能量采集是一个新兴的功率电子领域，专注于将小量的环境能量转换为可用的电能。这项技术在需要长期供电的应用中尤为重要，例如无线传感器、可穿戴设备、物联网设备和环境监测系统。由于不同环境能量源(如光、热、机械和电磁辐射)的间歇性，能量存储已成为一个重要课题。能量可以从多种源头获取，包括阳光、热量、振动和无线电波。然而，能量采集的主要挑战仍然是以多高的效率捕获和转换环境能量，这正是先进半导体及各种存储设备(如薄膜固态锂电池、超级电容器和可逆燃料电池)发挥作用的地方。

　　能量采集：应用实例与使用案例

　　随着能量采集技术的发展，像无线传感器这样的先进系统逐渐成为一种有用的技术。此外，电路和半导体技术的进步降低了电子系统的能量消耗，从而使高效能量换能器(例如太阳能电池和热电或感应微型发电机)能够为小型设备提供电力，包括传感器、微控制器和无线收发器。能量采集的其他应用案例包括定制医疗植入物、集成到热电和电气机器或旋转设备中的传感器和换能器，以及临时分布式网络中的传感器。在不久的将来，环境能量采集或捕获换能器可能会使待机时间无限，或使个人可穿戴电子设备甚至智能手机等更高要求的设备正常运作，从而使这些设备几乎完全自主。

　　功率半导体提高能量采集系统的效率

　　半导体在有效实施能量采集系统中起着战略性作用。二极管、晶体管和功率转换器等半导体器件对转换和管理采集的能量至关重要。宽禁带(WBG)半导体因其优良的效率和稳健性在该领域获得了越来越多的关注。这些材料使能量转换的损耗低于传统硅半导体，从而提高了整个系统的效率。此外，WBG半导体能够在更高温度和更高电压下运行，使其特别适合在环境能量变化较大且条件恶劣的应用中使用。

　　功率转换器技术是能量采集应用的核心。这些转换器必须具有极高的效率，因为从环境源获得的能量通常非常有限。功率转换器必须在极低的功率水平和可变输入电压下有效运行。WBG半导体凭借其优异的开关特性，使得能够更高效地处理这些可变条件的转换器得以实现。一个关键技术的例子是超低功率DC/DC转换器，这对于从太阳能电池或热电发电机等提供波动电压和电流的源中采集和稳定能量至关重要。利用先进的半导体，这些转换器的转换效率可超过90%，即使在非常低的功率水平下也能正常工作。

　　除了转换效率，能量采集的一个关键方面是管理采集到的能量。由于采集到的能量通常有限且间歇性，因此必须有系统能够存储采集的能量并将其稳定地传递给消费设备。先进的半导体技术被用于开发能量管理系统，以高效地调节和分配能量。例如，电源管理集成电路(PMIC)旨在最大化采集的能量并最小化在分配过程中的损失。这些PMIC可以集成如最大功率点跟踪等功能，特别适合于优化来自可变源的能量采集。此外，随着半导体技术的进步，这些设备的体积也越来越小，使其在空间有限的便携式和紧凑型设备中的应用变得理想。

图1

　　图1显示了来自模拟设备公司的一个集成电路，该公司生产各种超低功率的能量采集应用产品。

　　能量管理产品能够将来自振动、光伏和热量等不同源的能量转换为高效的能量，并在调节电压下为电池和存储元件(如超级电容器)充电。热管理是能量采集应用中的另一个关键方面。尽管涉及的功率通常较低，但如果产生的热量未能得到妥善散热，系统效率可能会受到严重影响。WBG半导体因其能够在更高温度下工作而在此背景下具有显著优势。更好地管理热量不仅可以提高设备的可靠性，还能减少散热器的体积，从而实现更紧凑的系统设计。此外，整合先进的冷却技术，如相变材料或微通道冷却，也可以进一步改善能量采集设备中的热管理，提高整体效率。

　　能量采集领域的另一个重要创新是利用压电和热电材料，它们分别能在机械或热变化时产生电能。半导体用于开发信号调理电路，以高效捕获和转换这些材料产生的能量为可用电能。例如，压电材料可以从振动中获取能量，这在工业或城市环境中很常见。基于WBG半导体的信号调理电路可以提高将这些机械能转化为电能的效率，使得这些技术在从可穿戴传感器到基础设施监控系统等各种应用中更具实用性。

　　另一个能量采集的来源是射频(RF)能量。随着无线网络和短距离通信的兴起，RF能量成为为小型设备供电的潜在源泉。功率半导体对于开发捕获和转换RF能量为电能的天线和转换电路至关重要。基于氮化镓(GaN)技术的器件因其优异的高频性能，成为RF能量捕获和转换的理想选择。此外，这些器件在低电压下运行并具有高转换效率，使其特别适合于RF能量采集应用，因为可用的能量通常非常有限。

　　功率电子在能量采集应用中具有重要意义，使得从环境源中高效收集、转换和管理能量成为可能。功率半导体的采用正在改变这些技术的实施方式，提高效率、减少系统体积，并为广泛应用中的能量采集开辟新的可能性。随着半导体技术的不断进步以及新的环境能量源的出现，能量采集将变得日益重要，助力创造更加可持续的未来，减少对传统能源的依赖。尽管如此，电池无法完全被替代，但我们可以努力延长充电间隔时间，延长使用寿命，从而显著减少浪费和环境影响。

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