RU2678583C9 - Устройство-преобразователь для сбора энергии, генератор энергии, снабженный таким устройством-преобразователем, и применение такого устройства-преобразователя - Google Patents

Устройство-преобразователь для сбора энергии, генератор энергии, снабженный таким устройством-преобразователем, и применение такого устройства-преобразователя Download PDF

Info

Publication number
RU2678583C9
RU2678583C9 RU2017140073A RU2017140073A RU2678583C9 RU 2678583 C9 RU2678583 C9 RU 2678583C9 RU 2017140073 A RU2017140073 A RU 2017140073A RU 2017140073 A RU2017140073 A RU 2017140073A RU 2678583 C9 RU2678583 C9 RU 2678583C9
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
converter
electronic
electronic switch
voltage
switching
Prior art date
Application number
RU2017140073A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2678583C1 (ru
Inventor
Махмуд ШУША
Мартин ХАУГ
Original Assignee
Вюрт Электроник айСос ГмбХ унд Ко. КГ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Вюрт Электроник айСос ГмбХ унд Ко. КГ filed Critical Вюрт Электроник айСос ГмбХ унд Ко. КГ
Application granted granted Critical
Publication of RU2678583C1 publication Critical patent/RU2678583C1/ru
Publication of RU2678583C9 publication Critical patent/RU2678583C9/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/21—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/217—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/06—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
    • H02M3/07—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/001—Energy harvesting or scavenging
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/02—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from ac mains by converters
    • H02J7/04—Regulation of charging current or voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/14—Arrangements for reducing ripples from dc input or output
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1582—Buck-boost converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/181—Circuits; Control arrangements or methods
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2207/00—Indexing scheme relating to details of circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J2207/20—Charging or discharging characterised by the power electronics converter
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Использование: в области электротехники. Технический результат – создание простого, надежного и эффективного устройства преобразователя для сбора энергии, которое может работать как от напряжения неизменной полярности, так и от напряжения чередующейся полярности. Устройство-преобразователь (2) для сбора энергии содержит преобразователь (4) и связанное с ним управляющее устройство (5). Преобразователь (4) содержит первую зарядную схему (11) для зарядки накопителя (8) гальванического электричества, когда приложено положительное напряжение устройства (3) для сбора энергии, и вторую зарядную схему для зарядки накопителя (8) гальванического электричества, когда приложено отрицательное напряжение устройства (3) для сбора энергии. Каждая из упомянутых зарядных схем (11, 12) имеет электронный переключатель (13, 15), содержащий последовательную цепь, включающую два переключающих элемента (Q, Q, Q, Q), и соединенный с ним последовательно накопитель (15, 16) электрической энергии. Управляющее устройство (5) служит для приведения в действие электронных переключателей (13, 15) на основе полярности прикладываемого напряжения (v) устройства (3) для сбора энергии. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

