电阻，电容器的容量和绝缘电阻的差异会导致各个电容上的电压不均匀，可能会使某些电容器的电压过高而击穿。
这种不稳定性可能引发一系列的问题，甚至可能损坏整个电路。
因此，在需要将多个电容器串联使用的情况下，通常会安装均压电阻。
这样，即使存在不同的容量和绝缘电阻，各个电容器上的电压也能保持均衡，从而提高电路的稳定性和可靠性。
在选择均压电阻时，需要根据实际需求进行选择。
具体需要考虑的因素包括所需的电压范围、最大输出电流以及稳定性要求等。
此外，还需要注意不要使用过低的均压电阻阻值，以确保输出电压的稳定性和可靠性。
在实际应用中，还需要对均压电阻进行合理的散热设计和正确的安装方向，以确保其正常工作。
以上内容仅供参考，如需更多信息，建议查阅相关文献或咨询专业人士。
电容均压电阻
电容均压电阻电容均压电阻是一种电路元件，它通常在滤波器等电路中使用，以确保电路中的电压均匀分布。
本文将从电容均压电阻的原理、种类、应用以及选型等方面进行详细介绍。
当电容器接在直流电压源上时，电容器内部会形成电场，电容器接口之间的电压会逐渐增加，直到电容器充满电之后，电容器两个接口之间的电压将等于外部电源电压。
当电容器放电时，电容器接口之间的电压将逐渐下降直至为零。
如果一个电容器与高频信号源相连，由于电容的分布电感，信号源的输出电压会在电容器的表面产生不均匀的电势分布，导致电容器中的电场集中在其表面。
这样，电容器中的高频信号源的传输效率将大大降低，从而影响电路的性能。
通过接入电容均压电阻，可以将电容器内的电场分布在整个电容器中，确保电容器的工作性能。
电容均压电阻通常有三类：碳膜型、金属箔型和铝电解型。
1.碳膜型碳膜型电容均压电阻是最常见的电容均压电阻之一，它采用了印刷工艺并切割成标准尺寸。
碳膜型电容均压电阻在电容器中具有很好的电容均压效果，并且具有阻值范围广、温度系数小和成本低等优点。
2.金属箔型金属箔型电容均压电阻由薄型金属箔、高密度陶瓷绝缘材料和封装材料组成。
金属箔型电容均压电阻在电容器中具有较好的电容均压效果，并且具有较低的噪声和稳定性，但成本较高。
3.铝电解型铝电解型电容均压电阻包含电解电容器和电阻器两个元件，能够同时实现电容和电阻的功能。
它通常安装在PCB板上，并广泛用于LED驱动器、逆变器和充电器等电路中，由于其大电容和低ESR值，它的电容均压效果非常优秀。
1.滤波器滤波器是电容均压电阻的主要应用之一。
滤波器通常用于去除电路中的噪声和杂波，调整电压波形，保证系统的可靠性。
2.稳压电源电容均压电阻还常用于稳压电源中，使整个电路的电压能够稳定输出。
这种应用场景通常需要选择耐高压、大容量、ESR值低的电容均压电阻。
3.LED驱动器在LED驱动器中，电容均压电阻用于调节电压，限制电流器的通量和抑制负载跳变。
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超级电容器串联应用中的均压问题及解决方案
1. 问题的提出
超级电容器的额定电压很低（不到3V），在应用中需要大量的串联。
由于应用中常需要大电流充放电，因此串联中的各个单体电容器上电压是否一致是至关重要的。
如果不采取必要的均压措施，会引起各个单体电容器上电压较大，采取更多的串联数来解决问题是不可取的。
影响均压的因素主要有：
1.1 容量的偏差对电容器组的影响
通常超级电容器容量偏差为-10%--+30%，上下偏差1.44。
当电容器组中出现容量偏差较大时，在充电时容量最小的电容器首先到达额定电压而电容量偏差最大的仅充到69%的额定电压，其储能为最小容量电容器的0.69%。
如式（1）
（1）
其中C min为最大负偏差电容量。
电容器组的平均储能为：
（2）
比全部由下偏容量超级电容器构成的电容器组还小，为标称值电容器的76%，即
，其中C com为标称电容量。
由（1），（2）可得
（3）
在批量生产电容器组时精选电容量在很小的偏差内对提高电容器组的储能是有意义的，但将提高生产成本。
1.2 漏电流对超级电容器组的影响
超级电容器多为储能用。
充有电荷后静置状态下的电荷（或电压）保持能力取决于漏电流，经过相对长的静置时间后，漏电流大的超级电容器保持的电荷（或电压）明显低于漏电流小的。
因此放电时，漏电流大的首先达到放电终了，而漏电流小的仍保持较多的电荷，充电时漏电流小的首先达到充电终了。
