TWI445280B - Autonomous Piezoelectric Conversion Circuit System - Google Patents

Description

自主性壓電轉換電路系統

本發明係關於一種轉換電路系統，尤其是一種自主性壓電轉換電路系統。

世界能源有限，因此各行各業莫不致力於綠能產業。有愈來愈多人在研究如何利用大自然的能量，例如太陽、風力、潮汐等等的能量，如何將他們轉換為可供各種產品使用的電力。

然而，受限於能量轉換的發電裝置，例如利用壓電元件產生微小電量的發電裝置，若再加上轉換時的能量損失，其所產生的電量較小，可能不足以直接應用在各種須用電的產品上，因為這些用電產品至少需要有一定電壓值以上。在以往，對於這種小電量的儲存，通常都是直接儲存在蓄電電池，也就是將電力儲存在電池當中，再利用電池供電。或至甚至因為無法利用這些小電量，就直接不用而浪費。另由於壓電元件產生電力係為交流電源，一般習用技術皆在前端進行交流轉直流之換流裝置，如此又將所產生之電壓衰減，將壓電發電裝置效率降低且所獲得之能量亦不能完全使用於負載系統。

有鑑於上述習知壓電元件發電裝置的缺失，對於這種無法產生大電量的能量轉換發電裝置，實有必要提供一種自主性壓電轉換電路，本發明人乃亟思發明一種用於壓電發電系統的控制方法，以及使用該控制方法的自主性控制系統。其可自行判斷是直接利用發電裝置供電給負載(須用電的產品)，亦或同時供電給負載並將多餘電力儲存在電池，甚至當發電裝置所產生的電力過小時，利用電池輔助提高電壓供電給負載。

本發明之主要目的係在提供一種可將壓電元件所產生的電源轉換為恒定直流電壓輸出供電給負載之自主性壓電轉換電路系統。本發明所提供的自主性壓電轉換電路系統，其包括：一電壓源、一昇壓轉換電路、一昇壓與降壓雙極性轉換電路及一可充電電池。昇壓轉換電路與昇壓與降壓雙極性轉換電路分別與電壓源電性相連。

電壓源係來自一壓電元件所產生的電力，例如利用壓電元件將機械能轉換為電能。昇壓轉換電路包括一第一電晶體，當電壓源高於一第一電壓值時，第一電晶體為導通(ON)狀態。該昇壓與降壓雙極性轉換電路包括一第二電晶體與一第三電晶體，當該電壓源高於一第二電壓值時，該第三電晶體為導通狀態，且該第二電晶體為截止(OFF)狀態，其中該第二電壓值大於該第一電壓值。

可充電電池與昇壓與降壓雙極性轉換電路電性相連，當該第三電晶體為導通狀態時，該可充電電池儲存來自該壓電元件所產生的電力之一部分。

依據第一電壓值或第二電壓值，並依據第一電晶體、第二晶體或第三電晶體，以決定該電壓源是否直接提供一負載所需的電力，亦或是由可充電電池所儲存的電力提供給該電壓源後，再提供給該負載。該第一電晶體、第二電晶體及第三電晶體係MOSFET電晶體。

較佳者，本發明之自主性壓電轉換電路系統更包括一控制電路，其分別與昇壓轉換電路及昇壓與降壓雙極性轉換電路電性相連，該控制電路係用以調整一輸出電壓，該輸出電壓係供該負載所需之電壓。

自主性壓電轉換電路系統更包括一第一電感與一第二電感，其中該第一電感與該昇壓轉換電路相串聯，該第二電感與該昇壓與降壓雙極性轉換電路相串聯。

自主性壓電轉換電路系統更包括一第一二極體與一第二二極體，其中該第一二極體與該昇壓轉換電路相串聯，該第二二極體與該昇壓與降壓雙極性轉換電路相串聯。

除此之外，本發明還揭露一種利用如申請專利範圍第1項所述之自主性壓電轉換電路系統，提供電力之方法，該方法包括：判斷該電壓源是否高於該第二電壓值；以及判斷該電壓源是否高於該第一電壓值，其中該第二電壓值大於該第一電壓值。

