基于最大功率点跟踪的双源能量俘获电路

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集成电路的发展使无线传感网络(Wireless Sensor Network,WSN)应用日益广泛,而为WSN节点供电的传统电池存在体积大、寿命短等缺点。近年来随着工艺水平的提高,WSN节点的功耗已降低到微瓦级,使得微弱环境能量俘获技术为WSN节点供电成为可能。单一能源换能器在某些情况下,例如光电池在光照强度低或热电池在温差较低的环境中,不足以为WSN节点供电,多源能量俘获电路正在得到重视。目前多源能量俘获电路普遍采用时分复用方法,通过固定优先级来避免换能器间的影响,但存在电感使用率低的缺点。为了提高电路的转换效率,最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)技术是关键方法之一,但该技术有待进一步研究。针对现有研究现状,基于最大功率跟踪技术,设计一种高效的热能和光能融合俘获的电路成为了本文的研究重点。本文通过分析热电池和光伏电池的发电原理,建立其等效模型,对现有MPPT技术进行比较,提出适用于本论文的最大功率点跟踪方法,设计出一种高效的双源最大功率点跟踪电路。论文的主要研究内容如下:1、针对光能和热能随环境变化而影响其俘获效率的问题,采取基于分数开路电压法的MPPT技术。该方法的电路主要由采样电容、MOS管开关和比较器构成。通过控制电路开关的通断,周期性采样到电池的开路电压。再根据电荷在电容之间的重分配,得到分数开路电压。将该压值与换能器当前工作电压作对比,得到控制主电路的开关信号,实现最大功率输出的目的。2、提出了一种基于最大功率点跟踪的双源能量俘获电路。所提出的电路可工作在三种不同的工作模式,分别是单热电模式、单光电模式以及双源能量俘获模式。尤其是当两种源同时满足最大功率输出时可采用双堆叠的电路结构同时给负载供电,该方法避免了时分复用方法中固定优先级的缺点。仿真结果显示,TEG和PV的最大功率点跟踪效率分别为98.75%和99.1%,电路的最大转换效率为87.3%。仿真和实验均表明,两个源在满足最大功率输出前提下可实现上述三种模式的自动选择和转换。
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