專利名稱：具有可變電容器的電轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種小型電轉(zhuǎn)換器，其被設(shè)計(jì)為將由電源提供的第一電勢(shì)的電能轉(zhuǎn)換 為可以被電系統(tǒng)使用的不同電勢(shì)的電能。
背景技術(shù)：
通常，通過(guò)電源提供的電能處于例如220V的電壓，并且許多裝置特別是便攜式裝 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(zhuǎn)換 器，該系統(tǒng)通常為電感式的。電轉(zhuǎn)換器基于以下原理工作來(lái)自任意電源的具有給定電勢(shì)或者給定電流的電能 以另一種形式被存儲(chǔ)，然后，恢復(fù)為具有需要的電勢(shì)或者電流的電形式。用已知的方式將電能以磁的形式存儲(chǔ)在電/電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(電感器、變壓器)中。 然而，這種基于電磁元件的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)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(tǒng)的尺寸，則由繞組導(dǎo)致的電阻損耗相對(duì)于可以存儲(chǔ)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(tǒng)(例如集成在硅上的系統(tǒng))中這種電磁 元件的使用沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，除非可接受極其低的效率。此外，這些結(jié)構(gòu)需要電流循環(huán)，而電流循環(huán)會(huì)導(dǎo)致細(xì)導(dǎo)線中的能量消耗和溫度上升。文獻(xiàn)US 6 317 342描述了使用可變電容器的電壓轉(zhuǎn)換器。這種轉(zhuǎn)換器會(huì)產(chǎn)生高 能量損耗。該轉(zhuǎn)換器還必須工作在共振狀態(tài)，使得外部時(shí)鐘必須進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移。因此，本發(fā)明的目的之一是提供一種具有良好性能的小型電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
上述目的是通過(guò)這樣的系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中通過(guò)使用具有至少一個(gè)電容器的靜電 結(jié)構(gòu)將能量以機(jī)械的形式存儲(chǔ)在該系統(tǒng)中，該電容器具有可變氣隙以及在電容器板之間產(chǎn) 生的靜電力用于進(jìn)行轉(zhuǎn)換。恒定電荷的工作步驟減小了系統(tǒng)損耗，使得該系統(tǒng)的性能可以 比根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)更好。因此，轉(zhuǎn)換涉及僅由靜電力產(chǎn)生的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。以例如動(dòng)能和/或勢(shì)能的機(jī)械能的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，勢(shì)能可以是諸如彈簧壓縮或者 桿彎曲的機(jī)械變形能量。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)可以包括設(shè)置有可移動(dòng)板的至少一個(gè)可變電容器，該電容器能 夠通過(guò)使可移動(dòng)電容器板移動(dòng)(例如通過(guò)使彈簧變形)來(lái)將給定電壓的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械 能，從而將機(jī)械能存儲(chǔ)在彈簧中，然后，利用可移動(dòng)電容器板的新的移動(dòng)將該機(jī)械能轉(zhuǎn)換為 另一電壓的電能。于是，依次地以激勵(lì)器模式和電能轉(zhuǎn)換器模式使用該靜電結(jié)構(gòu)。在另一實(shí)施例中，系統(tǒng)可以包括兩個(gè)電容器，一個(gè)電容器具有使可移動(dòng)電容器板 移動(dòng)的主要功能，以及另一個(gè)電容器更具體地具有修正電壓的主要功能。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)可以以電壓逐步下降或者逐步上升運(yùn)行。
根據(jù)本發(fā)明，極小型的轉(zhuǎn)換器是可行的。與電磁轉(zhuǎn)換的情況不同，利用靜電轉(zhuǎn)換， 結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換的能量變高。表 面面積增大，該材料的結(jié)構(gòu)更好并且氣隙減小。而且，在靜電系統(tǒng)中，通過(guò)電壓/電場(chǎng)產(chǎn)生機(jī)械力來(lái)存儲(chǔ)能量而不是通過(guò)電流來(lái) 存儲(chǔ)能量，因此，不存在由具有小截面的導(dǎo)線中的電流循環(huán)導(dǎo)致的能量消耗，并且沒(méi)有溫度升高。此外，可以在非常小的系統(tǒng)的情況下使用諸如硅的單晶材料，因此，轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的機(jī) 械阻尼很低并且機(jī)械品質(zhì)因數(shù)很高，達(dá)到了極低機(jī)械損耗的結(jié)果。于是，制造適于在便攜式電子設(shè)備中使用的非常小的集成系統(tǒng)變得可行?？梢赃B接若干個(gè)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行至若干個(gè)電壓值的電能的轉(zhuǎn)換。一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)為轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以兩種不同的模式運(yùn)行第一模式，電荷的電勢(shì)逐漸改變，而沒(méi)有任何電流循環(huán)，第二模式，電荷循環(huán)而沒(méi)有任何電勢(shì)差。以這兩種模式連續(xù)運(yùn)行的系統(tǒng)使得沒(méi)有電荷轉(zhuǎn)移損耗。在轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中所消耗的功 率等于電流和電壓差的乘積，并且在這兩種模式下消耗的功率總是為0，這是因?yàn)槊糠N模式 下的分量之一總是為0。于是，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在轉(zhuǎn)換期間低的能量損耗。還存在所謂的“切換電容”系統(tǒng)，利用具有固定機(jī)械結(jié)構(gòu)的至少兩個(gè)電容器，通過(guò) 將這兩個(gè)電容器的連接順序地切換為并聯(lián)和串連來(lái)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，構(gòu)成了該系統(tǒng)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(zhuǎn)移 能量。因此，當(dāng)閉合開關(guān)時(shí)，由于電壓差而產(chǎn)生消耗的能量損失。因此，本發(fā)明的重要主題是一種用于通過(guò)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將第一電壓下的第一電能轉(zhuǎn)換 為第二電壓下的第二電能的方法，該轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括至少一個(gè)第一電壓的電壓源，其通過(guò)充 電開關(guān)而連接至可變電容器；放電開關(guān)，設(shè)置為與可變電容器并聯(lián)；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(zhuǎn)移能量的裝置，可變電容器包括固定板、能 夠遠(yuǎn)離和朝向固定板移動(dòng)的可移動(dòng)板、以及使可移動(dòng)板返回其初始位置的彈性裝置，對(duì)于 一個(gè)完整的轉(zhuǎn)換周期，該方法包括以下步驟a)閉合充電開關(guān)同時(shí)放電開關(guān)保持?jǐn)嚅_，使得以第一電壓對(duì)可變電容器充電，并 且使可移動(dòng)板移動(dòng)以增大電容器的電容；b)斷開充電開關(guān)同時(shí)保持放電開關(guān)斷開，以允許電容器以恒定電荷運(yùn)行，電容器 的電容繼續(xù)增大；c)閉合放電開關(guān)，以允許可變電容器至少部分放電，并且使可移動(dòng)元件的移動(dòng)反 向；轉(zhuǎn)移裝置在可移動(dòng)電極的移動(dòng)期間提供從電容器至聚集裝置的能量轉(zhuǎn)移。