基于MOSFET和BJT的摩擦纳米发电机（TENG）电源管理系统技术方案

本发明专利技术公开了基于MOSFET和BJT的摩擦纳米发电机(TENG)电源管理系统的新型开关设计，解决了现有技术中三MOSFET开关中二极管带来的能量消耗问题，同时用一种半波整流结合MOS

【技术实现步骤摘要】
基于MOSFET和BJT的摩擦纳米发电机(TENG)电源管理系统


[0001]本专利技术涉及摩擦纳米发电机电源管理系统电力电子技术设计领域，具体为基于MOSFET和BJT的摩擦纳米发电机电源管理系统。

技术介绍

[0002]近年来，摩擦电纳米发电机(triboelectric nanogenerator,TENG)引起了学术界和工业界的广泛关注。在某些情况下，TENG有很大的潜力更换电池。然而，在实际应用中，由于TENG具有随机振幅、高电压和大内阻的特点，必须为其开发一种特殊的电源管理系统(Power management system,PMS)。PMS中最关键的因素是开关的设计和控制。但是在现有技术中，PMS在使用中不能够对所有类型的TENG都适用，且无法用很简单的拓扑实现对电压最大值的追踪。且对于特殊的接触分离式TENG而言，最佳能量转移点是TENG内部电容的最大点，现在对内部电容最大点的追踪只有一个开关设计实现了，但是该开关设计使用了高压二极管，存在着较大的能量损耗。由于TENG产生的能量很微弱，现有的设计多数不能够保证耗能合理性。
[0003]针对上述的技术缺陷，现提出一种解决方案。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就在于为了解决上述提出的问题，而提出基于MOSFET和BJT的摩擦纳米发电机电源管理系统。首先，本开关适用于所有类型的TENG，且对于接触分离式TENG能找到最大电容点并通过开关设计对该点进行追踪，且开关的设计仅用一个MOSFET和一个BJT便完美实现，耗能极低，且开关不需要二极管辅助。具有极强的适应性和稳定性。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：
[0006]基于MOSFET和BJT的摩擦纳米发电机电源管理系统，具有半波整流单元，MOSFET
‑
BJT开关单元，BUCK储能单元：
[0007]半波整流单元，TENG的正半周输出将能量储存在内部电容中。在正半周时，内部电容和TENG一起向过渡电容充电，当过渡电容电压达到最大值时，TENG开路电压的负最值电压也达到了最大值。
[0008]MOSFET
‑
BJT开关单元，开关仅由一个MOSFET和一个BJT组成，二者的耐压可以根据实际情况选取，其中MOSFET为P沟道增强型，而BJT为PNP型。结合半波整流单元，该开关的具体工作步骤如下：
[0009]步骤一，在TENG正向输出进程中，由于半波整流二极管的截止作用，临时电容不充电,MOSFET和BJT不工作。此过程TENG给其内部电容充电，能量存储在TENG内部。
[0010]步骤二，在TENG反向输出进程中，TENG和其内部电容的能量同时输出为临时电容开始充电，而由于MOSFET的栅源电压差为二极管正向导通电压，此时MOSFET关闭，则MOSFET和BJT不工作。
[0011]步骤三，在TENG反向输出电压达到最大值时，临时电容上的电压达到最大，由于电
容储能的作用，临时电容两端电压不变，而与临时电容直接相连的二极管正端电压随着TENG输出电压的降低而降低，这个电势差加在MOSFET上，使得MOSFET导通。
[0012]步骤四，MOSFET导通瞬间，BJT的基极收到触发信号，BJT也导通，且由于其功率放大作用，TENG和临时电容能量会以增强电流的模式流向储能电路。能量转移完成后，系统回到步骤一。
[0013]BUCK储能单元，储能单元的作用是将TENG的瞬时能量以高能量转移效率存储在储能设备如储能电容中，以便需要时进行调用。同时能够对TENG的高电压进行降压处理，便于能量的使用。在MOSFET和BJT导通的过程中，能量同时储存在BUCK电路中的电感和电容中。在MOSFET和BJT关断时，电感中的储能继续向储能电容供电，直至其能量完全释放。
[0014]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0015]1、本专利技术中，用半波整流进行最大内部电容点的寻找，相较于以往用双向输出整流寻找最大电容点的方法而言，拓扑更为简单，且适用性更广，能同时适用于接触分离式，滑动式，单电极式以及独立层模式的TENG。
