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TWI673949B - 用於能量採集的轉換器設備及具有此轉換器設備之能量發生器 - Google Patents

用於能量採集的轉換器設備及具有此轉換器設備之能量發生器 Download PDF

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TWI673949B
TWI673949B TW106142776A TW106142776A TWI673949B TW I673949 B TWI673949 B TW I673949B TW 106142776 A TW106142776 A TW 106142776A TW 106142776 A TW106142776 A TW 106142776A TW I673949 B TWI673949 B TW I673949B
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瑪哈默德 莎夏
Mahmoud SHOUSHA
馬汀 霍格
Martin Haug
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德商伍爾特電子ｅｉＳｏｓ有限公司
Wurth Elektronik Eisos Gmbh & Co. Kg
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Abstract

公開了一種用於能量採集的轉換器設備及其用途和能量發生器。用於能量採集的轉換器設備包括轉換器和相關控制裝置。轉換器包括用於在施加被連接的能量採集裝置的正電壓時給流電能量儲存器充電的第一充電電路和用於在施加被連接的能量採集裝置的負電壓時給流電能量儲存器充電的第二充電電路。充電電路均具有電子開關和與電子開關串聯的電能量儲存器。控制裝置用於基於施加的能量採集裝置的電壓的極性而致動電子開關。

Description

用於能量採集的轉換器設備及具有此轉換器設備之能量發生器
德國專利申請DE102016224639.9的內容通過引用結合於此。
本發明涉及用於能量採集的轉換器設備且涉及具有這種轉換器設備的能量發生器。而且，本發明涉及這種轉換器設備的用途。
能量採集意味著例如從在移動電器周圍的來源、諸如從環境溫度或從振動採集小量的電力。諸如熱電發生器或壓電晶體的可應用能量採集裝置例如提供相同極性的電壓(DC電壓)或交變極性的電壓(AC電壓)。為了能夠高效地使用借助於能量採集裝置提供的能量，需要轉換器設備。
本發明基於的目的是為能量採集提供簡單、可靠、高效且通用的轉換器設備，所述轉換器設備能夠在由能量採集裝置提供的相同極性的電壓下和交變極性 的電壓下操作。
這個目的由用於能量採集的轉換器設備實現，所述轉換器設備包括-轉換器，其具有--第一輸入連接器和第二輸入連接器，用於連接到能量採集裝置，--第一輸出連接器和第二輸出連接器，用於連接到流電能量儲存器，--第一充電電路，用於以向輸入連接器施加的能量採集裝置的正電壓給流電能量儲存器充電，第一充電電路具有---第一電子開關和---與第一電子開關串聯的第一電能量儲存器，其中，第一電能量儲存器包括第一線圈、第一電容器和第一阻塞元件，--第二充電電路，用於以向輸入連接器施加的能量採集裝置的負電壓給流電能量儲存器充電，具有---第二電子開關和---與第二電子開關串聯的第二電能量儲存器，其中，第二電能量儲存器包括第二線圈、第二電容器和第二阻塞元件，-控制裝置，用於基於向輸入連接器施加的能量採集裝置的電壓的極性而致動第一電子開關和第二電子開關，且 其中，第一充電電路和第二充電電路並聯於彼此。
轉換器配置為升壓型轉換器(stepupconverter)。由於轉換器包括能夠借助於向輸入連接器施加的正電壓操作的第一充電電路和能夠借助於向輸入連接器施加的負電壓操作的第二充電電路，轉換器允許向輸入連接器施加的交變極性的電壓轉換成DC電壓(AC/DC轉換)和向輸入連接器施加的相同極性的電壓轉換成DC電壓(DC/DC轉換)。為此，充電電路均具有電子開關和與電子開關串聯的電能量儲存器。控制裝置用於基於向輸入連接器施加的電壓的極性而致動電開關，以使得依據極性，第一充電電路或第二充電電路操作、或兩個充電電路交替地操作。