Информация, содержащаяся в заявке на патент Германии DE 10 2016 224 639.9, включена в настоящую заявку по ссылке.
Предлагаемое изобретение относится к устройству-преобразователю для сбора энергии и к генератору энергии, снабженному таким устройством-преобразователем. Кроме того, предлагаемое изобретение относится к применению такого устройства-преобразователя.
Под собиранием энергии здесь понимается извлечение малых количеств электрической энергии из источников, находящихся в окрестностях передвижного электрического прибора, например, из температуры окружающей среды или из вибраций. Применимые устройства для сбора энергии, такие как термоэлектрические генераторы или пьезоэлектрические кристаллы обеспечивают либо напряжение неизменной полярности (напряжение постоянного тока), либо напряжение чередующейся полярности (напряжение переменного тока). Чтобы обеспечить возможность эффективно использовать энергию, предоставляемую устройством для сбора энергии, требуется устройство-преобразователь.
Предлагаемое изобретение имеет целью создание простого, надежного, эффективного и допускающего повсеместное использование устройства-преобразователя для сбора энергии, которое могло бы работать как от напряжения неизменной полярности, поставляемого устройством для сбора энергии, так и от напряжения чередующейся полярности.
Указанная цель предлагаемого изобретения достигается созданием устройства-преобразователя для сбора энергии, содержащего следующие компоненты:
- преобразователь, включающий
-- первый входной соединительный элемент и второй входной соединительный элемент для соединения с устройством для сбора энергии,
-- первый выходной соединительный элемент и второй выходной соединительный элемент для соединения с накопителем гальванического электричества,
-- первую зарядную схему для зарядки упомянутого накопителя гальванического электричества положительным напряжением устройства для сбора энергии, прикладываемым к упомянутым входным соединительным элементам, имеющую
--- первый электронный переключатель и
--- первый накопитель электрической энергии, соединенный последовательно с упомянутым первым электронным переключателем, при этом упомянутый первый накопитель электрической энергии содержит первую катушку индуктивности, первый конденсатор и первый запирающий элемент,
-- вторую зарядную схему для зарядки упомянутого накопителя гальванического электричества отрицательным напряжением устройства для сбора энергии, прикладываемым к упомянутым входным соединительным элементам, имеющую
--- второй электронный переключатель и
--- второй накопитель электрической энергии, соединенный последовательно с упомянутым вторым электронным переключателем, при этом упомянутый второй накопитель электрической энергии содержит вторую катушку индуктивности, второй конденсатор и второй запирающий элемент,
- управляющее устройство для приведения в действие упомянутых первого электронного переключателя и второго электронного переключателя на основе полярности напряжения устройства для сбора энергии, прикладываемого к входным соединительным элементам, и при этом упомянутые первая зарядная схема и вторая зарядная схема соединены параллельно друг другу.
Предлагаемый преобразователь выполнен как повышающий преобразователь. Благодаря тому, что преобразователь содержит первую зарядную схему, которая может работать от положительного напряжения, прикладываемого к входным соединительным элементам, и вторую зарядную схему, которая может работать от отрицательного напряжения, прикладываемого к входным соединительным элементам, обеспечена возможность преобразования напряжения чередующейся полярности, прикладываемой к входным соединительным элементам, в напряжение постоянного тока (то есть, имеет место преобразование переменного тока в постоянный). Для этой цели каждая из упомянутых зарядных схем имеет электронный переключатель и соединенный с ним последовательно накопитель электрической энергии. Упомянутое управляющее устройство использовано для приведения электронных переключателей в действие на основе полярности напряжения, прикладываемого к входным соединительным элементам, так что в зависимости от этой полярности работает первая зарядная схема или вторая зарядная схема, или же по очереди работают обе зарядные схемы.
Предлагаемое устройство-преобразователь обеспечивает простое и эффективное накопление и подачу электрической энергии. Упомянутая первая катушка индуктивности соединена параллельно упомянутому первому конденсатору. Упомянутый первый запирающий элемент соединен последовательно с первой катушкой индуктивности или с первым конденсатором. Этот первый запирающий элемент может быть выполнен, например, в виде диода. Первый запирающий элемент включен в схему таким образом, что если в первом состоянии коммутации первый электронный переключатель находится во включенном состоянии, то имеет место накопление энергии в первой катушке индуктивности благодаря положительному напряжению, прикладываемому к входным соединительным элементам. В упомянутом первом состоянии коммутации зарядка первого конденсатора предотвращена первым запирающим элементом. Если в последующем затем втором состоянии коммутации первый электронный переключатель находится в выключенном состоянии, то имеет место зарядка первого конденсатора от первой катушки индуктивности, благодаря тому, что через первый запирающий элемент протекает ток.
Упомянутая вторая катушка индуктивности соединена параллельно упомянутому второму конденсатору. Упомянутый второй запирающий элемент соединен последовательно со второй катушкой индуктивности или со вторым конденсатором. Этот второй запирающий элемент может быть выполнен, например, в виде диода. Второй запирающий элемент включен в схему таким образом, что если в первом состоянии коммутации второй электронный переключатель находится во включенном состоянии, то имеет место накопление энергии во второй катушке индуктивности благодаря отрицательному напряжению, прикладываемому к входным соединительным элементам. В упомянутом первом состоянии коммутации зарядка второго конденсатора предотвращена вторым запирающим элементом. Если в последующем затем втором состоянии коммутации второй электронный переключатель находится в выключенном состоянии, то имеет место зарядка второго конденсатора от второй катушки индуктивности, благодаря тому что через второй запирающий элемент протекает ток.
Если устройство-преобразователь работает с накопителем электрической энергии, вырабатывающим напряжение чередующейся полярности, то первый конденсатор и второй конденсатор соединены каждый с соответствующим одним из выходных соединительных элементов (преобразование переменного тока в постоянный). Если устройство-преобразователь работает с накопителем электрической энергии, вырабатывающим напряжение неизменной полярности, то в зависимости от конкретной полярности с выходными соединительными элементами соединен либо первый конденсатор, либо второй конденсатор (преобразование постоянного тока в постоянный).
Предлагаемое устройство-преобразователь имеет простую конструкцию и может быть использовано повсеместно. Благодаря тому что упомянутые первая зарядная схема и вторая зарядная схема соединены параллельно друг другу, они легко приводятся в действие требуемым образом с помощью связанных с ними электронных переключателей. Соответствующий электронный переключатель соединен с одним из входных соединительных элементов, а соответствующий связанный с ним накопитель электрической энергии соединен с другим соединительным элементом. Представляется предпочтительным такое решение, при котором накопители электрической энергии соединены с первым входным соединительным элементом, а электронные переключатели соединены со вторым входным соединительным элементом. При таком решении достигнуто симметричное строение предлагаемого устройства-преобразователя.
Устройство-преобразователь, в котором первый накопитель электрической энергии соединен с первым выходным соединительным элементом, а второй накопитель электрической энергии соединен со вторым выходным соединительным элементом, легко обеспечивает выходное напряжение. Для обеспечения работы передвижного электронного прибора к выходным соединительным элементам может быть подсоединен перезаряжаемый накопитель гальванического электричества, или перезаряжаемая аккумуляторная батарея. Упомянутый перезаряжаемый накопитель гальванического электричества может иметь электрическую нагрузку, включенную параллельно ему, которая может работать от этого накопителя гальванического электричества и (или) от вырабатываемого выходного напряжения. Упомянутый передвижной электронный прибор может представлять собой, например, переносный электронный прибор, или же электронный прибор, установленный на транспортном средстве. В частности, первый накопитель электрической энергии дополнительно соединен с третьим выходным соединительным элементом и (или) второй накопитель электрической энергии дополнительно соединен с четвертым соединительным элементом. Если ко входным соединительным элементам приложено напряжение неизменной полярности, то перезаряжаемый накопитель гальванического электричества может быть подсоединен к первому и третьему выходным соединительным элементам при положительном напряжении и ко второму и четвертому соединительным элементам при отрицательном напряжении. Кроме того, перезаряжаемый накопитель гальванического электричества может иметь электрическую нагрузку, включенную параллельно ему.
