[發明專利]具有AC側短路功能的整流器電路及電感同步開關收集轉換器

有效

• 申請號: 201280060439.2
• 申請日: 2012-10-08
• 公開（公告）號: CN104541444B
• 公開（公告）日: 2018-01-02
• 發明（設計）人: 瑪麗亞·洛雷托·馬特賽斯;亨里克·澤辛;拉爾斯·呂曼;彼得·施皮斯
• 申請（專利權）人: 弗勞恩霍夫應用研究促進協會
• 主分類號: H02M7/219
• 分類號: H02M7/219
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司11240
• 代理人: 余剛,吳孟秋

技術領域

本發明實施方案涉及整流器電路。一些實施方案涉及電感同步開關收集(SSHI)轉換器。一些實施方案涉及對電流進行整流的方法。一些實施方案涉及變形并聯SSHI轉換器。

背景技術

能量收集(也稱為功率收集或能量挖掘)為方法，通過所述方法，能量取自外部源(例如，太陽能、熱能、風能、鹽差能和動能)，捕獲，轉換為電能，并且存儲用于低功率無線自主設備，如用于可穿戴電子產品及無線傳感器網絡中的低功率無線自主設備。例如，壓電換能器用于從振動收集電力。不同AC-DC轉換器在文獻中進行說明以對交流電進行整流且提取最大電量。

用于壓電發生器包括所述AC-DC轉換器的能量收集器的可行應用為例如在如高速公路橋(結構健康監測)或地鐵(跟蹤和追蹤)的應用中。與這些應用相關聯的振動頻率范圍介于2Hz與50Hz之間，而平均加速度約為0.1g。

壓電換能器的導納軌跡(admittance locus)具有關于以下的固有信息：對于所述壓電換能器，SSHI轉換器而不是二極管電橋的采用將顯著增加收集功率。壓電元件的內部阻抗為復數，如由J.Brufau-Penella和M.Puig-Vidal在智能材料系統與結構雜志的卷00-2008,2008的“復共軛阻抗匹配的壓電能量收集改良”中說明。因此，當內部阻抗的復共軛作為輸出負載進行連接時，獲得壓電換能器的最大輸出功率。然而，這個解決方案不現實，因為作為復共軛負載需要的電感會太大，這歸因于壓電元件的主導電容特性。如果電阻器作為負載連接到壓電元件，那么所獲得輸出功率取決于激勵壓電元件的機械頻率及電阻。在這種情況下最大輸出功率通常利用電阻來獲得，所述電阻等于在壓電元件的導納的實部與虛部之比最大化的頻率處壓電元件的等效戴維南(Thevenin)阻抗的模。因此，最大輸出功率在壓電元件的導納具有其大多數電阻行為的頻率處獲得。

當電阻器為負載時的輸出功率與最大功率之比的峰值取決于壓電元件的阻抗圓。有些壓電元件為這個比率最大接近于1，有些壓電元件為這個比率低得多。對于比率接近于1的壓電元件，非線性技術的采用不會經由整流電橋提供改良。然而，對于這個比率遠低于1的壓電元件，非線性轉換器為比整流電橋更好的解決方案。

電感同步開關收集(SSHI)(Synchronized Switch Harvesting on Inductor)為非線性切換技術，所述技術從能量源提供DC(直流)電，諸如機械激勵壓電元件。SSHI轉換器通常由開關和電感器及二極管電橋組成。機械激勵壓電元件通常產生交變電壓和交變電流(AC)。

在振動期間用于壓電元件的高效AC-DC轉換器對于使收集功率最大化特別重要。

通過例如壓電換能器傳送的交流電可利用二極管電橋和濾波電容器進行整流(線性技術)。

采用通過開關連接到壓電元件的電感器的較新AC-DC轉換器(稱為SSHI)也可用。當達到壓電峰值位移時，開關接通。壓電元件與電感器的連接引起諧振效應及壓電電壓快速反轉。在壓電電壓反轉之后，開關斷開，直至檢測到新峰值。然而，二極管電橋的二極管仍感應電壓間隙，電壓間隙引起收集電路損耗且限制收集功率。

在用于SSHI轉換器的AC-DC轉換器的進一步發展中，用于壓電電壓反轉的開關進行分離，并且二極管電橋的兩個二極管由這些開關取代。因此，電路包括較少組件，從而減少電路的成本及尺寸。另一個好處為二極管去除，二極管感應電壓間隙。因此，收集電路中由所述電壓間隙引入的損耗受到限制，并且收集功率因此較大。然而，每個周期從壓電元件提取的能量可能仍比較低，并且在理論上只有小部分可提取能量。

因此，本發明目的在于提供整流器電路概念，所述整流器電路改良內部功率損耗減少與從能量源中的能量轉移提高之間的權衡。

發明內容

本目的通過根據權利要求1所述的整流器電路、根據權利要求10所述的轉換器及根據權利要求11所述對電流進行整流的方法來解決。

本發明實施方案提供整流器電路，所述整流器電路包括一對輸入端子、一對輸出端子及互相連接該對輸入端子的第一電路。所述第一電路包括儲能元件和整流電橋。所述整流電橋每個電橋分支包括至少一個可控開關元件，其中整流電橋的輸出供應該對輸出端子。每個電橋分支的至少一個可控開關元件被配置為提供經由整流電橋的臨時導通路徑，所述臨時導通路徑基本上繞過該對輸出端子，并且所述臨時導通路徑基本上使第二電路發生短路，所述第二電路包括儲能元件、該對輸入端子及可連接到該對輸入端子的能量源。