在本實施例中，於判斷該電壓源是否高於該第二電壓值之步驟，若判斷為「是」，則進行：將該壓電元件所產生的電力提供給該負載，並且該可充電電池儲存來自該壓電元件所產生的電力之剩餘部分。

在判斷該電壓源是否高於該第二電壓值之步驟，若判斷為「否」，且在判斷該電壓源是否高於該第一電壓值之步驟，判斷亦為「否」，則進行：將該可充電電池所儲存的電力提供給該電壓源後，再由該電壓源提供電力給該負載。

為能讓 貴審查委員能更瞭解本發明之技術內容，特舉具體實施例說明如下：請先參考圖1，本發明所提供的自主性壓電轉換電路系統，其包括：一電壓源1、一昇壓轉換電路2、一昇壓與降壓雙極性轉換電路3及一可充電電池4。昇壓轉換電路2及昇壓與降壓雙極性轉換電路3分別與電壓源1電性相連。較佳者，昇壓與降壓雙極性轉換電路3是雙向的(bi-directional)直流-直流電源轉換電路。昇壓轉換電路2可以是單向的(directional)直流-直流電源轉換電路。

電壓源1係提供來自一壓電元件(圖未顯示)所產生的電力，例如利用壓電元件將機械能轉換為電能。由於壓電元件產生電力為習知技術，故未在此多贅述。

本發明之自主性壓電轉換電路系統，操作時可分成三種模式：充電/供電模式、混合充電模式、及電壓源供電模式。本發明之運轉分為數種模式，因此可依據壓電元件發電系統中之電壓訊號決定自主性運轉模式。

第一種模式：充電/供電模式

請參考圖2，昇壓轉換電路2包括一第一電晶體Q1，當電壓源1高於一第一電壓值(例如高於1.5V)時，第一電晶體Q1為導通(ON)狀態。昇壓與降壓雙極性轉換電路3包括一第二電晶體Q2與一第三電晶體Q3，當該電壓源高於一第二電壓值(例如高於2.5V)時，該第三電晶體Q3為導通狀態，且該第二電晶體為截止(OFF)狀態，其中該第二電壓值大於該第一電壓值。在本實施例中，第一電晶體 Q1、第二電晶體Q2及第三電晶體Q3係MOSFET電晶體。自主性壓電轉換電路系統更包括一第一電感L1與一第二電感L2，其中第一電感L1與昇壓轉換電路2相串聯，第二電感L2與昇壓與降壓雙極性轉換電路3相串聯。自主性壓電轉換電路系統更包括一第一二極體D1與一第二二極體D2，其中第一二極體D1與昇壓轉換電路2相串聯，第二二極體D2與昇壓與降壓雙極性轉換電路3相串聯。

可充電電池4與昇壓與降壓雙極性轉換電路3電性相連，當第三電晶體Q3為導通狀態時，該可充電電池4儲存來自該壓電元件所產生的電力之一部分。例如，可充電電池4可以是3.3V的鋰電池。更進一步而言，若來自壓電元件所產生的電力足夠，例如大於第二電壓值(2.5V)時，則其電力至少足夠提供給負載L，甚至壓電元件所產生的多於的電力還可儲存在可充電電池4。

請參考圖3的部分電路，也就是在此僅顯示可充電電池4及昇壓與降壓雙極性轉換電路3的作動。此時，第二電晶體Q2為截止狀態，且第三電晶體Q3為導通狀態。

由於來自壓電元件所產生的電力大於第二電壓值(例如2.5V)，昇壓與降壓雙極性轉換電路3為昇壓(Boost)充電工作模式，第三電晶體Q3工作模式，如圖4所示。在[t0,t1]的時間內，第三電晶體Q3導通，電感L2的電流iL上升，二極體D2為截止；在[t1,t2]的時間內，第三電晶體Q3截止，電感L2的電流iL下降，二極體D2導通。

第二種模式：混合充電模式

請參考圖5，若來自壓電元件所產生的電力不夠時，例 如小於第一電壓值(1.5V)時，則進入昇壓與降壓雙極性轉換電路3中的降壓(buck)工作模式，由可充電電池4提供電力給電壓源1，使得壓電元件所產生的電壓位準提升至可進入昇壓(Boost)工作模式，驅動昇壓轉換電路2，以提供電力給負載L。在此一模式之下，只要來自壓電元件所產生的電力太小，例如小於1.5V時，可充電電池4即可提供輔助能量，甚至完全由可充電電池4提供負載L所需的電力。