本發(fā)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(zhuǎn)換系統(tǒng)， 該轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括至少一個(gè)第一電壓的電壓源，其通過(guò)充電開關(guān)連接至可變電容器；放電 開關(guān)，設(shè)置為與可變電容器并聯(lián)；第二電壓的能量聚集裝置；以及能量轉(zhuǎn)移裝置(在可變電 容器和聚集裝置之間進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移)，可變電容器包括固定板、能夠遠(yuǎn)離和朝向固定板移動(dòng) 的可移動(dòng)板、以及使可移動(dòng)板返回其初始位置的彈性裝置。
所述轉(zhuǎn)換系統(tǒng)還包括控制充電開關(guān)和放電開關(guān)的裝置，使得對(duì)于轉(zhuǎn)換周期a)在第一步驟期間，放電開關(guān)斷開并且充電開關(guān)閉合，使得以第一電壓對(duì)電容器 進(jìn)行充電，并且使可移動(dòng)板移動(dòng)以增大電容器的電容；b)在第二步驟期間，充電開關(guān)斷開并且放電開關(guān)保持?jǐn)嚅_，以允許電容器以恒定 電荷運(yùn)行，電容器的電容繼續(xù)增大；c)在第三步驟期間，放電開關(guān)閉合，以允許可變電容器至少部分放電，導(dǎo)致使可移 動(dòng)元件的移動(dòng)反向；轉(zhuǎn)移裝置在可移動(dòng)電極的移動(dòng)期間將能量從電容器轉(zhuǎn)移至聚集裝置。有利地，開關(guān)是可控的，使得當(dāng)電容器的電容為最小值時(shí)，閉合充電開關(guān)。有利地，開關(guān)是可控的，使得當(dāng)電容器的電容為最大值時(shí)，閉合放電開關(guān)。例如，電容器的一個(gè)電極可以通過(guò)轉(zhuǎn)移開關(guān)或二極管連接至聚集裝置。例如，在可 變電容器的可移動(dòng)電極的移動(dòng)階段(與其電容的減少相對(duì)應(yīng))期間，使轉(zhuǎn)移開關(guān)或者二極 管導(dǎo)通。在一實(shí)施例中，可變電容器形成第一電容器，該系統(tǒng)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(yuǎn)離固定板并且與固定板分離地移動(dòng)的可移動(dòng)板，第 一電容器和第二電容器中的可移動(dòng)板在移動(dòng)中被彼此固定，第二可變電容器通過(guò)轉(zhuǎn)移開關(guān) 或者二極管連接至聚集裝置。有利地，第二電容器包括配置在可移動(dòng)板的每側(cè)上的兩個(gè)固 定板。在另一實(shí)施例中，每個(gè)電容器均包括固定板，并且每個(gè)固定板均被配置在共用的 可移動(dòng)板的一側(cè)上。有利地，第一電容器的第一固定板具有面向位于第二電容器的第二固定板的表面 上方的可移動(dòng)板的表面。有利地，放電開關(guān)閉合持續(xù)時(shí)間小于轉(zhuǎn)換周期持續(xù)時(shí)間的百分之一。例如，放電開關(guān)由可變電容器的固定板和可移動(dòng)板上支撐的元件形成，通過(guò)使固 定板上支撐的元件彼此接觸來(lái)發(fā)生放電。根據(jù)時(shí)間、可移動(dòng)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(lái)控制開關(guān)。該系統(tǒng)可以是由硅制成的集成系統(tǒng)。恢復(fù)裝置可以在例如彈簧、鋸片(balde)、以及可變形桿中選擇。本發(fā)明的另一主題為電能轉(zhuǎn)換組合裝置，該組合裝置包括至少兩個(gè)根據(jù)本發(fā)明的 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，所述組合裝置能夠?qū)⒌谝浑妷旱牡谝浑娔苻D(zhuǎn)換為多個(gè)第二電壓的多個(gè)第二電 能；該系統(tǒng)可以具有共用的可移動(dòng)電極。本發(fā)明的另一主題為一種電子設(shè)備，其包括至少一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 或根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換組合裝置。


在閱讀以下描述和附圖之后，將更好地理解本發(fā)明，其中圖1為根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的第一實(shí)施例的示意圖；圖2A 圖2D為圖1中的系統(tǒng)的不同特性的曲線圖3為表示圖1中的開關(guān)的不同狀態(tài)的計(jì)時(shí)圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的第二實(shí)施例的示意圖；圖5A 圖5D為圖4中的系統(tǒng)的不同特性的曲線圖；圖6為表示圖4中的開關(guān)的不同狀態(tài)的計(jì)時(shí)圖；圖7為根據(jù)本發(fā)明的包括單個(gè)可變電容器的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的第三實(shí)施例的示意圖；圖7A 圖7C為圖7中的系統(tǒng)的不同特性的曲線圖，圖7D示出了表示圖7中的開 關(guān)的不同狀態(tài)的計(jì)時(shí)圖；圖8A和圖8B分別為根據(jù)第三實(shí)施例的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的示例性應(yīng)用實(shí)施例的頂視圖和 側(cè)視圖；圖9為根據(jù)第三實(shí)施例的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的另一應(yīng)用實(shí)施例的側(cè)視圖；圖10示出了作為圖9中系統(tǒng)的靜電力的函數(shù)的兩端固定桿的變化；圖11示出了作為圖9的系統(tǒng)中兩端固定桿的振動(dòng)幅度的函數(shù)的共振頻率的變化。圖12示出了圖7中的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的變化實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施例方式在下文的描述中，將系統(tǒng)描述為其以不同的模式運(yùn)行，即恒定電壓模式和恒定電 荷模式。然而，這兩種模式可以重疊，即，電壓可以與電荷同時(shí)改變，反之亦然，這取決于怎 樣控制開關(guān)。在圖3、圖6、以及圖7D中示出的計(jì)時(shí)圖中，數(shù)字0表示開關(guān)的斷開狀態(tài)，1表示開 關(guān)的閉合狀態(tài)。圖1示出了根據(jù)第一實(shí)施例的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的示意圖，該轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括第一可變電 容器2、第二可變電容器4、給定電勢(shì)Ve的電能源6和以電池形式示出的給定電勢(shì)Vs的電能 聚集系統(tǒng)8。在下文的描述中，我們將聚集系統(tǒng)8表示為電池。第一電容器包括固定板2. 1和可移動(dòng)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(dòng)板4. 2，其也形成具有可變氣隙的電容器。在所示的實(shí)例中，第二電容器4包括配置在可移動(dòng)板4. 