Triboelectric nanogenerator with mechanical switch and clamp circuit for low ripple output

For new renewable clean energy,triboelectric nanogenerators(TENGs)have shown great potential in response to the world energy crisis.Nevertheless,the alternating-current signal generated by a TENG needs to be converted into a direct-current signal to be effective in applications.Therefore,a power management circuit,comprising a clamp rectifier circuit and a mechanical switch,is proposed for the conversion and produces a signal having a low ripple coefficient.The power management circuit adopts a clamp circuit as the rectifier circuit to increase the rectified voltage,and reduces the loss resulted from the components by reducing the use of discrete components;the electronic switch in the buck regulator circuit is replaced with a mechanical switch to reduce cost and complexity.In a series of experiments,this power management circuit displayed a stable output voltage with a ripple voltage of 0.07 V,crest factor of 1.01,and ripple coefficient of 2.2%.The TENG provides a feasible method to generate stable electric energy and to supply power to low-consumption electronic devices.

A novel high performance ESD power clamp circuit with a small area

A MOSFET-based electrostatic discharge （ESD） power clamp circuit with only a 10 ns RC time constant for a 0.18-μm process is proposed. A diode-connected NMOSFET is used to maintain a long delay time and save area. The special structure overcomes other shortcomings in this clamp circuit. Under fast power-up events, the gate voltage of the clamp MOSFET does not rise as quickly as under ESD events, the special structure can keep the clamp MOSFET thoroughly off. Under a falsely triggered event, the special structure can turn off the clamp MOSFET in a short time. The clamp circuit can also reject the power supply noise effectively. Simulation results show that the clamp circuit avoids fast false triggering events such as a 30 ns/1.8 V power-up, maintains a 1.2 μs delay time and a 2.14 μs turn-off time, and reduces to about 70% of the RC time constant. It is believed that the proposed clamp circuit can be widely used in high-speed integrated circuits.

Design of a novel static-triggered power-rail ESD clamp circuit in a 65-nm CMOS process

This work presents the design of a novel static-triggered power-rail electrostatic discharge(ESD)clamp circuit. The superior transient-noise immunity of the static ESD detection mechanism over the transient one is firstly discussed. Based on the discussion, a novel power-rail ESD clamp circuit utilizing the static ESD detection mechanism is proposed. By skillfully incorporating a thyristor delay stage into the trigger circuit(TC), the proposed circuit achieves the best ESD-conduction behavior while consuming the lowest leakage current(Ileak) at the normal bias voltage among all investigated circuits in this work. In addition, the proposed circuit achieves an excellent false-triggering immunity against fast power-up pulses. All investigated circuits are fabricated in a 65-nm CMOS process. Performance superiorities of the proposed circuit are fully verified by both simulation and test results. Moreover, the proposed circuit offers an efficient on-chip ESD protection scheme considering the worst discharge case in the utilized process.

基于钳位电路的LCC-S补偿型感应电能传输系统抗偏移方法

在感应电能传输(IPT)系统中,线圈错位难以避免,造成的耦合变化会导致系统的传输功率不稳定。为了保证IPT系统的供电灵活性,系统需具有容忍线圈宽范围偏移的能力。为此,该文借鉴模态切换的思想,提出一种基于钳位电路的LCC-S补偿型IPT系统,用于增强系统抗偏移性。与传统多模态切换的IPT系统相比,该系统中的钳位电路可根据耦合变化自适应地导通或关断,以调节工作模态,从而实现近乎恒定的功率输出,该方法无需耦合识别、输出检测及反馈通信等辅助手段。该文对系统不同工作模态的功率传输特性进行了推导和分析,并结合系统设计相关约束条件,提供一套参数化设计方法。最后设计并搭建一套500 W的实验装置,验证了理论分析的正确性与可行性。实验结果表明,该方法在耦合度为0.205~0.42的情况下,输出功率稳定在470~505 W之间,效率为83.29%~90.21%。

一种压电换能器热释电防护电路设计

该文探讨了压电材料热释电效应产生的机理,得出压电换能器中压电陶瓷材料受温度变化会产生极化电荷,引起的热释电压会使压电换能器输出信号幅值增大,导致输出失效。因此针对热释电问题提出了两点解决方案。经过对比分析设计了一种ESD保护电路来解决热释电问题。该ESD保护电路通过设计一种改进型二极管钳位电路,针对压电换能器存在的极化电荷构建热释电释放环路,消除了热释电压对有用信号收发的影响。最后,通过对比实验验证了设计方案的可行性。

