Power extraction circuit for DC/DC converter Maximum Power Point Tracking in solar energy harvesting applications
Creators: name: Αγοραστού, Ζωή Γεωργίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2019
Subjects: Κύκλωμα εξαγωγής ισχύος
Εντοπισμός σημείου μέγιστης ισχύος
Συγκομιδή ηλιακής ενέργειας
Power extraction circuit
Maximum Power Point Tracking
Solar energy harvesting

description: This thesis focuses on the study of current and voltage sensing implementation techniques for Maximum Power Point Tracking on DC/DC boost converters that harvest energy from photovoltaic cells. An integrated current-mode analog circuit system that extracts information about the output power of the photovoltaic cell was modeled using the Cadence design suite and the available XFAB 180nm technology. The main goal of this system is to process that information in a digital system, which will subsequently adjust the duty cycle of a DC/DC converter, so that the latter will operate harnessing the maximum power available from the photovoltaic cell.More specifically, the current sensing system utilizes the DCR (DC resistance) of the inductor, by sensing the voltages at its two terminals –both of which have been filtered – using a positive and a negative current conveyor and generating a current difference proportional to the input current that flows through it. Likewise, the input voltage is sensed by a positive current conveyor and a current proportional to its value is generated. The above currents are inserted into an analog multiplier, so that their product is generated and transferred to the digital system that will process this information and regulate the DC/DC converter so that it delivers the maximum power to the load.An alternative current sensing topology was also examined; utilizing the inductor’s DCR as well, an operational transconductance amplifier that generates a current output proportional to the voltage difference on this resistance, along with a positive current conveyor for voltage sensing, result in two currents that are inserted into an analog current multiplier to extract power information.Since no additional series resistance is used to sense the current and the power consumption of the overall system is low, both systems have negligible impact on the efficiency of the DC/DC converter. Furthermore, the fact that the multiplication of voltage and current information is realized in the analog domain, contributes to the reduction of complexity of the digital system.
description: Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκαν τεχνικές μετρήσεως τάσης και ρεύματος με στόχο την εφαρμογή τους σε συστήματα εντοπισμού του σημείου μέγιστης ισχύος (Maximum Power Point Tracking, MPPT) σε μετατροπείς ανύψωσης τάσης για εφαρμογές συγκομιδής ενέργειας από φωτοβολταϊκά στοιχεία. Επιπλέον σχεδιάστηκε ένα ολοκληρωμένο σύστημα εξαγωγής πληροφορίας της ισχύος αποτελούμενο από αναλογικά κυκλώματα με βάση αναφοράς τα ρεύματα (current-mode) σε τεχνολογία XFAB 180nm. Σκοπός είναι η επεξεργασία της πληροφορίας αυτής από ένα ψηφιακό σύστημα που εκτελεί την MPPT διεργασία, ώστε να ρυθμίζεται κάθε φορά ο κύκλος εργασίας του μετατροπέα ανύψωσης τάσης, με τελικό στόχο την εύρεση του σημείου λειτουργίας του μετατροπέα με τη μέγιστη ισχύ που παρέχει το φωτοβολταϊκό στοιχείο. Συγκεκριμένα, το σύστημα μέτρησης ρεύματος εκμεταλλεύεται την DC αντίσταση του πηνίου, μετρώντας τις τάσεις στα δύο άκρα της – οι οποίες έχουν φιλτραριστεί – χρησιμοποιώντας έναν θετικό και έναν αρνητικό μεταφορέα ρεύματος (current conveyor) και παράγοντας μία διαφορά ρευμάτων ανάλογη του ρεύματος εισόδου που τη διαρρέει. Παρομοίως, η τάση εισόδου μετράται από έναν θετικό current conveyor και παράγεται ένα ρεύμα ανάλογο της τάσης εισόδου. Τα δύο αυτά ρεύματα οδηγούνται σε έναν αναλογικό πολλαπλασιαστή ρευμάτων, έτσι ώστε να παραχθεί το γινόμενό τους, το οποίο στη συνέχεια θα οδηγηθεί στο ψηφιακό σύστημα επεξεργασίας της πληροφορίας που θα ρυθμίσει τον μετατροπέα τάσης ώστε η μέγιστη διαθέσιμη ισχύς να μεταφερθεί στο φορτίο. Παράλληλα, μελετήθηκε μία εναλλακτική τοπολογία μέτρησης του ρεύματος. Χρησιμοποιώντας και πάλι την DC αντίσταση του πηνίου, ένας τελεστικός ενισχυτής διαγωγιμότητας που παράγει ένα ρεύμα ανάλογο της διαφοράς τάσης σε αυτήν, σε συνδυασμό με έναν θετικό current conveyor για μέτρηση της τάσης, δημιουργούν δύο ρεύματα που παρέχουν την πληροφορία για το σημείο λειτουργίας και των οποίων μπορεί να γίνει αντίστοιχη επεξεργασία με του πρώτου συστήματος ώστε να παραχθεί η πληροφορία για την ισχύ. Καθώς δεν χρησιμοποιήθηκε επιπρόσθετη αντίσταση σε σειρά και η κατανάλωση ισχύος του συνολικού συστήματος είναι χαμηλή, αμφότερα τα συστήματα εξαγωγής ισχύος έχουν αμελητέα επίδραση στην απόδοση του DC/DC μετατροπέα. Επιπλέον, το γεγονός ότι ο πολλαπλασιασμός μεταξύ της πληροφορίας τάσης και ρεύματος πραγματοποιήθηκε στο αναλογικό μέρος, συμβάλει στη μείωση της πολυπλοκότητας του ψηφιακού συστήματος.