具有ac侧短路功能的整流器电路及电感同步开关收集转换器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明实施方案设及整流器电路。一些实施方案设及电感同步开关收集（SSHI) 转换器。一些实施方案设及对电流进行整流的方法。一些实施方案设及变形并联SSHI转 换器。
【背景技术】
[0002] 能量收集（也称为功率收集或能量挖掘）为方法，通过所述方法，能量取自外部源 (例如，太阳能、热能、风能、盐差能和动能），捕获，转换为电能，并且存储用于低功率无线 自主设备，如用于可穿戴电子产品及无线传感器网络中的低功率无线自主设备。例如，压电 换能器用于从振动收集电力。不同AC-DC转换器在文献中进行说明W对交流电进行整流且 提取最大电量。
[000引用于压电发生器包括所述AC-DC转换器的能量收集器的可行应用为例如在如高 速公路桥（结构健康监测）或地铁（跟踪和追踪）的应用中。与该些应用相关联的振动频 率范围介于2化与50化之间，而平均加速度约为0. Ig。
[0004] 压电换能器的导纳轨迹（a血ittance locus)具有关于W下的固有信息；对于所 述压电换能器，SSHI转换器而不是二极管电桥的采用将显著增加收集功率。压电元件的内 部阻抗为复数，如由J.化ufau-Penella和M.化ig-Vidal在智能材料系统与结构杂志的卷 00-2008,2008的"复共辆阻抗匹配的压电能量收集改良"中说明。因此，当内部阻抗的复 共辆作为输出负载进行连接时，获得压电换能器的最大输出功率。然而，该个解决方案不现 实，因为作为复共辆负载需要的电感会太大，该归因于压电元件的主导电容特性。如果电 阻器作为负载连接到压电元件，那么所获得输出功率取决于激励压电元件的机械频率及电 阻。在该种情况下最大输出功率通常利用电阻来获得，所述电阻等于在压电元件的导纳的 实部与虚部之比最大化的频率处压电元件的等效戴维南（Thevenin)阻抗的模。因此，最大 输出功率在压电元件的导纳具有其大多数电阻行为的频率处获得。
[0005] 当电阻器为负载时的输出功率与最大功率之比的峰值取决于压电元件的阻抗圆。 有些压电元件为该个比率最大接近于1，有些压电元件为该个比率低得多。对于比率接近于 1的压电元件，非线性技术的采用不会经由整流电桥提供改良。然而，对于该个比率远低于 1的压电元件，非线性转换器为比整流电桥更好的解决方案。
[0006] 电感同步开关收集（S甜I) (Sync虹onized Switch Harvesting on Inductor)为 非线性切换技术，所述技术从能量源提供DC(直流）电，诸如机械激励压电元件。SSHI转换 器通常由开关和电感器及二极管电桥组成。机械激励压电元件通常产生交变电压和交变电 流（AC)。
[0007] 在振动期间用于压电元件的高效AC-DC转换器对于使收集功率最大化特别重要。 [000引通过例如压电换能器传送的交流电可利用二极管电桥和滤波电容器进行整流 (线性技术）。
[0009] 采用通过开关连接到压电元件的电感器的较新AC-DC转换器（称为S甜I)也可 用。当达到压电峰值位移时，开关接通。压电元件与电感器的连接引起谐振效应及压电电 压快速反转。在压电电压反转之后，开关断开，直至检测到新峰值。然而，二极管电桥的二 极管仍感应电压间隙，电压间隙引起收集电路损耗且限制收集功率。
[0010] 在用于SSHI转换器的AC-DC转换器的进一步发展中，用于压电电压反转的开关进 行分离，并且二极管电桥的两个二极管由该些开关取代。因此，电路包括较少组件，从而减 少电路的成本及尺寸。另一个好处为二极管去除，二极管感应电压间隙。因此，收集电路中 由所述电压间隙引入的损耗受到限制，并且收集功率因此较大。然而，每个周期从压电元件 提取的能量可能仍比较低，并且在理论上只有小部分可提取能量。
[0011] 因此，本发明目的在于提供整流器电路概念，所述整流器电路改良内部功率损耗 减少与从能量源中的能量转移提高之间的权衡。
【发明内容】
[0012] 本目的通过根据权利要求1所述的整流器电路、根据权利要求10所述的转换器及 根据权利要求11所述对电流进行整流的方法来解决。
[0013] 本发明实施方案提供整流器电路，所述整流器电路包括一对输入端子、一对输出 端子及互相连接该对输入端子的第一电路。所述第一电路包括储能元件和整流电桥。所述 整流电桥每个电桥分支包括至少一个可控开关元件，其中整流电桥的输出供应该对输出端 子。每个电桥分支的至少一个可控开关元件被配置为提供经由整流电桥的临时导通路径， 所述临时导通路径基本上绕过该对输出端子，并且所述临时导通路径基本上使第二电路发 生短路，所述第二电路包括储能元件、该对输入端子及可连接到该对输入端子的能量源。