2的每一側(cè)上的兩個(gè)固定 板 4. Ia 和 4. Ib0兩個(gè)電容器的可移動(dòng)板2. 2,4. 2在移動(dòng)時(shí)彼此固定，具體地，朝向第一電容器的 固定板2. 1移動(dòng)可移動(dòng)板2. 2導(dǎo)致可移動(dòng)板4. 2朝向第二電容器4的固定板4. Ia移動(dòng)并 且遠(yuǎn)離第二電容器4的固定板4. Ib移動(dòng)，而遠(yuǎn)離第一電容器的固定板2. 1移動(dòng)可移動(dòng)板 2. 2導(dǎo)致可移動(dòng)板4. 2遠(yuǎn)離第二電容器的固定板4. Ia移動(dòng)并且朝向第二電容器4的固定板 4. Ib移動(dòng)。在所示實(shí)例中，可移動(dòng)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(hào)2. 2來(lái)指兩個(gè)電容器2、4共用的可移動(dòng)板。使用具有單個(gè)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(dòng)板2. 2 之間的靜電力可增大，從而導(dǎo)致可移動(dòng)板的移動(dòng)；因此，設(shè)置了作用于可移動(dòng)板的彈性恢復(fù) 裝置(未示出)。這些恢復(fù)裝置形成為以機(jī)械能的形式存儲(chǔ)電能的臨時(shí)裝置。例如，恢復(fù)裝 置由可以垂直于其軸變形的桿或一個(gè)或者多個(gè)彈簧組成。
可變形桿的優(yōu)點(diǎn)在于其通過(guò)微電子處理易于被制造，例如，在硅集成系統(tǒng)的情況 下。能源6連接在可移動(dòng)板2. 2和固定板2. 1之間，開關(guān)12設(shè)置在能源6和固定板2. 1 之間，形成為用于第一電容器2的充電開關(guān)。能源6還與固定板4. Ia和4. Ib并聯(lián)連接，開 關(guān)14設(shè)置在能源6與固定板4. Ia和4. Ib之間。開關(guān)14形成為用于第二電容器4的充電 開關(guān)。此外，聚集系統(tǒng)8連接至可移動(dòng)板2. 2并且連接至固定板4. Ia和4. lb，轉(zhuǎn)移開關(guān) 16設(shè)置在電池8和固定板4. Ia之間。固定板2. 1通過(guò)形成為用于第一電容器的放電開關(guān)的開關(guān)18，還連接至可移動(dòng)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(dòng)板2. 2上的靜電力，fe2表示由固定板4. 1施加在可移動(dòng)板2. 2上的靜電 力，以及fk表示由彈性恢復(fù)裝置施加的力?？梢苿?dòng)板2. 2的位置沿著Z軸標(biāo)出并且表示為ζ ；在該實(shí)例中，當(dāng)可移動(dòng)板4. 2 (或 2. 2)在距兩個(gè)固定電極4. Ia和4. Ib相等的距離處時(shí)，ζ等于零，彈簧處于靜止?fàn)顟B(tài)?，F(xiàn)在，我們將參照?qǐng)D2Α 2D中的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的不同特性的變化的曲線圖來(lái)描述該 系統(tǒng)將電勢(shì)\的電能轉(zhuǎn)換為高于\的電勢(shì)Vs的運(yùn)行。在初始狀態(tài)下，開關(guān)12、14、16以及18斷開，第一電容器和第二電容器放電。在時(shí) 間tQ處，開關(guān)12和14閉合。這些開關(guān)一閉合，就對(duì)固定板2. 1,4. la、4. Ib和可移動(dòng)板2. 2 充電，電容器2和電容器4被電連接，并且電壓V1和V2均等于Ve。電流Il通過(guò)開關(guān)12循 環(huán)。因此，分別在固定板2. 1與可移動(dòng)板2. 2之間和固定板4. la、4. Ib與移動(dòng)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(dòng)板2. 2上的靜電力的 合力，當(dāng)可移動(dòng)板2. 2處于其靜止位置時(shí)，fe2為最小。這樣選擇板4. Ia和4. Ib使得當(dāng)可 移動(dòng)板已經(jīng)開始向板4. Ia移動(dòng)(ζ為正)時(shí)，合力fe2朝向板4. Ia吸引可移動(dòng)板2. 2，以上 在本實(shí)例中，可移動(dòng)板的初始移動(dòng)是施加靜電力的結(jié)果。由于靜電力fel、fe2的和大于機(jī)械力fk的和，所以可移動(dòng)板2. 2朝向固定板2. 1、 4. Ia移動(dòng)，如在圖2A中可以看到的，ζ增大。因此，能量以機(jī)械形式(動(dòng)能和勢(shì)能)被存 儲(chǔ)。因?yàn)榘?. 1,4. Ia和2. 2朝向彼此移動(dòng)，所以如在圖2B中所示，靜電力fel、fe2和 機(jī)械力fk增大。開關(guān)12保持閉合直到時(shí)間、。從能源6提取的電能通過(guò)彈性裝置的變形以機(jī)械 勢(shì)能的形式存儲(chǔ)在彈性裝置中，而且由于電極具有非零速度，所以電能還以由電極的移動(dòng) 導(dǎo)致的動(dòng)能形式進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)時(shí)，所存儲(chǔ)的能量的量越高。注意到當(dāng)通過(guò)閉合開關(guān)從電壓源開始對(duì)最初完全放電的電容充電時(shí)，能量損耗對(duì) 應(yīng)于轉(zhuǎn)移至電容器的能量，即，1/2CXV/在閉合開關(guān)時(shí)消耗在開關(guān)中，而1/2CXV/有效地 轉(zhuǎn)移至將要被充電的電容器，同時(shí)在Ve的電源處所消耗的能量等于CXV/。因此，優(yōu)選地， 當(dāng)在、時(shí)間處閉合開關(guān)12時(shí)，電容器的電容應(yīng)最小。因此，當(dāng)?shù)谝浑娙萜?的電容C1在斷 開開關(guān)12和閉合開關(guān)12的時(shí)間之間的比較高時(shí)，在、和、之間的該階段期間損耗的能量 相對(duì)于轉(zhuǎn)移的能量的百分比較低。
根據(jù)本發(fā)明，在下一步驟時(shí)間、處，開關(guān)12斷開并且開關(guān)18保持?jǐn)嚅_，如在圖2D 中所看到的，電流I1變?yōu)榱?。于是，系統(tǒng)以恒定電荷運(yùn)行，靜電力停止增大。這由圖2B 中的平穩(wěn)狀態(tài)示出。板2. 2繼續(xù)其移動(dòng)并且朝向固定板2. 1和4. Ia移動(dòng)。電勢(shì)和關(guān)聯(lián)的電 能隨著電容器2的電容的增大(由于板2. 2和2. 1朝向彼此移動(dòng))而減小。在時(shí)間、處， 存儲(chǔ)在電容器2中的電能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇鎯?chǔ)在彈性恢復(fù)裝置中的機(jī)械能。在時(shí)間t2處，當(dāng)可移動(dòng)板非常接近于固定板時(shí)，即，當(dāng)ζ達(dá)到最大值時(shí)，開關(guān)14斷 開，開關(guān)12保持?jǐn)嚅_并且暫時(shí)地閉合開關(guān)18以將來(lái)自第一電容器2的固定板2. 1的電荷 清除，靜電力4變?yōu)榱?。如以上所說(shuō)明的，注意到當(dāng)閉合開關(guān)18時(shí)，所消耗的電能隨著電容器2的電容在 時(shí)間、處斷開開關(guān)12的時(shí)間與在時(shí)間t2處閉合開關(guān)18的時(shí)間之間的改變的增大而減小。 時(shí)間、和t2之間的該恒定電荷階段減小了存儲(chǔ)在電容器中的將在閉合開關(guān)18時(shí)丟失的電 能。根據(jù)上述操作的一個(gè)變形，在時(shí)間、和t3期間電容器2進(jìn)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?？梢?jiàn)，當(dāng)可移動(dòng)板朝向如下所述的其平衡位 置移動(dòng)時(shí)，電容器2的部分放電電平使得電壓V1在該周期結(jié)束時(shí)(或者更精確地，在下一個(gè) 周期開始時(shí)間^時(shí))約等于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(shí)間^處的下一個(gè)周期開始時(shí)的開關(guān)12的閉合有關(guān)的能量損耗。