电容组惠及注重能量的世界

过去，电容组用于孤立、低科技含量、围着高高栅栏的公共发电站。如今，电容组的应用范围小到纳米级的 MEMS 设备，远至海上风电场变电所。虽用处迥异，但电容组的功能始终是储存和整流电能。本文将探讨电容组的基本原理以及他们在各种现代化应用中的用途。

A 定义

正如其名，电容组不过是由相同额定功率的电容器组成。按照所需功率，电容组可串联或并联。正如单个电容器一样，电容组用于存储电能和调节该电能的流量。增加电容组中的电容器数量将提升可在单个设备中存储的电能。

常见应用

现今世界中的电子产品需要的大量电能。为满足这项需求，电能必须以电气形式进行存储，以便使用。电容器是存储大容量电能负荷并按需要调整电能流量的理想装置。

电容组的部分常见用途如下：

• 分流电容器：分流指通过创建低电阻通道，允许电流绕过电路上的另一个点。在电噪声旁路应用中，电容器用于高频率噪音在系统内传播前将其引向地面，尤其是重新导向负载。并联电容组用于提升电源质量，从而提升电力系统的效率（见图 1）。

  

  图 1：此处为电容组，更确切说是分流电容组。（来源：Vishay Intertechnology）

• 功率因子校正：在变压器和电动机中，电容组用于校正交流 (AC) 电源的功率因子滞后或相移。交流电力系统的功率因子是负载所用功率（称为“实际功率”），除以供给该负载的功率（称为“视在功率”）得出的比值。换句话说，功率因子是电路所做有效功率与基于供给电压和安培值能够做得最大有效功率的比值。

  在配电中，电容组用于功率因子校正。这些电容组需要抵消电动机和传输线等设备造成的感性负载，从而令负载表现出极强的电阻性。本质上，功率因子校正电容器可提升系统的载流容量。通过添加电容组，可为系统增加额外负载而无需改变视在功率。电容组还可用于直流电 (DC) 电源，以增加电源的波纹电流容量或提升电能存储总量。

• 储电：与单个电容器相同，电容组可在连接到充电电路时存储电能并在断开充电时放电。电容器通常用于电子设备，以便在更换电池时维持电源供应。对于手机等现代消费性设备，受空间限制，在极小的体积内需要提供高存储容量。由于容量提升通常意味着金属板面积增大（如图 2 中“A”所示），这项要求充满了挑战。

  

  图 2：电容组小型化的实现得益于在电容器的金属板之间使用了新的材料，从而提升了电介质材料的电容率 “k”。（来源：文章作者）

  如方程所示，增大电容量的另一个方法为提升电介质强度。”k“ 系数代表金属板之间电解质元素的相对电容率。对于自由空间，”k“ 等于单位值或一。对于其他介质，”k“ 大于一。薄膜电容器和电解质电容器是适合此类应用的设备的典型代表。

从大型到小型，从普通到特殊

电容组的应用范围极广，涵盖从极大到极小的各种体积。较为罕见的大型应用之一是用于风电场变电所。Lincs 风电场是一座 270 MW 的离岸风电场，位于英格兰东海岸的 Skegness 之外 8 公里（5 英里）处（图 3）。近海产生的电能通过位于诺福克郡的 Walpole 岸上变电所传输至电网。Siemens 高压电容器厂提供了总计六个单相位无熔丝电容组，以及六个内熔丝的单相位电容组。

图3：Lincs 离岸风电场。（来源：Geograph 作者 Mat Fascione）

在实践中，功率电容组安装可归入以下三个方面中的某一种：内熔丝、外熔丝或无熔丝。对于外熔丝电容器，包含电容组的单个金属壳封装由平行电容器元件串联组构成，每个元件都独自融在金属壳封装中。与此相反，外熔丝电容组由成组的并联电容器构成，这些电容器专用于使用普通外部熔丝工作。

如果其中一种绕组元件出现故障，这种外部熔丝就存在出现问题的可能性。在这种情况下， 整个部件必须舍弃。根据 Vishay 的 ESTA 电力电容器部区域销售和市场营销人员 Brad Henderson 介绍，使用内熔丝电容器是现代电容组技术的最新趋势之一。”终端用户已经习惯于使用美国历来使用的老式外熔丝电容组，而最大的设计挑战就在于改变他们的习惯。“Henderson 解释道。

最后，无熔丝电容器组也使用外部熔丝。但它们通常比典型的熔丝电容器包含更多的元件。因此，一个元件上出现短路不会造成整个容器的连锁故障。

天平的另一端是智能手机和储能设备等小型应用。小功率电容组与大电容值的超级电容器结合，用以降低手机的充电时间。超级电容器能够储存的电荷是标准电容器的数百倍，并且有时用作低电压充电电池。

在射频和无线空间，小型的微电动机械系统或 MEMS 中，可调谐电容器组用于增大或替换全尺寸电动机械可调谐电容器。通过串联外部接口 (SPI) 可控制和调谐数百个不同电容值的小型 MEMS 电容器。这些开关电容组可组合成一个封装，从而提升整体系统的可调谐范围。

电容器的较罕见用途之一是用于脉冲功率和武器系统。人们对低电感高电压电容组进行了研究，这种电容组可为众多脉冲功率应用提供大脉冲的电流。高能量密度的电容组（高于 1 J/cm3）和现代半导体开关可用于创造总计数百千焦耳 (kilo-Joules) 的紧凑能源并产生高振幅脉冲电流。

这些高密度电容组的应用包括电磁成型、Marx 发电机、脉冲激光器、脉冲成型、雷达、聚变研究和粒子加速器。试验研究继续使用电容器组作为电磁装甲、电磁炮和线圈炮。