CN106059268A - 一种场效应管和反向二极管组成的二极管等效电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种场效应管和反向二极管组成的二极管等效电路，包括用于等效二极管的电路和用于驱动二极管等效电路的驱动电路，所述二极管等效电路由N沟道耗尽型场效应管M1、反向二极管D1，驱动电路及二极管等效电路的新阳极DA、新阴极DK构成，其中N沟道耗尽型场效应管M1的源极 S连接反向二极管D1 的阳极，N沟道耗尽型场效应管M1的漏极D连接新阴极DK，反向二极管D1 的阴极连接新阳极DA，驱动电路生成MOSG控制信号来控制N沟道耗尽型场效应管M1的栅极G。本发明的有益之处是：门限电压非常低，几乎只要大于0V就可以开始将交流转换成直流；增加耗尽型场效应管来修正反向二级管双向导通问题；不需要额外的电压源来驱动；可以通过增加一个倍压电路或者其他类似的交流转直流整流电路来更好的驱动场效应管。
Description
技术领域：
本发明涉及电路领域及能量收集领域，尤其涉及利用反向二极管, 耗尽型场效应管等组成等效二极管来提高能量转换效率的电路。
背景技术：
以肖特基二极管为基础的整流电路通常被用来将交流电转换成直流电从而来收集振动能量。然而肖特基二极管的正向导通门限电压和正向压降大约在0.2至0.4伏之间，因此而严重影响了小能量收集系统的能量转换效率。
近年来有很多基于场效应管的改进的二极管等效电路被开发用来减少正向压降从而提高转换效率。但是这些电路的正向导通门限电压都必须大于0.5伏来导通场效应管。换而言之，当振动产生的电压少于0.5伏时，这些改进电路没有办法用来转换振动能量。更糟糕的是，这种场效应管改进的二极管等效电路需要额外的供电源来驱动，这导致了电路冷启动问题。有一些电路把肖特基二极管和场效应管整合在一起来解决冷启动问题。但是所有这些都没有解决超低电压收集的问题。没有相应的元器件或者等效电路可以用来收集当电压小于0.2伏时候的能量。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是，提供一种利用场效应管和反向二极管来组成等效二极管来补偿反向二极管双向导通以解决超小能量收集的问题。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种场效应管和反向二极管组成的二极管等效电路，包括二极管等效电路和用于驱动二极管等效电路的驱动电路,所述用于二极管等效电路由N沟道耗尽型场效应管M1、反向二极管D1，驱动电路及二极管等效电路的新阳极DA、新阴极DK 构成，其中N沟道耗尽型场效应管M1的源极 S连接反向二极管D1 的阳极，N沟道耗尽型场效应管M1的漏极 D连接新阴极DK，反向二极管D1 的阴极连接新阳极DA ，驱动电路生成MOSG控制信号来控制N沟道耗尽型场效应管M1的栅极G。
进一步地：所述等效二极管电路的门限电压略大于0伏。具体地，所述等效二极管电路的门限电压在0至0.05伏之间。
再进一步进地：所述反向二极管D1为砷化镓(GaAs)反向二极管或锗(Ge)反向二极管。
再进一步进地：所述N沟道耗尽型场效应管M1的阈值电压小于0V并且其绝对值应等于或者略小于反向二极管正向导通门限电压。具体的，所属等效二极管电路的N沟道耗尽型场效应管M1的阈值电压在-0.2伏至-1.4伏之间。
更进一步地：所述N沟道耗尽型场效应管M1的漏极和反向二极管D1的阴极之间设置有用来控制N沟道耗尽型场效应管M1栅极G的驱动电路。具体的，根据不同的应用，可以通过调节驱动电路生成的MOSG控制信号来调节该二极管等效电路的整体伏安特性曲线。
更进一步进地：所述驱动电路为交流转直流电路。具体地，所述交流转直流电路为可以根据输入信号的频率、以及具体N沟道耗尽型场效应管M1和反向二极管D1的性能来选择不同的倍压整流电路。