脉冲涡流检测激励电源设计

脉冲涡流检测是当前金属材料无损检测主要的方法,激励电源作为系统中的关键部分,其性能将直接影响到检测结果。针对现有材料缺陷脉冲涡流检测方法中激励电源存在关断时间长、无恒流控制、功率小等问题,对非磁性材料的缺陷检测方法进行了研究,提出了一种新的脉冲电源电路,采用线性调整型恒流源,实现恒流与恒压钳位的复合电路拓扑结构。首先对线性单元进行闭环分析,证明了电路的可行性,再通过样机实证,验证了脉冲电源的稳定性和快速性。脉冲电源的幅值在20 A内可调,幅度误差小于1%,能够快速关断,下降时间可达纳秒级。最后利用该脉冲电源组成了一套脉冲涡流检测系统,并对铝合金进行了裂纹缺陷模拟检测实验。通过提取探测器峰值电压发现系统能够准确地识别不同缺陷深度,且具有较高的分辨率。

一种非隔离型软开关高增益准Z源DC-DC变换器

文中提出一种非隔离型软开关高增益准Z源DC-DC变换器。变换器具有输入电流连续、输入与输出供地、高电压增益以及开关器件应力小等优点。同时,变换器中所有开关管都工作在零电压开关(zero voltage switching,ZVS)条件下,所有二极管都工作在零电压零电流开关(zero-voltage zero-current switching,ZVZCS)条件下,可以减小开关管的开关损耗以及二极管的反向恢复损耗。通过引入三耦合绕组提高变换器电压增益,同时,有源钳位电路的加入减小了开关管两端的电压尖峰。较小感值的耦合电感相应的铜损小、体积小,进而提高了变换器的效率和功率密度。深入分析变换器的工作模态,推导变换器的电压增益以及元器件的电压、电流应力,进行稳态分析和参数设计。最后,搭建一台100 kHz、200 W、38~380 V的实验样机,变换器在额定功率的效率为96.13%,实验结果与理论分析相吻合,证明所提变换器的可行性。

基于恒流源的增强型GaN动态导通电阻特性研究

动态导通电阻现象会导致GaN器件导通电阻增加,不仅会增大器件通态损耗,还会使器件温升更加显著,是限制GaN器件在高频度变换器中应用的重要因素之一。针对该现象,设计一种基于高速脉冲恒流源的动态导通电阻测试平台,并利用该平台分析了两款不同电压等级器件的导通电阻对断态电压应力、断态电压持续时间以及环境温度的影响。研究结果表明:当断态电压应力增大到两款器件各自额定电压的60%,两款器件的导通电阻分别较各自的标称值变化了15%和25%;断态电压持续时间增至100 s,两款器件的导通电阻分别较各自标称值变化了40%和81%;随着环境温度增大到125℃,两款器件的导通电阻分别较各自的标称值变化了102%和105%。GaN器件动态导通电阻现象较为显著,因此有必要在设计变换器时慎重地考虑GaN器件的工况,以保证在符合系统指标的前提下降低动态导通电阻的影响,从而提高GaN器件的效率。

多路隔离升降压输出的反激电源设计

随着能量路由器终端设备的发展与应用,需要辅助电源具有升降压和多路隔离输出功能,结合反激拓扑结构的优势,提出了一种多路隔离升降压输出的反激电源.首先,给出了基于准谐振技术的多路隔离升降压输出的反激拓扑结构,阐述了所提变换器的工作原理.其次,阐述了控制电路实现准谐振的方法,给出了升降压高频变压器的设计步骤.最后,研制了实验样机,实验验证了理论分析的正确性和可行性,满足了实际应用的需求.

