KR101359136B1 - 변화에 둔감한 최대전력점추적을 이용한 열 에너지 하베스팅 제어 장치 및 방법 - Google Patents

변화에 둔감한 최대전력점추적을 이용한 열 에너지 하베스팅 제어 장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101359136B1
KR101359136B1 KR1020120030575A KR20120030575A KR101359136B1 KR 101359136 B1 KR101359136 B1 KR 101359136B1 KR 1020120030575 A KR1020120030575 A KR 1020120030575A KR 20120030575 A KR20120030575 A KR 20120030575A KR 101359136 B1 KR101359136 B1 KR 101359136B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
voltage
converter
input
thermoelectric element
during
Prior art date
Application number
KR1020120030575A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20130108818A (ko
Inventor
김철우
김정문
Original Assignee
고려대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 고려대학교 산학협력단 filed Critical 고려대학교 산학협력단
Priority to KR1020120030575A priority Critical patent/KR101359136B1/ko
Publication of KR20130108818A publication Critical patent/KR20130108818A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101359136B1 publication Critical patent/KR101359136B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/66—Regulating electric power
    • G05F1/67—Regulating electric power to the maximum power available from a generator, e.g. from solar cell
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/14—Arrangements for reducing ripples from dc input or output
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/06—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N11/00—Generators or motors not provided for elsewhere; Alleged perpetua mobilia obtained by electric or magnetic means
    • H02N11/002—Generators

Abstract

변화에 둔감한 최대전력점추적을 이용한 열 에너지 하베스팅 제어 장치 및 방법이 제공된다. 상기 제어 장치는 열전소자가 DC-DC 컨버터의 입력에 전류를 공급하지 않는 제1 시간 구간 동안, 상기 열전소자의 오픈 전압을 미리 지정된 수준으로 강하한 제1 전압을 생성하는 변환기, 상기 열전소자가 상기 DC-DC 컨버터의 입력에 전류를 공급하는 제2 시간 구간 동안, 상기 DC-DC 컨버터의 입력 전압을 상기 제1 전압과 비교하는 비교기, 및 상기 비교 결과에 따라 상기 DC-DC 컨버터의 입력 전압을 조정하는 스위치 제어를 수행하는 스위치 제어부를 포함한다.

