具有可变电容器的电转换器的制作方法

专利名称：具有可变电容器的电转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种小型电转换器，其被设计为将由电源提供的第一电势的电能转换 为可以被电系统使用的不同电势的电能。
背景技术：
通常，通过电源提供的电能处于例如220V的电压，并且许多装置特别是便携式装 置需要更低的工作电压，例如12V或14V。因此，这需要使用还被称为电变压器的电能转换 器，该系统通常为电感式的。电转换器基于以下原理工作来自任意电源的具有给定电势或者给定电流的电能 以另一种形式被存储，然后，恢复为具有需要的电势或者电流的电形式。用已知的方式将电能以磁的形式存储在电/电转换结构(电感器、变压器)中。 然而，这种基于电磁元件的转换结构必须足够大以能够提供良好的电性能。如果减小电感 式电磁系统的尺寸，则由绕组导致的电阻损耗相对于可以存储在磁元件中的能量变得非常 大；因此，效率变得非常低，这使得在非常小的系统(例如集成在硅上的系统)中这种电磁 元件的使用没有优势，除非可接受极其低的效率。此外，这些结构需要电流循环，而电流循环会导致细导线中的能量消耗和温度上升。文献US 6 317 342描述了使用可变电容器的电压转换器。这种转换器会产生高 能量损耗。该转换器还必须工作在共振状态，使得外部时钟必须进行电荷转移。因此，本发明的目的之一是提供一种具有良好性能的小型电能转换系统。

发明内容
上述目的是通过这样的系统来实现的，其中通过使用具有至少一个电容器的静电 结构将能量以机械的形式存储在该系统中，该电容器具有可变气隙以及在电容器板之间产 生的静电力用于进行转换。恒定电荷的工作步骤减小了系统损耗，使得该系统的性能可以 比根据现有技术的系统更好。因此，转换涉及仅由静电力产生的机械运动。以例如动能和/或势能的机械能的形式进行存储，势能可以是诸如弹簧压缩或者 杆弯曲的机械变形能量。根据本发明的系统可以包括设置有可移动板的至少一个可变电容器，该电容器能 够通过使可移动电容器板移动(例如通过使弹簧变形)来将给定电压的电能转换为机械 能，从而将机械能存储在弹簧中，然后，利用可移动电容器板的新的移动将该机械能转换为 另一电压的电能。于是，依次地以激励器模式和电能转换器模式使用该静电结构。在另一实施例中，系统可以包括两个电容器，一个电容器具有使可移动电容器板 移动的主要功能，以及另一个电容器更具体地具有修正电压的主要功能。根据本发明的系统可以以电压逐步下降或者逐步上升运行。
根据本发明，极小型的转换器是可行的。与电磁转换的情况不同，利用静电转换， 结构的每单位体积的电容随着尺寸的减小而增大，因此，每单位体积可转换的能量变高。表 面面积增大，该材料的结构更好并且气隙减小。而且，在静电系统中，通过电压/电场产生机械力来存储能量而不是通过电流来 存储能量，因此，不存在由具有小截面的导线中的电流循环导致的能量消耗，并且没有温度升高。此外，可以在非常小的系统的情况下使用诸如硅的单晶材料，因此，转换系统的机 械阻尼很低并且机械品质因数很高，达到了极低机械损耗的结果。于是，制造适于在便携式电子设备中使用的非常小的集成系统变得可行。可以连接若干个系统来进行至若干个电压值的电能的转换。一个显著的优势为转换系统以两种不同的模式运行第一模式，电荷的电势逐渐改变，而没有任何电流循环，第二模式，电荷循环而没有任何电势差。以这两种模式连续运行的系统使得没有电荷转移损耗。在转换系统中所消耗的功 率等于电流和电压差的乘积，并且在这两种模式下消耗的功率总是为0，这是因为每种模式 下的分量之一总是为0。于是，根据本发明的系统实现了在转换期间低的能量损耗。还存在所谓的“切换电容”系统，利用具有固定机械结构的至少两个电容器，通过 将这两个电容器的连接顺序地切换为并联和串连来进行能量转移，构成了该系统的工作原 理。然而，如果只在电容器连接至电源之前，电源和电容器之间存在电压差，则仅转移 能量。因此，当闭合开关时，由于电压差而产生消耗的能量损失。因此，本发明的重要主题是一种用于通过转换系统将第一电压下的第一电能转换 为第二电压下的第二电能的方法，该转换系统包括至少一个第一电压的电压源，其通过充 电开关而连接至可变电容器；放电开关，设置为与可变电容器并联；聚集第二电压下的能 量的装置；以及在可变电容器和聚集装置之间转移能量的装置，可变电容器包括固定板、能 够远离和朝向固定板移动的可移动板、以及使可移动板返回其初始位置的弹性装置，对于 一个完整的转换周期，该方法包括以下步骤a)闭合充电开关同时放电开关保持断开，使得以第一电压对可变电容器充电，并 且使可移动板移动以增大电容器的电容；b)断开充电开关同时保持放电开关断开，以允许电容器以恒定电荷运行，电容器 的电容继续增大；c)闭合放电开关，以允许可变电容器至少部分放电，并且使可移动元件的移动反 向；转移装置在可移动电极的移动期间提供从电容器至聚集装置的能量转移。本发明的另一主题为从第一电压的第一电能至第二电压的第二电能的转换系统， 该转换系统包括至少一个第一电压的电压源，其通过充电开关连接至可变电容器；放电 开关，设置为与可变电容器并联；第二电压的能量聚集装置；以及能量转移装置(在可变电 容器和聚集装置之间进行能量转移)，可变电容器包括固定板、能够远离和朝向固定板移动 的可移动板、以及使可移动板返回其初始位置的弹性装置。
