于歆杰 周新生

（清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系 電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100084）

?

基于非位移檢測(cè)的串聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電感電路

于歆杰 周新生

（清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系 電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100084）

摘要在能量收集領(lǐng)域，傳統(tǒng)的同步開(kāi)關(guān)電感（SSHI）技術(shù)需要檢測(cè)壓電片的位移，無(wú)法應(yīng)用于磁電層合材料能量收集器。針對(duì)這一問(wèn)題，在考慮損耗項(xiàng)的磁電層合材料電氣模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)振動(dòng)同相原理和壓電電壓方程，提出一種利用輔助電極的開(kāi)路電壓信號(hào)來(lái)確定主電極等效電流源的過(guò)零時(shí)刻的方法，以電壓檢測(cè)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的位移檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了串聯(lián)SSHI技術(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與相同條件下的標(biāo)準(zhǔn)能量收集電路（SEH）相比，最大收集功率提高了60%以上。

關(guān)鍵詞：磁電層合材料 能量收集 同步開(kāi)關(guān)電感 無(wú)線電能傳輸

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50877039、51377087）。

0 引言

磁電層合材料由磁致伸縮帶材和壓電片粘接制得，外加交流磁場(chǎng)時(shí)，磁致伸縮材料產(chǎn)生應(yīng)變，帶動(dòng)壓電片振動(dòng)，壓電電極兩端便產(chǎn)生電壓，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)能向電場(chǎng)能的轉(zhuǎn)換。利用磁電層合材料進(jìn)行無(wú)線電能傳輸具有功率密度高和位置不敏感的優(yōu)點(diǎn)[1-3]，在小體積和小功率無(wú)線電能傳輸方面有很大的應(yīng)用前景。但目前基于磁電層合材料的無(wú)線電能傳輸還沒(méi)有達(dá)到實(shí)用的程度，限制因素之一是其能量收集電路還缺少實(shí)用技術(shù)。

對(duì)于磁電層合材料能量收集器，壓電片輸出的電能是交變的，但負(fù)載（如傳感器、控制器等）通常需要直流供電，且只有直流電能可存儲(chǔ)，因此能量收集電路要有一個(gè)AC-DC環(huán)節(jié)，最常見(jiàn)的是標(biāo)準(zhǔn)能量收集（Standard Energy Harvesting,SEH）電路，如圖1a所示，其中點(diǎn)劃線框內(nèi)表示壓電材料的電源模型。通過(guò)在SEH電路后端增加DC-DC變換利用變換器的阻抗（或電壓）變換功能，可增強(qiáng)其收集功率的能力[4-8]，但這些方法并未提高收集的最大功率。

圖1　SEH電路和S-SSHI電路原理Fig.1 Topologies of SEH and S-SSHI circuits

2005年，D.Guymuor等提出了同步開(kāi)關(guān)電感（Synchronized Switch Harvesting with Inductor,SSHI）電路，與SEH電路相比，收集的最大功率可提高數(shù)倍[9]。其原理是在壓電片位移達(dá)到極值的時(shí)刻，觸發(fā)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通形成電感與壓電電容的諧振回路，使壓電電容的電壓發(fā)生“瞬間”翻轉(zhuǎn)，避免了壓電電容上的電荷中和造成的電荷損失。SSHI電路有串聯(lián)（S-SSHI）和并聯(lián)（P-SSHI）兩種，S-SSHI拓?fù)涫窃赟EH電路的前端串聯(lián)開(kāi)關(guān)和電感支路，如圖1b所示；P-SSHI拓?fù)鋭t將該支路并聯(lián)在SEH前端，篇幅原因不再作圖。

原理上，SSHI技術(shù)需要檢測(cè)壓電片的位移，位移檢測(cè)的方式通常有兩種，一種是利用電磁感應(yīng)線圈，壓電片的振動(dòng)引起線圈磁通量的變化，測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來(lái)確定位移極值時(shí)刻[9,10]；另一種是利用光測(cè)距，屬于直接測(cè)量位移的方式[11,12]。然而，磁電層合材料的工作頻率高達(dá)10kHz以上，振動(dòng)位移十分微小，且無(wú)固定點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行位移檢測(cè)十分困難，以上兩種方法均無(wú)法應(yīng)用。