Устройство-преобразователь, в котором один из входных соединительных элементов соединен с опорным узлом, обеспечивает простоту схемы и простоту работы. Упомянутый опорный узел должным образом обеспечивает опорный потенциал. Представляется предпочтительным такое решение, при котором с опорным узлом соединен входной соединительный элемент, соединенный с электронными переключателями. При таком решении обеспечена простота приведения в действие электронных переключателей.
Устройство-преобразователь, в котором первый электронный переключатель содержит последовательную цепь, содержащую первый электронный переключающий элемент и второй электронный переключающий элемент, обеспечивает высокий уровень надежности и высокий уровень эффективности. Благодаря тому, что два электронных переключающих элемента соединены последовательно, удается избежать паразитных токов и связанных с ними потерь. В частности, эти два электронные переключающие элемента включены встречно. Это позволяет избежать потерь и отказов по причине паразитных токов. Паразитные токи вызываются, в частности, обращенными диодами (паразитными диодами). Благодаря встречному включению электронных переключающих элементов обращенные диоды имеют разные запирающие направления. Электронные переключающие элементы выбраны из группы, содержащей полевые транзисторы (n-канальные, или p-канальные) и биполярные транзисторы (типа n-p-n или типа p-n-р). Представляется предпочтительным такое решение, при котором электронные переключающие элементы выполнены как МОП-транзисторы (полевые транзисторы со структурой металл-оксид-полупроводник), в частности, n-канальные МОП-транзисторы.
Устройство-преобразователь, в котором предусмотрены первый обращенный диод, включенный параллельно первому электронному переключающему элементу, и второй обращенный диод включенный параллельно второму электронному переключающему элементу, имеют противоположные запирающие направления, обеспечивает высокий уровень надежности и высокий уровень эффективности. Электронные переключающие элементы включены встречно, так что паразитные обращенные диоды имеют противоположные запирающие направления. Поэтому при таком схемном решении в отношении электронных переключающих элементов по меньшей мере один из обращенных диодов имеет переход с обратным смещением как при приложении отрицательного напряжения, так и при приложении положительного напряжения.
Устройство-преобразователь, в котором второй электронный переключатель содержит последовательную цепь, содержащую третий электронный переключающий элемент и четвертый электронный переключающий элемент, обеспечивает высокий уровень надежности и высокий уровень эффективности. Благодаря тому, что два электронных переключающих элемента соединены последовательно, удается избежать паразитных токов и связанных с ними потерь. В частности, эти два электронных переключающих элемента включены встречно. Это позволяет избежать потерь и отказов по причине паразитных токов. Паразитные токи вызываются, в частности, обращенными диодами (паразитными диодами). Благодаря встречному включению электронных переключающих элементов обращенные диоды имеют разные запирающие направления. Электронные переключающие элементы выбраны из группы, содержащей полевые транзисторы (n-канальные или p-канальные) и биполярные транзисторы (типа n-p-n или типа p-n-p). Представляется предпочтительным такое решение, при котором электронные переключающие элементы выполнены как МОП-транзисторы, в частности, n-канальные МОП-транзисторы.
Устройство-преобразователь, в котором предусмотрены третий обращенный диод, включенный параллельно третьему электронному переключающему элементу, и четвертый обращенный диод включенный параллельно четвертому электронному переключающему элементу, имеют противоположные запирающие направления, обеспечивает высокий уровень надежности и высокий уровень эффективности. Электронные переключающие элементы включены встречно, так что паразитные обращенные диоды имеют противоположные запирающие направления. Поэтому при таком схемном решении в отношении электронных переключающих элементов по меньшей мере один из обращенных диодов имеет переход с обратным смещением как при приложении отрицательного напряжения, так и при приложении положительного напряжения.
Устройство-преобразователь, в котором первый конденсатор и второй конденсатор соединены каждый с соответствующим выходным соединительным элементом, просто и эффективно обеспечивает выходное напряжение для подзарядки накопителя гальванического электричества. При этом устройство-преобразователь работает как преобразователь переменного тока в постоянный.
Устройство-преобразователь, в котором предусмотрен сглаживающий конденсатор, включенный параллельно входным соединительным элементам, обеспечивает надежную и эффективную работу. Упомянутый сглаживающий конденсатор сглаживает импульсные скачки прикладываемого к входным соединительным элементам напряжения устройства для собирания энергии. Кроме того, этот сглаживающий конденсатор упрощает определение полного входного сопротивления.
Устройство-преобразователь, в котором управляющее устройство содержит первую последовательность переключения, когда к входным соединительным элементам приложено положительное напряжение, при этом для этой первой последовательности переключения справедливо следующее:
Figure 00000001
где
Q1p и Q2p - это два последовательно включенных электронных переключающих элемента первого электронного переключателя,
Q1n and Q2n - это два последовательно включенных электронных переключающих элемента второго электронного переключателя,
Z1p и Z2p - это два следующих одно за другим состояния коммутации первой последовательности переключения,
при этом «0» значит включенное состояние (ВКЛ), а «1» значит выключенное состояние (ВЫКЛ),
обеспечивает простоту, надежность и эффективность работы, когда к входным соединительным элементам приложено положительное напряжение. Представляется предпочтительным такое решение, при котором управляющее устройство содержит блок определения полярности, выполненный с возможностью определять, когда к входным соединительным элементам приложено положительное напряжение, и посылать надлежащий сигнал на блок переключения. Упомянутый блок переключения выполнен с возможностью переключать электронные переключающие элементы в соответствии с первой последовательностью переключения. Представляется предпочтительным такое решение, при котором для установки полного входного сопротивления использован коэффициент заполнения D. Упомянутый коэффициент заполнения D представляет собой отношение длительности первого состояния коммутации Z1p к общей длительности состояний коммутации Z1p и Z2p, иначе говоря, к длительности периода TS.
Устройство-преобразователь, в котором управляющее устройство содержит вторую последовательность переключения, когда к входным соединительным элементам приложено отрицательное напряжение, при этом для этой второй последовательности переключения справедливо следующее:
Figure 00000002
где
Q1p и Q2p - это два последовательно включенных электронных переключающих элемента первого электронного переключателя,
Q1n and Q2n - это два последовательно включенных электронных переключающих элемента второго электронного переключателя,
Z1n и Z2n - это два следующих одно за другим состояния коммутации второй последовательности переключения,
при этом «0» значит включенное состояние (ВКЛ), а «1» значит выключенное состояние (ВЫКЛ),
обеспечивает простоту, надежность и эффективность работы, когда к входным соединительным элементам приложено отрицательное напряжение. Представляется предпочтительным такое решение, при котором управляющее устройство содержит блок определения полярности, выполненный с возможностью определять, когда к входным соединительным элементам приложено отрицательное напряжение, и посылать надлежащий сигнал на блок переключения. Упомянутый блок переключения выполнен с возможностью переключать электронные переключающие элементы в соответствии со второй последовательностью переключения. Представляется предпочтительным такое решение, при котором для установки полного входного сопротивления использован коэффициент заполнения D. Упомянутый коэффициент заполнения D представляет собой отношение длительности первого состояния коммутации Z1n к общей длительности состояний коммутации Z1n и Z2n, иначе говоря, к длительности периода TS.