電容器2必須充分放電，以使在開關(guān)18再次斷開之后的時(shí)間t3處的恢復(fù)力fk大 于靜電力之和。然后，由恢復(fù)裝置施加的恢復(fù)力fk將可移動(dòng)板2. 2移動(dòng)至其初始位置并且 遠(yuǎn)離固定電極2. 1和4. la。有利地，當(dāng)板2. 1和2. 2處于接觸極限時(shí)，閉合開關(guān)18是可行的?？梢栽诳梢苿?dòng)板和固定板之間設(shè)置安全距離以防止任何損壞。然而，可移動(dòng)板可 以與導(dǎo)電擋塊接觸，以使所存儲(chǔ)的電荷自動(dòng)消除而不使用必須控制其激勵(lì)的附加開關(guān)。這 樣發(fā)生的與擋塊的這種接觸使得不消耗來(lái)自可移動(dòng)板2. 2的機(jī)械能，并且不損壞系統(tǒng)。由于可移動(dòng)板2. 2返回其平衡位置并且因此遠(yuǎn)離固定板4. Ia移動(dòng)，所以可移動(dòng)板 2. 2增大了第二電容器4的端電勢(shì)。當(dāng)可移動(dòng)板4. 2返回其平衡位置時(shí)，第二電容器的電容 C2減小。固定板4. Ia通過(guò)開關(guān)14的斷開(開關(guān)16也保持?jǐn)嚅_)與剩余電路電隔離并且 其電荷Q2沒(méi)有改變，因此，我們得到V2^ (I)因此，在恒定電荷Q2時(shí)，C2的減小可增大V2。因此，原則上，該階段無(wú)損耗。在下一個(gè)步驟時(shí)間t4期間，在彈性恢復(fù)裝置的變形階段期間以機(jī)械形式存儲(chǔ)的能 量以電勢(shì)V陜復(fù)至電池8。為了實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程，當(dāng)電勢(shì)％達(dá)到電勢(shì)VsW，開關(guān)閉合。于是， 限制了電勢(shì)V2并且將電荷從固定板4. 1轉(zhuǎn)移至電池8。原則上，該階段也是無(wú)損耗的，這是 因?yàn)楫?dāng)開關(guān)16閉合時(shí)，開關(guān)16的端電壓(兩端的電勢(shì)Vs)為零。在上述階段期間，電荷從輸入電勢(shì)Ve轉(zhuǎn)移至輸出電勢(shì)Vs。實(shí)際上，第二電容器4用 作電荷載體，并且第一電容器2提供了將這些電荷從電勢(shì)Ne改變至Vs所需要的附加能量。如在圖2A中所看到的，由于剩余動(dòng)能，可移動(dòng)板2. 2在該周期結(jié)束的時(shí)間t5處不處于初始位置。將電勢(shì)Ve的電能轉(zhuǎn)換為電勢(shì)Vs的電能的步驟構(gòu)成一個(gè)轉(zhuǎn)換周期。與根據(jù)現(xiàn)有技 術(shù)的情形的、僅以連續(xù)模式運(yùn)行在共振頻率周圍的轉(zhuǎn)換器不同，根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器可以 以連續(xù)模式或瞬時(shí)模式運(yùn)行。利用本發(fā)明，可以將能量快速地轉(zhuǎn)移并且在任何時(shí)候均具有 低的能量損耗。此外，在時(shí)間t2和t3之間發(fā)生的電容器的放電是非?？斓?，小于初始位置與當(dāng)可 移動(dòng)板返回至初始位置之間Utl和t5之間)的機(jī)械移動(dòng)的周期的1/100。利用本發(fā)明，可以連續(xù)地執(zhí)行多個(gè)周期，其中一個(gè)周期接著一個(gè)周期(運(yùn)行在可 移動(dòng)元件的機(jī)械共振處或不運(yùn)行在機(jī)械共振處)，或者根據(jù)應(yīng)用和在每個(gè)周期之間逝去的 不確定時(shí)間而在任意時(shí)間(異步轉(zhuǎn)移)執(zhí)行多個(gè)周期。注意到利用本發(fā)明，開關(guān)的明斷控制優(yōu)選地選擇為與機(jī)械組件的釋放時(shí)間相適 合，以使可移動(dòng)元件返回。與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備不同，這種類型的明斷控制能夠使根據(jù)本 發(fā)明的系統(tǒng)運(yùn)行在其機(jī)械共振頻率之外。連續(xù)運(yùn)行具有減小電損耗的優(yōu)點(diǎn)。如上所說(shuō)明的，在對(duì)完全放電的電容器進(jìn)行充 電時(shí)，消耗并損耗電能，并且如在圖2D中所看到的，電能由周期開始(、)處的I1電流峰值 來(lái)體現(xiàn)。然而，當(dāng)恰好在第一周期之后的時(shí)間^處無(wú)間斷地開始新周期時(shí)，并且如果當(dāng)閉 合開關(guān)18時(shí)第一電容器2特意沒(méi)有完全放電，則當(dāng)閉合開關(guān)12時(shí)，不需要對(duì)電容器2進(jìn)行 充電。于是，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，由于在開關(guān)12的兩側(cè)上的這種預(yù)充電現(xiàn)象，使得后續(xù)周期沒(méi)有任何電損 耗發(fā)生，并且剩余的所有損耗是與電容器2的部分或者全部放電相關(guān)聯(lián)的損耗?？梢允褂镁哂行?zhǔn)時(shí)間的晶體管，或者使用與電阻相關(guān)聯(lián)的并且與電容器2形成 RC電路的晶體管，對(duì)第一電容器進(jìn)行部分放電。反之，在非同步運(yùn)行的情況下，因?yàn)榈谝浑娙萜鞅仨毐辉俪潆?，所以每次在周期開 始處存在損耗。圖1的第一實(shí)施例中的兩個(gè)固定電極4. Ia和4. Ib的使用具有改善轉(zhuǎn)換設(shè)備的可 控性的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)電荷恒定保持在C2(開關(guān)14和16斷開)時(shí)，為由兩個(gè)固定板4. Ia和4. Ib施 加在可移動(dòng)板4. 2上的靜電力的合力的靜電力fe2與可移動(dòng)板4. 2的位置ζ成正比。另一方面，固定板2. 1和可移動(dòng)板2. 2之間的靜電力fel在恒定電荷下為常數(shù)，這 是電容器2全部或者部分放電之后的情況。如果不完全放電，則存在與fe2相比被認(rèn)為是可 忽略的剩余靜電力felres。因此，我們可以得出fe2 = kfe2zfk = krz其中，‘為比例系數(shù)，kr為彈性裝置的剛性常數(shù)。因此，在時(shí)間t3開始處，彈性裝置的恢復(fù)力和fe2作用于可移動(dòng)板2. 2。通過(guò)選擇 小于&的kft2，確信當(dāng)為零或者幾乎為零時(shí)，施加至可移動(dòng)板2. 2的力的合力將允許可 移動(dòng)板遠(yuǎn)離板4. Ia移動(dòng)而返回其平衡位置。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的電轉(zhuǎn)換器的第二實(shí)施例，其中，可移動(dòng)板配置在兩個(gè)可變電容器的固定板之間。轉(zhuǎn)換器包括第一電容器102，由固定板102. 1和可移動(dòng)板102. 2形成，其中該固 定板和可移動(dòng)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(dòng) 板102. 2形成，其中該固定板和可移動(dòng)板形成可變氣隙電容器；轉(zhuǎn)換器還包括電壓V6的能 源106，其第一端子接地并且連接至可移動(dòng)板102. 2，第二端子通過(guò)開關(guān)112連接至固定板 102. 1，并且通過(guò)二極管114連接至固定板104. 1。轉(zhuǎn)換器還包括下文中稱作電池的電壓Vs 的電能聚集器108。二極管116配置在固定板104. 1和聚集器108之間。固定板102. 1還通過(guò)開關(guān)118連接至地?？梢苿?dòng)板102. 2可以沿著與最大表面垂直的ζ軸移動(dòng)以朝向或者遠(yuǎn)離固定板 102. 1,104. 1移動(dòng)。彈性裝置120將可移動(dòng)板連接至框架(未示出)并且可以使可移動(dòng)板 返回到其平衡位置。在所示的實(shí)例中，彈性裝置為彈簧。為0的平衡位置ζ是沒(méi)有靜電力 施加在固定板102. 1,104. 1和可移動(dòng)板102. 2之間的可移動(dòng)板102. 2的位置。設(shè)計(jì)為面向可移動(dòng)板102. 