轉換器設備確保電力的簡單且高效的存儲和提供。第一線圈並聯於第一電容器。第一阻塞元件與第一線圈或第一電容器串聯。第一阻塞元件例如配置為二極體。第一阻塞元件設置成使得在第一切換狀態下，如果第一電子開關接通，則能量借助於向輸入連接器施加的正電壓存儲在第一線圈中。在第一切換狀態下，第一阻塞元件防止第一電容器的充電。在後續第二切換狀態下，如果第一電子開關切斷，則第一電容器借助於經由第一阻塞元件的流動電流被第一線圈充電。
第二線圈並聯於第二電容器。第二阻塞元件與第二線圈或第二電容器串聯。第二阻塞元件例如配置為二極體。第二阻塞元件設置成使得在第一切換狀態下，如 果第二電子開關接通，則能量借助於向輸入連接器施加的負電壓存儲在第二線圈中。在第一切換狀態下，第二阻塞元件防止第二電容器的充電。在後續第二切換狀態下，如果第二電子開關切斷，則第二電容器借助於經由第二阻塞元件的電流流動被第二線圈充電。
如果轉換器設備與生成交變極性的電壓的能量採集裝置一起操作，則第一電容器和第二電容器均與輸出連接器之一連接(AC/DC轉換)。如果轉換器設備與生成相同極性的電壓的能量採集裝置一起操作，則第一電容器或第二電容器依據極性與輸出連接器連接(DC/DC轉換)。
轉換器設備設計簡單且通用。由於第一充電電路和第二充電電路並聯於彼此，第一充電電路和第二充電電路能夠借助於相關電子開關按需容易地操作。相應的電子開關連接到輸入連接器之一且相應的相關能量儲存器連接到輸入連接器中的另一個。優選地，能量儲存器連接到第一輸入連接器且電子開關連接到第二輸入連接器。這實現轉換器設備的對稱設計。
第一電能量儲存器連接到第一輸出連接器且第二電能量儲存器連接到第二輸出連接器的轉換器設備容易地允許輸出電壓的提供。為了操作移動電器，可再充電的流電能量儲存器或可再充電的電池能夠連接到輸出連接器。可再充電的流電能量儲存器能夠具有與其並聯的電負載，所述電負載能夠借助於流電能量儲存器和/或所提供 的輸出電壓操作。移動電器例如是可擕式電器和/或車輛中的電器。具體地，第一電能量儲存器附加地連接到第三輸出連接器和/或第二電能量儲存器附加地連接到第四輸出連接器。如果向輸入連接器施加相同極性的電壓，則可再充電的能量儲存器能夠在電壓為正時連接到第一和第三輸出連接器且能夠在電壓為負時連接到第二和第四輸出連接器。可再充電的流電能量儲存器再次能夠具有與其並聯的電負載。
輸入連接器之一連接到參考節點的轉換器設備確保簡單的設計和操作。參考節點以合適的方式提供參考電勢。優選地，連接到電子開關的輸入連接器連接到參考節點。這允許電子開關的簡單致動。
第一電子開關包括包含第一電子切換元件和第二電子切換元件的串聯電路的轉換器設備確保高級別的可靠性和效率。由於兩個電子切換元件串聯，由此引起的寄生電流和損失被避免。所述兩個電子切換元件尤其具有背對背式構型。這避免由於寄生電流造成的損失和故障。寄生電流尤其由反向二極體(體二極體)引起。由於背對背式構型，反向二極體具有不同的反向方向。電子切換元件從包括場效應電晶體(N溝道或P溝道)和雙極型電晶體(NPN或PNP)的組中選定。電子切換元件優選地配置為金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)，尤其配置為N溝道MOSFET。
與第一電子切換元件並聯配置的第一反向 二極體和與第二電子切換元件並聯配置的第二反向二極體具有相反的反向方向的轉換器設備確保高級別的可靠性和高級別的效率。電子切換元件具有背對背式構型，以使得寄生反向二極體具有相反的反向方向。因此，切換元件的構型確保當施加負電壓時和當施加正電壓時反向二極體中的至少一個被反向偏壓。
第二電子開關包括包含第三電子切換元件和第四電子切換元件的串聯電路的轉換器設備確保高級別的可靠性和效率。由於兩個電子切換元件串聯，由此引起的寄生電流和損失被避免。兩個電子切換元件尤其具有背對背式構型。這避免由於寄生電流造成的損失和故障。寄生電流尤其由反向二極體(體二極體)引起。由於背對背式構型，反向二極體具有不同的反向方向。電子切換元件從包括場效應電晶體(N溝道或P溝道)和雙極型電晶體(NPN或PNP)的組中選定。電子切換元件優選配置為MOSFET，尤其配置為N溝道MOSFET。
與第三電子切換元件並聯配置的第三反向二極體和與第四電子切換元件並聯配置的第四反向二極體具有相反的反向方向的轉換器設備確保高級別的可靠性和高級別的效率。電子切換元件具有背對背式構型，以使得寄生反向二極體具有相反的反向方向。因此，切換元件的構型確保當施加負電壓時和當施加正電壓時反向二極體中的至少一個被反向偏壓。
