自动匹配压电换能器的最大功率点追踪电路研究

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1、自动匹配压电换能器的最大功率点追踪电路研究①重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：卢建国指导教师：李平教授专业：仪器科学与技术学科门类：工学重庆大学光电工程学院二O一七年四月国家自然科学基金项目（No.61531008，No.61374217）资助StudyonaMaximumPowerPointTrackingCircuitofPiezoelectricEnergyHarvesterswithAutomaticalMatching①AThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequiremen

2、tfortheMaster’sDegreeofEngineeringByLuJianguoSupervisedbyProf.LiPingSpecialty:InstrumentScienceandTechnologyCollegeofOpto-electronicEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaApril,2017SupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.61531008,No.61374217)中文摘要摘要近年来，随着无线通信技术和传感技术的不断进步

3、，无线传感网络被广泛应用于各个领域。无线传感器节点的传统供电方式是采用电池供电，由于无线传感器节点体积小，导致供电电池携带的电量有限，无法满足长期工作的要求，需要定期更换电池。定期更换电池，又会带来电池污染，既不环保也不经济，不符合可持续发展的要求。而且许多传感器节点布置在高压、沼泽、丛林、戈壁等各种复杂的地理环境下，定期更换电池具有很大的危险性。为解决复杂地理环境下无线传感器节点的续航问题，采集环境中的能量为其供电具有必要性。目前，可采集的环境中的能量主要有风能、振动能、太阳能和电磁能等等。在各种各样的能量采集器中，采用压电原理的能量采集器占了很大一部分。利用压电原理可以采集环

4、境中的振动能、风能、潮汐能、磁场能等多种清洁、环保的能量，因此，关于压电能量采集器的研究越来越受到人们的重视。利用压电原理设计的能量采集器具有结构简单、不发热、无电磁干扰、易于加工制作和实现结构上的微小化、集成化等众多优点。但是，压电材料的输出电压幅值高、输出阻抗高，同时，环境中的能量不稳定，导致了能量采集器的输出电能无法被无线传感器节点直接利用，需要能量管理电路对微弱能量进行管理。本文针对不同尺寸压电能量采集器的输出特性，设计了能够自动匹配不同尺寸压电能量采集器的最大功率点追踪电路。该能量管理电路主要由变频匹配电路、反馈控制电路、整流电路和能量存储电路组成。当不同尺寸的压电能量

5、采集器的等效输出电容在一定范围内变化时，该电路能够根据储能电容的充电功率来调整开关的导通时间，进而改变管理电路的等效输入电阻和等效输入电感，使管理电路能够对不同的压电换能器实现自动阻抗匹配，并且保证储能电容始终在最大充电功率点充电。不同尺寸的压电材料具有不同的等效输出电容Cp，传统的管理电路无法对不同尺寸的压电材料实现自动共轭匹配，本文设计了一种能够实现自动阻抗匹配压电换能器的最大充电功率追踪电路。通过检测储能电容的充电功率，控制方波振荡电路输出信号的占空比，进而控制变频匹配开关的导通时间，调节管理电路的输入阻抗，实现对不同尺寸压电换能器的共轭匹配。该电路不仅实现了传统最大功率点

6、追踪电路对单一换能器的电阻匹配，而且还实现了对不同尺寸换能器的共轭匹配。实验结果表明，当压电材料的等效电容Cp在1~30nF范围内变化时，该电路可对压电换能器实现共轭匹配。并且在Cp=30nF，储能电容两端电压为0.8VI重庆大学硕士学位论文时，储能电容达到最大充电功率90.6μW，是上变频匹配电路充电功率的1.32倍，实现了对不同尺寸压电换能器的自动阻抗匹配。本论文是在国家自然科学基金项目（No.61531008和No.61374217）的资助下完成的。关键词：阻抗匹配，压电能量采集，最大功率点跟踪，频率变换II重庆大学硕士学位论文ABSTRACTInrecentyears,w

7、iththedevelopmentofwirelesscommunicationtechnologyandsensortechnology,wirelesssensornetworkhasbeenwidelyusedinvariousfields.Thetraditionalpowersupplyofwirelesssensornodesarebattery-powered,butitisunabletoworkforalongtermbecauseofthepowerinthe