2的固定板102. 1的表面面積大于面向可移動(dòng)板102. 2 的固定板104. 1的表面面積。因此，當(dāng)可移動(dòng)電極102. 2接近于其平衡位置時(shí)，對(duì)于相同的 施加電壓，由板102. 1施加的靜電吸引力強(qiáng)于由板104. 1施加的靜電吸引力。V1為第一電容器102兩端的電勢(shì)差，V2為第二電容器104兩端的電勢(shì)差。在板具有相等表面面積的情況下，具有觸發(fā)移動(dòng)的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)是有利的，這通過(guò) 移動(dòng)平衡位置來(lái)完成，即，將可移動(dòng)板102. 2設(shè)置為與電極104. 1相比更接近電極102. 1。 這樣進(jìn)行移動(dòng)使得當(dāng)V2等于Ve時(shí)初始位置為例如電極102. 1和104. 1之間的中間位置。 然而，對(duì)稱結(jié)構(gòu)仍包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)?，F(xiàn)在，我們將參照?qǐng)D5A 5D的曲線圖和圖6中所示的開關(guān)112的狀態(tài)的時(shí)間圖 來(lái)說(shuō)明根據(jù)圖4的轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行。在初始狀態(tài)下，開關(guān)112斷開并且只有第二電容器104的固定板104. 1通過(guò)二極 管114被極化為電壓Ve、V2 = VJ除二極管電壓以外)。板104. 1攜帶電荷，因此，在固定板 104. 1和可移動(dòng)板102. 2之間產(chǎn)生靜電力。因此，可移動(dòng)板102. 2朝向固定板104. 1移動(dòng)， 從而，如在圖5A中所看到的，ζ坐標(biāo)在t = 0處為負(fù)。在下一步驟中，閉合開關(guān)112，于是，板102. 1也為電壓Ve，并且V1 = Vp這樣，在 固定板102. 1和可移動(dòng)板102. 2之間也產(chǎn)生靜電力。由于面向可移動(dòng)板102. 2的固定板 102. 1的表面面積大于板104. 1的表面面積，因此，由固定板102. 1施加在可移動(dòng)板102. 2 上的吸引力大于由固定板104. 1施加的吸引力，可移動(dòng)板102. 2改變其移動(dòng)方向，結(jié)果，可 移動(dòng)板102. 2通過(guò)遠(yuǎn)離固定板104. 1移動(dòng)而朝向固定板102. 1移動(dòng)。這種分離移動(dòng)導(dǎo)致二 極管114截止且恒定電荷下的第二電容器104的端電壓V2增大，二極管114和116截止，隨 后，當(dāng)電容器的端電壓V2達(dá)到值Vs (參見(jiàn)圖5C)時(shí)，二極管116導(dǎo)通，并且因?yàn)樵诤愣妷?Vs下，當(dāng)電容減小時(shí)電荷減少，所以電荷從第二電容器104的固定板104. 1轉(zhuǎn)移至電池108。在下一步驟中，再次斷開開關(guān)112。由于可移動(dòng)板102. 2的慣性，可移動(dòng)板102. 2 朝向最大位置ζ繼續(xù)其移動(dòng)。由于斷開開關(guān)112，所以存儲(chǔ)在電容器102中的電荷量保持恒 定，并且由于電容器102的板102. 1和102. 2朝向彼此移動(dòng)而導(dǎo)致電容增大，所以如圖5B 中所示的，電壓V1減小。因此，所存儲(chǔ)的電能隨著存儲(chǔ)在彈性恢復(fù)裝置120中的機(jī)械勢(shì)能的增大而減小。
當(dāng)可移動(dòng)板102. 2處于最大值ζ位置時(shí)，閉合開關(guān)118，結(jié)果，由于固定板102. 1接 地，所以固定板102. 1為零電勢(shì)。于是，當(dāng)可移動(dòng)板102. 2朝向固定板102. 1移動(dòng)時(shí)，存儲(chǔ)在恢復(fù)彈簧120中的能量 恢復(fù)為動(dòng)能形式，并且造成可移動(dòng)板102. 2朝向固定板104. 1移動(dòng)直到其到達(dá)其負(fù)ζ值。當(dāng) 可移動(dòng)板102. 2已經(jīng)到達(dá)其最小ζ位置時(shí)，新的周期開始，于是開關(guān)112閉合，并且重新開 始與上述周期相似的轉(zhuǎn)換周期。根據(jù)在圖4中所示的轉(zhuǎn)換器的一個(gè)變形實(shí)施例，開關(guān)118可以由允許電容器102 的部分放電的裝置來(lái)替換，如上述關(guān)于其他實(shí)施例所描述的那些。但電容器102必須充分 放電以使可移動(dòng)板102. 2的反向移動(dòng)。這種部分放電可以在下一周期期間減小開關(guān)112的 損耗。為了實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程，電極102. 2必須保持足夠的電荷以使其在閉合開關(guān)112時(shí)達(dá)到 電壓\。圖5D示出了圖4的系統(tǒng)中的不同電流的變化。在該實(shí)施例中，存儲(chǔ)在彈簧中的勢(shì)能可以使可移動(dòng)板102. 2返回其平衡位置，并 且該能量在下一周期期間將轉(zhuǎn)換為電能。該實(shí)施例具有與連續(xù)操作情況下的第一實(shí)施例相同的優(yōu)點(diǎn)，S卩，在第二周期中存 在更少的損耗。執(zhí)行第一周期的事實(shí)可以將可移動(dòng)板102. 2置于進(jìn)一步遠(yuǎn)離板102. 1的位 置(在其初始位置之外)。結(jié)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(zhuǎn)移至電極104. 1并且于是越多的電荷轉(zhuǎn)移至電池108，因此，在每個(gè)周期中轉(zhuǎn) 移的電荷量越多。然后，在還稱作共振模式的連續(xù)模式下，可以在ζ值非常低處(即，當(dāng)電極102. 1 和電極102. 2之間的電容非常小時(shí))閉合開關(guān)112;于是，當(dāng)開關(guān)112閉合時(shí)，存在更少的 損耗，并且如參照第一實(shí)施例所描述的，如果將剩余電荷留在電極102. 1上，則可能根本沒(méi) 有損耗。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的第三實(shí)施例，該系統(tǒng)包括其功能隨著時(shí)間 改變的單個(gè)可變電容器。轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括由固定電極202. 1和可移動(dòng)電極202. 2形成的可變電容器202。電 壓Ve的能源206首先通過(guò)稱為充電開關(guān)的開關(guān)212連接至電容器的可移動(dòng)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(guān)的開關(guān)218設(shè)置為與可變電容器202并 聯(lián)。電壓\的電能聚集器208首先通過(guò)開關(guān)216連接至電容器202的可移動(dòng)板202. 2，其 次連接至電容器的固定板202. 1。還設(shè)置了彈性恢復(fù)裝置220以使可移動(dòng)板返回其初始位置，在所示的實(shí)例中，以 彈簧的形式示意性地示出該彈性裝置?，F(xiàn)在，我們將使用與圖7D中的時(shí)間圖對(duì)應(yīng)的圖7A 7C中的曲線圖來(lái)說(shuō)明該系統(tǒng) 的運(yùn)行。在時(shí)間t(l之前，所有的開關(guān)斷開，并且靜電結(jié)構(gòu)完全放電，電壓V2為零。在時(shí)間、處，開關(guān)212閉合，可變電容器202快速充電至電壓Ve，與電極202. 2的機(jī) 械運(yùn)動(dòng)的周期相比，充電時(shí)間很短。由于該充電是短暫的，所以出現(xiàn)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(zhuǎn)移至電容器202，而另一半消耗在開關(guān)212中。有 利地，由于所消耗的能量等于E = 1/2CV/，所以在電容202盡可能小的時(shí)候閉合開關(guān)212。