第一電容器和第二電容器連接到輸出連接 器的相應之一的轉換器設備確保為給流電能量儲存器再充電簡單且高效地提供輸出電壓。轉換器設備因此操作為AC/DC轉換器。
平滑電容器並聯於輸入連接器的轉換器設備確保可靠和高效的操作。平滑電容器使向輸入連接器施加的能量採集裝置的電壓中的電壓尖峰平滑。平滑電容器還簡化輸入阻抗的確定。
在轉換器設備中，控制裝置包括在向輸入連接器施加正電壓時的第一切換順序，其中，對於第一切換順序而言：
其中，Q1p和Q2p表示第一電子開關的兩個串聯的電子切換元件，Q1n和Q2n表示第二電子開關的兩個串聯的電子切換元件，Z1p和Z2p表示第一切換順序的兩個相繼切換狀態，且0意味著斷開且1意味著連通，這種轉換器設備確保在向輸入連接器施加正電壓時的簡單、可靠且高效的操作。控制裝置優選地包括極性檢測單元，極性檢測單元在向輸入連接器施加正電壓時檢測且傳遞合適的極性信號到切換單元。切換單元依 據第一切換順序切換電子切換元件。占空比D優選地用於設定轉換器的輸入阻抗。占空比D表示第一切換狀態Z1p的持續時間與切換狀態Z1p和Z2p的總持續時間的比率，所述總持續時間即週期持續時間TS。
在轉換器設備中，控制裝置包括在向輸入連接器施加負電壓時的第二切換順序，其中，對於第二切換順序而言：
其中Q1p和Q2p表示第一電子開關的兩個串聯的電子切換元件，Q1n和Q2n表示第二電子開關的兩個串聯的電子切換元件，Z1n和Z2n表示第二切換順序的兩個相繼切換狀態，且0意味著斷開且1意味著連通，這種轉換器設備確保在向輸入連接器施加負電壓時的簡單、可靠且高效的操作。控制裝置優選地包括極性檢測單元，極性檢測單元在向輸入連接器施加負電壓時檢測且傳遞合適的極性信號到切換單元。切換單元依據第二切換順序切換電子切換元件。占空比D優選用於設定轉換器的輸入阻抗。占空比D表示第一切換狀態Z1n的持續時間與切換狀態Z1n和Z2n的總持續時間的比率，所述總 持續時間即週期持續時間TS。
控制裝置包括用於檢測能量採集裝置的正電壓和負電壓的極性檢測單元的轉換器設備獨立於向輸入連接器施加的能量採集裝置的電壓的極性確保簡單和可靠的操作。由於極性檢測單元，轉換器設備自身檢測是否向輸入連接器施加唯獨正電壓或唯獨負電壓、或向輸入連接器交替地施加正電壓和負電壓。極性檢測單元提供合適的極性信號，以使得能夠依據當前施加的電壓簡單且可靠地切換第一電子開關和第二電子開關。優選地，控制裝置包括切換單元，切換單元用於依據在控制裝置中實現的第一切換順序和第二切換順序而致動第一電子開關和第二電子開關。極性檢測單元優選地包括用於測量向輸入連接器施加的電壓的電壓測量感測器和過零檢測器。極性信號尤其是數位信號。極性信號例如對於正電壓等於1且對於負電壓等於0。
在轉換器設備中，控制裝置包括用於設定輸入阻抗的阻抗調節器，所述阻抗調節器基於確定的輸入阻抗和設定點輸入阻抗來改變電子開關的致動，這種轉換器設備確保高級別的效率。控制裝置具有在其中實施的控制環，用於轉換器的輸入阻抗。在輸入連接器處確定輸入阻抗。為此，控制裝置包括用於測量向輸入連接器施加的電壓的電壓測量感測器和用於測量從能量採集裝置流到轉換器的電流的電流測量感測器。借助於控制裝置從測量的電壓和測量的電流確定輸入阻抗。從設定點輸入阻抗和確定 的輸入阻抗確認被供應到阻抗調節器的控制誤差或差值。阻抗調節器例如配置為PID控制器。阻抗調節器給切換單元提供被控變數。被控變數用於設定占空比D且因此轉換器的輸入阻抗。切換單元例如配置為數位脈寬調製器。輸入阻抗優選地調節成使得輸入阻抗是純阻性的且因此測量的電壓和測量的電流基本同相。設定點輸入阻抗尤其在實驗中以經驗為主地確定。設定點輸入阻抗例如是在能量採集期間實現高級別的效率、尤其最大效率的電阻值。
本發明基於的目的也是提供簡單、可靠且高效的能量發生器，所述能量發生器從交變極性的電壓提供能量且從相同極性的電壓提供能量。
這個目的由具有根據本發明的轉換器設備和能量採集裝置的能量發生器實現，能量採集裝置連接到輸入連接器，用於提供電壓。根據本發明的能量發生器的優點與已經描述的對於轉換器設備的優點相對應。轉換器設備能夠借助於提供相同極性的電壓的能量採集裝置和借助於提供交變極性的電壓的能量採集裝置操作。據此，能量採集裝置從包括例如壓電晶體和熱電發生器的組中選定。優選地，轉換器設備的輸出連接器具有連接到所述輸出連接器的流電能量儲存器。流電能量儲存器配置成可再充電的。
