KR101784486B1 - Rectifier circuit and piezoelectric energy harvester comprising the same - Google Patents

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김용신
윤성진
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고려대학교 산학협력단
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    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators

Abstract

정류 회로가 개시된다. 상기 정류 회로는 입력단에 접속된 제1 스위칭 소자, 상기 스위칭 소자의 출력단에 접속된 인덕터, 상기 인덕터의 출력단과 출력단 사이에 접속된 제2 스위칭 소자, 상기 제1 스위칭 소자의 출력단과 접지 사이에 접속된 제3 스위칭 소자, 및 상기 인덕터의 출력단과 접지 사이에 접속된 제4 스위칭 소자를 포함한다.
정류 회로.A rectifying circuit is started. The rectifying circuit includes a first switching element connected to an input terminal, an inductor connected to an output terminal of the switching element, a second switching element connected between an output terminal and an output terminal of the inductor, a second switching element connected between the output terminal of the first switching element and the ground And a fourth switching element connected between the output terminal of the inductor and ground.
Rectifier circuit.

Description

정류 회로 및 이를 포함하는 압전 에너지 하베스터{RECTIFIER CIRCUIT AND PIEZOELECTRIC ENERGY HARVESTER COMPRISING THE SAME}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a rectifier circuit and a piezoelectric energy harvester including the rectifier circuit.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 정류 회로 및 이를 포함하는 압전 에너지 하베스터에 관한 것으로, 특히 자가 구동과 출력 전압 제어가 가능한 고효율 정류 회로 및 이를 포함하는 압전 에너지 하베스터에 관한 것이다.The present invention relates to a rectifier circuit and a piezoelectric energy harvester including the rectifier circuit, and more particularly, to a high efficiency rectifier circuit capable of self drive and output voltage control and a piezoelectric energy harvester including the rectifier circuit.

에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술은 태양광 발전, 열전소자의 제벡(Seebeck) 효과를 이용하여 온도 차로부터 전기 에너지를 얻는 열전 발전 및 압전체를 이용하여 주변의 진동이나 충격으로부터 전기 에너지를 얻는 압전 발전으로 나눌 수 있다.Energy harvesting technology is a thermoelectric power generation system that uses solar energy, a Seebeck effect of a thermoelectric element to obtain electrical energy from a temperature difference, and a piezoelectric power generation system .

특히, 압전체를 이용한 에너지 하베스팅 기술은 압전체에 기계적 변형이 인가될 경우, 전기 에너지가 발생하는 효과를 이용하여 주위의 버려지는 힘, 압력, 진동 등의 에너지를 전기 에너지로 변환하여 주는 것을 말한다.In particular, an energy harvesting technique using a piezoelectric body refers to converting energy, such as abandoned force, pressure, and vibration, into electric energy by utilizing the effect of generating electrical energy when a mechanical deformation is applied to the piezoelectric body.

압접체를 이용한 에너지 하베스팅 기술은 작은 진동을 전기 에너지로 변환하는데 용이하며 태양광이 없는 어두운 곳이나 밤에도 발전을 할 수 있는 이점을 가지고 있다. 따라서, 항상 진동이 있거나, 압력이나 힘이 작용하는 곳, 그리고 물의 흐름이 있거나 바람이 부는 곳에서도 사용될 수 있다.The energy harvesting technique using the pressure body is easy to convert small vibration into electric energy and has the advantage of generating electricity in the dark place at night or at night. Therefore, it can be used at all times, where there is vibration, pressure or force, and where there is a flow of water or wind.

압전체를 이용한 에너지 하베스팅 기술은 소자의 사이즈에 따라 매크로 타입의 압전 에너지 하베스터와, MEMS(microelectromechanical system)를 이용한 마이크로 타입의 압전 에너지 하베스터로 구분될 수 있다.The energy harvesting technology using a piezoelectric body can be classified into a macro type piezoelectric energy harvester and a micro type piezoelectric energy harvester using a microelectromechanical system (MEMS) depending on the size of the device.

매크로 타입의 압전 에너지 하베스터의 경우 사람의 움직임이나 자동차의 진동 등과 같이 큰 움직임이나 진동으로부터 에너지를 발전한 후, 충전을 통해 보조 전력으로 사용하거나 대용량 발전을 하는 반면, 마이크로 타입의 압전 에너지 하베스터의 경우는 MEMS 공정을 이용한 박막 형태 등의 초소형 전기기계식 구조를 설계 및 제조함으로써 소량의 진동이나 충격으로부터의 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하여, 센서나 소형 전자기기의 전원으로 이용하게 된다.In the case of a macro-type piezoelectric energy harvester, energy is generated from large movements or vibrations such as human motion or vehicle vibration, and then used as an auxiliary power or a large-capacity power generation by charging. On the other hand, in the case of a micro- By designing and manufacturing a microelectromechanical structure such as a thin film type using a MEMS process, mechanical energy from a small amount of vibration or impact is converted into electrical energy, and the sensor is used as a power source for small electronic devices.

그러나, 종래의 마이크로 타입의 압전 에너지 하베스터의 경우, 미세한 진동으로부터 전력을 얻기 어렵고, 기계적인 에너지를 전기 에너지로 변환하는 효율이 떨어지며, Self-startup이 안되거나 출력 전압 제어가 어려운 문제점이 있다.However, in the case of a conventional micro-type piezoelectric energy harvester, it is difficult to obtain electric power from fine vibration, the efficiency of converting mechanical energy into electric energy is low, self-startup is not performed, or output voltage control is difficult.

대한민국 등록특허 제10-1022136호Korean Patent No. 10-1022136

본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 자가 구동과 출력 전압 제어가 가능한 고효율 정류 회로 및 이를 포함하는 압전 에너지 하베스터를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a high-efficiency rectifier circuit capable of self-driving and output voltage control, and a piezoelectric energy harvester including the same.

본 발명의 일 실시 예에 따른 정류 회로는 입력단에 접속된 제1 스위칭 소자, 상기 스위칭 소자의 출력단에 접속된 인덕터, 상기 인덕터의 출력단과 출력단 사이에 접속된 제2 스위칭 소자, 상기 제1 스위칭 소자의 출력단과 접지 사이에 접속된 제3 스위칭 소자, 및 상기 인덕터의 출력단과 접지 사이에 접속된 제4 스위칭 소자를 포함한다.A rectifying circuit according to an embodiment of the present invention includes a first switching device connected to an input terminal, an inductor connected to an output terminal of the switching device, a second switching device connected between an output terminal and an output terminal of the inductor, And a fourth switching element connected between the output terminal of the inductor and the ground.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 압전 에너지 하베스터는 압전 소자 및 상기 정류 회로를 포함하고, 상기 정류 회로는 상기 압전 소자의 출력을 수신하여 정류한다.The piezoelectric energy harvester according to an embodiment of the present invention includes a piezoelectric element and the rectifying circuit, and the rectifying circuit receives and rectifies the output of the piezoelectric element.

본 발명의 실시 예에 따른 정류 회로 및 이를 포함하는 압전 에너지 하베스터에 의할 경우, 셀프 스타트업과 출력 전압의 제어가 가능한 효과가 있다.The rectifier circuit according to the embodiment of the present invention and the piezoelectric energy harvester including the rectifier circuit have the effect of enabling self-start-up and control of the output voltage.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 정류 회로 및 이를 포함하는 압전 에너지 하베스터에 의할 경우, 기계적인 에너지를 전기 에너지로 변환하는 효율이 높은 효과가 있다.In addition, the rectifier circuit according to the embodiment of the present invention and the piezoelectric energy harvester including the rectifier circuit have high efficiency of converting mechanical energy into electric energy.

