CN113632039A - 将直流电转换为直流电即dc-dc以得到最大可能效率的具有最大功率点跟踪即mppt的电能转换器单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于将直流电转换为直流电即DC‑DC的具有最大功率点跟踪的电能转换器单元，所述最大功率点跟踪用于测量在输出和控制器模块处的转换后的功率。

Description

将直流电转换为直流电即DC-DC以得到最大可能效率的具有 最大功率点跟踪即MPPT的电能转换器单元
技术领域
本发明涉及用于将直流电转换为直流电(DC-DC)的具有用于测量转换后的输出功率并且利用控制器模块调节电参数的最大功率点跟踪的电能转换器单元。
背景技术
现有的解决方案使用用于将直流电转换为直流电的具有电感和最大功率点跟踪的电能转换器单元，所述最大功率点跟踪基于输入电压测量结果来调节电能转换器输入阻抗。用于将直流电转换为直流电的电能转换器单元的缺点是设计的复杂性、外部组件(诸如，电感等)的占用空间大小以及对脉冲控制信号的灵敏性。用于基于输入电压测量结果来调节电能转换器单元输入阻抗的最大功率点跟踪的主要缺陷在于，在跟踪计算期间没有考虑电能转换器单元的效率。一些最大功率点跟踪电路基于输出电压测量结果来调节电能转换器单元输入阻抗，然而，这种方法在很大程度上取决于电能转换器单元的输出处所连接的电容量。
发明内容
考虑到上述缺点，本发明的目的是提供用于基于开关电容技术将直流电转换为直流电的包括最大功率点跟踪的改进的电能转换器单元，所述最大功率点跟踪用于测量电能转换器单元的输出和控制器模块处的转换后的功率。
本发明的其他目的是提供这样的具有改进的能量效率的电能转换器，其中最大功率点跟踪的控制所消耗的能量与已知的电能转换器单元相比是减少的。
根据本发明的第一方面，提供包括功率检测器的电能转换器单元。用于将直流电转换为直流电的开关电容器电能转换器单元使得实现装置的大规模集成和非常小的装配大小。此外，因为本发明中所包括的功率检测器测量输出电流而不是电压，所以该功率检测器允许使用高电容器能量存储。
在实施例中，通过能够被编程的电阻器来驱动开关电容器电能转换器单元的输出电流，由此产生电阻器两端的所述第一电位差和第二电位差的电压降。此外，电阻器两端的电压降由电压放大器放大，并且由采样保持比较器采样。采样保持比较器读取放大的电压降，并比较这两个采样。采样保持比较器输出进入状态机，该状态机用于决定是否必须改变电能转换器单元参数以增大输出功率。通过用于控制电能转换器单元的开关频率和电压增益的控制器模块来改变参数。
在诸如RF能量收集模块、以及基于PV的能量收集模块等的能量收集系统中，从能量源捕获非常低的能量水平。因此，需要极高效的功率管理控制以将电能从能量收集源转换到负载(例如，物联网传感器)。已知的最大功率点跟踪器通常使用用于测量最大功率点的专用微控制器。与(例如基于RF的)能量收集器的应用相比，这些微控制器消耗大量的能量，这使得这些微控制器对这样的应用不是非常高效和合适。
在实施例中，包括DC-DC转换模块、控制器模块和最大功率点跟踪模块的电能转换器单元被完全集成为片上系统SoC。这使得能够实现电能转换器的高功率效率和亚微瓦(sub-microwatt)功耗。不需要额外的低功率效率的微控制器来对连接到DC-DC转换模块的输入的电源的最大功率点进行测量。
在实施例中，电能转换器单元被配置为用于随后接通和断开最大功率点跟踪模块。
在实施例中，电能转换器单元被配置为用于随后接通和断开到所述电阻器的电流。
在实施例中，电能转换器单元被配置为用于同时接通和断开最大功率点跟踪模块和到所述电阻器的电流。
在另一实施例中，电能转换器单元被配置为用于最大功率点跟踪模块组件(诸如，最大功率点跟踪模块本身以及还优选为电阻器等)的功率门控。这通过随后禁用和启用功率点跟踪模块和/或(但优选为同时)禁用和启用通过电阻器的电流来实现，以降低功耗。因此，禁用最大功率点跟踪例如可以通过将到电阻器的电流直接从DC-DC转换模块的输出旁路到负载来实现，该电阻器与DC-DC转换模块的电输出串联连接。因此，禁用最大功率点跟踪也可以通过禁用最大功率点跟踪模块本身来实现。最优选地，使用同时的接通和断开定时以及定时间隔来在同一时间禁用这两者。因此，在最优选的实施例中，状态机断开最大功率点跟踪并对传感器电阻器进行短路/编程以保证低功率操作。
优选地，电阻器是可调整电阻器或可编程电阻器其中之一。在另一示例中，最大功率点跟踪可以通过用零值对电阻器进行调整或编程来禁用。