所述转换系统还包括控制充电开关和放电开关的装置，使得对于转换周期a)在第一步骤期间，放电开关断开并且充电开关闭合，使得以第一电压对电容器 进行充电，并且使可移动板移动以增大电容器的电容；b)在第二步骤期间，充电开关断开并且放电开关保持断开，以允许电容器以恒定 电荷运行，电容器的电容继续增大；c)在第三步骤期间，放电开关闭合，以允许可变电容器至少部分放电，导致使可移 动元件的移动反向；转移装置在可移动电极的移动期间将能量从电容器转移至聚集装置。有利地，开关是可控的，使得当电容器的电容为最小值时，闭合充电开关。有利地，开关是可控的，使得当电容器的电容为最大值时，闭合放电开关。例如，电容器的一个电极可以通过转移开关或二极管连接至聚集装置。例如，在可 变电容器的可移动电极的移动阶段(与其电容的减少相对应)期间，使转移开关或者二极 管导通。在一实施例中，可变电容器形成第一电容器，该系统还包括第二可变电容器，该第 二可变电容器至少包括固定板和能够远离固定板并且与固定板分离地移动的可移动板，第 一电容器和第二电容器中的可移动板在移动中被彼此固定，第二可变电容器通过转移开关 或者二极管连接至聚集装置。有利地，第二电容器包括配置在可移动板的每侧上的两个固 定板。在另一实施例中，每个电容器均包括固定板，并且每个固定板均被配置在共用的 可移动板的一侧上。有利地，第一电容器的第一固定板具有面向位于第二电容器的第二固定板的表面 上方的可移动板的表面。有利地，放电开关闭合持续时间小于转换周期持续时间的百分之一。例如，放电开关由可变电容器的固定板和可移动板上支撑的元件形成，通过使固 定板上支撑的元件彼此接触来发生放电。根据时间、可移动板的位置值、电容器之一的电容、电容器的端电压、或电容器的 端电压的微分，来控制开关。该系统可以是由硅制成的集成系统。恢复装置可以在例如弹簧、锯片(balde)、以及可变形杆中选择。本发明的另一主题为电能转换组合装置，该组合装置包括至少两个根据本发明的 转换系统，所述组合装置能够将第一电压的第一电能转换为多个第二电压的多个第二电 能；该系统可以具有共用的可移动电极。本发明的另一主题为一种电子设备，其包括至少一个根据本发明的电能转换系统 或根据本发明的转换组合装置。


在阅读以下描述和附图之后，将更好地理解本发明，其中图1为根据本发明的转换系统的第一实施例的示意图；图2A 图2D为图1中的系统的不同特性的曲线图3为表示图1中的开关的不同状态的计时图；图4为根据本发明的转换系统的第二实施例的示意图；图5A 图5D为图4中的系统的不同特性的曲线图；图6为表示图4中的开关的不同状态的计时图；图7为根据本发明的包括单个可变电容器的转换系统的第三实施例的示意图；图7A 图7C为图7中的系统的不同特性的曲线图，图7D示出了表示图7中的开 关的不同状态的计时图；图8A和图8B分别为根据第三实施例的转换系统的示例性应用实施例的顶视图和 侧视图；图9为根据第三实施例的转换系统的另一应用实施例的侧视图；图10示出了作为图9中系统的静电力的函数的两端固定杆的变化；图11示出了作为图9的系统中两端固定杆的振动幅度的函数的共振频率的变化。图12示出了图7中的转换系统的变化实施例的示意图。
具体实施例方式在下文的描述中，将系统描述为其以不同的模式运行，即恒定电压模式和恒定电 荷模式。然而，这两种模式可以重叠，即，电压可以与电荷同时改变，反之亦然，这取决于怎 样控制开关。在图3、图6、以及图7D中示出的计时图中，数字0表示开关的断开状态，1表示开 关的闭合状态。图1示出了根据第一实施例的转换系统的示意图，该转换系统包括第一可变电 容器2、第二可变电容器4、给定电势Ve的电能源6和以电池形式示出的给定电势Vs的电能 聚集系统8。在下文的描述中，我们将聚集系统8表示为电池。第一电容器包括固定板2. 1和可移动板2. 2，其形成具有可变气隙的电容器；第二 电容器4包括固定板4. 1和可移动板4. 2，其也形成具有可变气隙的电容器。在所示的实例中，第二电容器4包括配置在可移动板4. 2的每一侧上的两个固定 板 4. Ia 和 4. Ib0两个电容器的可移动板2. 2,4. 2在移动时彼此固定，具体地，朝向第一电容器的 固定板2. 1移动可移动板2. 2导致可移动板4. 2朝向第二电容器4的固定板4. Ia移动并 且远离第二电容器4的固定板4. Ib移动，而远离第一电容器的固定板2. 1移动可移动板 2. 2导致可移动板4. 2远离第二电容器的固定板4. Ia移动并且朝向第二电容器4的固定板 4. Ib移动。在所示实例中，可移动板2. 2和4. 2是一致的。在下文的描述中，我们将仅使用参 考符号2. 2来指两个电容器2、4共用的可移动板。使用具有单个固定板的第二电容器4也是可行的。如我们将在下文的描述中所看到的，固定板2. 1,4. Ia以及4. Ib与可移动板2. 2 之间的静电力可增大，从而导致可移动板的移动；因此，设置了作用于可移动板的弹性恢复 装置(未示出)。这些恢复装置形成为以机械能的形式存储电能的临时装置。例如，恢复装 置由可以垂直于其轴变形的杆或一个或者多个弹簧组成。
