新闻动态

文章导读

2024年3月，清华大学精密测量技术与仪器国家重点实验室的叶雄英教授课题组在《Microsystems & Nanoengineering》发文，提出了一项高效的能量管理单元（EMU）优化方案，通过选用合适击穿电压的放电开关管、引入匹配输入电容，以及整合射频电感，成功实现了基于LC无源降压转换器的高性能EMU。 

文章概述

静电发电机，包括摩擦发电机和驻极体电机，具有成本低、制造简单、质量轻、转换效率高等优点，在拾取人体动能、海洋能、风能、振动能等方面展现出巨大的潜力。然而，静电发电机本质上是一个电容式的器件，具有输出电压高、输出电流小、输出阻抗大的特点，无法直接为常规电子器件供电。近年，学者们提出了各种类型的能源管理单元（EMU），用于实现发电机从高压交流到低压直流的高效转换。其中，基于降压转换器（Buck converter）的EMU由于其高效率和简单结构而被广泛研究。对于这类EMU，开关是实现高效率和可靠性的关键，而开关的导通电阻、截止电阻、寄生电容和导电时间等都极大地影响EMU的性能，开关的选择十分重要。此外，降压转换器中的电感对EMU性能也有较大影响，其选择和优化也十分重要。虽对EMU已有了许多研究，但其性能离理论预期的效果还有较大距离。因此，优化EMU的关键部件以提升其性能，是充分利用静电发电机的低频性能优势，实现自供电物联网节点的关键。

针对上述挑战，清华大学精密仪器系叶雄英教授研究团队提出了一项高效的能量管理单元（EMU）优化方案，通过选用合适击穿电压的放电开关管、引入匹配输入电容，以及整合射频电感，成功实现了基于LC无源降压转换器的高性能EMU。得益于同步开关对发电性能的提升作用以及对EMU关键部件参数的精细优化，结合了EMU的旋转型驻极体发电机在匹配负载电阻上获得的平均功率达到了原始发电机的1.2倍，实现了79.2 mW m-2 rps-1的直流功率密度。此外，对于接触分离式摩擦电纳米发电机，通过EMU实现的最大平均功率是原始发电机的1.5倍。利用带EMU的旋转驻极体发电机，实现了自供能无线温度传感节点，在风速度仅为0.5 m/s的情况下，传感节点能够实现每3.5秒一次的温度数据采集和无线传输。该工作提出的EMU显著提高了静电发电机的直流输出能力，极大推动了静电发电机在物联网节点中的实际应用。

相关研究内容以“Electrostatic generator enhancements for powering IoT nodes via efficient energy management”为题发表于《Microsystems & Nanoengineering》，清华大学博士吴子博为第一作者，曹泽元博士后、叶雄英教授为通讯作者。

全文下载

https://doi.org/10.1038/s41378-024-00660-1