基于同步电荷提取的高效多压电能俘获电路设计

本文提出了一种基于同步电荷提取的高效多压电能俘获电路(High Efficiency Multi-piezoelectric Energy Harvesting Circuit Based on Synchronous Electric Charge Extraction,EM-SECE).所提出的电路利用改进的正负峰值检测结构,减小了压电元件(Piezoelectric Transducer,PZT)达到电压峰值处和开关动作之间的相位差,从而提高了单个压电元件的能量收集效率.并且利用单电感的时分复用,实现基于单电感的多个压电元件振动能俘获.所提出电路具有无整流桥结构,且可以实现自供电的特点.实验结果表明,相同实验条件下,单压电EM-SECE电路的俘获功率为标准能量俘获电路(SEH)最大功率的3.09倍;在仅用一个电感的情况下,双压电EM-SECE电路的俘获功率为两个单压电EM-SECE电路之和的97％.     

利用PZT块材制备微型压电悬臂梁采能器的研究

采用压电陶瓷(PZT)片状块材设计并制作了一种可集成于微机电系统的压电悬臂梁能量采集器.介绍了元件的整体制备流程,包括湿法化学蚀刻、反应离子(RIE)干法蚀刻、UV-LIGA等流片技术.该文利用环氧树脂将PZT紧密粘结在基片上的方法步骤和工艺参数作了详细描述,最终获得了2000μm×750μm×500μm(长×底宽×尖...     

压电变压器等效电路参数影响因素实验研究

研究了长度伸缩振动压电变压器在二阶振动模式下电学等效电路参数的影响因素。采用PZT压电陶瓷材料制作了不同设计和工艺的压电变压器,并对其等效电路参数进行了多次测量。实验测量值与理论计算值间的误差分析表明,压电变压器电极覆盖面积、引线位置及连接点尺寸等对等效电路参数测量造成显著影响。研究结果为压电变压器实际制作和测试提供了可靠的依据。     

浮桥监测系统用新型压电电源的研究

为解决浮桥监测系统网络节点供电问题,该文设计了一种新型压电电源,其最大特点是采用了以弹簧-质量块组件为核心的自维持压电结构,它将浮桥架设、撤收及通载状态中产生的机械能转换为振动激励源,以延长载荷持续效果并相应延长电源供电时间,解决了现有压电电源供电时间短的缺点。利用ANSYS进行自维持压电结构动态发电特性仿真分析,模拟自维持压电结构产生的电压分布情况,定性分析了相关参数对发电特性的影响规律;制作了原理样机,搭建了马希特锤击机试验系统以浮桥工作环境中的冲击试验,通过试验考核理论研究与试验结果的吻合程度。研究结果表明,该电源结构能高效收集冲击能量,提高了机电转换效率。     

面向压电能量收集的传感器自供电电源设计

随着物联网传感器网络的快速发展,微弱能量收集电路因其诸多优越性而备受关注。该文设计了一种基于压电能量收集技术的电路,其通过收集环境中的低频机械振动能量,经压电陶瓷(PZT)换能器产生交流电压,再经四倍压电路放大,并通过LTC3588-1电源管理电路整流变换,最终产生一个可供低功耗传感器工作的可切换的标准电压。实验结果表明,该电路可有效支持低功耗传感器正常工作。     

压电陶瓷的电特性与功率损耗实验分析

压电陶瓷(PZT)致动器在飞行器的主动振动与噪声控制等航空、航天领域中得到了广泛应用,其电特性和功率损耗的确定对于优化系统结构和设计有效驱动电源均有至关重要的作用.据此,该文提出了一种预测PZT功率损耗的实验方法.该方法通过理论分析与实验测试估计PZT的电容量、介电损耗角正切及功率损耗,最终得到它们与驱动电压峰值和频率的非线性函数关系.这种功率损耗的预测能在主动振动控制领域中为设计压电陶瓷驱动电源提供指标依据.     

基于Ansys的压电陶瓷材料振动特性仿真与研究

本文以智能材料中压电陶瓷为研究对象,对其进行的主动振动控制。本论文总结分析了压电陶瓷的特性和相关的物理学方程,依据理论分析的结果,确定PZT材料的具体参数的选择,分析压电陶瓷特性和力学模型。利用Ansys仿真软件对梁进行模态分析得到各阶模态下的振动频率,观察振动情况。并分析PZT在静态、动态电压下的电致伸缩特性。然后给梁上的压电陶瓷一个激振,观察和分析梁的振动情况。最后在梁的某个位置粘贴第二片压电陶瓷,对其施加与第一片相反的电压,抑制梁的振动,观察分析抑制情况。     