可变形杆的优点在于其通过微电子处理易于被制造，例如，在硅集成系统的情况 下。能源6连接在可移动板2. 2和固定板2. 1之间，开关12设置在能源6和固定板2. 1 之间，形成为用于第一电容器2的充电开关。能源6还与固定板4. Ia和4. Ib并联连接，开 关14设置在能源6与固定板4. Ia和4. Ib之间。开关14形成为用于第二电容器4的充电 开关。此外，聚集系统8连接至可移动板2. 2并且连接至固定板4. Ia和4. lb，转移开关 16设置在电池8和固定板4. Ia之间。固定板2. 1通过形成为用于第一电容器的放电开关的开关18，还连接至可移动板V1表示第一电容器2的端电压，V2表示第二电容器4的端电压，fel表示由固定板 2. 1施加在可移动板2. 2上的静电力，fe2表示由固定板4. 1施加在可移动板2. 2上的静电 力，以及fk表示由弹性恢复装置施加的力。可移动板2. 2的位置沿着Z轴标出并且表示为ζ ；在该实例中，当可移动板4. 2 (或 2. 2)在距两个固定电极4. Ia和4. Ib相等的距离处时，ζ等于零，弹簧处于静止状态。现在，我们将参照图2Α 2D中的转换系统的不同特性的变化的曲线图来描述该 系统将电势\的电能转换为高于\的电势Vs的运行。在初始状态下，开关12、14、16以及18断开，第一电容器和第二电容器放电。在时 间tQ处，开关12和14闭合。这些开关一闭合，就对固定板2. 1,4. la、4. Ib和可移动板2. 2 充电，电容器2和电容器4被电连接，并且电压V1和V2均等于Ve。电流Il通过开关12循 环。因此，分别在固定板2. 1与可移动板2. 2之间和固定板4. la、4. Ib与移动板2. 2之间 的静电力fel和fe2上升。fe2是由固定板4. Ia和4. Ib施加在可移动板2. 2上的静电力的 合力，当可移动板2. 2处于其静止位置时，fe2为最小。这样选择板4. Ia和4. Ib使得当可 移动板已经开始向板4. Ia移动(ζ为正)时，合力fe2朝向板4. Ia吸引可移动板2. 2，以上 在本实例中，可移动板的初始移动是施加静电力的结果。由于静电力fel、fe2的和大于机械力fk的和，所以可移动板2. 2朝向固定板2. 1、 4. Ia移动，如在图2A中可以看到的，ζ增大。因此，能量以机械形式(动能和势能)被存 储。因为板2. 1,4. Ia和2. 2朝向彼此移动，所以如在图2B中所示，静电力fel、fe2和 机械力fk增大。开关12保持闭合直到时间、。从能源6提取的电能通过弹性装置的变形以机械 势能的形式存储在弹性装置中，而且由于电极具有非零速度，所以电能还以由电极的移动 导致的动能形式进行存储。当持续时间越长时，所存储的能量的量越高。注意到当通过闭合开关从电压源开始对最初完全放电的电容充电时，能量损耗对 应于转移至电容器的能量，即，1/2CXV/在闭合开关时消耗在开关中，而1/2CXV/有效地 转移至将要被充电的电容器，同时在Ve的电源处所消耗的能量等于CXV/。因此，优选地， 当在、时间处闭合开关12时，电容器的电容应最小。因此，当第一电容器2的电容C1在断 开开关12和闭合开关12的时间之间的比较高时，在、和、之间的该阶段期间损耗的能量 相对于转移的能量的百分比较低。
根据本发明，在下一步骤时间、处，开关12断开并且开关18保持断开，如在图2D 中所看到的，电流I1变为零。于是，系统以恒定电荷运行，静电力停止增大。这由图2B 中的平稳状态示出。板2. 2继续其移动并且朝向固定板2. 1和4. Ia移动。电势和关联的电 能随着电容器2的电容的增大(由于板2. 2和2. 1朝向彼此移动)而减小。在时间、处， 存储在电容器2中的电能逐渐转变为存储在弹性恢复装置中的机械能。在时间t2处，当可移动板非常接近于固定板时，即，当ζ达到最大值时，开关14断 开，开关12保持断开并且暂时地闭合开关18以将来自第一电容器2的固定板2. 1的电荷 清除，静电力4变为零。如以上所说明的，注意到当闭合开关18时，所消耗的电能随着电容器2的电容在 时间、处断开开关12的时间与在时间t2处闭合开关18的时间之间的改变的增大而减小。 时间、和t2之间的该恒定电荷阶段减小了存储在电容器中的将在闭合开关18时丢失的电 能。根据上述操作的一个变形，在时间、和t3期间电容器2进行部分放电。在图2C' 中可以看到部分放电情况下的电压V1的变化。可见，当可移动板朝向如下所述的其平衡位 置移动时，电容器2的部分放电电平使得电压V1在该周期结束时(或者更精确地，在下一个 周期开始时间^时)约等于V—这提供了一种明智的手段，首先限制了所考虑周期的能量 损耗，其次消除了与在时间^处的下一个周期开始时的开关12的闭合有关的能量损耗。电容器2必须充分放电，以使在开关18再次断开之后的时间t3处的恢复力fk大 于静电力之和。然后，由恢复装置施加的恢复力fk将可移动板2. 2移动至其初始位置并且 远离固定电极2. 1和4. la。有利地，当板2. 1和2. 2处于接触极限时，闭合开关18是可行的。可以在可移动板和固定板之间设置安全距离以防止任何损坏。然而，可移动板可 以与导电挡块接触，以使所存储的电荷自动消除而不使用必须控制其激励的附加开关。这 样发生的与挡块的这种接触使得不消耗来自可移动板2. 2的机械能，并且不损坏系统。由于可移动板2. 2返回其平衡位置并且因此远离固定板4. Ia移动，所以可移动板 2. 2增大了第二电容器4的端电势。当可移动板4. 2返回其平衡位置时，第二电容器的电容 C2减小。固定板4. Ia通过开关14的断开(开关16也保持断开)与剩余电路电隔离并且 其电荷Q2没有改变，因此，我们得到V2^ (I)因此，在恒定电荷Q2时，C2的减小可增大V2。因此，原则上，该阶段无损耗。在下一个步骤时间t4期间，在弹性恢复装置的变形阶段期间以机械形式存储的能 量以电势V陕复至电池8。