基于自适应功率可扩展MPPT控制的光伏能量收集系统研究

作者及机构
本研究的作者团队来自荷兰代尔夫特理工大学（Delft University of Technology），包括Yuyan Liu、Huajun Zhang、Mustafa Becermis、Jieyu Liao、Mohit Dandekar、Kofi A. A. Makinwa和Qinwen Fan。该研究以论文形式发表于2025年IEEE欧洲固态电子研究会议（ESSERC），标题为《A Buck-Boost Photovoltaic Energy Harvester Employing Adaptive Power-Scalable MPPT Control Achieving >98% MPPT Efficiency and >82% Power Conversion Efficiency Across a 100,000× Dynamic Range》。

学术背景

光伏能量收集（Photovoltaic Energy Harvesting, PVEH）技术广泛应用于户外物联网（IoT）设备中，其核心挑战在于如何从光伏（PV）电池中高效提取能量。传统方法如分数开路电压（Fractional Open-Circuit Voltage, FOCV）和扰动观察法（Perturb and Observe, P&O）存在动态范围（Dynamic Range, DR）受限或功率转换效率（Power Conversion Efficiency, ηconv）低的问题。例如，FOCV需要中断能量收集过程并使用查找表（Look-Up Table, LUT），而P&O需要复杂的功率测量电路，导致低辐照条件下效率下降。

本研究的目标是设计一种能够在100,000倍动态范围（10μW至1W）内同时实现高最大功率点跟踪效率（Maximum Power Point Tracking Efficiency, ηmppt）和高功率转换效率的PVEH系统。

研究流程与方法

1. 系统架构设计

研究团队提出了一种基于直接功率-数字转换器（Power-to-Digital Converter, PDC）和自适应功率可扩展MPPT方案的Buck-Boost拓扑结构（图1）。系统包括以下核心模块：
- Buck-Boost转换器：工作在断续导通模式（Discontinuous Conduction Mode, DCM），采用脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation, PFM）和滞环控制（Hysteresis Control）技术。
- MPPT控制器：由PDC、P&O算法和可编程电阻数模转换器（RDAC）组成，无需传统电压/电流传感电路或模拟乘法器。
- 零电流检测电路（Zero Current Detection, ZCD）：采用自调零反相器比较器（Auto-Zero Inverter-Based Comparator），在低辐照条件下功耗仅为8nW。

2. 功率-数字转换器（PDC）创新

PDC通过以下技术实现高效功率测量（图2-3）：
- 等效功率比较技术：通过动态调整振荡频率（fosc = k3·din）替代传统电流分割方法，将PDC功耗降低30倍。
- 多周期计数技术：在高功率条件下，通过16倍toff计数抵消比较器噪声和RDAC建立误差，确保ηmppt >98%。

3. 自适应功率可扩展MPPT

系统将动态范围划分为6个对数功率区域，MPPT电路的偏置电流根据输入功率（Pin）自动调节：
- 低功率区域（Pin <150μW）：最小化MPPT功耗以提升ηconv。
- 高功率区域（Pin >0.1W）：增加比较器速度和偏置电流以维持高ηmppt。

主要实验结果

1. 效率性能（图10-11）：

   • 在10μW至1W范围内，ηmppt >98%（峰值99.9%），ηconv >82%（峰值92%）。
     
   • 禁用自适应功率调节时，ηmppt在Pin >150μW时快速下降，而固定高功率模式下ηconv在Pin <50mW时显著降低。
     

2. 动态响应（图9）：

   • 辐照度变化时，系统可在0.16秒（Pin=16μW）至0.52秒（Pin=56μW）内锁定新的最大功率点（Vmpp）。
     

3. 对比现有技术（表I）：

   • 本研究的动态范围（100,000×）比同类技术提升10倍，且无需LUT或连续电压/电流传感。
     

结论与价值

1. 科学价值：

   • 提出PDC和等效功率比较技术，解决了宽动态范围内功率测量精度与功耗的矛盾。
     
   • 验证了自适应功率调节对MPPT效率和系统鲁棒性的关键作用。
     

2. 应用价值：

   • 适用于辐照度波动剧烈的户外IoT场景，如智能农业和环境监测。
     
   • 芯片采用0.18μm CMOS工艺实现（图8），面积仅3mm×1.46mm，具备商业化潜力。
     

研究亮点

1. 技术创新：

   • 首款在100,000×动态范围内同时实现ηmppt >98%和ηconv >82%的PVEH系统。
     
   • 自研PDC和ZCD电路将低功率下的MPPT功耗降至72.9mW（图5）。
     

2. 方法学突破：

   • 通过数字域功率比较替代传统模拟乘法器，避免ADC引入的能效损失。
     
   • 多周期计数技术首次将RDAC建立误差对ηmppt的影响控制在1%以内。
     

其他贡献

• 提出的自调零ZCD电路（图7）为超低功耗能量收集系统提供了新设计范式。
  
• 研究数据表明，在Vin=1-3V、Vout=3.3V条件下，系统峰值效率超越文献[2][4][5]等同类工作（表I）。