Effizienter Boost-Converter zur Nutzung geringer Temperaturdifferenzen für Energy Harvesting
Der am Institute of Embedded Systems (InES) entwickelte Boost-Converter ermöglicht es, aus minimalen Temperaturdifferenzen von unter 1,5°C effizient elektrische Energie zu gewinnen. Dies ist ein Anwendungsgebiet, auf dem herkömmliche Konverter bisher häufig an ihre Grenzen gestossen sind. Die entwickelte Boostertechnologie ermöglicht zahlreiche neue Anwendungen in Verbindung mit thermoelektrischen Generatoren (TEGs).
Der Kern der Entwicklung ist die Fähigkeit des Boost-Converters, bereits bei Eingangsspannungen von wenigen 10 Millivolt zu starten und dabei eine hohe Effizienz zu erreichen. Ein Prototyp des Systems startet bei einer Eingangsspannung von etwa 15 mV (Kaltstart) mit einer Effizienz von 45%. Mit gefülltem Energiespeicher oder ab einer Eingangsspannung von 120 mV steigert sich die Effizienz auf bis zu 74%. Dadurch kann auch mit preisgünstigen TEGs, an denen nur ein geringfügiger Temperaturunterschied anliegt, genug Energie gewonnen werden, um beispielsweise Sensoren und drahtlose Kommunikation in Embedded Systemen zu versorgen.
Das Design des Konverters umfasst zwei getrennte Stufen: eine Startstufe für den Kaltstart bei niedrigen Eingangsspannungen und eine Hauptstufe, die eine geregelte Ausgangsspannung von 3,6 V liefert und dabei eine hohe Effizienz erreicht. Diese Zweistufigkeit ermöglicht es, dass der Konverter effizient arbeitet, wenn er von einem TEG gespeist wird, der unter einer Temperaturdifferenz von weniger als 3 °C operiert.
Vergleichstests mit kommerziell verfügbaren Boostern zeigen das Potential des neu entwickelten Konverters. Bei einer Temperaturdifferenz von 3 °C erreicht der Prototyp einen Wirkungsgrad von 62% und lieferte eine Leistung von 802 Mikrowatt am Ausgang. Damit erweitert er die Anwendungsmöglichkeiten von Energy Harvesting aus thermischen Differenzen in der Praxis deutlich und ebnet den Weg für neue Anwendungen in einer Vielzahl von Bereichen wie Condition Monitoring, Smart Home oder Wearables.