为了实现上述过程，当电势％达到电势VsW，开关闭合。于是， 限制了电势V2并且将电荷从固定板4. 1转移至电池8。原则上，该阶段也是无损耗的，这是 因为当开关16闭合时，开关16的端电压(两端的电势Vs)为零。在上述阶段期间，电荷从输入电势Ve转移至输出电势Vs。实际上，第二电容器4用 作电荷载体，并且第一电容器2提供了将这些电荷从电势Ne改变至Vs所需要的附加能量。如在图2A中所看到的，由于剩余动能，可移动板2. 2在该周期结束的时间t5处不处于初始位置。将电势Ve的电能转换为电势Vs的电能的步骤构成一个转换周期。与根据现有技 术的情形的、仅以连续模式运行在共振频率周围的转换器不同，根据本发明的转换器可以 以连续模式或瞬时模式运行。利用本发明，可以将能量快速地转移并且在任何时候均具有 低的能量损耗。此外，在时间t2和t3之间发生的电容器的放电是非常快的，小于初始位置与当可 移动板返回至初始位置之间Utl和t5之间)的机械移动的周期的1/100。利用本发明，可以连续地执行多个周期，其中一个周期接着一个周期(运行在可 移动元件的机械共振处或不运行在机械共振处)，或者根据应用和在每个周期之间逝去的 不确定时间而在任意时间(异步转移)执行多个周期。注意到利用本发明，开关的明断控制优选地选择为与机械组件的释放时间相适 合，以使可移动元件返回。与根据现有技术的设备不同，这种类型的明断控制能够使根据本 发明的系统运行在其机械共振频率之外。连续运行具有减小电损耗的优点。如上所说明的，在对完全放电的电容器进行充 电时，消耗并损耗电能，并且如在图2D中所看到的，电能由周期开始(、)处的I1电流峰值 来体现。然而，当恰好在第一周期之后的时间^处无间断地开始新周期时，并且如果当闭 合开关18时第一电容器2特意没有完全放电，则当闭合开关12时，不需要对电容器2进行 充电。于是，如可以在图2D中所看到的，不存在电流峰值消耗。因此，在第二周期期间不存 在电损耗。因此，由于在开关12的两侧上的这种预充电现象，使得后续周期没有任何电损 耗发生，并且剩余的所有损耗是与电容器2的部分或者全部放电相关联的损耗。可以使用具有校准时间的晶体管，或者使用与电阻相关联的并且与电容器2形成 RC电路的晶体管，对第一电容器进行部分放电。反之，在非同步运行的情况下，因为第一电容器必须被再充电，所以每次在周期开 始处存在损耗。图1的第一实施例中的两个固定电极4. Ia和4. Ib的使用具有改善转换设备的可 控性的优点。当电荷恒定保持在C2(开关14和16断开)时，为由两个固定板4. Ia和4. Ib施 加在可移动板4. 2上的静电力的合力的静电力fe2与可移动板4. 2的位置ζ成正比。另一方面，固定板2. 1和可移动板2. 2之间的静电力fel在恒定电荷下为常数，这 是电容器2全部或者部分放电之后的情况。如果不完全放电，则存在与fe2相比被认为是可 忽略的剩余静电力felres。因此，我们可以得出fe2 = kfe2zfk = krz其中，‘为比例系数，kr为弹性装置的刚性常数。因此，在时间t3开始处，弹性装置的恢复力和fe2作用于可移动板2. 2。通过选择 小于&的kft2，确信当为零或者几乎为零时，施加至可移动板2. 2的力的合力将允许可 移动板远离板4. Ia移动而返回其平衡位置。图4示出了根据本发明的电转换器的第二实施例，其中，可移动板配置在两个可变电容器的固定板之间。转换器包括第一电容器102，由固定板102. 1和可移动板102. 2形成，其中该固 定板和可移动板形成具有可变气隙的电容器；第二电容器104，由固定板104. 1和可移动 板102. 2形成，其中该固定板和可移动板形成可变气隙电容器；转换器还包括电压V6的能 源106，其第一端子接地并且连接至可移动板102. 2，第二端子通过开关112连接至固定板 102. 1，并且通过二极管114连接至固定板104. 1。转换器还包括下文中称作电池的电压Vs 的电能聚集器108。二极管116配置在固定板104. 1和聚集器108之间。固定板102. 1还通过开关118连接至地。可移动板102. 2可以沿着与最大表面垂直的ζ轴移动以朝向或者远离固定板 102. 1,104. 1移动。弹性装置120将可移动板连接至框架(未示出)并且可以使可移动板 返回到其平衡位置。在所示的实例中，弹性装置为弹簧。为0的平衡位置ζ是没有静电力 施加在固定板102. 1,104. 1和可移动板102. 2之间的可移动板102. 2的位置。设计为面向可移动板102. 2的固定板102. 1的表面面积大于面向可移动板102. 2 的固定板104. 1的表面面积。因此，当可移动电极102. 2接近于其平衡位置时，对于相同的 施加电压，由板102. 1施加的静电吸引力强于由板104. 1施加的静电吸引力。V1为第一电容器102两端的电势差，V2为第二电容器104两端的电势差。在板具有相等表面面积的情况下，具有触发移动的非对称结构是有利的，这通过 移动平衡位置来完成，即，将可移动板102. 2设置为与电极104. 1相比更接近电极102. 1。 这样进行移动使得当V2等于Ve时初始位置为例如电极102. 1和104. 1之间的中间位置。 然而，对称结构仍包括在本发明的范围内。现在，我们将参照图5A 5D的曲线图和图6中所示的开关112的状态的时间图 来说明根据图4的转换器的运行。在初始状态下，开关112断开并且只有第二电容器104的固定板104. 