KR101022136B1 - Resonant piezo-powered boost converter circuit for harvesting piezoelectric energy - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 공진형 자려 부스트 컨버터 회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 외부전원 없이 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 압전소자를 이용한 에너지 수확용 공진형 자려 부스트 컨버터 회로에 관한 것이다. The present invention relates to a resonant self-boosting booster circuit, and more particularly, to a resonant self-boosting booster converter for energy harvesting using a piezoelectric element that converts mechanical energy into electrical energy without an external power source.
최근 무선 전기전자제품은 발전된 반도체를 이용한 회로 집적화 기술을 기반으로 소형·경량화 되어 가고 있다. 무선 전기전자제품의 대부분은 소형 배터리를 주 에너지원으로 사용하며, 한정된 배터리 용량에 의해 사용시간의 제약이 있다. 배터리의 수명연장 및 전력밀도 강화를 위한 연구 개발이 꾸준히 수행되고 있으며, 저전압 소용량의 무선 전기전자제품의 사용시간 연장을 위해 태양광, 진동, 풍력, 열, 인력 등을 이용한 에너지 수확 개념을 적용하여 부하에 전력을 공급하고 사용시간의 연장을 시도하는 연구가 활발히 수행되고 있다.Recently, wireless electric and electronic products are becoming smaller and lighter based on circuit integration technology using advanced semiconductors. Most wireless electrical and electronic products use a small battery as the main energy source, and the limited battery capacity limits the use time. Research and development to extend battery life and enhance power density has been carried out steadily, and the concept of energy harvesting using solar, vibration, wind, heat, and manpower is applied to extend the usage time of low-voltage small-capacity wireless electric and electronic products. Research is actively conducted to power the load and attempt to extend the use time.
수확된 에너지를 부하 특성에 부합하여 공급하는 전력변환기기에 사용되는 반도체 스위칭 소자 특성의 한계와 수확 가능한 에너지가 수 Watt 미만의 소량이라는 제약 때문에 최근까지의 에너지 수확 시스템 개발연구는 에너지 수확 개념의 가 능성을 시험하는 수준이었다. 그러나 최근 반도체 소자의 급속한 발전으로 인하여 압전에너지 수확을 이용하기 위한 개발 연구가 다각도로 시도되고 있다. Due to the limitations of the characteristics of semiconductor switching devices used in power converters that supply harvested energy in accordance with load characteristics, and the limitation that harvestable energy is less than a few watts, research on development of energy harvesting systems until recently has been conducted. It was a level to test the ability. Recently, however, due to the rapid development of semiconductor devices, researches for developing piezoelectric energy harvesting have been attempted at various angles.
에너지 수확 소자 중에서, 진동에 의한 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 압전소자는 수확 가능한 에너지가 수 Watt 미만의 소량인 단점으로 인해서 에너지 수확 시스템에 사용되는 컨버터의 개발에는 변환효율을 고려한 최적화가 요구된다. 압전 에너지 수확에 사용되는 컨버터는 간단한 구조 및 고효율을 필요로 하며, 외부에서 추가로 공급되는 에너지를 사용하지 않고 압전소자로부터 수확된 에너지만을 사용하여 스스로 동작을 할 수 있어야 한다. Among the energy harvesting elements, piezoelectric elements that convert mechanical energy due to vibration into electrical energy have a disadvantage in that harvestable energy is less than a few watts. Therefore, the development of the converter used in the energy harvesting system requires optimization considering the conversion efficiency. . Converters used for piezoelectric energy harvesting require simple structures and high efficiency, and must be able to operate on their own using only energy harvested from piezoelectric elements without using additional energy from outside.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 압전소자로부터 발생한 소량의 전기 에너지를 효율적으로 수확하기 위해 외부 에너지원 없이 압전소자에서 발생한 에너지만으로 구동 가능한 공진형 부스트 컨버터를 제공하는 것이다.Therefore, the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a resonant boost converter that can be driven only by the energy generated from the piezoelectric element without an external energy source in order to efficiently harvest a small amount of electrical energy generated from the piezoelectric element.
이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 공진형 자려 부스트 컨버터 회로는, 압전소자의 제1단에 제1단이 연결되어 있는 제1 트랜지스터, 상기 압전소자의 제2단에 제1단이 연결되어 있는 제2 트랜지스터, 상기 압전소자의 제1단에 제1단이 연결되어 있는 제3 트랜지스터, 상기 압전소자의 제2단에 제1단이 연결되어 있는 제4 트랜지스터, 상기 제1 트랜지스터의 제2단 및 상기 제2 트랜지스터의 제2단에 애노드가 연결되어 있는 제1 다이오드, 상기 제1 다이오드의 캐소드에 제1단이 연결되고, 상기 제3 트랜지스터의 제2단 및 상기 제4 트랜지스터의 제2단에 제2단이 연결되어 있는 캐패시터, 상기 캐패시터의 제1단에 제1단이 연결되어 있는 제5 트랜지스터, 상기 제5 트랜지스터의 제2단에 애노드가 연결되어 있는 제2 다이오드, 상기 제2 다이오드의 캐소드와 상기 제1 다이오드의 애노드에 제1단이 연결되어 있는 인덕터, 그리고 상기 인덕터의 제2단에 제1단이 연결되고, 상기 캐패시터의 제2단에 제2단이 연결되며, 상기 제5 트랜지스터의 제2단에 제3단이 연결되어 있는 제6 트랜지스터를 포함한다. According to an embodiment of the present invention, a resonance type self-boosting boost converter circuit includes a first transistor having a first end connected to a first end of a piezoelectric element and a first end to a second end of the piezoelectric element. A second transistor having a stage coupled thereto, a third transistor having a first stage coupled to the first end of the piezoelectric element, a fourth transistor having a first stage coupled to the second end of the piezoelectric element, and the first transistor A first diode having an anode connected to a second end of the transistor and a second end of the second transistor, a first end connected to a cathode of the first diode, and a second end of the third transistor and the fourth A capacitor having a second end connected to a second end of the transistor, a fifth transistor having a first end connected to the first end of the capacitor, and a second diode having an anode connected to the second end of the fifth transistor , The second An inductor having a first end connected to a cathode of a diode and an anode of the first diode, a first end connected to a second end of the inductor, and a second end connected to a second end of the capacitor, And a sixth transistor having a third end connected to the second end of the fifth transistor.
