KR101905586B1 - 최대 전력 추출 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 따른 최대 전력 추출 장치는 전지, 복수의 저항 중 선택된 저항에 따라 상기 전지로부터 출력되는 제 1 전력의 크기를 조절하는, 그리고 상기 선택된 저항에 따라 상기 제 1 전력의 크기가 조절되는 동작 전압 및 기준 전압 간의 크기 차이에 따른 비교 신호를 발생하는 전압 제어부, 상기 전지와 부하 사이에 연결되고, 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호에 응답하여 상기 비교 신호의 크기 차이에 따른 상기 동작 전압의 크기를 조절하는 스위칭부, 상기 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호를 발생하여 상기 비교 신호에 따른 상기 동작 전압 및 상기 기준 전압 간의 크기를 소정 오차 범위 내로 줄이는 스위칭 제어부, 상기 비교 신호가 상기 소정 오차 범위 내로 줄어들었을 경우, 상기 제 1 또는 제 2 스위칭 제어 신호가 발생한 수를 소정 시간 동안 카운트한 제 1 동작 횟수를 측정하는 최대 전력 제어부를 포함하되, 상기 최대 전력 제어부는 상기 제 1 동작 횟수와 내부적으로 저장된 상기 동작 전압에 따른 상기 부하에서의 최대 전력의 크기를 카운터한 제 2 동작 횟수를 비교하며, 비교 결과에 따라 상기 복수의 저항에 대한 선택을 변경하는 선택 신호를 발생하여 상기 제 1 전력의 크기를 조절한다.

Description

최대 전력 추출 장치{APPARATUS OF TRACKING MAXIMUM POWER}
본 발명은 최대 전력 추출 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전류의 크기를 나타내는 동작 횟수를 이용하여 최대 전력을 추출하는 최대 전력 추출 장치에 관한 것이다.
태양 에너지는 신재생 에너지원 중 가장 많은 전력을 생성할 수 있다. 이에 따라, 현재 태양 에너지에 관해 다양한 개발이 이루어지고 있다. 특히, 태양 에너지를 모아 전기 에너지로 변환하는 태양 전지에 관해 다양한 개발이 이루어지고 있다.
태양 전지는 태양광의 세기 또는 빛의 각도 등에 따라 생성되는 에너지량이 달라지는 특성을 가진다. 외부에서 주어진 조건인 태양광의 세기는 인위적으로 바꿀 수 없는 요소이다. 그리고 태양광의 빛의 각도는 태양 전지의 방향을 변환하여 조절이 가능하지만, 방향을 변환하는 과정에서 많은 전력이 소모된다.
또한, 태양 전지에서 생성되는 전력의 크기를 결정짓는 출력 전압은 전력을 제어하는 장치를 통해 쉽게 조절이 가능하다. 다시 말해, 출력 전력은 출력 전압의 조절로 인해 조절될 수 있다. 이에 따라, 태양 전지에서 최대의 전력을 추출하기 위해서는 출력 전압을 조절하는 것이 필수적이다.
태양 전지로부터 최대의 전력을 추출하기 위하여 DC-DC 변환기를 이용하여 전압과 전류를 제어하는 방법이 있다. 그러나, 최대의 전력을 추출하기 위해 전압계 및 전류계가 포함된 장치는 다양한 디지털 신호가 발생함에 따라 구성이 복잡해지는 문제점이 발생한다.