[0016]2、本专利技术中，使用MOSFET和BJT组合的开关，该开关不需要高压二极管作为偏置，减少了由于高压二极管压降造成能量损耗。且BJT具有功率放大功能，能增强能量转移瞬间的电流大小，具有更大的瞬时电流。在简单的拓扑下，MOSFET
‑
BJT开关能自动追踪TENG的电压最值点，且制作简单，适用所有类型的TENG，更具实用性。
附图说明
[0017]为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本专利技术作进一步的说明。
[0018]图1为正弦曲线代表TENG两个平面的距离，另一区线为过渡电容上的电压曲线
[0019]图2为本专利技术基于MOSFET和BJT的摩擦纳米发电机电源管理系统的原理示意图。
[0020]图3为本专利技术摩擦纳米发电机电源管理系统的BUCK储能过程示意图。
具体实施方式
[0021]以下结合附图对本专利技术进行进一步的解释说明；
[0022]基于MOSFET和BJT的摩擦纳米发电机电源管理系统，具体步骤如下：
[0023]步骤一：TENG输出整流
[0024]本文使用半波整流的方式，有两个好处，一是半波整流结构简单且适用于所有类型的TENG，二是半波整流可以追踪接触分离式TENG的内部内部最大等效电容点。如图1所示，蓝色曲线为TENG输出曲线，红色曲线为临时电容上的电压曲线。可分两个步骤理解半波整流的作用，
[0025]1、TENG输出正半轴时，TENG给内部电容充电，能量储存在TENG自身中。
[0026]2、TENG输出负半轴时，TENG将能量释放给储能电路中去。
[0027]步骤二：MOSFET
‑
BJT的工作原理，可分为四个阶段，如图2所示
[0028]1、正向输出阶段，在TENG正向输出进程中，由于半波整流二极管的截止作用，临时电容不充电,MOSFET和BJT不工作。此过程TENG给其内部电容充电，能量存储在TENG内部。
[0029]2，反向输出阶段，在TENG反向输出进程中，TENG和其内部电容的能量同时输出为临时电容开始充电，而由于MOSFET的栅源电压差为二极管正向导通电压，此时MOSFET关闭，
则MOSFET和BJT不工作。
[0030]3、最大值阶段，在TENG反向输出电压达到最大值时，临时电容上的电压达到最大，由于电容储能的作用，临时电容两端电压不变，而与临时电容直接相连的二极管正端电压随着TENG输出电压的降低而降低，这个电势差加在MOSFET上，使得MOSFET导通。
[0031]4、能量转移阶段，MOSFET导通瞬间，BJT的基极收到触发信号，BJT也导通，且由于其功率放大作用，TENG和临时电容能量会以增强电流的模式流向储能电路。能量转移完成后，系本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于MOSFET和BJT的摩擦纳米发电机(TENG)的电源管理系统，其特征在于，该电源管理系统具体包含以下几个部分结构一：半波整流根据TENG的结构以及电荷转移的特点，半波整流能很好地解决可能的TENG的正负半周电压幅值不一致而导致的能量损耗问题。同时能够在过渡电容较小的情况下达到很高的能量转移效率。结构简单，且易于与开关搭配。本文用半波整理和所提出的开关结合，两者组合实现了最值追踪的功能。结构二：电源管理开关设计为解决以往开关只适用于接触分离式TENG，且开关本身存在二极管而使得能量存在损耗的问题，本文设计了一款不需要二极管，且仅用两个元件实现了最大电压值追踪的MOSFET
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BJT开关。该开关能跟随环境的变化准确找到TENG的电压最值点并在该点将能量转移至储能电路，同时该开关同时适用于四种TENG，是目前首个具有追踪功能的，适用于四种TENG的电子开关。2.根据权利要求1所述的基于MOSFET和BJT的摩擦纳米发电机(TENG)的电源管理系统，所述结构一包括：S1.1首次将半波整流与所提出的MOSFET
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BJT相结合，同时，半波整流也可以实现最大电容点...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘付永洪，杨桂园，戴栋，赵建新，高凌志，欧阳馨晽，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：