快慢自适应大夹持力机构设计及实验验证

通过快慢自适应夹持机构的锁紧和开启可以实现部件之间紧密地连接和分离,为保证提供足够且稳定的垂向夹持力,在该机构设计过程中采用了大杠杆比例的机械原理;同时考虑到部件之间的连接需要快速完成,在该机构设计过程中考虑了气路原理设计和电气控制逻辑及方案,共同完成自动判断夹持快慢的时间段。利用精密力传感器对该机构进行夹持力的测试,测试结果表明该设计具有足够的可靠性及稳定性。

以双向可控硅为辅助开关的直流固态断路器关断过压钳位技术

基于传统金属氧化物压敏电阻的无源过压钳位技术仅能将过压峰值限制在母线电压的两倍以上,极大降低了固态断路器中半导体开关的额定电压利用率,进而降低了固态断路器的运行效率、功率密度和成本优势。为此,在对传统过压钳位技术分析的基础上,提出了基于双向可控硅的有源过压钳位技术。利用双向可控硅更易驱动、能够双向导通/阻断和在毫安级电流下自关断的特性,简化了关断过压钳位电路功率结构并设计了专用不控RC驱动电路,降低了电路硬件成本和体积,实现了较好的过压钳位效果。对过压钳位电路的工作过程、参数设计及器件选型进行了详细分析与举例说明。最后,进行了母线电压600 V下的关断过压对比实验,结果表明该方案在保证较好的过压钳位效果的同时其成本被进一步降低。

多维度调节可旋转印制板拆改焊夹具的设计和应用

文中设计了一种多维度调节可旋转印制板拆改焊夹具,并介绍了其使用方法。该夹具是一种需要手工在印制电路板上维修和替换元器件时的元器件拆改焊的工装夹具,尤其针对于手工拆改焊多品种、多引脚或BGA型元器件。夹具的结构设计实现了稳定装夹印制板的同时,能够容易实现不同规格的印制电路板沿水平轴线可翻转,沿垂直轴线360°任意角度旋转,且能够改变上下高度,从而实现了多维度自由调节角度以方便人工操作的使用功能。夹具整体结构稳定、夹持力大、结构部件简单、加工方便、可靠性高,极易维修,能够提高印制板手工拆改焊的成功率和效率,从而保证多品种大型元器件的手工装配或返修进度。在本夹具的设计基础上,针对手工拆装和焊接BGA器件的情况,文中还提出了一种简化结构。

基于单神经元PID的高增益DC-DC变换器

为使光伏系统和燃料电池的输出电压适应于并网发电系统所需的电压等级,提出一种基于单神经元PID的高增益DC-DC变换器。基于耦合电感的升压单元,使变换器在原有的开关占空比D上,增加一个新的自由度来调节输出电压。钳位单元的引入,削弱了耦合电感漏感与半导体器件的电压尖峰,提升了变换器的效率。通过单神经元PID,增强变换器抗扰动能力。该文先分析所提变换器的工作模态,推出其性能特点,并与经典变换器做出比较。通过仿真模拟电路运行和搭建实验模型研究,验证理论分析的正确性和实验过程的准确性。

基于自适应滑模观测器的中点钳位型三电平并网逆变器开关管和电流传感器故障诊断

为提高中点钳位型三电平(3L-NPC)并网逆变器故障诊断的准确性和可靠性,针对其开关管开路故障和电流传感器故障,提出一种基于自适应滑模观测器的开关管开路故障和电流传感器故障同时诊断方法。该方法首先针对3L-NPC并网逆变器,设计一种收敛速度快且能显著抑制抖振的自适应滑模观测器来精确估计正常状态下的三相电流值;其次,利用实际电流和估计电流设计了故障检测变量;同时,利用实际三相电流之和以及估计三相电流之和来区分开关管故障和电流传感器故障;在此基础上,构造开关管故障定位变量和电流传感器故障识别变量,实现开关管开路故障的准确定位以及电流传感器故障类型的快速识别。实验结果验证了该文所提诊断算法的有效性和鲁棒性。

碳化硅MOSFET驱动电路的研究与设计

随着碳化硅功率器件技术的不断发展,碳化硅功率器件发展优势明显,将逐步成为未来主流功率半导体器件。多家公司推出了多款碳化硅MOSFET,但是对于高压应用的碳化硅MOSFET驱动产品还处于半空白状态。文章针对A公司FF11MR12W1M1B11型碳化硅模块的驱动进行了研究与设计,在满足碳化硅驱动电流的基础上,增加了有源钳位保护、退饱和保护、故障信号反馈功能。有源钳位保护电路中具有动态有源钳位设计,在MOSFET关断时,降低嵌位电压来快速保护MOSFET,静态时抬高嵌位电压防止误动作。退饱和保护电路检测到故障后可迅速关闭驱动,并将故障信号进行反馈。通过双脉冲测试,验证了文中设计的驱动板功能,对FF11MR12W1M1B11型碳化硅模块在后续项目中的应用具有重要意义。