따라서, 본 발명은 상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로, 전류계 및 전압계와 같은 복잡한 구성 없이 최대 전력을 추출할 수 있는 최대 전력 추출 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 최대 전력 추출 장치는 전지, 복수의 저항 중 선택된 저항에 따라 상기 전지로부터 출력되는 제 1 전력의 크기를 조절하는, 그리고 상기 선택된 저항에 따라 상기 제 1 전력의 크기가 조절되는 동작 전압 및 기준 전압 간의 크기 차이에 따른 비교 신호를 발생하는 전압 제어부, 상기 전지와 부하 사이에 연결되고, 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호에 응답하여 상기 비교 신호의 크기 차이에 따른 상기 동작 전압의 크기를 조절하는 스위칭부, 상기 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호를 발생하여 상기 비교 신호에 따른 상기 동작 전압 및 상기 기준 전압 간의 크기를 소정 오차 범위 내로 줄이는 스위칭 제어부, 상기 비교 신호가 상기 소정 오차 범위 내로 줄어들었을 경우, 상기 제 1 또는 제 2 스위칭 제어 신호가 발생한 수를 소정 시간 동안 카운트한 제 1 동작 횟수를 측정하는 최대 전력 제어부를 포함하되, 상기 최대 전력 제어부는 상기 제 1 동작 횟수와 내부적으로 저장된 상기 동작 전압에 따른 상기 부하에서의 최대 전력의 크기를 카운터한 제 2 동작 횟수를 비교하며, 비교 결과에 따라 상기 복수의 저항에 대한 선택을 변경하는 선택 신호를 발생하여 상기 제 1 전력의 크기를 조절한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 최대 전력 추출 장치는 전지, 복수의 저항 중 선택된 저항에 따라 상기 전지로부터 출력되는 제 1 전력의 크기를 조절하는, 그리고 상기 선택된 저항에 따라 상기 제 1 전력의 크기가 조절되는 동작 전압 및 기준 전압 간의 크기 차이에 따른 비교 신호를 발생하는 전압 제어부, 상기 전지와 부하 사이에 연결되고, 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호에 응답하여 상기 비교 신호의 크기 차이에 따른 상기 동작 전압의 크기를 조절하는 스위칭부, 상기 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호를 발생하여 상기 비교 신호에 따른 상기 동작 전압 및 상기 기준 전압 간의 크기를 소정 오차 범위 내로 줄이는 스위칭 제어부, 상기 비교 신호가 상기 소정 오차 범위 내로 줄어들었을 경우, 상기 제 1 또는 제 2 스위칭 제어 신호가 발생한 수를 카운트한 동작 횟수 및 상기 동작 전압을 곱셈 연산한 제 1 전력의 크기를 저장하는 최대 전력 제어부를 포함하되, 최대 전력 제어부는 상기 제 1 전력의 크기와 가장 최근에 곱셈 연산을 수행한 제 2 전력의 크기를 비교하며, 비교된 결과에 따라 상기 복수의 저항에 대한 선택을 변경하는 선택 신호를 발생한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 최대 전력 추출 장치는 전압계 및 전류계와 같은 구성이 필요 없기 때문에 제작 과정이 보다 간편해 질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 최대 전력 추출 장치에 관한 블록도를 보여준다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 동작 전압 변화에 따라 달라지는 전류-전압의 그래프를 보여준다.
도 3은 도 2에 도시된 각 동작 전압에 따른 동작 횟수에 대한 전류 파형을 보여준다.
도 4는 도 1에 도시된 최대 전력 추출 장치의 동작을 보여주는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 다른 최대 전력 추출 장치에 관한 블록도를 보여준다.
도 6은 도 5에 도시된 최대 전력 추출 장치의 동작을 보여주는 순서도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 동일한 구성 요소들은 동일한 참조번호를 이용하여 인용될 것이다. 유사한 구성 요소들은 유사한 참조번호들을 이용하여 인용될 것이다. 아래에서 설명될 본 발명에 따른 최대 전력 추출 장치와, 그것에 의해 수행되는 동작은 예를 들어 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 최대 전력 추출 장치에 관한 블록도를 보여준다. 도 1을 참조하면, 최대 전력 추출 장치(100)는 태양 전지(110), 전압 제어부(120), 스위칭부(130), 스위칭 제어부(140), 최대 전력 제어부(150), 및 부하(160)를 포함한다.
태양 전지(110)는 태양으로부터 태양 에너지를 수신한다. 그리고 태양 전지(110)는 수신된 태양 에너지를 전기 에너지의 형태로 변환한다. 이처럼, 태양 전지(110)는 수신된 태양 에너지를 전기 에너지의 형태인 제 1 전력으로써 변환하고, 변환된 제 1 전력을 스위칭부(130)로 전달한다.
여기서, 태양 에너지의 크기는 인위적으로 바꿀 수 없는 요소이다. 다만, 빛의 각도를 조절하여 태양 에너지의 크기를 조절하는 방법이 있지만, 이는 많은 전력이 소모된다. 이에 따라, 태양 전지(110)의 출력 전력에 대한 크기를 조절하는 방식으로, 태양 전지(110)의 출력 전압 이용하여 출력 전력의 크기를 조절하는 방식이 주로 사용되고 있다.
