能量采集是低功耗电子设备供电技术发展的基本支柱，为实现对环境影响最小的可持续技术的未来铺平了道路。
本文将讨论两个日益被广泛讨论的话题，它们看似孤立，但共通的是都需要最大限度地利用能源，使系统尽可能高效。高效意味着最大限度地减少能源损耗、制造更轻更小的设备、采用更凉爽或更低温度的技术、降低管理成本，以及最重要的减少环境污染。
能量采集
未来的关键词是最大效率，而其他来源的能量采集正在证明这一点。现代技术不断进步，找到了越来越先进的方法来采集和回收原本会被浪费的能源。能源的采集、生产，以及最重要的存储和保存是所有电力和非电力电子领域的基本阶段。
能量采集是指从所有的动作或事件中回收能量的过程，即使是从那些看似毫无意义或微不足道的来源回收。虽然这种能量有时微乎其微，但这种能量的前景十分广阔，它使我们能够为数十亿小型电子设备供电，而这些电子设备如今已成为日常生活中不可或缺的一部分。简而言之，通过使用特定器件，可以通过存储能量(即使是非常小的量)来防止能量的流失，然后为多个技术器件供电。
根据这一中长期愿景，自主储能系统对于确保设备正常运行必不可少，尤其是在具有挑战性的环境中。能量采集是一种捕获来自其他来源的能量(否则会分散在环境中并被浪费)的过程，以便存储或立即使用。这种能量可以以光、声音、振动、温度、压力等形式存在于周围环境中。
直接从环境中采集和捕获能量是真正在节约能源、消除对电池的需求并进一步保护环境的一个重要创新机会。各种类型的动作产生电位差的可能性是多种多样的。使用特殊的压电晶体踩踏或摩擦地板可以产生电压，因为即使是很小的机械变形也足以产生能量，它们被用于将人类产生的机械能转化为电能。这是一个不断发展的领域，预计未来几年该技术将变得更加高效。
压电应用还涉及从电机、车轮或其他低频声音的机械振动中产生有限的电势。所有能量采集发电机的共同特点就是体积小，因此适合在衣服或人体上安装的器件中采集能量。这种设备能够为手机、灯泡、GPS或用于监测生物医学参数的医疗设备等小型电子设备供电或充电。一些安装在四肢上的能量采集器件可以在行走、跳跃或骑自行车时产生电压。除了压电发电机外，应用最广泛、最著名的能量采集方法就是利用太阳光。
太阳能通过光伏电池转化为电能，但目前与其他方法相比，其效率只能说勉强可以接受。从射频源采集能量也是在无线信号附近进行电力传输的一种方法(见图1中的接收器)。热能采集也开始受到市场的关注，它涉及将两个表面之间的热差转化为电能。
图1：一些平面线圈可用于在无线信号附近传输电力(来源：DigiKey)
能量采集器件
采集器件能采集的能量极其有限，而且很少能实时使用。能量产生的事件的非连续性和不一致性也使得直接向轻负载供电具有挑战性。然而，一些应用侧重于在特殊的“容器”中采集和存储能量，这些容器通常由小型可充电电池或电容器(最好是大容量超级电容器)组成。极化电解电容器在这种情况下肯定非常有用，因为它们具有降低能耗和增强环境可持续性的所有特性。
为了回收能量，必须使用具有高存储容量的小型器件，而电容器足以胜任这项任务。存储器件必须具有非常低的漏电流，因为要供电的设备耗散的功率只有几毫瓦。目前，从人体运动中采集能量对于为可穿戴电子设备供电大有可为。有一种压电能量采集系统可以从人体运动中产生电能，例如在行走或跑步时(见图2)。
该图显示了压电发电机每走一步产生的电压，电压经过整流后被输送到一个电容器，以便逐步采集能量。鞋子可能是能量采集的理想选择，它集成了小型电路来采集和积累能量，以便在行走时为电子设备充电。这种方法相对简单有效。在各种解决方案中，使用压电材料被认为是最好的解决方案之一，因为它在变形过程中会产生电荷，尤其是在受到压力时。
图2：行走时产生能量的鞋子示例
电机控制
新兴技术正在显著提高引擎的效率和可靠性。其中最有前景的领域之一就是碳化硅(SiC)MOSFET的使用，尤其是在速度调节方面。SiC MOSFET正在彻底改变电动机的速度控制，因为它们可以提高性能、减少功率损耗并提高整个系统的可靠性。例如，一些公司已经生产了基于碳化硅的特殊MOSFET，这些MOSFET针对关键电机应用中的有效冷却进行了优化。
变频控制电机驱动是一项相当新的技术，目前已在各个领域得到广泛应用，它为节省大量能源提供了可能性，而这正是其首要任务之一。除了至关重要的RDS(on)参数外，新器件还具有非常短的短路电阻时间(约为几微秒)，以及极高的开关速度。所有这些特性都使得开关损耗极低(甚至与IGBT相比也是如此)，而零电压关断功能则大大简化了电机驱动电路。
与传统解决方案相比，采用某些类型的碳化硅MOSFET不仅能保证更高的功率密度，还能在无需风扇等主动冷却系统的情况下管理相当大的电流，从而有助于降低整体噪音和系统尺寸，同时提高长期可靠性。这些特性在空间有限且要求苛刻的应用中尤其具有优势，例如汽车或航空航天工业的电源转换器，这些应用中能效和紧凑设计是基本要求。
驱动直流电机的最简单方法之一是使用由PWM脉冲驱动的“H桥”(见图3)。该方法是以恒定频率和可变占空比激活MOSFET，使电机上的平均电压多样化，从而控制电机的速度。在这种配置中，可以按不同的顺序切换MOSFET，为电机提供所需的电压极性，并且电桥可以在双极和单极模式下使用。
双极模式允许用户同时打开两个MOSFET，通过激活两对电子开关中的一对来设置电流方向，平均值取决于振荡器的占空比。为了防止MOSFET的交叉导通(这会导致电源短路)，必须在关闭一对器件和打开另一对器件之间提供一个延迟时间。即使所有器件都关闭，电机的磁场也会导致一小部分电流流过MOSFET中的二极管。在简单得多的单极配置中，右侧的一个MOSFET保持导通，然后导通左侧的一个MOSFET。
图3：H桥中的电流路径
结论
能量采集是低功耗电子设备供电技术发展的基本支柱，为实现对环境影响最小的可持续技术的未来铺平了道路。同时，SiC MOSFET在电机控制中的应用正在彻底改变电力行业，确保了卓越的性能和更高的能源效率。这些技术创新，加上对日益高效解决方案的不断追求，标志着我们向清洁能源与先进技术和谐共存、造福环境和社会的未来迈出了重要一步。
(本文转载自EE Times姊妹网站Power Electronics News，参考链接：Energy Harvesting and Motor Control，由Ricardo Xie编译。)
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