[发明专利]具有可变电容器的电转换器

说明书

技术领域

本发明涉及一种小型电转换器，其被设计为将由电源提供的第一电势的电能转换为可以被电系统使用的不同电势的电能。

背景技术

通常，通过电源提供的电能处于例如220V的电压，并且许多装置特别是便携式装置需要更低的工作电压，例如12V或14V。因此，这需要使用还被称为电变压器的电能转换器，该系统通常为电感式的。

电转换器基于以下原理工作：来自任意电源的具有给定电势或者给定电流的电能以另一种形式被存储，然后，恢复为具有需要的电势或者电流的电形式。

用已知的方式将电能以磁的形式存储在电/电转换结构(电感器、变压器)中。然而，这种基于电磁元件的转换结构必须足够大以能够提供良好的电性能。如果减小电感式电磁系统的尺寸，则由绕组导致的电阻损耗相对于可以存储在磁元件中的能量变得非常大；因此，效率变得非常低，这使得在非常小的系统(例如集成在硅上的系统)中这种电磁元件的使用没有优势，除非可接受极其低的效率。

此外，这些结构需要电流循环，而电流循环会导致细导线中的能量消耗和温度上升。

文献US 6 317 342描述了使用可变电容器的电压转换器。这种转换器会产生高能量损耗。该转换器还必须工作在共振状态，使得外部时钟必须进行电荷转移。

因此，本发明的目的之一是提供一种具有良好性能的小型电能转换系统。

发明内容

上述目的是通过这样的系统来实现的，其中通过使用具有至少一个电容器的静电结构将能量以机械的形式存储在该系统中，该电容器具有可变气隙以及在电容器板之间产生的静电力用于进行转换。恒定电荷的工作步骤减小了系统损耗，使得该系统的性能可以比根据现有技术的系统更好。

因此，转换涉及仅由静电力产生的机械运动。

以例如动能和/或势能的机械能的形式进行存储，势能可以是诸如弹簧压缩或者杆弯曲的机械变形能量。

根据本发明的系统可以包括设置有可移动板的至少一个可变电容器，该电容器能够通过使可移动电容器板移动(例如通过使弹簧变形)来将给定电压的电能转换为机械能，从而将机械能存储在弹簧中，然后，利用可移动电容器板的新的移动将该机械能转换为另一电压的电能。于是，依次地以激励器模式和电能转换器模式使用该静电结构。

在另一实施例中，系统可以包括两个电容器，一个电容器具有使可移动电容器板移动的主要功能，以及另一个电容器更具体地具有修正电压的主要功能。

根据本发明的系统可以以电压逐步下降或者逐步上升运行。

根据本发明，极小型的转换器是可行的。与电磁转换的情况不同，利用静电转换，结构的每单位体积的电容随着尺寸的减小而增大，因此，每单位体积可转换的能量变高。表面面积增大，该材料的结构更好并且气隙减小。

而且，在静电系统中，通过电压/电场产生机械力来存储能量而不是通过电流来存储能量，因此，不存在由具有小截面的导线中的电流循环导致的能量消耗，并且没有温度升高。

此外，可以在非常小的系统的情况下使用诸如硅的单晶材料，因此，转换系统的机械阻尼很低并且机械品质因数很高，达到了极低机械损耗的结果。

于是，制造适于在便携式电子设备中使用的非常小的集成系统变得可行。

可以连接若干个系统来进行至若干个电压值的电能的转换。

一个显著的优势为转换系统以两种不同的模式运行：

第一模式，电荷的电势逐渐改变，而没有任何电流循环，

第二模式，电荷循环而没有任何电势差。

以这两种模式连续运行的系统使得没有电荷转移损耗。在转换系统中所消耗的功率等于电流和电压差的乘积，并且在这两种模式下消耗的功率总是为0，这是因为每种模式下的分量之一总是为0。于是，根据本发明的系统实现了在转换期间低的能量损耗。

还存在所谓的“切换电容”系统，利用具有固定机械结构的至少两个电容器，通过将这两个电容器的连接顺序地切换为并联和串连来进行能量转移，构成了该系统的工作原理。

然而，如果只在电容器连接至电源之前，电源和电容器之间存在电压差，则仅转移能量。因此，当闭合开关时，由于电压差而产生消耗的能量损失。