[發明專利]一種短路式電容分裂結構的壓電能量采集整流器

有效

• 申請號: 201610038198.1
• 申請日: 2016-01-21
• 公開（公告）號: CN105490563B
• 公開（公告）日: 2018-01-16
• 發明（設計）人: 鄺繼順;吳了;尤志強;凌純清
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: H02M7/12
• 分類號: H02M7/12
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明主要涉及機械能轉換為電能輸出的領域，特指一種短路式電容分裂結構的壓電能量采集整流器。

背景技術

圖1表示的是采用電感同步開關能量采集技術的壓電能量采集電路。該電路采用全橋結構，使用被動二極管和同步開關將壓電輸出端的交流電壓轉換成負載可用的直流電壓，并且有效地翻轉壓電端電容電壓，減少電荷浪費。

該電路因為采用被動二極管，迫使壓電端的輸出電壓即整流器的輸入必須高于兩個被動二極管電壓降之和，大約為1.4伏，使得該整流器不適用于小型壓電能量采集。另外，該電路需要一個精確的同步開關時序控制電路，控制同步開關的導通和關閉，不精確的開關導通時刻和導通時長將嚴重影響整流器的提取效率。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明提出了一種短路式電容分裂結構的壓電能量采集整流器。解決方案為：兩個有源二極管，其被連接以檢測流經的電流的過零點，一旦電流過零點改變輸出的一位開關狀態信號，該信號作為有源二極管的輸出被送到電壓過零檢測及數字電路控制模塊的輸入端；以及一個峰值檢測及數字電路控制模塊，其被連接以接收所述有源二極管的開關狀態信號，并檢測出現在壓電端的電壓過零點，輸出優化脈寬的脈沖信號，該脈沖信號被送到開關的輸入控制端；以及一個開關，其被連接到電壓過零檢測及數字電路控制模塊的輸出端以接收脈沖信號，完成導通/截止操作；以及一個電感，其與壓電器件串聯以在壓電器件輸出電流過零點時與壓電端電容、開關一起形成一個諧振腔，該電感一端與壓電設備一端相連，電感的另一端與所述的一個有源二極管的陽極、一個有源二極管的陰極和開關的一端相連，壓電設備的另一端分別與開關的另一端并與兩個堆疊電容的堆疊處相連，堆疊電容的底、頂端分別與一個有源二極管的陽極和一個有源二極管的陰極相連接到負載。

本發明提出的一種短路式電容分裂結構的壓電能量采集整流器，其優點在于：

1.將電感同步開關采樣技術融入無橋型電容分裂的整流器結構中，相對于全橋結構，減少了一個二極管的前向電壓降。

2.使用有源二極管，進一步降低前向電壓降，并且能夠自動檢測電感電流過零點。

3.能夠最優化地翻轉壓電端的電容電壓。

4.有一個簡單的數字電路控制模塊，其降低了使用電感同步開關采樣技術所帶來的額外的功耗，從而增加了負載端或者儲能端的凈能量。

附圖說明

圖1是典型的采用電感同步開關能量采集技術的壓電能量采集電路；

圖2是本發明公開的短路式電容分裂結構的壓電能量采集電路示意圖；

圖3是本發明公開的具有自動翻轉時間的短路式電容分裂結構的壓電能量采集電路原理示意圖；

圖4是本發明公開的整流器關鍵結點的波形時序示意圖；

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施對本發明做進一步詳細說明。

如圖1、圖2和圖3所示，壓電傳導器被等效為一個電路模型，該電路模型包括并聯的一個電流源i_P、一個電阻R_P和一個電容C_P。假設電流源可以表示為

i_P＝I_P sin(2πf_Pt)(1)

其中幅度I_P與振動源的加速度大小相關，f_P對應振動源的振動頻率。此外，因為電阻R_P的值很大在兆級別，所以在分析中可以忽略不計。假設負載電容C_L的值很大，使得V_RECT可以看成一個穩定的直流電壓，同時電容C1與C2的值相等，選取的電容值以保持其兩端的電壓近似穩定。

圖2所示為本發明整流器基本電路結構，相對于圖1所示的全橋結構，該電路減少了一個二極管的前向電壓降，有利于小型壓電采集器的應用。