能量采集是一個新興的功率電子領域，專注于將小量的環境能量轉換為可用的電能。這項技術在需要長期供電的應用中尤為重要，例如無線傳感器、可穿戴設備、物聯網設備和環境監測系統。由于不同環境能量源(如光、熱、機械和電磁輻射)的間歇性，能量存儲已成為一個重要課題。能量可以從多種源頭獲取，包括陽光、熱量、振動和無線電波。然而，能量采集的主要挑戰仍然是以多高的效率捕獲和轉換環境能量，這正是先進半導體及各種存儲設備(如薄膜固態鋰電池、超級電容器和可逆燃料電池)發揮作用的地方。

　　能量采集：應用實例與使用案例

　　隨著能量采集技術的發展，像無線傳感器這樣的先進系統逐漸成為一種有用的技術。此外，電路和半導體技術的進步降低了電子系統的能量消耗，從而使高效能量換能器(例如太陽能電池和熱電或感應微型發電機)能夠為小型設備提供電力，包括傳感器、微控制器和無線收發器。能量采集的其他應用案例包括定制醫療植入物、集成到熱電和電氣機器或旋轉設備中的傳感器和換能器，以及臨時分布式網絡中的傳感器。在不久的將來，環境能量采集或捕獲換能器可能會使待機時間無限，或使個人可穿戴電子設備甚至智能手機等更高要求的設備正常運作，從而使這些設備幾乎完全自主。

　　功率半導體提高能量采集系統的效率

　　半導體在有效實施能量采集系統中起著戰略性作用。二極管、晶體管和功率轉換器等半導體器件對轉換和管理采集的能量至關重要。寬禁帶(WBG)半導體因其優良的效率和穩健性在該領域獲得了越來越多的關注。這些材料使能量轉換的損耗低于傳統硅半導體，從而提高了整個系統的效率。此外，WBG半導體能夠在更高溫度和更高電壓下運行，使其特別適合在環境能量變化較大且條件惡劣的應用中使用。

　　功率轉換器技術是能量采集應用的核心。這些轉換器必須具有極高的效率，因為從環境源獲得的能量通常非常有限。功率轉換器必須在極低的功率水平和可變輸入電壓下有效運行。WBG半導體憑借其優異的開關特性，使得能夠更高效地處理這些可變條件的轉換器得以實現。一個關鍵技術的例子是超低功率DC/DC轉換器，這對于從太陽能電池或熱電發電機等提供波動電壓和電流的源中采集和穩定能量至關重要。利用先進的半導體，這些轉換器的轉換效率可超過90%，即使在非常低的功率水平下也能正常工作。

　　除了轉換效率，能量采集的一個關鍵方面是管理采集到的能量。由于采集到的能量通常有限且間歇性，因此必須有系統能夠存儲采集的能量并將其穩定地傳遞給消費設備。先進的半導體技術被用于開發能量管理系統，以高效地調節和分配能量。例如，電源管理集成電路(PMIC)旨在最大化采集的能量并最小化在分配過程中的損失。這些PMIC可以集成如最大功率點跟蹤等功能，特別適合于優化來自可變源的能量采集。此外，隨著半導體技術的進步，這些設備的體積也越來越小，使其在空間有限的便攜式和緊湊型設備中的應用變得理想。

圖1

　　圖1顯示了來自模擬設備公司的一個集成電路，該公司生產各種超低功率的能量采集應用產品。

　　能量管理產品能夠將來自振動、光伏和熱量等不同源的能量轉換為高效的能量，并在調節電壓下為電池和存儲元件(如超級電容器)充電。熱管理是能量采集應用中的另一個關鍵方面。盡管涉及的功率通常較低，但如果產生的熱量未能得到妥善散熱，系統效率可能會受到嚴重影響。WBG半導體因其能夠在更高溫度下工作而在此背景下具有顯著優勢。更好地管理熱量不僅可以提高設備的可靠性，還能減少散熱器的體積，從而實現更緊湊的系統設計。此外，整合先進的冷卻技術，如相變材料或微通道冷卻，也可以進一步改善能量采集設備中的熱管理，提高整體效率。

　　能量采集領域的另一個重要創新是利用壓電和熱電材料，它們分別能在機械或熱變化時產生電能。半導體用于開發信號調理電路，以高效捕獲和轉換這些材料產生的能量為可用電能。例如，壓電材料可以從振動中獲取能量，這在工業或城市環境中很常見。基于WBG半導體的信號調理電路可以提高將這些機械能轉化為電能的效率，使得這些技術在從可穿戴傳感器到基礎設施監控系統等各種應用中更具實用性。

　　另一個能量采集的來源是射頻(RF)能量。隨著無線網絡和短距離通信的興起，RF能量成為為小型設備供電的潛在源泉。功率半導體對于開發捕獲和轉換RF能量為電能的天線和轉換電路至關重要。基于氮化鎵(GaN)技術的器件因其優異的高頻性能，成為RF能量捕獲和轉換的理想選擇。此外，這些器件在低電壓下運行并具有高轉換效率，使其特別適合于RF能量采集應用，因為可用的能量通常非常有限。

　　功率電子在能量采集應用中具有重要意義，使得從環境源中高效收集、轉換和管理能量成為可能。功率半導體的采用正在改變這些技術的實施方式，提高效率、減少系統體積，并為廣泛應用中的能量采集開辟新的可能性。隨著半導體技術的不斷進步以及新的環境能量源的出現，能量采集將變得日益重要，助力創造更加可持續的未來，減少對傳統能源的依賴。盡管如此，電池無法完全被替代，但我們可以努力延長充電間隔時間，延長使用壽命，從而顯著減少浪費和環境影響。

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