由于電容器202的端電壓的存在，所以在時(shí)間、和、之間(步驟1)，在電極202. 1 和202. 2之間產(chǎn)生靜電力。該靜電力使兩個(gè)電極202. 1,202. 2朝向彼此移動(dòng)，并且增大電 容器202的電容。結(jié)果，增大了存儲(chǔ)在電容器和恢復(fù)裝置中的機(jī)械能和電能。電極202.2 的移動(dòng)增大了存儲(chǔ)在彈性元件(彈簧)中的動(dòng)能和機(jī)械勢(shì)能，并且稱為Cin__d的電容的增 大增加了存儲(chǔ)的電能，這是因?yàn)镋= l/2Cin _dV/。存儲(chǔ)在靜電結(jié)構(gòu)中的電能的這種整體 增大源于電源\并且實(shí)際上無(wú)損耗。在時(shí)間、處，開關(guān)212斷開。此刻存儲(chǔ)在電容202上的電荷表示為Qtl = CtlVe。在步驟2期間，電極202. 2在恒定電荷(Q = QtlCtlVe)下繼續(xù)其移動(dòng)。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(yīng)的電能減小(E = 1/2QLV)。實(shí)際上，存儲(chǔ)在電容器202上的電能在時(shí)間、處逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能(存儲(chǔ)在彈 性元件中的機(jī)械能增大)。在時(shí)間t2處，有利地，在電極202. 2處于其最接近電極202. 1處時(shí)，換句話說(shuō)，當(dāng)電 容器的電容為最大值(Cmax)時(shí)，由于E = l/2Qtl2/Cmax，因此存儲(chǔ)在電容器202中的電能為其 最低，在電極202. 2移動(dòng)的機(jī)械周期之前的短時(shí)間內(nèi)閉合開關(guān)218，從而存儲(chǔ)在電容202中 的電荷部分放電。在步驟4的開始處，開關(guān)218在時(shí)間t3處再次斷開。存儲(chǔ)在電容器202中的電荷 減少導(dǎo)致電和機(jī)械力的新的平衡，這促使了電極202. 2返回并遠(yuǎn)離電極202. 1移動(dòng)。由于 所有開關(guān)均斷開，所以在步驟4期間，該返回發(fā)生在恒定電荷下。由于電容器202的電容正 在減少，所以其端部電壓增大，這是因?yàn)閂 = Q/C。在時(shí)間t4處，并且優(yōu)選地，在電容器202的端電勢(shì)達(dá)到輸出電壓Vs時(shí)，開關(guān)216閉 合。開關(guān)216在這些端部之間的電勢(shì)差為零時(shí)閉合，并且因?yàn)殡娙萜鞯膬啥穗妱?shì)等于Vs，于 是與該閉合相關(guān)聯(lián)的損耗近似為零。電極202. 2繼續(xù)在恒定電壓(Vs)下遠(yuǎn)離電極202. 1移 動(dòng)。存儲(chǔ)在電極202. 2上的部分電荷被轉(zhuǎn)移至聚集器218，并且電容器202上的電荷減少。從時(shí)間t5開始，優(yōu)選地，開關(guān)216在電容器202的電容達(dá)到其最小值時(shí)斷開，以使 轉(zhuǎn)移至輸出端的電能Eteansfened = 1/2 (Ct5-Ct4) Vs2最大化?？梢苿?dòng)電極202. 2朝向電極202. 1的方向移動(dòng)，于是在恒定電荷下電容202增大， 并且這些端電壓減小，電壓V2減小。在時(shí)間、處，優(yōu)選地，在電容器202的端電壓V2達(dá)到Ve時(shí)，開關(guān)212閉合。結(jié)果， 在這些端部之間的電勢(shì)差為零時(shí)開關(guān)閉合，電勢(shì)等于每側(cè)上的νε。因此，與該閉合相關(guān)聯(lián)的 損耗近似為零。周期的鏈環(huán)執(zhí)行避免了與開關(guān)212的閉合相關(guān)聯(lián)的損耗。因?yàn)殡娙?12初 始被完全放電(其不再是在^處的情況)，所以在起始轉(zhuǎn)變、處產(chǎn)生損耗。圖12示出了圖7中的系統(tǒng)的變形實(shí)施例，其中，轉(zhuǎn)移開關(guān)216被二極管214替換。 該系統(tǒng)實(shí)際上以與圖7中的系統(tǒng)相同的方式運(yùn)行。在可移動(dòng)電極202. 1的移動(dòng)期間(與電 容器202的電容的減少相對(duì)應(yīng))，除二極管電壓以外，當(dāng)電壓V2變得大于電壓Vs時(shí)，二極管 214導(dǎo)通，使得電荷能夠向聚集器208轉(zhuǎn)移。對(duì)于所有的實(shí)施例，例如，可以根據(jù)時(shí)間、根據(jù)電容或電壓的測(cè)量結(jié)果、或根據(jù)電 壓的零導(dǎo)數(shù)，來(lái)控制開關(guān)。還可以使用位置傳感器來(lái)檢測(cè)可移動(dòng)板的位置。上述本發(fā)明的所有實(shí)施例可以以電壓逐步上升或者逐步下降運(yùn)行?？梢蕴峁?檢測(cè)輸出聚集裝置中的電壓電平的裝置、能夠?qū)Τ潆婇_關(guān)和放電開關(guān)的控制起制動(dòng)作用(retro-acting)的調(diào)節(jié)裝置、以及其他裝置。例如，可以增加或者減少轉(zhuǎn)換周期數(shù)。在所示的實(shí)例中，系統(tǒng)包括具有至少一個(gè)不同電極的兩個(gè)電容器(第一實(shí)施例和 第二實(shí)施例)或單個(gè)電容器。注意到每個(gè)電容器可以由并聯(lián)的幾個(gè)電容器組成，例如在將 振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能的領(lǐng)域中眾所周知的內(nèi)部交叉梳型電容器的形式。在第一實(shí)施例的情 況下，不需要為每個(gè)第二電容器均提供一個(gè)第一電容器2，對(duì)于多個(gè)第二電容器，具有將電 能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一個(gè)電容器2即是可行的，該多個(gè)第二電容器將該機(jī)械能轉(zhuǎn)換為與輸入 電勢(shì)不同電勢(shì)的電能。因此，我們的發(fā)明即使在非常小的系統(tǒng)的情況下也能夠保持高效率，并且因此適 用于毫微瓦級(jí)的極低功率系統(tǒng)并且還適用于一瓦級(jí)的中等功率系統(tǒng)。因此，本發(fā)明具體可應(yīng)用于所有的低功率系統(tǒng)，例如諸如移動(dòng)電話或者膝上型計(jì) 算機(jī)的便攜式電子裝置。本發(fā)明尤其適用于下述類型的裝置。這些電子裝置通常包括運(yùn)行在不同供電電壓 下的若干組件。目前，必須為每個(gè)組件使用笨重的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。利用本發(fā)明，可以制造用于每 個(gè)電壓的集成轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，該系統(tǒng)還產(chǎn)生由焦耳效應(yīng)導(dǎo)致的非常小的熱量或者不產(chǎn)生熱量。 還可以使用單個(gè)激勵(lì)電容器來(lái)進(jìn)行幾個(gè)電壓電平的轉(zhuǎn)換，尤其在第一實(shí)施例的情況下。與位于為它們提供能量的裝置的外部的現(xiàn)有轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(例如，移動(dòng)電話充電器) 不同，可以將該系統(tǒng)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(jù)第三實(shí)施例的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)施例的實(shí)例。該系統(tǒng)包括印刷電路式支撐體216，固定電極202. 1通過(guò)例如金屬噴鍍被制造在 該印刷電路式支撐體上。可移動(dòng)電極202. 2由機(jī)械桿218的懸掛端218. 2形成，并且設(shè)置為面向固定電極 202. 1，其中機(jī)械桿為能夠彎曲變形的金屬鋸片的形式。通過(guò)第一縱向端218. 1將桿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(dòng)電極與固定電極以很高的精度隔開。已經(jīng)對(duì)間隔件220固定在其上的區(qū)域219進(jìn)行了金屬噴鍍，使得可得到桿218的 電勢(shì)，這是因?yàn)殚g隔件220導(dǎo)電并且印刷電路被隔離。例如，桿218可以由不銹鋼制成。