system: [SYSTEM]

user: 3. 实验结果 3.1. TENG的输出特性 对TENG的电学测试结果如图7~10所示。图7与图8显示了所用FRD-TENG(未接倍压整流电路)在350 r/min转速下的开路电压V oc 与短路电流I sc ，峰值分别为4.06 kV和73 μA。根据FRD-TENG的工作原理知，开路电压与转速无关，而短路电流与转速呈正比 [ 6 ] [ 7 ] ，图9显示了所用FRD-TENG的开路电压和短路电流随转速的变化情况。图10显示了350 r/min转速下TENG的负载特性曲线，其中输出功率指瞬时输出功率，结果表明当负载为51.7 MΩ时，有最大有效输出功率48.22 mW，最大瞬时输出功率99.5 mW。 3.2. 电路类型及升压倍数对输出的影响 这部分以电容值为10 nF的4、6、8倍压C-W半波电路及4倍压Scheakel电路、8倍压对称C-W半 图7. FRD-TENG开路电压V oc 图8. FRD-TENG短路电流I sc 图9. V oc 、I sc 随转速变化情况 图10. FRD-TENG负载特性曲线 波电路为对象，对不同类型及升压倍数的倍压整流电路进行了对比，在TENG转速为270 r/min和430 r/min时的结果分别如表1和表2所示。 在上述实验条件下，当电路阶数高于4倍压时，随着阶数上升，C-W半波倍压整流电路的输出电流有效值反而下降，纹波系数变大，电流建立时间增加。有研究表明，增加TENG划分单元数，获得更大输出电流时，可以获得更大的最佳(输出电压最高)串联级数 [ 8 ] 。 所用对称C-W倍压整流电路是两个极性相反的C-W半波电路相串联，故其输出有效值与8倍C-W半波电路接近，由表1和表2可知，其纹波系数远小于8倍C-W半波电路，并且小于或相当于4倍C-W半波电路，但是建立时间长于8倍C-W半波电路。相同条件下，Scheakel电路结构的输出电流有效值与C-W半波倍压整流电路几乎相同，纹波系数小于C-W半波倍压整流电路，但是其建立时间远长于C-W半波倍压整流电路，这一问题可以通过增加TENG划分单元数或增加转速以增加频率和电流来改善。此外，C-W半波倍压整流电路和C-W全波倍压整流电路中二极管和电容耐受值为输入电压的两倍，而Scheakel倍压整流电路的电容耐受要求会随所处阶次上升 [ 10 ] [ 11 ] ，因此应用阶数不宜太高。 3.3. 电容值及电容布置对输出的影响 电容值选择对C-W半波倍压整流电路的输出、纹波等特性均有影响，并且不同位置的电容有不同影响，不妨将图3中C1、C3称为升压电容，C2、C4称为输出电容 [ 10 ] [ 15 ] 。这部分以4倍压C-W半波电路为对象，对比了升压电容与输出电容相同时整体电容取值变化的影响，以及只有升压电容或输出电容改变时的影响，在TENG转速为270 r/min和430 r/min下的实验结果分别如表3和表4所示，其中1 & 10指升压电容为1 nF，输出电容为10 nF，10 & 1指升压电容为10 nF，输出电容为1 nF： 实验结果表明，随着整体电容值增加，电流有效值先增加后减少，纹波系数减小，建立时间增加，并且在上述实验条件下，转速为270 r/min时，整体电容值为4.7 nF时有最大 I r m s ；转速为430 r/min时，10 nF的整体电容值可以获得最大 I r m s 。在理想情况下，当电容的耐受电压高于2倍电源电压 V T E N G 时，电容值不影响输出电压，但由于纹波、电源电荷量有限等因素影响，实际情况与理论结果有差异。 将1 nF、10 nF、1 & 10 nF、10 & 1 nF四组数据进行对比可知，当升压电容和输出电容取值不同时，纹波系数主要受输出电容影响，同时在上述条件下，适当减小升压电容，能够减小纹波系数。建立时间同时受升压电容和输出电容影响，并且受输出电容影响更大。 Table 1 Output characteristics of VMCs with different types and multiplication times (270 r/min 电路类型 I rms /μA I pp /μA r/% T s /s Scheakel 5.02 0.052 1.03 21.95 4倍C-W 5.05 0.056 1.11 8.12 6倍C-W 4.57 0.052 1.16 10.04 8倍C-W 3.89 0.051 1.30 11.35 8倍对称 3.74 0.039 1.04 11.97 表1. 不同电路类型输出对比(270 r/min) Table 2 Output characteristics of VMCs with different types and multiplication times (430 r/min 电路类型 I rms /μA I pp /μA r/% T s /s Scheakel 5.76 0.061 1.07 7.40 4倍C-W 5.68 0.104 1.84 5.52 6倍C-W 5.46 0.134 2.46 7.42 8倍C-W 4.80 0.147 3.05 8.25 8倍对称 4.83 0.042 0.88 10.37 表2. 