具有可變電容器的電轉換器的製作方法

2023-06-25 23:38:46

專利名稱：具有可變電容器的電轉換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種小型電轉換器，其被設計為將由電源提供的第一電勢的電能轉換 為可以被電系統使用的不同電勢的電能。
背景技術：
通常，通過電源提供的電能處於例如220V的電壓，並且許多裝置特別是可攜式裝 置需要更低的工作電壓，例如12V或14V。因此，這需要使用還被稱為電變壓器的電能轉換 器，該系統通常為電感式的。電轉換器基於以下原理工作來自任意電源的具有給定電勢或者給定電流的電能 以另一種形式被存儲，然後，恢復為具有需要的電勢或者電流的電形式。用已知的方式將電能以磁的形式存儲在電/電轉換結構(電感器、變壓器)中。 然而，這種基於電磁元件的轉換結構必須足夠大以能夠提供良好的電性能。如果減小電感 式電磁系統的尺寸，則由繞組導致的電阻損耗相對於可以存儲在磁元件中的能量變得非常 大；因此，效率變得非常低，這使得在非常小的系統(例如集成在矽上的系統)中這種電磁 元件的使用沒有優勢，除非可接受極其低的效率。此外，這些結構需要電流循環，而電流循環會導致細導線中的能量消耗和溫度上升。文獻US 6 317 342描述了使用可變電容器的電壓轉換器。這種轉換器會產生高 能量損耗。該轉換器還必須工作在共振狀態，使得外部時鐘必須進行電荷轉移。因此，本發明的目的之一是提供一種具有良好性能的小型電能轉換系統。

發明內容
上述目的是通過這樣的系統來實現的，其中通過使用具有至少一個電容器的靜電 結構將能量以機械的形式存儲在該系統中，該電容器具有可變氣隙以及在電容器板之間產 生的靜電力用於進行轉換。恆定電荷的工作步驟減小了系統損耗，使得該系統的性能可以 比根據現有技術的系統更好。因此，轉換涉及僅由靜電力產生的機械運動。以例如動能和/或勢能的機械能的形式進行存儲，勢能可以是諸如彈簧壓縮或者 杆彎曲的機械變形能量。根據本發明的系統可以包括設置有可移動板的至少一個可變電容器，該電容器能 夠通過使可移動電容器板移動(例如通過使彈簧變形)來將給定電壓的電能轉換為機械 能，從而將機械能存儲在彈簧中，然後，利用可移動電容器板的新的移動將該機械能轉換為 另一電壓的電能。於是，依次地以激勵器模式和電能轉換器模式使用該靜電結構。在另一實施例中，系統可以包括兩個電容器，一個電容器具有使可移動電容器板 移動的主要功能，以及另一個電容器更具體地具有修正電壓的主要功能。根據本發明的系統可以以電壓逐步下降或者逐步上升運行。
根據本發明，極小型的轉換器是可行的。與電磁轉換的情況不同，利用靜電轉換， 結構的每單位體積的電容隨著尺寸的減小而增大，因此，每單位體積可轉換的能量變高。表 面面積增大，該材料的結構更好並且氣隙減小。而且，在靜電系統中，通過電壓/電場產生機械力來存儲能量而不是通過電流來 存儲能量，因此，不存在由具有小截面的導線中的電流循環導致的能量消耗，並且沒有溫度升高。此外，可以在非常小的系統的情況下使用諸如矽的單晶材料，因此，轉換系統的機 械阻尼很低並且機械品質因數很高，達到了極低機械損耗的結果。於是，製造適於在可攜式電子設備中使用的非常小的集成系統變得可行。可以連接若干個系統來進行至若干個電壓值的電能的轉換。一個顯著的優勢為轉換系統以兩種不同的模式運行第一模式，電荷的電勢逐漸改變，而沒有任何電流循環，第二模式，電荷循環而沒有任何電勢差。以這兩種模式連續運行的系統使得沒有電荷轉移損耗。在轉換系統中所消耗的功 率等於電流和電壓差的乘積，並且在這兩種模式下消耗的功率總是為0，這是因為每種模式 下的分量之一總是為0。於是，根據本發明的系統實現了在轉換期間低的能量損耗。還存在所謂的「切換電容」系統，利用具有固定機械結構的至少兩個電容器，通過 將這兩個電容器的連接順序地切換為並聯和串連來進行能量轉移，構成了該系統的工作原 理。然而，如果只在電容器連接至電源之前，電源和電容器之間存在電壓差，則僅轉移 能量。因此，當閉合開關時，由於電壓差而產生消耗的能量損失。因此，本發明的重要主題是一種用於通過轉換系統將第一電壓下的第一電能轉換 為第二電壓下的第二電能的方法，該轉換系統包括至少一個第一電壓的電壓源，其通過充 電開關而連接至可變電容器；放電開關，設置為與可變電容器並聯；聚集第二電壓下的能 量的裝置；以及在可變電容器和聚集裝置之間轉移能量的裝置，可變電容器包括固定板、能 夠遠離和朝向固定板移動的可移動板、以及使可移動板返回其初始位置的彈性裝置，對於 一個完整的轉換周期，該方法包括以下步驟a)閉合充電開關同時放電開關保持斷開，使得以第一電壓對可變電容器充電，並 且使可移動板移動以增大電容器的電容；b)斷開充電開關同時保持放電開關斷開，以允許電容器以恆定電荷運行，電容器 的電容繼續增大；c)閉合放電開關，以允許可變電容器至少部分放電，並且使可移動元件的移動反 向；轉移裝置在可移動電極的移動期間提供從電容器至聚集裝置的能量轉移。本發明的另一主題為從第一電壓的第一電能至第二電壓的第二電能的轉換系統， 該轉換系統包括至少一個第一電壓的電壓源，其通過充電開關連接至可變電容器；放電 開關，設置為與可變電容器並聯；第二電壓的能量聚集裝置；以及能量轉移裝置(在可變電 容器和聚集裝置之間進行能量轉移)，可變電容器包括固定板、能夠遠離和朝向固定板移動 的可移動板、以及使可移動板返回其初始位置的彈性裝置。