桿具有與第一縱向端218. 1相對(duì)的第二縱向 端218. 2，其形狀使得在變形之后當(dāng)其向固定電極靠近移動(dòng)時(shí)，其變成與固定電極202. 1并聯(lián)。例如，兩個(gè)間隔件220的間隔距離dl等于1cm。電極的頂端長(zhǎng)度d2等于3cm并且 固定電極202. 1和可移動(dòng)電極202. 2之間的氣隙為100 μ m?，F(xiàn)在，作為實(shí)例，我們將計(jì)算這種類型的系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)換的能量/功率比。考慮輸入電壓Ve = 24V并且輸出電壓Vs = 5V的情況。我們將考慮在時(shí)間、期間開關(guān)212閉合，以使可移動(dòng)電極202. 2達(dá)到距離5V電勢(shì) 的固定電極202. 1為0. 1 μ m，然后，其遠(yuǎn)離移動(dòng)至15 μ m的距離，開關(guān)214閉合，同時(shí)在Vs 下轉(zhuǎn)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(guò)選擇桿厚度和材料以使桿共振在IOkHz處，于是，可以每秒執(zhí)行約10000個(gè)周 期，因此，可以將10000X IlOX 10_9 = 1. ImW從電源Ve轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換能量(在 Cmax/Cmin = dmax/dmin保持高的狀態(tài)下)最大化。如果使用微電子處理制造結(jié)構(gòu)，該優(yōu)勢(shì)尤其 有用。如果需要轉(zhuǎn)換高的電功率，則具有高的共振頻率也是有利的。如果桿具有高的品質(zhì)因數(shù)而使機(jī)械損耗最小也是有利的。圖9示出了根據(jù)第三實(shí)施例的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)施例的另一實(shí)例。在該實(shí)例中，桿218借助于墊片220而懸掛在其縱向端218. 1、218. 2的每端，墊片 提供了可移動(dòng)電極與固定電極分離的精確間距。桿218為兩端固定的鋸片型。因此，可移動(dòng)電極202. 2由桿的中心部分形成，而固定電極202. 1通過(guò)金屬噴鍍形 成在支撐體上。作為實(shí)例，兩個(gè)墊片之間的桿的長(zhǎng)度d3為6cm?？梢苿?dòng)電極和固定電極之間的靜 止距離為100 μ m。該系統(tǒng)與在圖8A和8B中所示的系統(tǒng)非常類似，唯一的差別為桿變形模式。在相對(duì) 于桿厚度為低幅度桿變形的情況下，該性能保持為與圖8A和圖8B中所示的系統(tǒng)相同。當(dāng) 桿的變形幅度相對(duì)于桿厚度較大時(shí)，其性能為強(qiáng)非線性，換句話說(shuō)，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(shù)的變化，并且包括A所表示的線性區(qū)和之后的B所表示的非線性 區(qū)。以虛線C所表示的從線性區(qū)至非線性區(qū)的轉(zhuǎn)變近似對(duì)應(yīng)于等于桿厚度的變形。在小變形的情況下，換句話說(shuō)，在與桿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(duì)于大的變形，換句話說(shuō)，變形大于 桿厚度，主要模式為具有隨著變形的立方變化的力的張力模式(類似于彈簧)。這種非線性有利于可移動(dòng)電極的激勵(lì)。當(dāng)可移動(dòng)電極遠(yuǎn)離固定電極時(shí)，可施加的 靜電力受限(靜電力與電場(chǎng)(E = Ve/氣隙)成正比)。因此，即使靜電力受限，桿在更大距 離處時(shí)，相當(dāng)柔韌的桿也可以使其更為接近。另一方面，當(dāng)可移動(dòng)電極移動(dòng)到非常接近固定 電極時(shí)，所施加的靜電力變大。在這種情況下，變得更硬的桿也不會(huì)阻礙激勵(lì)，并且對(duì)于相 同的位移，可以以機(jī)械的形式存儲(chǔ)更多的能量。結(jié)果，選擇比線性區(qū)稍大(換句話說(shuō)，稍大于桿厚度)的初始?xì)庀妒怯欣?。桿的非線性還使共振頻率取決于圖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(shù)的變化。并且其包括D所表示的線性區(qū)以及之后E所表 示的非線性區(qū)。由于非線性對(duì)共振頻率的影響，非線性還可以調(diào)節(jié)功率轉(zhuǎn)換。通過(guò)作用于開關(guān)控 制，可以修改桿的變形幅度并且因此改變共振頻率，從而改變電荷轉(zhuǎn)移頻率，并且還可以改 變從電源\至輸出端Vs所傳輸?shù)碾姽β?。有必要修改變形幅度的所有情況為例如通過(guò)改
15變開關(guān)212的閉合時(shí)間來(lái)改變輸入至桿的能量的量?？梢哉{(diào)節(jié)共振頻率的事實(shí)首先使得可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換的電功率，同時(shí)保持在連續(xù)模式 下(并且因此，在低損耗模式下)，其次使得可以限制切換開關(guān)的數(shù)量，并且因此，在將要轉(zhuǎn) 換的功率較低時(shí)可以降低相關(guān)聯(lián)的損耗，這有助于即使在低轉(zhuǎn)換功率下也可以保持良好的 效率(近似恒定的轉(zhuǎn)換功率/損耗比)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想象根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的其他實(shí)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(duì)于另一電極橫向移動(dòng)的電極的電容器，該電極通 過(guò)改變兩個(gè)電極之間的面向表面來(lái)相對(duì)于另一電極橫向移動(dòng)。
權(quán)利要求
一種方法，用于通過(guò)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將第一電壓(Ve)下的第一電能轉(zhuǎn)換為第二電壓(VS)下的第二電能，所述轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括至少一個(gè)所述第一電壓(Ve)的電壓源(6)，所述電壓源通過(guò)充電開關(guān)(212)連接至可變電容器(202)；放電開關(guān)(18)，設(shè)置為與所述可變電容器并聯(lián)；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(zhuǎn)移能量的裝置(216)，所述可變電容器(202)包括固定板、能夠遠(yuǎn)離和朝向所述固定板移動(dòng)的可移動(dòng)板、以及使所述可移動(dòng)板返回其初始位置的彈性裝置，對(duì)于一個(gè)完整的轉(zhuǎn)換周期，所述方法包括以下步驟a)閉合所述充電開關(guān)(212)，同時(shí)所述放電開關(guān)保持?jǐn)嚅_，使得以所述第一電壓(Ve)對(duì)所述可變電容器(202)充電，并且使所述可移動(dòng)板移動(dòng)以增大所述電容器的電容；b)斷開所述充電開關(guān)(212)，同時(shí)保持所述放電開關(guān)(218)斷開，以允許所述電容器以恒定電荷運(yùn)行，所述電容器(202)的電容繼續(xù)增大；c)閉合所述放電開關(guān)(218)，以允許所述可變電容器(202)至少部分放電，并且使所述可移動(dòng)元件的移動(dòng)反向；所述轉(zhuǎn)移裝置在所述可移動(dòng)電極的移動(dòng)期間提供從所述電容器至所述聚集裝置的能量轉(zhuǎn)移。