전압 제어부(120)는 복수의 저항(R1~Rn), 멀티 플렉서(121), 기준 전압 발생기(122), 및 비교기(123)를 포함한다. 이와 같은 전압 제어부(120)는 동작 전압(Vn)을 이용하여 태양 전지(110)로부터 발생된 제 1 전력의 크기를 조절할 수 있다. 여기서, 동작 전압(Vn)이란 태양 전지(110)로부터 발생될 전력의 크기를 조절하는 출력 전압을 의미한다. 다시 말해, 출력 전압을 통해 태양 전지(110)로부터 발생되는 출력 전력의 크기가 변화될 수 있다. 이처럼, 전압 제어부(120)는 동작 전압(Vn)을 이용하여, 태양 전지(110)로부터 발생된 제 1 전력의 크기가 최대가 되도록 제어한다.
멀티 플렉서(121)는 최대 전력 제어부(150)로부터 인가되는 선택 신호(SEL)에 응답하여 복수의 저항(R1~Rn) 중 어느 하나를 선택하여 출력한다. 그리고 멀티 플렉서(121)는 하나의 선택된 저항에 따른 동작 전압(Vn)의 크기 신호를 비교기(123)로 전달한다.
기준 전압 발생기(122)는 외부 전압에 대한 영향을 받지 않는 일정한 크기의 기준 전압(Vref)을 발생하여 비교기(123)로 전달한다.
비교기(123)는 복수의 저항(R1~Rn) 중 멀티 플렉서(121)로부터 선택된 저항에 대한 동작 전압(Vn)의 크기 신호를 수신한다. 그리고 비교기(123)는 기준 전압 발생기(122)로부터 기준 전압(Vref)의 크기 신호를 수신하여 동작 전압(Vn)의 크기 신호와 비교한다. 비교기(123)는 동작 전압(Vn) 및 기준 전압(Vref)의 크기 차이를 비교한 후, 비교된 결과에 따라 비교 신호를 생성하여 스위칭 제어부(140)로 전달한다. 또한, 동작 전압(Vn) 및 기준 전압(Vref)을 비교하는데 있어서, 비교기(123)뿐만 아니라 오차 증폭기(error amplifier)가 사용될 수도 있다.
스위칭부(130)는 태양 전지(110)로부터 발생된 제 1 전력을 수신하고, 수신된 제 1 전력을 DC-DC 변환하여 제 2 전력으로 변환시키는 역할을 한다. 다시 말해, 스위칭부(130)는 동작 전압(Vn)을 입력받아 부하(160)에 공급하기 위한 구동 전압을 생성한다. 이러한 스위칭부(130)는 NMOS 트랜지스터(M1), PMOS 트랜지스터(M2), 및 인덕터(L)를 포함한다.
스위칭 제어부(140)는 비교기(123)로부터 비교 신호를 수신한다. 그리고 스위칭 제어부(140)는 수신된 비교 신호에 따라 동작 전압(Vn) 및 기준 전압(Vref)의 크기 차이가 동등해 지도록 스위칭부(130)를 제어한다. 여기서, 스위칭 제어부(140)는 저항의 선택을 변경하여 비교 신호의 크기 차이를 조절하는 것이 아닌, 스위칭부(130)를 제어함으로써 비교 신호의 크기 차이를 조절한다. 그리고 비교 신호의 크기 차이가 소정 오차 범위 이내로 들어 왔을 경우, 카운터부(151)에 의해 최대 전력을 측정하기 위한 스위칭 제어부(140)의 동작이 소정 시간 동안 카운터 된다. 그리고 태양 전지(110)로부터 출력되는 전력의 크기는 지속적으로 변화하기 때문에, 비교 신호의 크기 차이가 소정 오차 범위 이내로 들어 왔을 경우 동등한 것으로 가정한다.
이러한 스위칭 제어부(140)는 제 1 및 제 2 제어 신호(S1, S2)를 발생하여 스위칭부(130)의 DC-DC 변환 동작을 제어한다. 그리고 NMOS 및 PMOS 트랜지스터(M1, M2)는 스위치로써의 역할을 한다. 스위칭 제어부(140)는 제 1 제어신호(S1)를 발생하여 NMOS 트랜지스터(M1)를 제어하고, 제 2 제어신호(S2)를 발생하여 PMOS 트랜지스터(M2)를 제어한다. 스위칭 제어부(140)는 이러한 제 1 및 제 2 제어신호(S1, S2)를 이용하여 NMOS 및 PMOS 트랜지스터(M1, M2)의 턴-온(ON) 및 턴-오프(OFF)의 동작을 제어할 수 있다.