不同电路类型输出对比(430 r/min) Table 3 Output characteristics of VMCs with different capacitance values (270 r/min 电容值/nF I rms /μA I pp /μA r/% T s /s 0.47 4.16 0.255 6.13 0.94 1 4.43 0.105 2.36 1.79 4.7 4.71 0.054 1.15 8.18 10 4.46 0.045 1.01 8.08 22 4.33 0.043 0.98 12.68 1&10 4.69 0.037 0.78 6.48 10&1 4.73 0.125 2.64 3.28 表3. 不同电容值输出对比(270 r/min) Table 4 Output characteristics of VMCs with different capacitance values (430 r/min 电容值/nF I rms /μA I pp /μA r/% T s /s 0.47 5.27 1.159 21.98 0.31 1 5.47 0.288 5.26 1.34 4.7 5.58 0.114 2.04 5.21 10 5.64 0.104 1.85 5.25 22 5.58 0.081 1.45 8.26 1&10 5.38 0.090 1.66 4.86 10&1 5.42 0.290 5.35 2.49 表4. 不同电容值输出对比(430 r/min) 3.4. TENG转速对输出的影响 FRD-TENG的转速在常用区间内增加，会同时增加式(1)、(2)中升压电路的输出电流和电源频率，最终影响输出、纹波等特性。这部分以电容值为1 nF及10 nF的4倍压C-W半波电路为对象，对比了FRD-TENG的影响，实验结果分别如表5和表6所示。 实验结果表明，在常用转速区间内，随着FRD-TENG的转速增加，电流有效值增大，电流建立时间缩短。当转速较低时，纹波系数随转速增加而增大，当转速超过某一数值时，纹波系数有可能下降。 3.5. 负载对输出的影响 为探究负载电阻值对输出纹波的影响，以及不同参数升压电路负载特性的差异，测试了转速为350 r/min时，电容值为10 nF的4倍压Scheakel电路、电容值分别为1 nF、1 & 10 nF、10 nF的4倍压C-W半波电路的负载特性曲线，如图11所示，实验中电流纹波系数如图12所示。表7对比了上述四种电路及无倍压整流电路时的最大有效输出功率和最小纹波情况。 Table 5 Output characteristics of VMCs with different TENG rotation rates (1 nF 转速/r∙min − 1 I rms /μA I pp /μA r/% T s /s 200 3.61 0.083 2.29 1.96 270 4.36 0.111 2.55 1.66 350 4.95 0.319 6.45 1.29 430 5.52 0.293 5.31 1.27 表5. 不同转速输出对比(1 nF) Table 6 Output characteristics of VMCs with different TENG rotation rates (10 nF 转速/r∙min −1 I rms /μA I pp /μA r/% T s /s 200 3.79 0.044 1.16 9.79 270 4.57 0.046 1.00 8.28 350 5.15 0.076 1.48 6.66 430 5.70 0.102 1.78 5.38 表6. 不同转速输出对比(10 nF) Table 7 Maximum power and minimum fluctuation coefficients of different VMC 电路 R P max / Ω P max /mW R r min / Ω r min / % 无电路 51.7 M 48.22 / / Scheakel 510 M 25.55 1 G 1.15 1 nF 1 G 25.95 5 G 2.94 1&10 nF 1 G 25.42 2 G 1.36 10 nF 1 G 28.19 2 G 1.38 表7. 不同电路最大功率和最小纹波系数对比 实验结果表明，在上述实验条件下，所用四种倍压整流电路的负载特性曲线相似。与TENG直接驱动负载相比，增加倍压整流电路后，会有显著的功率损失，并且最优阻抗值由51.7 MΩ增加到1 GΩ左右。其中电容值为10 nF的C-W电路具有最高的有效功率峰值28.19 mW，三个不同电容值的C-W半波电路的最优阻抗值均在510 MΩ~2 GΩ间，Scheakel电路的最优阻抗稍小，在200 MΩ~1 GΩ间。由图11可知，在最优阻抗值附近，同参数下Scheakel电路的输出功率小于C-W半波电路，升压电容小的C-W半波电路输出功率小于升压电容大的电路。 图11. 四种倍压整流电路的负载特性曲线 图12. 四种倍压整流电路的纹波系数–负载曲线 对比四种倍压整流电路的纹波系数–负载关系曲线，纹波系数均随负载阻值的增大先减小，后增大，这是由于式2中I值随阻抗增大而减小，但是当 值过小时，更容易受到干扰。由图12可知，同参数下Scheakel电路具有最小的最优纹波系数，输出电容大的C-W半波电路纹波系数优于输出电容小的。 图11和图12表明，升压电容为1 nF，输出电容为10 nF的C-W半波电路负载特性接近电容值为1 nF的C-W半波电路，而纹波系数接近电容值为10 nF的C-W半波电路。