為了在磁電層合材料能量收集中應(yīng)用SSHI技術(shù)提高收集功率，本文建立了考慮損耗的磁電材料模型，依據(jù)振動(dòng)同相和壓電電壓方程，提出一種利用輔助電極的電壓檢測(cè)代替位移檢測(cè)來(lái)確定開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)刻的方法，并以S-SSHI電路為例通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種方法的有效性。

1 考慮損耗項(xiàng)的磁電層合材料電氣模型

低頻下壓電材料可采用電流源并聯(lián)電容的模型[4-9]。但對(duì)于磁電層合材料，其工作頻率在10kHz以上，正常工作時(shí)已經(jīng)有明顯的發(fā)熱現(xiàn)象，可見(jiàn)此時(shí)損耗項(xiàng)成為必考慮的因素。

圖2是用阻抗分析儀測(cè)量的磁電層合材料的幅頻特性和相頻特性，在工作頻率f0（11.6kHz）附近的阻抗已經(jīng)不再是純?nèi)菪?，而是容性和阻性均存在，阻性表征材料工作時(shí)的內(nèi)部損耗。考慮磁電層合材料在諧振頻率附近的完整模型，本文引進(jìn)一個(gè)并聯(lián)電阻Rp表征損耗項(xiàng)，工作中的磁電層合材料的電氣模型如圖3中點(diǎn)劃線框內(nèi)所示。

圖2　磁電層合材料的幅頻特性和相頻特性Fig.2 Characteristic of amplitude-frequency and phase-frequency of magnetoelectric laminated material

圖3　考慮損耗的磁電層合材料電氣模型及驗(yàn)證電路Fig.3 Electrical model and verification circuit of magnetoelectric laminated material with consideration of loss

圖3中Ip和Cp仍為等效電流源和壓電電容，Rp代表振動(dòng)中的機(jī)械損耗和壓電材料的介質(zhì)損耗。由阻抗分析儀的結(jié)果可推斷，等效電路模型中的Cp和Rp是頻率的函數(shù)，在一定頻率下，這兩個(gè)參數(shù)是固定的。采用圖3的電路來(lái)驗(yàn)證這一模型，改變Rload的值，測(cè)量輸出電壓Up的幅值。

Up幅值與負(fù)載電阻Rload的關(guān)系為

在螺線管中通入峰值為Icpp的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)作為磁電層合材料的激勵(lì)，磁場(chǎng)大小與Icpp成正比。Icpp分別為300mA和600mA時(shí)（磁場(chǎng)大小分別約為6.4Oe和12.7Oe，其中1Oe＝79.577 5A/m），測(cè)量不同Rload對(duì)應(yīng)的Up幅值，見(jiàn)表1?；诒碇袛?shù)據(jù)做出圖4的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，根據(jù)式（1）對(duì)兩組數(shù)據(jù)采用相同的Cp、Rp和不同的Ip進(jìn)行擬合，擬合得到Cp＝2.67nF，Rp＝19.0kΩ。并根據(jù)擬合結(jié)果作出的曲線如圖4所示。可見(jiàn)擬合曲線與實(shí)測(cè)值符合較好，說(shuō)明用Ip、Cp和Rp并聯(lián)的模型能比較準(zhǔn)確地表征磁電層合材料在工作狀態(tài)下的電氣特性。

表1　兩種磁場(chǎng)下，不同Rload對(duì)應(yīng)的Up幅值Tab.1 The amplitude of Upcorresponding to various Rloadunder two magnetic fields

圖4　Cp和Rp的參數(shù)擬合結(jié)果Fig.4 Results of parameter-fitting of Cpand Rp

2 基于非位移檢測(cè)的S-SSHI實(shí)現(xiàn)

基于位移檢測(cè)的SSHI方案中，根據(jù)壓電電壓方程，等效電流源正比于位移的導(dǎo)數(shù)。實(shí)際上，位移的極值點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的是等效電流源的過(guò)零點(diǎn)。在等效電流源的過(guò)零點(diǎn)觸發(fā)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通將獲得最大的輸出功率。