在示例中，至少一个状态机(优选为同步状态机)被配置用于最大功率点模块的功率门控。至少一个状态机可以包括在最大功率点跟踪模块或控制器模块中。
利用在至少一段时间内禁用流过电阻器的电流的任何实施例，获得不连续的测量结果。与通常基于连续的测量结果的已知解决方案相比，这些方面或实施例中的任何一个方面或实施例的最大功率点跟踪模块实现了改进的功耗效率。
利用最大功率点跟踪模块的功率门控，实现了电能转换器单元的亚微瓦功耗。功率门控确保在转换能量的同时在电阻器中不会耗散功率。
功率门控的占空比可以改变。为了高效的功耗，启用了最大功率跟踪的时隙小，并且禁用了最大功率跟踪的时隙大，优选占空比为10％，更优选为小于5％。换句话说，最大功率点跟踪模块的接通时间和断开时间之间的比率或者至少流过电阻器的电流的接通时间和断开时间之间的比率至少为1:2，但更优选为1:4、1:8、1:10、1:20或甚至更高。更优选地，该比率是动态的并且可以随时间而改变。
利用该占空比，实现了能量转换期间的亚微瓦功耗，而不会连续启用最大功率点跟踪器。在优选为不超过1秒的小时隙期间做出对最大功率点的决定。在又一实施例中，电能转换器单元被配置为检测是否例如由于断电而没有电力输送到DC-DC转换模块的输出、以及停止能量转换。优选地，这由至少一个状态机来完成。
附图说明
现在将参考附图以非限制性的方式描述本发明，附图中相似的部分由相似的附图标记来指示，并且其中：
图1是本发明的高级框图。
图2是最大功率点跟踪的框图。
图3是电压放大器的实施例1。
图4是最大功率点跟踪操作的时间图。
具体实施方式
图1描绘用于能量收集应用的电能转换器单元的框图，该电能转换器单元包括DC-DC转换模块(100)、最大功率点跟踪(102)、采样保持比较器(103)、振荡器/控制器模块(101)和能量收集换能器(104)。
DC-DC转换模块(100)对104所提供的能量进行转换。104的诸如阻抗和功率等的电参数由于天气条件、视线或移动性条件而随时间改变。因此，需要控制回路来使DC-DC转换模块的电参数适应104的电参数。
100的阻抗由最大功率点跟踪和振荡器-控制器模块(101)控制。在102中，DC-DC转换模块的输出电流被转换为在采样保持比较器(103)中被采样的电压。此外，在103中依次比较两个采样电压，并且采样保持比较器输出数字信号，该数字信号由内置于102中的状态机读取。状态机读取比较器信号，并且设置DC-DC转换模块100和振荡器/控制器模块101的控制位。
控制位意在调整DC-DC转换模块100的电压增益和振荡器/控制器模块101所定义的开关频率，并由此调整DC-DC转换模块的电参数。
图2示出包括低通滤波器(105)、电压放大器(106)、可编程电阻器(107)、采样保持比较器(103)和状态机(109)的最大功率点跟踪102的框图。DC-DC转换模块输出电流流经电阻器107，该电阻器107具有连接到低通滤波器105的第一端子和连接到输出的第二端子。低通滤波器105允许将平均输出电流转换为DC电压，该DC电压由电压放大器106放大。随后，采样保持比较器103对所放大的电压进行采样，并且将其与先前已采样的电压进行比较。在该比较之后，采样保持比较器103输出由状态机109读取的逻辑信号，该逻辑信号决定是增加还是减少振荡器/控制器模块的位计数以及DC-DC转换模块增益的位计数。
图3示出电压放大器106的一个实施例。电压放大器106包括运算放大器(110)、输入电阻器(111)和反馈电阻器(112)。电压放大器106的电压增益由反馈电阻器112和输入电阻器111之间的比率来限定。
作为第二实施例，可以使用缓冲器驱动输入电阻器111来实现图3的电路。此外，输入电阻器111和反馈电阻器112可以由包括输入电容和反馈电容的开关电容器网络来代替，并且通过电容比来设置增益。
图4示出作为算法实施例的示例的最大功率点跟踪的时间图。控制信号113随被称为建立间隔(settling interval)的持续时间T1而改变，并且控制信号113在被称为扫描间隔的T2秒期间改变。控制信号113定义DC-DC转换模块(100)的频率参数。连续地，在被称为微调间隔的T3秒期间扫描控制信号114。当在DC-DC转换模块的输出处检测到最大功率点时，认为控制信号113和114处于最优值。持续时间T4是最大功率点跟踪被断开的被称为休眠间隔的时间。通常，与作为T1、T2和T3的总和的活跃间隔相比，休眠间隔T4长得多，以降低最大功率点跟踪的平均功耗并提高系统效率。建立间隔T1是恒定的，另一方面，扫描间隔T2和微调间隔T3可以随着找到DC-DC转换模块的最大功率点所需的步数而改变。