混凝土中压电陶瓷在变载荷作用下的特性研究

提出了一种将压电陶瓷埋入混凝土中进行机械应力测量的方法。为此，研究了埋入混凝土试件中的压电陶瓷（PZT-8）在混凝土试件受到外部变载荷作用的情况下，压电陶瓷特性参数随混凝土内应力的变化。由压电方程建立机电等效电路模型时，压电陶瓷的各物理参数都采用了复数形式。推导了引入复参数后的压电等效电路以及电路中的等效电参数同复参数的关系。使用网络分析仪测出了各等效电路参数在应力作用下的变化。实验结果表明，压电等效电路中的各等效电参数同应力间有着明显的线性关系，这种线性关系在加载和卸载阶段略微不同，呈现出一种迟滞特性。应力同电参数之间的线性关系为提出的通过埋入混凝土中的压电陶瓷测量混凝土中内应力的新的测量方法提供了理论和实验基础。     

多模态下压电振动能量收集器的等效电路仿真

结合有限元分析法和电子电路分析法建立了多模态下压电振动能量收集器与交流-直流（AC-DC）非线性负载电路相连接的等效电路仿真模型。利用有限元分析软件ANSYS确定了压电能量收集器的等效电路参数,根据这些等效电路参数,在PSPICE软件中建立了非线性负载电路条件下压电振动能量收集器的等效电路仿真模型,并实现了其输出电压和功率的快速仿真。仿真结果表明,等效电路仿真模型可得非线性负载电路条件下压电振动能量收集器的输出电压和功率,而这是单独使用ANSYS软件完全不能解决的。这为多模态下压电振动能量收集器的电能预测提供了一种简便而有效的分析方法,更为解决任意复杂非线性负载电路条件下压电振动能量收集器的输出电能预测打下了基础。     

串联2—2复合材料的介电击穿研究

研究了串联2－2型复合材料的介电击穿特性。串联2－2型压电复合材料结构较为简单，它是研究具有复杂连通性压电复合材料的基础。根据能量守恒定律，推导出串联2－2复合材料中压电陶瓷PZT层上和聚合物PVDF层上的电场强度Ec、Ep。由于压电陶瓷的介电常数εc(≈1600ε0)远远大于聚合物的介电常数εp(≈12εo)，因此Ep远远大于Ec。尽管PVDF的介电强度高于PZT的介电强度，但由于Ep远远大于Ec，所以串联2－2型压电复合材料的介电击穿往往是从聚合物层开始的，最后导致复合材料整体被击穿。对理论计算进行了实验验证，结果表明：在PZT含量较低时，计算值与试验值比较接近，但随着复合材料中PZT含量的提高，二者的偏差越来越大。文章最后定性讨论了在高PZT含量时复合材料的计算值与试验值偏差较大的原因。     

Power harvesting with PZT ceramics and circuits design

Power generated from a piezoelectric material usually comes with poor characteristics such as high voltage, low current and high impedance. In order to drive the embedded sensor circuit, piezoelectric power needs to be characterized and regulated. In this paper, we present an analysis on the power generation characteristics and the efficiency of power conversion of the stiff lead zirconate titanate (PZT) ceramics. Moreover, a power circuit design is put forward in the application where PZT elements are used for power generation in a TKR implant. A hybrid direct current (DC)–DC, comprising a switched capacitor (SC) DC–DC converter and a low dropout (LDO) linear voltage regulator, is presented. The variable ratio SC converter has been taped out with 0.35 μm CMOS technology. The test results show that the SC converter can transfer the input voltage that ranges from 5 to 14 V from the PZT ceramics into the voltage ranging from 2 to 2.5 V which will be dealt with by LDO circuit whose efficiency can reach 80%.     

光伏发电系统最大功率点激光定位系统

传统光伏发电系统最大功率点定位精度较差,导致光伏发电系统的功率增益较差,为此提出基于激光点跟踪定位的光伏发电系统最大功率点激光定位方法。构建光伏发电系统的电路阻抗参数分析模型,通过滤波电感和滤波电容联合参数估计的方法,进行光伏发电系统最大功率控制和潮流逆流点跟踪控制,根据控制器参数和功率变化量跟踪定位进行功率突变诱发的激光点,采用激光点扫描方法进行光伏发电系统的受控源参数分析,建立光伏发电系统的端电压分析等效模型,通过光伏并网逆变稳态控制对光伏发电系统最大功率点进行控制,通过激光点定位方法,实现光伏发电系统最大功率点激光定位系统的优化设计。仿真结果表明,采用该方法进行光伏发电系统最大功率点激光定位的精度可达99.96%,功率突变引发的电路过渡过程得到优化控制,提高了光伏发电系统的稳定性和输出增益。     