另一方面，磁電層合材料模型中的Cp和Rp是頻率的函數(shù)，在一定頻率的磁場(chǎng)激勵(lì)下，磁電層合材料模型中的Cp和Rp是確定值，那么在工作頻率下，電極開(kāi)路時(shí)，輸出電壓和電流源將保持固定的相位差，這一相位差就是Cp和Rp的并聯(lián)導(dǎo)納角θ。一定頻率下固定的相位差對(duì)應(yīng)固定的時(shí)間差，所以開(kāi)路時(shí)輸出電壓的正（負(fù)）向過(guò)零點(diǎn)將提前于等效電流源電流的負(fù)（正）向過(guò)零點(diǎn)一個(gè)固定時(shí)間差Δt。

然而，對(duì)于單獨(dú)的一對(duì)電極，當(dāng)后接電路時(shí)，上述相位差會(huì)因負(fù)載不同而不同，若電路中含有半導(dǎo)體器件等非線性元件，輸出電壓不再是正弦波形，“相位差”將變得不可測(cè)。因此，單獨(dú)的一對(duì)電極在帶載時(shí)無(wú)法靠檢測(cè)輸出電壓得到電流源過(guò)零點(diǎn)。

本文提出引入一對(duì)輔助電極，將磁電層合材料的壓電電極一分為二，如圖5所示。對(duì)于這兩對(duì)電極，壓電材料的振動(dòng)是同相的，根據(jù)壓電電壓方程，兩個(gè)材料模型中電流源的相位是一致的。那么檢測(cè)輔助電極的開(kāi)路電壓正（負(fù)）向過(guò)零點(diǎn)，便可根據(jù)式（3）得到帶載的主電極中等效電流源的負(fù)（正）向過(guò)零點(diǎn)，替代了位移檢測(cè)。

圖5　帶有兩對(duì)電極的磁電層合材料Fig.5 Magnetoelectric laminated material with two pairs of electrodes

在不考慮損耗項(xiàng)時(shí)，觸發(fā)S1（S2）的最佳時(shí)刻是電流源的過(guò)零時(shí)刻，考慮到損耗電阻Rp后，電源模型有所改變，因此有必要研究一下這種模型下，觸發(fā)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的最優(yōu)時(shí)刻。

電路如圖6a所示，設(shè)電流源的電流為i（t）＝Ipsin（ωt），ω為振動(dòng)角頻率；VM和Vm分別是Cp由正向負(fù)翻轉(zhuǎn)前后的電壓值，對(duì)稱(chēng)地，Cp由負(fù)向正翻轉(zhuǎn)前后的電壓值分別為-VM和-Vm；VOC＝Ip/（ωCp），為無(wú)損耗模型的開(kāi)路電壓幅值；Vd為諧振回路的半導(dǎo)體總壓降，包括兩個(gè)二極管導(dǎo)通壓降和一個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通壓降；γ 為諧振過(guò)程中Cp的翻轉(zhuǎn)系數(shù)。若在電流源相角為φ時(shí)觸發(fā)開(kāi)關(guān)，Cp電壓由負(fù)向正翻轉(zhuǎn)，結(jié)束時(shí)up（?/ω）＝-Vm，如圖6b所示，經(jīng)過(guò)1/2個(gè)振動(dòng)周期，Cp將充電到VM，電路求解方程為

圖6　S-SSHI電路拓?fù)浜凸ぷ鞑ㄐ蜦ig.6 Topology and waveforms of S-SSHI circuit

而

將式（5）代入式（4）得

將up由-Vm到VM的過(guò)程近似為線性增加，即

將式（7）代入式（6），并加入γ 的計(jì)算式得

由式（9）和式（10）可知，在考慮Rp的影響后，觸發(fā)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的時(shí)刻仍然是? ＝0的時(shí)刻，也即電流過(guò)零點(diǎn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7是磁電層合材料能量收集系統(tǒng)，包括交流電源、磁場(chǎng)發(fā)生器、磁電層合材料、S-SSHI電路及其控制電路。

圖7　基于磁電層合材料的能量收集系統(tǒng)Fig.7 Energy harvesting system based on magnetoelectric laminated material