請參考圖6的部分電路，也就是在此僅顯示可充電電池4及昇壓與降壓雙極性轉換電路3的作動。此時，第二電晶體Q2為導通狀態，且第三電晶體Q3為截止狀態。在降壓型電源轉換器(Buck converter)中，第二電晶體Q2工作模態，如圖7所示。在[t0,t1]的間內，MOSFET Q2導通，電感L2的電流iL上升，二極體D2截止；在[t1,t2]的時間內，MOSFET Q2截止，電感L2的電流iL下降，二極體D2導通。

第三種模式：電壓源供電模式

請參考圖8，若來自壓電元件所產生的電力介於第一電壓值(例如1.5V)與第二電壓值(例如2.5V)之間時，則進入昇壓轉換電路2的昇壓(boost)工作模式，此時僅第一電晶體Q1為導通狀態。換言之，此時負載L所需電力完全是由壓電元件所產生的電力直接提供。

請參考圖9的部分電路，也就是在此僅顯示電壓源1及昇壓轉換電路2的作動。此時，第一電晶體Q1為導通狀態(第二第三電晶體Q2及第三電晶體Q3皆為截止狀態)。昇壓轉換電路2為昇壓(Boost)工作模式，第一電晶體Q1工作模式，如圖10所示。在[t0,t1]的時間內，第一電晶體Q1導通，電感L1的電流iL上升，二極體D1為截止；在[t1,t2]的時間內，第一電晶體Q1截止，電感L1的電流iL下降，二極體D1導通。

因此，依據第一電壓值或第二電壓值，並依據第一電晶體Q1、第二晶體Q2或第三電晶體Q3，本發明可決定該電壓源1是否直接提供負載L所需的電力，亦或是由可充電電池4所儲存的電力提供給電壓源1後，再提供給負載L。

請回到圖1，較佳者，本發明之自主性壓電轉換電路系統更包括一控制電路5，其分別與昇壓轉換電路2及昇壓與降壓雙極性轉換電路3電性相連，該控制電路5係用以調整一輸出電壓，該輸出電壓係供負載L所需之電壓。因此，控制電路5可使輸出電壓因應不同負載L的使用。請同時參考圖11，圖11僅顯示部分電路，以第一電晶體Q1的部份為例說明，利用分壓原理，控制電路5比較回授電壓，以決定輸出電壓，因此可使輸出端為可調式的輸出電壓並進而供給負載L使用。

如此一來，無論壓電元件所生的電力為何，透過本發明之自主性壓電轉換電路系統，都可以有足夠電壓提供給負載，而達到將壓電元件所產生的電源轉換為恒定直流電壓輸出供電給負載之目的。

除此之外，本發明還揭露一種利用如上所述之自主性壓電轉換電路系統，提供電力之方法。請參考圖12該方法包括：

S1：判斷該電壓源是否高於該第二電壓值(例如2.5V)。若判斷為「是」，則進入上述的第一種模式：充電/供電模式，將該壓電元件所產生的電力提供給該負載，並且該可充電電池儲存來自該壓電元件所產生的電力之剩餘部分。若判斷為「否」，則進入步驟S2。

S2：判斷該電壓源是否高於該第一電壓值(例如1.5V)，其中該第二電壓值大於該第一電壓值。若判斷為「是」則進入上述的第三種模式：電壓源供電模式。若判斷為「是」則進入上述的第二種模式：混合供電模式，將該可充電電池所儲存的電力提供給該電壓源後，再由該電壓源提供電力給該負載。

綜上所陳，本發明無論就目的、手段及功效，在在顯示其迥異於習知技術之特徵，懇請　貴審查委員明察，早日賜准專利，俾嘉惠社會，實感德便。惟應注意的是，上述諸多實施例僅係為了便於說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

