[發明專利]一種用于能量收集系統的混合型升壓電路及控制方法

有效

• 申請號: 202011285744.4
• 申請日: 2020-11-17
• 公開（公告）號: CN112510997B
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發明（設計）人: 彭晗;袁嘉勇
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H02M3/155
• 分類號: H02M3/155;H02M3/07;H02K35/02
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

本發明公開了一種用于能量收集系統的混合型升壓電路及控制方法，屬于電力電子領域。包括電能變換電路、控制電路、驅動電路；所述電能變換電路利用boost電路與倍壓整流電路的拓撲結構的相似性結合而成；所述電能變換電路中boost的升壓電感可與能量收集裝置的線圈進行復用；所述電磁式振動能量收集裝置的線圈可位于PCB板上，線圈電感可作為升壓電路電感；所述電能變換電路中boost電路的電源與倍壓電路的電容進行復用。本發明采用boost電路與倍壓電路結合的方式，并配合控制策略使得電磁式振動能量收集或電磁能量收集裝置能夠在變化的外部環境中工作，保持穩定的電壓輸出并存儲一定的能量，同時盡可能簡化電路的拓撲結構。

技術領域

本發明屬于電力電子領域，更具體地，涉及一種用于能量收集系統的混合型升壓電路及控制方法。

背景技術

隨著無線通訊技術和無線傳感器網絡的飛速發展，人們對無線通訊系統和傳感器的各個方面的性能也提出了更高的要求，尤其是在可持續性上。傳統功耗系統和傳感器的供電設備往往是電池，而如今許多人開始研究利用外部環境的能量，借助電能收集電路來為設備供電。這種供電與傳統的普通電池供電相比主要有：可持續性供電、節約能源、保護環境、減少更換電池對系統的影響和造成的經濟性損失等優點。能量收集電路的這些特點使其更加符合未來的發展要求，因此具有非常廣闊的前景和市場。隨著該類產品市場需求的不斷增加，能量收集電路的相關問題也在被廣泛研究，為了提高能量收集電路在應用中的效率，使外部能量得到充分利用，需要對能量收集電路進行設計。電能變換電路在能量收集系統中尤為重要，它兼顧整流和電壓調節的功能，變換電路的合理設計對效率的提高有著很重要的作用。

現階段振動能量收集電路中的電能變換電路主要有：兩級式能量收集電路、直接AC-DC變換器和開關電容式能量收集電路。

其中，兩級式能量收集電路結構較為復雜，兩級變換導致的器件上的壓降和損耗使得效率降低；直接AC-DC變換器對輸入電壓正負半周分別控制，減小了器件上的損耗，但其需要額外的電感，器件數量較多，設計復雜成本高。同時電路中缺少儲能元件，如果外部振動消失，則輸出電壓迅速下降。電容式倍壓電路無需開關器件即可實現電壓放大輸出，但在外部振動消失時輸出也會迅速下降。因此，對于微弱能量收集電路的領域，一種結構簡單、效率高、并且對于外部環境擾動適應性強、可持續性供電的電路拓撲結構顯得較為重要。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種用于能量收集系統的混合型升壓電路及控制方法，旨在能量源不穩定的情況下，通過采用儲能和多模態電能變換相結合的模式，實現能量收集系統穩定持續供能輸出，同時具有精簡的電路結構。

為實現上述目的，本發明一方面提供了包含儲能用于能量收集系統的混合型升壓電路及控制方法，包括電能變換電路、控制電路與驅動電路；電能變換電路包括整流模塊、儲能模塊、濾波模塊與負載模塊；控制電路包括線圈電流檢測電路、PWM波產生電路、電容電壓檢測電路、切換電路；電能變換電路用于將收集的能量進行變換與處理，同時存儲能量并對負載輸出；控制電路為電能變換電路提供控制策略，減小負載的輸出受外部環境的影響，保證負載的輸出能夠穩定；驅動電路由控制電路控制，并向電能變換電路提供驅動信號。

本發明是以boost升壓電路和二倍壓整流電路為基礎，將兩者電路拓撲結構的特點相結合所構建成的電路。兩種電路在一定的外部條件下交替工作。其中，振動能量收集器中的線圈兼作boost升壓電路的升壓電感，二倍壓整流電路中的電容兼作boost升壓電路的直流源。