因此，这时超级电容器组的各单体的充放电能量为：
（4）
其中ΔU为充放电前漏电流最小和漏电流最大的超级电容器电压差值。
1.3 ESR的影响
由于超级电容器的ESR相对较大，而且反复充电后ESR逐渐变大，ESR大的将越来越大，在充放电时ESR 大的将先于ESR小的先到达充放电终了电压，使其他ESR相对小的充放电不充分。
综上所述，超级电容器串联应用中必须考虑并解决均压问题。
2. 解决方案
2.1 无源元件解决方案
图1 超级电容器的阻容均压
通常两个以上电容器串联可以采用并联电阻均压方式，通常应用于较高电压的整流滤波，电路如图1，图中C1=C2、R1=R2由于电容器工作时有电源供电，电容的作用为滤波，故均压电阻的电流与功耗可以接受，不会影响滤波作用，如果用于储能的超级电容器，如果仅漏电流的差异，此法还可以，但与均衡高幅值充放电电流，则需非常小的阻值的均压电阻，这个分压电流将由超级电容器提供，使超级电容器储能变低，在多只大容量超级电容器串联时是不实用的方法。
图2 超级电容器的二极管均压
用稳压二极管箝位或适当数量普通整流二极管串联后并于超级电容，如图2，在理论上行得通，但在实际上会因稳压二极管的稳压值及二级管导通电压随温度变化，而且其伏安特性相对较软，因而不符合超级电容器的均压要求，不能使用。
2.2 实用的超级电容器电压均衡电路
由于超级电容器电压均衡电路仅限制超级电容器端电压在额定电压值或以下，而且，通常不希望在额定电压值以下有较大的漏电流，因此：实现可使用的超级电容器电压均衡电路的基本要求为：端电压达到设定值（稳压值）后，端电压的微小变化将导致很大的端电流变化，即稳压二极管的反向击穿特性，如图3，能承受较大的电流，稳压值应是稳定的，不随时间温度及其他因素变化。
图3 超级电容器均压电路的伏安特性
按照上述基本要求，简要原理如图4
图4 实用的超级电容器均压电路
基本原理为：超级电容器电压经R5、R6分压送到U1的R端，这个分压值在2.5V以下时，U1的K端相当于开路（有约400uA的漏电流）在R1上基本不产生附加压降，这样，由R1、R2、R3在Q1基极上的分压不是以使Q1导通，因此Q2不导通，电路处于静止（高阻）状态；当R5，R6分压点等于2.5V时由于Q1内部较放大器的作用。
使Q1的K端电压下降（可拉电流100mA以上）将在R1上产生最大值为Uc-2V的压差，通常这时对应的Uc为2.7V，使Q1导通进入放大状态。
并驱动Q2导通进入放大状态；即，由于该电路的U R端电压Q2集电极电流的跨导非常大，当U1的R端的所接的分压网络与Q2集电极所接的电阻R9连于同一点时，电路的特性类似稳压二极管特性，在一定程度上将端电压限制在“稳压值”以下，保证了超级电容器在充电时不会过电
压，随着Q2集电极电流的上升，使R9电压达到后在Q2能维持在饱和状态下，该段的外特性
是R9的电阻特性，并加一饱和压降，不再是稳压二极管特性，如图5，超级电容器正常工作时不应进入这种状态。
图5 超级电容器大电流均压电路
图4电路元件参数如表1。
表1 超级电容器均压电路元件明细
一般大容量超级电容器的均压几乎全采用这种方式[1]，国外产品通常按表1的数据的参数，出现电阻性特性的电流（转折电流）在800mA左右，而将R9改为2.2Ω/3W，则转折电流可以提高到1.2A～1.3A，事实上Q1的驱动能力远不止仅驱动一个Q2，可以驱动多组R8、Q2、R9这样的单元电路。
作者将图4加以改进如图5。
图中的Q2、Q3、Q4、Q5可以选择价格低廉的S8050（40V/2A）。
通过采用多输出级的方式增加转折电流值，在所有参数与表1中的参数完全性同时，可以做到接近4A，如图6，采用上述改进措施后，均压效果优于国外产品。
图6超级电容器大电流均压电路的伏安特性
2.3 均压的效果
本文对项目完成的680F/2.7V超级电容器的3并48串构成的40F/130V超级电容器组在20A的充电电流状态下充到130V维持2分钟后测量超级电容器单体电压。
在未接入电压均衡电路前，超级电容器单体电压最高2.9V，最低2.5V，其中最高电压已超过额定电压；接入本文图4所示的电压均衡电路后，重新测试，各超级电容器单体电压均为2.7V。
从实验结果可以得出本文提出的超级电容器电压均衡电路是在超级电容器串联使用时均衡超级电容器单体电压的有效方法。
代用本文图5所示电路电路可以得到更好的均压效果。