상기 제2 다이오드의 애노드에 제1단이 연결되고, 상기 제5 트랜지스터의 제2단에 제2단이 연결되어 있는 제1 저항을 더 포함할 수 있다. A first resistor may be further connected to an anode of the second diode and a second resistor may be connected to a second terminal of the fifth transistor.
상기 인덕터의 제2단에 애노드가 연결되어 있는 제3 다이오드, 그리고 상기 제3 다이오드의 캐소드에 제1단이 연결되고, 상기 캐패시터의 제2단에 제2단이 연결되어 있는 제2 저항을 더 포함할 수 있다. A third diode having an anode connected to the second end of the inductor; and a second resistor having a first end connected to the cathode of the third diode and a second end connected to the second end of the capacitor. It may include.
상기 제1 및 제4 트랜지스터 또는 상기 제2 및 제3 트랜지스터의 턴온 시에, 상기 압전소자로부터 출력된 전압은 직류 전압으로 정류되고, 정류된 상기 직류 전압은 상기 제1 다이오드를 통하여 상기 캐패시터로 충전될 수 있다. When the first and fourth transistors or the second and third transistors are turned on, the voltage output from the piezoelectric element is rectified to a DC voltage, and the rectified DC voltage is charged to the capacitor through the first diode. Can be.
상기 캐패시터에 상기 압전소자의 최대 출력 전압이 충전되면, 상기 제5 및 제6 트랜지스터는 턴온될 수 있다. When the capacitor is charged with the maximum output voltage of the piezoelectric element, the fifth and sixth transistors may be turned on.
상기 제5 및 제6 트랜지스터의 턴온 시에 상기 캐패시터에 충전된 전압은 상기 제5 트랜지스터, 상기 제1 저항 및 상기 제2 다이오드를 통하여 상기 인덕터로 방전될 수 있다. When the fifth and sixth transistors are turned on, the voltage charged in the capacitor may be discharged to the inductor through the fifth transistor, the first resistor, and the second diode.
상기 제1 저항의 저항 값이 클수록 상기 캐패시터에 충전된 전압이 상기 인덕터로 방전되는 속도가 지연될 수 있다. As the resistance value of the first resistor increases, a rate at which the voltage charged in the capacitor is discharged to the inductor may be delayed.
상기 인덕터로 상기 캐패시터에 충전된 전압이 방전되면, 상기 제5 및 제6 트랜지스터는 턴오프되어, 상기 인덕터에 저장된 전압은 상기 제2 저항으로 전달될 수 있다. When the voltage charged in the capacitor is discharged by the inductor, the fifth and sixth transistors may be turned off, and the voltage stored in the inductor may be transferred to the second resistor.
이와 같이 본 발명에 의하면, 압전에너지 수확을 위한 공진형 자려 부스트 컨버터 회로는, 별도의 외부 에너지원 없이 자려 스위칭 동작을 수행할 수 있으며, 압전소자에서 발생한 전기 에너지의 최대값을 부하에 안정적으로 전달할 수 있다.As described above, according to the present invention, the resonant self-boosting boost converter circuit for harvesting piezoelectric energy can perform a self-switching operation without a separate external energy source, and can stably transmit the maximum value of electric energy generated from the piezoelectric element to the load. Can be.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and like reference numerals designate like parts throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외 하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification, when a part is "connected" to another part, this includes not only "directly connected" but also "electrically connected" with another element in between. . In addition, when a part is said to "include" a certain component, which means that it may further include other components, except to exclude other components unless otherwise stated.
그리고 명세서 전체에서 전압을 유지한다는 표현은 특정 2점간의 전위 차가 시간 경과에 따라 변화하여도 그 변화가 설계상 허용될 수 있는 범위 내이거나 변화의 원인이 당업자의 설계 관행에서는 무시되고 있는 기생 성분에 의한 경우를 포함한다. 또한 방전 전압에 비해 반도체 소자(트랜지스터, 다이오드 등)의 문턱 전압이 매우 낮으므로 문턱 전압을 0V로 간주하고 근사 처리한다. In addition, the expression that voltage is maintained throughout the specification indicates that even if the potential difference between two specific points changes over time, the change is within an allowable range in the design or the cause of the change is due to parasitic components that are ignored in the design practice of those skilled in the art. Include cases by. In addition, since the threshold voltage of a semiconductor device (transistor, diode, etc.) is very low compared to the discharge voltage, the threshold voltage is regarded as 0V and approximated.
도 1은 압전소자를 에너지원으로 사용한 에너지 수확시스템의 일반적인 토폴로지를 나타낸 도면이다. 압전소자(Piezoelectric Element)는 기계적 진동에너지를 전기에너지로 변환하여 교류전압을 출력하며, 이는 교류 전류원과 병렬 캐패시터(Cp)로 등가 처리할 수 있다. 교류전압은 다이오드 브리지 회로를 사용하여 직류전압으로 정류되어 부하의 조건에 따라 DC/DC 컨버터를 사용하여 승압 또는 강압 변환을 한다. 1 is a diagram illustrating a general topology of an energy harvesting system using a piezoelectric element as an energy source. Piezoelectric element is a mechanical vibration energy It converts into electrical energy and outputs an AC voltage, which can be processed equivalently with an AC current source and a parallel capacitor (C p ). AC voltage is rectified to DC voltage using a diode bridge circuit, and a step-up or step-down conversion is performed using a DC / DC converter depending on the load condition.