자세하게, NMOS 트랜지스터(M1)가 제 1 제어신호(S1)에 응답하여 턴-온(ON)이 될 때, PMOS 트랜지스터(M2)는 제 2 제어신호(S2)에 의해 턴-오프(OFF) 될 수 있다. 이때, 인덕터(L)에는 유도 전압이 형성된다. 그리고 NMOS 트랜지스터(M1)가 제 1 제어신호(S1)에 응답하여 턴-오프(OFF) 될 때, PMOS 트랜지스터(M2)는 제 2 제어신호(S2)에 의해 턴-온(ON)이 된다. 이때, 인덕터(L)에 형성된 유도 전압이 부하(160)에 전달된다. 이처럼, NMOS 및 PMOS 트랜지스터(M1, M2)는 서로 상보적으로 동작한다.
이처럼, 스위칭 제어부(140)는 선택된 저항에 따른 비교 신호에 응답하여 기준 전압(Vref)과 동작 전압(Vn)의 크기 차이가 같아지도록 DC-DC 변환 동작을 제어한다. 그리고 비교 신호가 소정 오차 범위 이내로 들어오면, 카운터부(151)에 의해 스위칭 제어부(140)의 동작이 소정 시간 동안 카운터 된다.
최대 전력 제어부(150)는 카운터부(151), 데이터부(152), 카운터 비교기(153), 및 저항 선택부(154)를 포함한다. 카운터부(151)는 제 1 및 제 2 제어신호(S1, S2)에 따라 턴-온(ON) 및 턴-오프(OFF)의 동작을 반복하는 NMOS 및 PMOS 트랜지스터(M1, M2)의 동작을 카운터한다. 다시 말해, 카운터부(151)는 복수의 저항(R1~Rn) 중 선택된 저항에 따른 비교 신호가 소정 오차 범위 이내로 들어왔을 경우, 스위칭 제어부(140)에 의해 제어되는 NMOS 및 PMOS 트랜지스터(M1, M2)의 동작을 소정 시간 동안 카운터한다. 이렇게 카운터된 동작은 동작 횟수로써 수치화되어 저장된다. 여기서 동작 횟수란, NMOS 또는 PMOS 트랜지스터(M1, M2)가 한 번 턴-온(ON)되었다가 턴-오프(OFF)되는 과정에 대한 총 반복 횟수를 의미한다.
그리고 카운터부(151)는 저장된 동작 횟수에 대한 카운터 신호(Cn)를 카운터 비교기(153)로 전달한다. 또한, 카운터부(151)는 복수의 저항(R1~Rn) 중 선택된 저항에 따른 동작 전압(Vn)의 크기가 변화할 때마다, 이전 카운트에 대한 정보를 초기화한다.
데이터부(152)는 복수의 저항(R1~Rn) 중 선택된 저항에 따른 각 동작 전압(Vn)의 최대 전력의 동작 횟수가 저장되어 있다. 이렇게 데이터부(152)에는 각 동작 전압(Vn)의 최대 전력에 대한 동작 횟수가 저장되어 있어서, 현재 선택된 동작 전압(Vn)이 최대 전력인지 아닌지 판단할 수 있다. 또한, 데이터부(152)는 저항 선택부(154)로부터 선택된 동작 전압(Vn)의 정보를 수신한다. 이처럼, 데이터부(152)는 선택된 동작 전압(Vn)의 최대 전력에 대한 최대 카운터 신호(Dn)를 카운터 비교기(153)에 전달한다.
카운터 비교기(153)는 카운터부(151)로부터 수신된 카운터 신호(Cn)와 데이터부(152)로부터 수신된 최대 카운터 신호(Dn)를 서로 비교한다. 카운터 비교기(153)는 비교된 값에 응답하여 동작 전압(Vn)의 크기를 조절할 신호를 저항 선택부(154)로 전달한다.