본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 상세한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 압전 에너지 하베스터를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 압전 에너지 하베스터의 회로도이다.
도 3은 도 1에 도시된 정류 회로의 스테이트를 설명하기 위한 도면으로, 도 3a는 정류 회로의 제1 스테이트를 도시하고, 도 3b는 정류 회로의 제2 스테이트를 도시하고, 도 3c는 정류 회로의 제3 스테이트를 도시하고, 도 3d는 정류 회로의 제4 스테이트를 도시하고, 도 3e는 정류 회로의 제5 스테이트를 도시하고, 도 3f는 압전 소자에 의해 발생하는 전류와 정류 회로의 스테이지에 따른 입력 전압, 인덕터 전류, 출력 전압의 변화를 도시한다.
도 4는 도 1에 도시된 압전 에너지 하베스터의 다른 실시 예를 도시한다.
도 5는 도 1에 도시된 압전 에너지 하베스터의 동작 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 6는 도 1에 도시된 압전 에너지 하베스터로부터 수확되는 에너지를 도시한다.
도 7은 도 1에 도시된 압전 에너지 하베스터의 최대 입력 전력, 시스템 효율, 및 최대 출력 전력을 도시한다.
도 8은 정규화된(normalized) 최대 출력 전력을 도시한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In order to more fully understand the drawings recited in the detailed description of the present invention, a detailed description of each drawing is provided.
1 shows a piezoelectric energy harvester according to an embodiment of the present invention.
2 is a circuit diagram of the piezoelectric energy harvester shown in Fig.
Fig. 3 is a view for explaining the state of the rectifying circuit shown in Fig. 1, wherein Fig. 3a shows the first state of the rectifying circuit, Fig. 3b shows the second state of the rectifying circuit, Fig. 3E shows the fifth state of the rectifying circuit. Fig. 3F shows a state in which the current generated by the piezoelectric element and the current flowing through the stage of the rectifying circuit The inductor current, and the output voltage according to Equation (1).
Fig. 4 shows another embodiment of the piezoelectric energy harvester shown in Fig.
5 is a view for explaining the operation mode of the piezoelectric energy harvester shown in FIG.
FIG. 6 shows the energy harvested from the piezoelectric energy harvester shown in FIG.
FIG. 7 shows the maximum input power, system efficiency, and maximum output power of the piezoelectric energy harvester shown in FIG.
Figure 8 shows the normalized maximum output power.

본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.It is to be understood that the specific structural or functional description of embodiments of the present invention disclosed herein is for illustrative purposes only and is not intended to limit the scope of the inventive concept But may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments set forth herein.

본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.The embodiments according to the concept of the present invention can make various changes and can take various forms, so that the embodiments are illustrated in the drawings and described in detail herein. It should be understood, however, that it is not intended to limit the embodiments according to the concepts of the present invention to the particular forms disclosed, but includes all modifications, equivalents, or alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다.The terms first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The terms may be named for the purpose of distinguishing one element from another, for example, without departing from the scope of the right according to the concept of the present invention, the first element may be referred to as a second element, The component may also be referred to as a first component.

어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between. Other expressions that describe the relationship between components, such as "between" and "between" or "neighboring to" and "directly adjacent to" should be interpreted as well.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there are features, numbers, steps, operations, elements, parts or combinations thereof described herein, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the meaning of the context in the relevant art and, unless explicitly defined herein, are to be interpreted as ideal or overly formal Do not.

이하, 본 명세서에 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings attached hereto.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 압전 에너지 하베스터를 도시한다.1 shows a piezoelectric energy harvester according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 압전 에너지 하베스터(10)는 압전 소자(100)와 정류 회로(300)를 포함한다.Referring to FIG. 1, a piezoelectric energy harvester 10 includes a piezoelectric element 100 and a rectifier circuit 300.

압전 소자(100)는 진동과 같은 기계적인 에너지를 전기 에너지로 변환하여 출력할 수 있으며, 정류 회로(300)는 압전 소자(100)의 출력을 정류하여 부하에(30) 공급할 수 있다. 압전 에너지 하베스터(10)에 포함된 압전 소자(100)의 구조 및 기능은 실시 예에 따라 상이할 수 있으며, 본 발명의 권리범위가 압전 소자(100)의 구조 및 기능 등에 의하여 제한되지 않음은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.The piezoelectric element 100 can convert mechanical energy such as vibration into electrical energy and output it. The rectifier circuit 300 can rectify the output of the piezoelectric element 100 and supply the output to the load. The structure and function of the piezoelectric element 100 included in the piezoelectric energy harvester 10 may vary depending on the embodiment, and the scope of the present invention is not limited by the structure and function of the piezoelectric element 100, And will be apparent to those skilled in the art to which the invention pertains.

도 2는 도 1에 도시된 압전 에너지 하베스터의 회로도이다.2 is a circuit diagram of the piezoelectric energy harvester shown in Fig.

도 1과 도 2를 참조하면, 압전 소자(100)는 입력되는 기계적인 에너지에 대응하는 전류(iPZ)를 생성하는 전류원(110), 캐패시터(CPZ), 및 저항(RPZ)이 출력단과 접지 사이에 병렬로 접속된 등가 회로로 모델링될 수 있다.1 and 2, a piezoelectric device 100 includes a current source 110, a capacitor C PZ , and a resistor R PZ that generate a current i PZ corresponding to input mechanical energy, And an equivalent circuit connected in parallel between the ground and the ground.

정류 회로(300)는 적어도 4 개의 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)와 인덕터(L)를 포함할 수 있다. 구체적으로 정류 회로(300)는 압전 소자(100)의 출력단 또는 정류 회로(300)의 입력단과 접속되는 스위칭 소자(S1), 스위칭 소자(S1)의 출력단과 접속되는 인덕터(L), 인덕터(L)의 출력단과 접속되는 스위칭 소자(S2), 스위칭 소자(S1)의 출력단과 접지 사이에 접속되는 스위칭 소자(S3), 및 인덕터(L)의 출력단과 접지 사이에 접속되는 스위칭 소자(S4)를 포함할 수 있다. 정류 회로(300)는 미리 정해진 5 개의 스테이트(state) 중 하나의 스테이트로 동작할 수 있다. 상기 5 개의 스테이트에 관한 상세한 설명은 후술하기로 한다.The rectifier circuit 300 may include at least four switching elements S 1 , S 2 , S 3 , and S 4 and an inductor L. Specifically, the rectifying circuit 300 includes a switching element S 1 connected to the output terminal of the piezoelectric element 100 or the input terminal of the rectifying circuit 300, an inductor L connected to the output terminal of the switching element S 1 , A switching element S 2 connected between the output terminal of the switching element S 1 and the ground and a switching element S 3 connected between the output terminal of the inductor L and the ground, And a device S 4 . The rectifying circuit 300 can operate in one of five predetermined states. The details of the five states will be described later.

부하(30)는 병렬로 접속된 캐피시터(CL)와 저항(RL)으로 모델링될 수 있다.The load 30 may be modeled as a capacitor C L and a resistor R L connected in parallel.

상술한 정류 회로(300)는 압전 소자(100)의 출력을 정류하는 용도로 설명되었으나, 정류 회로(300)의 용도가 이에 제한되어 이해되어서는 아니 되며, 다양한 실시 예가 가능하다.Although the rectifier circuit 300 described above is used for rectifying the output of the piezoelectric element 100, the application of the rectifier circuit 300 is not limited thereto, and various embodiments are possible.