이하에서는 도 2a 및 도 2b를 통하여 공진형 부스트 컨버터 회로의 자려 스위칭 동작을 설명한다. 도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 공진형 부스트 컨버터 회로를 나타낸 회로도이고, 도 2b는 도 2a의 공진형 부스트 컨버터 회로에 포함되는 자려 스위치 회로를 나타낸 회로도이다. Hereinafter, the self-switching operation of the resonant boost converter circuit will be described with reference to FIGS. 2A and 2B. FIG. 2A is a circuit diagram illustrating a resonant boost converter circuit according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a circuit diagram illustrating a self-contained switch circuit included in the resonance type boost converter circuit of FIG. 2A.
도 2a 및 도 2b에 나타낸 바와 같이, 공진형 부스트 컨버터 회로는 6개의 트랜지스터(S1, S2, S3, S4, S5, S6)를 포함하는데, 도 2a 및 도 2b에서 트랜지스터(S3, S4, S5)는 n채널 전계 효과 트랜지스터, 특히 NMOS(n-channel metal oxide semiconductor) 트랜지스터로 도시하였으며, 이들 트랜지스터(S3, S4, S5)에는 소스에서 드레인 방향으로 바디 다이오드가 형성될 수 있다.As shown in FIGS. 2A and 2B, the resonant boost converter circuit includes six transistors S1, S2, S3, S4, S5, and S6, and the transistors S3, S4, and S5 in FIGS. 2A and 2B. An n-channel field effect transistor, in particular an n-channel metal oxide semiconductor (NMOS) transistor, is illustrated in these transistors S3, S4, and S5, and a body diode may be formed from a source to a drain direction.
또한, 도 2a 및 도 2b에서 트랜지스터(S1, S2, S6)는 p채널 전계 효과 트랜지스터, 특히 PMOS(p-channel metal oxide semiconductor) 트랜지스터로 도시하였으며, 이들 트랜지스터(S1, S2, S6)에는 드레인에서 소스 방향으로 바디 다이오드가 형성될 수 있다.2A and 2B, the transistors S1, S2, S6 are shown as p-channel field effect transistors, in particular p-channel metal oxide semiconductor (PMOS) transistors. A body diode can be formed in the source direction.
그리고 NMOS 트랜지스터 또는 PMOS 트랜지스터 대신에 유사한 기능을 하는 다른 트랜지스터가 이들 트랜지스터(S1, S2, S3, S4, S5, S6)로 사용될 수도 있다. 또한 도 2a 및 도 2b에서는 트랜지스터(S1, S2, S3, S4, S5, S6)를 각각 하나의 트랜지스터로 도시하였지만, 트랜지스터(S1, S2, S3, S4, S5, S6)는 각각 병렬로 연결된 복수의 트랜지스터로 형성될 수 있다. And other transistors having similar functions in place of NMOS transistors or PMOS transistors may be used as these transistors S1, S2, S3, S4, S5, S6. In addition, in FIGS. 2A and 2B, transistors S1, S2, S3, S4, S5, and S6 are shown as one transistor, respectively. It can be formed of a transistor of.
먼저 도 2a를 통하여 본 발명의 실시예에 따른 공진형 부스트 컨버터 회로에 대해 설명한다. 도 2a에 나타낸 공진형 부스트 컨버터 회로는 트랜지스터(S1, S2, S3, S4, S5), 캐패시터(Co), 다이오드(D1), 저항(Ro) 및 압전소자(PZT)를 포함한다. First, a resonance type boost converter circuit according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 2A. The resonant boost converter circuit shown in FIG. 2A includes transistors S1, S2, S3, S4, S5, capacitor Co, diode D1, resistor Ro, and piezoelectric element PZT.
압전소자(PZT)의 제1단은 트랜지스터(S1)의 드레인과 연결되며, 제2단은 트랜지스터(S4)의 드레인과 연결된다. 트랜지스터(S1)의 소스는 인덕터(L)의 제1단 및 자려 스위치 회로(Self Switching circuit)와 연결되며, 인덕터(L)의 제2단은 다이오드(D1)의 애노드 및 트랜지스터(S5)의 드레인과 연결된다. 다이오드(D1)의 캐소드는 캐패시터(Co)의 제1단 및 저항(Ro)의 제1단과 각각 연결된다. 또한 트랜 지스터(S4)의 소스는 자려 스위치 회로(Self Switching circuit) 및 트랜지스터(S5)의 소스에 각각 연결된다. The first end of the piezoelectric element PZT is connected to the drain of the transistor S1, and the second end of the piezoelectric element PZT is connected to the drain of the transistor S4. The source of the transistor S1 is connected to the first stage of the inductor L and the self switching circuit, and the second stage of the inductor L is the anode of the diode D1 and the drain of the transistor S5. Connected with The cathode of the diode D1 is connected to the first end of the capacitor Co and the first end of the resistor Ro, respectively. In addition, the source of the transistor S4 is independently connected to the source of the self switching circuit and the transistor S5, respectively.
그리고, 트랜지스터(S5)의 드레인은 인덕터(L)의 제2단과 다이오드(D1)의 애노드의 접점과 연결되고, 트랜지스터(S5)의 게이트는 자려 스위치 회로(Self Switching circuit)가 연결된다. The drain of the transistor S5 is connected to the second terminal of the inductor L and the anode of the diode D1, and the gate of the transistor S5 is connected to a self switching circuit.
