Convertitori di potenza multi-sorgente per applicazioni di energy harvesting

L’obiettivo di questa tesi è stato lo svilippo di un convertitore di potenza per applicazioni di energy harvesting in grado di convogliare l’energia estratta da diversi tipi di trasduttori di grandezze ambientali in un unico dispositivo di storage, ad es. un condensatore, utilizzabile per alimentare circuiti a basso consumo. L’idea di base è stata quella di ottimizzare il trasferimento di energia, attraverso una rete logica in grado di gestire le priorità di conversione dalle diverse tipologie di sorgenti e grazie ad una implementazione di un algoritmo di Maximum Power Point Tracking. In base alle specifiche di progetto, in una prima fase è stata sviluppata la rete a livello funzionale, poi sono stati scelti i componenti più opportuni ed infine si è verificato il funzionamento attraverso simulazioni circuitali.

A Step-up mu-Power Converter for Solar Energy Harvesting Applications, using Hill Climbing Maximum Power Point Tracking

This paper presents a step-up micro-power converter for solar energy harvesting applications. The circuit uses a SC voltage tripler architecture, controlled by an MPPT circuit based on the Hill Climbing algorithm. This circuit was designed in a 0.13 mu m CMOS technology in order to work with an a-Si PV cell. The circuit has a local power supply voltage, created using a scaled down SC voltage tripler, controlled by the same MPPT circuit, to make the circuit robust to load and illumination variations. The SC circuits use a combination of PMOS and NMOS transistors to reduce the occupied area. A charge re-use scheme is used to compensate the large parasitic capacitors associated to the MOS transistors. The simulation results show that the circuit can deliver a power of 1266 mu W to the load using 1712 mu W of power from the PV cell, corresponding to an efficiency as high as 73.91%. The simulations also show that the circuit is capable of starting up with only 19% of the maximum illumination level.

Affidabilità dell'isolamento di spira di motori alimentati da convertitori di potenza: Valutazione dello stress e verifiche sperimentali

Il testo propone uno studio dell'affidabiltà dell'isolamento di spira per macchine elettriche rotanti, aventi sistema isolante di tipo II, alimentate mediante convertitori di potenza. In particolare vengono descritte le prove di vita accelerate svolte al variare del tempo di salita della tensione, le simulazione effettuate con il metodo degli elementi finiti ed un metodo analitico utilizzato per uniformare lo stress all'interno degli avvolgimenti di statore.

Progetto di un convertitore di potenza da sorgenti fotovoltaiche in regime di basso irraggiamento

L’obiettivo di questa tesi è il progetto di un convertitore di potenza di tipo low power da applicare a sorgenti fotovoltaiche in regime di basso irraggiamento. Il convertitore implementa un controllo con inseguimento del punto di massima potenza (maximum power point tracking) della caratteristica della sorgente fotovoltaica. Una prima parte è dedicata allo studio delle possibilità esistenti in materia di convertitori e di algoritmi di MPPT. Successivamente, in base alle specifiche di progetto è stata selezionata una combinazione ottimale per l'architettura del convertitore di potenza in grado di bilanciare efficienza dell'algoritmo di controllo e requisiti intrinseci di potenza.

Valutazioni di efficienza energetica per sistemi di energy harvesting piezoelettrico

Questa tesi presenta considerazioni sull'efficienza energetica di circuiti di conversione di potenza da trasduttori piezoelettrici attivati in maniera sincrona con le vibrazioni. Viene valutato l'effetto dell'inversione della carica elettrica residua al termine di ogni ciclo di conversione e viene analizzata un'architettura a due stadi sviluppata dall'Università di Bologna in grado di garantire una migliore efficienza, particolarmente idonea alla carica di supercondensatori. Le valutazioni sono state effettuate mediante simulazioni circuitali e gli schemi analizzati offrono incrementi significativi di prestazioni, maggiormente evidenti con vibrazioni di bassa intensità.

Progetto di un nodo sensore wireless ultra low-power per applicazioni di energy harvesting

Progetto di un nodo wireless, alimentato attraverso l'Energy Harvesting, in grado di misurare la temperatura ambiente ed inviarla ad un sistema ricevente che la visualizzerà su uno schermo LCD.