磁場(chǎng)發(fā)生器是一個(gè)長(zhǎng)15cm、直徑5cm的空心螺線管線圈，在電流為1A的情況下，其軸線中心產(chǎn)生60Oe（1Oe＝79.577 5A/m）的磁場(chǎng)，可作為磁電層合材料的激勵(lì)。S-SSHI控制電路包括：電壓過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路，MCU（采用TI公司的MSP430F149單片機(jī)）和開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路。磁電層合材料的振動(dòng)頻率為11.6kHz。

圖8是實(shí)驗(yàn)的波形。通道1是開(kāi)路的輔助電極的電壓波形，用于電壓檢測(cè)；通道2是帶載的主電極的電壓波形，用于能量收集；通道3是開(kāi)關(guān)S1的驅(qū)動(dòng)電壓（示波器僅有四個(gè)通道，因此S2的驅(qū)動(dòng)電壓未能顯示）；通道4是整流電容的電壓Vrect。圖8上圖表示：當(dāng)檢測(cè)到輔助電極的電壓正向過(guò)零后，MCU經(jīng)過(guò)Δt的延時(shí)，在Ip負(fù)向過(guò)零時(shí)，控制開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路使S1導(dǎo)通，使主電極的電壓相對(duì)于Vrect“瞬間”翻轉(zhuǎn)。圖8下圖是翻轉(zhuǎn)過(guò)程的波形，翻轉(zhuǎn)持續(xù)時(shí)間ΔtLC是Cp和L的1/2諧振周期。

圖8　S-SSHI電路的實(shí)驗(yàn)波形Fig.8 Waveforms of proposed S-SSHI circuit

改變負(fù)載電阻的值，Crect兩端電壓也將改變，收集功率也隨之變化，圖9是相同條件下S-SSHI電路和SEH電路收集功率隨負(fù)載變化的曲線。從圖中可看出，在負(fù)載不超過(guò)30kΩ時(shí)，S-SSHI電路的收集功率要高于SEH電路，最大功率較SEH電路提高了60%以上，并且負(fù)載電阻越小，功率提高越顯著。這是因?yàn)镃p的電壓翻轉(zhuǎn)的參考線是Crect的電壓Vrect（加上諧振回路半導(dǎo)體壓降Vd，較小可忽略），隨著負(fù)載電阻的增大，Vrect也增大，Cp兩端的電壓翻轉(zhuǎn)帶來(lái)的效應(yīng)越不明顯，功率提高也就越少。另外，對(duì)于最大收集功率對(duì)應(yīng)的負(fù)載電阻（分別為Ropt,S-SSHI和Ropt,SEH），S-SSHI電路比SEH電路小，這也更有利于實(shí)際應(yīng)用。

圖9　S-SSHI電路和SEH電路的功率-負(fù)載特性Fig.9 Experiment results of harvesting power of SEH and S-SSHI circuit as a function of load

4 結(jié)論

磁電層合材料用于無(wú)線電能傳輸有很好的前景，但它的工作頻率高達(dá)10kHz以上，對(duì)其進(jìn)行電氣建模時(shí)必須考慮損耗項(xiàng)的存在，采用電流源、電容和電阻并聯(lián)的模型能較完整地表征材料的容性?xún)?nèi)阻和損耗。在一定頻率下，磁電層合材料模型中的電容值和電阻值也是一定的，因此開(kāi)路電壓和等效電流源的相位差也是固定的，這為根據(jù)檢測(cè)電壓過(guò)零點(diǎn)來(lái)推測(cè)電流源過(guò)零點(diǎn)提供了依據(jù)。本文提出將壓電電極一分為二，輔助電極開(kāi)路，用于檢測(cè)，主電極用于收集能量，以電壓檢測(cè)代替位移檢測(cè)，在磁電層合材料能量收集中實(shí)現(xiàn)了S-SSHI電路。實(shí)驗(yàn)表明，利用這種方式實(shí)現(xiàn)的S-SSHI電路的最大收集功率較SEH電路提高了60%以上。

參考文獻(xiàn)

[1]O'Handley R C,Huang J K,Bono D C,et al.Improved wireless,transcutaneous power transmission for in vivo applications[J].IEEE Sensors Journal,2008,8（1）:57-62.