Устройство-преобразователь, в котором управляющее устройство содержит блок определения полярности для определения положительного напряжения и отрицательного напряжения устройства для собирания энергии, обеспечивает простую и надежную работу независимо от полярности напряжения устройства для собирания энергии, прикладываемого к входным соединительным элементам. В результате работы блока определения полярности устройство-преобразователь способно определять, прикладывается ли к входным соединительным элементам исключительно положительное напряжение, исключительно отрицательное напряжение, или же чередующиеся положительное и отрицательное напряжение. Блок определения полярности обеспечивает надлежащий сигнал полярности, так что обеспечено простое и надежное переключение первого электронного переключателя и второго электронного переключателя в соответствии с прикладываемым в данный момент напряжением. Представляется предпочтительным такое решение, при котором управляющее устройство используют для приведения в действие первого электронного переключателя и второго электронного переключателя в соответствии с первой последовательностью переключения и второй последовательностью переключения, реализованных в управляющем устройстве. Представляется предпочтительным такое решение, при котором блок определения полярности содержит измерительный датчик напряжения для измерения напряжения, прикладываемого к входным соединительным элементам, а также детектор перехода через нулевой уровень. Упомянутый сигнал полярности, в частности, представляет собой цифровой сигнал. Например, этот сигнал полярности может быть равен единице («1») в случае положительного напряжения и нулю («0») в случае отрицательного напряжения.
Устройство-преобразователь, в котором управляющее устройство содержит регулятор полного сопротивления для задания входного полного сопротивления, при этом регулятор полного сопротивления выполнен с возможностью изменять работу электронных переключателей на основе определенного значения входного полного сопротивления и заданного значения входного полного сопротивления, обеспечивает высокий уровень эффективности.Управляющее устройство имеет управляющий контур, реализованный в нем для входного полного сопротивления преобразователя. Полное входное сопротивление определяется на входных соединительных элементах. Для этого управляющее устройство снабжено измерительным датчиком напряжения для измерения напряжения, прикладываемого к входным соединительным элементам и измерительным датчиком тока для измерения тока, протекающего от устройства для собирания энергии к преобразователю. Входное полное сопротивление определяется управляющим устройством на основе измерений напряжения и тока. Исходя из заданного значения входного полного сопротивления и из определенного значения входного полного сопротивления, определяется ошибка регулирования или разность, которая подается на регулятор полного сопротивления. Этот регулятор полного сопротивления может быть реализован, например, как ПИД-регулятор (ПИД - аббревиатура от пропорционально-интегрально-дифференциальный). Регулятор полного сопротивления обеспечивает блок переключения с регулируемым параметром. Этот регулируемый параметр используется для задания коэффициента заполнения D и, следовательно, входного полного сопротивления преобразователя. Блок переключения может быть выполнен, например, как цифровой широтно-импульсный модулятор. Представляется предпочтительным такое решение, при котором обеспечено такое регулирование полного сопротивления, когда входное полное сопротивление является чисто резистивным и, следовательно, измеряемое напряжение и измеряемый ток практически синфазны. Что касается заданного входного полного сопротивления, то оно может быть определено, например, эмпирически. Заданное входное полное сопротивление может быть, например, сопротивлением, при котором при собирании энергии обеспечена высокая эффективность, в частности, максимальная эффективность.
Кроме того, целью предлагаемого изобретения является создание простого, надежного и эффективного генератора энергии, обеспечивающего возможность получать как энергию напряжения чередующейся полярности, так и энергию напряжения неизменной полярности.
Эта цель достигается созданием генератора энергии, имеющего устройство-преобразователь согласно предлагаемому изобретению и устройство для сбора энергии, соединенное с входными соединительными элементами для получения напряжения. Преимущества генератора энергии согласно предлагаемому изобретению соответствуют преимуществам, которые уже описаны в отношении устройства-преобразователя. Устройство-преобразователь может работать как с устройством для сбора энергии, которое обеспечивает напряжение неизменной полярности, так и с устройством для сбора энергии, которое обеспечивает напряжение чередующейся полярности. Соответственно, в качестве устройства для сбора энергии могут быть использованы, например, пьезоэлектрические кристаллы или термоэлектрические генераторы. Представляется предпочтительным такое решение, при котором к выходным соединительным элементам устройства-преобразователя подсоединен накопитель гальванического электричества. Этот накопитель гальванического электричества является перезаряжаемым.
Использование устройства-преобразователя согласно предлагаемому изобретению, в частности, генератора энергии согласно предлагаемому изобретению обеспечивает высокий уровень гибкости и повсеместной применимости простыми средствами. Во-первых, устройство-преобразователь может работать с помощью устройства для сбора энергии для обеспечения напряжения неизменной полярности, так что устройство-преобразователь работает как преобразователь постоянного тока в постоянный. Во-вторых, устройство-преобразователь может работать с помощью устройства для сбора энергии для обеспечения напряжения чередующейся полярности, так что устройство-преобразователь работает как преобразователь переменного тока в постоянный. Устройство-преобразователь автоматически настраивается на присоединенное к нему устройство для сбора энергии, так что устройство-преобразователь является простым и гибким в эксплуатации.
Другие признаки, преимущества и подробности предлагаемого изобретения станут понятны из описания нескольких иллюстративных вариантов его осуществления со ссылками на прилагаемые графические материалы.
На фиг. 1 изображена схема предлагаемого генератора энергии согласно первому варианту осуществления предлагаемого изобретения, при этом устройство-преобразователь и устройство для сбора энергии соединены с ним для обеспечения напряжения чередующейся полярности.
На фиг. 2 изображена временная характеристика напряжения, обеспечиваемого устройством для сбора энергии и временная характеристика импульсов переключения, генерируемых управляющим устройством для включения в работу преобразователя устройства-преобразователя.
На фиг. 3 изображена схема устройства-преобразователя в его первом состоянии коммутации, когда обеспечено положительное напряжение устройства для сбора энергии.
На фиг. 4 изображена схема устройства-преобразователя в его втором состоянии коммутации, когда обеспечено положительное напряжение устройства для сбора энергии.
На фиг. 5 изображена схема устройства-преобразователя в его первом состоянии коммутации, когда обеспечено отрицательное напряжение устройства для сбора энергии.
На фиг. 6 изображена схема устройства-преобразователя в его втором состоянии коммутации, когда обеспечено отрицательное напряжение устройства для сбора энергии.
На фиг. 7 изображена схема устройства-преобразователя в его первом состоянии коммутации, когда обеспечено исключительно положительное напряжение устройства для сбора энергии, приложенное для обеспечения напряжения неизменной полярности согласно второму иллюстративному варианту осуществления.
На фиг. 8 изображена схема того же устройства-преобразователя, схема которого изображена на фиг.7, в его втором состоянии коммутации.
Далее следует описание первого иллюстративного варианта осуществления предлагаемого изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи с фиг. 1 по фиг. 6. Генератор энергии 1 содержит устройство-преобразователь 2 и устройство 3 для сбора энергии. Устройство-преобразователь 2 содержит преобразователь 4 и связанное с ним управляющее устройство 5. Устройство 3 для сбора энергии соединено с первым входным соединительным элементом 6 и вторым входным соединительным элементом 7. Генератор энергии 1 использован для зарядки перезаряжаемого накопителя 8 гальванического электричества. Накопитель 8 гальванического электричества соединен с первым выходным соединительным элементом 9 и вторым выходным соединительным элементом 10 преобразователя 4. Кроме того, преобразователь 4 имеет третий выходной соединительный элемент 9', который в рассматриваемом первом иллюстративном варианте осуществления предлагаемого изобретения не задействован.
Устройство 3 для сбора энергии обеспечивает напряжение vh, которое имеет чередующуюся полярность (напряжение переменного тока). Изменение этого напряжения vh во времени проиллюстрировано в качестве примера на фиг. 2. Часть напряжения vh с положительной полярностью далее будет обозначаться vhp, а его часть с отрицательной полярностью далее будет обозначаться vhn.
Преобразователь 4 имеет сглаживающий конденсатор Cin, предназначенный для сглаживания напряжения vh, при этом упомянутый сглаживающий конденсатор соединен параллельно входным соединительным элементам 6, 7 и устройству 3 для сбора энергии. Сглаживающий конденсатор Cin соединен с узлом K1 и с опорным узлом K0. Опорный узел K0 задает опорный потенциал. Первый входной соединительный элемент 6 соединен с узлом K1 а второй соединительный элемент 7 соединен с опорным узлом K0.
Преобразователь 4 содержит первую зарядную схему 11 для зарядки накопителя 8 гальванического электричества при приложении положительного напряжения vhp и вторую зарядную схему 12 для зарядки накопителя 8 гальванического электричества при приложении отрицательного напряжения vhn. Упомянутые зарядные схемы 11, 12 соединены с узлом K1 и опорным узлом K0 и включены параллельно друг другу.
