Mechanical Engineering and Technology
Vol.07 No.03(2018), Article ID:25702,11 pages
10.12677/MET.2018.73028

Characteristics of Voltage Multiplier Circuits Driven by Triboelectric Nanogenerators

Hengning Huo, Jia Cheng*, Yijia Lu, Fan Liu

Department of Mechanical Engineer, Tsinghua University, Beijing

Received: Jun. 2nd, 2018; accepted: Jun. 22nd, 2018; published: Jun. 29th, 2018

ABSTRACT

Triboelectric Nanogenerator (TENG) is a device converting mechanical energy into electric power, which can form low-cost and portable high voltage DC power source independent of power grid with a voltage multiplier circuit (VMC). The characteristics of VMCs driven by TENGs are investigated using a Freestanding-Rotation-Disk Triboelectric Nanogenerator (FRD-TENG), such as electric current, fluctuation and charging time. The influence of the circuit type, multiplication times and capacitance of VMC, the rotation rate of TENG, and the load resistance is contrasted. The experiment results provide a reference for the combination of TENG and VMC, which can broad the high-voltage application of TENG.

Keywords:Voltage Multiplier Circuit, Triboelectric Nanogenerator, Output Characteristics

摩擦纳米发电机驱动下倍压整流电路的参数特性

霍恒宁,程嘉*,路益嘉,刘帆

清华大学机械工程系,北京

收稿日期:2018年6月2日;录用日期:2018年6月22日;发布日期:2018年6月29日

摘 要

摩擦纳米发电机(TENG)是一种新兴的将机械能转化为电能的装置,结合倍压整流电路可以构成低成本、便携、不依赖电网的高压直流源,满足小电流高压直流电源需求。本文采用独立摩擦层旋转盘式发电机,对TENG驱动的倍压整流电路特性进行了研究,对比了不同电路类型、升压阶数、电容容量、电容布置、TENG转速以及负载对输出电流的有效值、纹波和建立时间的影响。实验结果为以TENG为电源时,倍压整流电路的参数选择提供了参考依据,有利于扩展TENG在高电压、低电流领域的应用。

关键词 :摩擦纳米发电机,倍压整流电路,输出特性

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1. 引言

摩擦纳米发电机是一种将机械运动转化为电能的装置,它基于摩擦起电和电荷感应原理 [1] [2] ,具有输出电压高、结构灵活、材料具有柔性、低频性能好的优点,在可穿戴设备、自供能传感器等领域具有广阔的应用前景 [3] [4] [5] [6] [7] 。摩擦纳米发电机具有输出电压高(~kV)但电流小(~μA)的特性,在已有的应用研究中,往往使用电路降低电压并增大电流以适应现有电子设备,但也有研究采用倍压整流电路进一步提升摩擦纳米发电机的输出电压并整流以获得高压直流输出 [8] 。

倍压整流电路利用二极管的单向通过特性,使电容的交替充放电来获取电荷积累和高电压,适用于高电压,小电流的网络 [9] [10] [11] ,与摩擦纳米发电机的输出特性能够较好匹配,构成低成本、便携、不依赖电网的高压直流源。不同场合对高压直流源的特性有不同的要求 [9] ,而倍压整流电路的输出电压、纹波、建立时间等特性受电路类型、单元数、电容值、电源等参数影响 [9] - [14] 。根据电学原理,C-W半波倍压整流电路的输出压降 Δ V 和纹波值 δ V 可分别由式(1)和式(2)估算 [9] :

Δ V = ( 4 N 3 + 3 N 2 + 2 N ) I 6 f C (1)

δ V = ( N + 1 ) N I 2 f C (2)

式中N为倍压整流电路的阶数,I为输出电流,f为电源频率,C为电容值。利用这一模型公式可以对由TENG和倍压整流电路组成的高压直流源的输出特性进行估算,但由于TENG实质为电荷源,与商业交流电源的特性不同,同时电路元件非理想器件,实际输出与理论值存在一定差异,因此有必要对以摩擦纳米发电机为输入的倍压整流电路的特性进行研究。

2. 设备与方法

2.1. TENG电源的结构及工作原理

实验采用独立摩擦层旋转盘状发电机(Freestanding-Rotating-Disk Triboelectric Nanogenerator, FRD-TENG),其结构设计见图1。FRD-TENG由铜电极(厚度50 μm),尼龙薄膜(厚度25 μm),FEP薄膜(厚度30 μm),及作为结构支撑的亚克力板构成。铜电极由一整片环状铜箔切割而成,实验所用的FRD-TENG将环状电极分割为12个扇环,呈圆周阵列间隔均布,形成内外两组电极,两组电极间距为5 mm。铜电