도 3은 도 1에 도시된 정류 회로의 스테이트를 설명하기 위한 도면으로, 도 3a는 정류 회로의 제1 스테이트를 도시하고, 도 3b는 정류 회로의 제2 스테이트를 도시하고, 도 3c는 정류 회로의 제3 스테이트를 도시하고, 도 3d는 정류 회로의 제4 스테이트를 도시하고, 도 3e는 정류 회로의 제5 스테이트를 도시하고, 도 3f는 압전 소자에 의해 발생하는 전류와 정류 회로의 스테이지에 따른 입력 전압, 인덕터 전류, 출력 전압의 변화를 도시한다. 이하에서 입력 전류(iPZ)의 파형은 정현파(sinusoidal wave)임을 가정한다.Fig. 3 is a view for explaining the state of the rectifying circuit shown in Fig. 1, wherein Fig. 3a shows the first state of the rectifying circuit, Fig. 3b shows the second state of the rectifying circuit, Fig. 3E shows the fifth state of the rectifying circuit. Fig. 3F shows a state in which the current generated by the piezoelectric element and the current flowing through the stage of the rectifying circuit The inductor current, and the output voltage according to Equation (1). Hereinafter, it is assumed that the waveform of the input current (i PZ ) is a sinusoidal wave.

제1 스테이트는 양의 차징 스테이트(positive charging state)로 명명될 수 있다. 제1 스테이트에서 스위칭 소자(S1)와 스위칭 소자(S2) 중 적어도 하나는 턴-오프 상태이고, 스위칭 소자(S3)와 스위칭 소자(S4)는 턴-오프 상태이다. 전류(iPZ)가 양의 값을 갖는 구간 중 적어도 일부 구간, 즉, 도 3f의 t0 부터 t1 까지의 구간 또는 t0' 부터 t1 까지의 구간 동안 정류 회로(300)는 제1 스테이트로 동작할 수 있다. 여기서, t0는 전류(iPZ)가 음의 값에서 양의 값으로 변환되는 시점을 의미할 수 있고, t0'은 t0로부터 소정의 시간이 경과한 시점, 예컨대 t0로부터 제5 스테이트가 수행될 수 있는 시간이 경과한 시점을 의미할 수 있다. 제1 스테이트에 앞서 제5 스테이트가 선행된다면, t0'는 인덕터(L)에 흐르는 전류(IL)가 0이 되는 시점일 수 있다. The first state may be termed a positive charging state. In the first state, at least one of the switching element S 1 and the switching element S 2 is in a turn-off state, and the switching element S 3 and the switching element S 4 are in a turn-off state. Current (i PZ) at least a part region of the interval having a positive value, that is, Fig. 3f of the interval from t 0 to t 1 or t 0 'interval rectifier circuit 300 for from to t 1 is the first state . Here, t 0 is current (i PZ) is and can mean the time that is converted from a negative value to a positive value, t 0 'is the fifth state from the time point, such as t 0 a predetermined time has elapsed from t 0 Can be performed. If prior to the first state is a fifth state prior, t 0 'may be a point in time a current (I L) through the inductor (L) becomes zero.

제1 스테이트로 동작하는 정류 회로(300)로 인하여, 압전 소자(100)에 의해 생성된 전류(iPZ)는 캐패시터(CPZ)를 충전할 수 있다.Due to the rectifying circuit 300 operating in the first state, the current i PZ generated by the piezoelectric element 100 can charge the capacitor C PZ .

제2 스테이트는 하베스팅 스테이트(harvesting state)로 명명될 수 있다. 제2 스테이트에서 스위칭 소자(S1)와 스위칭 소자(S2)는 턴-온 상태이고, 스위칭 소자(S3)와 스위칭 소자(S4)는 턴-오프 상태이다. 압전 소자(100)의 출력 전압(VPZ)이 양의 피크 전압(positive peak voltage)을 갖는 시점이거나 전류(iPZ)의 부호가 바뀌는 시점인 t1 부터 t2 까지의 구간 동안 정류 회로(300)는 제2 스테이트로 동작할 수 있다. t2는 t1보다는 크거나 같고 후술할 t3보다는 작거나 같은 값을 가질 수 있다. 제2 스테이트로 동작하는 정류 회로(300)로 인하여, 압전 소자(100)에 의해 생성되어 캐패시터(CPZ)에 저장된 에너지는 부하(30)로 전달될 수 있다.The second state may be named a harvesting state. In the second state, the switching element S 1 and the switching element S 2 are in the turn-on state, and the switching element S 3 and the switching element S 4 are in the turn-off state. During the period from t 1 to t 2 when the output voltage V PZ of the piezoelectric element 100 has a positive peak voltage or when the sign of the current i PZ changes, May operate in a second state. t 2 may be greater than or equal to t 1 and less than or equal to t 3 described below. Due to the rectifying circuit 300 operating in the second state, the energy generated by the piezoelectric element 100 and stored in the capacitor C PZ can be transferred to the load 30.

제3 스테이트는 프리휠링 스테이트(freewheeling state)로 명명될 수 있다. 제3 스테이트에서 스위칭 소자(S1)와 스위칭 소자(S4)는 턴-오프 상태이고, 스위칭 소자(S2)와 스위칭 소자(S3)는 턴-온 상태이다. t2 부터 t3 까지의 구간 동안 정류 회로(300)는 제3 스테이트로 동작할 수 있다. t3는 인덕터(L)에 흐르는 전류(IL)가 0이 되는 시점을 의미할 수 있다. 제3 스테이트로 동작하는 정류 회로(300)로 인하여, 인덕터(L)에 잔류하는(또는 저장되어 있는) 에너지가 부하(30)로 전달될 수 있다.The third state may be referred to as a freewheeling state. In the third state, the switching element S 1 and the switching element S 4 are in the turn-off state, and the switching element S 2 and the switching element S 3 are in the turn-on state. During the period from t 2 to t 3 , the rectifier circuit 300 can operate in the third state. t 3 can refer to the time the current (I L) through the inductor (L) becomes zero. Energy remaining in (or stored in) the inductor L can be transferred to the load 30 due to the rectifier circuit 300 operating in the third state.

제4 스테이트는 음의 차징 스테이트(negative charging state)로 명명될 수 있다. 이는 제1 스테이트(양의 차징 스테이트)와 극성이 반대인 경우로, 전류(iPZ)가 음의 값을 갖는 구간 중 적어도 일부 구간, 즉, t3 부터 t4 까지의 구간 또는 t2 부터 t4 까지의 구간 동안 정류 회로(300)는 제4 스테이트로 동작할 수 있다. 제4 스테이트로 동작하는 정류 회로(300)로 인하여, 압전 소자(100)에 의해 생성된 전류(iPZ)는 캐패시터(CPZ)를 충전할 수 있다. 이때, t0 부터 t1 까지의 구간 동안 캐패시터(CPZ)에 충전되는 방향과 t2 부터 t4 까지의 구간 동안 캐패시터(CPZ)에 충전되는 방향은 서로 반대될 수 있다.The fourth state may be termed a negative charging state. This is the case where the polarity is opposite to that of the first state (positive charging state), and at least a part of the period in which the current i PZ has a negative value, that is, a period from t 3 to t 4 or t 2 to t The rectifier circuit 300 can operate in the fourth state during the period up to four. Due to the rectifying circuit 300 operating in the fourth state, the current i PZ generated by the piezoelectric element 100 can charge the capacitor C PZ . At this time, the direction in which the capacitor C PZ is charged during the period from t 0 to t 1 and the direction in which the capacitor C PZ is charged during the period from t 2 to t 4 may be opposite to each other.