本发明的有益之处是：
1．门限电压非常低，几乎只要大于0伏就可以开始将交流转换成直流；
2. 增加耗尽型场效应管来修正反向电压管双向导通问题；
3. 本电路不需要额外的电压源来驱动，没有冷启动问题；
4. 可以通过增加一个倍压电路或者其他类似的交流转直流整流电路来更好的驱动场效应管；并且可以调节整体的伏安特性等效二极管特性曲线；
5. 本电路可以由独立元器件来完成，以后也可以设计成集成电路。
附图说明：
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1： 二极管等效电路示意图
图2： 耗尽型场效应管和反向二极管组成的二极管等效电路内部示意图
图3： 正向偏置的肖特基二极管和反向偏置的反向二极管伏安特性曲线
图4： 可调等效二极管伏安特性曲线示意图
图5： 测试用二倍压二极管等效电路
图6： 测试用半波整流电路
图7： 测试结果对比：输入电压幅值为0伏到3伏
图8： 测试结果对比：输入电压幅值为0伏到10伏
具体实施方式：
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细描述：
本电路的主要元器件之一是反向二极管，或称反向隧道二极管，常见反向二极管有砷化镓（GaAs）和锗（Ge）两种，其主要区别是正向导通的门限电压不同：锗反向二极管的正向导通的门限电压大约为0.3伏至0.4伏而砷化镓反向二极管的正向导通门限电压可以达到1伏至1.4伏左右。普通的肖特基二极管正向导通门限电压大约为0.2伏至0.4伏。然而反向二极管相对于肖特基二极管的优势在于它的反向电流非常大并且几乎没有门限电压。所以当一般肖特基二极管需要正向偏置的时候，为了更大的导通电流，反向二极管需要反向偏置。图3 是正向偏置的肖特基二极管和反向偏置的反向二极管伏安特性曲线对比，空心圆圈为肖特基二极管，实线为反向二极管。由此我们可以看出当反向二极管反向偏置的时候，它几乎是立即导通而肖特基二极管有一个0.2伏的门限电压。所以反向二极管更时候收集转换超小能量。然而单独使用反向二极管有一个最大的问题是当交流电振幅高于0.7伏的时候，反向二极管会双向导通而无法进行整流或者对电容、电池进行充电。
为了解决反向二极管双向导通问题，本发明使用了N沟道耗尽型场效应管M1来补偿反向二极管的正向电流。比如，对于砷化镓反向二极管而言，由于其正向门限电压为1伏至1.4伏左右，该场效应管的阈值电压应在-0.7伏到-1.4伏之间。当砷化镓反向二极管正向导通时，反向二极管上压降导致了场效应管的截止，从而本电路中没有电流通过。当反向二极管反向导通时，压降大于0伏，耗尽型场效应管导通从而使本电路导通。对于锗反向二极管而言，由于其正向门限电压为0.2伏至0.3伏左右，该场效应管的阈值电压应在-0.1伏到-0.3伏之间，原理同上。
本发明的电路中，可以采用P沟道耗尽型场效应管代替N沟道耗尽型场效应管，同样也能实现相同的功能。
本电路同时还增加了一个普通的交流转直流电路来驱动耗尽型场效应管（电路图中用的是倍压整流电路作为范例)，这个额外的电路可以更早的导通场效应管或者来调节导通电压的阈值从而来调节本电路的等效二极管伏安特性曲线见图4，以此来适应不同的应用要求。该电路的元器件选择应根据具体选择的反向二极管类型和N沟道场效应管型号以及信号源的频率来确定。
本电路实测数据和电路：