Description

변화에 둔감한 최대전력점추적을 이용한 열 에너지 하베스팅 제어 장치 및 방법{Thermal Energy Harvesting Apparatus using Variation Tolerant Maximum Power Point Tracking}
열 에너지 하베스팅을 위해서 사용되는 DC-DC 컨버터의 제어 장치 및 방법에 연관되며, 더욱 상세하게는 열 에너지 하베스팅 과정에서 프로세스, 전압, 온도 등의 각종 변화에 둔감하며 정확하게 동작하는 열 에너지 하베스팅 장치의 제어 장치 및 방법에 연관된다.
본 발명의 실시예들은 교육과학기술부의 재원으로 한국과학재단의 지원을 받아 수행된 연구로부터 도출된 것이다. [과제관리번호: ROA-2007-000-20059-0]
최근 부각되는 에너지 하베스팅 장치들은 의료용 센서, 자동차 센서, 스마트 빌딩 등과 같은 다양한 어플리케이션에 적용되고 있다. 열 에너지를 활용하는 장치는 심지어 체온을 전기로 변환하여 각종 전기 장치에 공급하기도 한다.
일반적으로 열전 발전기(thermoelectric generator, 이하 TEG라 함)의 출력 전압은 TEG 양면의 온도 차이와 비례한다. TEG에서 공급되는 작은 전압은 부스트 DC-DC 컨버터에 의해서 가용 전압으로 변환될 수 있다. TEG는 자체 특성 곡선을 가지며 TEG로부터 최대의 전력을 추출하여 변환시키기 위해서는 TEG와 부스트 DC-DC 컨버터가 연결되는 노드(node)의 임피던스(impedance)를 조절하여 최대전력을 생산하는 최대전력점추적(maximum power point tracking, 이하 MPPT라 함) 기술이 정확하게 적용되어야 한다.
그런데 최대전력점추적에 있어서, 종래의 기술은 특정 수식에 의하여 결정되는 고정 클록 신호를 사용하는 방식으로 DC-DC 컨버터의 입력 임피던스를 조절하여, 온도 차이 ΔT에 따라 변화하는 TEG의 내부저항의 변화나 DC-DC 컨버터에서 사용되는 인덕터의 값의 오차에 효율적으로 대응하지 못하였다.
따라서, 온도의 변화에 따라 변화하는 TEG의 내부저항이나 DC-DC 컨버터의 인덕터 값의 오차 등의 요인에 능동적으로 대응하여 TEG와 DC-DC 컨버터 간의 임피던스를 정확히 조절하는 제어 장치가 요구된다.
열 에너지 하베스팅 장치에서 각종 변화에 둔감하고 높은 정확도를 가지는 최대전력점 추적을 수행하는 제어 장치 및 방법이 제공된다.
온도의 변화에 따라 변화하는 TEG의 내부저항, DC-DC 컨버터의 인덕터 값의 오차 등의 각종 변인에 영향을 받지 않고, DC-DC 컨버터가 TEG로부터 최대의 전력을 전달받도록 할 수 있는 제어 장치 및 방법이 제공된다.
본 발명의 일측에 따르면, 열전소자가 DC-DC 컨버터의 입력에 공급하지 않는 제1 시간 구간 동안 상기 열전소자의 오픈 전압을 미리 지정된 수준으로 강하한 제1 전압을 생성하는 변환기, 상기 열전소자가 상기 DC-DC 컨버터의 입력에 전류를 공급하는 제2 시간 구간 동안 상기 DC-DC 컨버터의 입력 전압을 상기 제1 전압과 비교하는 비교기, 및 상기 비교 결과에 따라 상기 DC-DC 컨버터의 입력 전압을 조정하는 스위치 제어를 수행하는 스위치 제어부를 포함하는 제어 장치가 제공된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 제어 장치는, 상기 제2 시간 구간 동안 상기 DC-DC 컨버터의 입력 전압 신호에 섞인 리플노이즈를 제거하여 상기 DC-DC 컨버터의 입력 전압의 평균값을 구하는 저역통과여과기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어 장치는, 상기 비교기의 출력에 따라 조절된 제2 전압을 생성하는 전하펌프 및 상기 전하 펌프로부터 입력받은 제2 전압을 기반으로 DC-DC 컨버터의 스위치 제어를 위한 클록신호를 생성하는 전압제어오실레이터를 더 포함할 수도 있다.