Temperature effects on output power of piezoelectric vibration energy harvesters

The performance of piezoelectric vibration energy harvesters was studied as a function of environment temperature. The devices fabricated by soft or hard PZTs were used to investigate the effect of material parameters on the thermal degradation of the devices. PZT MEMS device was also prepared and compared with the bulk devices to investigate scaling effect on the thermal degradation. All devices were heated up to 150 °C in an insulating chamber. Output power was estimated by Roundy’s equivalent circuit model and compared with experimental data. The output power of all devices decreased with the increase of the temperature. The output power as a function of temperature can be predicted by the change of piezoelectric coupling coefficient that is proportional to piezoelectric constant and inverse of square root of dielectric constant. Such combined influence on the output power leads to a lower thermal degradation rate of the soft PZT-based device at a lower temperature. For MEMS scale device based on PZT films, temperature dependence of the output power was reduced. This result can be attributed to decreased temperature dependence of dielectric and piezoelectric constants mainly due to constrained domain motions.     

基于Multisim的4种典型功放电路仿真研究

为了准确直观的理解4种典型功率放大电路的电路特性,文中研究了基于Multisim的功率放大电路的仿真测试。首先介绍了Multisim软件常用的分析方法。其次通过Multisim平台建立了4种功放电路的仿真模型,对其进行了瞬态分析和傅里叶分析。仿真结果表明,在基本型功放电路前端串接运算放大器可以提高电路稳定性,减小电路的交越失真。     

基于多重斩波电路的通信电源控制方法

改善通信电源输入电流的谐波和功率因数不仅可以减少对供电系统的污染、提高电源总体效率,同时有利于提高输出电压质量。采用功率因数校正技术可以有效抑制输入电流谐波、提高功率因数,但要求开关管具有较高的开关频率,因此只能应用在一些小功率场合。采用移相调制的多重斩波电路,可以提高等效开关频率,因此可应用在中大功率场合。文章介绍了一种具有功率因数校正的多重斩波电路的控制方法,该方法通过载波移相方式来提高等效开关频率,给出了仿真验证结果。     

风力发电机并网控制方法的研究

目前,风力发电系统都存在并网功率不大、风力发电机与并网控制逆变器不匹配、利用效率低等问题。针对这种情况,该文提出了一种不可控整流、升压电路、全桥逆变的综合电路的方案设计,详细阐述了其工作原理。该文针对提出的方案,设计出并网功率为3kW的逆变控制系统并对其参数选取进行详细的计算、仿真和实验。仿真及实验结果表明,系统运行可靠,其稳态性能和动态性能良好,从而验证了并网控制方案的可行性和系统理论分析的正确性。     

基于定子磁链定向的变速恒频双馈风力发电系统仿真研究

本文首先从电机基本原理出发,分析了双馈电机的等效电路以及在同步坐标和d-q坐标系下电机的数学模型,其次阐述了矢量控制原理和基于定子磁链定向的矢量控制策略,最后利用MATLAB 7.6仿真软件搭建了基于双馈感应发电机的变速恒频风力发电系统,并对仿真结果进行了分析研究。     

基于Matlab/Simulink的SiC MOSFET建模与分析

针对现阶段SiC MOSFET建模研究无法应用在电机控制系统领域的现状,提出了一种基于Matlab/Simulink的SiC MOSFET仿真电路模型。对功率器件的动态特性和静态特性进行综合分析,采用非分段受控电流源模型模拟功率器件静态特性,具体分析SiC MOSFET的开关过程,同时采用曲线拟合的方法对影响器件开关过程的非线性电容进行表征,在Matlab/Simulink中建立SiC MOSFET等效电路模型。为了验证模型准确性,将仿真结果与数据手册中的数据进行比较分析,仿真结果表明所建模型可以较为准确地描述SiC MOSFET动、静态特性,开通时间和关断时间误差均小于7%,对比结果验证了模型的准确性和有效性。建立的模型为SiC MOSFET在电机控制策略仿真及应用领域提供了参考依据。     

基于KLM等效电路的声学匹配层参数扫描法

在超声换能器的声学匹配层的实际实现中,往往无法得到特性阻抗值与经典理论公式计算结果正好吻合的材料。以超声换能器的KLM等效电路模型为基础,对声学匹配层的参数(特性阻抗和厚度)分别进行了扫描,通过绘制匹配效果图(匹配层特性阻抗-输出功率、匹配层厚度-输出功率)的方法寻找最佳的匹配参数。计算表明,当压电材料为PZT5,工作介质为水时,与经典公式提供的参数相比,利用此法所得带宽是前者的2~4倍。