1通过二极 管114被极化为电压Ve、V2 = VJ除二极管电压以外)。板104. 1携带电荷，因此，在固定板 104. 1和可移动板102. 2之间产生静电力。因此，可移动板102. 2朝向固定板104. 1移动， 从而，如在图5A中所看到的，ζ坐标在t = 0处为负。在下一步骤中，闭合开关112，于是，板102. 1也为电压Ve，并且V1 = Vp这样，在 固定板102. 1和可移动板102. 2之间也产生静电力。由于面向可移动板102. 2的固定板 102. 1的表面面积大于板104. 1的表面面积，因此，由固定板102. 1施加在可移动板102. 2 上的吸引力大于由固定板104. 1施加的吸引力，可移动板102. 2改变其移动方向，结果，可 移动板102. 2通过远离固定板104. 1移动而朝向固定板102. 1移动。这种分离移动导致二 极管114截止且恒定电荷下的第二电容器104的端电压V2增大，二极管114和116截止，随 后，当电容器的端电压V2达到值Vs (参见图5C)时，二极管116导通，并且因为在恒定电压 Vs下，当电容减小时电荷减少，所以电荷从第二电容器104的固定板104. 1转移至电池108。在下一步骤中，再次断开开关112。由于可移动板102. 2的惯性，可移动板102. 2 朝向最大位置ζ继续其移动。由于断开开关112，所以存储在电容器102中的电荷量保持恒 定，并且由于电容器102的板102. 1和102. 2朝向彼此移动而导致电容增大，所以如图5B 中所示的，电压V1减小。因此，所存储的电能随着存储在弹性恢复装置120中的机械势能的增大而减小。
当可移动板102. 2处于最大值ζ位置时，闭合开关118，结果，由于固定板102. 1接 地，所以固定板102. 1为零电势。于是，当可移动板102. 2朝向固定板102. 1移动时，存储在恢复弹簧120中的能量 恢复为动能形式，并且造成可移动板102. 2朝向固定板104. 1移动直到其到达其负ζ值。当 可移动板102. 2已经到达其最小ζ位置时，新的周期开始，于是开关112闭合，并且重新开 始与上述周期相似的转换周期。根据在图4中所示的转换器的一个变形实施例，开关118可以由允许电容器102 的部分放电的装置来替换，如上述关于其他实施例所描述的那些。但电容器102必须充分 放电以使可移动板102. 2的反向移动。这种部分放电可以在下一周期期间减小开关112的 损耗。为了实现上述过程，电极102. 2必须保持足够的电荷以使其在闭合开关112时达到 电压\。图5D示出了图4的系统中的不同电流的变化。在该实施例中，存储在弹簧中的势能可以使可移动板102. 2返回其平衡位置，并 且该能量在下一周期期间将转换为电能。该实施例具有与连续操作情况下的第一实施例相同的优点，S卩，在第二周期中存 在更少的损耗。执行第一周期的事实可以将可移动板102. 2置于进一步远离板102. 1的位 置(在其初始位置之外)。结果，增大了电极102.2和电极104.1之间的电容；越多的电荷 (Q = CV2)转移至电极104. 1并且于是越多的电荷转移至电池108，因此，在每个周期中转 移的电荷量越多。然后，在还称作共振模式的连续模式下，可以在ζ值非常低处(即，当电极102. 1 和电极102. 2之间的电容非常小时)闭合开关112;于是，当开关112闭合时，存在更少的 损耗，并且如参照第一实施例所描述的，如果将剩余电荷留在电极102. 1上，则可能根本没 有损耗。图7示出了根据本发明的电转换系统的第三实施例，该系统包括其功能随着时间 改变的单个可变电容器。转换系统包括由固定电极202. 1和可移动电极202. 2形成的可变电容器202。电 压Ve的能源206首先通过称为充电开关的开关212连接至电容器的可移动电极202. 2，其 次连接至电容器的固定电极202. 1。称为放电开关的开关218设置为与可变电容器202并 联。电压\的电能聚集器208首先通过开关216连接至电容器202的可移动板202. 2，其 次连接至电容器的固定板202. 1。还设置了弹性恢复装置220以使可移动板返回其初始位置，在所示的实例中，以 弹簧的形式示意性地示出该弹性装置。现在，我们将使用与图7D中的时间图对应的图7A 7C中的曲线图来说明该系统 的运行。在时间t(l之前，所有的开关断开，并且静电结构完全放电，电压V2为零。在时间、处，开关212闭合，可变电容器202快速充电至电压Ve，与电极202. 2的机 械运动的周期相比，充电时间很短。由于该充电是短暂的，所以出现电流峰值ie。在该充电 期间，将在电源\处消耗的能量的一半转移至电容器202，而另一半消耗在开关212中。有 利地，由于所消耗的能量等于E = 1/2CV/，所以在电容202尽可能小的时候闭合开关212。