Nano-Power Integrated Circuits for Energy Harvesting

The energy harvesting research field has grown considerably in the last decade due to increasing interests in energy autonomous sensing systems, which require smart and efficient interfaces for extracting power from energy source and power management (PM) circuits. This thesis investigates the design trade-offs for minimizing the intrinsic power of PM circuits, in order to allow operation with very weak energy sources. For validation purposes, three different integrated power converter and PM circuits for energy harvesting applications are presented. They have been designed for nano-power operations and single-source converters can operate with input power lower than 1 μW. The first IC is a buck-boost converter for piezoelectric transducers (PZ) implementing Synchronous Electrical Charge Extraction (SECE), a non-linear energy extraction technique. Moreover, Residual Charge Inversion technique is exploited for extracting energy from PZ with weak and irregular excitations (i.e. lower voltage), and the implemented PM policy, named Two-Way Energy Storage, considerably reduces the start-up time of the converter, improving the overall conversion efficiency. The second proposed IC is a general-purpose buck-boost converter for low-voltage DC energy sources, up to 2.5 V. An ultra-low-power MPPT circuit has been designed in order to track variations of source power. Furthermore, a capacitive boost circuit has been included, allowing the converter start-up from a source voltage VDC0 = 223 mV. A nano-power programmable linear regulator is also included in order to provide a stable voltage to the load. The third IC implements an heterogeneous multisource buck-boost converter. It provides up to 9 independent input channels, of which 5 are specific for PZ (with SECE) and 4 for DC energy sources with MPPT. The inductor is shared among channels and an arbiter, designed with asynchronous logic to reduce the energy consumption, avoids simultaneous access to the buck-boost core, with a dynamic schedule based on source priority.

Energy harvesting from body motion using rotational micro-generation

Autonomous system applications are typically limited by the power supply operational lifetime when battery replacement is difficult or costly. A trade-off between battery size and battery life is usually calculated to determine the device capability and lifespan. As a result, energy harvesting research has gained importance as society searches for alternative energy sources for power generation. For instance, energy harvesting has been a proven alternative for powering solar-based calculators and self-winding wristwatches. Thus, the use of energy harvesting technology can make it possible to assist or replace batteries for portable, wearable, or surgically-implantable autonomous systems. Applications such as cardiac pacemakers or electrical stimulation applications can benefit from this approach since the number of surgeries for battery replacement can be reduced or eliminated. Research on energy scavenging from body motion has been investigated to evaluate the feasibility of powering wearable or implantable systems. Energy from walking has been previously extracted using generators placed on shoes, backpacks, and knee braces while producing power levels ranging from milliwatts to watts. The research presented in this paper examines the available power from walking and running at several body locations. The ankle, knee, hip, chest, wrist, elbow, upper arm, side of the head, and back of the head were the chosen target localizations. Joints were preferred since they experience the most drastic acceleration changes. For this, a motor-driven treadmill test was performed on 11 healthy individuals at several walking (1-4 mph) and running (2-5 mph) speeds. The treadmill test provided the acceleration magnitudes from the listed body locations. Power can be estimated from the treadmill evaluation since it is proportional to the acceleration and frequency of occurrence. Available power output from walking was determined to be greater than 1mW/cm³ for most body locations while being over 10mW/cm³ at the foot and ankle locations. Available power from running was found to be almost 10 times higher than that from walking. Most energy harvester topologies use linear generator approaches that are well suited to fixed-frequency vibrations with sub-millimeter amplitude oscillations. In contrast, body motion is characterized with a wide frequency spectrum and larger amplitudes. A generator prototype based on self-winding wristwatches is deemed to be appropriate for harvesting body motion since it is not limited to operate at fixed-frequencies or restricted displacements. Electromagnetic generation is typically favored because of its slightly higher power output per unit volume. Then, a nonharmonic oscillating rotational energy scavenger prototype is proposed to harness body motion. The electromagnetic generator follows the approach from small wind turbine designs that overcome the lack of a gearbox by using a larger number of coil and magnets arrangements. The device presented here is composed of a rotor with multiple-pole permanent magnets having an eccentric weight and a stator composed of stacked planar coils. The rotor oscillations induce a voltage on the planar coil due to the eccentric mass unbalance produced by body motion. A meso-scale prototype device was then built and evaluated for energy generation. The meso-scale casing and rotor were constructed on PMMA with the help of a CNC mill machine. Commercially available discrete magnets were encased in a 25mm rotor. Commercial copper-coated polyimide film was employed to manufacture the planar coils using MEMS fabrication processes. Jewel bearings were used to finalize the arrangement. The prototypes were also tested at the listed body locations. A meso-scale generator with a 2-layer coil was capable to extract up to 234 µW of power at the ankle while walking at 3mph with a 2cm³ prototype for a power density of 117 µW/cm³. This dissertation presents the analysis of available power from walking and running at different speeds and the development of an unobtrusive miniature energy harvesting generator for body motion. Power generation indicates the possibility of powering devices by extracting energy from body motion.