Figure 1. Structure schematic of FRD-TENG

图1. FRD-TENG结构示意

极一侧粘贴在亚克力板(厚度8 mm)上,另一侧由作为摩擦材料的尼龙薄膜粘贴覆盖,三者共同组成定子部分。转子部分由6片与电极呈相同扇环形状的FEP薄膜构成,每片FEP薄膜的一条径向边被固定在一块与定子间距5 mm的亚克力板(厚度4.5 mm)上,依靠薄膜本身的弹性弯曲与定子保持接触,六片薄膜也呈圆周阵列均布。扇环状铜电极和FEP薄膜的有效工作尺寸均为内径40 mm,外径290 mm,圆心角30˚。在实验中,为对比参数,FRD-TENG由电机驱动以保持恒定转速。

实验所用FRD-TENG采用独立摩擦层式工作模式,图2显示了其工作原理。由于摩擦起电效应,尼龙和FEP薄膜在摩擦后分别携带等量正电荷和负电荷。不妨以图2(I)所示位置为一个工作循环的起始位置,则由于静电感应现象,左侧极板携带正电荷而右侧极板携带负电荷;当FEP薄膜向右侧滑动,则会产生由左极板向右极板方向的电流,如图2(II);当到达图2(III)所示位置时,电荷转移量达到最大值。FEP薄膜继续向右滑动,由于FRD-TENG的周期格栅结构,过程与图2(II)相似但电流方向相反,最终回到初始状态。

2.2. 升压电路类型和参数

倍压整流电路有多种常见类型,如Coccroft-Walton (C-W)半波倍压整流电路、信克尔(Scheakel)倍压整流电路、C-W全波倍压整流电路等 [10] [11] 。实验中测试了三种不同类型的升压电路:C-W半波倍压整流电路、Scheakel倍压整流电路和一种对称C-W倍压整流电路,如图3~5所示,所用对称C-W倍压整流电路由单个电源驱动,包含两个极性相反的C-W半波倍压整流电路。电路中所用二极管的反向耐受电压为20 kV,电容值包括0.47 nF,1 nF,4.7 nF,10 nF,22 nF,其中0.47~10 nF电容的耐受电压为10 kV,22 nF电容的耐受电压为6 kV。

2.3. 数据测量和处理方法

实验中电流由静电计(Keithly-6514)测量,电压由高压探棒(PINTECH, HVP-40)与静电计测量。该型号静电计在电流测量模式下压降小(实验所用档位 < 20 μV),响应速率快,在电压测量模式下阻抗优于200 TΩ。所用高压探棒输入阻抗为1000 MΩ。数据采频率设定为5000 Hz (NI 9239)。

在阻抗匹配测试中,所用电阻值包括99 kΩ,990 kΩ,9.9 MΩ,20.7 MΩ,51.7 MΩ,96 MΩ,200 MΩ,510 MΩ,1.0 GΩ,2.0 GΩ,5.0 GΩ,10.5 GΩ,31 GΩ。在对不同参数升压电路的对比实验中,以负载为1GΩ时的电流值为测量对象,这一数值同时能够反映这一负载条件下的输出电压。

图6所示,每组实验参数可以获得一条I-t曲线,图6为电容值1 nF的4倍压C-W半波电路在TENG

Figure 2. Working principle of FRD-TENG

图2. FRD-TENG工作原理

Figure 3. Cockcroft-Walton half-wave VMC

图3. C-W半波倍压整流电路

Figure 4. Scheakel VMC

图4. Scheakel倍压整流电路

转速为350 r/min时的波形。取达到稳态后时长1 s内的数据计算得有效值( I r m s )、峰峰值( I p p ),因不同条件下电压和电流值存在差别,可以定义纹波系数r如式(3)以便于对比纹波情况 [9] [10] :

r = I p p I r m s × 100 % (3)

图6所示,从FRD-TENG开始工作到倍压整流电路进入稳态需要一定时间,称为建立时间 T s 。为避免电压纹波影响测量,取 T s 为:

T s = T 2 T 1 (4)

