振动能量收集acdc变换电路设计(附件)
本文提出了一种AC-DC电力电子转换器拓扑结构，用于从低压微型发电机获得有效且最佳的能量收集。用于这种应用的传统电力电子转换器具有两个阶段，即前端的二极管桥式整流器，然后是DC-DC调压转换电路。但是，一般微型发电机的极低输出电压不允许二极管桥整流。即使可能，前端二极管电桥中的损耗也会使传统的电力电子接口非常低效。本文提出的转换电路将微型发电机的交流电压直接调压到可用的直流电压电平，从而实现更高的效率。此外，为了获得最佳能量收集，功率转换器应能够控制微型发电机所看到的负载电阻。传统的转换器不利于这种控制。利用所提出的转换器拓扑结构，可以成功实现效率最高的能量转换。关键词 振动能量收集，AC-DC变换电路电路设计，MATLAB
目 录
1 绪论 1
1.1 课题的研究背景及研究意义 1
1.2 研究现状 2
1.3 本文的研究内容 2
2 压电式振动能量收集相关理论分析 3
2.1 压电效应 3
2.2 压电方程 4
2.3 压电模式 4
2.4 压电发电等效电路模型 5
2.5 压电式振动能量收集系统模型研究 5
2.6 发电装置结构及工作原理 6
2.7 系统功率分析 7
2.8 本章小结 8
3 基本电源管理电路分析 8
3.1 能量采集电路选择 8
3.2 整流电路 9
3.3 滤波电路 10
3.3.1 电容滤波 10
3.3.2 电感滤波 11
3.4 储能方式选择 11
3.5调压电路 12
3.5.1 降压斩波电路 12
3.5.2 升压斩波电路 12
3.5.3 升降压斩波电路 13
3.6 本章小结 14
4 实验电路设计与仿真 14
4.1 仿真软件介绍 14
4.2 整流电路仿真分析 14
4.3 滤波电路仿真分析 15
4.3.1 电容滤波 15
4.3.2 电感滤波 16
4.4 调压电 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
路仿真分析 17
4.4.1 降压斩波电路 17
4.4.2 升压斩波电路 18
4.4.3 升降压斩波电路 19
4.5 电路总体方案 20
4.6 本章小结 21
5 试验系统搭建 22
5.1 PCB板制作 22
5.2 实验系统组成 22
5.2.1 SG1040 型函数信号发生器 22
5.2.2 SD1492型功率放大器 23
5.2.3 SD1482 型激振器 23
5.3 实验结果展示 23
5.4 本章小结 26
结论 27
致谢 28
参考文献 29
1 绪论
1.1 课题的研究背景及研究意义
随着电子科学和材料科学的不断进步，传感技术和无线技术的高速发展，传感系统在监测物理参数如温度、湿度和机械压力等应用中变得越来越重要[1]。能量转换器也不断向着集成化，微型化，低功耗的方向发展，并广泛应用于微机电系统，无线传感网络和物联网，从而便携式电子产品和无线传感器的需求量也是大大增加[2]。以化学电池为主的供能方式的弊端日渐显露[3]，所以人们对长寿命电源的需求也越来越强烈。传统的电化学电池不能长期的满足微电子器件的能量需求，对于传统意义上的电池，当电池没电时无线传感器就必须更换电池，但是这一点在有些情况下会变得非常困难。比如，对于那些部署在环境恶劣中的无线传感器节点或者当进入这个系统内部很困难的时候，一旦电池耗尽，将会影响整个系统的持续的工作，就会给我们带来影响和一些不必要的损失，然而为期更换电池几乎是不可能的。这就要求这个系统能够自供电[4]。