제5 스테이트는 차지 리버스 스테이트(charge reverse state)로 명명될 수 있다. 제5 스테이트에서 스위칭 소자(S1)와 스위칭 소자(S4)는 턴-온 상태이고, 스위칭 소자(S2)와 스위칭 소자(S3)는 턴-오프 상태이다. 압전 소자(100)의 출력 전압(VPZ)이 음의 피크 전압(negative peak voltage)을 갖는 시점이거나 전류(iPZ)의 부호가 바뀌는 시점인 t4 부터 t5 까지의 구간 동안 정류 회로(300)는 제5 스테이트로 동작할 수 있다. t5는 인덕터 전류(IL)가 0이 되는 시점일 수 있다. 제5 스테이트로 동작하는 정류 회로(300)로 인하여, 인덕터(L)에 잔류하는(또는 저장되어 있는) 에너지가 캐패시터(CPZ)를 충전할 수 있다. t5 시점과 t3 시점은 인덕터 전류(IL)가 0이 되는 시점이나, t3 시점은 인덕터 전류(IL)가 양의 값에서 감소하여 0이 되는 시점인 반면에, t5 시점은 인덕터 전류(IL)가 음의 값에서 증가하여 0이 되는 시점이다.The fifth state may be named charge reverse state. In the fifth state, the switching element S 1 and the switching element S 4 are in the turn-on state, and the switching element S 2 and the switching element S 3 are in the turn-off state. During the period from t 4 to t 5 when the output voltage V PZ of the piezoelectric element 100 has a negative peak voltage or when the sign of the current i PZ changes, May operate in the fifth state. t 5 may be the time when the inductor current (I L ) becomes zero. The energy remaining (or stored) in the inductor L can charge the capacitor C PZ due to the rectifying circuit 300 operating in the fifth state. At t 5 and t 3, the inductor current (I L ) becomes zero at time t 3 , whereas the inductor current (I L ) decreases at a positive value to zero at time t 5 , The inductor current I L increases from a negative value to become zero.

상술한 제1 스테이트 부터 제5 스테이트는 앞서 예시한 전류(iPZ)에 따라 동작하는 정류 회로(300)의 일 예일 뿐이며, 후술하는 동작 모드(mode)에 따라 반복되는 스테이트의 종류와 순서는 달라질 수 있다.The above-described first to fifth states are only examples of the rectifier circuit 300 that operates according to the above-described current (i PZ ), and the types and order of the states repeated according to the operation mode .

도 4는 도 1에 도시된 압전 에너지 하베스터의 다른 실시 예를 도시한다.Fig. 4 shows another embodiment of the piezoelectric energy harvester shown in Fig.

도 4를 참조하면, 정류 회로(300)는 정류부와 리셋부를 포함한다. 실시 예에 따라, 정류 회로(300)는 상기 정류부의 동작과 상기 리셋부의 동작을 제어하는 제어 신호를 생성하는 제어부(310)를 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 4, the rectifying circuit 300 includes a rectifying section and a reset section. According to an embodiment, the rectifying circuit 300 may further include a control unit 310 for generating a control signal for controlling the operation of the rectifying unit and the operation of the reset unit.

상기 정류부는 정류 회로(300)의 입력단에 접속된 스위칭 소자(S1), 스위칭 소자(S1)의 출력단에 접속된 인덕터(L), 인덕터(L)의 출력단과 정류 회로(300)의 출력단 사이에 접속된 스위칭 소자(S2), 스위칭 소자(S1)의 출력단과 접지 사이에 접속된 스위칭 소자(S3), 인덕터(L)의 출력단과 접지 사이에 접속된 스위칭 소자(S4)를 포함한다.The rectifying section includes a switching element S 1 connected to the input terminal of the rectifying circuit 300, an inductor L connected to the output terminal of the switching element S 1 , an output terminal of the inductor L, a switching element connected between the switching device (S 2), the switching device a switching element connected between the output terminal and the ground (S 1) (S 3) , an output terminal and the ground of the inductor (L) connected between the (S 4) .

상기 리셋부는 스위칭 소자(S1)의 출력단과 인덕터(L)의 출력단 사이에 접속된(또는 인덕터(L)와 병렬로 접속된) 리셋 스위칭 소자(SR1), 인덕터(L)의 출력단과 스위칭 소자(S2)의 출력단 사이에 접속된(또는 스위칭 소자(S2)와 병렬로 접속된) 리셋 스위칭 소자(SR2), 및 인덕터(L)의 출력단과 접지 사이에 접속된(또는 스위칭 소자(S3)와 병렬로 접속된) 리셋 스위칭 소자(SR3)를 포함한다. 실시 예에 따라 상기 리셋부는 리셋 스위칭 소자(SR2)와 정류 소자(D1)가 직렬로 접속되어 있고, 이것이 스위칭 소자(S2)와 병렬로 접속된 구조이다. 또한, 리셋 스위칭 소자(SR3)와 정류 소자(D2)가 직렬로 접속되어 있고, 이것이 스위칭 소자(S4)와 병렬로 접속된 구조를 더 포함할 수 있다. 정류 소자(D1)와 정류 소자(D2)는 다이오드(diode)로 구현될 수 있으며, 각각이 출력단에서 입력단으로 전류가 흐르는 것을 방지하거나 출력단 또는 입력단에서 접지로 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.The reset section includes a reset switching element S R1 connected between the output terminal of the switching element S 1 and the output terminal of the inductor L (or connected in parallel with the inductor L), the output terminal of the inductor L, A reset switching element S R2 connected between the output terminal of the element S 2 (or connected in parallel with the switching element S 2 ), and a reset switching element S R2 connected between the output terminal of the inductor L and the ground includes a) a reset switching element (S R3) connected to the (S 3) and in parallel. According to the embodiment, the reset unit is a structure in which the reset switching element S R2 and the rectifying element D 1 are connected in series and the switching element S 2 is connected in parallel. It may further include a structure in which the reset switching element S R3 and the rectifying element D 2 are connected in series and connected to the switching element S 4 in parallel. The rectifying element D 1 and the rectifying element D 2 may be implemented as diodes and each prevent current from flowing from the output terminal to the input terminal or from flowing current from the output terminal or the input terminal to the ground .

제어부(310)는 복수의 스위칭 소자들 각각의 동작을 제어하는 제어 신호를 생성할 수 있다. 제어부(310)는 영전류 감지기(zero current detector, 311), 영전압 감지기(zero voltage detector, 312), 피크전압 감지기(peak voltage detector,313), 가산기(adder, 314), 보상기(compensator, 315), 제1 전압 분배기(voltage divider, 316), 제2 전압 분배기(317), 트리거(trigger, 318), 및 스위치 제어기(switch controller, 319) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The control unit 310 may generate a control signal for controlling the operation of each of the plurality of switching elements. The controller 310 includes a zero current detector 311, a zero voltage detector 312, a peak voltage detector 313, an adder 314, a compensator 315, A first voltage divider 316, a second voltage divider 317, a trigger 318, and a switch controller 319. The first voltage divider 316, the second voltage divider 317,

영전류 감지기(311)는 입력 전류를 모니터링 하여 입력 전류가 "0"이 되는 시점을 감지하여 감지 신호(VZCD)를 출력할 수 있다.The zero current detector 311 monitors the input current to sense the time when the input current becomes "0 " and output the detection signal V ZCD .