이 경우, 상기 전하 펌프는, 상기 비교기의 출력과 관련하여 상기 제1 전압이 상기 DC-DC 컨버터의 입력 전압보다 큰 경우에는 상기 제2 전압을 증가시키고, 상기 비교기의 출력과 관련하여 상기 제1 전압이 상기 DC-DC 컨버터의 입력 전압보다 작은 경우에는 상기 제2 전압을 감소시키도록 할 수 있다.
본 발명의 다른 일측에 따르면, 열전소자가 DC-DC 컨버터의 입력에 전류를 공급하지 않는 제1 시간 구간 동안 상기 열전소자의 오픈 전압을 미리 지정된 수준으로 강하한 제1 전압을 생성하는 단계, 상기 열전소자가 상기 DC-DC 컨버터의 입력에 전류를 공급하는 제2 시간 구간 동안 상기 DC-DC 컨버터의 입력 전압을 상기 제1 전압과 비교하는 단계, 및 상기 비교 결과에 따라 상기 DC-DC 컨버터의 입력 전압을 조정하는 스위치 제어를 수행하는 단계를 포함하는 제어 방법이 제공된다.
여기서 상기 제어방법은, 상기 제2 시간 구간 동안 상기 DC-DC 컨버터의 입력 전압 신호에 섞인 리플노이즈를 제거하여 상기 DC-DC 컨버터의 입력 전압의 평균값을 구하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 제어 방법은, 상기 비교 결과에 따라 조절된 제2 전압을 생성하는 단계, 및 상기 전하펌프로부터 입력받은 제2 전압을 기반으로 스위치 제어를 위한 클록신호를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 온도의 변화에 따라 변화하는 TEG의 내부저항, DC-DC 컨버터의 인덕터 값의 오차 등의 각종 변인에 영향을 받지 않고 정확하게 TEG로부터 최대의 전력을 변환하여 공급할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열 에너지 하베스팅 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 제어장치의 기본구성에 대한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 확장된 제어 장치를 도시하는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 5는 열전소자의 모델링된 등가회로이다.
도 6은 열전소자의 모델링된 등가회로가 나타낼 수 있는 특성 곡선이다.
도 7은 열전소자의 내부저항 RT가 열전소자의 양단에 걸리는 온도 차이 (ΔT)에 따라서 변화하는 것을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터와 제어 장치의 블록도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 DC-DC 컨버터 및 제어장치에 대한 입력전압과 그에 따른 주요 신호들에 대한 파형을 나타낸다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 이때 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 본 발명의 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
명세서 전체에서 제1 시간 구간은 열전소자가 DC-DC 컨버터의 입력에 전력을 공급하지 않는 시간을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서 제2 시간 구간은 열전소자가 DC-DC 컨버터의 입력에 전력을 공급하는 시간을 의미하며, 상기 제1 시간 구간과는 180도의 위상 차이를 가진다. 상기 제1 시간 구간 및 제2 시간 구간은 스위치 또는 기타 장치에 의한 입력신호에 의해 구분된다.
명세서 전체에서 제1 전압은 상기 제1 시간 구간 동안 열전소자의 오픈 전압을 미리 지정된 수준으로 변환한 값을 말하고, 제2 전압은 상기 제2 시간 구간 동안 제1 전압과 DC-DC 컨버터의 입력 전압을 비교하여 얻은 출력에 의하여 조절된 전압값을 말한다. 상기 제2 전압은 DC-DC 컨버터의 스위치를 제어하는 데 이용된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열 에너지 하베스팅 장치의 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열 에너지 하베스팅 장치는 열전소자(110)로부터 전달된 전압을 원하는 값으로 변환하는 DC-DC 컨버터(120) 및 상기 DC-DC 컨버터가 열전소자로부터 최대의 전력을 전달받도록 제어하는 제어 장치(100)로 구성된다.