由于电容器202的端电压的存在，所以在时间、和、之间(步骤1)，在电极202. 1 和202. 2之间产生静电力。该静电力使两个电极202. 1,202. 2朝向彼此移动，并且增大电 容器202的电容。结果，增大了存储在电容器和恢复装置中的机械能和电能。电极202.2 的移动增大了存储在弹性元件(弹簧)中的动能和机械势能，并且称为Cin__d的电容的增 大增加了存储的电能，这是因为E= l/2Cin _dV/。存储在静电结构中的电能的这种整体 增大源于电源\并且实际上无损耗。在时间、处，开关212断开。此刻存储在电容202上的电荷表示为Qtl = CtlVe。在步骤2期间，电极202. 2在恒定电荷(Q = QtlCtlVe)下继续其移动。电容器202 的端电压V2随着电容的增大而减小(V2 = Qt/Cincreased)，因此，相应的电能减小(E = 1/2QLV)。实际上，存储在电容器202上的电能在时间、处逐渐转变为机械能(存储在弹 性元件中的机械能增大)。在时间t2处，有利地，在电极202. 2处于其最接近电极202. 1处时，换句话说，当电 容器的电容为最大值(Cmax)时，由于E = l/2Qtl2/Cmax，因此存储在电容器202中的电能为其 最低，在电极202. 2移动的机械周期之前的短时间内闭合开关218，从而存储在电容202中 的电荷部分放电。在步骤4的开始处，开关218在时间t3处再次断开。存储在电容器202中的电荷 减少导致电和机械力的新的平衡，这促使了电极202. 2返回并远离电极202. 1移动。由于 所有开关均断开，所以在步骤4期间，该返回发生在恒定电荷下。由于电容器202的电容正 在减少，所以其端部电压增大，这是因为V = Q/C。在时间t4处，并且优选地，在电容器202的端电势达到输出电压Vs时，开关216闭 合。开关216在这些端部之间的电势差为零时闭合，并且因为电容器的两端电势等于Vs，于 是与该闭合相关联的损耗近似为零。电极202. 2继续在恒定电压(Vs)下远离电极202. 1移 动。存储在电极202. 2上的部分电荷被转移至聚集器218，并且电容器202上的电荷减少。从时间t5开始，优选地，开关216在电容器202的电容达到其最小值时断开，以使 转移至输出端的电能Eteansfened = 1/2 (Ct5-Ct4) Vs2最大化。可移动电极202. 2朝向电极202. 1的方向移动，于是在恒定电荷下电容202增大， 并且这些端电压减小，电压V2减小。在时间、处，优选地，在电容器202的端电压V2达到Ve时，开关212闭合。结果， 在这些端部之间的电势差为零时开关闭合，电势等于每侧上的νε。因此，与该闭合相关联的 损耗近似为零。周期的链环执行避免了与开关212的闭合相关联的损耗。因为电容212初 始被完全放电(其不再是在^处的情况)，所以在起始转变、处产生损耗。图12示出了图7中的系统的变形实施例，其中，转移开关216被二极管214替换。 该系统实际上以与图7中的系统相同的方式运行。在可移动电极202. 1的移动期间(与电 容器202的电容的减少相对应)，除二极管电压以外，当电压V2变得大于电压Vs时，二极管 214导通，使得电荷能够向聚集器208转移。对于所有的实施例，例如，可以根据时间、根据电容或电压的测量结果、或根据电 压的零导数，来控制开关。还可以使用位置传感器来检测可移动板的位置。上述本发明的所有实施例可以以电压逐步上升或者逐步下降运行。可以提供 检测输出聚集装置中的电压电平的装置、能够对充电开关和放电开关的控制起制动作用(retro-acting)的调节装置、以及其他装置。例如，可以增加或者减少转换周期数。在所示的实例中，系统包括具有至少一个不同电极的两个电容器(第一实施例和 第二实施例)或单个电容器。注意到每个电容器可以由并联的几个电容器组成，例如在将 振动能量转换为电能的领域中众所周知的内部交叉梳型电容器的形式。在第一实施例的情 况下，不需要为每个第二电容器均提供一个第一电容器2，对于多个第二电容器，具有将电 能转换为机械能的一个电容器2即是可行的，该多个第二电容器将该机械能转换为与输入 电势不同电势的电能。因此，我们的发明即使在非常小的系统的情况下也能够保持高效率，并且因此适 用于毫微瓦级的极低功率系统并且还适用于一瓦级的中等功率系统。因此，本发明具体可应用于所有的低功率系统，例如诸如移动电话或者膝上型计 算机的便携式电子装置。本发明尤其适用于下述类型的装置。这些电子装置通常包括运行在不同供电电压 下的若干组件。目前，必须为每个组件使用笨重的转换系统。利用本发明，可以制造用于每 个电压的集成转换系统，该系统还产生由焦耳效应导致的非常小的热量或者不产生热量。 还可以使用单个激励电容器来进行几个电压电平的转换，尤其在第一实施例的情况下。与位于为它们提供能量的装置的外部的现有转换系统(例如，移动电话充电器) 不同，可以将该系统集成在电子装置中，而不增大电子装置的尺寸。图8A和图8B示出了根据第三实施例的转换系统的应用实施例的实例。该系统包括印刷电路式支撑体216，固定电极202. 1通过例如金属喷镀被制造在 该印刷电路式支撑体上。可移动电极202. 2由机械杆218的悬挂端218. 2形成，并且设置为面向固定电极 202. 1，其中机械杆为能够弯曲变形的金属锯片的形式。通过第一纵向端218. 1将杆218固定在两排间隔件220上，其中两排间隔件固定 在支撑体216上，以将移动电极与固定电极以很高的精度隔开。已经对间隔件220固定在其上的区域219进行了金属喷镀，使得可得到杆218的 电势，这是因为间隔件220导电并且印刷电路被隔离。例如，杆218可以由不锈钢制成。杆具有与第一纵向端218. 1相对的第二纵向 端218. 2，其形状使得在变形之后当其向固定电极靠近移动时，其变成与固定电极202. 1并联。例如，两个间隔件220的间隔距离dl等于1cm。电极的顶端长度d2等于3cm并且 固定电极202. 1和可移动电极202. 2之间的气隙为100 μ m。现在，作为实例，我们将计算这种类型的系统可以转换的能量/功率比。考虑输入电压Ve = 24V并且输出电压Vs = 5V的情况。我们将考虑在时间、期间开关212闭合，以使可移动电极202. 2达到距离5V电势 的固定电极202. 1为0. 1 μ m，然后，其远离移动至15 μ m的距离，开关214闭合，同时在Vs 下转移的能量E