또한, 트랜지스터(S2)의 소스는 트랜지스터(S1)의 소스와 연결되며, 트랜지스터(S2)의 드레인은 압전소자(PZT)의 제2단과 연결된다. 또한 트랜지스터(S3)의 드레인은 압전소자(PZT)의 제1단과 연결되며, 트랜지스터(S3)의 소스는 트랜지스터(S4)의 소스와 연결된다. In addition, the source of the transistor S2 is connected to the source of the transistor S1, and the drain of the transistor S2 is connected to the second end of the piezoelectric element PZT. In addition, the drain of the transistor S3 is connected to the first end of the piezoelectric element PZT, and the source of the transistor S3 is connected to the source of the transistor S4.
도 2a에서 트랜지스터(S1, S2, S3, S4)는 AC/DC 정류를 위한 능동형 정류기(Active rectifier)의 기능을 한다. 즉, 압전소자(PZT)로부터 출력되는 교류 전압은 트랜지스터(S1, S2, S3, S4)를 통하여 (+)극성의 직류 전압으로 정류된다. 그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 처음 반주기 동안 압전소자(PZT)의 극성이 (+)일 때는, 트랜지스터(S1, S4)를 턴온시켜 압전소자(PZT)의 출력전압을 정류하고, 다음 반주기 동안 압전소자(PZT)의 극성이 (-)일 때는, 트랜지스터(S2, S3)를 턴온시켜 압전소자(PZT)의 출력전압을 정류하도록 한다. In FIG. 2A, the transistors S1, S2, S3, and S4 function as active rectifiers for AC / DC rectification. That is, the AC voltage output from the piezoelectric element PZT is rectified to a positive DC voltage through the transistors S1, S2, S3, S4. According to the embodiment of the present invention, when the polarity of the piezoelectric element PZT is positive during the first half cycle, the transistors S1 and S4 are turned on to rectify the output voltage of the piezoelectric element PZT, and during the next half cycle. When the polarity of the piezoelectric element PZT is negative, the transistors S2 and S3 are turned on to rectify the output voltage of the piezoelectric element PZT.
본 발명의 실시예에 따르면, 트랜지스터(S1, S2, S3, S4)의 스위칭을 위한 별도의 게이트 드라이브 회로 없이 압전소자(PZT)의 출력전압(V PZT )의 극성을 이용하여 On, Off 스위칭하며 AC/DC 변환을 수행한다. According to an embodiment of the present invention, the switching is performed on and off using the polarity of the output voltage V PZT of the piezoelectric element PZT without a separate gate drive circuit for switching transistors S1, S2, S3, and S4. Perform AC / DC conversion.
다음으로, 자려 스위치 회로(Self Switching circuit)는 도 2a에서 나타낸 것과 같이 트랜지스터(S2)와 인덕터(L)의 접점, 트랜지스터(S4)의 소스, 트랜지스터(S5)의 게이트에 각각 연결되며, 도 2b에 나타낸 것과 같이 본 발명의 실시예에 따른 자려 스위치 회로(Self Switching circuit)는 다이오드(D2, D3) 캐패시터(Cs), 저항(Rs, RD, Rp) 및 트랜지스터(S6)으로 구성된다. Next, a self switching circuit is connected to the contacts of transistor S2 and inductor L, the source of transistor S4, and the gate of transistor S5, as shown in FIG. 2A, and FIG. 2B. Self switching circuit according to an embodiment of the present invention as shown in the diode (D2, D3) capacitor (Cs), It consists of resistors Rs, RD and Rp and transistor S6.
도 2b에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 자려 스위치 회로는 공진형 부스트 컨버터 회로의 트랜지스터(S5)의 스위칭 구동을 위해서, 압전소자(PZT)의 출력에너지를 추가 변환과정을 거치지 않고 직접 사용할 수 있도록 한다. The self-contained switch circuit according to the exemplary embodiment of the present invention illustrated in FIG. 2B may directly use the output energy of the piezoelectric element PZT without additional conversion for driving switching of the transistor S5 of the resonant boost converter circuit. do.
다이오드(D2)의 애노드는 트랜지스터(S1)의 소스와 연결되고, 캐소드는 캐패시터(Cs)의 제1단에 연결된다. 캐패시터(Cs)의 제1단은 트랜지스터(S6)의 소스와도 연결되고, 제2단은 트랜지스터(S4)의 소스와 연결된다. The anode of the diode D2 is connected to the source of the transistor S1 and the cathode is connected to the first end of the capacitor Cs. The first end of the capacitor Cs is also connected to the source of the transistor S6, and the second end is connected to the source of the transistor S4.
다이오드(D2)와 캐패시터(Cs)는 압전소자 출력 전압(V PZT )의 하강 포락선(envelope)을 감지하는 역할을 할 뿐 아니라, 압전소자(PZT)로부터 출력되는 에너지를 저장하는 역할을 한다. The diode D2 and the capacitor Cs not only sense a falling envelope of the piezoelectric element output voltage V PZT but also store energy output from the piezoelectric element PZT.
그리고, 저항(Rs)의 제1단은 다이오드(D2)의 애노드에 연결되고, 제2단은 트랜지스터(S6)의 게이트에 연결된다. 트랜지스터(S6)의 소스는 캐패시터(Cs)의 제1단과 연결되고, 드레인은 트랜지스터(S5)의 게이트와 연결된다. The first end of the resistor Rs is connected to the anode of the diode D2, and the second end of the resistor Rs is connected to the gate of the transistor S6. The source of the transistor S6 is connected to the first end of the capacitor Cs, and the drain thereof is connected to the gate of the transistor S5.
