CMOS-integrated maximum power point regulators for photovoltaic applications in the field of E-mobility

Abstract

Diese Dissertationsschrift behandelt die analoge Implementierung von integrierten Maximum-Power-Point-Trackern (MPPT), welche für einen effzienten Betrieb von Solarzellen nötig sind. Die in Industrie und Literatur vorgestellten Realisierungen von solchen Reglern für Leistungen ab einigen Watt sind im Kern vorwiegend digital gehalten und benötigen Analog-Digital-Wandler (ADC) sowie zusätzliche Messverstärker, wodurch sich ein erhöhter Schaltungsaufwand ergibt. Obwohl bei der analogen Implementierung potenziell Vorteile in der Reduktion der Komplexität und im Leistungsverbrauch liegen beschränkt sie sich vorwiegend auf Anwendungen im Mikro- bis Milliwattbereich (z.B.<br />Versorgung von kabelloses Sensoren). Die dabei verwendeten Arten der MPPT zeigen nur eine moderate Genauigkeit und lassen sich auch nur sehr begrenzt für Regelungen im Wattbereich adaptieren. Die untersuchten integrierten Schaltungen (IC) basieren auf einem iterativen Algorithmus welcher unter 'perturb-and-observe' (P&O) bekannt ist, und zielen auf eine 'System-on-Chip' (SoC) MPPT-Lösung ab, bei welcher möglichst alle erforderlichen Komponenten bereits in einem einzigen Chip vereint sind.<br />Als Hauptanwendung ist der Einsatz in Solar-Range-Extendern von Elektrofahrzeugen angestrebt. In der betrachtenden Architektur sind neun in Serie geschaltete Solarzellen über einen Aufwärts-Schaltwandler an das 12V Bordnetz gekoppelt wobei die MPPT-Chips die Schaltsignale für den Wandler (etwa 530 kHz bis 580 kHz) generieren und die Änderungen im elektrischen Leistungsfluss detektieren. Die Besonderheit der entwickelten Chips liegt darin, dass die vergleichenden Leistungsmessungen, wie sie bei P&O benötigt werden, von der Messwertaufnahme bis einschließlich zum Vergleich hin vollkommen analog ablaufen, wobei ein umschaltbarer Integrator zum Einsatz kommt. Dieser ist mit dem externen Leistungswandler synchronisiert und integriert jeweils über mehrere Schaltzyklen, um den Einfluss vom (deterministischen) Schaltrauschen des Wandlers zu minimieren. Für diese Arbeit sind drei individuell entworfene MPPT Chips in einem 0.35 µm CMOS Prozess hergestellt worden, um verschiedene Methoden für die Leistungserfassung sowie für die Steuerung des Integrators im Experiment zu testen. Obwohl diese Arbeit im engeren Sinn auf die Entwicklung von MPPT Bausteinen für die weitere Verwendung in größeren Systemen abzielt, wurde jeder Testchip jeweils als SoC entworfen und beinhaltet neben dem eigentlichen MPPT Block noch zusätzlich einen stabilisierten Spannungsregler für die interne Versorgung, einen Oszillator in Kombination mit einem Pulsweitenmodulationsmodul sowie einen Ausgangstreiber. Dadurch verringert sich der Aufwand für die Chip-externe Schaltung. In den implementierten MPPT Blöcken kommen, einfach zu implementierende Mechanismen für die Offsetreduktion von Komparatoren und Transkonduktanzverstarkern zur Anwendung. Außerdem kommt ein analoger Multiplizierer zur Anwendung, welcher sich auf den quadratischen Anteil der MOSFET Kennlinie stützt. Im Testaufbau für die Evaluierung kommen zusätzlich ein externer Aufwärtswandler, spannungsstabilisierende Lasten sowie ein Photovoltaiksimulator zur Anwendung, welcher auf einem Stapel von abgeschatteten Solarzellen basiert. Die Messergebnisse zeigen sehr gute gewichtete Regelgenauigkeiten, welche durch eine Regeleffzienz von >99.5% zum Ausdruck kommen, obwohl der Eigenverbrauch sowie die verbrauchte Chipfläche als gering anzusehen ist. Im Vergleich mit dem aktuellen Stand der Technik, bei welchem hauptsächlich digitale Implementierungen zur Anwendung kommen, zeigen die entworfenen analogen Regler ein hohes Potenzial. Abgesehen von den guten Werten bzgl. der Regeleffzienz benötigen die in dieser Arbeit implementierten Methoden weniger Chipfläche und haben tendenziell auch einen geringeren Leistungsverbrauch.<br />

This work deals with the fully integrated analogue implementation of maximum power point trackers (MPPT) which are mandatory for an efficient operation of solar cells. The implementations of such controllers for powers larger than several watts, which are available from industry and literature are most commonly digital. As they use analogue-to-digital-converters (ADC) as well as additional measurement amplifiers, the system complexity is increased. Although analogue regulators show potential advantages in terms of power consumption and in a reduced complexity their application is almost exclusively in the low power range from microwatts up to some milliwatts (supply of wireless sensors). The quality of the used analogue MPPT algorithms is rather poor and their adoption for regulators in larger power ranges is limited. The investigated integrated circuits base on the perturb-and-observe (P&O) algorithm and focus on system-on-chip (SoC) solutions in the application of roof-integrated photovoltaic (PV) range extenders for electric vehicles. There the MPPT chips measure changes of the power flow coming from a photovoltaic string of 9 cells and generate the switching signals in the range from 530 kHz to 580 kHz for an external boost converter which feeds the power to the 12V board net.<br />As particular feature the power acquisition of the developed chips is realized by analogue circuits while the comparative measurements needed for the P&O algorithm are achieved by a reversible integrator. In doing so the synchronized integration over several duty cycles of the external (switch-mode) power converter allows minimizing the disturbances coming from the switching noise. Three fully customized chips were designed and fabricated in a 0.35µm-CMOS process in order to test different strategies for the power acquisition as well as different ways for the algorithm implementation which is actually given by the control scheme of the integrator. Although this work in particular aims the design of intellectual-property (IP) blocks for MPPT, all test chips are implemented as SoC. Beside the MPPT blocks they additionally contain a bandgap stabilized low-drop-out (LDO) voltage regulator for the internal supply, a PWM module including an oscillator as well as an output driver for the PWM signals. Thus the complexity as well as the number of chip-external parts is reduced. Except the bandgap reference (which was taken from the AMS library), the designs of these blocks are described in detail. Within the MPPT blocks, easy-to-implement offset-reduction mechanisms for comparators and operational transconductance amplifiers (OTA) are used. Additionally an analogue multiplier is introduced which bases on the quadratic part of the MOSFET characteristics. In terms of evaluation all chips were tested by the use of an external boost converter, voltage stabilizing loads as well as an electrical PV simulator which builds up on dark/nonirradiated solar cells. The outcomes from the experimental results indicate weighted tracking effciencies better than 99.5% at low power consumptions and small chip area occupancies. Compared with the state-of-the-art which is rather based on digital concepts, the results from this work indicate that analogue implementations have a big potential for SoCs. Besides the good tracking effciency the implemented analogue MPPT chips additionally show a smaller occupancy of chip area as well as the tendency towards lower power consumption.<br />