transferred 将为Etransferred = 1/2 (Cmax-Cmin) Vs2, 其中， 因此，Etransferred= IlOnJ 每周期。通过选择杆厚度和材料以使杆共振在IOkHz处，于是，可以每秒执行约10000个周 期，因此，可以将10000X IlOX 10_9 = 1. ImW从电源Ve转移至输出端Vs。因此，有利的是具有小气隙以使最大电容Cmax和因此每周期的可转换能量(在 Cmax/Cmin = dmax/dmin保持高的状态下)最大化。如果使用微电子处理制造结构，该优势尤其 有用。如果需要转换高的电功率，则具有高的共振频率也是有利的。如果杆具有高的品质因数而使机械损耗最小也是有利的。图9示出了根据第三实施例的转换系统的应用实施例的另一实例。在该实例中，杆218借助于垫片220而悬挂在其纵向端218. 1、218. 2的每端，垫片 提供了可移动电极与固定电极分离的精确间距。杆218为两端固定的锯片型。因此，可移动电极202. 2由杆的中心部分形成，而固定电极202. 1通过金属喷镀形 成在支撑体上。作为实例，两个垫片之间的杆的长度d3为6cm。可移动电极和固定电极之间的静 止距离为100 μ m。该系统与在图8A和8B中所示的系统非常类似，唯一的差别为杆变形模式。在相对 于杆厚度为低幅度杆变形的情况下，该性能保持为与图8A和图8B中所示的系统相同。当 杆的变形幅度相对于杆厚度较大时，其性能为强非线性，换句话说，其中心处的变形(气隙 变化)不再与施加的静电力成正比，而是其形状如图10中所示。图10中的曲线示出了变 形Def作为静电力的函数的变化，并且包括A所表示的线性区和之后的B所表示的非线性 区。以虚线C所表示的从线性区至非线性区的转变近似对应于等于杆厚度的变形。在小变形的情况下，换句话说，在与杆的厚度相比变形很小的情况下，主要模式为 具有与施加的力成正比的变形的弯曲模式。另一方面，对于大的变形，换句话说，变形大于 杆厚度，主要模式为具有随着变形的立方变化的力的张力模式(类似于弹簧)。这种非线性有利于可移动电极的激励。当可移动电极远离固定电极时，可施加的 静电力受限(静电力与电场(E = Ve/气隙)成正比)。因此，即使静电力受限，杆在更大距 离处时，相当柔韧的杆也可以使其更为接近。另一方面，当可移动电极移动到非常接近固定 电极时，所施加的静电力变大。在这种情况下，变得更硬的杆也不会阻碍激励，并且对于相 同的位移，可以以机械的形式存储更多的能量。结果，选择比线性区稍大(换句话说，稍大于杆厚度)的初始气隙是有利的。杆的非线性还使共振频率取决于图11中所示的变形的幅度。图11中的曲线示出 了共振频率Fk作为振幅Vib的函数的变化。并且其包括D所表示的线性区以及之后E所表 示的非线性区。由于非线性对共振频率的影响，非线性还可以调节功率转换。通过作用于开关控 制，可以修改杆的变形幅度并且因此改变共振频率，从而改变电荷转移频率，并且还可以改 变从电源\至输出端Vs所传输的电功率。有必要修改变形幅度的所有情况为例如通过改
15变开关212的闭合时间来改变输入至杆的能量的量。可以调节共振频率的事实首先使得可以调节转换的电功率，同时保持在连续模式 下(并且因此，在低损耗模式下)，其次使得可以限制切换开关的数量，并且因此，在将要转 换的功率较低时可以降低相关联的损耗，这有助于即使在低转换功率下也可以保持良好的 效率(近似恒定的转换功率/损耗比)。本领域技术人员可以想象根据本发明的转换系统的其他实施例。例如，可以使用 其他类型的可变电容器，诸如具有可相对于另一电极横向移动的电极的电容器，该电极通 过改变两个电极之间的面向表面来相对于另一电极横向移动。
权利要求
一种方法，用于通过转换系统将第一电压(Ve)下的第一电能转换为第二电压(VS)下的第二电能，所述转换系统包括至少一个所述第一电压(Ve)的电压源(6)，所述电压源通过充电开关(212)连接至可变电容器(202)；放电开关(18)，设置为与所述可变电容器并联；以所述第二电压(VS)聚集能量的装置(208)；以及在所述可变电容器(202)和所述聚集装置(208)之间转移能量的装置(216)，所述可变电容器(202)包括固定板、能够远离和朝向所述固定板移动的可移动板、以及使所述可移动板返回其初始位置的弹性装置，对于一个完整的转换周期，所述方法包括以下步骤a)闭合所述充电开关(212)，同时所述放电开关保持断开，使得以所述第一电压(Ve)对所述可变电容器(202)充电，并且使所述可移动板移动以增大所述电容器的电容；b)断开所述充电开关(212)，同时保持所述放电开关(218)断开，以允许所述电容器以恒定电荷运行，所述电容器(202)的电容继续增大；c)闭合所述放电开关(218)，以允许所述可变电容器(202)至少部分放电，并且使所述可移动元件的移动反向；所述转移装置在所述可移动电极的移动期间提供从所述电容器至所述聚集装置的能量转移。