자려 스위치 회로의 트랜지스터(S6)는 턴온(Turn-On) 특성에 의해 트랜지스터(S6)의 게이트 전압과 캐패시터(Cs)의 전압을 비교하여 압전소자 출력 전압(V PZT ) 의 최대값을 검출하는 기능을 갖는다. 트랜지스터(S6)의 게이트 전압(VG) 및 소스 전압(VS)의 전압차에 의해 트랜지스터(S6)가 턴온 되면 부스트 컨버터의 메인 스위치인 트랜지스터(S5)가 턴온 된다. The transistor S6 of the switch circuit has a function of detecting the maximum value of the piezoelectric element output voltage V PZT by comparing the gate voltage of the transistor S6 with the voltage of the capacitor Cs by the turn-on characteristic. Has When the transistor S6 is turned on due to the voltage difference between the gate voltage V G and the source voltage V S of the transistor S6, the transistor S5 which is the main switch of the boost converter is turned on.
그리고, 다이오드(D3)의 애노드는 저항(RD)의 제1단과 연결되며, 저항(RD)의 제2단은 저항(Rp)의 제1단과 연결된다. 다이오드(D3)와 저항(RD)은 방전 경로(Discharge Path)를 형성한다. Then, the anode of the diode (D3) is connected to a first end of the resistor (R D), a second terminal of the resistor (R D) is connected to a first end of the resistance (Rp). The diode D3 and the resistor R D form a discharge path.
여기서, 트랜지스터(S5)의 턴온 시간(tS5 _ on)은 방전 경로(Discharge Path) 내부의 저항(RD)의 크기에 비례하여 증가한다. 캐패시터(Cs)에 저장된 압전소자의 에너지는 방전 경로(Discharge Path)의 다이오드(D3)를 통해 부하(Co, Ro)로 회생된다. 캐패시터(Cs)가 영전압(0V)이 되고, 인덕터(L)에 흐르는 전류가 최대일 때, 트랜지스터(S5) 및 트랜지스터(S6)는 턴오프 된다.Here, the turn-on time t S5 _ on of the transistor S5 increases in proportion to the size of the resistor R D inside the discharge path. Energy of the piezoelectric element stored in the capacitor Cs is regenerated to the loads Co and Ro through the diode D3 of the discharge path. When the capacitor Cs becomes zero voltage (0V) and the current flowing in the inductor L is maximum, the transistors S5 and S6 are turned off.
즉, 도 2b에 나타낸 자려 스위치 회로는, 다이오드(D2) 및 캐패시터(Cs)를 통하여 압전소자(PZT)의 출력 전압(V PZT )의 최대값을 검출하며 캐패시터(Cs)의 양단 전압(VCs)과 압전소자(PZT) 전압(V PZT )의 전압 차이가 비교기(Comparator) 내의 트랜지스터(S6)의 문턱 전압(Vth)보다 커질 때 트랜지스터(S6)가 턴온되며, 이때 트랜지스터(S5)가 연속적으로 턴온된다. 캐패시터(Cs)에 저장된 압전소자의 에너지는 방전 경로(Discharge Path)를 통해 부하로 다시 회생된다. 트랜지스터(S6)의 문턱 전압(Vth)으로 인해 압전소자 출력 전압(V PZT )의 최대값이 아닌 지연된 상태(td)에서 트랜지스터(S5)가 동작하며, 방전 경로(Discharge Path)의 저항(RD)는 트랜지스터(S5)의 턴온 시간(tS5 _ on)을 결정한다. 트랜지스터(S5)가 턴온될 때 인덕터(L)에 에너지가 저장되며, 턴오프 될 때 인덕터(L)에 축적된 에너지가 다이오드(D1)을 통하여 부하(Co, Ro)로 전달된다. That is, the self-contained switch circuit shown in FIG. 2B detects the maximum value of the output voltage V PZT of the piezoelectric element PZT through the diode D2 and the capacitor Cs, and the voltage V Cs at both ends of the capacitor Cs. Transistor S6 is turned on when the voltage difference between the piezoelectric element PZT and V PZT is greater than the threshold voltage V th of the transistor S6 in the comparator, and the transistor S5 is continuously Is turned on. The energy of the piezoelectric element stored in the capacitor Cs is regenerated to the load through the discharge path. Due to the threshold voltage V th of the transistor S6, the transistor S5 operates in the delayed state t d , not the maximum value of the piezoelectric element output voltage V PZT , and the resistance of the discharge path ( R D ) determines the turn-on time t S5 _ on of the transistor S5. Energy is stored in the inductor L when the transistor S5 is turned on, and energy stored in the inductor L is transferred to the loads Co and Ro through the diode D1 when the transistor S5 is turned on.
이하에서는, 도 2a 및 도 2b에서 설명한 공진형 자려 부스트 컨버터 회로의 동작에 대하여 도 3a 내지 도 4를 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, the operation of the resonance self-boosting boost converter circuit described with reference to FIGS. 2A and 2B will be described in detail with reference to FIGS. 3A to 4.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 공진형 자려 부스트 컨버터 회로의 동작을 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3a 내지 도 3d에 나타낸 각 동작 모드 별 파형을 나타낸 도면이다. 3A to 3D are diagrams illustrating an operation of a resonance self-boosting boost converter circuit according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a diagram illustrating waveforms for each operation mode illustrated in FIGS. 3A to 3D.
설명의 편의상 도 3a 내지 도 3d에서는 처음 반주기 동안 트랜지스터(S1, S4)를 이용하여 압전소자의 출력전압을 정류하여, 공진형 자려 부스트 컨버터 회로를 동작시키는 것으로 설명한다. For convenience of description, in FIGS. 3A to 3D, the output voltage of the piezoelectric element is rectified by using the transistors S1 and S4 during the first half cycle, thereby operating the resonance self-boosting booster circuit.