열전소자(110)의 출력전압은 DC-DC 컨버터(120) 및 제어 장치(100)에 입력된다. 이 때 상기 입력은 적어도 하나의 스위치 또는 기타 장치에 의하여 이루어질 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 제어 장치(100)의 기본 구성에 대한 블록도이다. 상기 제어 장치(100)는 변환기(210), 비교기(220) 및 스위치 제어부(230)로 구성될 수 있다.
상기 변환기(210)는 열전소자(110)가 DC-DC 컨버터(120)의 입력에 전류를 공급하지 않는 제1 시간 구간 동안, 상기 열전소자(110)의 오픈 전압을 미리 지정된 수준으로 강하한 제1 전압을 생성한다.
상기 미리 지정된 수준은 상기 열전소자(110)의 오픈 전압의 절반 수준으로 설정할 수 있으며, 이를 통해 DC-DC 컨버터(120)의 입력 임피던스를 조절하여 상기 열전소자(110)의 내부저항과 같게 함으로써 최대전력점에서의 동작을 유도할 수 있다. 상기 미리 지정된 수준은 설계자의 의도에 따라 특정 수치로의 변환으로 설정할 수도 있다.
상기 비교기(220)는 열전소자(110)가 DC-DC 컨버터(120)의 입력에 전류를 공급하는 제2 시간 구간 동안, 상기 DC-DC 컨버터(120)의 입력 전압을 상기 변환기(210)를 통해 생성된 상기 제1 전압과 비교한다.
상기 스위치 제어부(230)는 상기 비교기(220)의 비교 결과에 따라 생성되는 클록 신호를 이용하여 상기 DC-DC 컨버터(120)의 입력 전압을 조정하는 스위치 제어를 수행한다. 상기 DC-DC 컨버터(120)는 상기 스위치 제어부(230)의 제어를 통해 열전소자(110)로부터 최대의 전력을 전달받을 수 있도록 입력 전압의 신호가 조절된다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 확장된 제어장치(100)를 도시하는 블록도로서, 상기 도 2의 제어 장치의 기본 구성세분화된 제어 장치(100)다.
상기 확정된 제어장치(100)는 도 2의 기본 구성에 저역통과여과기(240), 전하 펌프(250) 및 전압제어오실레이터(260)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 저역통과여과기(240)는 열전소자(110)가 DC-DC 컨버터(120)의 입력에 전류를 공급하는 제2 시간 구간 동안, 상기 DC-DC 컨버터(120)의 입력 전압 신호에 섞인 고주파 리플 노이즈를 제거하여 상기 DC-DC 컨버터(120)의 입력 전압의 평균값을 취득한다.
상기 전하 펌프(250)는 상기 비교기(220)의 출력에 따라 조절된 제2 전압을 생성한다. 상기 전하 펌프(250)는 상기 비교기(220)의 출력과 관련하여 상기 제1 전압이 상기 DC-DC 컨버터(120)의 입력 전압보다 큰 경우에는 상기 제2 전압을 증가시키지만, 상기 제1 전압이 상기 DC-DC 컨버터(120)의 입력 전압보다 작은 경우에는 상기 제2 전압을 감소시켜 생성하여 상기 전압제어오실레이터(260)로 전송한다.
상기 전압제어오실레이터(260)는 상기 전하 펌프(250)로부터 입력받은 제2 전압을 기반으로 DC-DC 컨버터의 스위치 제어를 위한 클록신호를 생성한다.
상기 클록신호는 상기 스위치 제어부(230)로 전달되어 DC-DC 컨버터(120)의 스위치를 제어하는 데 이용된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 방법을 도시하는 흐름도이다.