Design e simulazione di un convertitore DC-DC per applicazioni automotive implementato mediante tecnologia GaN

L’obiettivo dell’elaborato è quello di presentare una soluzione di collegamento ed interfacciamento tra il supercondensatore (SC) dell’HESS (sistema ibrido di accumulo dell’energia situato all’interno di un veicolo elettrico) e il DC-link (bus che fornisce la potenza necessaria all’inverter che pilota il motore elettrico) attraverso un convertitore DC-DC ad alta efficienza che utilizzi tecnologie di potenza al nitruro di gallio (GaN). Il convertitore presentato è un convertitore DC-DC bidirezionale in configurazione Half-Bridge, esso dovrà funzionare in modalità Boost, ogni qualvolta il motore richieda energia extra dal SC, in modalità Buck per ricaricare il SC durante la frenata rigenerativa. In seguito ad un’introduzione ai veicoli elettrici, alla loro architettura e al perché il SC è così fondamentale, verrà presentata una breve introduzione ai convertitori di potenza (Capitolo 1). Si passerà poi alla presentazione delle tecnologie GaN mostrando come esse rappresentino il futuro dell’elettronica di potenza grazie ai loro numerosi vantaggi (Capitolo 2). Nel capitolo 3 si entrerà nel vivo della progettazione, è qui che sarà progettata ed implementata la soluzione proposta. Verrà effettuata una prima simulazione del circuito, tenendo conto degli effetti parassiti dei soli componenti, attraverso l’ausilio del software LTSpice. Il Capitolo 4 prevede una breve introduzione alle tecniche di layout, utili nella costruzione del circuito stampato presentata all’interno del medesimo capitolo. Il PCB sarà modellato mediante un secondo software denominato KiCAD. Infine, nel Capitolo 5, si procederà con la simulazione elettromagnetica del circuito stampato, essa permetterà di individuare gli effetti parassiti dovuti alle non idealità del layout e di mostrare l’effettiva differenza di efficienza tra un caso semi-ideale e un caso semi-reale.

A DC-DC Step-Up mu-Power Converter for Energy Harvesting Applications, Using Maximum Power PointTracking, Based on Fractional Open Circuit Voltage

A DC-DC step-up micro power converter for solar energy harvesting applications is presented. The circuit is based on a switched-capacitorvoltage tripler architecture with MOSFET capacitors, which results in an, area approximately eight times smaller than using MiM capacitors for the 0.131mu m CMOS technology. In order to compensate for the loss of efficiency, due to the larger parasitic capacitances, a charge reutilization scheme is employed. The circuit is self-clocked, using a phase controller designed specifically to work with an amorphous silicon solar cell, in order to obtain themaximum available power from the cell. This will be done by tracking its maximum power point (MPPT) using the fractional open circuit voltage method. Electrical simulations of the circuit, together with an equivalent electrical model of an amorphous silicon solar cell, show that the circuit can deliver apower of 1132 mu W to the load, corresponding to a maximum efficiency of 66.81%.