도 4에서 (a)는 압전소자(PZT)에 흐르는 전류 량을 나타내고, (b)는 압전소자(PZT)의 출력 전압을 나타내며, (c)는 트랜지스터(S5)의 드레인 전압을 나타내고, (d)는 인덕터(L)에 흐르는 전류량을 나타낸다. 또한 도 4에서 (e)는 (c)에서 모드 3(M3)과 모드 4(M4) 기간에 대해서만 트랜지스터(S5)의 드레인 전압을 확대하여 나타내고, (f)는 (d)에서 모드 3(M3)과 모드 4(M4) 기간에 대해서만 인덕터(L)에 흐르는 전류량을 확대하여 나타낸다. In FIG. 4, (a) shows the amount of current flowing through the piezoelectric element PZT, (b) shows the output voltage of the piezoelectric element PZT, (c) shows the drain voltage of the transistor S5, and (d Denotes the amount of current flowing through the inductor L. In Fig. 4, (e) shows an enlarged drain voltage of the transistor S5 only for the periods of mode 3 (M3) and mode 4 (M4) in (c), and (f) shows mode 3 (M3) in (d). ) And the amount of current flowing in the inductor L is enlarged only for the period 4 (M4).
모드 1(M1)(t0 ~ t1)에서 트랜지스터(S1)과 트랜지스터(S4)가 턴온되어, 도 3a와 같이 압전소자(PZT), 트랜지스터(S1), 다이오드(D2), 캐패시터(Cs) 및 트랜지스터(S4)의 경로를 통하여 캐패시터(Cs)에 전압이 충전된다. In mode 1 (M1) (t 0 to t 1 ), the transistor S1 and the transistor S4 are turned on, so as shown in FIG. 3A, the piezoelectric element PZT, the transistor S1, the diode D2, and the capacitor Cs are turned on. And a capacitor Cs is charged through the path of the transistor S4.
여기서 도 1에서 설명한 바와 같이, 압전소자 내부의 캐패시터(Cp)는 압전소자 내의 교류 전류원(ip)과 병렬 연결되어 있으며, 교류 전류원(ip)는 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있으며, 도 4의 (a)와 같은 파형을 나타낸다.As described with reference to FIG. 1, the capacitor Cp inside the piezoelectric element is connected in parallel with an alternating current source ip in the piezoelectric element, and the alternating current source ip may be represented by
그리고, 압전소자 출력 전압(V PZT )은 수학식 2와 같이 나타낼 수 있으며, 도 4의 (b)와 같은 파형을 나타낸다. The piezoelectric element output voltage V PZT may be represented by
여기서 td는 자려 스위칭 동작 중에 트랜지스터(S6)의 문턱 전압(Vth)에 의해 지연된 시간이다. Where t d is the time delayed by the threshold voltage V th of the transistor S6 during the switching operation.
모드 2(M2)(t1 ~ t2)에서는 압전소자 내부의 캐패시터(Cp)의 전압(VCp)과 캐패시터(Cs)의 전압(VCs)은 압전소자 출력 전압(V PZT )의 최대값까지 충전된 후, 다이 오드(D2)에 의해서 캐패시터(Cs)의 전압(VCs)은 최대값에서 고정된다. 그리고, 압전소자 내부의 캐패시터(Cp)의 전압(VCp)은 압전소자의 진동에 의해 감소하며, 이에 따라 압전소자 출력 전압(V PZT )은 도 3b와 같이 다시 감소하게 된다. 그리고, VCs - V PZT - VD2의 크기가 트랜지스터(S6)의 문턱 전압(Vth)에 도달하게 되면 트랜지스터(S6)는 턴온된다. In mode 2 (M2) (t 1 to t 2 ), the voltage V Cp of the capacitor Cp and the voltage V Cs of the capacitor Cs are the maximum values of the piezoelectric element output voltage V PZT . After being charged to, the voltage V Cs of the capacitor Cs is fixed at the maximum value by the diode D2. In addition, the voltage V Cp of the capacitor Cp in the piezoelectric element is reduced by the vibration of the piezoelectric element, and thus the piezoelectric element output voltage V PZT is reduced again as shown in FIG. 3B. When the magnitude of V Cs -V PZT -V D2 reaches the threshold voltage V th of the transistor S6, the transistor S6 is turned on.
즉, 트랜지스터(S6)의 소스 전압은 캐패시터(Cs) 전압(VCs)에 의해 일정하게 유지되고, 트랜지스터(S6)의 게이트 전압은 압전소자의 출력 전압(V PZT )의 감소로 인하여 감소된다. 따라서, 트랜지스터(S6)의 게이트-소스 전압의 차이는 문턱 전압(Vth)보다 크기가 작아지게 되므로, 트랜지스터(S6)은 턴온되고, 모드 2(M2)는 종료하게 된다. That is, the source voltage of the transistor S6 is kept constant by the capacitor Cs voltage V Cs , and the gate voltage of the transistor S6 is reduced due to the reduction of the output voltage V PZT of the piezoelectric element. Therefore, since the difference between the gate and source voltages of the transistor S6 becomes smaller than the threshold voltage V th , the transistor S6 is turned on and the
여기서, 다이오드(D2)의 누설전류에 대한 캐패시터(Cs)의 양단 전압(VCs)의 전압 감소가 없다고 가정하면 트랜지스터(S6)의 문턱 전압(Vth)에 의해 지연된 시간 td(= t2 - t1)는 다음의 수학식 3과 같이 표현된다.Here, assuming that there is no voltage decrease of the voltage V Cs across the capacitor Cs with respect to the leakage current of the diode D2, the time t d (= t 2 ) delayed by the threshold voltage V th of the transistor S6. t 1 ) is expressed as
모드 3(M3)(t2 ~ t3)에서, 트랜지스터(S6)가 턴온되면 도 3c와 같이 트랜지스터(S5)도 턴온되고, 캐패시터(Cs)와 캐패시터(Cp)는 인덕터(L)과 공진 회로를 구성한다. 즉, 압전소자(PZT)의 캐패시터(Cp), 트랜지스터(S4), 캐패시터(Cs), 트랜지스터(S6), 저항(RD), 다이오드(D3) 및 인덕터(L)의 방전 경로(Discharge Path)를 통하여 캐패시터(Cp) 및 캐패시터(Cs)에 저장된 에너지가 인덕터(L)로 전달된다. 여기서, 저항(RD)의 저항 값이 클수록 방전이 지연된다. In the mode 3 (M3) (t 2 to t 3 ), when the transistor S6 is turned on, the transistor S5 is turned on as shown in FIG. 3C, and the capacitor Cs and the capacitor Cp are the inductor L and the resonance circuit. Configure That is, discharge paths of the capacitor Cp, the transistor S4, the capacitor Cs, the transistor S6, the resistor R D , the diode D3 and the inductor L of the piezoelectric element PZT. The energy stored in the capacitor Cp and the capacitor Cs is transferred to the inductor L through. Here, the discharge is delayed as the resistance value of the resistor R D increases.