所述轉換系統還包括控制充電開關和放電開關的裝置，使得對於轉換周期a)在第一步驟期間，放電開關斷開並且充電開關閉合，使得以第一電壓對電容器 進行充電，並且使可移動板移動以增大電容器的電容；b)在第二步驟期間，充電開關斷開並且放電開關保持斷開，以允許電容器以恆定 電荷運行，電容器的電容繼續增大；c)在第三步驟期間，放電開關閉合，以允許可變電容器至少部分放電，導致使可移 動元件的移動反向；轉移裝置在可移動電極的移動期間將能量從電容器轉移至聚集裝置。有利地，開關是可控的，使得當電容器的電容為最小值時，閉合充電開關。有利地，開關是可控的，使得當電容器的電容為最大值時，閉合放電開關。例如，電容器的一個電極可以通過轉移開關或二極體連接至聚集裝置。例如，在可 變電容器的可移動電極的移動階段(與其電容的減少相對應)期間，使轉移開關或者二極 管導通。在一實施例中，可變電容器形成第一電容器，該系統還包括第二可變電容器，該第 二可變電容器至少包括固定板和能夠遠離固定板並且與固定板分離地移動的可移動板，第 一電容器和第二電容器中的可移動板在移動中被彼此固定，第二可變電容器通過轉移開關 或者二極體連接至聚集裝置。有利地，第二電容器包括配置在可移動板的每側上的兩個固 定板。在另一實施例中，每個電容器均包括固定板，並且每個固定板均被配置在共用的 可移動板的一側上。有利地，第一電容器的第一固定板具有面向位於第二電容器的第二固定板的表面 上方的可移動板的表面。有利地，放電開關閉合持續時間小於轉換周期持續時間的百分之一。例如，放電開關由可變電容器的固定板和可移動板上支撐的元件形成，通過使固 定板上支撐的元件彼此接觸來發生放電。根據時間、可移動板的位置值、電容器之一的電容、電容器的端電壓、或電容器的 端電壓的微分，來控制開關。該系統可以是由矽製成的集成系統。恢復裝置可以在例如彈簧、鋸片(balde)、以及可變形杆中選擇。本發明的另一主題為電能轉換組合裝置，該組合裝置包括至少兩個根據本發明的 轉換系統，所述組合裝置能夠將第一電壓的第一電能轉換為多個第二電壓的多個第二電 能；該系統可以具有共用的可移動電極。本發明的另一主題為一種電子設備，其包括至少一個根據本發明的電能轉換系統 或根據本發明的轉換組合裝置。


在閱讀以下描述和附圖之後，將更好地理解本發明，其中圖1為根據本發明的轉換系統的第一實施例的示意圖；圖2A 圖2D為圖1中的系統的不同特性的曲線圖3為表示圖1中的開關的不同狀態的計時圖；圖4為根據本發明的轉換系統的第二實施例的示意圖；圖5A 圖5D為圖4中的系統的不同特性的曲線圖；圖6為表示圖4中的開關的不同狀態的計時圖；圖7為根據本發明的包括單個可變電容器的轉換系統的第三實施例的示意圖；圖7A 圖7C為圖7中的系統的不同特性的曲線圖，圖7D示出了表示圖7中的開 關的不同狀態的計時圖；圖8A和圖8B分別為根據第三實施例的轉換系統的示例性應用實施例的頂視圖和 側視圖；圖9為根據第三實施例的轉換系統的另一應用實施例的側視圖；圖10示出了作為圖9中系統的靜電力的函數的兩端固定杆的變化；圖11示出了作為圖9的系統中兩端固定杆的振動幅度的函數的共振頻率的變化。圖12示出了圖7中的轉換系統的變化實施例的示意圖。
具體實施例方式在下文的描述中，將系統描述為其以不同的模式運行，即恆定電壓模式和恆定電 荷模式。然而，這兩種模式可以重疊，即，電壓可以與電荷同時改變，反之亦然，這取決於怎 樣控制開關。在圖3、圖6、以及圖7D中示出的計時圖中，數字0表示開關的斷開狀態，1表示開 關的閉合狀態。圖1示出了根據第一實施例的轉換系統的示意圖，該轉換系統包括第一可變電 容器2、第二可變電容器4、給定電勢Ve的電能源6和以電池形式示出的給定電勢Vs的電能 聚集系統8。在下文的描述中，我們將聚集系統8表示為電池。第一電容器包括固定板2. 1和可移動板2. 2，其形成具有可變氣隙的電容器；第二 電容器4包括固定板4. 1和可移動板4. 2，其也形成具有可變氣隙的電容器。在所示的實例中，第二電容器4包括配置在可移動板4. 2的每一側上的兩個固定 板 4. Ia 和 4. Ib0兩個電容器的可移動板2. 2,4. 2在移動時彼此固定，具體地，朝向第一電容器的 固定板2. 1移動可移動板2. 2導致可移動板4. 2朝向第二電容器4的固定板4. Ia移動並 且遠離第二電容器4的固定板4. Ib移動，而遠離第一電容器的固定板2. 1移動可移動板 2. 2導致可移動板4. 2遠離第二電容器的固定板4. Ia移動並且朝向第二電容器4的固定板 4. Ib移動。在所示實例中，可移動板2. 2和4. 2是一致的。在下文的描述中，我們將僅使用參 考符號2. 2來指兩個電容器2、4共用的可移動板。使用具有單個固定板的第二電容器4也是可行的。如我們將在下文的描述中所看到的，固定板2. 1,4. Ia以及4. Ib與可移動板2. 2 之間的靜電力可增大，從而導致可移動板的移動；因此，設置了作用於可移動板的彈性恢復 裝置(未示出)。這些恢復裝置形成為以機械能的形式存儲電能的臨時裝置。例如，恢復裝 置由可以垂直於其軸變形的杆或一個或者多個彈簧組成。
