從18世紀工業革命以來，人們大量的依賴著煤炭、石油及天然氣這些不可再生的能源，直到1973年爆發第一次石油危機後，能源危機的議題便無時不刻的存在；杜拜原油的平均價格從2000年Q1每桶26美金漲至2013年Q1每桶108美金，並且持續上揚。各國研究機關與學者相繼提出綠色能源或再生能源技術，希望可以善加利用自然界的各種資源來克服能源危機。

近年來能源採集(Energy Harvesting; EH)電源管理相關研究議題也持續發酵，希望可以藉由室內光源、常溫熱溫差、震動形變或是環境中存在無線訊號做為供應微系統使用的能源，希望取代傳統電池做為永久能源。能源收集技術其中又以室內光源收集以及熱溫差發電所能產生的能量較大也最受歡迎，尤其以人類的體溫與室溫的溫差來發電，未來將可做為消費性電子或生醫感測器的永久能源。

熱電效應與材料

熱電效應在1834年由法國物理學家Jean Charles Athanase Peltier首先發現，當特殊的熱電材料在接觸到熱端以及冷端時，自由電子的移動速度會有所不同，因此產生出電子位於冷熱端面會有散布不均的情況，而可以產生出正負端的電位差。愛沙尼亞裔德國物理學家Thomas Johann Seebeck隨後也有同樣的發現，故又稱帕爾帖-塞貝克效應(Peltier-Seebeck effect)。

熱電偶是將兩種不同材料的導體或半導體焊接起來，熱電模組(Thermoelectric generator module; TGM)是由熱電偶所組合成的熱電偶堆，當兩側存在溫差時，便會產生電動勢在迴路中形成電流。圖一為熱電偶的操作圖，由半導體的P型與N型材料所焊接而成，當接觸冷熱端面時即會產生正負壓差。圖二為塊材式(Bulk)熱電模組以及薄膜式(Thin-Film)熱電模組實體照，薄膜式熱電模組可以在相同的單位面積下製作更多的熱電偶，擁有更好的發電及散熱效率。

圖一 : 圖一、 熱電偶操作圖

圖二 : 圖二、 熱電模組實體照

熱電功率特性與轉換

能源採集器(Energy harvester)都有最大功率點特性，TGM也不例外，圖三及圖四分別為TGM的溫度特性與最大功率點特性，當溫度上升一倍時，開迴路電壓(Open circuit voltage; VOC)與短路電流(Short circuit current; ISC)都會增加一倍，由圖四得知最大功率點會落於1/2的ISC與VOC，所以每增加一倍溫差，功率則變為四倍。

以工研院電光所設計的128對熱電偶， 面積為4公分見方的塊材式TGM為例，溫差0.5度約為25mV開路電壓及5mA短路電流，最大功率為31.25μW，若溫差1度約為50mV開路電壓及10mA短路電流，最大功率則為125μW，以此類推溫差2度功率即為500μW。

要設計熱電能源轉換器可參考圖五TGM的電氣特性模型，熱電偶所產生的迴路電流可視為ITGM，而材料本身的阻抗為RSH，即可利用此簡單的等校模型進行熱電轉換器的電路設計。

圖三 : 圖三、TGM溫度特性

圖四 : 圖四、 TGM最大功率點特性

圖五 : 圖五、 TGM等校電路

挑戰低耗電電路設計

近臨界電壓(Near-Threshold Voltage; NTV)是以略低於電晶體MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)的臨界電壓 (Threshold voltage; Vth)進行操作，由於閘極(Gate)電壓並未使MOSFET通道完全形成，所以可藉由微小的電流進行電路操作，降低電路的操作功耗。圖六為Intel在2011年IDF (Intel Developer Forum)成功設計NTV處理器並發表於ISSCC’2012傑出國際研討會。

圖六 : 圖六、Intel之NTV處理器

圖七為能源效率與操作功耗對電壓之比較，除了NTV電路操作區域外，若使閘極電壓更進一步降低至臨界電壓100mV以上，可讓MOSFET進入次臨界電壓(Sub-Threshold Voltage; STV)區域，可比NTV區域降低操作功耗兩倍以上，由於閘極電壓越靠近零電壓操作區域，會受到PVT(Process, Voltage, Temperature; PVT)變異影響越來越嚴重，所以在STV電路設計將比NTV電路設計更為挑戰。