2.一種將第一電壓( 下的第一電能轉(zhuǎn)換至第二電壓(Vs)下的第二電能的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)， 所述轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括至少一個(gè)所述第一電壓(Ve)的電壓源(6 ； 106 ；206)，所述電壓源通過(guò) 充電開關(guān)(12 ；112 ；212)連接至可變電容器(2 ；102 ；202)；放電開關(guān)(18 ；118 ；218)，設(shè)置 為與所述可變電容器并聯(lián)；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(zhuǎn)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(yuǎn)離和朝向所述固定板移動(dòng)的可移動(dòng)板、以及使所 述可移動(dòng)板返回其初始位置的彈性裝置；所述轉(zhuǎn)換系統(tǒng)還包括控制所述充電開關(guān)和所述放電開關(guān)的裝置，使得對(duì)于一個(gè)轉(zhuǎn)換周期a)在第一步驟期間，所述放電開關(guān)斷開，并且所述充電開關(guān)閉合，使得以所述第一電壓 (Ve)對(duì)所述電容器充電，并且使所述可移動(dòng)板移動(dòng)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(guān)斷開，并且所述放電開關(guān)保持?jǐn)嚅_，以允許所述電容 器以恒定電荷運(yùn)行，所述電容器的電容繼續(xù)增大；c)在第三步驟期間，所述放電開關(guān)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(dòng)元件的移動(dòng)反向；所述轉(zhuǎn)移裝置在所述可移動(dòng)電極的移動(dòng)期間將能量從所述電容器轉(zhuǎn)移至所述聚集裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述開關(guān)是可控的，使得當(dāng)所述電容器(2; 102 ；202)的電容為最小值時(shí)，閉合所述充電開關(guān)(12 ；112 ；212)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述開關(guān)是可控的，使得當(dāng)所述電容器(2; 102 ；202)的電容為最大值時(shí)，閉合所述放電開關(guān)(18 ；118 ；218)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述電容器的所述電極之一(202.2)通過(guò)轉(zhuǎn) 移開關(guān)或者二極管(216)被連接至所述聚集裝置(208)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述可變電容器的所述可移動(dòng)電極(202.2)在對(duì)應(yīng)于所述可變電容器電容減小的移動(dòng)階段期間，所述轉(zhuǎn)移開關(guān)或二極管(216)導(dǎo)通。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述可變電容器形成為第一電容器 (2 ；102)，所述系統(tǒng)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(yuǎn)離所述固定板移動(dòng)的可移動(dòng)板(4.2 ;102. 2)，所述第一電容器的 所述可移動(dòng)板和所述第二電容器的所述可移動(dòng)板在移動(dòng)中彼此固定，所述第二可變電容器 (4 ； 104)通過(guò)轉(zhuǎn)移開關(guān)或二極管(16，116)連接至所述聚集裝置(8)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述第二電容器(4)包括設(shè)置在所述可移動(dòng) 板(4. 2)的每側(cè)上的兩個(gè)固定板(4. Ia, 4. Ib)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，每個(gè)電容器均包括一個(gè)固定板(102.1， 104. 1)，并且每個(gè)所述固定板均被設(shè)置在共用的可移動(dòng)板(102.2)的同一側(cè)上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，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(dòng)板(102.2)的一個(gè)表面，其中所述可移動(dòng)板位于所述第二電 容器(104)的所述第二固定板(104. 1)的表面上方。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述放電開關(guān)(18;118;218)的閉合持續(xù) 時(shí)間小于所述轉(zhuǎn)換周期持續(xù)時(shí)間的百分之一。
12.根據(jù)權(quán)利要求2至11中任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述放電開關(guān)(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(dòng)板上的元件形成， 通過(guò)使支撐在所述板上的元件彼此接觸來(lái)產(chǎn)生放電。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述開關(guān)是根據(jù)時(shí)間、可移 動(dòng)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(guān)。
14.根據(jù)權(quán)利要求2至13中任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，所述系統(tǒng)是由硅制成的集成系統(tǒng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求2至14中任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，從彈簧、鋸片、以及可變形桿 中選擇所述恢復(fù)裝置。
16.一種電能轉(zhuǎn)換組合裝置，包括至少兩個(gè)根據(jù)權(quán)利要求2至15中任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn) 換系統(tǒng)，所述組合裝置能夠?qū)⑺龅谝浑妷合碌乃龅谝浑娔苻D(zhuǎn)換為多個(gè)第二電壓下的多 個(gè)第二電能。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述轉(zhuǎn)換組合裝置，其中，所述系統(tǒng)具有共用的可移動(dòng)電極。
18.一種電子設(shè)備，包括至少一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求2至15中任一項(xiàng)所述的電能轉(zhuǎn)換系 統(tǒng)或根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的轉(zhuǎn)換組合裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種將第一電壓(Ve)下的能量轉(zhuǎn)換至第二電壓(VS)下的能量的系統(tǒng)，包括至少一個(gè)電壓(Ve)的電源(6)、放電開關(guān)(18)、可變電容器(202)、以及并聯(lián)連接的聚集裝置(208)，還包括放電開關(guān)(218)和電源(6)之間的充電開關(guān)(212)，以及可變電容器(202)和聚集裝置(208)之間的轉(zhuǎn)移開關(guān)(216)，還包括控制裝置，以使a)在第一步驟期間，閉合充電開關(guān)(212)以對(duì)電容器(202)充電，同時(shí)放電開關(guān)(218)和轉(zhuǎn)移開關(guān)(216)保持?jǐn)嚅_；c)在隨后的步驟期間，短時(shí)閉合放電開關(guān)(218)，同時(shí)充電開關(guān)(212)保持?jǐn)嚅_，以允許可變電容器(202)至少部分放電。
文檔編號(hào)H01G5/16GK101904079SQ200880121872
公開日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2008年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月20日
發(fā)明者吉蘭·德佩斯 申請(qǐng)人:法國(guó)原子能及替代能源委員會(huì)