可變形杆的優點在於其通過微電子處理易於被製造，例如，在矽集成系統的情況 下。能源6連接在可移動板2. 2和固定板2. 1之間，開關12設置在能源6和固定板2. 1 之間，形成為用於第一電容器2的充電開關。能源6還與固定板4. Ia和4. Ib並聯連接，開 關14設置在能源6與固定板4. Ia和4. Ib之間。開關14形成為用於第二電容器4的充電 開關。此外，聚集系統8連接至可移動板2. 2並且連接至固定板4. Ia和4. lb，轉移開關 16設置在電池8和固定板4. Ia之間。固定板2. 1通過形成為用於第一電容器的放電開關的開關18，還連接至可移動板V1表示第一電容器2的端電壓，V2表示第二電容器4的端電壓，fel表示由固定板 2. 1施加在可移動板2. 2上的靜電力，fe2表示由固定板4. 1施加在可移動板2. 2上的靜電 力，以及fk表示由彈性恢復裝置施加的力。可移動板2. 2的位置沿著Z軸標出並且表示為ζ ；在該實例中，當可移動板4. 2 (或 2. 2)在距兩個固定電極4. Ia和4. Ib相等的距離處時，ζ等於零，彈簧處於靜止狀態。現在，我們將參照圖2Α 2D中的轉換系統的不同特性的變化的曲線圖來描述該 系統將電勢\的電能轉換為高於\的電勢Vs的運行。在初始狀態下，開關12、14、16以及18斷開，第一電容器和第二電容器放電。在時 間tQ處，開關12和14閉合。這些開關一閉合，就對固定板2. 1,4. la、4. Ib和可移動板2. 2 充電，電容器2和電容器4被電連接，並且電壓V1和V2均等於Ve。電流Il通過開關12循 環。因此，分別在固定板2. 1與可移動板2. 2之間和固定板4. la、4. Ib與移動板2. 2之間 的靜電力fel和fe2上升。fe2是由固定板4. Ia和4. Ib施加在可移動板2. 2上的靜電力的 合力，當可移動板2. 2處於其靜止位置時，fe2為最小。這樣選擇板4. Ia和4. Ib使得當可 移動板已經開始向板4. Ia移動(ζ為正)時，合力fe2朝向板4. Ia吸引可移動板2. 2，以上 在本實例中，可移動板的初始移動是施加靜電力的結果。由於靜電力fel、fe2的和大於機械力fk的和，所以可移動板2. 2朝向固定板2. 1、 4. Ia移動，如在圖2A中可以看到的，ζ增大。因此，能量以機械形式(動能和勢能)被存 儲。因為板2. 1,4. Ia和2. 2朝向彼此移動，所以如在圖2B中所示，靜電力fel、fe2和 機械力fk增大。開關12保持閉合直到時間、。從能源6提取的電能通過彈性裝置的變形以機械 勢能的形式存儲在彈性裝置中，而且由於電極具有非零速度，所以電能還以由電極的移動 導致的動能形式進行存儲。當持續時間越長時，所存儲的能量的量越高。注意到當通過閉合開關從電壓源開始對最初完全放電的電容充電時，能量損耗對 應於轉移至電容器的能量，即，1/2CXV/在閉合開關時消耗在開關中，而1/2CXV/有效地 轉移至將要被充電的電容器，同時在Ve的電源處所消耗的能量等於CXV/。因此，優選地， 當在、時間處閉合開關12時，電容器的電容應最小。因此，當第一電容器2的電容C1在斷 開開關12和閉合開關12的時間之間的比較高時，在、和、之間的該階段期間損耗的能量 相對於轉移的能量的百分比較低。
根據本發明，在下一步驟時間、處，開關12斷開並且開關18保持斷開，如在圖2D 中所看到的，電流I1變為零。於是，系統以恆定電荷運行，靜電力停止增大。這由圖2B 中的平穩狀態示出。板2. 2繼續其移動並且朝向固定板2. 1和4. Ia移動。電勢和關聯的電 能隨著電容器2的電容的增大(由於板2. 2和2. 1朝向彼此移動)而減小。在時間、處， 存儲在電容器2中的電能逐漸轉變為存儲在彈性恢復裝置中的機械能。在時間t2處，當可移動板非常接近於固定板時，即，當ζ達到最大值時，開關14斷 開，開關12保持斷開並且暫時地閉合開關18以將來自第一電容器2的固定板2. 1的電荷 清除，靜電力4變為零。如以上所說明的，注意到當閉合開關18時，所消耗的電能隨著電容器2的電容在 時間、處斷開開關12的時間與在時間t2處閉合開關18的時間之間的改變的增大而減小。 時間、和t2之間的該恆定電荷階段減小了存儲在電容器中的將在閉合開關18時丟失的電 能。根據上述操作的一個變形，在時間、和t3期間電容器2進行部分放電。在圖2C' 中可以看到部分放電情況下的電壓V1的變化。可見，當可移動板朝向如下所述的其平衡位 置移動時，電容器2的部分放電電平使得電壓V1在該周期結束時(或者更精確地，在下一個 周期開始時間^時)約等於V—這提供了一種明智的手段，首先限制了所考慮周期的能量 損耗，其次消除了與在時間^處的下一個周期開始時的開關12的閉合有關的能量損耗。電容器2必須充分放電，以使在開關18再次斷開之後的時間t3處的恢復力fk大 於靜電力之和。然後，由恢復裝置施加的恢復力fk將可移動板2. 2移動至其初始位置並且 遠離固定電極2. 1和4. la。有利地，當板2. 1和2. 2處於接觸極限時，閉合開關18是可行的。可以在可移動板和固定板之間設置安全距離以防止任何損壞。然而，可移動板可 以與導電擋塊接觸，以使所存儲的電荷自動消除而不使用必須控制其激勵的附加開關。這 樣發生的與擋塊的這種接觸使得不消耗來自可移動板2. 2的機械能，並且不損壞系統。由於可移動板2. 2返回其平衡位置並且因此遠離固定板4. Ia移動，所以可移動板 2. 2增大了第二電容器4的端電勢。當可移動板4. 2返回其平衡位置時，第二電容器的電容 C2減小。固定板4. Ia通過開關14的斷開(開關16也保持斷開)與剩餘電路電隔離並且 其電荷Q2沒有改變，因此，我們得到V2^ (I)因此，在恆定電荷Q2時，C2的減小可增大V2。因此，原則上，該階段無損耗。在下一個步驟時間t4期間，在彈性恢復裝置的變形階段期間以機械形式存儲的能 量以電勢V陝復至電池8。