阻抗匹配轉換器設計概念

一般而言為了配合負載的操作電壓，或是為了把輸出電量穩定的存進儲能元 件中，壓電片發出交流電壓經過整流後，會接上DC to DC converter，因為直流 對直流轉換器可以提供升降壓的功用，還有如果只是單純的經過整流後對電容充 電，其電壓只能充到其交流電壓的最大峰值，也因為其轉換器是透過電感來做電 流充放電的動作，所以可以一直很穩定的對儲能元件作定電流充電的動作。

圖4.20 利用 Buck-Boost Bonverter 作為阻抗匹配轉換器[13]

再者，如同上一小節提到壓電材料的最大輸出功率與阻抗匹配的關係，因此 文獻[13]提出了利用直流對直流轉換器作為阻抗匹配的功用，如圖 4.20 是利用 升降壓型轉換器作為阻抗匹配的功用，從圖4.21 的特性圖中，我們根據電感電 壓與電流的關係，式(4-5)，我們可以把iM看成式轉換器的輸入電流，由於輸入 電壓Vrect為定值，所以在開關導通期間內，電感電流呈現線性增加，開關截止 後iM為零，所以我們把在單一開關周期Tsw內的電流iM做積分的動作，iM av 即 是輸入平均電流，式(4-6)，輸入電壓Vrect平均輸入電流iM av的比值即是平均輸 入阻抗，式(4-7)，因此我們可以把平均輸入阻抗看成是直流對直流轉換器的等 效負載，如此一來只要調配好電感值的大小、開關頻率、責任周期，符合相對應 的阻抗匹配值，即可達成最大功率的最佳化。

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4.5.1 阻抗匹配轉換器基本架構

圖 4.22 為阻抗匹配轉換器的基本架構，壓電發電機透過橋式整流器整流後，

接上後端的升降壓型轉換器，最後在儲存在電池中。阻抗匹配轉換器需要開關驅 動電路來驅動開關，Vcc為驅動電路的操作電壓，VG為開關驅動訊號，一般PWM 產生器的功率消耗都遠大於壓電發電機的發電功率，或是需要很高的操作電壓，

不適用於壓電發電系統， 所以此開關驅動電路的的設計概念在於超低的功率耗 損，文獻[13]利用低功率的石英晶體震盪器來達成這個目標，其消耗功率極低，

頻率為32.768KHz，可用來直接驅動開關，驅動訊號的責任周期約為 0.5，根據 式子(4-7)，如果使用 50mH 的電感值，可以產生 13.17K 的等效負載，但是本研 究在發電功率的最佳化至少需要20K 以上的等效負載，所以必須使用 100mH 以 上的大電感，一般市面上最大的電感只到100mH，且有低電流的使用限制，越 大的電感的其電感值的選擇越少。

式子(4-7)中，開關的責任周期(D)為分母項而且是一個平方項，表示說如果 可以改變開關的責任周期，只要降低些微的責任周期就可以大大提升等效負載的 阻值，所以在驅動電路的設計上本文設計了一脈波寬度調變產生(pulse-width modulation，PWM)電路，如圖 4.23，包含了鋸齒波產生電路和比較電路兩部分，

利用鋸齒波產生鋸齒波，輸入給比較電路，與比較電壓(Vref)相比較後輸出 PWM 訊號驅動開關，藉由調整比較電壓的大小即可改變開關的責任周期，來達成更全 面的阻抗匹配轉換器。

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