Claims (19)

1.一种用于将直流电转换为直流电即DC-DC的电能转换器单元，所述电能转换器单元包括：
DC-DC转换模块，其被配置为与诸如RF能量收集模块等的用于向所述DC-DC转换模块供应电输入的能量收集模块连接，并且输出用于连接诸如物联网传感器模块等的负载的电输出；
控制器模块，其被配置为电控制所述DC-DC转换模块，并且控制所述DC-DC转换模块的电参数，其中，所述电参数至少包括所述DC-DC转换模块的输入阻抗；
最大功率点跟踪模块，其与所述控制器模块连接，并且被配置为将功率点控制信号输出到所述控制器模块以调整所述电参数其中至少之一，
其中，所述最大功率点跟踪模块包括与所述DC-DC转换模块的所述电输出串联连接的电阻器，以及在所述电阻器两端的第一电压电位采样和第二电压电位采样之间进行比较时，向所述控制器模块提供所述功率点控制信号，其中，所述第一电压电位和所述第二电压电位在时间上被顺次采样。
2.根据权利要求1所述的电能转换器单元，其中，所述电能转换器单元被配置为随后接通和断开所述最大功率点跟踪模块。
3.根据权利要求1或2所述的电能转换器单元，其中，所述电能转换器单元被配置为随后接通和断开到所述电阻器的电流。
4.根据权利要求2或3所述的电能转换器单元，其中，所述电能转换器单元被配置为同时接通和断开所述最大功率点跟踪模块和到所述电阻器的电流。
5.根据权利要求3或4所述的电能转换器单元，其中，所述最大功率点跟踪模块还包括用于旁路所述电阻器的旁路电路，以及其中，到所述电阻器的电流被断开。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电能转换器单元，其中，接通和断开到所述电阻器的所述电流中的一个或多个电流以及接通和断开所述最大功率点跟踪模块的占空比最多为50％，优选为10％，更优选为5％，最优选为4％。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电能转换器单元，其中，所述DC-DC转换模块的输出电流通过确定所述电阻器两端的所述第一电压电位采样和所述第二电压电位采样来测量。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电能转换器单元，其中，所述DC-DC转换模块是开关电容器DC-DC转换器。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电能转换器单元，其中，所述电阻器是可调整电阻器和可编程电阻器其中之一。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电能转换器单元，其中，所述电阻器是所述DC-DC转换模块的输出电阻的一部分。
11.根据前述权利要求中任一项所述的电能转换器单元，其中，所述控制器包括振荡器。
12.根据前述权利要求中任一项所述的电能转换器单元，其中，所述电参数还包括DC-DC转换模块的电压增益和开关频率中的一个或多个。
13.根据前述权利要求中任一项所述的电能转换器单元，其中，所述第一电压电位和所述第二电压电位之间的电压降由电压放大器来放大。
14.根据权利要求13所述的电能转换器单元，其中，所述电压放大器是开关电容器放大器。
15.根据权利要求13或14所述的电能转换器单元，其中，所述最大功率点跟踪模块还包括用于使所述第一电压电位信号和所述第二电压电位信号其中至少之一平滑的低通滤波器。
16.根据前述权利要求中任一项所述的电能转换器单元，其中，所述最大功率点跟踪模块还包括用于在时间上顺次采样所述第一电压电位和所述第二电压电位的采样保持比较器。
17.根据前述权利要求中任一项所述的电能转换器单元，其中，所述最大功率点跟踪模块还包括用于确定为必须改变所述电参数中的一个或多个的状态机。
18.根据权利要求12或17所述的电能转换器单元，其中，所述状态机确定调整所述控制器模块和所述DC-DC转换模块其中之一或这两者的位计数。
19.一种片上系统即SoC，其包括前述权利要求中任一项所述的电能转换器单元。
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