영전압 감지기(312)는 입력 전압(VIN) 또는 제1 전압 분배기에 의해 분배된 입력 전압을 수신하고, 수신된 입력 전압이 "0"이 되는 시점을 감지하여 감지 신호(VZVD)를 출력할 수 있다.The zero voltage detector 312 receives the input voltage V IN or the input voltage divided by the first voltage divider, detects the time when the received input voltage becomes "0 ", and outputs the detection signal V ZVD can do.

피크전압 감지기(313)는 입력 전압(VIN)의 피크 전압을 감지하여 감지 신호(VPK)를 출력할 수 있다. 상기 피크 전압은 양의 피크 전압과 음의 피크 전압을 포함하는 개념으로 이해될 수 있다.The peak voltage detector 313 can detect the peak voltage of the input voltage V IN and output the detection signal V PK . The peak voltage can be understood as a concept including a positive peak voltage and a negative peak voltage.

가산기(314)는 출력 전압(VDD) 또는 제2 전압 분배기에 의해 분배된 출력 전압(VF)을 수신하여 합산된 신호를 출력한다. 이때, 가산기에 입력되는 출력 전압(VDD) 또는 분배된 출력 전압(VF)은 반전된 신호이기 때문에 가산기는 기준 전압(VREF)과 출력 전압(VDD)의 차이 또는 기준 전압(VREF)과 분배된 출력 전압(VF)의 차이를 출력할 수 있다.The adder 314 receives the output voltage V DD or the output voltage V F divided by the second voltage divider and outputs the summed signal. At this time, the output voltage (V DD) or the divided output voltage (V F) is input to the adder will be the inverted signal adder is a reference voltage (V REF) and an output voltage (V DD) a difference or a reference voltage (V REF of ) And the divided output voltage (V F ).

보상기(315)는 가산기(314)의 출력 신호를 입력받고, 스위칭 소자들을 제어하기 위한 제어 신호(VCON)를 출력할 수 있다. 실시 예에 따라, 보상기(315)는 스위치 제어기(319)에 포함되는 구성으로 구현될 수도 있다. 이 경우, 스위치 제어기(319)는 가산기(314)의 출력 신호를 입력받아 스위칭 소자들을 제어하기 위한 제어 신호를 출력할 수 있다.The compensator 315 receives the output signal of the adder 314 and can output a control signal V CON for controlling the switching elements. Depending on the embodiment, the compensator 315 may be implemented in a configuration included in the switch controller 319. [ In this case, the switch controller 319 receives the output signal of the adder 314 and can output a control signal for controlling the switching elements.

제1 전압 분배기(316)는 입력 전압(VIN)을 미리 정해진 비율에 따라 분배하여 분배된 전압을 출력하고, 제2 전압 분배기(317)는 출력 전압(VDD)을 미리 정해진 비율에 따라 분배하여 분배된 전압(VF)을 출력할 수 있다.The first voltage divider 316 divides the input voltage V IN according to a predetermined ratio to output the divided voltage and the second voltage divider 317 divides the output voltage V DD according to a predetermined ratio So as to output the divided voltage V F.

트리거(318)는 출력 전압(VDD)을 모니터링하여, 출력 전압(VDD)이 미리 정해진 전압 값 보다 크거나 같아지는 경우, 논리 상태가 변이된 리셋 신호(RST)를 출력할 수 있다. 리셋 신호(RST)는 트리거(318)로부터 출력되어 리셋 스위칭 소자(SR1, SR2, SR3)로 전달되거나, 스위치 제어기(319)를 경유하여 리셋 스위칭 소자(SR1, SR2, SR3)로 전달될 수 있다. 실시 예에 따라, 트리거(318)는 스위치 제어기(319)에 포함되는 구성으로 구현될 수도 있다. 이 경우, 스위치 제어기(319)는 출력 전압(VDD) 값에 대응되는 논리 상태를 갖는 리셋 신호(RST)를 출력할 수 있다.Trigger 318 can output the output voltage when the monitor (V DD), the output voltage (V DD) which is greater than or equal to a predetermined voltage value, the logic state variations reset signal (RST). The reset signal RST is output from the trigger 318 and is transferred to the reset switching elements S R1 , S R2 and S R3 via the switch controller 319 or the reset switching elements S R1 , S R2 , S R3 ). ≪ / RTI > Depending on the embodiment, the trigger 318 may be implemented in a configuration included in the switch controller 319. [ In this case, the switch controller 319 can output the reset signal RST having the logic state corresponding to the output voltage (V DD ) value.

스위치 제어기(319)는 스위칭 소자들 각각의 동작을 제어하는 제어 신호를 출력할 수 있다. 스위치 제어기(319)로부터 출력되는 제어 신호에 따라 정류 회로(300)는 제1 스테이트 내지 제5 스테이트 중 어느 하나의 스테이지로 동작하거나, 초기 상태로 동작할 수 있다.The switch controller 319 may output a control signal for controlling the operation of each of the switching elements. The rectifier circuit 300 may operate in any one of the first state to the fifth state or operate in the initial state in accordance with the control signal output from the switch controller 319. [

상기 초기 상태는 압전 에너지 하베스터(10)의 초기 구동(start up)을 위한 상태를 의미할 수 있다. 상기 초기 상태에서, 스위칭 소자(S1, SR1, SR2, SR3)는 턴-온 상태이고, 스위칭 소자(S2, S3, S4)는 턴-오프 상태이다. 이 경우, 정류 회로(300)는 배전압 정류기(voltage doubler rectifier)로 동작하게 된다. The initial state may be a state for starting up the piezoelectric energy harvester 10. In the initial state, the switching elements S 1 , S R1 , S R2 , and S R3 are in a turn-on state, and the switching elements S 2 , S 3 , and S 4 are in a turn-off state. In this case, the rectifier circuit 300 operates as a voltage doubler rectifier.

이때, 출력 전압(VDD)이 일정 전압에 도달하면 트리거는 논리 "하이" 상태의 리셋 신호를 출력함으로써 초기 상태가 종료되고, 정류 회로(300)는 제1 스테이트 내지 제5 스테이트 중 어느 하나의 상태로 동작하게 된다. 즉, 리셋 스위칭 소자(SR1, SR2, SR3)는 초기 상태에서만 턴-온되며, 초기 상태가 아닌 동작 상태에서는 턴-오프된다.At this time, when the output voltage V DD reaches a certain voltage, the trigger outputs a reset signal of a logic "high" state to terminate the initial state, and the rectifying circuit 300 is turned off . That is, the reset switching elements S R1 , S R2 , and S R3 are turned on only in the initial state, and are turned off in the non-initial state.

인덕터(L)를 제외한 정류 회로(300)의 구성은 하나의 칩으로 구현될 수 있다.The configuration of the rectifier circuit 300 except for the inductor L may be realized by one chip.

도 5는 도 1에 도시된 압전 에너지 하베스터의 동작 모드를 설명하기 위한 도면이다.5 is a view for explaining the operation mode of the piezoelectric energy harvester shown in FIG.

초기 상태가 경과된 후 압전 에너지 하베스터(10)는 제1 모드 내지 제4 모드 중 어느 하나의 모드로 동작할 수 있으며, 각 모드 별로 반복되는 스테이트의 종류와 순서는 상이할 수 있다.After the initial state has elapsed, the piezoelectric energy harvester 10 may operate in one of the first mode to the fourth mode, and the types and order of the repeated states may be different for each mode.

