在电容Cp中的一部分能量通过该路径传输到负载，另一部分到电感L中，然后电感中的能 量被传回到电容Cp中，并在其两端产生一个翻转的电压。由于此时Dl位于谐振环路中，电流 只能沿A^B^Vrect^C^D的方向流动；当电感中的所有能量传回Cp后，电容电压翻转过程自 动终止。一旦在t4时刻完成翻转，Dl被关断，S2再次截止，D2被打开。反向电流ip对电容充 电，Vd或者Va电压逐渐上升直到检测到D或者A点电压达到峰值。同样的工作原理，在ip的负 半周期重复其正半周期时的相似的运行操作。并在下个电流周期重复整个过程。
[0021]图1所示的典型整流器的输出功率可W表示为
贷
[0023]其中Vd为被动二极管的前向电压降。通过式（2)可W得出负载端可获得的最大功 率为
巧
[0026]而本发明的整流器因采用有源二极管和开关，前向电压降可W忽略不计。每次开 关Sl或者S2短暂闭合，储存在电容Cp的一部分能量被传递到负载端，另一部分能量用来翻 转电容Cp的电压。其他时间段，开关Sl和S2都截止，压电端与负载端断开，式(4)给出了在此 时间段内电压Vm与Vm之间的关系，参照图3，Vm与Vm分别对应于翻转事件前、后的电压。
(4)
[0028]每次翻转，压电输入端输出的能量为
|'5)
[0030]参照图4,定义n为重置电压差与翻转电压差的比值，
㈱
[0032]通过(4)、（5)和(6)可W获得负载端的输出直流电压Vrect为
巧
[0034]因其输出功率可表达为
|8)
[0036]对式(8)求导，可得到最大的输出功率为
(9)
[0038]此时最优的负载电阻和最优输出直流电压分别为
(10)
[0040]采用一组合理的参数如Ip= IOOyAJp= IOOHz，，Cp = 20nF，ri = 〇.7，Vd = 0.7代入式 (3)和式(9)。二极管全桥最大输出功率为86iiW，采用本发明的最大输出功率为717iiW，大约 是二极管全桥最大输出功率的8倍。
[0041] 综上所述，本发明公开的整流器有一种新颖的电路结构，该结构融入了串联电感 同步开关能量采集技术，并且有一个简单的控制电路控制压电能量采集器的电容电压最优 化翻转，加上有源二极管和开关的使用，最终有效地增加了负载端或者储能端的净能量。
[0042] 虽然本发明已相对有限数量的实施例进行了描述，但受益于此公开的本领域的技 术人员将理解由此产生的多种修改和变化。所附权利要求旨在涵盖属于本发明真正精神和 范围的此类修改和变化。
【主权项】
1. 一种开路式优化翻转时间的压电能量采集整流器，包括： 两个带使能端的有源二极管，其被连接以检测流经的电流从正到负的过零点，一旦电 流过零点，关断该二极管，使能与之相对的有源二极管，并改变其输出的一位开关状态信 号，该信号作为有源二极管的输出被送到数字电路控制模块的输入端和相对的二极管的使 能端；以及 一个峰值检测及数字电路控制模块，其被连接以接收所述有源二极管的开关状态信 号，并检测出现在有源二极管阴极端的电压峰值，或压电器件两端的电压峰值，输出优化脉 宽的脉冲信号被送到开关的输入控制端；以及 两个开关，其被连接到数字电路控制模块的输出端以接收所述峰值检测及数字电路控 制模块的脉冲信号，完成导通/截止操作；以及 一个电感，其与压电器件串联以在压电器件输出电流过零点时与压电端电容、负载一 起形成一个谐振腔，向负载传输能量的同时帮助翻转压电器件的电容电压，该电感一端与 压电设备一端相连，电感的另一端与所述的一个有源二极管的阴极和一个开关的一端相 连，压电设备的另一端与所述的另一个有源二极管的阴极和另一个开关的一端相连，两个 开关的另一端相连接到负载，两个有源二级管的阳极相连接到地。2. 如权利要求1所述的有源二极管为一对互补导通/截止的二极管，当其阴极电压高于 阳极时，有源二极管截止，开关状态信号输出为一位高电平，相对的有源二极管导通，当阴 极电压低于阳极时，有源二极管导通，开关状态信号输出为一位低电平，相对的有源二极管 截止。3. 如权利要求1所述的开关，在峰值检测及数字电路模块检测到电压峰值前，两个开关 都截止，一旦检测到电压峰值，与该电压相对应的一个开关导通。4. 如权利要求1所述的峰值检测及数字电路控制模块，当检测到电压峰值时，其对应的 输出信号的电平翻转，对应的一个开关导通，随后有源二极管开关状态信号自动翻转，该信 号的改变一旦被检测，输出再次翻转回原电平，开关截止。
【专利摘要】本发明公开了一种开路式优化翻转时间的压电能量采集整流器，包括两个有源二极管、两个开关、一个电感、一个峰值检测及数字电路控制模块。其中一对有源二极管进行互补的导通/截止操作，一旦某个二极管检测到从正到负流经电流的过零点，该二极管被关断，与之相对的另一个二极管被打开，每个有源二极管输出与之对应的一位开关状态信号。其中一个峰值检测及数字电路控制模块接收所述有源二极管的开关状态信号，并检测有源二极管阴极的电压峰值，输出优化脉宽的脉冲信号。其中两个开关接受所述峰值检测及数字电路控制模块的脉冲信号，进行开/关操作。其中一个电感与压电设备进行串联，并连接到整流器输入端，在所述峰值检测及数字电路控制模块的控制下，最优化地翻转压电设备的电容电压，同时传输能量到负载。
【IPC分类】H02N2/18, H02M7/12
【公开号】CN105634300
【申请号】CN201610037866
【发明人】邝继顺, 吴了, 尤志强, 凌纯清
【申请人】湖南大学
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2016年1月21日