式中 T 1 T 2 分别指I首次达到1.5倍 I p p I r m s 1.5 I p p 的时刻。

Figure 5. Symmetrical Cockcroft-Walton VMC

图5. 对称C-W倍压整流电路

Figure 6. Data selection

图6. 数据选取

3. 实验结果

3.1. TENG的输出特性

对TENG的电学测试结果如图7~10所示。图7图8显示了所用FRD-TENG(未接倍压整流电路)在350 r/min转速下的开路电压Voc与短路电流Isc,峰值分别为4.06 kV和73 μA。根据FRD-TENG的工作原理知,开路电压与转速无关,而短路电流与转速呈正比 [6] [7] ,图9显示了所用FRD-TENG的开路电压和短路电流随转速的变化情况。图10显示了350 r/min转速下TENG的负载特性曲线,其中输出功率指瞬时输出功率,结果表明当负载为51.7 MΩ时,有最大有效输出功率48.22 mW,最大瞬时输出功率99.5 mW。

3.2. 电路类型及升压倍数对输出的影响

这部分以电容值为10 nF的4、6、8倍压C-W半波电路及4倍压Scheakel电路、8倍压对称C-W半

Figure 7. Open-circuit voltage of FRD-TENG

图7. FRD-TENG开路电压Voc

Figure 8. Short-circuit current of FRD-TENG

图8. FRD-TENG短路电流Isc

Figure 9. The summarized relationship between Voc/Isc and rotation rate

图9. Voc、Isc随转速变化情况

Figure 10. Output current and power of the FRD-TENG as a function of the load resistance

图10. FRD-TENG负载特性曲线

波电路为对象,对不同类型及升压倍数的倍压整流电路进行了对比,在TENG转速为270 r/min和430 r/min时的结果分别如表1表2所示。

在上述实验条件下,当电路阶数高于4倍压时,随着阶数上升,C-W半波倍压整流电路的输出电流有效值反而下降,纹波系数变大,电流建立时间增加。有研究表明,增加TENG划分单元数,获得更大输出电流时,可以获得更大的最佳(输出电压最高)串联级数 [8] 。

所用对称C-W倍压整流电路是两个极性相反的C-W半波电路相串联,故其输出有效值与8倍C-W半波电路接近,由表1表2可知,其纹波系数远小于8倍C-W半波电路,并且小于或相当于4倍C-W半波电路,但是建立时间长于8倍C-W半波电路。相同条件下,Scheakel电路结构的输出电流有效值与C-W半波倍压整流电路几乎相同,纹波系数小于C-W半波倍压整流电路,但是其建立时间远长于C-W半波倍压整流电路,这一问题可以通过增加TENG划分单元数或增加转速以增加频率和电流来改善。此外,C-W半波倍压整流电路和C-W全波倍压整流电路中二极管和电容耐受值为输入电压的两倍,而Scheakel倍压整流电路的电容耐受要求会随所处阶次上升 [10] [11] ,因此应用阶数不宜太高。

3.3. 电容值及电容布置对输出的影响

电容值选择对C-W半波倍压整流电路的输出、纹波等特性均有影响,并且不同位置的电容有不同影响,不妨将图3中C1、C3称为升压电容,C2、C4称为输出电容 [10] [15] 。这部分以4倍压C-W半波电路为对象,对比了升压电容与输出电容相同时整体电容取值变化的影响,以及只有升压电容或输出电容改变时的影响,在TENG转速为270 r/min和430 r/min下的实验结果分别如表3表4所示,其中1 & 10指升压电容为1 nF,输出电容为10 nF,10 & 1指升压电容为10 nF,输出电容为1 nF:

实验结果表明,随着整体电容值增加,电流有效值先增加后减少,纹波系数减小,建立时间增加,并且在上述实验条件下,转速为270 r/min时,整体电容值为4.7 nF时有最大 I r m s ;转速为430 r/min时,10 nF的整体电容值可以获得最大 I r m s 。在理想情况下,当电容的耐受电压高于2倍电源电压 V T E N G 时,电容值不影响输出电压,但由于纹波、电源电荷量有限等因素影响,实际情况与理论结果有差异。

将1 nF、10 nF、1 & 10 nF、10 & 1 nF四组数据进行对比可知,当升压电容和输出电容取值不同时,纹波系数主要受输出电容影响,同时在上述条件下,适当减小升压电容,能够减小纹波系数。建立时间同时受升压电容和输出电容影响,并且受输出电容影响更大。

Table 1. Output characteristics of VMCs with different types and multiplication times (270 r/min)

表1. 不同电路类型输出对比(270 r/min)