저항 선택부(154)는 카운터 비교기(153)로부터 수신된 신호에 응답하여 동작 전압(Vn)의 크기를 조절하기 위한 선택 신호(SEL)를 생성한다. 그리고 저항 선택부(154)는 생성된 선택 신호(SEL)를 멀티 플렉서(121)로 전달한다. 이에 따라, 멀티 플렉서(121)는 수신된 선택 신호(SEL)에 응답하여 복수의 저항(R1~Rn) 중 어느 하나를 선택하여 출력한다. 그리고 저항 선택부(154)는 선택 신호(SEL)에 따라 변화된 동작 전압(Vn)의 정보를 데이터부(152)로 전달한다. 다시 말해, 선택 신호(SEL)에 따라 복수의 저항(R1~Rn) 중 하나의 저항이 선택되어, 동작 전압(Vn)의 크기가 조절된다.
그리고 저항 선택부(154)는 선택된 저항에 따른 동작 전압(Vn)의 변화 정보를 데이터부(152)로 전달한다. 이에 따라, 데이터부(152)는 선택된 저항에 따른 동작 전압(Vn)에 대한 최대 전력의 동작 횟수를 카운터 비교기(153)로 전달한다.
이와 같이, 최대 전력 추출 장치(100)는 태양 전지(110)로부터 출력되는 제 1 전력의 크기를 최대로 하기 위해 구성이 복잡한 연산기를 사용하는 것이 아닌, 동작 전압(Vn)을 이용하여 전력의 크기를 조절한다. 최대 전력 추출 장치(100)는 동작 전압(Vn)을 이용하여 전력의 크기를 조절함으로써, 보다 간단하게 전력의 크기를 최대로 유지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 동작 전압 변화에 따라 달라지는 전류-전압의 그래프를 보여준다. 도 2를 참조하면, 동작 전압(Vn)의 크기에 따라 전력의 위치가 변화하는 것을 볼 수 있다. 도 2에 도시된 제 1 내지 제 3 동작 전압(V1, V2, V3)은 복수의 저항(R1~Rn) 중 3개의 저항으로부터 선택되어 결정된 것이라 가정한다. 그리고 제 1 내지 제 2 동작 전압(V1, V2, V3)에 따른 제 1 내지 제 3 전류(I1, I2, I3)가 스위칭부(130, 도1 참조)로 전달된다.
자세하게, 선택된 저항에 따른 각 동작 전압에 대한 전류의 크기는 카운터부(151, 도1 참조)에서 측정된 동작 횟수를 통해 파악될 수 있다. 다시 말해, 인덕터(L, 도1 참조)에 각 동작 전압에 따른 전류가 인가됨에 있어, 유도 전압이 형성되었다가 부하로 방전되는 것을 한 번의 동작 횟수로 보기 때문이다. 따라서, 동작 횟수가 많다는 것은 전류의 크기가 크다는 것을 의미한다. 이에 따라, 전류의 크기가 가장 큰 제 1 전류(I1)에서 동작 횟수가 가장 많고, 전류의 크기가 가장 작은 제 3 전류(I3)에서 동작 횟수가 가장 적다.
이처럼, 태양 전지(110)로부터 출력되는 전력의 크기는 동작 전압(Vn) 및 전류(In)의 크기에 응답하여 변화할 수 있다. 다시 말해, 동작 전압(Vn)의 크기는 전류의 크기에 따라 조절될 수 있다.
예시적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 제 2 전력(P2)이 최대 전력을 추출하는 지점이라 가정한다. 전압 제어부(120, 도1 참조)로부터 제 3 동작 전압(V3)의 크기에 대한 저항이 선택되면, 최대 전력 제어부(150, 도1 참조)는 제 3 전류(I3)의 크기에 응답하여 동작 횟수를 파악한다. 그리고 제 3 전류(I3)의 동작 횟수는 제 2 전류(I2)의 동작 횟수보다 적기 때문에, 최대 전력 제어부(150)는 동작 전압의 크기를 낮추도록 전압 제어부(120)에 선택 신호(SEL)를 전달한다. 이에 따라, 제 3 동작 전압(V3)의 크기가 낮아지고, 제 3 전류(I3)의 크기는 커지게 되어 동작 횟수가 늘어난다. 다시 말해, 제 3 전력(P3)에서 제 2 전력(P2)으로 근접하게 된다.
