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面向能量收集的三大关键电源技术前景

电源技术取得任何的突破,将促使能量收集技术基础性变革


  来源: 电子技术应用 时间:2020-01-19 编辑:马致远
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能量收集技术,又称能量采集技术,是一门多学科交叉的科学技术。2003年曾被MIT Technology Review评为十大改变世界新兴技术之首。它是一种将环境中未使用的能量收集起来并转换成可直接利用电能的技术,比如采集机械能、光能、温度差等能量,转化为电能,供给无线模块工作。其发展至今已有超过20年的历史。当前,能量收集技术又与物联网、智能传感器、无线模块、智能可穿戴设备等新兴产业有息息相关的联系。


电源技术是能量收集技术重要的核心之一, 是主要研究能量收集与管理系统(见图1)中能量收集器输出侧和系统负载侧的电能平衡问题,目前主要包括以下三大研究分支(见图2):电力电子电路与集成、电能管理控制方法与实现、多源能量收集管理系统整合与优化。电源技术的任何突破性成果都将促使能量收集技术发生基础性的变革。


1.面向能量收集的电力电子电路与集成


面向能量收集的DC-DC变换器和AC-DC整流器都是电能转换模块中必不可少的组件。它们的输入电压非常低而且变化范围很宽,需要处理的电能大多处于毫瓦级及以下水平。目前,关于面向能量收集的电力电子电路与集成的研究工作主要聚焦于尽最大可能地降低DC-DC变换器和AC-DC整流器的自身损耗和启动电压。


1.1降低自身损耗的代表性方案


在单源能量收集应用中,Boost变换器和Charge Pump变换器是最常用的DC-DC变换器。为了减小DC-DC变换器的自身损耗,普遍采取的措施包括选用导通压降低的开关器件、改善开关器件的驱动条件、降低开关器件的反向偏置损耗等。


在单源能量收集应用中,桥式整流电路和倍压整流电路是最常用的AC-DC整流器。此外,还有特别针对机械振动能收集应用的Switch-Only整流电路、Bias-Flip整流电路、双向开关电感电路等。为了减小AC-DC整流器的自身损耗,通常采用同步整流技术构建有源整流电路,即采用导通压降低的开关器件组成有源二极管以代替导通压降高的二极管。


1.2降低启动电压的代表性方案


为了尽可能地降低DC-DC变换器的启动电压,文献[9]为Boost变换器引入一个由MOSFET和复用变压器组成的正反馈环路。在Capacitor Pass-on自启动方法的基础上,提出先由LC振荡器级联多级倍压器构成低压启动器,再由低压启动器、辅助Boost变换器、ZCS软开关Boost变换器构成三级结构的电路,使整个电路在输入电压50 mV的条件下能逐级完成自启动。


将单极性的直流输入电压启动方案扩展成双极性的直流输入电压启动方案,不但可以增强DC-DC变换器的可靠性,而且还可以用于解决AC-DC整流器的启动问题。采用双极型的Meissner振荡器协助Flyback变换器完成了输入电压+/-40 mV条件下的启动工作。


2.面向能量收集的电能管理控制方法与实现


优秀的电能管理控制方法能确保面向能量收集的电力电子电路尽最大能力地从能量收集器中获取电能。目前,关于面向能量收集的电能管理控制方法与实现的研究工作主要聚焦于尽最大可能地令电力电子电路始终运行于最大功率点(MPP),同时尽最大可能地降低电能管理控制模块的自身损耗和静态电流。不同的能量收集器具有不同的输出功率特性和等效电路模型[1](见图4),适用的MPP控制方法与实现也不尽相同。


2.1面向光能收集的代表性MPP控制方案


关键词:能量收集 电源技术 电力电子电路    浏览量:825

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