具有ac側(cè)短路功能的整流器電路及電感同步開(kāi)關(guān)收集轉(zhuǎn)換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明實(shí)施方案設(shè)及整流器電路。一些實(shí)施方案設(shè)及電感同步開(kāi)關(guān)收集（SSHI) 轉(zhuǎn)換器。一些實(shí)施方案設(shè)及對(duì)電流進(jìn)行整流的方法。一些實(shí)施方案設(shè)及變形并聯(lián)SSHI轉(zhuǎn) 換器。
【背景技術(shù)】
[0002] 能量收集（也稱(chēng)為功率收集或能量挖掘）為方法，通過(guò)所述方法，能量取自外部源 (例如，太陽(yáng)能、熱能、風(fēng)能、鹽差能和動(dòng)能），捕獲，轉(zhuǎn)換為電能，并且存儲(chǔ)用于低功率無(wú)線 自主設(shè)備，如用于可穿戴電子產(chǎn)品及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的低功率無(wú)線自主設(shè)備。例如，壓電 換能器用于從振動(dòng)收集電力。不同AC-DC轉(zhuǎn)換器在文獻(xiàn)中進(jìn)行說(shuō)明W對(duì)交流電進(jìn)行整流且 提取最大電量。
[000引用于壓電發(fā)生器包括所述AC-DC轉(zhuǎn)換器的能量收集器的可行應(yīng)用為例如在如高 速公路橋（結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)）或地鐵（跟蹤和追蹤）的應(yīng)用中。與該些應(yīng)用相關(guān)聯(lián)的振動(dòng)頻 率范圍介于2化與50化之間，而平均加速度約為0. Ig。
[0004] 壓電換能器的導(dǎo)納軌跡（a血ittance locus)具有關(guān)于W下的固有信息；對(duì)于所 述壓電換能器，SSHI轉(zhuǎn)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(nèi) 部阻抗為復(fù)數(shù)，如由J.化ufau-Penella和M.化ig-Vidal在智能材料系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)雜志的卷 00-2008,2008的"復(fù)共輛阻抗匹配的壓電能量收集改良"中說(shuō)明。因此，當(dāng)內(nèi)部阻抗的復(fù) 共輛作為輸出負(fù)載進(jìn)行連接時(shí)，獲得壓電換能器的最大輸出功率。然而，該個(gè)解決方案不現(xiàn) 實(shí)，因?yàn)樽鳛閺?fù)共輛負(fù)載需要的電感會(huì)太大，該歸因于壓電元件的主導(dǎo)電容特性。如果電 阻器作為負(fù)載連接到壓電元件，那么所獲得輸出功率取決于激勵(lì)壓電元件的機(jī)械頻率及電 阻。在該種情況下最大輸出功率通常利用電阻來(lái)獲得，所述電阻等于在壓電元件的導(dǎo)納的 實(shí)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(dǎo)納具有其大多數(shù)電阻行為的頻率處獲得。
[0005] 當(dāng)電阻器為負(fù)載時(shí)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。 有些壓電元件為該個(gè)比率最大接近于1，有些壓電元件為該個(gè)比率低得多。對(duì)于比率接近于 1的壓電元件，非線性技術(shù)的采用不會(huì)經(jīng)由整流電橋提供改良。然而，對(duì)于該個(gè)比率遠(yuǎn)低于 1的壓電元件，非線性轉(zhuǎn)換器為比整流電橋更好的解決方案。
[0006] 電感同步開(kāi)關(guān)收集（S甜I) (Sync虹onized Switch Harvesting on Inductor)為 非線性切換技術(shù)，所述技術(shù)從能量源提供DC(直流）電，諸如機(jī)械激勵(lì)壓電元件。SSHI轉(zhuǎn)換 器通常由開(kāi)關(guān)和電感器及二極管電橋組成。機(jī)械激勵(lì)壓電元件通常產(chǎn)生交變電壓和交變電 流（AC)。
[0007] 在振動(dòng)期間用于壓電元件的高效AC-DC轉(zhuǎn)換器對(duì)于使收集功率最大化特別重要。 [000引通過(guò)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(jìn)行整流 (線性技術(shù)）。