단계(410)에서 열전소자가 DC-DC 컨버터의 입력에 전류를 공급하지 않는 제1 시간 구간 동안, 상기 열전소자의 오픈 전압을 미리 지정된 수준으로 강하한 제1 전압을 생성한다. 상기 미리 지정된 수준은 상기 열전소자(110)의 오픈 전압의 절반 수준으로 설정할 수 있으며, 이 경우 DC-DC 컨버터(120)의 입력 임피던스를 조절하여 상기 열전소자(110)의 내부저항과 같게 함으로써 최대전력점추적을 능동적으로 제어할 수 있다. 상기 미리 지정된 수준은 설계자의 의도에 따라 특정 수치로의 변환으로 설정할 수도 있다.
단계(420)에서 상기 열전소자(110)가 상기 DC-DC 컨버터(120)의 입력에 전류를 공급하는 제2 시간 구간 동안, 상기 DC-DC 컨버터(120)의 입력 전압 신호에 섞인 고주파 리플 노이즈를 제거하여 상기 DC-DC 컨버터(120)의 입력 전압의 평균값을 취득한다.
단계(430)에서 상기 제2 시간 구간 동안, 상기 DC-DC 컨버터(120)의 입력 전압을 상기 제1 전압과 비교한다.
만약 단계(440)에서 단계(430)의 비교 결과, 상기 제1 전압이 상기 DC-DC 컨버터(120)의 입력 전압보다 큰 경우에는 단계(450)에서 전하 펌프(250)가 상기 제2 전압을 증가시킨다. 반면에, 단계(430)의 비교 결과, 상기 제1 전압이 상기 DC-DC 컨버터(120)의 입력 전압보다 작은 경우에는 단계(460)에서 전하 펌프(250)가 상기 제2 전압을 감소시킨다.
상기 단계(450, 460)에 따라 조절된 상기 제2 전압은, 단계(470)에서 생성하여 전압제어오실레이터(260)로 전달된다.
단계(480)에서 상기 전압제어오실레이터(260)로 전달된 제2 전압을 기반으로 DC-DC 컨버터(120)의 스위치를 제어하기 위한 클록신호를 생성한다. 상기 클록신호는 스위치 제어부(230)로 전달되어 DC-DC 컨버터(120)가 열전소자(110)로부터 입력받는 입력 전압을 조정하는데 이용된다.
단계(490)에서 상기 DC-DC 컨버터(120)의 입력 전압을 조정하는 스위치 제어를 수행한다. 상기 스위치 제어를 통해 DC-DC 컨버터(120)가 열전소자(110)로부터 최대의 전력을 전달받을 수 있도록 입력 전압의 신호가 조절된다.
도 5는 열전소자의 모델링된 등가회로를 나타낸 것이다.
개방회로전압(open-circuit voltage)인 VT는 열전소자의 양단에 걸리는 온도 차이 ΔT와 비례하는 전압 값을 가진다. VT는 내부저항 RT를 거쳐 VTH의 출력 전압으로 나타난다.
도 5에 도시된 열전소자의 모델링된 등가회로의 내부 등가 저항은 열전소자의 양단에 걸리는 온도 차이에 따라 함께 변화하며, 이로 인해 열전소자로부터 최대전력점을 추적하여 최대 전력을 변환하는 데 어려움이 있었다. 이에 대한 설명은 도 7에서 후술한다.
도 6은 열전소자의 모델링된 등가회로가 나타낼 수 있는 특성 곡선이다. 도 5에서 VTH를 통해 흐르는 출력 전류 ITH는 점선으로 표현되어 있으며, 열전소자의 출력단에서 나타나는 전압(VTH)과 전류(ITH)에 따른 전력(VTH＊ITH)은 실선으로 표현되어 있다. 열전소자는 VTH가 열전소자의 오픈 전압인 VT의 1/2인 값이 될 때, 최대 전력점(maximum power point)에서 동작을 하게 되며 최대전력점을 성취할 수 있다. 즉 최대전력점성취는 열전소자의 출력단인 VTH와 연결되는 DC-DC 컨버터의 입력 임피던스를 조절하여 RT와 같게 될 때 성취가 가능하다.
도 7은 열전소자의 내부저항 RT가 열전소자의 양단에 걸리는 온도 차이 (ΔT)에 따라서 변화하는 것을 나타낸 그래프이다.
이상적인 경우에는 RT1과 같이 일정한 값을 가져야 한다. 그러나 실제적인 경우에는 열전소자의 양단에 걸리는 온도 차이에 따라 내부저항도 함께 변화하면서, RT2와 같이 설계 시에 고려된 값과 큰 차이를 가질 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터와 제어장치의 블록도이다.