1．．．電壓源

2．．．昇壓轉換電路

3．．．昇壓與降壓雙極性轉換電路

4．．．可充電電池

5．．．控制電路

L．．．電感

Q．．．電晶體

D．．．二極體

圖1為本發明之自主性壓電轉換電路系統的方塊示意圖。

圖2為自主性壓電轉換電路系統在充電/供電模式下的電路示意圖。

圖3顯示是在充電/供電模式下的昇壓與降壓雙極性轉換電路示意圖。

圖4顯示是在充電/供電模式下的電晶體開關模態。

圖5為自主性壓電轉換電路系統在混合充電模式下的電路示意圖。

圖6顯示是在混合充電模式下的昇壓與降壓雙極性轉換電路示意圖。

圖7顯示是在混合充電模式下的電晶體開關模態。

圖8為自主性壓電轉換電路系統在電壓源供電模式下的電路示意圖。

圖9顯示是在電壓源供電模式下的昇壓與降壓雙極性轉換電路示意圖。

圖10顯示是在電壓源供電模式下的電晶體開關模態。

圖11顯示利用控制電路比較回授電壓，以決定可調式輸出電壓。

圖12顯示利用圖1的自主性壓電轉換電路系統，提供電力之方法流程圖。

1．．．電壓源

2．．．昇壓轉換電路

3．．．昇壓與降壓雙極性轉換電路

4．．．可充電電池

5．．．控制電路

Claims (7)

1. 一種自主性壓電轉換電路系統，其包括：一電壓源，其係來自一壓電元件所產生的電力；一昇壓轉換電路，其與該電壓源電性相連，該昇壓轉換電路包括一第一電晶體，當該電壓源高於一第一電壓值時，該第一電晶體為導通(ON)狀態；一昇壓與降壓雙極性轉換電路，其與該電壓源電性相連，該昇壓與降壓雙極性轉換電路包括一第二電晶體與一第三電晶體，當該電壓源高於一第二電壓值時，該第三電晶體為導通狀態，且該第二電晶體為截止(OFF)狀態，其中該第二電壓值大於該第一電壓值；以及一可充電電池，其與該昇壓與降壓雙極性轉換電路電性相連，當該第三電晶體為導通狀態時，該可充電電池儲存來自該壓電元件所產生的電力之一部分；依據該第一電壓值或該第二電壓值，並依據該第一電晶體、該第二晶體或該第三電晶體，以決定該電壓源是否直接提供一負載所需的電力，亦或是由該可充電電池所儲存的電力提供給該電壓源後，再提供給該負載。
2. 如申請專利範圍第1項所述之自主性壓電轉換電路系統，其中該第一電晶體、第二電晶體及第三電晶體係MOSFET電晶體。
3. 如申請專利範圍第1項所述之自主性壓電轉換電路系統，更包括一控制電路，其分別與該昇壓轉換電路及該昇壓與降壓雙極性轉換電路電性相連，該控制電路係用以調整一輸出電壓，該輸出電壓係供該負載所需之電壓。
4. 如申請專利範圍第1項所述之自主性壓電轉換電路系統，更包括一第一電感與一第二電感，其中該第一電感與該昇壓轉換電路相串聯，該第二電感與該昇壓與降壓雙極性轉換電路相串聯。
5. 如申請專利範圍第1項所述之自主性壓電轉換電路系統，更包括一第一二極體與一第二二極體，其中該第一二極體與該昇壓轉換電路相串聯，該第二二極體與該昇壓與降壓雙極性轉換電路相串聯。
6. 一種利用如申請專利範圍第1項所述之自主性壓電轉換電路系統，提供電力之方法，該方法包括：判斷該電壓源是否高於該第二電壓值；以及判斷該電壓源是否高於該第一電壓值，其中該第二電壓值大於該第一電壓值；在判斷該電壓源是否高於該第二電壓值之步驟，若判斷為「否」，且在判斷該電壓源是否高於該第一電壓值之步驟，判斷亦為「否」，則進行：該可充電電池所儲存的電力提供給該電壓源後，再由該電壓源提供電力給該負載。
7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，在判斷該電壓源是否高於該第二電壓值之步驟，若判斷為「是」，則進行：將該壓電元件所產生的電力提供給該負載，並且該可充電電池儲存來自該壓電元件所產生的電力之剩餘部分。