為了實現上述過程，當電勢％達到電勢VsW，開關閉合。於是， 限制了電勢V2並且將電荷從固定板4. 1轉移至電池8。原則上，該階段也是無損耗的，這是 因為當開關16閉合時，開關16的端電壓(兩端的電勢Vs)為零。在上述階段期間，電荷從輸入電勢Ve轉移至輸出電勢Vs。實際上，第二電容器4用 作電荷載體，並且第一電容器2提供了將這些電荷從電勢Ne改變至Vs所需要的附加能量。如在圖2A中所看到的，由於剩餘動能，可移動板2. 2在該周期結束的時間t5處不處於初始位置。將電勢Ve的電能轉換為電勢Vs的電能的步驟構成一個轉換周期。與根據現有技 術的情形的、僅以連續模式運行在共振頻率周圍的轉換器不同，根據本發明的轉換器可以 以連續模式或瞬時模式運行。利用本發明，可以將能量快速地轉移並且在任何時候均具有 低的能量損耗。此外，在時間t2和t3之間發生的電容器的放電是非常快的，小於初始位置與當可 移動板返回至初始位置之間Utl和t5之間)的機械移動的周期的1/100。利用本發明，可以連續地執行多個周期，其中一個周期接著一個周期(運行在可 移動元件的機械共振處或不運行在機械共振處)，或者根據應用和在每個周期之間逝去的 不確定時間而在任意時間(異步轉移)執行多個周期。注意到利用本發明，開關的明斷控制優選地選擇為與機械組件的釋放時間相適 合，以使可移動元件返回。與根據現有技術的設備不同，這種類型的明斷控制能夠使根據本 發明的系統運行在其機械共振頻率之外。連續運行具有減小電損耗的優點。如上所說明的，在對完全放電的電容器進行充 電時，消耗並損耗電能，並且如在圖2D中所看到的，電能由周期開始(、)處的I1電流峰值 來體現。然而，當恰好在第一周期之後的時間^處無間斷地開始新周期時，並且如果當閉 合開關18時第一電容器2特意沒有完全放電，則當閉合開關12時，不需要對電容器2進行 充電。於是，如可以在圖2D中所看到的，不存在電流峰值消耗。因此，在第二周期期間不存 在電損耗。因此，由於在開關12的兩側上的這種預充電現象，使得後續周期沒有任何電損 耗發生，並且剩餘的所有損耗是與電容器2的部分或者全部放電相關聯的損耗。可以使用具有校準時間的電晶體，或者使用與電阻相關聯的並且與電容器2形成 RC電路的電晶體，對第一電容器進行部分放電。反之，在非同步運行的情況下，因為第一電容器必須被再充電，所以每次在周期開 始處存在損耗。圖1的第一實施例中的兩個固定電極4. Ia和4. Ib的使用具有改善轉換設備的可 控性的優點。當電荷恆定保持在C2(開關14和16斷開)時，為由兩個固定板4. Ia和4. Ib施 加在可移動板4. 2上的靜電力的合力的靜電力fe2與可移動板4. 2的位置ζ成正比。另一方面，固定板2. 1和可移動板2. 2之間的靜電力fel在恆定電荷下為常數，這 是電容器2全部或者部分放電之後的情況。如果不完全放電，則存在與fe2相比被認為是可 忽略的剩餘靜電力felres。因此，我們可以得出fe2 = kfe2zfk = krz其中，『為比例係數，kr為彈性裝置的剛性常數。因此，在時間t3開始處，彈性裝置的恢復力和fe2作用於可移動板2. 2。通過選擇 小於&的kft2，確信當為零或者幾乎為零時，施加至可移動板2. 2的力的合力將允許可 移動板遠離板4. Ia移動而返回其平衡位置。圖4示出了根據本發明的電轉換器的第二實施例，其中，可移動板配置在兩個可變電容器的固定板之間。轉換器包括第一電容器102，由固定板102. 1和可移動板102. 2形成，其中該固 定板和可移動板形成具有可變氣隙的電容器；第二電容器104，由固定板104. 1和可移動 板102. 2形成，其中該固定板和可移動板形成可變氣隙電容器；轉換器還包括電壓V6的能 源106，其第一端子接地並且連接至可移動板102. 2，第二端子通過開關112連接至固定板 102. 1，並且通過二極體114連接至固定板104. 1。轉換器還包括下文中稱作電池的電壓Vs 的電能聚集器108。二極體116配置在固定板104. 1和聚集器108之間。固定板102. 1還通過開關118連接至地。可移動板102. 2可以沿著與最大表面垂直的ζ軸移動以朝向或者遠離固定板 102. 1,104. 1移動。彈性裝置120將可移動板連接至框架(未示出)並且可以使可移動板 返回到其平衡位置。在所示的實例中，彈性裝置為彈簧。為0的平衡位置ζ是沒有靜電力 施加在固定板102. 1,104. 1和可移動板102. 2之間的可移動板102. 2的位置。設計為面向可移動板102. 2的固定板102. 1的表面面積大於面向可移動板102. 2 的固定板104. 1的表面面積。因此，當可移動電極102. 2接近於其平衡位置時，對於相同的 施加電壓，由板102. 1施加的靜電吸引力強於由板104. 1施加的靜電吸引力。V1為第一電容器102兩端的電勢差，V2為第二電容器104兩端的電勢差。在板具有相等表面面積的情況下，具有觸發移動的非對稱結構是有利的，這通過 移動平衡位置來完成，即，將可移動板102. 2設置為與電極104. 1相比更接近電極102. 1。 這樣進行移動使得當V2等於Ve時初始位置為例如電極102. 1和104. 1之間的中間位置。 然而，對稱結構仍包括在本發明的範圍內。現在，我們將參照圖5A 5D的曲線圖和圖6中所示的開關112的狀態的時間圖 來說明根據圖4的轉換器的運行。