입력 전압을 미리 지정된 수준으로 변환하는 변환기, 입력 전압의 평균값을 구하는 저역통과여과기, 상기 변환기와 저역통과여과기의 출력값들을 비교하는 비교기, 상기 비교기의 출력에 따라 조절된 바이어스 전압을 생성하는 전하 펌프, 상기 전하 펌프의 바이어스 전압에 따라 클록 신호를 조절하는 전압제어오실레이터(Voltage-Controlled Oscillator), 상기 전압제어오실레이터가 생성하는 클록 신호를 입력받아 상기 DC-DC 컨버터의 스위치를 제어하는 스위치 제어부를 포함하고, 상기 전압제어오실레이터의 클록 신호는 상기 DC-DC 컨버터가 열전소자로부터 최대의 전력을 전달받도록 조절된다.
열전소자의 출력 전압(VTH)은 스위치S1을 통하여 DC-DC 변환기에 입력된다. 스위치 S1은 주기적으로 짧은 시간 동안 개방되며, 이 때 VTH는 열전소자의 오픈 전압(VT)이 되고 제어 장치는 이를 감지하여 최대전력점 추적에 활용한다.
도8의 스위치 중 S1과 S3는 같은 동작을 하며 제어되고, S2는 S1 및 S3와 180도의 위상 차이를 가지고 동작한다. 스위치 S1과 S3가 닫혀있는 시간(제2 시간 구간)은 스위치 S2가 닫혀있는 시간(제1 시간 구간)에 비하여 매우 긴 시간이며, S2가 닫혀 있는 매우 짧은 시간 동안 1/2변환기는 VTH가 가지는 VT(오픈 전압) 값을 VT /2의 값으로 변환한다. 이는 앞서 도 6에 나타난 바와 같이 최대전력점 추적을 성취하기 위해서는 열전소자의 출력전압은 최대전력점인 VT/2의 값을 가져야 하기 때문이다. 상기 1/2변환기는 설계자의 의도에 따라 다른 수치로의 변환값을 유도하는 변환기로 대체할 수도 있다.
스위치 S1과 S3가 닫혀 있는 제2 시간 구간 동안 VTH가 갖는 전압은 리플노이즈를 가지므로, 이는 저역통과여과기를 이용하여 평균값을 취득한다. 1/2변환기의 출력인 VTH_HF와 저역통과여과기의 출력인 VTH3은 비교기에 의하여 비교된다. 전하 펌프는 상기 비교기의 출력을 입력 받아 VTH_HF가 VTH_3보다 큰 경우에는 VVCO를 증가시키고, VTH_HF가 VTH_3보다 작은 경우에는 VVCO를 감소시킨다. 전압제어오실레이터(VCO)는 전하 펌프의 출력인 VVCO에 의하여 제어되는 클록 신호인 CLK을 생성한다. 스위치 제어부는 상기 CLK 신호를 이용하여 DC-DC 컨버터의 스위치를 제어한다. 이와 같은 CLK 신호의 주파수 조절 동작을 통하여 DC-DC 컨버터의 입력 임피던스가 조절되며, VTH는 VT/2의 값을 갖게 되어 최대전력점추적이 성취될 수 있다.
기존의 기술은 이러한 능동형 제어 기술을 사용하지 않고 다음과 같은 식에 의해서 결정되는 고정 클록 주파수를 사용하였다.
Figure 112012024027518-pat00001
상기 수학식 1에서, RT는 열전소자의 내부 등가저항이며, L은 DC-DC 변환기에서 사용되는 인덕터의 값이다. RT는 도 7과 같이 온도 차이(ΔT)에 의해서 변화되며, L은 일반적으로 20%의 오차를 갖는다.
따라서 위의 식을 이용한 주파수를 사용할 경우 ΔT와 L에 의해서 큰 변화를 겪게 된다. 더욱이 내부 클록 생성기의 실제 주파수는 일반적으로 설계 시 의도한 주파수 값과 100% 이상의 큰 차이를 보일 수 있으므로 정확한 최대전력점추적은 고정 주파수를 이용하는 기존의 방법으로 결코 성취될 수 없었다.
그러나, 제안된 본 기술을 이용한 열전소자와 DC-DC 컨버터 간의 임피던스를 정확히 조절하는 방법을 통해 보다 효율적으로 최대전력점추적을 성취할 수 있다.
도 9는 도 8의 기능에 따른 DC-DC 컨버터 및 제어장치에 대한 입력전압과 그에 따른 주요 신호들에 대한 파형을 나타낸 것이다.
스위치 S1은 주기적으로 짧은 시간 동안 OFF가 되며 이때 VTH는 VT(오픈 전압)이 된다. 이 때의 VTH는 제어 장치를 통하여 감지가 되어 DC-DC 컨버터의 클록 신호 조절에 이용된다. VIN은 이러한 조절 과정을 통하여 VT/2의 값을 갖게 되어 최대 전력점에 위치하게 된다.
본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 제어 장치
110: 열전소자
120: DC-DC 컨버터
210: 변환기
220: 비교기
230: 스위치 제어부
240: 저역통과여과기
250: 전하 펌프
260: 전압제어오실레이터(VCO)