测试用二极管等效电路图见附录图5。二倍压电路（电容C1, C2和肖特基二极管D1,D2)被用来提供场效应管栅极的驱动电压，可变电阻R被用来调节场效应管栅极和源极的电压来控制等效二极管的伏安特性曲线。选取Infineon BSS139 作为N沟道耗尽型场效应管M1，D1为砷化镓反向二极管。等效二极管新阴极DK接电容c1正极，电容c1 负极接肖特基二极管D2的阴极和肖特基二极管D3的阳极。二极管D2的阳极接电容C2的负极和二倍压电路的负载可变电阻R的定片引脚。二极管D3的阴极接电容C2的正极，可变电阻R的另一定片引脚以及二极管等效电路的新阳极DA。可变电阻R的动片引脚连接场效应管的栅极。
为测试和比较本发明电路与肖特基二极管及反向二极管的性能，半波整流电路被用来作为测试电路见图6。信号发生器Uin的正极接二极管D1阳极，二极管阴极接电容的正极和1k欧姆的负载电阻的一段。负载电阻另一端和电容负极接信号发生器负极接地。
信号发生器产生频率为1K赫兹、幅值从0.05伏到10伏不等的振动能源。实测了锗反向二极管，砷化镓反向二极管，肖特基二极管 B340B 以及使用二倍压控制的本等效电路（图5）在1k 欧姆电阻上能收集到的电压见图6和图7。空心圆圈和实心圆点为反向二极管半波整流电路收集到的电压，可以发现当输入电压幅值大于一定的值以后，由于反向二极管双向导通而导致输出电压为恒定数值。实线为肖特基二极管半波整流在1k 欧姆负载上测得的电压；空心正方形为本等效电路半波整流在1k欧姆负载上测得的电压。直流电功率为电压的平方除以电阻值P = U^2/R, 对于同样阻值的负载，电压越高功率越高能量越多。可以看出在输入电压幅值未超过7伏之前，本等效电路相对于肖特基二极管或者反向二极管而言能够收集更多的能量。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种场效应管和反向二极管组成的二极管等效电路，包括用于等效二极管的电路和用于驱动二极管等效电路的驱动电路，其特征在于：所述二极管等效电路由N沟道耗尽型场效应管M1、反向二极管D1，驱动电路及二极管等效电路的新阳极DA、新阴极DK 构成， 其中N沟道耗尽型场效应管M1的源极 S连接反向二极管D1 的阳极，N沟道耗尽型场效应管M1的漏极 D连接新阴极DK，反向二极管D1 的阴极连接新阳极DA ，驱动电路生成MOSG控制信号来控制N沟道耗尽型场效应管M1的栅极G。
2.根据权要求1所述的场效应管和反向二极管组成的二极管等效电路，其特征在于：所述二极管等效电路的门限电压略大于0伏。
3.根据权要求2所述的场效应管和反向二极管组成的二极管等效电路，其特征在于：所述二极管等效电路的门限电压为0至0.05伏。
4.根据权要求1所述的场效应管和反向二极管组成的二极管等效电路，其特征在于：所述反向二极管D1为砷化镓（GaAs）反向二极管或锗（Ge)反向二极管。
5.根据权要求1所述的场效应管和反向二极管组成的二极管等效电路，其特征在于：所述N沟道耗尽型场效应管M1的阈值电压小于0伏并且其绝对值应等于或者略小于反向二极管正向导通门限电压。
6.根据权要求5所述的场效应管和反向二极管组成的二极管等效电路，其特征在于：所述的N沟道耗尽型场效应管M1的阈值电压可取在负0.2伏至负1.4伏之间。
7.根据权要求1所述的场效应管和反向二极管组成的二极管等效电路，其特征在于：所述N沟道耗尽型场效应管M1的漏极和反向二极管D1的阴极之间设置有用来控制N沟道耗尽型场效应管M1栅极G的驱动电路。
8.根据权要求7所述的场效应管和反向二极管组成的二极管等效电路，其特征在于：所述驱动电路为交流转直流电路，并且可以根据不同需求来生成可调电压信号MOSG 以此来调节整个等效电路的伏安特性曲线。
9.根据权要求8所述的场效应管和反向二极管组成的二极管等效电路，其特征在于：所述交流转直流电路可以为根据输入信号的频率 、以及具体N沟道耗尽型场效应管M1和反向二极管D1的性能来设计的倍压整流电路。
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