Первая зарядная схема 11 содержит первый электронный переключатель 13 и соединенный с ним последовательно первый накопитель электрической энергии 14. Этот первый электронный переключатель 13 выполнен как последовательная схема, содержащая первый электронный переключающий элемент Q1p и второй электронный переключающий элемент Q2p. Каждый из этих электронных переключающих элементов Q1p и Q2p выполнен как нормально открытый n-канальный МОП-транзистор. Вывод истока S1p первого переключающего элемента Q1p соединен с опорным узлом K0. Вывод стока D1p первого переключающего элемента Q1p соединен с выводом стока D2p второго переключающего элемента Q2p. Вывод истока S2p второго переключающего элемента Q2p соединен с узлом K2p первой зарядной схемы 11.
Параллельно первому переключающему элементу Q1p включен первый паразитный обращенный диод F1p. Этот первый паразитный обращенный диод F1p соединен с выводом истока S1p и выводом стока D1p таким образом, чтобы воспрепятствовать протеканию тока в направлении вывода истока S1p. Соответственно, параллельно второму переключающему элементу Q2p включен второй паразитный обращенный диод F2p. Этот второй паразитный обращенный диод F2p соединен с выводом истока S2p и выводом стока D2p таким образом, чтобы воспрепятствовать протеканию тока в направлении вывода истока S2p. Поэтому упомянутые обращенные диоды F1p и F2p имеют противоположные обращенные направления. Поэтому упоминавшееся выше встречное включение электронных переключающих элементов Q1p и Q2p гарантирует, что по меньшей мере один из обращенных диодов F1p и F2p имеет отрицательное смещение при приложении к первому электронному переключателю 13 как положительного, так и отрицательного напряжения. При таком решении удается избежать паразитных токов и связанных с этим потерь.
Первый накопитель электрической энергии 14 содержит первую катушку индуктивности Lp, первый конденсатор Cp и первый запирающий элемент Dp. Первая катушка индуктивности Lp соединена с узлом K1 и с узлом K2p. Первый конденсатор Cp соединен с узлом K1 и с узлом K3p. Первый запирающий элемент Dp включен между узлом K2p и узлом K3p таким образом, чтобы воспрепятствовать протеканию тока в направлении узла K2p. Первый запирающий элемент Dp реализован в виде диода. С узлом K3p соединен первый выходной соединительный элемент 9. С узлом K1 соединен третий выходной соединительный элемент 9'.
Вторая зарядная схема 12 содержит второй электронный переключатель 15 и соединенный с ним последовательно второй накопитель 16 электрической энергии. Этот второй электронный переключатель 15 выполнен как последовательная схема, содержащая третий электронный переключающий элемент Q1n и четвертый электронный переключающий элемент Q2n. Каждый из этих электронных переключающих элементов Q1np и Q2n выполнен как нормально открытый n-канальный МОП-транзистор. Вывод истока S1n третьего переключающего элемента Q1n соединен с опорным узлом K0. Вывод стока D1n третьего переключающего элемента Q1n соединен с выводом стока D2n четвертого переключающего элемента Q2n. Вывод истока S2n четвертого переключающего элемента Q2n соединен с узлом K2n первой зарядной схемы 12.
Параллельно третьему переключающему элементу Q1n включен третий паразитный обращенный диод F1n. Этот третий паразитный обращенный диод F1n соединен с выводом истока S1n и выводом стока D1n таким образом, чтобы воспрепятствовать протеканию тока в направлении вывода истока S1n. Соответственно, параллельно четвертому переключающему элементу Q2n включен четвертый паразитный обращенный диод F2n. Этот четвертый паразитный обращенный диод F2n соединен с выводом истока S2n и выводом стока D2n таким образом, чтобы воспрепятствовать протеканию тока в направлении вывода истока S2n. Поэтому упомянутые обращенные диоды F1n и F2n имеют противоположные обращенные направления. Поэтому упоминавшееся выше встречное включение электронных переключающих элементов Q1n и Q2n гарантирует, что по меньшей мере один из обращенных диодов F1n и F2n имеет отрицательное смещение при приложении к третьему электронному переключателю 15 как положительного, так и отрицательного напряжения. При таком решении удается избежать паразитных токов и связанных с этим потерь.
Второй накопитель электрической энергии 16 содержит вторую катушку индуктивности Ln, второй конденсатор Cn и второй запирающий элемент Dn. Вторая катушка индуктивности Ln соединена с узлом K1 и с узлом K2n. Второй конденсатор Cn соединен с узлом K1 и с узлом K3n. Второй запирающий элемент Dn включен между узлом K2n и узлом K3n таким образом, чтобы воспрепятствовать протеканию тока в направлении узла K3n. Второй запирающий элемент Dn реализован в виде диода. С узлом K3n соединен второй выходной соединительный элемент 10.
Управляющее устройство 5 использовано для приведения в действие первого электронного переключателя 13 и второго электронного переключателя 15 на основе полярности напряжения vh, то есть, на основе положительного напряжения vhp и отрицательного напряжения vhp. Управляющее устройство 5 подсоединено к опорному потенциалу. Управляющее устройство 5 выполнено таким образом, что когда приложено положительное напряжение vhp, реализуется первая последовательность переключения с первым состоянием коммутации Z1p и следующим за ней вторым состоянием коммутации Z2p. Для этой первой последовательности переключения справедливо следующее:
Figure 00000003
где «0» значит включенное состояние (ВКЛ), а «1» значит выключенное состояние (ВЫКЛ). Состояние коммутации Z1p проиллюстрировано на фиг. 3, а состояние коммутации Z2p проиллюстрировано на фиг. 4.
Кроме того, управляющее устройство 5 выполнено таким образом, что когда приложено отрицательное напряжение vhn, реализуется вторая последовательность переключения с первым состоянием коммутации Z1n и следующим за ним вторым состоянием коммутации Z2n. Для этой второй последовательности переключения справедливо следующее:
Figure 00000004
где «0» значит включенное состояние (ВКЛ), а «1» значит выключенное состояние (ВЫКЛ). Состояние коммутации Z1n проиллюстрировано на фиг. 5, а состояние коммутации Z2n проиллюстрировано на фиг. 6.
Каждая из вышеуказанных последовательностей, и первая и вторая, имеет период длительностью TS. Для этой длительности TS выполняется равенство TS=1/fS, где fS - это постоянная частота переключения управляющего устройства 5. Соответствующие первые состояния коммутации Z1p и Z1n имеют каждое длительность D⋅TS, а соответствующие связанные с ними вторые состояния коммутации Z2p и Z2n имеют каждое длительность (1-D)⋅TS, где D - это коэффициент заполнения.
Управляющее устройство 5 содержит измерительный датчик напряжения 17 для измерения напряжения vh и измерительный датчик тока 18 для измерения тока ih. Ток ih протекает между устройством 3 для сбора энергии и преобразователем 4.
Управляющее устройство 5 содержит блок 19 определения полярности, на который поступает измеряемое напряжение vh. Этот блок 19 определения полярности выполнен с возможностью определять, является ли напряжение vh положительным или отрицательным. Для этого блок 19 определения полярности может быть выполнен, например, как детектор перехода через нулевой уровень. Блок 19 определения полярности генерирует надлежащий цифровой сигнал полярности Р. Поэтому блок 19 определения полярности определяет положительное напряжение vhp и отрицательное напряжение vhn. Упомянутый сигнал полярности Р подается на блок переключения 20 управляющего устройства 5. Упомянутый блок переключения 20 генерирует управляющие напряжения g1p, g2p, g1n и g2n для приведения в действие переключающих элементов Q1p, Q2p, Q1n и Q2n. Эти управляющие напряжения g1p, g2p, g1n и g2n приложены к выводам G1p, G2p, G1n и G2n переключающих элементов Q1p, Q2p, Q1n и Q2n.
Управляющее устройство 5 содержит первый аналого-цифровой преобразователь 21, выполненный с возможностью преобразовывать измеряемое напряжение vh в дискретное напряжение vh'. Кроме того, управляющее устройство 5 имеет второй аналого-цифровой преобразователь 22, выполненный с возможностью преобразовывать измеряемый ток ih в дискретный ток ih'.
Для расчета входного полного сопротивления управляющее устройство 5 снабжено блоком 23 определения полного сопротивления, выполненным с возможностью определять входное полное сопротивление Z' из значений дискретного напряжения vh' и дискретного тока ih'. Входное полное сопротивление Z' представляет собой вычисленную величину или оценочное значение для входного полного сопротивления Z преобразователя 4 и соединенного с ним накопителя 8 гальванического электричества, при этом это входное полное сопротивление Z получено со стороны входных соединительных элементов 6, 7. Управляющее устройство 5 содержит вычитающий блок 24, выполненный с возможностью формировать разность Zref-Z' между заданным значением входного полного сопротивления Zref и определенным значением входного полного сопротивления Z'. Эта разность подается на регулятор 25 полного сопротивления, на выходе которого формируется заданный коэффициент заполнения Dref. Этот регулятор полного сопротивления может быть реализован, например, как ПИД-регулятор. Упомянутый заданный коэффициент заполнения Dref подается на блок переключения 20, который на основе полярности Р и заданного коэффициента заполнения Dref генерирует управляющие напряжения g1p, g2p, g1n и g2n. Для этого блок переключения 20 может быть выполнен, например, как цифровой широтно-импульсный модулятор.