在初始狀態下，開關112斷開並且只有第二電容器104的固定板104. 1通過二極 管114被極化為電壓Ve、V2 = VJ除二極體電壓以外)。板104. 1攜帶電荷，因此，在固定板 104. 1和可移動板102. 2之間產生靜電力。因此，可移動板102. 2朝向固定板104. 1移動， 從而，如在圖5A中所看到的，ζ坐標在t = 0處為負。在下一步驟中，閉合開關112，於是，板102. 1也為電壓Ve，並且V1 = Vp這樣，在 固定板102. 1和可移動板102. 2之間也產生靜電力。由於面向可移動板102. 2的固定板 102. 1的表面面積大於板104. 1的表面面積，因此，由固定板102. 1施加在可移動板102. 2 上的吸引力大於由固定板104. 1施加的吸引力，可移動板102. 2改變其移動方向，結果，可 移動板102. 2通過遠離固定板104. 1移動而朝向固定板102. 1移動。這種分離移動導致二 極管114截止且恆定電荷下的第二電容器104的端電壓V2增大，二極體114和116截止，隨 後，當電容器的端電壓V2達到值Vs (參見圖5C)時，二極體116導通，並且因為在恆定電壓 Vs下，當電容減小時電荷減少，所以電荷從第二電容器104的固定板104. 1轉移至電池108。在下一步驟中，再次斷開開關112。由於可移動板102. 2的慣性，可移動板102. 2 朝向最大位置ζ繼續其移動。由於斷開開關112，所以存儲在電容器102中的電荷量保持恆 定，並且由於電容器102的板102. 1和102. 2朝向彼此移動而導致電容增大，所以如圖5B 中所示的，電壓V1減小。因此，所存儲的電能隨著存儲在彈性恢復裝置120中的機械勢能的增大而減小。
當可移動板102. 2處於最大值ζ位置時，閉合開關118，結果，由於固定板102. 1接 地，所以固定板102. 1為零電勢。於是，當可移動板102. 2朝向固定板102. 1移動時，存儲在恢復彈簧120中的能量 恢復為動能形式，並且造成可移動板102. 2朝向固定板104. 1移動直到其到達其負ζ值。當 可移動板102. 2已經到達其最小ζ位置時，新的周期開始，於是開關112閉合，並且重新開 始與上述周期相似的轉換周期。根據在圖4中所示的轉換器的一個變形實施例，開關118可以由允許電容器102 的部分放電的裝置來替換，如上述關於其他實施例所描述的那些。但電容器102必須充分 放電以使可移動板102. 2的反向移動。這種部分放電可以在下一周期期間減小開關112的 損耗。為了實現上述過程，電極102. 2必須保持足夠的電荷以使其在閉合開關112時達到 電壓\。圖5D示出了圖4的系統中的不同電流的變化。在該實施例中，存儲在彈簧中的勢能可以使可移動板102. 2返回其平衡位置，並 且該能量在下一周期期間將轉換為電能。該實施例具有與連續操作情況下的第一實施例相同的優點，S卩，在第二周期中存 在更少的損耗。執行第一周期的事實可以將可移動板102. 2置於進一步遠離板102. 1的位 置(在其初始位置之外)。結果，增大了電極102.2和電極104.1之間的電容；越多的電荷 (Q = CV2)轉移至電極104. 1並且於是越多的電荷轉移至電池108，因此，在每個周期中轉 移的電荷量越多。然後，在還稱作共振模式的連續模式下，可以在ζ值非常低處(即，當電極102. 1 和電極102. 2之間的電容非常小時)閉合開關112;於是，當開關112閉合時，存在更少的 損耗，並且如參照第一實施例所描述的，如果將剩餘電荷留在電極102. 1上，則可能根本沒 有損耗。圖7示出了根據本發明的電轉換系統的第三實施例，該系統包括其功能隨著時間 改變的單個可變電容器。轉換系統包括由固定電極202. 1和可移動電極202. 2形成的可變電容器202。電 壓Ve的能源206首先通過稱為充電開關的開關212連接至電容器的可移動電極202. 2，其 次連接至電容器的固定電極202. 1。稱為放電開關的開關218設置為與可變電容器202並 聯。電壓\的電能聚集器208首先通過開關216連接至電容器202的可移動板202. 2，其 次連接至電容器的固定板202. 1。還設置了彈性恢復裝置220以使可移動板返回其初始位置，在所示的實例中，以 彈簧的形式示意性地示出該彈性裝置。現在，我們將使用與圖7D中的時間圖對應的圖7A 7C中的曲線圖來說明該系統 的運行。在時間t(l之前，所有的開關斷開，並且靜電結構完全放電，電壓V2為零。在時間、處，開關212閉合，可變電容器202快速充電至電壓Ve，與電極202. 2的機 械運動的周期相比，充電時間很短。由於該充電是短暫的，所以出現電流峰值ie。在該充電 期間，將在電源\處消耗的能量的一半轉移至電容器202，而另一半消耗在開關212中。有 利地，由於所消耗的能量等於E = 1/2CV/，所以在電容202儘可能小的時候閉合開關212。