또한 트랜지스터(S5)가 턴온됨으로써, 압전소자(PZT), 트랜지스터(S1), 인덕터(L), 트랜지스터(S5) 및 트랜지스터(S4)를 포함하는 폐쇄 회로가 형성된다. 인덕터(L)로 에너지가 방전됨에 따라 트랜지스터(S5)의 드레인 전압은 증가하며, 트랜지스터(S5)의 드레인 전압은 도 4의 (c), (e)와 같은 파형을 나타낸다. In addition, since the transistor S5 is turned on, a closed circuit including the piezoelectric element PZT, the transistor S1, the inductor L, the transistor S5, and the transistor S4 is formed. As the energy is discharged into the inductor L, the drain voltage of the transistor S5 increases, and the drain voltage of the transistor S5 shows waveforms as shown in FIGS. 4C and 4E.
여기서, 압전소자의 출력전압 초기값 Vc(t2)는 모드 1(M1)의 수학식 2에서 이며, 인덕터(L)에 흐르는 전류 초기값 iL(t2)은 0이다. 모드 3(M3)에서 인덕터(L)에 흐르는 전류는 다음의 수학식 4 및 수학식 5로 나타낼 수 있으며, 도 4의 (d), (f)와 같은 파형을 나타낸다. Here, the initial value of the output voltage Vc (t 2 ) of the piezoelectric element is expressed by
모드 3(M3)은 압전소자 출력 전압(V PZT )이 영전압, 인덕터 전류가 최대값에 도달할 때까지 지속된다. 모드 3(M3)의 동작 시간(t3 - t2)은 인덕터(L)과 Cs+Cp로 이루어진 공진 회로의 주기 의 1/4이고, R3은 모드 3(M3)의 기생 저항 성분의 합이다. Mode 3 (M3) lasts until the piezoelectric element output voltage (V PZT ) reaches zero voltage and the inductor current reaches its maximum value. The operating time t 3 -t 2 of mode 3 (M3) is the period of the resonant circuit consisting of the inductor L and Cs + Cp Is 1/4 and R 3 is the sum of parasitic resistance components of mode 3 (M3).
도 3d와 같이 모드 4(M4)(t3 ~ t4)에서, 트랜지스터(S5)가 턴오프 된 후 인덕터(L)에 저장된 에너지는 다이오드(D1)을 통하여 부하(Co, Ro)로 전달된다. 즉, 인덕터(L)로 에너지가 전달되는 과정에서 캐패시터(Cs)의 양단 전압(VCs)이 감소하며, 이에 따라, 트랜지스터(S5)의 게이트 전압도 감소하게 되므로, 트랜지스터(S5)는 턴오프 되고, 이때 인덕터(L)에 축적된 에너지가 부하(Co, Ro)로 전달된다. In
여기서, 압전소자의 전압 초기값 Vc(t3)는 0, 인덕터(L)에 흐르는 전류의 초기값 iL(t3)은 이다. Here, the initial voltage Vc (t 3 ) of the piezoelectric element is 0, and the initial value i L (t 3 ) of the current flowing in the inductor L is to be.
모드 4(M4) 동안 인덕터 전류 iL(t)는 다음의 수학식 6과 같으며, R4는 모드 4(M4) 구간동안 기생 저항 성분의 합이다. The inductor current i L (t) during mode 4 (M4) is given by Equation 6 below, and R 4 is the sum of the parasitic resistance components during the mode 4 (M4) period.
모드 4(M4)의 동작 시간(t4 - t3 = toff)는 iL(t)의 전류가 0에 도달할 때까지의 시간이며 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다. The operating time t 4 -t 3 = t off in the mode 4 (M4) is a time until the current of i L (t) reaches 0 and can be expressed by Equation 7.
VL(t)는 V0+VD1을 유지하여 부하에 전력을 전달한다. iL=0이 되면 다이오드(D1)은 오프(off)된다. 모드 4(M4)에서 부하에 전달되는 전력은 수학식 8과 같다. V L (t) maintains V 0 + V D1 to deliver power to the load. When i L = 0, the diode D1 is turned off. The power delivered to the load in the mode 4 (M4) is shown in Equation 8.