根據本發明的轉換器設備的用途、尤其根據本發明的能量發生器的轉換器設備的用途以簡單的方式允許高級別的靈活性和通用性。轉換器設備能夠首先利用用 於提供相同極性的電壓的能量採集裝置來操作，以使得轉換器設備操作為DC/DC轉換器。其次，轉換器設備能夠利用用於提供交變極性的電壓的能量採集裝置來操作，以使得轉換器設備操作為AC/DC轉換器。轉換器設備使自身自動定制到被連接的能量採集裝置，以使得轉換器設備的用途簡單且靈活。
1‧‧‧能量發生器
2‧‧‧轉換器設備
3‧‧‧採集裝置
4‧‧‧轉換器
5‧‧‧控制裝置
6‧‧‧第一輸入連接器
7‧‧‧第二輸入連接器
8‧‧‧流電能量儲存器
9‧‧‧第一輸出連接器
9’‧‧‧第三輸出連接器
10‧‧‧第二輸出連接器
11‧‧‧第一充電電路
12‧‧‧第二充電電路
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17、18‧‧‧感測器
19‧‧‧極性檢測單元
20‧‧‧切換單元
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22‧‧‧第一模數轉換器
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25‧‧‧阻抗調節器
26‧‧‧控制單元
Cin‧‧‧平滑電容器
Cp‧‧‧第一電容器
Cn‧‧‧第二電容器
D、Dref‧‧‧占空比
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Dp‧‧‧第一阻塞元件
Dn‧‧‧第二阻塞元件
Eb、vcp、vcn、vh‧‧‧電壓
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F2p‧‧‧第二反向二極體
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K0、K1、K2n、K3n、K2p、K3p‧‧‧節點
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Ln‧‧‧第二線圈
P‧‧‧極性信號
Q1p‧‧‧第一電子切換元件
Q2p‧‧‧第二電子切換元件
Q1n‧‧‧第三電子切換元件
Q2n‧‧‧第四電子切換元件
vhn‧‧‧負電壓
vhp‧‧‧正電壓
vh‘‧‧‧數位電壓
S1n、S2n、S1p、S2p‧‧‧源極連接器
t‧‧‧時間
TS‧‧‧週期持續時間
Z、Z‘、Zref‧‧‧輸入阻抗
Z1p、Z2p、Z1n、Z2n‧‧‧切換狀態
通過下文對多個示例性實施方式的描述，本發明的其他特徵、優點和細節將顯現。
圖1示出根據第一示例性實施方式的能量發生器的示意性描繪圖，所述能量發生器具有轉換器設備和連接到轉換器設備的能量採集裝置，所述能量採集裝置用於提供交變極性的電壓，圖2示出對於由能量採集裝置提供的電壓的時間特性和對於由控制裝置生成以用於致動轉換器設備的轉換器的切換脈衝的時間特性，圖3示出當提供能量採集裝置的正電壓時的轉換器設備的第一切換狀態的示意性描繪圖，圖4示出當提供能量採集裝置的正電壓時的轉換器設備的第二切換狀態的示意性描繪圖，圖5示出當提供能量採集裝置的負電壓時的轉換器設備的第一切換狀態的示意性描繪圖，圖6示出當提供能量採集裝置的負電壓時的轉換器設備的第二切換狀態的示意性描繪圖， 圖7示出根據第二示例性實施方式的當施加能量採集裝置的唯獨正電壓以提供恒定極性的電壓時的轉換器設備的第一切換狀態的示意性描繪圖，圖8示出圖7中的轉換器設備的第二切換狀態的示意性描繪圖。
接下來參考圖1至6描述本發明的第一示例性實施方式。能量發生器1包括轉換器設備2和能量採集裝置3。轉換器設備2包括轉換器4和相關控制裝置5。能量採集裝置3連接到第一輸入連接器6和第二輸入連接器7。能量發生器1用於充電可再充電的流電能量儲存器8。流電能量儲存器8連接到轉換器4的第一輸出連接器9和第二輸出連接器10。轉換器4還具有第三輸出連接器9’，第三輸出連接器在第一示例性實施方式中未接上。
能量採集裝置3提供具有交變極性(AC電壓)的電壓vh。隨著時間t的電壓vh借助於圖2中的示例描繪。在下文中，電壓vh的具有正極的部分由vhp表示且電壓的具有負極的部分由vhn表示。