由於TGM產生的能源非常低，且EH電源管理並非純數位處理器，所以為了更低操作功耗應該考慮更省電的STV操作而非最佳的能源效率(功耗/速度)的NTV區域。

圖七 : 圖七、能源效率與操作功耗對電壓之比較

後端電壓感測技術

挑戰常溫熱溫差發電

由於TGM是靠熱溫差來產生能源，而1度溫差僅有50mV電壓，所以須採用升壓轉換器(Boost converter)才有辦法將能源輸出給後端系統使用，因為TGM的能源有最大功率點的特性，所以需要設計最大功率點追蹤(Maximum power point tracking; MPPT)才能取得最大能源。實際在室溫26oC下測試，人體體表皮膚溫度約略為30oC至32oC，TGM加機構散熱溫差僅為0.5oC至2oC，故在常溫下的最大輸出電壓僅為100mV開路電壓，是非常具有挑戰性的操作環境。

圖八為一般常見的MPPT控制電路，由數位類比轉換器(Analog-to-Digital Converter; ADC)感測電阻兩端電壓，並利用兩端電壓差計算出電流值，將TGM輸入電壓與電流透過乘法器相乘即得到功率，最後透過MPPT演算法及數位脈波寬度調變器(Digital Pulse Width Modulator; DPWM)輸出責任比(Duty cycle)控制Boost轉換器進行升壓。又TGM的能源有電壓低電流大的特性，由於電流大，使用感測電阻會嚴重影響能源轉換效率，並且電壓低難以感測電壓值，尤其ADC與乘法器電路架構龐大，難以做到低耗電，導致一般常見MPPT架構難以實現常溫熱溫差發電。

圖八 : 圖八、一般常見MPPT控制電路

工研院有鑑於一般常見MPPT控制電路無法實現常溫熱溫差發電，從2010年底開始投入EH電源管理的研究，圖九前後端感測差異比較圖，可將TGM在1/2的VOC下有最大功率點特性經由轉換器能量守恆特性會使PIN與POUT相等，讓VOUT與POUT可呈現正比關係，這樣就不需使用乘法器將電流與電壓相乘取得功率資訊，進一步我們更簡化只需要偵測VOUT大小即等同POUT大小。

圖九 : 圖九、前後端感測差異比較

雖然透過轉換器可將功率訊號降階為電壓訊號做MPPT的運算，卻也讓VOUT電壓差異遠小於VIN的電壓；圖十為工研院進一步在2011年提出適用於EH電源管理架構，利用電壓趨勢偵測器(Voltage Trend Detector; VTD)，利用一電容器以微小電流充電固定時間進行取樣，透過兩個不同時間的取樣進行比較，即可得到輸出電壓趨勢(等同於功率趨勢)。

透過趨勢處理器只比較輸出電壓增減運算，經由電荷幫浦(Charge Pump; CP)控制Duty大小，最後由比較器及鋸齒波產生器產生PWM訊號給Boost轉換器進行升壓，解決了能源路徑上感測電阻消耗能量的問題外，更去除了複雜耗電的ADC與乘法器電路，更將複雜的功率資訊簡化成輸出電壓的增減來運算MPPT方法，實現極低耗電的EH電源管理晶片，並發表論文於ESSCIRC’2012傑出國際研討會。

圖十 : 圖十、 EH電源管理之MPPT控制電路

圖十一為EH電源管理晶片之裸晶圖，晶片面積僅為0.5mm2，MPPT控制器消耗電流僅為390nA，可達99.6%最大功率點追蹤效率、57%能源轉換效率及最小輸入電壓1mV之規格。圖十二為常溫熱電轉換系統展示，此展示透過TGM使用常溫與人體體溫的熱溫差進行能源供給，經由我們設計的EH電源管理晶片可點亮2.5V的藍光發光二極體(Light-Emitting Diode; LED)。

圖十一 : 圖十一、常溫熱溫差發電晶片裸晶照

圖十二 : 圖十二、常溫熱電轉換系統展示

結論

隨著熱電材料技術日漸成熟，穿戴式的微電子系統使用TGM做為永久能源，取代笨重且昂貴的電池即將在幾年內出現。除了常溫發電技術外，更可設計於汽車引擎廢熱回收系統，提升燃油效率；中鋼鍋爐的廢熱回收，降低鍛鋼所需的能源成本…等廣泛用途，未來熱溫差發電將無所不在。（本文作者為工研院資通所工程師－黃昭仁）