Claims (13)

  1. 열전소자가 DC-DC 컨버터의 입력에 전류를 공급하지 않는 제1 시간 구간 동안, 상기 열전소자의 오픈 전압을 미리 지정된 수준으로 강하한 제1 전압을 생성하는 변환기;
    상기 열전소자가 상기 DC-DC 컨버터의 입력에 전류를 공급하는 제2 시간 구간 동안, 상기 DC-DC 컨버터의 입력 전압을 상기 제1 전압과 비교하는 비교기; 및
    상기 비교 결과에 따라 상기 DC-DC 컨버터의 입력 전압을 조정하는 스위치 제어를 수행하는 스위치 제어부
    를 포함하는 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미리 지정된 수준은 상기 오픈 전압의 절반 수준인 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 시간 구간 동안, 상기 DC-DC 컨버터의 입력 전압 신호에 섞인 리플노이즈를 제거하여 상기 DC-DC 컨버터의 입력 전압의 평균값을 구하는 저역통과여과기
    를 더 포함하는 제어 장치
  4. 제3항에 있어서,
    상기 비교기의 출력에 따라 조절된 제2 전압을 생성하는 전하 펌프; 및
    상기 전하 펌프로부터 입력받은 제2 전압을 기반으로 DC-DC 컨버터의 스위치 제어를 위한 클록신호를 생성하는 전압제어오실레이터
    를 더 포함하는 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전하 펌프는,
    상기 비교기의 출력과 관련하여 상기 제1 전압이 상기 DC-DC 컨버터의 입력 전압보다 큰 경우에는 상기 제2 전압을 증가시키는 제어 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 전하 펌프는,
    상기 비교기의 출력과 관련하여 상기 제1 전압이 상기 DC-DC 컨버터의 입력 전압보다 작은 경우에는 상기 제2 전압을 감소시키는 제어 장치.
  7. 열전소자가 DC-DC 컨버터의 입력에 전류를 공급하지 않는 제1 시간 구간 동안, 상기 열전소자의 오픈 전압을 미리 지정된 수준으로 강하한 제1 전압을 생성하는 단계;
    상기 열전소자가 상기 DC-DC 컨버터의 입력에 전류를 공급하는 제2 시간 구간 동안, 상기 DC-DC 컨버터의 입력 전압을 상기 제1 전압과 비교하는 단계; 및
    상기 비교 결과에 따라 상기 DC-DC 컨버터의 입력 전압을 조정하는 스위치 제어를 수행하는 단계
    를 포함하는 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 미리 지정된 수준은 상기 오픈 전압의 절반 수준인 제어 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제2 시간 구간 동안, 상기 DC-DC 컨버터의 입력 전압 신호에 섞인 리플노이즈를 제거하여 상기 DC-DC 컨버터의 입력 전압의 평균값을 구하는 단계
    를 더 포함하는 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 비교 결과에 따라 조절된 제2 전압을 생성하는 단계; 및
    상기 제2 전압을 기반으로 스위치 제어를 위한 클록 신호를 생성하는 단계
    를 더 포함하는 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 비교 결과에 따라 조절된 제2 전압을 생성하는 단계는,
    상기 제1 전압이 상기 DC-DC 컨버터의 입력 전압보다 큰 경우에는 상기 제2 전압을 증가시키는 제어 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 비교 결과에 따라 조절된 제2 전압을 생성하는 단계는,
    상기 제1 전압이 상기 DC-DC 컨버터의 입력 전압보다 작은 경우에는 상기 제2 전압을 감소시키는 제어 방법.
  13. 제7항 내지 제12항 중 어느 한 항의 제어방법을 수행하는 프로그램을 수록한 컴퓨터 판독 가능 기록매체.
KR1020120030575A 2012-03-26 2012-03-26 변화에 둔감한 최대전력점추적을 이용한 열 에너지 하베스팅 제어 장치 및 방법 KR101359136B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120030575A KR101359136B1 (ko) 2012-03-26 2012-03-26 변화에 둔감한 최대전력점추적을 이용한 열 에너지 하베스팅 제어 장치 및 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120030575A KR101359136B1 (ko) 2012-03-26 2012-03-26 변화에 둔감한 최대전력점추적을 이용한 열 에너지 하베스팅 제어 장치 및 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130108818A KR20130108818A (ko) 2013-10-07
KR101359136B1 true KR101359136B1 (ko) 2014-02-07