轉換器4具有平滑電容器Cin以使電壓vh平滑，所述平滑電容器並聯於輸入連接器6、7和能量發生裝置3。平滑電容器Cin連接到節點K1和參考節點K0。參考節點K0定義參考電勢。第一輸入連接器6連接到節點K1且第二輸入連接器7連接到參考節點K0。
轉換器4包括用於在施加正電壓vhp時給流電 能量儲存器8充電的第一充電電路11和用於在施加負電壓vhn時給流電能量儲存器8充電的第二充電電路12。充電電路11、12連接到節點K1和參考節點K0且與彼此並聯。
第一充電電路11包括第一電子開關13和與第一電子開關串聯的第一電能量儲存器14。第一電子開關13配置為包括第一電子切換元件Q1p和第二電子切換元件Q2p的串聯電路。電子切換元件Q1p和Q2p均配置為常關型N溝道MOSFET。第一切換元件Q1p的源極連接器S1p連接到參考節點K0。第一切換元件Q1p的漏極連接器D1p連接到第二切換元件Q2p的漏極連接器D2p。第二切換元件Q2p的源極連接器S2p連接到第一充電電路11的節點K2p。
第一寄生反向二極體F1p與第一切換元件Q1p並聯配置。第一反向二極體F1p相對於源極連接器S1p和漏極連接器D1p配置成使得在源極連接器S1p的方向上的電流流動被阻塞。據此，第二寄生反向二極體F2p與第二切換元件Q2p並聯配置。第二反向二極體F2p相對於於源極連接器S2p和漏極連接器D2p配置成使得在源極連接器S2p的方向上的電流流動被阻塞。因此，反向二極體F1p和F2p具有相反的反向方向。因此，所描述的切換元件Q1p和Q2p的背對背式構型確保當向第一電子開關13施加正電壓時且當施加負電壓時，反向二極體F1p和F2p中的至少一個被反向偏壓。這避免寄生電流和產生的損失。
第一電能量儲存器14包括第一線圈Lp、第一電容器Cp和第一阻塞元件Dp。第一線圈Lp連接到節點K1 和節點K2p。第一電容器Cp連接到節點K1和節點K3p。第一阻塞元件Dp設置在節點K2p和節點K3p之間，以使得在節點K2p的方向上的電流流動被阻塞。第一阻塞元件Dp配置為二極體。第一輸出連接器9連接到節點K3p。第三輸出連接器9‘連接到節點K1。
第二充電電路12包括第二電子開關15和與第二電子開關串聯的第二電能量儲存器16。第二電子開關15配置為包括第三電子切換元件Q1n和第四電子切換元件Q2n的串聯電路。電子切換元件Q1n和Q2n均配置為常關型N溝道MOSFET。第三切換元件Q1n的源極連接器S1n連接到參考節點K0。第三切換元件Q1n的漏極連接器D1n連接到第四切換元件Q2n的漏極連接器D2n。第四切換元件Q2n的源極連接器S2n連接到第二充電電路12的節點K2n。
第三寄生反向二極體F1n與第三切換元件Q1n並聯配置。第三反向二極體F1n相對於源極連接器S1n和漏極連接器D1n配置成使得在源極連接器S1n的方向上的電流流動被阻塞。據此，第四寄生反向二極體F2n與第四切換元件Q2n並聯配置。第四反向二極體F2n相對於於源極連接器S2n和漏極連接器D2n配置成使得在源極連接器S2n的方向上的電流流動被阻塞。因此，反向二極體F1n和F2n具有相反的反向方向。因此，所描述的切換元件Q1n和Q2n的背對背式構型確保當向第二電子開關15施加正電壓時且當施加負電壓時，反向二極體F1n和F2n中的至少一個被反向偏壓。這避免寄生電流和產生的損失。
第二電能量儲存器16包括第二線圈Ln、第二電容器Cn和第二阻塞元件Dn。第二線圈Ln連接到節點K1和節點K2n。第二電容器Cn連接到節點K1和節點K3n。第二阻塞元件Dn設置在節點K2n和節點K3n之間，以使得在節點K3n的方向上的電流流動被阻塞。第二阻塞元件Dn配置為二極體。第二輸出連接器10連接到節點K3n。
控制裝置5用於基於電壓vh的極性、即基於正電壓vhp和負電壓vhn而致動第一電子開關13和第二電子開關15。控制裝置5連接到參考電勢。控制裝置5配置成使得當施加正電壓vhp時實現具有第一切換狀態Z1p和後續第二切換狀態Z2p的第一切換順序。對於第一切換順序而言：
其中，0意味著斷開且1意味著連通。在圖3中示出切換狀態Z1p且在圖4中示出切換狀態Z2p。
控制裝置5還配置成使得在施加負電壓vhn時實現具有第一切換狀態Z1n和後續第二切換狀態Z2n的第二切換順序。對於第二切換順序而言：
其中，0意味著斷開且1意味著連通。在圖5中示出切換狀態Z1n且在圖6中示出切換狀態Z2n。