自供电设备通过微型发电机收集周围环境的能量，它能够在没有任何连续的外部电源供应的情况下完成自动运行。自然界中存在着各种各样的取之不尽的能源：如太阳能、热能、风能、振动能等等，如果能够利用自然界中这些随处可见的能量，使他们转化成微机电系统所需要的电能[5]，那么就能够替换传统的化学电池或者通过给他们充电以达到持续工作的目的。但是太阳能发电会随着自然环境中太阳光的强度的变化而发生改变，温差电池也会因为温度的变化而影响其发电效果，同样风能发电也会受到地域因素的限制和天气的影响，并且难以小型化。考虑到微电子器件功耗通常极小，而振动能量在周围环境中十分丰富，在过去已经有学者考虑到了利用周围环境中的振动能量转化为电能为微机电系统提供能量[6]。像这样能够将环境中的振动能量直接转换为我们需要的电能的装置统称为振动发电装置[7]。由于此类的微型振动发电装置重量轻，体积小、较传统化学电池经济环保，使微机电系统的使用期限大大延长，所以，如何将四处可得的振动能量转化为能够为微机电系统供能的电能是众多科学研究工作室所考虑的首要问题之一。振动发电装置不仅能够为我们提供更加稳定的供电源头，还可以在供电这一方面的科学研究上创造出不可估量的经济效益。
1.2 研究现状
由于传统的化学电池存在着尺寸大、寿命短、环境污染以及需要工作人员及时更换的问题，已经不太符合微机电系统的需求。而且，如果是在环境恶劣的场所，这不仅是对传统的化学电池的一种挑战，更是对更换电池的工作人员的生命的威胁。迄今为止，已经有不同国家的学者研究将周围环境中的各种能量收集起来，为的就是替代传统电池为各个设备或工作系统进行供电[8]。通常我们称作把从我们身边环境中获得能量并且转化为我们日常能够直接利用的电能并储存起来的技术为能量收集。在上面我们已经讨论过自然界中的风能、太阳能和热能都有自己的限制条件，只有生活环境四周的振动能量是源源不断、广泛存在的[9]，运用能量收集技术将振动能量转换为电能并逐步取代传统电化学电池具有非常大的发展应用前景。21世纪以来，将振动能量转化为电能的这一研究方向已经成为各个国家新能源的研究热点，目前总共有五种振动能量收集技术被提出并进行研究分析：（1）电磁式能量收集技术；（2）静电式能量收集技术；（3）压电式振动能量收集技术；（4）磁致伸缩式能量收集技术；（5）复合式能量收集技术[10]。
1.3 本文的研究内容
本课题主要研究的是压电式振动能量收集的转换电路，利用Matlab/Simulink建立电力电子电路仿真模型并进行仿真，介绍振动能量收集装置的工作原理及应用，具体内容如下：
（1）通过图书馆查找以及网上查询得来的信息，我已基本了解了微型振动能量收集系统的研究意义和发展现状，并指出该研究方向具有极大的发展前景及利用价值；
目 录
1 绪论 1
1.1 课题的研究背景及研究意义 1
1.2 研究现状 2
1.3 本文的研究内容 2
2 压电式振动能量收集相关理论分析 3
2.1 压电效应 3
2.2 压电方程 4
2.3 压电模式 4
2.4 压电发电等效电路模型 5
2.5 压电式振动能量收集系统模型研究 5
2.6 发电装置结构及工作原理 6
2.7 系统功率分析 7
2.8 本章小结 8
3 基本电源管理电路分析 8
3.1 能量采集电路选择 8
3.2 整流电路 9
3.3 滤波电路 10
3.3.1 电容滤波 10
3.3.2 电感滤波 11
3.4 储能方式选择 11
3.5调压电路 12
3.5.1 降压斩波电路 12
3.5.2 升压斩波电路 12
3.5.3 升降压斩波电路 13
3.6 本章小结 14
4 实验电路设计与仿真 14
4.1 仿真软件介绍 14
4.2 整流电路仿真分析 14
4.3 滤波电路仿真分析 15
4.3.1 电容滤波 15
4.3.2 电感滤波 16
4.4 调压电 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
路仿真分析 17
4.4.1 降压斩波电路 17
4.4.2 升压斩波电路 18
4.4.3 升降压斩波电路 19
4.5 电路总体方案 20
4.6 本章小结 21
5 试验系统搭建 22
5.1 PCB板制作 22
5.2 实验系统组成 22
5.2.1 SG1040 型函数信号发生器 22
5.2.2 SD1492型功率放大器 23
5.2.3 SD1482 型激振器 23