由於電容器202的端電壓的存在，所以在時間、和、之間(步驟1)，在電極202. 1 和202. 2之間產生靜電力。該靜電力使兩個電極202. 1,202. 2朝向彼此移動，並且增大電 容器202的電容。結果，增大了存儲在電容器和恢復裝置中的機械能和電能。電極202.2 的移動增大了存儲在彈性元件(彈簧)中的動能和機械勢能，並且稱為Cin__d的電容的增 大增加了存儲的電能，這是因為E= l/2Cin _dV/。存儲在靜電結構中的電能的這種整體 增大源於電源\並且實際上無損耗。在時間、處，開關212斷開。此刻存儲在電容202上的電荷表示為Qtl = CtlVe。在步驟2期間，電極202. 2在恆定電荷(Q = QtlCtlVe)下繼續其移動。電容器202 的端電壓V2隨著電容的增大而減小(V2 = Qt/Cincreased)，因此，相應的電能減小(E = 1/2QLV)。實際上，存儲在電容器202上的電能在時間、處逐漸轉變為機械能(存儲在彈 性元件中的機械能增大)。在時間t2處，有利地，在電極202. 2處於其最接近電極202. 1處時，換句話說，當電 容器的電容為最大值(Cmax)時，由於E = l/2Qtl2/Cmax，因此存儲在電容器202中的電能為其 最低，在電極202. 2移動的機械周期之前的短時間內閉合開關218，從而存儲在電容202中 的電荷部分放電。在步驟4的開始處，開關218在時間t3處再次斷開。存儲在電容器202中的電荷 減少導致電和機械力的新的平衡，這促使了電極202. 2返回並遠離電極202. 1移動。由於 所有開關均斷開，所以在步驟4期間，該返回發生在恆定電荷下。由於電容器202的電容正 在減少，所以其端部電壓增大，這是因為V = Q/C。在時間t4處，並且優選地，在電容器202的端電勢達到輸出電壓Vs時，開關216閉 合。開關216在這些端部之間的電勢差為零時閉合，並且因為電容器的兩端電勢等於Vs，於 是與該閉合相關聯的損耗近似為零。電極202. 2繼續在恆定電壓(Vs)下遠離電極202. 1移 動。存儲在電極202. 2上的部分電荷被轉移至聚集器218，並且電容器202上的電荷減少。從時間t5開始，優選地，開關216在電容器202的電容達到其最小值時斷開，以使 轉移至輸出端的電能Eteansfened = 1/2 (Ct5-Ct4) Vs2最大化。可移動電極202. 2朝向電極202. 1的方向移動，於是在恆定電荷下電容202增大， 並且這些端電壓減小，電壓V2減小。在時間、處，優選地，在電容器202的端電壓V2達到Ve時，開關212閉合。結果， 在這些端部之間的電勢差為零時開關閉合，電勢等於每側上的νε。因此，與該閉合相關聯的 損耗近似為零。周期的鏈環執行避免了與開關212的閉合相關聯的損耗。因為電容212初 始被完全放電(其不再是在^處的情況)，所以在起始轉變、處產生損耗。圖12示出了圖7中的系統的變形實施例，其中，轉移開關216被二極體214替換。 該系統實際上以與圖7中的系統相同的方式運行。在可移動電極202. 1的移動期間(與電 容器202的電容的減少相對應)，除二極體電壓以外，當電壓V2變得大於電壓Vs時，二極體 214導通，使得電荷能夠向聚集器208轉移。對於所有的實施例，例如，可以根據時間、根據電容或電壓的測量結果、或根據電 壓的零導數，來控制開關。還可以使用位置傳感器來檢測可移動板的位置。上述本發明的所有實施例可以以電壓逐步上升或者逐步下降運行。可以提供 檢測輸出聚集裝置中的電壓電平的裝置、能夠對充電開關和放電開關的控制起制動作用(retro-acting)的調節裝置、以及其他裝置。例如，可以增加或者減少轉換周期數。在所示的實例中，系統包括具有至少一個不同電極的兩個電容器(第一實施例和 第二實施例)或單個電容器。注意到每個電容器可以由並聯的幾個電容器組成，例如在將 振動能量轉換為電能的領域中眾所周知的內部交叉梳型電容器的形式。在第一實施例的情 況下，不需要為每個第二電容器均提供一個第一電容器2，對於多個第二電容器，具有將電 能轉換為機械能的一個電容器2即是可行的，該多個第二電容器將該機械能轉換為與輸入 電勢不同電勢的電能。因此，我們的發明即使在非常小的系統的情況下也能夠保持高效率，並且因此適 用於毫微瓦級的極低功率系統並且還適用於一瓦級的中等功率系統。因此，本發明具體可應用於所有的低功率系統，例如諸如行動電話或者膝上型計 算機的可攜式電子裝置。本發明尤其適用於下述類型的裝置。這些電子裝置通常包括運行在不同供電電壓 下的若干組件。目前，必須為每個組件使用笨重的轉換系統。利用本發明，可以製造用於每 個電壓的集成轉換系統，該系統還產生由焦耳效應導致的非常小的熱量或者不產生熱量。 還可以使用單個激勵電容器來進行幾個電壓電平的轉換，尤其在第一實施例的情況下。與位於為它們提供能量的裝置的外部的現有轉換系統(例如，行動電話充電器) 不同，可以將該系統集成在電子裝置中，而不增大電子裝置的尺寸。圖8A和圖8B示出了根據第三實施例的轉換系統的應用實施例的實例。該系統包括印刷電路式支撐體216，固定電極202. 1通過例如金屬噴鍍被製造在 該印刷電路式支撐體上。可移動電極202. 2由機械杆218的懸掛端218. 2形成，並且設置為面向固定電極 202. 1，其中機械杆為能夠彎曲變形的金屬鋸片的形式。通過第一縱向端218. 1將杆218固定在兩排間隔件220上，其中兩排間隔件固定 在支撐體216上，以將移動電極與固定電極以很高的精度隔開。已經對間隔件220固定在其上的區域219進行了金屬噴鍍，使得可得到杆218的 電勢，這是因為間隔件220導電並且印刷電路被隔離。例如，杆218可以由不鏽鋼製成。杆具有與第一縱向端218. 1相對的第二縱向 端218. 2，其形狀使得在變形之後當其向固定電極靠近移動時，其變成與固定電極202. 1並聯。例如，兩個間隔件220的間隔距離dl等於1cm。電極的頂端長度d2等於3cm並且 固定電極202. 1和可移動電極202. 2之間的氣隙為100 μ m。現在，作為實例，我們將計算這種類型的系統可以轉換的能量/功率比。考慮輸入電壓Ve = 24V並且輸出電壓Vs = 5V的情況。我們將考慮在時間、期間開關212閉合，以使可移動電極202. 2達到距離5V電勢 的固定電極202. 1為0. 1 μ m，然後，其遠離移動至15 μ m的距離，開關214閉合，同時在Vs 下轉移的能量E