第一切換順序和第二切換順序均延續一段 週期持續時間TS。對於所述週期持續時間TS而言：TS=1/fS，其中，fS表示控制裝置5的恒定切換頻率。相應的第一切換狀態Z1p或Z1n具有持續時間D．TS且相應的相關第二切換狀態Z2p或Z2n具有持續時間(1-D)．TS，其中，D表示占空比。
控制裝置5包括用於測量電壓vh的電壓測量感測器17和用於測量電流ih的電流測量感測器18。電流ih在能量採集裝置3和轉換器4之間流動。
控制裝置5包括極性檢測單元19，給極性檢測單元提供測量電壓vh。極性檢測單元19檢測電壓vh為正或為負。為此，極性檢測單元19例如配置為過零檢測單元(過零檢測)。極性檢測單元19提供合適的數位極性信號P。極性檢測單元19因此檢測正電壓vhp和負電壓vhn。極性信號P被供應到控制裝置5的切換單元20。切換單元20生成控制電壓g1p、g2p、g1n和g2n以致動切換元件Q1p、Q2p、Q1n和Q2n。控制電壓g1p、g2p、g1n和g2n被施加到切換元件Q1p、Q2p、Q1n和Q2n的柵極連接器G1p、G2p、G1n和G2n。
控制裝置5包括將測量電壓vh轉換成數位電壓vh‘的第一模數轉換器21。此外，控制裝置5具有將測量的電流ih轉換成數位電流ih’的第二模數轉換器22。
為了計算輸入阻抗，控制裝置5具有從數位電壓vh‘和數位電流ih'確定輸入阻抗Z’的阻抗確定單元23。輸入阻抗Z‘是用於轉換器4和連接到轉換器的流電能量儲存器8的輸入阻抗Z的計算值或估計值，所述輸入阻抗 Z‘從輸入連接器6、7的角度獲得。控制裝置5包括從設定點輸入阻抗Zref和確定的輸入阻抗Z‘形成差值Zref-Z’的減法器24。所述差值被供應到阻抗調節器25，阻抗調節器的輸出提供設定點占空比Dref。阻抗調節器例如配置為PID控制器。設定點占空比Dref被供應到切換單元20，切換單元基於極性信號P和設定點占空比Dref生成控制電壓g1p、g2p、g1n和g2n。為此，切換單元20例如配置為數位脈寬調製器。
切換單元20、阻抗檢測單元23、減法器24和阻抗調節器25形成控制單元26，控制單元是阻抗控制環的一部分。阻抗控制環用於設定輸入阻抗Z以使得輸入阻抗變成純阻性的且電壓vh和電流ih基本同相。輸入阻抗Z借助於占空比D設定。在不連續導通模式下，對於輸入阻抗而言： 其中，L=Lp或L=Ln。例如在實驗中以經驗為主地確定設定點輸入阻抗Zref。設定點輸入阻抗Zref尤其是在能量發生期間實現高級別的效率、優選最大效率的電阻值。
能量發生器1的操作如下：
能量採集裝置3生成電壓vh和電流ih。借助於測量的電壓vh，極性檢測單元19檢測正電壓vhp或負電壓vhn是否被施加到輸入連接器6、7且提供合適的極性信號P。例如，極性信號P在施加正電壓vhp的情況下是1且在施加負電壓vhn的情況下是0。
當施加正電壓vhp時，控制裝置5實現第一切換順序。首先，在第一切換狀態Z1p下接通切換元件Q1p和Q2p，以使得電流ih流過第一線圈Lp。第一阻塞元件Dp防止電流ih流經第一電容器Cp。在第一切換狀態Z1p下，切換元件Q1n和Q2n斷開。這在圖3中示出。
在後續第二切換狀態Z2p下，第一線圈Lp經由第一阻塞元件Dp驅動電流ip，以使得第一電容器Cp被充電。第一電容器Cp具有向其施加的電壓vcp。由於電壓vcp，給流電能量儲存器8充電的電流ib流動。在第二切換狀態Z2p下，切換元件Q1n和Q2n仍斷開。這在圖4中示出。
當施加負電壓vhn時，控制裝置5實現第二切換順序。首先，在第一切換狀態Z1n下接通切換元件Q1n和Q2n，以使得電流ih流過第二線圈Ln。第二阻塞元件Dn防止電流ih流經第二電容器Cn。在第一切換狀態Z1n下，切換元件Q1p和Q2p斷開。這在圖5中示出。
在後續第二切換狀態Z2n下，第二線圈Ln經由第二阻塞元件Dn驅動電流in，以使得第二電容器Cn被充電。第二電容器Cn具有向其施加的電壓vcn。由於電壓vcn，給流電能量儲存器8充電的電流ib流動。在第二切換狀態Z2n下，切換元件Q1p和Q2p仍斷開。這在圖6中示出。
電壓vcp和vcn用於將提供電壓Eb的流電能量儲存器8充電。
在第一切換順序和第二切換順序中，調節輸入阻抗Z。為此，輸入阻抗Z’借助於阻抗檢測單元23從數 位電壓vh‘和數位電流ih'計算。減法器24從設定點輸入阻抗Zref和確定的輸入阻抗Z‘生成差值。這個差值被供應到阻抗調節器25，阻抗調節器給切換單元20提供設定點占空比Dref作為被控變數。切換單元20設定切換信號的定時或控制電壓g1p、g2p、g1n和g2n以使得相應第一切換狀態Z1p或Z1n基於週期持續時間Ts被設定用於持續時間0<TD．TS，且相應的第二切換狀態Z2p或Z2n被設定用於持續時間D．TS<T<(1-D)．TS。