우선, 출력 전력(POUT)은 출력 전압(VOUT)에 따라 달라지는데, 그 값이 최대 출력 전력(max(POUT))이고 출력 전압(VOUT)이 임계 출력 전압(VOUT,crit=iPZT/2CPZ)보다 같거나 작은 경우, 압전 에너지 하베스터(10)는 제1 모드로 동작할 수 있다. 임계 출력 전압(VOUT,crit)은 생성되는 전류(iPZ)에 의해 결정될 수 있다. 상기 제1 모드에서 정류 회로(300)는 제1 스테이트, 제2 스테이트, 제4 스테이트 및 제5 스테이트 순으로 동작할 수 있다. First, the output power (P OUT) is varies depending on the output voltage (V OUT), its value is the maximum output power (max (P OUT)) and the output voltage (V OUT) is the critical output voltage (V OUT, crit = i PZ T / 2C PZ ), the piezoelectric energy harvester 10 can operate in the first mode. The critical output voltage (V OUT, crit ) can be determined by the generated current (i PZ ). In the first mode, the rectifier circuit 300 may operate in the order of the first state, the second state, the fourth state, and the fifth state.

출력 전력(POUT)이 최대 출력 전력(max(POUT))이고 출력 전압(VOUT)이 임계 출력 전압(VOUT,crit)보다 크거나 같은 경우, 압전 에너지 하베스터(10)는 제2 모드로 동작할 수 있다. 상기 제2 모드에서 정류 회로(300)는 제1 스테이트, 제2 스테이트, 제5 스테이트, 제4 스테이트 및 제5 스테이트 순으로 동작할 수 있다.The output power (P OUT) is the maximum output power (max (P OUT)) and the output voltage (V OUT) the threshold output voltage, if greater than or equal to (V OUT, crit), piezoelectric energy harvester 10 is the second mode, . In the second mode, the rectifier circuit 300 may operate in the order of the first state, the second state, the fifth state, the fourth state, and the fifth state.

출력 전력(POUT)이 최대 출력 전력(max(POUT))보다 작고 출력 전압(VOUT)이 임계 출력 전압(VOUT,crit)보다 작거나 같은 경우, 압전 에너지 하베스터(10)는 제3 모드로 동작할 수 있다. 상기 제3 모드에서 정류 회로(300)는 제1 스테이트, 제2 스테이트, 제3 스테이트, 제4 스테이트 및 제5 스테이트 순으로 동작할 수 있다.When the output power P OUT is less than the maximum output power max P OUT and the output voltage V OUT is less than or equal to the threshold output voltage V OUT, crit , the piezoelectric energy harvester 10 generates the third Mode. In the third mode, the rectifier circuit 300 can operate in the order of the first state, the second state, the third state, the fourth state, and the fifth state.

출력 전력(POUT)이 최대 출력 전력(max(POUT))보다 작고 출력 전압(VOUT)이 임계 출력 전압(VOUT,crit)보다 크거나 같은 경우, 압전 에너지 하베스터(10)는 제4 모드로 동작할 수 있다. 상기 제4 모드에서 정류 회로(300)는 제1 스테이트, 제2 스테이트, 제3 스테이트, 제5 스테이트, 제4 스테이트 및 제5 스테이트 순으로 동작할 수 있다.When the output power P OUT is less than the maximum output power max P OUT and the output voltage V OUT is greater than or equal to the threshold output voltage V OUT, crit , the piezoelectric energy harvester 10 generates the fourth Mode. In the fourth mode, the rectifier circuit 300 may operate in the order of the first state, the second state, the third state, the fifth state, the fourth state, and the fifth state.

도 6는 도 1에 도시된 압전 에너지 하베스터로부터 수확되는 에너지를 도시한다.FIG. 6 shows the energy harvested from the piezoelectric energy harvester shown in FIG.

도 6에는 본 발명에 의한 압전 에너지 하베스터, rectifier-free 구조를 이용한 압전 에너지 하베스터, 및 switch rectifier를 이용한 압전 에너지 하베스터 각각의 출력 전압(VOUT)에 따른 에너지를 도시하고 있다. FIG. 6 shows the energy according to the output voltage (V OUT ) of the piezoelectric energy harvester according to the present invention, the piezoelectric energy harvester using the rectifier-free structure, and the piezoelectric energy harvester using the switch rectifier.

시뮬레이션은 압전 소자(100)의 전류원에 의해 생성되는 전류의 피크값(iPZ,peak)은 36㎂, 주파수(fPZ)는 143㎐의 조건 하에서 수행되었다.In the simulation, the peak value (i PZ, peak ) of the current generated by the current source of the piezoelectric element 100 was 36 A, and the frequency (f PZ ) was 143 Hz.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의할 경우, 기존의 switch rectifier r구조의 압전 에너지 하베스터 대비 최소 100배 이상의 에너지를 수확할 수 있음을 알 수 있다.As shown in FIG. 6, it can be seen that at least 100 times more energy than the piezoelectric energy harvester of the conventional switch rectifier structure can be harvested according to the present invention.

도 7은 도 1에 도시된 압전 에너지 하베스터의 최대 입력 전력, 시스템 효율, 및 최대 출력 전력을 도시하고, 도 8은 정규화된(normalized) 최대 출력 전력을 도시한다. 최대 출력 전력은 최대 입력 전력과 시스템 효율의 곱으로 나타낼 수 있다.Fig. 7 shows the maximum input power, system efficiency, and maximum output power of the piezoelectric energy harvester shown in Fig. 1, and Fig. 8 shows the normalized maximum output power. The maximum output power can be expressed as the product of the maximum input power and the system efficiency.

도 7과 도 8을 참조하면, 출력 전압(VOUT)이 4 V 이하에서 압전 에너지 하베스터(10)의 시스템 효율이 낮음에도 불구하고, rectifier-free 구조를 이용한 압전 에너지 하베스터와 switch rectifier를 이용한 압전 에너지 하베스터 대비 높은 최대 입력 전력으로 인하여 높은 최대 출력 전력을 나타냄을 알 수 있다. 즉, 최대 입력 전력의 경우 종래 기술 대비 10 배에 가까운 수치를 나타내며, 최대 출력 전력의 경우 rectifier-free 구조 대비 최대 400%의 출력 전력을 얻을 수 있음을 알 수 있다.7 and 8, although the system efficiency of the piezoelectric energy harvester 10 is low at an output voltage (V OUT ) of 4 V or less, a piezoelectric energy harvester using a rectifier-free structure and a piezoelectric resonator using a switch rectifier It can be seen that the maximum output power is higher due to the higher maximum input power than the energy harvester. That is, the maximum input power is about 10 times as high as the conventional technology, and the maximum output power is 400% of the rectifier-free structure.

