自供能式同步电荷提取与电压翻转电路研究

作     者：王岳成 

作者单位：长春工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：江虹

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：压电能量收集 接口电路 自供能 同步电荷提取 电压翻转 

摘      要：随着计算机技术与集成电路的发展,无线传感网络得到了广泛的应用。压电能量收集技术(Piezoelectric Energy Harvesting,PEH)作为环境能量收集中的新兴技术,具有不受天气因素影响、结构简单、易于集成化、绿色可持续等优点,越来越受到广泛的关注。采用压电能量收集技术为无线传感网络供应能量,可以满足无线传感网络应用在各种环境的需要。本文在研究国内外压电能量收集技术的基础上,分析部分接口电路的工作原理,对比接口电路的优势及其局限性,提出一种自供能式同步电荷提取与电压翻转电路。论文主要工作有以下几个方面:(1)压电能量收集技术的发展及基础理论研究。介绍了压电能量收集技术的发展历程,并结合压电能量收集技术的基本理论,得到了在不同边界条件下的压电方程,介绍了压电元件的力学等效模型和电路等效模型。(2)自供能式同步电荷提取与电压翻转电路的设计与优化。对比常见的压电能量收集接口电路,对同步电荷提取与电压翻转电路的拓扑结构优化改进,理论证明,优化的接口电路在实现与原电路相同的功能同时,进一步加快了电荷提取和电压翻转完成时间,使接口电路的回收功率进一步提高。同时针对接口电路的开关供能问题,本文将电子开关应用到接口电路中,提出了一种自供能式同步电荷提取与电压翻转电路,同时省略了电子开关中部分具有压降损耗的二极管,进一步减少了该自供能接口电路的能量损耗,并且对自供能式同步电荷提取与电压翻转电路进行仿真验证。(3)自供能式同步电荷提取与电压翻转电路实验验证。搭建压电能量收集接口电路的实验平台并验证电路的可行性,结果表明,本文设计的自供能式同步电荷提取与电压翻转电路可以在无需外界提供额外的能量条件下获得较高的回收功率,并且其在较低阻值的负载范围内的回收功率不会随着负载阻值变化而改变,最大回收功率相比经典能量回收电路提高大约600%。