接下來參考圖7和8描述本發明的第二示例性實施方式。與第一示例性實施方式相反，能量發生器1具有提供唯獨正電壓vhp的能量採集裝置3。流電能量儲存器8連接到轉換器4的第一輸出連接器9和第三輸出連接器9‘。第二輸出連接器10在第二示例性實施方式中未接上。控制裝置5唯獨實現第一切換順序。第一切換狀態Z1p在圖7中示出且第二切換狀態Z2p在圖8中示出。對於進一步的設計和進一步的操作方式，參考在先示例性實施方式的描述。
根據本發明的轉換器設備2能夠與能量採集裝置3選擇性一起操作，所述能量採集裝置提供交變極性的電壓vh、或唯獨正電壓vhp或唯獨負電壓vhn。如果能量採集裝置3提供交變極性的電壓vh，則轉換器設備2操作為AC/DC轉換器。這在圖1至6中示出。另一方面，如果能量採集裝置3提供唯獨正電壓vhp或唯獨負電壓vhn，則轉換器設備2操作為DC/DC轉換器。對於正電壓vhp，這在圖7和8 中示出。對於負電壓vhn，轉換器設備2依據圖5和6操作。
根據本發明的轉換器設備2基於升壓型轉換器。轉換器設備2能夠以DC電壓或以AC電壓操作。轉換器設備2適用於電池操作的器具，所述器具借助於能量採集裝置3採集少量的電力。為了優化能量採集，轉換器設備2允許輸入阻抗Z被設定成使得輸入阻抗是純阻性的。AC/DC轉換在沒有使用橋式整流器的階段下起作用。這避免壓降和能量損失，以使得轉換器設備2也適用於能量採集裝置3的非常低的電壓vh。轉換器4每相具有兩個電子切換元件Q1p、Q2p和Q1n、Q2n，以使得AC電壓直接轉換成DC電壓是可行的且需要僅一個相位用於將DC電壓轉換成DC電壓。為了設定輸入阻抗Z，轉換器設備2在不連續導通模式下操作，以使得轉換器4對能量採集裝置3表現為純非抗電性的電阻(purely nonreactive resistance)。平滑電容器Cin簡化輸入阻抗Z的確定。
由於源極連接器S1p和S1n具有相同參考電勢，相應簡單的低端柵極驅動器能夠用於切換元件Q1p和Q1n。對於切換元件Q2p和Q2n，使用相應的浮柵驅動器。電壓測量、電流測量和極性檢測是簡單的，因為電壓測量感測器17、電流測量感測器18和極性檢測單元19使用相同的參考電勢。轉換器設備2能夠與允許例如3.7V、7.4V或12V的電壓的流電能量儲存器8一起操作。因此，轉換器設備2能夠用於可擕式電器和用於車輛。

Claims (13)

  1. 一種用於能量採集的轉換器設備，包括-一轉換器，其具有--一第一輸入連接器和一第二輸入連接器，用於連接到一能量採集裝置，--一第一輸出連接器和一第二輸出連接器，用於連接到一流電能量儲存器(galvanic energy store)，--一第一充電電路，用於以向該等輸入連接器施加的該能量採集裝置的正電壓給該流電能量儲存器充電，該第一充電電路具有---一第一電子開關，其中該第一電子開關包括包含一第一電子切換元件和一第二電子切換元件的串聯電路，以及---與該第一電子開關串聯的一第一電能量儲存器，其中，該第一電能量儲存器包括一第一線圈、一第一電容器和一第一阻塞元件，--一第二充電電路，用於以向該等輸入連接器施加的該能量採集裝置的負電壓給該流電能量儲存器充電，該第二充電電路具有---一第二電子開關，其中該第二電子開關包括包含一第三電子切換元件和一第四電子切換元件的串聯電路，以及---與該第二電子開關串聯的一第二電能量儲存器，其中，該第二電能量儲存器包括一第二線圈、一第二電容器和一第二阻塞元件，-一控制裝置，用於基於向該等輸入連接器施加的該能量採集裝置的電壓的極性而致動該第一電子開關和該第二電子開關，且其中，該第一充電電路和該第二充電電路彼此並聯。
  2. 如請求項1所述的轉換器設備，其中該第一電能量儲存器連接到該第一輸出連接器且該第二電能量儲存器連接到該第二輸出連接器。
  3. 如請求項1所述的轉換器設備，其中該等輸入連接器之一係連接到一參考節點。
  4. 如請求項1所述的轉換器設備，其中與該第一電子切換元件並聯配置的一第一反向二極體和與該第二電子切換元件並聯配置的一第二反向二極體具有相對的反向方向。
  5. 如請求項1所述的轉換器設備，其中與該第三電子切換元件並聯配置的一第三反向二極體和與該第四電子切換元件並聯配置的一第四反向二極體具有相對的反向方向。
