Khái niệm về bộ chuyển đổi điện áp tự khởi động hiệu quả với theo dõi điểm công suất tối đa động cho các bộ phát nhiệt điện quy mô vi mô

Springer Science and Business Media LLC - Tập 4 - Trang 1-10 - 2022
D. Merten1, J. A. Singer2, H. Fiedler3, S. Tappertzhofen1
1Chair for Micro- and Nanoelectronics, Department of Electrical Engineering and Information Technology, TU Dortmund University, Dortmund, Germany
2Institute for Integrated Circuits, Hamburg University of Technology, Hamburg, Germany
3Chair for Intelligent Microsystems, Department of Electrical Engineering and Information Technology, TU Dortmund University, Dortmund, Germany

Tóm tắt

Các bộ phát nhiệt điện quy mô vi mô (microTEGs) có tiềm năng ứng dụng cao cho việc thu năng lượng cho các hệ thống vi mô tự chủ. Khác với các bộ phát nhiệt điện thông thường, microTEGs chỉ có thể cung cấp điện áp ra nhỏ. Do đó, các bộ chuyển đổi điện áp là cần thiết để cung cấp điện áp cấp đủ cao để cấp nguồn cho các thiết bị điện tử vi mô. Tuy nhiên, để đạt được hiệu suất chuyển đổi cao, các bộ chuyển đổi điện áp cần được tối ưu hóa cho dải điện áp đầu vào hạn chế và điện trở trong thường cao của microTEGs. Để vượt qua những hạn chế của các bộ chuyển đổi điện áp thông thường, chúng tôi trình bày một bộ chuyển đổi điện áp tự khởi động được tối ưu hóa với khả năng theo dõi điểm công suất tối đa động. Tiềm năng hiệu suất của khái niệm của chúng tôi đã được phân tích lý thuyết và thực nghiệm. Giao diện chuyển đổi điện áp cho thấy khả năng thu năng lượng từ các điện áp mạch hở thấp tới 30.7 mV, và cho phép khởi động độc lập và đầy đủ từ 131 mV. Không cần nguồn cung cấp điện bên ngoài nào ở bất kỳ thời điểm nào trong quá trình hoạt động. Nó có thể hoạt động với dải điện trở trong rộng từ 20.6 đến -4 kΩ với hiệu suất chuyển đổi ở mức η = 68–79%.

Từ khóa

#bộ phát nhiệt điện quy mô vi mô #bộ chuyển đổi điện áp #khởi động tự động #theo dõi điểm công suất tối đa động #thu năng lượng