시뮬레이션은 압전 소자(100)의 전류원에 의해 생성되는 전류의 피크값(iPZ,peak)은 36㎂, 주파수(fPZ)는 143㎐의 조건 하에서 수행되었다.In the simulation, the peak value (i PZ, peak ) of the current generated by the current source of the piezoelectric element 100 was 36 A, and the frequency (f PZ ) was 143 Hz.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is evident that many alternatives, modifications and variations will be apparent to those skilled in the art. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

10 : 압전 에너지 하베스터
30 : 부하
100 : 압전 소자
300 : 정류 회로10: Piezoelectric energy harvester
30: Load
100: piezoelectric element
300: rectifier circuit

Claims (9)

전류원, 캐패시터 및 저항이 병렬로 접속된 등가 회로로 모델링되는 압전 소자와 상기 압전 소자의 출력을 수신하여 정류하는 정류 회로를 포함하는 압전 에너지 하베스터에 있어서,
상기 정류 회로는,
입력단에 접속된 제1 스위칭 소자;
상기 제1 스위칭 소자의 출력단에 접속된 인덕터;
상기 인덕터의 출력단과 출력단 사이에 접속된 제2 스위칭 소자;
상기 제1 스위칭 소자의 출력단과 접지 사이에 접속된 제3 스위칭 소자; 및
상기 인덕터의 출력단과 접지 사이에 접속된 제4 스위칭 소자를 포함하고,
상기 정류 회로는 제1 스테이트, 제2 스테이트, 제3 스테이트, 제4 스테이트 및 제5 스테이트 순으로 동작하고,
상기 제1 스테이트와 상기 제4 스테이트는 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자 중 적어도 하나는 턴 오프 상태이고 상기 제3 스위칭 소자는 턴 오프 상태이고 상기 제4 스위칭 소자는 턴 오프 상태이고,
상기 제2 스테이트는 상기 제1 스위칭 소자는 턴 온 상태이고 상기 제2 스위칭 소자는 턴 온 상태이고 상기 제3 스위칭 소자는 턴 오프 상태이고 상기 제4 스위칭 소자는 턴 오프 상태이고,
상기 제3 스테이트는 상기 제1 스위칭 소자는 턴 오프 상태이고 상기 제2 스위칭 소자는 턴 온 상태이고 상기 제3 스위칭 소자는 턴 온 상태이고 상기 제4 스위칭 소자는 턴 오프 상태이고,
상기 제5 스테이트는 상기 제1 스위칭 소자는 턴 온 상태이고 상기 제2 스위칭 소자는 턴 오프 상태이고 상기 제3 스위칭 소자는 턴 오프 상태이고 상기 제4 스위칭 소자는 턴 온 상태인,
압전 에너지 하베스터.
A piezoelectric energy harvester including a piezoelectric element modeled by an equivalent circuit in which a current source, a capacitor, and a resistor are connected in parallel, and a rectifier circuit for receiving and rectifying the output of the piezoelectric element,
The rectifying circuit includes:
A first switching element connected to an input terminal;
An inductor connected to an output terminal of the first switching device;
A second switching element connected between an output terminal and an output terminal of the inductor;
A third switching device connected between the output terminal of the first switching device and the ground; And
And a fourth switching element connected between the output terminal of the inductor and ground,
The rectification circuit operates in the order of the first state, the second state, the third state, the fourth state, and the fifth state,
Wherein at least one of the first switching element and the second switching element is in a turned off state, the third switching element is in a turned off state and the fourth switching element is in a turned off state,
The second state is a state in which the first switching element is turned on, the second switching element is turned on, the third switching element is turned off, the fourth switching element is turned off,
Wherein the third state is a state in which the first switching element is in a turn-off state, the second switching element is in a turn-on state, the third switching element is in a turn-on state and the fourth switching element is in a turn-
Wherein the fifth state is a state in which the first switching element is turned on, the second switching element is turned off, the third switching element is turned off, and the fourth switching element is turned on,
Piezoelectric energy harvester.
제1항에 있어서,
상기 제1 스위칭 소자 내지 상기 제4 스위칭 소자 각각은 입력되는 제어 신호에 응답하여 턴 온(turn on)되거나 턴 오프(turn off)되는,
압전 에너지 하베스터.
The method according to claim 1,
Wherein each of the first to fourth switching elements is turned on or turned off in response to an input control signal,
Piezoelectric energy harvester.
전류원, 캐패시터 및 저항이 병렬로 접속된 등가 회로로 모델링되는 압전 소자와 상기 압전 소자의 출력을 수신하여 정류하는 정류 회로를 포함하는 압전 에너지 하베스터에 있어서,
상기 정류 회로는,
입력단에 접속된 제1 스위칭 소자;
상기 제1 스위칭 소자의 출력단에 접속된 인덕터;
상기 인덕터의 출력단과 출력단 사이에 접속된 제2 스위칭 소자;
상기 제1 스위칭 소자의 출력단과 접지 사이에 접속된 제3 스위칭 소자; 및
상기 인덕터의 출력단과 접지 사이에 접속된 제4 스위칭 소자를 포함하고,
상기 정류 회로는 제1 스테이트, 제2 스테이트, 제4 스테이트 및 제5 스테이트 순으로 동작하고,
상기 제1 스테이트와 상기 제4 스테이트는 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자 중 적어도 하나는 턴 오프 상태이고 상기 제3 스위칭 소자는 턴 오프 상태이고 상기 제4 스위칭 소자는 턴 오프 상태이고,
상기 제2 스테이트는 상기 제1 스위칭 소자는 턴 온 상태이고 상기 제2 스위칭 소자는 턴 온 상태이고 상기 제3 스위칭 소자는 턴 오프 상태이고 상기 제4 스위칭 소자는 턴 오프 상태이고,
상기 제5 스테이트는 상기 제1 스위칭 소자는 턴 온 상태이고 상기 제2 스위칭 소자는 턴 오프 상태이고 상기 제3 스위칭 소자는 턴 오프 상태이고 상기 제4 스위칭 소자는 턴 온 상태인,
압전 에너지 하베스터.
A piezoelectric energy harvester including a piezoelectric element modeled by an equivalent circuit in which a current source, a capacitor, and a resistor are connected in parallel, and a rectifier circuit for receiving and rectifying the output of the piezoelectric element,
The rectifying circuit includes:
A first switching element connected to an input terminal;
An inductor connected to an output terminal of the first switching device;
A second switching element connected between an output terminal and an output terminal of the inductor;
A third switching device connected between the output terminal of the first switching device and the ground; And
And a fourth switching element connected between the output terminal of the inductor and ground,
The rectification circuit operates in the order of the first state, the second state, the fourth state, and the fifth state,
Wherein at least one of the first switching element and the second switching element is in a turned off state, the third switching element is in a turned off state and the fourth switching element is in a turned off state,
The second state is a state in which the first switching element is turned on, the second switching element is turned on, the third switching element is turned off, the fourth switching element is turned off,
Wherein the fifth state is a state in which the first switching element is turned on, the second switching element is turned off, the third switching element is turned off, and the fourth switching element is turned on,
Piezoelectric energy harvester.
전류원, 캐패시터 및 저항이 병렬로 접속된 등가 회로로 모델링되는 압전 소자와 상기 압전 소자의 출력을 수신하여 정류하는 정류 회로를 포함하는 압전 에너지 하베스터에 있어서,
상기 정류 회로는,
입력단에 접속된 제1 스위칭 소자;
상기 제1 스위칭 소자의 출력단에 접속된 인덕터;
상기 인덕터의 출력단과 출력단 사이에 접속된 제2 스위칭 소자;
상기 제1 스위칭 소자의 출력단과 접지 사이에 접속된 제3 스위칭 소자; 및
상기 인덕터의 출력단과 접지 사이에 접속된 제4 스위칭 소자를 포함하고,
상기 정류 회로는 제1 스테이트, 제2 스테이트, 제5 스테이트, 제4 스테이트 및 상기 제5 스테이트 순으로 동작하고,
상기 제1 스테이트와 상기 제4 스테이트는 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자 중 적어도 하나는 턴 오프 상태이고 상기 제3 스위칭 소자는 턴 오프 상태이고 상기 제4 스위칭 소자는 턴 오프 상태이고,