  6. 如請求項1所述的轉換器設備，其中該第一電容器和該第二電容器係連接到該等輸出連接器的相應之一者。
  7. 如請求項1所述的轉換器設備，其中一平滑電容器係並聯於該等輸入連接器。
  8. 如請求項1所述的轉換器設備，其中在向該等輸入連接器施加正電壓時，該控制裝置包括一第一切換順序，其中，對於該第一切換順序而言：
    Figure TWI673949B_C0001
    其中，Q1p和Q2p表示該第一電子開關的兩個串聯的電子切換元件，Q1n和Q2n表示該第二電子開關的兩個串聯的電子切換元件，Z1p和Z2p表示該第一切換順序的兩個相繼切換狀態，且0意味著斷開且1意味著連通。
  9. 如請求項1所述的轉換器設備，其中在向該等輸入連接器施加負電壓時，該控制裝置包括一第二切換順序，其中，對於該第二切換順序而言：
    Figure TWI673949B_C0002
    其中Q1p和Q2p表示該第一電子開關的兩個串聯的電子切換元件，Q1n和Q2n表示該第二電子開關的兩個串聯的電子切換元件，Z1n和Z2n表示該第二切換順序的兩個相繼切換狀態，且0意味著斷開且1意味著連通。
  10. 如請求項1所述的轉換器設備，其中該控制裝置包括用於檢測該能量採集裝置的正電壓和負電壓的一極性檢測單元。
  11. 如請求項1所述的轉換器設備，其中該控制裝置包括用於設定一輸入阻抗的一阻抗調節器，所述阻抗調節器基於一確定的輸入阻抗和一設定點輸入阻抗來改變該等電子開關的致動。
  12. 如請求項1所述的轉換器設備，其中所述轉換器設備係選擇性與用於提供相同極性的電壓和交變極性的電壓之一的該能量採集裝置一起使用。
  13. 一種能量發生器，其具有用於能量採集的一轉換器設備，其包括-一轉換器，其具有--一第一輸入連接器和一第二輸入連接器，用於連接到一能量採集裝置，--一第一輸出連接器和一第二輸出連接器，用於連接到一流電能量儲存器，--一第一充電電路，用於以向該等輸入連接器施加的該能量採集裝置的正電壓給該流電能量儲存器充電，該第一充電電路具有---一第一電子開關，其中該第一電子開關包括包含一第一電子切換元件和一第二電子切換元件的串聯電路，以及---與該第一電子開關串聯的一第一電能量儲存器，其中，該第一電能量儲存器包括一第一線圈、一第一電容器和一第一阻塞元件，--一第二充電電路，用於以向該等輸入連接器施加的該能量採集裝置的負電壓給該流電能量儲存器充電，該第二充電電路具有---一第二電子開關，其中該第二電子開關包括包含一第三電子切換元件和一第四電子切換元件的串聯電路，以及---與該第二電子開關串聯的一第二電能量儲存器，其中，該第二電能量儲存器包括一第二線圈、一第二電容器和一第二阻塞元件，-一控制裝置，用於基於向該等輸入連接器施加的該能量採集裝置的電壓的極性而致動該第一電子開關和該第二電子開關，且其中，該第一充電電路和該第二充電電路彼此並聯，以及連接到該等輸入連接器的該能量採集裝置，用於提供電壓。
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ANUPRIYA SRIRAMULU ET AL："Implementation of an efficient AC-DC converter for low voltage energy harvesting" ,Engineering Education: Innovative Practices and Future Trends (AICERA), 2012 IEEE International Conference on, 20120719 IEEE , Seiten 1-6.
LEE CHI-KWAN ET AL："High-Frequency-Fed Unity Power-Factor AC-DC Power Converter With One Switching Per Cycle", IEEE Transactions on Power Electronics, 20150401 Institute of Electrical and Electronics Engineers, USA, Seiten 2148-2156.
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