[實用新型]一種極低輸入電壓DC-AC轉換電路

有效

• 申請號: 201320097153.3
• 申請日: 2013-03-04
• 公開（公告）號: CN203104328U
• 公開（公告）日: 2013-07-31
• 發明（設計）人: 程瑜華;鄺小飛
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: H02M7/537
• 分類號: H02M7/537
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

本實用新型屬于微小能量采集領域，具體涉及將采集的極低電壓直流電能變換為較大幅值電壓交流電能的轉換電路。

在許多場合，電子器件的供電采用有線供電或電池供電不方便甚至不可能。如在智能樓宇中的無線傳感器大量植入材料、墻體中，當電池耗盡，無法更換電電池；在野外農業中用于檢測農作物生長的無線傳感器，更換電池要花費大量人力物力；在植入式醫療中植入體內的醫療器件，更換電池可能給人體帶來痛苦和風險等。因此，采用收集環境能量供電的“自供能”器件應運而生。可以通過將環境中的熱能、太陽能、振動能轉化為電能，給電子器件供電，但是這樣的能量采集方式通常存在能量密度太小和能量不連續等缺點。比如采用溫差發電器將溫差能轉化為電能時，根據塞貝克效應，每個溫差發電器的基本單元產生約0.2mV/K的電動勢，如果數百個基本單元串聯，也只能產生幾百mV的熱電壓，遠低于當前電子器件正常工作需要的電壓。而在許多空間受限的應用場合下，溫差發電器的基本單元又不能串聯過多，因此，如何利用這么低的熱電壓，是需要解決的關鍵問題之一。

可以將現有的低輸入電壓進行提升來解決問題，如先將低壓直流提升轉換成較高電壓的交流，再整流成所需的直流電壓給電子器件供電。目前，將低壓直流提升而不借助于其他電源的方式，有兩種：一是利用微機電系統設計一個開關，此開關根據器件的振動打開或關閉，設計的開關電源變換電路可以將輸入電壓進行提升；二是利用高變壓比的變壓器設計一個振蕩器，進行電壓提升和變換。前者需要采用微機電制造方式制造微小開關，且需要振動能輔助；后者則通常需要一個耗盡型場效應管，以及一個高變壓比的變壓器。本實用新型，基于后者的原理，并對現有的實現方法進行了改進。

本實用新型利用高變壓比變壓器、耗盡型場效應管和電容器，構成一個振蕩器，將極低直流輸入電壓轉換為幅值較大的交流電壓，提供給能量采集電路中整流或其他電路使用。

本實用新型所采用的技術方案是：

本實用新型包括變壓器、耗盡型場效應管、第一電容器和第二電容器，所述變壓器的原邊一端接輸入直流電壓，另一端接所述耗盡型場效應管的漏極，所述變壓器的副邊接輸出電壓，另一端接地；所述變壓器原邊接輸入電壓端和副邊接輸出電壓端是同名端；所述耗盡型場效應管的源極接地，所述耗盡型場效應管的柵極接輸出電壓；所述第一電容器串接在輸入電壓和地之間；所述第二電容器串接在輸出電壓和地之間。

本實用新型具有如下優點：

將極低直流電壓轉換為較高幅值交流電壓的傳統解決方案是將所述第二電容器串接在所述耗盡型場效應管的柵極和輸出電壓之間，在所述耗盡型場效應管和地之間串接一個用來消除間歇振蕩現象（Squegging）的電阻。在傳統解決方案中，由于所述場效應管在柵極和源極之間存在的寄生電容Cgs，此電容與串接在所述場效應管柵極和輸出電壓間的電容串聯后再與所述變壓器的副邊電感串聯，形成的諧振回路，諧振頻率由電感和電容大小決定，其中電感值由所述變壓器副邊電感決定，而電容值基本由寄生電容Cgs決定，因為寄生電容Cgs遠小于串接在所述場效應管柵極和輸出電壓間電容。由于寄生電容Cgs的寄生特性，電容值較小，且變化較大，導致諧振頻率較高且變化較大，將使能量采集電路中整流器等在效率設計方面難以優化。

將極低直流電壓轉換為較高幅值交流電壓的傳統解決方案是將所述第二電容器串接在所述耗盡型場效應管的柵極和輸出電壓之間，在所述耗盡型場效應管和地之間串接一個用來消除間歇振蕩現象（Squegging）的電阻。在傳統解決方案中，由于所述場效應管在柵極和源極之間存在的寄生電容Cgs，此電容與串接在所述場效應管柵極和輸出電壓間的電容串聯后再與所述變壓器的副邊電感串聯，形成的諧振回路，諧振頻率由電感和電容大小決定，其中電感值由所述變壓器副邊電感決定，而電容值基本由寄生電容Cgs決定，因為寄生電容Cgs遠小于串接在所述場效應管柵極和輸出電壓間電容。由于寄生電容Cgs的寄生特性，電容值較小，且變化較大，導致諧振頻率較高且變化較大，將使能量采集電路中整流器等在效率設計方面難以優化。

采用本實用新型電路結構，有兩個優點：

（1）所述場效應管柵極和源極間寄生電容Cgs與所述第二電容器并聯，并聯后電容值由所述第二電容器的電容值決定，使系統的諧振頻率穩定可控。

（2）不需要在所述場效應管的柵極和地之間串接一個用來消除間歇振蕩現象的電阻。因為，所述場效應管的柵極到地之間有直流通路，柵極的直流電壓是0V。而傳統解決方案中柵極電壓與地之間沒有通路，柵極電壓是浮動的。

圖1為本實用新型電路原理圖。