Table 2. Output characteristics of VMCs with different types and multiplication times (430 r/min)

表2. 不同电路类型输出对比(430 r/min)

Table 3. Output characteristics of VMCs with different capacitance values (270 r/min)

表3. 不同电容值输出对比(270 r/min)

Table 4. Output characteristics of VMCs with different capacitance values (430 r/min)

表4. 不同电容值输出对比(430 r/min)

3.4. TENG转速对输出的影响

FRD-TENG的转速在常用区间内增加,会同时增加式(1)、(2)中升压电路的输出电流和电源频率,最终影响输出、纹波等特性。这部分以电容值为1 nF及10 nF的4倍压C-W半波电路为对象,对比了FRD-TENG的影响,实验结果分别如表5表6所示。

实验结果表明,在常用转速区间内,随着FRD-TENG的转速增加,电流有效值增大,电流建立时间缩短。当转速较低时,纹波系数随转速增加而增大,当转速超过某一数值时,纹波系数有可能下降。

3.5. 负载对输出的影响

为探究负载电阻值对输出纹波的影响,以及不同参数升压电路负载特性的差异,测试了转速为350 r/min时,电容值为10 nF的4倍压Scheakel电路、电容值分别为1 nF、1 & 10 nF、10 nF的4倍压C-W半波电路的负载特性曲线,如图11所示,实验中电流纹波系数如图12所示。表7对比了上述四种电路及无倍压整流电路时的最大有效输出功率和最小纹波情况。

Table 5. Output characteristics of VMCs with different TENG rotation rates (1 nF)

表5. 不同转速输出对比(1 nF)

Table 6. Output characteristics of VMCs with different TENG rotation rates (10 nF)

表6. 不同转速输出对比(10 nF)

Table 7. Maximum power and minimum fluctuation coefficients of different VMCs

表7. 不同电路最大功率和最小纹波系数对比

实验结果表明,在上述实验条件下,所用四种倍压整流电路的负载特性曲线相似。与TENG直接驱动负载相比,增加倍压整流电路后,会有显著的功率损失,并且最优阻抗值由51.7 MΩ增加到1 GΩ左右。其中电容值为10 nF的C-W电路具有最高的有效功率峰值28.19 mW,三个不同电容值的C-W半波电路的最优阻抗值均在510 MΩ~2 GΩ间,Scheakel电路的最优阻抗稍小,在200 MΩ~1 GΩ间。由图11可知,在最优阻抗值附近,同参数下Scheakel电路的输出功率小于C-W半波电路,升压电容小的C-W半波电路输出功率小于升压电容大的电路。

Figure 11. Output power of 4 different VMCs as a function of the load resistance

图11. 四种倍压整流电路的负载特性曲线

Figure 12. Fluctuation coefficient of 4 different VMCs as a function of the load resistance

图12. 四种倍压整流电路的纹波系数–负载曲线

对比四种倍压整流电路的纹波系数–负载关系曲线,纹波系数均随负载阻值的增大先减小,后增大,这是由于式2中I值随阻抗增大而减小,但是当 值过小时,更容易受到干扰。由图12可知,同参数下Scheakel电路具有最小的最优纹波系数,输出电容大的C-W半波电路纹波系数优于输出电容小的。

图11图12表明,升压电容为1 nF,输出电容为10 nF的C-W半波电路负载特性接近电容值为1 nF的C-W半波电路,而纹波系数接近电容值为10 nF的C-W半波电路。

4. 结论

对于以TENG为电源的倍压整流电路,结合以上不同参数下的实验结果,得出以下结论。

倍压整流电路加入后最大输出功率相比原TENG电源明显下降,并且最优阻抗值发生变化。与C-W半波倍压整流电路相比,Scheakel电路和对称C-W电路均可在几乎不影响电流有效值的前提下,有效降低纹波系数,但二者的建立时间都较长,结合器件性能要求等因素,对称C-W电路是输出纹波要求较高时的较好选择。

对于C-W半波整流电路,参数选择可参考如下结论进行:

1) 提升倍压整流电路的输出电流或功率需要选择合适的升压阶次和电容值,并增加TENG的转速。

2) 减小电压纹波需要降低升压阶数,增加输出电容的容量,并匹配合适的阻抗值,选择较低的TENG转速虽然也可以降低纹波,但会影响输出电流和功率。

3) 减小建立时间可以通过减小升压阶数,降低升压电容或输出电容,以及增加转速实现。

文章引用

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NOTES

*通讯作者。

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