2.一种将第一电压( 下的第一电能转换至第二电压(Vs)下的第二电能的转换系统， 所述转换系统包括至少一个所述第一电压(Ve)的电压源(6 ； 106 ；206)，所述电压源通过 充电开关(12 ；112 ；212)连接至可变电容器(2 ；102 ；202)；放电开关(18 ；118 ；218)，设置 为与所述可变电容器并联；所述第二电压(Vs)下的能量聚集装置(8 ； 108 ；208)；以及在所 述可变电容器(202)和所述聚集装置(208)之间转移能量的装置(4，16 ；104,116 ；216)，所 述可变电容器(202)包括固定板、能够远离和朝向所述固定板移动的可移动板、以及使所 述可移动板返回其初始位置的弹性装置；所述转换系统还包括控制所述充电开关和所述放电开关的装置，使得对于一个转换周期a)在第一步骤期间，所述放电开关断开，并且所述充电开关闭合，使得以所述第一电压 (Ve)对所述电容器充电，并且使所述可移动板移动以增大所述电容器的电容；b)在第二步骤期间，所述充电开关断开，并且所述放电开关保持断开，以允许所述电容 器以恒定电荷运行，所述电容器的电容继续增大；c)在第三步骤期间，所述放电开关闭合，以允许所述可变电容器至少部分放电，从而使 所述可移动元件的移动反向；所述转移装置在所述可移动电极的移动期间将能量从所述电容器转移至所述聚集装置。
3.根据权利要求2所述的转换系统，其中，所述开关是可控的，使得当所述电容器(2; 102 ；202)的电容为最小值时，闭合所述充电开关(12 ；112 ；212)。
4.根据权利要求2所述的转换系统，其中，所述开关是可控的，使得当所述电容器(2; 102 ；202)的电容为最大值时，闭合所述放电开关(18 ；118 ；218)。
5.根据权利要求2所述的转换系统，其中，所述电容器的所述电极之一(202.2)通过转 移开关或者二极管(216)被连接至所述聚集装置(208)。
6.根据权利要求5所述的转换系统，其中，所述可变电容器的所述可移动电极(202.2)在对应于所述可变电容器电容减小的移动阶段期间，所述转移开关或二极管(216)导通。
7.根据权利要求2所述的能量转换系统，其中，所述可变电容器形成为第一电容器 (2 ；102)，所述系统还包括第二可变电容器(4 ;104)，所述第二可变电容器至少包括固定 板(4. 1 ； 104. 1)和能够远离所述固定板移动的可移动板(4.2 ;102. 2)，所述第一电容器的 所述可移动板和所述第二电容器的所述可移动板在移动中彼此固定，所述第二可变电容器 (4 ； 104)通过转移开关或二极管(16，116)连接至所述聚集装置(8)。
8.根据权利要求7所述的转换系统，其中，所述第二电容器(4)包括设置在所述可移动 板(4. 2)的每侧上的两个固定板(4. Ia, 4. Ib)。
9.根据权利要求7所述的转换系统，其中，每个电容器均包括一个固定板(102.1， 104. 1)，并且每个所述固定板均被设置在共用的可移动板(102.2)的同一侧上。
10.根据权利要求9所述的转换系统，其中，所述第一电容器(102)的第一固定板 (102. 1)具有面向所述可移动板(102.2)的一个表面，其中所述可移动板位于所述第二电 容器(104)的所述第二固定板(104. 1)的表面上方。
11.根据权利要求2所述的转换系统，其中，所述放电开关(18;118;218)的闭合持续 时间小于所述转换周期持续时间的百分之一。
12.根据权利要求2至11中任一项所述的转换系统，其中，所述放电开关(18;118; 218)由支撑在所述可变电容器(2 ；102 ；202)的所述固定板和所述可移动板上的元件形成， 通过使支撑在所述板上的元件彼此接触来产生放电。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的转换系统，其中，所述开关是根据时间、可移 动板的位置值、所述电容器之一的电容、电容器的端电压或者所述电容器的端电压的微分 可控的开关。
14.根据权利要求2至13中任一项所述的转换系统，所述系统是由硅制成的集成系统。
15.根据权利要求2至14中任一项所述的转换系统，其中，从弹簧、锯片、以及可变形杆 中选择所述恢复装置。
16.一种电能转换组合装置，包括至少两个根据权利要求2至15中任一项所述的转 换系统，所述组合装置能够将所述第一电压下的所述第一电能转换为多个第二电压下的多 个第二电能。
17.根据权利要求16所述转换组合装置，其中，所述系统具有共用的可移动电极。
18.一种电子设备，包括至少一个根据权利要求2至15中任一项所述的电能转换系 统或根据权利要求16或17所述的转换组合装置。
全文摘要
本发明公开了一种将第一电压(Ve)下的能量转换至第二电压(VS)下的能量的系统，包括至少一个电压(Ve)的电源(6)、放电开关(18)、可变电容器(202)、以及并联连接的聚集装置(208)，还包括放电开关(218)和电源(6)之间的充电开关(212)，以及可变电容器(202)和聚集装置(208)之间的转移开关(216)，还包括控制装置，以使a)在第一步骤期间，闭合充电开关(212)以对电容器(202)充电，同时放电开关(218)和转移开关(216)保持断开；c)在随后的步骤期间，短时闭合放电开关(218)，同时充电开关(212)保持断开，以允许可变电容器(202)至少部分放电。
文档编号H01G5/16GK101904079SQ200880121872
公开日2010年12月1日 申请日期2008年12月22日 优先权日2007年12月20日
发明者吉兰·德佩斯 申请人:法国原子能及替代能源委员会