[0009] 采用通過(guò)開(kāi)關(guān)連接到壓電元件的電感器的較新AC-DC轉(zhuǎn)換器（稱(chēng)為S甜I)也可 用。當(dāng)達(dá)到壓電峰值位移時(shí)，開(kāi)關(guān)接通。壓電元件與電感器的連接引起諧振效應(yīng)及壓電電 壓快速反轉(zhuǎn)。在壓電電壓反轉(zhuǎn)之后，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，直至檢測(cè)到新峰值。然而，二極管電橋的二 極管仍感應(yīng)電壓間隙，電壓間隙引起收集電路損耗且限制收集功率。
[0010] 在用于SSHI轉(zhuǎn)換器的AC-DC轉(zhuǎn)換器的進(jìn)一步發(fā)展中，用于壓電電壓反轉(zhuǎn)的開(kāi)關(guān)進(jìn) 行分離，并且二極管電橋的兩個(gè)二極管由該些開(kāi)關(guān)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(gè)好處為二極管去除，二極管感應(yīng)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(gè)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。
[0011] 因此，本發(fā)明目的在于提供整流器電路概念，所述整流器電路改良內(nèi)部功率損耗 減少與從能量源中的能量轉(zhuǎn)移提高之間的權(quán)衡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本目的通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1所述的整流器電路、根據(jù)權(quán)利要求10所述的轉(zhuǎn)換器及 根據(jù)權(quán)利要求11所述對(duì)電流進(jìn)行整流的方法來(lái)解決。
[0013] 本發(fā)明實(shí)施方案提供整流器電路，所述整流器電路包括一對(duì)輸入端子、一對(duì)輸出 端子及互相連接該對(duì)輸入端子的第一電路。所述第一電路包括儲(chǔ)能元件和整流電橋。所述 整流電橋每個(gè)電橋分支包括至少一個(gè)可控開(kāi)關(guān)元件，其中整流電橋的輸出供應(yīng)該對(duì)輸出端 子。每個(gè)電橋分支的至少一個(gè)可控開(kāi)關(guān)元件被配置為提供經(jīng)由整流電橋的臨時(shí)導(dǎo)通路徑， 所述臨時(shí)導(dǎo)通路徑基本上繞過(guò)該對(duì)輸出端子，并且所述臨時(shí)導(dǎo)通路徑基本上使第二電路發(fā) 生短路，所述第二電路包括儲(chǔ)能元件、該對(duì)輸入端子及可連接到該對(duì)輸入端子的能量源。
[0014] 開(kāi)關(guān)元件在壓電電壓需要進(jìn)行反轉(zhuǎn)的時(shí)間期間將電感器并聯(lián)連接到能量源（例 如，壓電元件），從而對(duì)能量源電壓（壓電電壓）（即，由能量源產(chǎn)生的電壓）進(jìn)行反轉(zhuǎn)。尤 其當(dāng)能量源電壓反轉(zhuǎn)利用特定定時(shí)進(jìn)行時(shí)，例如，對(duì)應(yīng)于由能量源和（電感性）儲(chǔ)能元件形 成的諧振器的諧振模式，從能量源中轉(zhuǎn)移的功率可能與其它AC-DC轉(zhuǎn)換方法相比有可能顯 著增加。負(fù)載電流通常也流過(guò)電感器。雖然該個(gè)事實(shí)可能增加電感器中的功率損耗，但是它 允許只具有兩個(gè)二極管和兩個(gè)開(kāi)關(guān)元件的變形并聯(lián)SSHI拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的操作，例如MOSFET (金 屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明更多實(shí)施方案，儲(chǔ)能元件（或能量?jī)?chǔ)存元件）和整流電橋可串聯(lián)連接。
[0016] 整流電橋可被配置為既充當(dāng)從該對(duì)輸入端子到該對(duì)輸出端子的能量轉(zhuǎn)移組件，又 充當(dāng)該對(duì)輸入端子的電壓型逆變器。
[0017] 每個(gè)電橋分支可包括二極管組件及所述至少一個(gè)可控開(kāi)關(guān)元件。
[001引根據(jù)本文中所公開(kāi)教案的至少又一些實(shí)施方案，整流器電路還可包括控制器，所 述控制器被配置為基于指示能量源的狀態(tài)的感測(cè)信號(hào)為每個(gè)電橋分支的至少一個(gè)可控開(kāi) 關(guān)元件產(chǎn)生至少一個(gè)控制信號(hào)。
[0019] 控制器可被配置為當(dāng)在感測(cè)信號(hào)中檢測(cè)到峰值時(shí)使所述至少一個(gè)可控開(kāi)關(guān)元件 從導(dǎo)通狀態(tài)切換為非導(dǎo)通狀態(tài)，反之亦然。