Tài liệu tham khảo

Riffat S, Ma X (2003) Thermoelectrics: a review of present and potential applications. Appl Therm Eng 23:913–935 Wang X, Wang ZM (2014). In: Wang X, Wang ZM (eds) Nanoscale Thermoelectrics, vol 16. Springer, Cham Boukai AI, Bunimovich Y, Tahir-Kheli J, Yu J-K, III Goddard WA, Heath JR (2008) Silicon nanowires as efficient thermoelectric materials. Nature 451: 168–171 Yan J, Liao X, Yan D, Chen Y (2018) Rev micro thermoelectric generator. J Microelectromechanical Syst 27:1–18 Hicks LD, Dresselhaus MS (1993) Effect of quantum-well structures on the thermoelectric figure of merit. Phys Rev B 47:12727–12731 Sullivan O, Gupta MP, Mukhopadhyay S, Kumar S (2015) On-chip power generation using ultrathin thermoelectric generators. J Electron Packag 137 Venkatasubramanian R, Siivola E, Colpitts T, O’Quinn B (2001) Thin-film thermoelectric devices with high room-temperature figures of merit. Nature 413:597–602 Hicks LD, Dresselhaus MS (1993) Thermoelectric figure of merit of a one-dimensional conductor. Phys Rev B 47:16631–16634 Aktakka EE, Ghafouri N, Smith CE, Peterson RL, Hussain MM, Najafi K (2013) Post-CMOS FinFET integration of bismuth telluride and antimony telluride thin-film-based thermoelectric devices on SoI substrate. IEEE Electron Dev Lett 34:1334–1336 Yang M-Z, Wu C-C, Dai C-L, Tsai W-J (2013) Energy harvesting thermoelectric generators manufactured using the complementary metal oxide semiconductor process sensors 13:2359–2367 Yang Y, Pradel KC, Jing Q, Wu JM, Zhang F, Zhou Y, Zhang Y, Wang ZL (2012) Thermoelectric nanogenerators based on single Sb-doped ZnO micro/nanobelts. ACS Nano 6:6984–6989 Zhang Q, Sun Y, Xu W, Zhu D (2014) Organic thermoelectric materials: emerging green energy materials converting heat to electricity directly and efficiently. Adv Mater 26:6829–6851 Zimmermann J, Merten D, Finke J, Drabiniok E, Fiedler H, Tappertzhofen S (2021) Scalable fabrication of cross-plane thin-film thermoelectric generators on organic substrates. Thin Solid Films 734:138850 Zhang W, Yang J, Xu D (2016) A high power density micro-thermoelectric generator fabricated by an integrated bottom-up approach. J Microelectromech Syst 25:744–749 Yu Y, Zhu W, Wang Y, Zhu P, Peng K, Deng Y (2020) Towards high integration and power density: Zigzag-type thin-film thermoelectric generator assisted by rapid pulse laser patterning technique. Appl Energy 275:115404 Liu S, Hu B, Liu D, Li F, Li J-F, Li B, Li L, Lin Y-H, Nan C-W (2018) Micro-thermoelectric generators based on through glass pillars with high output voltage enabled by large temperature difference. Appl Energy 225:600–610 Yuan Y, Najafi K (2019) Vertical self-defined thin-film thermoelectric thermocouples by angled co-evaporation for use in µTEGs. J Phys Conf Ser 1407:012014 Wang X, Suwardi A, Lim SL, Wei F, Xu J (2020) Transparent flexible thin-film p–n junction thermoelectric module. NPJ Flex Electron 4:19 Korotkov A, Loboda V, Dzyubanenko S, Bakulin E (2018) Fabrication and testing of mems technology based thermoelectric generator. In: 2018 7th Electronic System-Integration Technology Conference (ESTC) (IEEE), pp 1–4 Zhu XL, Li DS, Liu B, D, Zhe J (2012) Optimal design and simulation of a cross-plane micro-thermoelectric generator. Key Eng Mater 503:240–243 Twaha S, Zhu J, Yan Y, Li B (2016) A comprehensive review of thermoelectric technology: Materials, applications, modelling and performance improvement. Renew Sustain Energy Rev 65:698–726 Lhermet H, Condemine C, Plissonnier M, Salot R, Audebert P, Rosset M (2008) Efficient power management circuit: from thermal energy harvesting to above-IC microbattery energy storage. IEEE J Solid-State Circuits 43:246–255 Ramadass YK, Chandrakasan AP (2010) A batteryless thermoelectric energy-harvesting interface circuit with 35mV startup voltage. In: 2010 IEEE International Solid-State Circuits Conference - (ISSCC) (IEEE) pp 486–7 Doms I, Merken P, Van Hoof C, Mertens RP (2009) Capacitive Power Management Circuit for Micropower Thermoelectric Generators With a 1.4µA Controller. IEEE J Solid-State Circuits 44:2824–2833 Woias P, Islam M, Heller S, Roth R 2013 A low-voltage boost converter using a forward converter with integrated Meissner oscillatorJ. Phys. Conf. Ser.476012081 Martinez T, Pillonnet G, Costa F (2018) A 15-mV Inductor-Less Start-up Converter Using a Piezoelectric Transformer for Energy Harvesting Applications. IEEE Trans Power Electron 33:2241–2253 Kim J, Kim C (2013) A DC–DC Boost Converter With Variation-Tolerant MPPT Technique and Efficient ZCS Circuit for Thermoelectric Energy Harvesting Applications. IEEE Trans Power Electron 28:3827–3833 Carreon-Bautista S, Eladawy A, Mohieldin AN, Sanchez-Sinencio E (2014) Boost Converter With Dynamic Input Impedance Matching for Energy Harvesting With Multi-Array Thermoelectric Generators. IEEE Trans Ind Electron 61:5345–5353 Desai NV, Ramadass Y, Chandrakasan AP (2014) A bipolar ± 40 mV self-starting boost converter with transformer reuse for thermoelectric energy harvesting Proceedings of the 2014 international symposium on Low power electronics and design vol 2015-Octob (New York, NY, USA: ACM) pp 221–6 Di Martino G, Tappertzhofen S (2019) Optically accessible memristive devices Nanophotonics 8:1579–1589 Uttarkar NK, Kanchi RR (2013) Design and development of a low-cost embedded system laboratory using TI MSP430F149 2013 International Conference on Communication and Signal Processing (IEEE) pp 165–75 Im J-P, Wang S-W, Ryu S-T, Cho G-H (2012) A 40 mV Transformer-Reuse Self-Startup Boost Converter With MPPT Control for Thermoelectric Energy Harvesting. IEEE J Solid-State Circuits 47:3055–3067 Damaschke JM (1997) Design of a low-input-voltage converter for thermoelectric generator. IEEE Trans Ind Appl 33:1203–1207 Zhou K, Yang S (2018) Smart Energy Management and ConversionComprehensive Energy Systemsvol5–5(Elsevier) pp 423–56 Villar-Piqué G, Alarcon E (2011) CMOS Integrated Switching Power Converters. Springer, Berlin, Heidelberg Garcha P, El-Damak D, Desai N, Troncoso J, Mazotti E, Mullenix J, Tang S, Trombley D, Buss D, Lang J, Chandrakasan A 2017 A 25 mV-startup cold start system with on-chip magnetics for thermal energy harvesting ESSCIRC 2017–43rd IEEE European Solid State Circuits Conference (IEEE) pp 127–30 Yu C, Chau KT (2009) Thermoelectric automotive waste heat energy recovery using maximum power point tracking. Energy Convers Manag 50:1506–1512 Montecucco A, Knox AR (2015) Maximum Power Point Tracking Converter Based on the Open-Circuit Voltage Method for Thermoelectric Generators. IEEE Trans Power Electron 30:828–839 Dillersberger H, Deutschmann B, Tham D 2020 A Bipolar ± 13 mV Self-Starting and 85% Peak Efficiency DC/DC Converter for Thermoelectric Energy Harvesting Energies 13 5501 Dillersberger H (2012) Flyback Converter for Operation with Very Low Input Voltages Shrivastava A, Roberts NE, Khan OU, Wentzloff DD, Calhoun BH (2015) A 10 mV-Input Boost Converter With Inductor Peak Current Control and Zero Detection for Thermoelectric and Solar Energy Harvesting With 220 mV Cold-Start and – 14.5 dBm, 915 MHz RF Kick-Start. IEEE J Solid-State Circuits 50:1820–1832 Carlson EJ, Strunz K, Otis BP (2010) A 20 mV Input Boost Converter With Efficient Digital Control for Thermoelectric Energy Harvesting. IEEE J Solid-State Circuits 45:741–750 Gruber JM, Mathis S (2017) Kleine Temperaturdifferenzen optimal nutzen Elektronik 19:34–38 Ahmed KZ, Mukhopadhyay S (2014) A wide conversion ratio, extended input 3.5-µA boost regulator with 82% efficiency for low-voltage energy harvesting. IEEE Trans Power Electron 29:4776–4786 Weng P-S, Tang H-Y, Ku P-C, Lu L-H (2013) 50 mV-Input batteryless boost converter for thermal energy harvesting. IEEE J Solid State Circuits 48:1031–1041