A High-Efficiency Standalone Photovoltaic Energy Harvesting System Employing DCR Current Sensing = 직류 저항 전류 감지를 적용한 고효율 독립형 태양광 에너지 하베스팅 시스템

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This thesis presents high-efficiency standalone photovoltaic (PV) energy harvesting systems that employ direct current resistance (DCR) current sensing to enhance overall power conversion efficiency and power density. By integrating power management, sensing, control, and gate driving within a single 0.13 μm 40 V BCD process-based controller, the proposed architectures achieve robust and compact operation suitable for outdoor self-powered PV applications.
The first proposed system implements a DCR-based instantaneous and average current sensing scheme combined with an integrated microcontroller unit (MCU) that precisely coordinates the high-voltage gate driver, sample-and-hold (S&H) circuit, and 12-bit ADC. The system operates across a wide power range from 5.5 W to 276 W, achieving a peak tracking efficiency of 99.95%, a peak power conversion efficiency of 98.74%, and a total efficiency of 98.58%, demonstrating superior performance compared to state-of-the-art PV energy harvesting systems.
The second proposed system introduces a floating current sensor that enables accurate, lossless inductor DCR sensing while allowing the use of an ultra-low DCR (3.4 mΩ) 4.7 μH inductor, effectively minimizing conduction losses. The fabricated controller maintains MPPT efficiency above 95% across an output power range of 0.58–336 W, reaching 99.9% MPPT efficiency and 99.1% power conversion efficiency at peak operation. The complete module achieves power densities of 14.9 W/mm² (die) and 7.98 W/cm² (board) with excellent thermal stability.
Overall, the proposed systems demonstrate that integrating DCR-based current sensing with advanced circuit architectures provides a highly efficient, thermally stable, and compact solution for next-generation self-powered PV energy harvesting applications.

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 높은 전력 변환 효율과 전력 밀도를 달성하기 위해 직류 저항 (DCR) 전류 감지를 적용한 고효율 독립형 태양광 (PV) 에너지 하베스팅 시스템을 제안한다. 전력 관리, 센싱, 제어, 게이트 드라이빙 기능을 단일 0.13 μm 40 V BCD 공정 기반 컨트롤러에 통합함으로써, 제안된 시스템 구조는 옥외 자가 구동 PV 응용에 적합한 견고하고 컴팩트한 동작을 실현한다.
첫 번째 시스템은 DCR 기반의 순시 및 평균 전류 센싱 기법을 적용하고, 고전압 게이트 드라이버, 샘플-앤-홀드 (S&H) 회로, 12비트 ADC를 정밀하게 동기화하는 통합 MCU를 사용한다. 본 시스템은 5.5 W에서 276 W에 이르는 넓은 전력 범위에서 동작하며, 최고 99.95%의 트래킹 효율, 98.74%의 전력 변 환 효율, 98.58%의 전체 효율을 달성하여 기존 PV 에너지 하베스팅 시스템 대 비 우수한 성능을 입증한다.
두 번째 시스템은 새로운 플로팅 커런트 센서를 도입하여 초저 DCR (3.4 mΩ)을 갖는 4.7 μH 인덕터를 사용하면서도 손실 없는 인덕터 DCR 전류 센싱을 가능하게 하여 도통 손실을 효과적으로 최소화한다. 제작된 컨트롤러는 0.58–336 W 출력 범위에서 MPPT 효율 95% 이상을 유지하며, 최대 99.9% 의 MPPT 효율과 99.1%의 전력 변환 효율을 달성한다. 모듈 전체는 칩 기준 14.9 W/mm², 보드 기준 7.98 W/cm²의 높은 전력 밀도를 제공하고 뛰어난 열적 안정성을 유지한다.
종합적으로, 제안된 시스템들은 DCR 기반 전류 센싱과 발전된 회로 구조 의 결합을 통해 차세대 자가 구동형 PV 에너지 하베스팅 응용을 위한 고효율, 열 안정성, 고집적 솔루션을 제공함을 보여준다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1 Introduction 1
• Motivation 1
• Thesis Organization 7
• Chapter 2 PV Energy Harvesting System 8
• PV Energy Harvesting System 8
• Design Considerations 10
• Maximum Power Point Tracking 14
• Chapter 3 A PV Energy Harvesting System Employing DCR Current Sensing 18
• Previous Works 18
• System Architecture 21
• DCR Current Sensing and Analysis of Inductance Variation Caused by DC Current 23
• Voltage and Current Sensor 33
• Instantaneous Power Sensing by S&H and ADC 36
• High-Voltage Gate Driver 40
• On-Chip Regulators 45
• Experimental Results 47
• Chapter 4 A PV Energy Harvesting System Employing Floating Current Sensor 68
• Current Sensing for Outdoor PV Energy Harvesting 68
• System Architecture 71
• System Loss Analysis 73
• Floating Current Sensor 79
• High-Voltage Gate Driver 86
• Power Management Unit 88
• Experimental Results 91
• Chapter 5 Conclusion 99
• Bibliography 101