transferred 將為Etransferred = 1/2 (Cmax-Cmin) Vs2, 其中， 因此，Etransferred= IlOnJ 每周期。通過選擇杆厚度和材料以使杆共振在IOkHz處，於是，可以每秒執行約10000個周 期，因此，可以將10000X IlOX 10_9 = 1. ImW從電源Ve轉移至輸出端Vs。因此，有利的是具有小氣隙以使最大電容Cmax和因此每周期的可轉換能量(在 Cmax/Cmin = dmax/dmin保持高的狀態下)最大化。如果使用微電子處理製造結構，該優勢尤其 有用。如果需要轉換高的電功率，則具有高的共振頻率也是有利的。如果杆具有高的品質因數而使機械損耗最小也是有利的。圖9示出了根據第三實施例的轉換系統的應用實施例的另一實例。在該實例中，杆218藉助於墊片220而懸掛在其縱向端218. 1、218. 2的每端，墊片 提供了可移動電極與固定電極分離的精確間距。杆218為兩端固定的鋸片型。因此，可移動電極202. 2由杆的中心部分形成，而固定電極202. 1通過金屬噴鍍形 成在支撐體上。作為實例，兩個墊片之間的杆的長度d3為6cm。可移動電極和固定電極之間的靜 止距離為100 μ m。該系統與在圖8A和8B中所示的系統非常類似，唯一的差別為杆變形模式。在相對 於杆厚度為低幅度杆變形的情況下，該性能保持為與圖8A和圖8B中所示的系統相同。當 杆的變形幅度相對於杆厚度較大時，其性能為強非線性，換句話說，其中心處的變形(氣隙 變化)不再與施加的靜電力成正比，而是其形狀如圖10中所示。圖10中的曲線示出了變 形Def作為靜電力的函數的變化，並且包括A所表示的線性區和之後的B所表示的非線性 區。以虛線C所表示的從線性區至非線性區的轉變近似對應於等於杆厚度的變形。在小變形的情況下，換句話說，在與杆的厚度相比變形很小的情況下，主要模式為 具有與施加的力成正比的變形的彎曲模式。另一方面，對於大的變形，換句話說，變形大於 杆厚度，主要模式為具有隨著變形的立方變化的力的張力模式(類似於彈簧)。這種非線性有利於可移動電極的激勵。當可移動電極遠離固定電極時，可施加的 靜電力受限(靜電力與電場(E = Ve/氣隙)成正比)。因此，即使靜電力受限，杆在更大距 離處時，相當柔韌的杆也可以使其更為接近。另一方面，當可移動電極移動到非常接近固定 電極時，所施加的靜電力變大。在這種情況下，變得更硬的杆也不會阻礙激勵，並且對於相 同的位移，可以以機械的形式存儲更多的能量。結果，選擇比線性區稍大(換句話說，稍大於杆厚度)的初始氣隙是有利的。杆的非線性還使共振頻率取決於圖11中所示的變形的幅度。圖11中的曲線示出 了共振頻率Fk作為振幅Vib的函數的變化。並且其包括D所表示的線性區以及之後E所表 示的非線性區。由於非線性對共振頻率的影響，非線性還可以調節功率轉換。通過作用於開關控 制，可以修改杆的變形幅度並且因此改變共振頻率，從而改變電荷轉移頻率，並且還可以改 變從電源\至輸出端Vs所傳輸的電功率。有必要修改變形幅度的所有情況為例如通過改
15變開關212的閉合時間來改變輸入至杆的能量的量。可以調節共振頻率的事實首先使得可以調節轉換的電功率，同時保持在連續模式 下(並且因此，在低損耗模式下)，其次使得可以限制切換開關的數量，並且因此，在將要轉 換的功率較低時可以降低相關聯的損耗，這有助於即使在低轉換功率下也可以保持良好的 效率(近似恆定的轉換功率/損耗比)。本領域技術人員可以想像根據本發明的轉換系統的其他實施例。例如，可以使用 其他類型的可變電容器，諸如具有可相對於另一電極橫向移動的電極的電容器，該電極通 過改變兩個電極之間的面向表面來相對於另一電極橫向移動。
權利要求
一種方法，用於通過轉換系統將第一電壓(Ve)下的第一電能轉換為第二電壓(VS)下的第二電能，所述轉換系統包括至少一個所述第一電壓(Ve)的電壓源(6)，所述電壓源通過充電開關(212)連接至可變電容器(202)；放電開關(18)，設置為與所述可變電容器並聯；以所述第二電壓(VS)聚集能量的裝置(208)；以及在所述可變電容器(202)和所述聚集裝置(208)之間轉移能量的裝置(216)，所述可變電容器(202)包括固定板、能夠遠離和朝向所述固定板移動的可移動板、以及使所述可移動板返回其初始位置的彈性裝置，對於一個完整的轉換周期，所述方法包括以下步驟a)閉合所述充電開關(212)，同時所述放電開關保持斷開，使得以所述第一電壓(Ve)對所述可變電容器(202)充電，並且使所述可移動板移動以增大所述電容器的電容；b)斷開所述充電開關(212)，同時保持所述放電開關(218)斷開，以允許所述電容器以恆定電荷運行，所述電容器(202)的電容繼續增大；c)閉合所述放電開關(218)，以允許所述可變電容器(202)至少部分放電，並且使所述可移動元件的移動反向；所述轉移裝置在所述可移動電極的移動期間提供從所述電容器至所述聚集裝置的能量轉移。