A Novel Multilevel Inverter Circuit for the Performance Enhancement of Direct Torque Controlled Induction Motor

Induction motor is the most sought after motor in the industry for excellent performance characteristics and robustness. Developments in the Power Electronic circuitry have revolutionised the induction motor industry leading to the developments in various control strategies and circuits for motor control. Direct Torque Control (DTC) is one of the excellent control strategies preferred by industries for controlling the torque and flux in an induction machine. The main drawback of DTC is the presence of torque ripple which is slightly more than the acceptable limit. There are various parameters that introduce ripples in the electromagnetic torque, one of them being the type of inverter circuit. There are various types of inverter circuits available and the effect of each of them in the production of torque ripple is different. This work is an attempt to identify the influence of various multilevel inverter circuits on the torque ripple level and to propose the best inverter circuit. The influence of multilevel diode clamped inverter and cascaded H bridge inverter circuits on torque ripple minimization, is analysed using simulation studies for identifying the most suitable multilevel inverter circuit which gives minimum torque ripple. The results obtained from the simulation studies are validated by hardware implementation on 0.75 kW induction motor.

一种高增益耦合电感交错组合Boost-Zeta变换器

为提升Boost变换器的电压增益,本文提出结合耦合电感和倍压单元的交错组合DC-DC变换器。该变换器由Boost和Zeta变换器组合并引入耦合电感倍压技术而得到,并利用无源钳位支路吸收漏感能量,开关管采用交错控制,降低了开关管的电压尖峰,实现开关管低电压应力,在无需极限占空比和高匝比的情况下可获得更高的电压增益。本文深入讨论了所提拓扑的工作原理及特点,对比了不同变换器的电气性能;对实验参数进行设计,最后通过实验对变换器的理论分析进行验证。

基于有源中点钳位五电平电路的双有源桥DC/DC变换器

采用多电平电路构建的双有源桥(dual active bridge,DAB)DC/DC变换器可适用于更高的电压等级并能显著地提高功率密度及性能。基于九开关管五电平有源中点钳位(five-level active neutral point clamed,5L ANPC)电路构建DAB变换器,消除传统的八开关管5L ANPC电路所存在的电平跳变问题。通过分析开关状态之间的切换过程,选取的零开关状态实现所有高压开关管的软开关运行;通过分析不同开关序列对飞跨电容电压和直流侧中点电压的影响,提出一种飞跨电容电压的平衡控制方法。基于1kW样机的实验结果表明,该文构建的5L ANPC DAB变换器获得了优良的性能。

基于预限流电感配合的多端口电容钳位断路器

随着柔性直流输电技术电压等级持续提高,故障线路的隔离和重合闸方案显得尤为重要。为此,提出一种预限流型限流器与电容钳位型多端口直流断路器配合策略。该方案具有通态损耗低、保护范围广、经济良好、可辅助重合闸操作等优点。首先,提出新型断路器的拓扑结构及配合动作时序,利用网侧升压原理切除故障,而后利用LC振荡关断支路晶闸管;其次,分别对母线和线路故障进行推导,进而针对换流站闭锁问题、故障切除等环节设计电气参数;最后,利用PSCAD/EMTDC中的三端直流电网模型验证其有效性与适用性,并分别对2种故障仿真加以分析,通过故障电流、系统电压及支路电压对比分析等验证该断路器可代替多个常规断路器。

新型高升压耦合电感DC-DC变换器

在光伏发电系统中,为实现高增益直流母线电压并网需求,提出一种新型高升压耦合电感DC-DC变换器。通过耦合电感匝比和开关占空比双重调节,提升变换器的高升压能力。利用无源钳位回路对开关器件实现电压钳制,通过耦合电感的漏感吸收开关器件开关瞬间的电流脉冲,有效减小开关器件开关损耗和脉冲冲击,提高了变换器使用寿命。开关管电压应力低、本征占空比小,开关损耗小,有利于提升变换器效率。对变换器工作原理和具体模态进行分析,推演了各器件应力和选型依据。结合仿真和实验对比,验证了新型高升压耦合电感DC-DC变换器的理论正确性。