5.3 实验结果展示 23
5.4 本章小结 26
结论 27
致谢 28
参考文献 29
1 绪论
1.1 课题的研究背景及研究意义
随着电子科学和材料科学的不断进步，传感技术和无线技术的高速发展，传感系统在监测物理参数如温度、湿度和机械压力等应用中变得越来越重要[1]。能量转换器也不断向着集成化，微型化，低功耗的方向发展，并广泛应用于微机电系统，无线传感网络和物联网，从而便携式电子产品和无线传感器的需求量也是大大增加[2]。以化学电池为主的供能方式的弊端日渐显露[3]，所以人们对长寿命电源的需求也越来越强烈。传统的电化学电池不能长期的满足微电子器件的能量需求，对于传统意义上的电池，当电池没电时无线传感器就必须更换电池，但是这一点在有些情况下会变得非常困难。比如，对于那些部署在环境恶劣中的无线传感器节点或者当进入这个系统内部很困难的时候，一旦电池耗尽，将会影响整个系统的持续的工作，就会给我们带来影响和一些不必要的损失，然而为期更换电池几乎是不可能的。这就要求这个系统能够自供电[4]。
自供电设备通过微型发电机收集周围环境的能量，它能够在没有任何连续的外部电源供应的情况下完成自动运行。自然界中存在着各种各样的取之不尽的能源：如太阳能、热能、风能、振动能等等，如果能够利用自然界中这些随处可见的能量，使他们转化成微机电系统所需要的电能[5]，那么就能够替换传统的化学电池或者通过给他们充电以达到持续工作的目的。但是太阳能发电会随着自然环境中太阳光的强度的变化而发生改变，温差电池也会因为温度的变化而影响其发电效果，同样风能发电也会受到地域因素的限制和天气的影响，并且难以小型化。考虑到微电子器件功耗通常极小，而振动能量在周围环境中十分丰富，在过去已经有学者考虑到了利用周围环境中的振动能量转化为电能为微机电系统提供能量[6]。像这样能够将环境中的振动能量直接转换为我们需要的电能的装置统称为振动发电装置[7]。由于此类的微型振动发电装置重量轻，体积小、较传统化学电池经济环保，使微机电系统的使用期限大大延长，所以，如何将四处可得的振动能量转化为能够为微机电系统供能的电能是众多科学研究工作室所考虑的首要问题之一。振动发电装置不仅能够为我们提供更加稳定的供电源头，还可以在供电这一方面的科学研究上创造出不可估量的经济效益。
1.2 研究现状
由于传统的化学电池存在着尺寸大、寿命短、环境污染以及需要工作人员及时更换的问题，已经不太符合微机电系统的需求。而且，如果是在环境恶劣的场所，这不仅是对传统的化学电池的一种挑战，更是对更换电池的工作人员的生命的威胁。迄今为止，已经有不同国家的学者研究将周围环境中的各种能量收集起来，为的就是替代传统电池为各个设备或工作系统进行供电[8]。通常我们称作把从我们身边环境中获得能量并且转化为我们日常能够直接利用的电能并储存起来的技术为能量收集。在上面我们已经讨论过自然界中的风能、太阳能和热能都有自己的限制条件，只有生活环境四周的振动能量是源源不断、广泛存在的[9]，运用能量收集技术将振动能量转换为电能并逐步取代传统电化学电池具有非常大的发展应用前景。21世纪以来，将振动能量转化为电能的这一研究方向已经成为各个国家新能源的研究热点，目前总共有五种振动能量收集技术被提出并进行研究分析：（1）电磁式能量收集技术；（2）静电式能量收集技术；（3）压电式振动能量收集技术；（4）磁致伸缩式能量收集技术；（5）复合式能量收集技术[10]。
1.3 本文的研究内容
本课题主要研究的是压电式振动能量收集的转换电路，利用Matlab/Simulink建立电力电子电路仿真模型并进行仿真，介绍振动能量收集装置的工作原理及应用，具体内容如下：
（1）通过图书馆查找以及网上查询得来的信息，我已基本了解了微型振动能量收集系统的研究意义和发展现状，并指出该研究方向具有极大的发展前景及利用价值；
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