이와 같이 도 4에 도시한 반주기(T/2)에 해당하는 t0 ~ t0 + T/2 시간 동안 모드 1(M1) 내지 모드 4(M4)의 동작을 수행할 수 있으며, 모드 1(M1) 내지 모드 4(M4)의 동작이 종료되면, 다음 반주기(T/2)에 해당하는 t0 + T/2 ~ t0 + T 시간 동 안 다시 모드 1(M1) 내지 모드 4(M4)의 과정이 반복된다. 여기서, 다음 반주기(t0 + T/2 ~ t0 + T) 기간에는 압전소자의 출력전압(V PZT )이 (-)이며, 트랜지스터(S2, S3)을 턴온시켜 압전소자의 출력전압(V PZT )을 정류하여 공진형 자려 부스트 컨버터 회로를 동작시키도록 한다. 트랜지스터(S2, S3)을 턴온시켜 공진형 자려 부스트 컨버터 회로를 동작시키는 과정은, 당업자라면 모드 1(M1) 내지 모드 4(M4)의 동작으로부터 용이하게 유추할 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. Thus, t 0 to t 0 corresponding to the half period (T / 2) shown in FIG. + The operation of Mode 1 (M1) to Mode 4 (M4) can be performed for T / 2 time, and when the operation of Mode 1 (M1) to Mode 4 (M4) is finished, the next half cycle (T / 2) is performed. Corresponding t 0 The process of Mode 1 (M1) to Mode 4 (M4) is repeated again during + T / 2 to t 0 + T time. Where the next half period (t 0 In the period of + T / 2 to t 0 + T), the piezoelectric element's output voltage (V PZT ) is negative, and the transistors S2 and S3 are turned on to rectify the piezoelectric element's output voltage (V PZT ) to be resonant. Let's run the boost converter circuit. The operation of operating the resonant self-boosting boost converter circuit by turning on the transistors S2 and S3 can be easily inferred from the operation of the modes 1 (M1) to 4 (M4) by those skilled in the art, and thus a detailed description thereof will be omitted. .
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공진형 자려 부스트 컨버터 회로의 일부를 나타낸 도면이다. 도 5에서 보는 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따르면 트랜지스터(S1, S2, S3, S4) 대신에 도 5와 같이 다이오드(D4, D5, D6, D7)로 대체를 할 수 있다. 특히, 도 5에 나타낸 다이오드(D4, D5, D6, D7)의 캐소드와 애노드의 방향은 도 2a에 나타낸 트랜지스터(S1, S2, S3, S4)에 포함된 바디 다이오드의 방향과 같다. 5 is a diagram illustrating a part of a resonance self-supporting boost converter circuit according to another exemplary embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, in accordance with another embodiment of the present invention, diodes D4, D5, D6, and D7 may be replaced as shown in FIG. 5 instead of transistors S1, S2, S3, and S4. In particular, the cathode and anode directions of the diodes D4, D5, D6, and D7 shown in FIG. 5 are the same as the directions of the body diodes included in the transistors S1, S2, S3, and S4 shown in FIG. 2A.
따라서, 처음 반주기 동안 다이오드(D4, D7)를 통하여 압전소자의 출력전압을 정류하고, 다음 반주기 동안 다이오드(D5, D6)를 통하여 압전소자의 출력전압을 정류할 수 있다. Accordingly, the output voltage of the piezoelectric element may be rectified through the diodes D4 and D7 during the first half cycle, and the output voltage of the piezoelectric element may be rectified through the diodes D5 and D6 during the next half cycle.
이와 같이 본 발명의 실시예에 의하면, 압전에너지 수확을 위한 공진형 자려 부스트 컨버터 회로는, 별도의 외부 에너지원 없이 자려 스위칭 동작을 수행할 수 있으며, 압전소자에서 발생한 전기 에너지의 최대값을 부하에 안정적으로 전달할 수 있다. As described above, according to the exemplary embodiment of the present invention, the resonant self-boosting boost converter circuit for harvesting piezoelectric energy may perform a switching operation without a separate external energy source, and the maximum value of the electric energy generated by the piezoelectric element may be applied to the load. I can deliver it stably.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of rights.
도 1은 압전소자를 에너지원으로 사용한 에너지 수확시스템의 일반적인 토폴로지를 나타낸 도면이다. 1 is a diagram illustrating a general topology of an energy harvesting system using a piezoelectric element as an energy source.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 공진형 부스트 컨버터 회로를 나타낸 회로도이다. 2A is a circuit diagram illustrating a resonance type boost converter circuit according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 2b는 도 2a의 공진형 부스트 컨버터 회로에 포함되는 자려 스위치 회로를 나타낸 회로도이다. FIG. 2B is a circuit diagram illustrating a self-switching circuit included in the resonance type boost converter circuit of FIG. 2A.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 공진형 자려 부스트 컨버터 회로의 동작을 나타낸 도면이다. 3A to 3D are diagrams illustrating an operation of a resonance self-supporting boost converter circuit according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 4는 도 3a 내지 도 3d에 나타낸 각 동작 모드 별 파형을 나타낸 도면이다. 4 is a diagram illustrating waveforms for each operation mode illustrated in FIGS. 3A to 3D.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공진형 자려 부스트 컨버터 회로의 일부를 나타낸 도면이다.5 is a diagram illustrating a part of a resonance self-supporting boost converter circuit according to another exemplary embodiment of the present invention.
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KR102311348B1 (en) * | 2020-11-17 | 2021-10-08 | 중앙대학교 산학협력단 | Self-powered mobile phone case using piezoelectric energy harvesting device |
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2009
- 2009-10-29 KR KR1020090103792A patent/KR101022136B1/en not_active IP Right Cessation
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전력전자학회 하계학술대회 논문집 |
전력전자학회논문지 제10권 제3호 |
전력전자학회논문지 제9권 제1호 |
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KR102311348B1 (en) * | 2020-11-17 | 2021-10-08 | 중앙대학교 산학협력단 | Self-powered mobile phone case using piezoelectric energy harvesting device |
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