【摘 要】
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在工业4.0中,电磁式振动能量收集因其绿色环保、低维护成本的优势有望替代化学电池成为无线传感网络实现自供电的方案。而能量管理电路是电磁式振动能量收集系统中实现能量高效传输和利用的关键部分。本文对能量管理电路进行了现状调研,发现在电能变换方面,缺少适用于低压单级AC-DC变换器的器件选型方案;在能量传输方面,缺少针对单级式AC-DC变换器的最大功率跟踪方案设计,且现有的自启动方案对输入源的能量利用率
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在工业4.0中,电磁式振动能量收集因其绿色环保、低维护成本的优势有望替代化学电池成为无线传感网络实现自供电的方案。而能量管理电路是电磁式振动能量收集系统中实现能量高效传输和利用的关键部分。本文对能量管理电路进行了现状调研,发现在电能变换方面,缺少适用于低压单级AC-DC变换器的器件选型方案;在能量传输方面,缺少针对单级式AC-DC变换器的最大功率跟踪方案设计,且现有的自启动方案对输入源的能量利用率低。本文针对上述问题对能量管理电路进行了深入研究。首先研究了适用于低压ACDC电路的功率器件选型方案实现了能量管理电路的高效变换,发现了低电压等级下功率器件在开关过程中几乎没有米勒平台。其次研究了主动调控的阻抗匹配技术实现最大功率传输,包括针对固定输入特性,采用固定导通时间控制使电路工作在临界导通模式实现阻抗匹配,以及针对输入特性可变,克服交流输入下交流延时和滤波延时带来的最大功率跟踪逻辑判断问题,提出了应用于低压单级AC-DC电路的模拟扰动观察法控制方案;最后研究了可切断式自启动电路和低压自举隔离驱动,并设计了完整的电磁式振动能量收集自供电系统,进一步实现微能量的高效利用。基于上述理论研究,本文设计了基于固定导通时间控制的氮化镓双Boost分裂电容器电路,在临界导通模式下实现固定输入阻抗,达到了72.3%的峰值闭环效率;设计了基于扰动观察法控制的氮化镓双Boost分裂电容器电路,实现了91.66%的能量传输效率为和79.77%的电能变换效率;对包括双Boost变换器、自启动电路和自举隔离驱动的自供电系统进行实验,系统经过40.989s达到3.3V的稳态输出电压,总体效率为67.54%。实验结果证明了本文所提出的理论分析和设计方案的正确性。
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