2.一種將第一電壓( 下的第一電能轉換至第二電壓(Vs)下的第二電能的轉換系統， 所述轉換系統包括至少一個所述第一電壓(Ve)的電壓源(6 ； 106 ；206)，所述電壓源通過 充電開關(12 ；112 ；212)連接至可變電容器(2 ；102 ；202)；放電開關(18 ；118 ；218)，設置 為與所述可變電容器並聯；所述第二電壓(Vs)下的能量聚集裝置(8 ； 108 ；208)；以及在所 述可變電容器(202)和所述聚集裝置(208)之間轉移能量的裝置(4，16 ；104,116 ；216)，所 述可變電容器(202)包括固定板、能夠遠離和朝向所述固定板移動的可移動板、以及使所 述可移動板返回其初始位置的彈性裝置；所述轉換系統還包括控制所述充電開關和所述放電開關的裝置，使得對於一個轉換周期a)在第一步驟期間，所述放電開關斷開，並且所述充電開關閉合，使得以所述第一電壓 (Ve)對所述電容器充電，並且使所述可移動板移動以增大所述電容器的電容；b)在第二步驟期間，所述充電開關斷開，並且所述放電開關保持斷開，以允許所述電容 器以恆定電荷運行，所述電容器的電容繼續增大；c)在第三步驟期間，所述放電開關閉合，以允許所述可變電容器至少部分放電，從而使 所述可移動元件的移動反向；所述轉移裝置在所述可移動電極的移動期間將能量從所述電容器轉移至所述聚集裝置。
3.根據權利要求2所述的轉換系統，其中，所述開關是可控的，使得當所述電容器(2; 102 ；202)的電容為最小值時，閉合所述充電開關(12 ；112 ；212)。
4.根據權利要求2所述的轉換系統，其中，所述開關是可控的，使得當所述電容器(2; 102 ；202)的電容為最大值時，閉合所述放電開關(18 ；118 ；218)。
5.根據權利要求2所述的轉換系統，其中，所述電容器的所述電極之一(202.2)通過轉 移開關或者二極體(216)被連接至所述聚集裝置(208)。
6.根據權利要求5所述的轉換系統，其中，所述可變電容器的所述可移動電極(202.2)在對應於所述可變電容器電容減小的移動階段期間，所述轉移開關或二極體(216)導通。
7.根據權利要求2所述的能量轉換系統，其中，所述可變電容器形成為第一電容器 (2 ；102)，所述系統還包括第二可變電容器(4 ;104)，所述第二可變電容器至少包括固定 板(4. 1 ； 104. 1)和能夠遠離所述固定板移動的可移動板(4.2 ;102. 2)，所述第一電容器的 所述可移動板和所述第二電容器的所述可移動板在移動中彼此固定，所述第二可變電容器 (4 ； 104)通過轉移開關或二極體(16，116)連接至所述聚集裝置(8)。
8.根據權利要求7所述的轉換系統，其中，所述第二電容器(4)包括設置在所述可移動 板(4. 2)的每側上的兩個固定板(4. Ia, 4. Ib)。
9.根據權利要求7所述的轉換系統，其中，每個電容器均包括一個固定板(102.1， 104. 1)，並且每個所述固定板均被設置在共用的可移動板(102.2)的同一側上。
10.根據權利要求9所述的轉換系統，其中，所述第一電容器(102)的第一固定板 (102. 1)具有面向所述可移動板(102.2)的一個表面，其中所述可移動板位於所述第二電 容器(104)的所述第二固定板(104. 1)的表面上方。
11.根據權利要求2所述的轉換系統，其中，所述放電開關(18;118;218)的閉合持續 時間小於所述轉換周期持續時間的百分之一。
12.根據權利要求2至11中任一項所述的轉換系統，其中，所述放電開關(18;118; 218)由支撐在所述可變電容器(2 ；102 ；202)的所述固定板和所述可移動板上的元件形成， 通過使支撐在所述板上的元件彼此接觸來產生放電。
13.根據權利要求1至11中任一項所述的轉換系統，其中，所述開關是根據時間、可移 動板的位置值、所述電容器之一的電容、電容器的端電壓或者所述電容器的端電壓的微分 可控的開關。
14.根據權利要求2至13中任一項所述的轉換系統，所述系統是由矽製成的集成系統。
15.根據權利要求2至14中任一項所述的轉換系統，其中，從彈簧、鋸片、以及可變形杆 中選擇所述恢復裝置。
16.一種電能轉換組合裝置，包括至少兩個根據權利要求2至15中任一項所述的轉 換系統，所述組合裝置能夠將所述第一電壓下的所述第一電能轉換為多個第二電壓下的多 個第二電能。
17.根據權利要求16所述轉換組合裝置，其中，所述系統具有共用的可移動電極。
18.一種電子設備，包括至少一個根據權利要求2至15中任一項所述的電能轉換系 統或根據權利要求16或17所述的轉換組合裝置。
全文摘要
本發明公開了一種將第一電壓(Ve)下的能量轉換至第二電壓(VS)下的能量的系統，包括至少一個電壓(Ve)的電源(6)、放電開關(18)、可變電容器(202)、以及並聯連接的聚集裝置(208)，還包括放電開關(218)和電源(6)之間的充電開關(212)，以及可變電容器(202)和聚集裝置(208)之間的轉移開關(216)，還包括控制裝置，以使a)在第一步驟期間，閉合充電開關(212)以對電容器(202)充電，同時放電開關(218)和轉移開關(216)保持斷開；c)在隨後的步驟期間，短時閉合放電開關(218)，同時充電開關(212)保持斷開，以允許可變電容器(202)至少部分放電。
文檔編號H01G5/16GK101904079SQ200880121872
公開日2010年12月1日 申請日期2008年12月22日 優先權日2007年12月20日
發明者吉蘭·德佩斯 申請人:法國原子能及替代能源委員會