[0020] 儲(chǔ)能元件可與能量源一起形成諧振電路，同時(shí)第二電路經(jīng)由整流電橋發(fā)生短路。
[0021] 根據(jù)本文中所公開(kāi)教案的至少又一些實(shí)施方案，儲(chǔ)能元件可并聯(lián)連接到能量源， 同時(shí)第二電路經(jīng)由整流電橋發(fā)生短路。
[0022] 根據(jù)又一些實(shí)施方案，能量源可為壓電元件。
[0023] 本發(fā)明更多實(shí)施方案提供用于電感同步開(kāi)關(guān)收集的轉(zhuǎn)換器。所述轉(zhuǎn)換器包括如上 所述的整流器電路。
[0024] 本發(fā)明更多實(shí)施方案提供對(duì)由能量源產(chǎn)生的電流進(jìn)行整流的方法。所述方法包括 將所述電流施加于包括整流電橋和儲(chǔ)能元件的第一電路，使得整流電橋?qū)⑺鲭娏餮刂c 所述電流的第一電流流動(dòng)方向相關(guān)聯(lián)的第一整流路徑傳導(dǎo)到整流電橋的輸出。所述方法還 包括在與所述電流相關(guān)聯(lián)的感測(cè)信號(hào)中檢測(cè)到第一特定圖案（first specific pattern); 并且響應(yīng)于檢測(cè)到第一特定圖案，通過(guò)將整流電橋的可控開(kāi)關(guān)元件從非導(dǎo)通狀態(tài)切換為導(dǎo) 通狀態(tài)，重新配置整流電橋。W此方式，所述電流在整流電橋內(nèi)沿著第一反轉(zhuǎn)路徑進(jìn)行傳 導(dǎo)，所述第一反轉(zhuǎn)路徑基本上使包括儲(chǔ)能元件和能量源的第二電路發(fā)生短路且繞過(guò)整流電 橋的輸出。響應(yīng)于從第一電流流動(dòng)方向到第二電流流動(dòng)方向的電流流動(dòng)方向變更，整流電 橋然后再次重新配置或允許進(jìn)行自我重新配置，使得整流電橋?qū)⑺鲭娏餮刂c第二電流 流動(dòng)方向相關(guān)聯(lián)的第二整流路徑傳導(dǎo)到整流電橋的輸出。
[0025] 利用根據(jù)本文中所公開(kāi)教案的SSHI轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開(kāi)關(guān)元件（諸如所采用的 MOSFET和二極管）數(shù)目相對(duì)于先前SSHI轉(zhuǎn)換器減少，并且儲(chǔ)能元件（例如，電感器）與先 前SSHI轉(zhuǎn)換器相比位于新位置處。
[0026] 本發(fā)明實(shí)施方案在本文中參考附圖進(jìn)行說(shuō)明。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1A示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的并聯(lián)SSHI轉(zhuǎn)換器的示意電路圖。
[002引圖1B為示出在圖1A中所示的電路操作期間出現(xiàn)的各種電壓波形、位移波形和電 流波形的曲線圖。
[0029] 圖2A示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的串聯(lián)SSHI轉(zhuǎn)換器的示意電路圖。
[0030] 圖2B為示出在圖2A中所示的電路操作期間出現(xiàn)的各種電壓波形、位移波形和電 流波形的曲線圖。
[0031] 圖3示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的并聯(lián)SSHI轉(zhuǎn)換器的更詳細(xì)示意電路圖。
[0032] 圖4示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的串聯(lián)SSHI轉(zhuǎn)換器的更詳細(xì)示意電路圖。
[0033] 圖5示出變形串聯(lián)低輸出電壓SSHI轉(zhuǎn)換器的示意電路圖。
[0034] 圖6示出根據(jù)本文中所公開(kāi)教案的變形并聯(lián)SSHI轉(zhuǎn)換器的示意電路圖。
[0035] 圖7A至圖7D示出在四個(gè)不同操作相位期間的示意電路圖。
[0036] 圖8示出變形并聯(lián)SSHI轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定狀態(tài)波形。
[0037] 圖9通過(guò)圖表示出連接到各種類(lèi)型轉(zhuǎn)換器的第一選定壓電元件的測(cè)量結(jié)果。
[003引圖10通過(guò)圖表示出連接到各種類(lèi)型轉(zhuǎn)換器的第二選定壓電元件的測(cè)量結(jié)果。
[0039] 圖11示出根據(jù)本文中所公開(kāi)教案對(duì)電流進(jìn)行整流的方法的示意流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 相同或等同元件或具