[0014] 开关元件在压电电压需要进行反转的时间期间将电感器并联连接到能量源（例 如，压电元件），从而对能量源电压（压电电压）（即，由能量源产生的电压）进行反转。尤 其当能量源电压反转利用特定定时进行时，例如，对应于由能量源和（电感性）储能元件形 成的谐振器的谐振模式，从能量源中转移的功率可能与其它AC-DC转换方法相比有可能显 著增加。负载电流通常也流过电感器。虽然该个事实可能增加电感器中的功率损耗，但是它 允许只具有两个二极管和两个开关元件的变形并联SSHI拓扑结构的操作，例如MOSFET (金 属氧化物半导体场效应晶体管）。
[0015] 根据本发明更多实施方案，储能元件（或能量储存元件）和整流电桥可串联连接。
[0016] 整流电桥可被配置为既充当从该对输入端子到该对输出端子的能量转移组件，又 充当该对输入端子的电压型逆变器。
[0017] 每个电桥分支可包括二极管组件及所述至少一个可控开关元件。
[001引根据本文中所公开教案的至少又一些实施方案，整流器电路还可包括控制器，所 述控制器被配置为基于指示能量源的状态的感测信号为每个电桥分支的至少一个可控开 关元件产生至少一个控制信号。
[0019] 控制器可被配置为当在感测信号中检测到峰值时使所述至少一个可控开关元件 从导通状态切换为非导通状态，反之亦然。
[0020] 储能元件可与能量源一起形成谐振电路，同时第二电路经由整流电桥发生短路。
[0021] 根据本文中所公开教案的至少又一些实施方案，储能元件可并联连接到能量源， 同时第二电路经由整流电桥发生短路。
[0022] 根据又一些实施方案，能量源可为压电元件。
[0023] 本发明更多实施方案提供用于电感同步开关收集的转换器。所述转换器包括如上 所述的整流器电路。
[0024] 本发明更多实施方案提供对由能量源产生的电流进行整流的方法。所述方法包括 将所述电流施加于包括整流电桥和储能元件的第一电路，使得整流电桥将所述电流沿着与 所述电流的第一电流流动方向相关联的第一整流路径传导到整流电桥的输出。所述方法还 包括在与所述电流相关联的感测信号中检测到第一特定图案（first specific pattern); 并且响应于检测到第一特定图案，通过将整流电桥的可控开关元件从非导通状态切换为导 通状态，重新配置整流电桥。W此方式，所述电流在整流电桥内沿着第一反转路径进行传 导，所述第一反转路径基本上使包括储能元件和能量源的第二电路发生短路且绕过整流电 桥的输出。响应于从第一电流流动方向到第二电流流动方向的电流流动方向变更，整流电 桥然后再次重新配置或允许进行自我重新配置，使得整流电桥将所述电流沿着与第二电流 流动方向相关联的第二整流路径传导到整流电桥的输出。
[0025] 利用根据本文中所公开教案的SSHI转换器拓扑结构，开关元件（诸如所采用的 MOSFET和二极管）数目相对于先前SSHI转换器减少，并且储能元件（例如，电感器）与先 前SSHI转换器相比位于新位置处。
[0026] 本发明实施方案在本文中参考附图进行说明。
【附图说明】
[0027] 图1A示出根据现有技术的并联SSHI转换器的示意电路图。
[002引图1B为示出在图1A中所示的电路操作期间出现的各种电压波形、位移波形和电 流波形的曲线图。
[0029] 图2A示出根据现有技术的串联SSHI转换器的示意电路图。
[0030] 图2B为示出在图2A中所示的电路操作期间出现的各种电压波形、位移波形和电 流波形的曲线图。
[0031] 图3示出根据现有技术的并联SSHI转换器的更详细示意电路图。
[0032] 图4示出根据现有技术的串联SSHI转换器的更详细示意电路图。
[0033] 图5示出变形串联低输出电压SSHI转换器的示意电路图。
[0034] 图6示出根据本文中所公开教案的变形并联SSHI转换器的示意电路图。
[0035] 图7A至图7D示出在四个不同操作相位期间的示意电路图。
[0036] 图8示出变形并联SSHI转换器的稳定状态波形。
[0037] 图9通过图表示出连接到各种类型转换器的第一选定压电元件的测量结果。
[003引图10通过图表示出连接到各种类型转换器的第二选定压电元件的测量结果。
[0039] 图11示出根据本文中所公开教案对电流进行整流的方法的示意流程图。
【具体实施方式】
[0040] 相同或等同元件或具