[2]文玉梅,王東,李平,等.FeCuNbSiB對(duì)FeNi/PZT復(fù)合結(jié)構(gòu)磁電效應(yīng)的影響[J].物理學(xué)報(bào),2011,60（9）:635-640.Wen Yumei,Wang Dong,Li Ping,et al.Influence of high-permeability FeCuNbSiB alloy on magnetoelectric effect of EeNi/PZT laminated composite[J].Acta Physica Sinica,2011,60（9）:635-640.

[3]于歆杰,吳天逸,李臻.基于Metglas/PFC磁電層狀復(fù)合材料的電能無(wú)線傳輸系統(tǒng)[J].物理學(xué)報(bào),2013,62（5）:535-542.Yu Xinjie,Wu Tianyi,Li Zhen,Wireless energy transfer system based on metglas/PFC magnetoelectric laminated composites[J].Acta Physica Sinica,2013,62（5）:535-542.

[4]Ottman G K,Hofmann H F,Bhatt A C,et al.Adaptive piezoelectric energy harvesting circuit for wireless remote power supply[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2002,17（5）:669-676.

[5]Ottman G K,Hofmann H F,Lesieutre A.Optimized piezoelectric energy harvesting circuit using stepdown converter in discontinuous conduction mode[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2003,18（2）:696-703.

[6]Tabesh A,Frechette L G.A low-power stand-alone adaptive circuit for harvesting energy rrom a piezoelectric micropower generator[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2010,57（3）:840-849.

[7]Lefeuvre E,Audigier D,Richard C,et al.Buck-Boost converter for sensorless power optimization of piezoelectric energy harvester[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2007,22（5）:2018-2025.

[8]Kong N,Dong S H.Low-power design of a selfpowered piezoelectric energy harvesting system with maximum power point tracking[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27（5）:2298-2308.

[9]Guyomar D,Badel A,Lefeuvre E,et al.Toward energy harvesting using active materials and conversion improvement by nonlinear processing[J].IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics and Frequency Control,2005,52（4）:584-595.

[10]Badel A,Guyomar D,Lefeuvre E,et al.Piezoelectric energy harvesting using a synchronized switch technique[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures,2006,17（23）:831-839.

[11]Wu W J,Wickenheiser A M,Reissman T,et al.Modeling and experimental verification of synchronized discharging techniques for boosting power harvesting from piezoelectric transducers[J].Smart Materials and Structures,2009,18（5）:4005-4021.

[12]Shen H,Qiu J,Ji H,et al.Enhanced synchronized switch harvesting:a new energy harvesting scheme for efficient energy extraction[J].Smart Materials and Structures,2010,19（11）:115017-115030.

于歆杰 男，1973年生，博士，副教授，研究方向?yàn)槊}沖功率技術(shù)和無(wú)線電能傳輸。

E-mail:yuxj@tsinghua.edu.cn（通信作者）

周新生 男，1989年生，碩士研究生，研究方向?yàn)闊o(wú)線電能傳輸。

E-mail:zxs07@mails.tsinghua.edu.cn

An Implementation of Series-Synchronized Switch Harvesting with Inductor Circuit without Displacement Detector

Yu Xinjie Zhou Xinsheng
（State Key Laboratory of Power System Tsinghua University Beijing 100084 China）

AbstractIn the field of energy harvesting,displacement detecting has been necessary in classical synchronized switch harvesting with inductor（SSHI）which is,however,hard to be applied for magnetoelectric laminated material.In this paper,a novel implement of series-SSHI（S-SSHI）technique is proposed.The electrodes of magnetoelectric laminated material are divided into two pairs,and the assistant pairs are used for voltage detecting and the main pair for energy harvesting.Based on the electrical model of magnetoelectric laminated material with consideration of loss,the triggering signal of S-SSHI is obtained from the voltage detecting on the assistant electrodes instead of displacement detecting device.Experimental results show that,under the same conditions,with the proposed S-SSHI circuit,the maximum harvested energy can increase 60% or more than that of the standard energy harvesting（SEH）circuit.

Keywords：Magnetoelectric laminated material,energy harvesting,synchronized switch harvesting with inductor,wireless power transfer

作者簡(jiǎn)介

收稿日期2013-10-21 改稿日期 2013-12-23

中圖分類(lèi)號(hào)：TM722