상기 제2 스테이트는 상기 제1 스위칭 소자는 턴 온 상태이고 상기 제2 스위칭 소자는 턴 온 상태이고 상기 제3 스위칭 소자는 턴 오프 상태이고 상기 제4 스위칭 소자는 턴 오프 상태이고,
상기 제5 스테이트는 상기 제1 스위칭 소자는 턴 온 상태이고 상기 제2 스위칭 소자는 턴 오프 상태이고 상기 제3 스위칭 소자는 턴 오프 상태이고 상기 제4 스위칭 소자는 턴 온 상태인,
압전 에너지 하베스터.
A piezoelectric energy harvester including a piezoelectric element modeled by an equivalent circuit in which a current source, a capacitor, and a resistor are connected in parallel, and a rectifier circuit for receiving and rectifying the output of the piezoelectric element,
The rectifying circuit includes:
A first switching element connected to an input terminal;
An inductor connected to an output terminal of the first switching device;
A second switching element connected between an output terminal and an output terminal of the inductor;
A third switching device connected between the output terminal of the first switching device and the ground; And
And a fourth switching element connected between the output terminal of the inductor and ground,
Wherein the rectifying circuit operates in the order of a first state, a second state, a fifth state, a fourth state and a fifth state,
Wherein at least one of the first switching element and the second switching element is in a turned off state, the third switching element is in a turned off state and the fourth switching element is in a turned off state,
The second state is a state in which the first switching element is turned on, the second switching element is turned on, the third switching element is turned off, the fourth switching element is turned off,
Wherein the fifth state is a state in which the first switching element is turned on, the second switching element is turned off, the third switching element is turned off, and the fourth switching element is turned on,
Piezoelectric energy harvester.
전류원, 캐패시터 및 저항이 병렬로 접속된 등가 회로로 모델링되는 압전 소자와 상기 압전 소자의 출력을 수신하여 정류하는 정류 회로를 포함하는 압전 에너지 하베스터에 있어서,
상기 정류 회로는,
입력단에 접속된 제1 스위칭 소자;
상기 제1 스위칭 소자의 출력단에 접속된 인덕터;
상기 인덕터의 출력단과 출력단 사이에 접속된 제2 스위칭 소자;
상기 제1 스위칭 소자의 출력단과 접지 사이에 접속된 제3 스위칭 소자; 및
상기 인덕터의 출력단과 접지 사이에 접속된 제4 스위칭 소자를 포함하고,
상기 정류 회로는 제1 스테이트, 제2 스테이트, 제3 스테이트, 제5 스테이트, 제4 스테이트 및 상기 제5 스테이트 순으로 동작하고,
상기 제1 스테이트와 상기 제4 스테이트는 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자 중 적어도 하나는 턴 오프 상태이고 상기 제3 스위칭 소자는 턴 오프 상태이고 상기 제4 스위칭 소자는 턴 오프 상태이고,
상기 제2 스테이트는 상기 제1 스위칭 소자는 턴 온 상태이고 상기 제2 스위칭 소자는 턴 온 상태이고 상기 제3 스위칭 소자는 턴 오프 상태이고 상기 제4 스위칭 소자는 턴 오프 상태이고,
상기 제3 스테이트는 상기 제1 스위칭 소자는 턴 오프 상태이고 상기 제2 스위칭 소자는 턴 온 상태이고 상기 제3 스위칭 소자는 턴 온 상태이고 상기 제4 스위칭 소자는 턴 오프 상태이고,
상기 제5 스테이트는 상기 제1 스위칭 소자는 턴 온 상태이고 상기 제2 스위칭 소자는 턴 오프 상태이고 상기 제3 스위칭 소자는 턴 오프 상태이고 상기 제4 스위칭 소자는 턴 온 상태인,
압전 에너지 하베스터.
A piezoelectric energy harvester including a piezoelectric element modeled by an equivalent circuit in which a current source, a capacitor, and a resistor are connected in parallel, and a rectifier circuit for receiving and rectifying the output of the piezoelectric element,
The rectifying circuit includes:
A first switching element connected to an input terminal;
An inductor connected to an output terminal of the first switching device;
A second switching element connected between an output terminal and an output terminal of the inductor;
A third switching device connected between the output terminal of the first switching device and the ground; And
And a fourth switching element connected between the output terminal of the inductor and ground,
The rectification circuit operates in the order of the first state, the second state, the third state, the fifth state, the fourth state, and the fifth state,
Wherein at least one of the first switching element and the second switching element is in a turned off state, the third switching element is in a turned off state and the fourth switching element is in a turned off state,
The second state is a state in which the first switching element is turned on, the second switching element is turned on, the third switching element is turned off, the fourth switching element is turned off,
Wherein the third state is a state in which the first switching element is in a turn-off state, the second switching element is in a turn-on state, the third switching element is in a turn-on state and the fourth switching element is in a turn-
Wherein the fifth state is a state in which the first switching element is turned on, the second switching element is turned off, the third switching element is turned off, and the fourth switching element is turned on,
Piezoelectric energy harvester.
삭제delete 삭제delete 압전 소자; 및
상기 압전 소자의 출력을 수신하여 정류하는 정류 회로를 포함하고,
상기 정류 회로는,
입력단에 접속된 제1 스위칭 소자;
상기 제1 스위칭 소자의 출력단에 접속된 인덕터;
상기 인덕터의 출력단과 출력단 사이에 접속된 제2 스위칭 소자;
상기 제1 스위칭 소자의 출력단과 접지 사이에 접속된 제3 스위칭 소자;
상기 인덕터의 출력단과 접지 사이에 접속된 제4 스위칭 소자; 및
리셋부를 포함하고,
상기 리셋부는,
상기 인덕터와 병렬로 접속된 제1 리셋 스위칭 소자;
상기 제2 스위칭 소자와 병렬로 접속된 제2 리셋 스위칭 소자와 제1 정류 소자; 및
상기 제4 스위칭 소자와 병렬로 접속된 제3 리셋 스위칭 소자와 제2 정류 소자를 포함하는,
압전 에너지 하베스터.
A piezoelectric element; And
And a rectifying circuit for receiving and rectifying the output of the piezoelectric element,
The rectifying circuit includes:
A first switching element connected to an input terminal;
An inductor connected to an output terminal of the first switching device;
A second switching element connected between an output terminal and an output terminal of the inductor;
A third switching device connected between the output terminal of the first switching device and the ground;
A fourth switching element connected between an output terminal of the inductor and ground; And
And a reset unit,
Wherein the reset unit comprises:
A first reset switching element connected in parallel with the inductor;
A second reset switching element and a first rectifying element connected in parallel with the second switching element; And
And a third reset switching element and a second rectifying element connected in parallel with the fourth switching element,
Piezoelectric energy harvester.
제8항에 있어서,
상기 정류 회로는 각각이 상기 제1 스위칭 소자 내지 상기 제4 스위칭 소자와 상기 제1 리셋 스위칭 소자 내지 상기 제3 리셋 스위칭 소자의 동작을 제어하는 제어 신호들을 출력하는 제어부를 더 포함하는,
압전 에너지 하베스터.
9. The method of claim 8,
Wherein the rectifying circuit further comprises a control section for outputting control signals for controlling operations of the first to fourth switching elements and the first to third reset switching elements, respectively,
Piezoelectric energy harvester.
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