Описанные выше блок переключения 20, блок 23 определения полного сопротивления, вычитающий блок 24 и регулятор 25 полного сопротивления образуют управляющий блок 26, являющийся частью контура регулирования полного сопротивления. Этот контур регулирования полного сопротивления использован для задания полного сопротивления Z таким образом, чтобы оно было чисто резистивным и чтобы напряжение vh и ток ih были практически синфазны. Входное полное сопротивление Z задают с помощью коэффициента заполнения D. В режиме прерывистой проводимости для полного сопротивления выполняется следующее равенство:
Figure 00000005
,
где L=Lp или L=Ln. При этом заданное значение полного сопротивления Zref может быть определено, например, экспериментальным путем. В частности, это заданное полное сопротивление Zref является резистивным, при котором обеспечен высокий уровень эффективности, предпочтительно, при выработке энергии достигается максимальная эффективность.
Работа генератора энергии 1 осуществляется следующим образом.
Устройство 3 для сбора энергии вырабатывает напряжение vh и ток ih. По измеряемому напряжению vh блок 19 определения полярности определяет, приложено ли к входным соединительным элементам 6, 7 положительное напряжение vhp или отрицательное напряжение vhn, и выдает надлежащий сигнал полярности Р. Например, сигнал полярности Р равен единице («1»), единице («1»), если приложено положительное напряжение vhp, и нулю («0»), если приложено отрицательное напряжение vhn.
Когда приложено положительное напряжение vhp, управляющее устройство 5 реализует первую последовательность переключения. Прежде всего, переключающие элементы Q1p и Q2p включаются в первом состоянии коммутации Z1p, так что ток ih протекает через первую катушку индуктивности Lp. Первый запирающий элемент Dp препятствует протеканию тока ih через первый конденсатор Cp. В первом состоянии коммутации Z1p переключающие элементы Q1n и Q2n находятся в открытом состоянии. Это проиллюстрировано на фиг. 3.
В следующем затем втором состоянии коммутации Z2p первая катушка индуктивности Lp обеспечивает ток ip через первый запирающий элемент Dp, при этом первый конденсатор Ср заряжается. К первому конденсатору Cp приложено напряжение vcp. Под действием этого напряжения vcp протекает ток ib, который заряжает накопитель 8 гальванического электричества. Во втором состоянии коммутации Z2p переключающие элементы Q1n и Q2n все еще находятся в открытом состоянии. Это проиллюстрировано на фиг. 4.
При приложении отрицательного напряжения vhn управляющее устройство 5 реализует вторую последовательность переключения. С самого начала переключающие элементы Q1n и Q2n включаются в первом состоянии коммутации Z1n, так что ток ih протекает через вторую катушку индуктивности Ln. Второй запирающий элемент Dn препятствует протеканию тока ih через второй конденсатор Cn. В первом состоянии коммутации Z1n переключающие элементы Q1p и Q2p находятся в открытом состоянии. Это проиллюстрировано на фиг. 5.
В следующем затем втором состоянии коммутации Z2n вторая катушка индуктивности Ln обеспечивает ток через второй запирающий элемент Dn, при этом второй конденсатор Cn заряжается. К этому второму конденсатору Cn приложено напряжение vcn. Под действием напряжения vcn протекает ток ib, который заряжает накопитель 8 гальванического электричества. В этом втором состоянии коммутации Z2n переключающие элементы Q1p и Q2p все еще находятся в открытом состоянии. Это проиллюстрировано на фиг. 6.
Напряжения vcp и vcn использованы для зарядки накопителя 8 гальванического электричества, который обеспечивает напряжение Eb.
В первой последовательности переключения и второй последовательности переключения входное полное сопротивление Z является регулируемым. Для этого из значений дискретного напряжения vh' и дискретного тока ih' с помощью блока 23 определения полного сопротивления рассчитывается входное полное сопротивление Z'. Вычитающий блок 24 формирует разность между заданным значением входного сопротивления Zref и определенным значением входного полного сопротивления Z'. Эта разность подается на регулятор 25 полного сопротивления, который подает на блок переключения 20 заданный коэффициент заполнения Dref в качестве управляемой переменной. Этот блок переключения 20 задает временной режим сигналов переключения или управляющих напряжений g1p, g2p, g1n и g2n, так что в пределах периода Ts соответствующее первое состояние коммутации Z1p или Z1n устанавливается на время 0<Т≤D⋅TS и соответствующее второе состояние коммутации Z2p или Z2n устанавливается на время D⋅TS<Т<(1-D)⋅TS.
Далее следует описание второго иллюстративного варианта осуществления предлагаемого изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи фиг. 7 и фиг. 8. В отличие от первого иллюстративного варианта осуществления предлагаемого изобретения, в рассматриваемом варианте генератор энергии 1 имеет устройство 3 для собирания энергии, которое обеспечивает исключительно положительное напряжение vhp. Накопитель 8 гальванического электричества соединен с первым выходным соединительным элементом 9 и третьим выходным соединительным элементом 9' преобразователя 4. Второй выходной соединительный элемент 10 в этом втором иллюстративном варианте осуществления предлагаемого изобретения не имеет соединений. Управляющее устройство 5 реализует исключительно первую последовательность переключения. Первое состояние коммутации Z1p проиллюстрировано на фиг. 7, а второе состояние коммутации Z2p проиллюстрировано на фиг. 8. В отношении схемного решения и способа работы ссылаемся на описание иллюстративного варианта осуществления предлагаемого изобретения, рассмотренного выше.
Устройство-преобразователь 2 согласно предлагаемому изобретению может по выбору работать с устройством 3 для сбора энергии, которое вырабатывает либо напряжение vh чередующейся полярности, либо исключительно положительное напряжение vhp, либо исключительно отрицательное напряжение vhn. Если устройство 3 для сбора энергии обеспечивает напряжение vh чередующейся полярности, то устройство-преобразователь 2 работает как преобразователь переменного тока в постоянный. Это проиллюстрировано на прилагаемых чертежах с фиг. 1 по фиг. 6. Если устройство 3 для сбора энергии обеспечивает исключительно положительное напряжение vhp или исключительно отрицательное напряжение vhn, то устройство-преобразователь 2 работает как преобразователь постоянного тока в постоянный. Для положительного напряжения vhn это проиллюстрировано на фиг. 7 и фиг. 8. Для отрицательного напряжения vhn работа устройства-преобразователя 2 проиллюстрирована на фиг. 5 и фиг. 6.
Устройство-преобразователь 2 согласно предлагаемому изобретению построено на основе повышающего преобразователя. Устройство-преобразователь 2 может работать либо с постоянным напряжением, либо с переменным напряжением. Устройство-преобразователь 2 подходит для использования с электроприборами с батарейным питанием, собирающими малые количества электрической энергии с помощью устройства 3 для сбора энергии. Для оптимизации процесса сбора энергии устройство-преобразователь 2 выполнено с возможностью устанавливать входное полное сопротивление Z таким образом, чтобы оно было чисто резистивным. Преобразование переменного тока в постоянный осуществлено на этой стадии без использования мостикового выпрямителя. Это решение позволяет избежать перепада напряжения и потерь энергии, так что устройство-преобразователь 2 пригоден также для очень низких значений напряжений vh устройства 3 для сбора энергии. Преобразователь 4 имеет по два электронных переключающих элемента Q1p, Q2p и Q1n, Q2n на фазу, так что возможно прямое преобразование постоянного напряжения в переменное, а для преобразования постоянного напряжения в постоянное требуется только одна фаза. Для установки входного полного сопротивления Z устройство-преобразователь 2 работает в режиме прерывистой проводимости, так что преобразователь 4 проявляется как чисто нереактивное сопротивление для устройства 3 для сбора энергии. Сглаживающий конденсатор Cin упрощает определение входного полного сопротивления Z.
Соединительные элементы S1p и S1n истоков имеют один и тот же опорный потенциал, поэтому для переключающих элементов Q1p и Q1n может быть использован соответствующий простой драйвер управления затвором нижнего плеча. Для переключающих элементов Q2p и Q2n может быть использован соответствующий драйвер плавающего затвора. Измерение напряжения, измерение тока и определение полярности осуществляются просто, так как измерительный датчик напряжения 17, измерительный датчик тока 18 и блок 19 определения полярности используют один и тот же опорный потенциал. Устройство-преобразователь 2 может работать вместе с накопителем гальванического электричества 8, что позволяет получать напряжение, например, 3,7 В, 7,4 В или 12 В. В результате устройство-преобразователь 2 может быть использовано как для переносных электронных приборов, так и для транспортных средств.