Progetto di un circuito convertitore di potenza per applicazioni di energy harvesting a bassissime tensioni

In questo lavoro si vuole mostrare come sia possibile realizzare un circuito per energy harvesting totalmente autonomo, quindi senza l’ausilio di batterie, per sorgenti ultra-low voltage, in particolare per sorgenti termoelettriche sottoposte a piccoli gradienti di temperatura ed in grado di erogare tensioni di qualche decina di millivolt. Si esporrà come il circuito sia capace di avviarsi, autosostenersi ed alimentare un piccolo carico. Si è scelta una architettura basata su componenti discreti suddivisa in due macro blocchi: un circuito di startup implementato attraverso un’architettura a trasformatore piezoelettrico e un boost converter pilotato in catena aperta da un oscillatore ultra-low power.

A CMOS micro power switched-capacitor DC-DC step-up converter for indoor light energy harvesting applications

This paper presents a micro power light energy harvesting system for indoor environments. Light energy is collected by amorphous silicon photovoltaic (a-Si:H PV) cells, processed by a switched capacitor (SC) voltage doubler circuit with maximum power point tracking (MPPT), and finally stored in a large capacitor. The MPPT fractional open circuit voltage (V-OC) technique is implemented by an asynchronous state machine (ASM) that creates and dynamically adjusts the clock frequency of the step-up SC circuit, matching the input impedance of the SC circuit to the maximum power point condition of the PV cells. The ASM has a separate local power supply to make it robust against load variations. In order to reduce the area occupied by the SC circuit, while maintaining an acceptable efficiency value, the SC circuit uses MOSFET capacitors with a charge sharing scheme for the bottom plate parasitic capacitors. The circuit occupies an area of 0.31 mm(2) in a 130 nm CMOS technology. The system was designed in order to work under realistic indoor light intensities. Experimental results show that the proposed system, using PV cells with an area of 14 cm(2), is capable of starting-up from a 0 V condition, with an irradiance of only 0.32 W/m(2). After starting-up, the system requires an irradiance of only 0.18 W/m(2) (18 mu W/cm(2)) to remain operating. The ASM circuit can operate correctly using a local power supply voltage of 453 mV, dissipating only 0.085 mu W. These values are, to the best of the authors' knowledge, the lowest reported in the literature. The maximum efficiency of the SC converter is 70.3 % for an input power of 48 mu W, which is comparable with reported values from circuits operating at similar power levels.

Progetto di un convertitore di potenza autonomo per applicazioni di energy harvesting per radiofrequenza

Progetto di un circuito convertitore di potenza ottimizzato per essere alimentato da un antenna a RF in grado di estrarre potenza dalle bande a 900Mhz, 1750 MHz e 2450 MHz

Progetto di una scheda a circuito stampato per il collaudo di un circuito integrato per Energy Harvesting da sorgenti eterogenee

Questo elaborato tratta la realizzazione di una scheda a circuito stampato. Essa è stata pensata con il compito di testare un circuito integrato per l'Energy Harvesting, progettato dall'Univesità di Bologna. La scheda implementerà numerose sorgenti alternative eterogenee Low-Power, cosicché il circuito integrato riuscirà ad estrapolarne una carica elettrica fino ad un massimo di alcuni milliwatt. Questa potenza sarà sufficiente ad alimentare qualsiasi dispositivo Low-Power.

A resistance emulation approach to optimize the wave energy harvesting for a direct drive point absorber

In general, a major challenge for the exploitation of renewable energies is to improve their efficiency. In electricity generation from the energy of ocean waves, not unlike other technologies, the converter must be optimized to make the energy harvesting economically feasible. This paper proposes a passive tuning control strategy of a point absorber in which the power captured is maximized by controlling the electromagnetic force of the generator with a resistance emulation approach. The proposed strategy consists of mapping the optimal values for regular waves and applying them to irregular waves. This strategy is tested in a wave energy converter in which the generator is connected to a boost rectifier converter whose controller is designed to emulate a resistance. The power electronics system implemented is validated by comparing its performance with the case in which the generator is directly connected to a resistive load. The simulation results show the effectiveness of the proposed strategy as the maximum captured power is concentrated around the optimal values previously calculated and with the same behavior for both excitations.