Family

ID=49631371

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120030575A KR101359136B1 (ko) 2012-03-26 2012-03-26 변화에 둔감한 최대전력점추적을 이용한 열 에너지 하베스팅 제어 장치 및 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101359136B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210045273A (ko) * 2019-10-16 2021-04-26 한국전자통신연구원 최대 전력점 추적 효율 측정 시스템 및 방법

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101815859B1 (ko) 2017-01-04 2018-01-08 한국과학기술원 전원 제어 장치
KR101916595B1 (ko) * 2017-06-30 2019-01-30 서울시립대학교 산학협력단 무클럭 최대전력점 구동장치
KR101938679B1 (ko) * 2017-10-17 2019-04-10 고려대학교 산학협력단 에너지 하베스팅 장치의 출력 전압을 변환하는 장치 및 그 방법
KR102198601B1 (ko) * 2019-04-12 2021-01-05 김창선 열전 발전기 제어 장치
KR20240007524A (ko) 2022-07-08 2024-01-16 고려대학교 산학협력단 선형 보간 동작 기반의 최대 출력점 추적 기술을 이용한 하베스팅 소자용 전자 장치

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009195067A (ja) 2008-02-15 2009-08-27 Toyota Motor Corp 熱発電装置
KR20100130627A (ko) * 2008-04-02 2010-12-13 인피니트 파워 솔루션스, 인크. 에너지 수확과 관련된 에너지 저장 장치를 위한 수동적인 과전압/부족전압 제어 및 보호
KR20110028713A (ko) * 2009-09-14 2011-03-22 한국전자통신연구원 에너지 및 전력관리 집적회로 장치
JP2011058502A (ja) 2004-12-07 2011-03-24 Denso Corp 熱発電装置、電源制御装置、及びその電力管理方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011058502A (ja) 2004-12-07 2011-03-24 Denso Corp 熱発電装置、電源制御装置、及びその電力管理方法
JP2009195067A (ja) 2008-02-15 2009-08-27 Toyota Motor Corp 熱発電装置
KR20100130627A (ko) * 2008-04-02 2010-12-13 인피니트 파워 솔루션스, 인크. 에너지 수확과 관련된 에너지 저장 장치를 위한 수동적인 과전압/부족전압 제어 및 보호
KR20110028713A (ko) * 2009-09-14 2011-03-22 한국전자통신연구원 에너지 및 전력관리 집적회로 장치

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210045273A (ko) * 2019-10-16 2021-04-26 한국전자통신연구원 최대 전력점 추적 효율 측정 시스템 및 방법
KR102460984B1 (ko) * 2019-10-16 2022-11-01 한국전자통신연구원 최대 전력점 추적 효율 측정 시스템 및 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20130108818A (ko) 2013-10-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2695288B1 (en) Power supply controller
KR101359136B1 (ko) 변화에 둔감한 최대전력점추적을 이용한 열 에너지 하베스팅 제어 장치 및 방법
JP4056780B2 (ja) 不定周波数の切換調整器を位相ロックループと同期させるための回路および方法
Tsai et al. A Fast-Transient Quasi-V $^{\bf 2} $ Switching Buck Regulator Using AOT Control With a Load Current Correction (LCC) Technique
JP6024188B2 (ja) 電源装置の制御回路
EP2804302B1 (en) Adaptive low-power zero-cross comparator for discontinuous current mode operated switching mode power supply
JP6416033B2 (ja) 熱発電装置
CN103036274B (zh) 具有升压能力的电池充电调制器
JP2007143384A (ja) 電力コンバータ
Wen et al. Analysis and comparison of frequency stabilization loops in self-oscillating current mode DC–DC converters
Cervera et al. Resonant switched-capacitor voltage regulator with ideal transient response
KR20150059113A (ko) 입력 전류 제어 방법, 입력 전류 제어 방법을 이용한 스위치 제어 회로, 및 이를 포함하는 전력 공급 장치
JP2015536634A (ja) ブーストコンバータ制御
US20170302172A1 (en) A voltage regulator module using a load-side auxiliary gyrator circuit
TW200843311A (en) Apparatus and methods for improving the transient response capability of a switching power supply
Cortés et al. Improved transient response of controllers by synchronizing the modulator with the load step: Application to v2ic
US8901910B2 (en) System and method of predictive current feedback for switched mode regulators
Roy et al. Input filter-based ripple injection for mitigating limit cycling in buck converters driving CPL
CN104038043B (zh) Pfc转换器的电源管理ic、控制方法、检测器及方法
US11038414B1 (en) Switching power converter frequency optimization techniques
Straka Multi-mode near minimum deviation controller IC for high frequency switch-mode power supplies
Dallago et al. Modelling of DC-DC converter based on a piezoelectric transformer and its control loop
Joo et al. Method for Transient Behavior Modeling of a Multiphase Voltage Regulator Module for End-to-End Power Integrity Simulation
Dai et al. A fast hysteresis control strategy based on capacitor charging and discharging
Goeppert et al. Area constrained multi-source power management for thermoelectric energy harvesting

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170109

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180108

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190114

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200120

Year of fee payment: 7