Claims (55)

1. Устройство-преобразователь для сбора энергии, включающее
- преобразователь (4), содержащий
-- первый входной соединительный элемент (6) и второй входной соединительный элемент (7) для соединения с устройством (3) для сбора энергии,
-- первый выходной соединительный элемент (9) и второй выходной соединительный элемент (10) для соединения с накопителем (8) гальванического электричества,
-- первую зарядную схему (11) для зарядки упомянутого накопителя (8) гальванического электричества устройства (3) для сбора энергии положительным напряжением (vhp), прикладываемым к упомянутым входным соединительным элементам (6, 7), включающую
--- первый электронный переключатель (13), содержащий последовательную цепь, включающую первый электронный переключающий элемент (Q1p) и второй электронный переключающий элемент (Q2p), и
--- первый накопитель (14) электрической энергии, соединенный последовательно с упомянутым первым электронным переключателем (13), при этом упомянутый первый накопитель (14) электрической энергии содержит первую катушку индуктивности (Lp), первый конденсатор (Ср) и первый запирающий элемент (Dp),
-- вторую зарядную схему (12) для зарядки упомянутого накопителя (8) гальванического электричества устройства (3) для сбора энергии отрицательным напряжением (vhn), прикладываемым к упомянутым входным соединительным элементам (6, 7), включающую
--- второй электронный переключатель (15), содержащий последовательную цепь, включающую третий электронный переключающий элемент (Q1n) и четвертый электронный переключающий элемент (Q2n), и
--- второй накопитель (16) электрической энергии, соединенный последовательно с упомянутым вторым электронным переключателем (15), при этом упомянутый второй накопитель (16) электрической энергии содержит вторую катушку индуктивности (Ln), второй конденсатор (Cn) и второй запирающий элемент (Dn),
- управляющее устройство (5) для приведения в действие упомянутых первого электронного переключателя (13) и второго электронного переключателя (15) устройства (3) для сбора энергии на основе полярности напряжения (vh), прикладываемого к входным соединительным элементам (6, 7),
при этом упомянутые первая зарядная схема (11) и вторая зарядная схема (12) соединены параллельно друг другу.
2. Устройство-преобразователь по п. 1, характеризующееся тем, что упомянутый первый накопитель (14) электрической энергии соединен с первым выходным соединительным элементом (9), а упомянутый второй накопитель (16) электрической энергии соединен со вторым выходным соединительным элементом (10).
3. Устройство-преобразователь по п. 1, характеризующееся тем, что один из входных соединительных элементов (7) соединен с опорным узлом (K0).
4. Устройство-преобразователь по п. 1, характеризующееся тем, что включенный параллельно первому переключающему элементу (Q1p) первый обращенный диод (F1p) и включенный параллельно второму переключающему элементу (Q2p) второй обращенный диод (F2p) имеют противоположные обращенные направления.
5. Устройство-преобразователь по п. 1, характеризующееся тем, что включенный параллельно третьему переключающему элементу (Q1n) третий обращенный диод (F1n) и включенный параллельно четвертому переключающему элементу (Q2p) четвертый обращенный диод (F2n) имеют противоположные обращенные направления.
6. Устройство-преобразователь по п. 1, характеризующееся тем, что упомянутые первый конденсатор (Ср) и второй конденсатор (Cn) каждый соединен с соответствующим выходным соединительным элементом (9, 10).
7. Устройство-преобразователь по п. 1, характеризующееся тем, что параллельно входным соединительным элементам (6, 7) включен сглаживающий конденсатор (Cin).
8. Устройство-преобразователь по п. 1, характеризующееся тем, что упомянутое управляющее устройство (5) выполнено с возможностью обеспечивать первую последовательность переключения, когда к входным соединительным элементам (6, 7) приложено положительное напряжение (vhp), при этом для первой последовательности переключения справедливо следующее:
Figure 00000006
где Q1p и Q2p - это два последовательно включенных электронных переключающих элемента первого электронного переключателя (13),
Q1n и Q2n - это два последовательно включенных электронных переключающих элемента второго электронного переключателя (15),
Z1p и Z2p - это два следующих одно за другим состояния коммутации первой последовательности переключения,
при этом «0» значит включенное состояние (ВКЛ), а «1» значит выключенное состояние (ВЫКЛ).
9. Устройство-преобразователь по п. 1, характеризующееся тем, что упомянутое управляющее устройство (5) выполнено с возможностью обеспечивать вторую последовательность переключения, когда к входным соединительным элементам (6, 7) приложено отрицательное напряжение (vhn), при этом для второй последовательности переключения справедливо следующее:
Figure 00000007
где Q1p и Q2p - это два последовательно включенных электронных переключающих элемента первого электронного переключателя (13),
Q1n и Q2n - это два последовательно включенных электронных переключающих элемента второго электронного переключателя (15),
Z1n и Z2n - это два следующих одно за другим состояния коммутации второй последовательности переключения,
при этом «0» значит включенное состояние (ВКЛ), а «1» значит выключенное состояние (ВЫКЛ).
10. Устройство-преобразователь по п. 1, характеризующееся тем, что упомянутое управляющее устройство (5) содержит блок (19) определения полярности для определения положительного напряжения (vhp) и отрицательного напряжения (vhn) устройства (3) для сбора энергии.
11. Устройство-преобразователь по п. 1, характеризующееся тем, что упомянутое управляющее устройство (5) содержит регулятор (25) полного сопротивления для установки входного полного сопротивления (Z), при этом упомянутый регулятор (25) полного сопротивления выполнен с возможностью изменять состояние электронных переключателей (13, 15) на основе определенного полного сопротивления (Z') и заданного значения входного полного сопротивления (Zref).
12. Генератор энергии с устройством-преобразователем (2) для сбора энергии, содержащий
- преобразователь (4), включающий
-- первый входной соединительный элемент (6) и второй входной соединительный элемент (7) для соединения с устройством (3) для сбора энергии,
-- первый выходной соединительный элемент (9) и второй выходной соединительный элемент (10) для соединения с накопителем (8) гальванического электричества,
-- первую зарядную схему (11) для зарядки упомянутого накопителя (8) гальванического электричества положительным напряжением (Vhp) устройства (3) для сбора энергии, прикладываемым к упомянутым входным соединительным элементам (6, 7), содержащую
--- первый электронный переключатель (13), содержащий последовательную цепь, включающую первый электронный переключающий элемент (Q1n) и второй электронный переключающий элемент (Q2n), и
--- первый накопитель (14) электрической энергии, соединенный последовательно с упомянутым первым электронным переключателем (13), при этом упомянутый первый накопитель (14) электрической энергии содержит первую катушку индуктивности (Lp), первый конденсатор (Ср) и первый запирающий элемент (Dp),
-- вторую зарядную схему (12) для зарядки упомянутого накопителя (8) гальванического электричества отрицательным напряжением (vhn) устройства (3) для сбора энергии, прикладываемым к упомянутым входным соединительным элементам (6, 7), включающую
--- второй электронный переключатель (15), содержащий последовательную цепь, включающую третий электронный переключающий элемент (Q1n) и четвертый электронный переключающий элемент (Q2n), и
--- второй накопитель (16) электрической энергии, соединенный последовательно с упомянутым вторым электронным переключателем (15), при этом упомянутый второй накопитель (16) электрической энергии содержит вторую катушку индуктивности (Ln), второй конденсатор (Cn) и второй запирающий элемент (Dn),
- управляющее устройство (5) для приведения в действие упомянутых первого электронного переключателя (13) и второго электронного переключателя (15) на основе полярности напряжения (vh) устройства (3) для сбора энергии, прикладываемого к входным соединительным элементам (6, 7), при этом упомянутые первая зарядная схема (11) и вторая зарядная схема (12) соединены параллельно друг другу, и устройство (3) для сбора энергии соединено с входными соединительными элементами (6, 7) для обеспечения напряжения (vh).
13. Применение устройства-преобразователя (2) для сбора энергии, включающего
- преобразователь (4), содержащий
-- первый входной соединительный элемент (6) и второй входной соединительный элемент (7) для соединения с устройством (3) для сбора энергии,
-- первый выходной соединительный элемент (9) и второй выходной соединительный элемент (10) для соединения с накопителем (8) гальванического электричества,
-- первую зарядную схему (11) для зарядки упомянутого накопителя (8) гальванического электричества устройства (3) для сбора энергии положительным напряжением (vhp), прикладываемым к упомянутым входным соединительным элементам (6, 7), включающую
--- первый электронный переключатель (13), содержащий последовательную цепь, включающую первый электронный переключающий элемент (Q1n) и второй электронный переключающий элемент (Q2n), и
--- первый накопитель (14) электрической энергии, соединенный последовательно с упомянутым первым электронным переключателем (13), при этом упомянутый первый накопитель (14) электрической энергии содержит первую катушку индуктивности (Lp), первый конденсатор (Ср) и первый запирающий элемент (Dp),
-- вторую зарядную схему (12) для зарядки упомянутого накопителя (8) гальванического электричества устройства (3) для сбора энергии отрицательным напряжением (vhn), прикладываемым к упомянутым входным соединительным элементам (6, 7), включающую
--- второй электронный переключатель (15), содержащий последовательную цепь, включающую третий электронный переключающий элемент (Q1n) и четвертый электронный переключающий элемент (Q2n); и
--- второй накопитель (16) электрической энергии, соединенный последовательно с упомянутым вторым электронным переключателем (15), при этом упомянутый второй накопитель (16) электрической энергии содержит вторую катушку индуктивности (Ln), второй конденсатор (Cn) и второй запирающий элемент (Dn),
- управляющее устройство (5) для приведения в действие упомянутых первого электронного переключателя (13) и второго электронного переключателя (15) устройства (3) для сбора энергии на основе полярности напряжения (vh), прикладываемого к входным соединительным элементам (6, 7),
при этом упомянутые первая зарядная схема (11) и вторая зарядная схема (12) соединены параллельно друг другу и по выбору с устройством (3) для сбора энергии для обеспечения одного из напряжений неизменной полярности (vhp) или (vhn) и напряжения (vh) чередующейся полярности.
RU2017140073A 2016-12-09 2017-11-17 Устройство-преобразователь для сбора энергии, генератор энергии, снабженный таким устройством-преобразователем, и применение такого устройства-преобразователя RU2678583C9 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016224639.9A DE102016224639A1 (de) 2016-12-09 2016-12-09 Umrichtervorrichtung zur Energiegewinnung sowie Energieerzeuger mit einer derartigen Umrichtervorrichtung und Verwendung einer derartigen Umrichtervorrichtung
DE102016224639.9 2016-12-09

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2678583C1 RU2678583C1 (ru) 2019-01-30
RU2678583C9 true RU2678583C9 (ru) 2019-04-11

Family

ID=60327133

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017140073A RU2678583C9 (ru) 2016-12-09 2017-11-17 Устройство-преобразователь для сбора энергии, генератор энергии, снабженный таким устройством-преобразователем, и применение такого устройства-преобразователя

Country Status (9)

Country Link
US (1) US10819120B2 (ru)
EP (1) EP3334027B1 (ru)
KR (1) KR101994864B1 (ru)
CN (1) CN108233739B (ru)
DE (1) DE102016224639A1 (ru)
ES (1) ES2937807T3 (ru)
HK (1) HK1252691A1 (ru)
RU (1) RU2678583C9 (ru)
TW (1) TWI673949B (ru)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101954523B1 (ko) * 2017-08-01 2019-03-05 연세대학교 산학협력단 이중 환경 에너지원을 이용한 에너지 하베스팅 장치 및 방법
TWI742358B (zh) * 2018-05-04 2021-10-11 德商伍爾特電子ｅｉＳｏｓ有限公司 功率變換器及形成其一部分的電路
CN109895640B (zh) * 2019-02-26 2021-12-17 西安理工大学 一种电动汽车无线充电两级控制系统及控制方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009014702A1 (de) * 2009-03-27 2010-10-07 Nikias Klohr Schaltungsanordnung und Verfahren zur Nutzbarmachung elektrischer Energie kleiner Generatoren
RU2421872C1 (ru) * 2010-05-05 2011-06-20 Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Импульсный генератор
US20110181115A1 (en) * 2010-01-28 2011-07-28 Texas Instruments Incorporated Power management DC-DC converter and method for induction energy harvester

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8576589B2 (en) * 2008-01-30 2013-11-05 Cirrus Logic, Inc. Switch state controller with a sense current generated operating voltage
DE102008064402B4 (de) * 2008-12-22 2011-03-10 Texas Instruments Deutschland Gmbh Gleichrichterschaltung
US9059633B2 (en) * 2011-12-21 2015-06-16 Monolithic Power Systems, Inc. Energy harvest system and the method thereof
US9423716B2 (en) 2012-03-01 2016-08-23 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Charge roller
TWI491155B (zh) 2013-04-02 2015-07-01 Phihong Technology Co Ltd 具功因修正與低輸出漣波之單端控制整合性轉換器
JP5928518B2 (ja) * 2014-04-09 2016-06-01 トヨタ自動車株式会社 電力変換装置及びその制御方法
EP2999107A1 (en) * 2014-09-18 2016-03-23 Stichting IMEC Nederland Energy harvesting circuit and method
US10103644B2 (en) * 2014-10-01 2018-10-16 University Of Maryland, College Park Bridgeless resonant AC-DC converters and systems and control systems therefor
TWI528701B (zh) 2015-03-04 2016-04-01 茂達電子股份有限公司 具有相位自我檢測的多相式升壓轉換器及其檢測電路
FR3074619B1 (fr) * 2017-12-01 2019-12-13 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Circuit de recharge d'une batterie electrique au moyen d'un module photovoltaique

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009014702A1 (de) * 2009-03-27 2010-10-07 Nikias Klohr Schaltungsanordnung und Verfahren zur Nutzbarmachung elektrischer Energie kleiner Generatoren
US20110181115A1 (en) * 2010-01-28 2011-07-28 Texas Instruments Incorporated Power management DC-DC converter and method for induction energy harvester
RU2421872C1 (ru) * 2010-05-05 2011-06-20 Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Импульсный генератор

Also Published As

Publication number Publication date
KR101994864B1 (ko) 2019-07-02
TWI673949B (zh) 2019-10-01
DE102016224639A1 (de) 2018-06-14
CN108233739A (zh) 2018-06-29
CN108233739B (zh) 2021-02-26
TW201822450A (zh) 2018-06-16
HK1252691A1 (zh) 2019-05-31
KR20180066867A (ko) 2018-06-19
ES2937807T3 (es) 2023-03-31
EP3334027A1 (de) 2018-06-13
RU2678583C1 (ru) 2019-01-30
EP3334027B1 (de) 2023-01-18
US10819120B2 (en) 2020-10-27
US20180166900A1 (en) 2018-06-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Szarka et al. Ultralow power, fully autonomous boost rectifier for electromagnetic energy harvesters
US7498784B2 (en) Average current detector circuit
JP5486604B2 (ja) 無停電電源装置
US9431845B2 (en) Switching charger, the control circuit and the control method thereof
JP2018057269A (ja) スイッチモード電力コンバータ電流検知装置及び方法
EP2518878A1 (en) DC-DC converter, method for operating the DC-DC converter, environmental energy harvesting system comprising the DC-DC converter, and apparatus comprising the energy harvesting system
RU2678583C9 (ru) Устройство-преобразователь для сбора энергии, генератор энергии, снабженный таким устройством-преобразователем, и применение такого устройства-преобразователя
US20110121797A1 (en) Delay compensation for a dc-dc converter
US20160336857A1 (en) Switching-mode power supplies
KR20160040434A (ko) 정전류 충전과 부합하는 배터리 전하 상태 평가
US20200076305A1 (en) Electronic converter and method of operating an electronic converter
US9748948B2 (en) Methods for overdriving a base current of an emitter switched bipolar junction transistor and corresponding circuits
JP2008064539A (ja) 電子式電流計
US20110050315A1 (en) Power supply and dc-dc-conversion
TW200929818A (en) A buck-boost converter
US10340796B2 (en) Constant on time boost converter control
KR20200109317A (ko) 전기 에너지를 획득하기 위한 디바이스 및 이러한 디바이스를 포함하는 에너지 발전기
CN105790579A (zh) 电源转换器控制器
CN107819407B (zh) 电力转换装置
JP2020025435A (ja) 集積回路及びモータ装置
TW201101663A (en) Power supply and semiconductor test device using the same
US20130093380A1 (en) Solar charge controller with time-variable charging states and time-equal shunting states
Ko et al. Load-balance-independent high efficiency single-inductor multiple-output (SIMO) DC-DC converters
JP2016170000A (ja) 電池試験装置及びその動作方法
JP2009055751A (ja) Ｄｃ／ｄｃコンバータ及びこれを用いた電子機器

Legal Events

Date Code Title Description
TH4A Reissue of patent specification
TK49 Information related to patent modified

Free format text: CORRECTION TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL 4-2019 FOR INID CODE(S) (72)