이와 반대로, 전압 제어부(120, 도1 참조)로부터 제 1 동작 전압(V1)의 크기에 대한 저항이 선택되면, 최대 전력 제어부(150)는 제 1 전류(I1)의 크기에 응답하여 동작 횟수를 파악한다. 그리고 제 1 전류(I1)의 동작 횟수는 제 2 전류(I2)의 동작 횟수보다 많기 때문에, 최대 전력 제어부(150)는 동작 전압의 크기를 키우도록 전압 제어부(120)에 선택 신호(SEL)를 전달한다. 이에 따라, 제 3 동작 전압(V3)의 크기는 커지게되고, 제 3 전류(I3)의 크기는 작아지게 되어 동작 횟수가 줄어들게 된다. 다시 말해, 제 1 전력(P1)에서 제 2 전력(P2)으로 근접하게 된다.
도 3은 도 2에 도시된 각 동작 전압에 따른 동작 횟수를 보여준다. 도 3을 참조하면, T1 구간에서 NMOS 트랜지스터(M1)의 턴-온(ON)에 응답하여 인덕터(L)에 유도 전압이 형성되고, T2 구간에서 PMOS 트랜지스터(M2)의 턴-온(ON)에 응답하여 인덕터(L)에 형성된 유도 전압이 부하(160, 도1 참조)로 공급된다. 이러한 T1 및 T2의 한 구간을 동작 횟수가 한번 측정된 것으로 간주한다.
따라서, 전류의 크기가 가장 큰 제 1 전류(I1)에서 가장 많은 동작 횟수가 발생하고, 전류의 크기가 가장 작은 제 3 전류(I3)에서 가장 적은 동작 횟수가 발생한다.
이와 같이, 최대 전력 추출 장치(100)는 전류의 크기를 나타내는 동작 횟수에 따라 동작 전압(Vn)을 조절함으로써, 최대 전력을 갖는 지점을 찾을 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 최대 전력 추출 장치의 동작을 보여주는 순서도이다. 도 4를 참조하면, S110 단계에서, 전압 제어부(120, 도1 참조)는 태양 전지(110)로부터 공급된 제 1 전력의 크기를 조절할 동작 전압(Vn)을 결정한다. 자세하게, 전압 제어부(120, 도1 참조)는 복수의 저항(R1~Rn) 중 동작 전압(Vn)이 최대값을 갖는 저항을 처음으로 선택한다. 여기서, 동작 전압(Vn)의 최대값을 갖는 저항으로 제 1 저항(R1)이 결정된다.
S120 단계에서, 카운터부(151, 도1 참조)는 선택된 동작 전압(Vn)에 따른 NMOS 및 PMOS 트랜지스터(M1, M2)의 동작 횟수를 측정하기 위해 이전 정보에 대한 초기화를 수행한다. 자세하게, 카운터부(151)는 NMOS 및 PMOS 트랜지스터(M1, M2)의 동작 횟수를 스위칭 제어부(140)의 제 1 및 제 2 제어신호(S1, S2)가 발생된 동작 횟수에 따라 파악한다. 여기서 카운터부(151)에 의해 측정되는 동작 횟수는 비교 신호, 즉, 동작 전압(Vn)과 기준 전압(Vref)의 크기의 차이가 동등해졌을 경우 측정된 것이다. 다시 말해, 비교 신호의 차이가 소정 오차 범위 이내로 들어왔을 경우, 카운터부(151)에 의해 소정 시간 동안 동작 횟수가 측정된다.
S130 단계에서, 카운터부(151)는 제 1 및 제 2 제어신호(S1, S2)에 응답하여 복수의 저항(R1~Rn) 중 선택된 저항에 따른 동작 전압(Vn)의 동작 횟수(N1)를 측정한다.
S140 단계에서는, 복수의 저항(R1~Rn) 중 선택된 저항에 따른 동작 전압(Vn)의 최대 전력을 갖는 동작 횟수(N2)를 데이터부(152, 도1 참조)를 통해 파악한다. 데이터부(152)에는 각 동작 전압(Vn)에 대한 최대 전력의 동작 횟수가 저장되어 있다.
S150 단계에서는, 전압 제어부(120)로부터 선택된 동작 전압(Vn)의 동작 횟수(N1)가 최대 전력을 갖는 동작 전압(Vn)의 동작 횟수(N2)보다 많은지 아닌지를 카운터 비교기(153)를 통해 비교한다. 저항 선택부(154, 도1 참조)는 비교된 결과에 따라 동작 전압(Vn)의 크기를 조절할 선택 신호(SEL)를 생성한다.
S160 단계는, 전압 제어부(120)로부터 선택된 동작 전압(Vn)의 동작 횟수(N1)가 최대 전력을 갖는 동작 전압(Vn)의 동작 횟수(N2)보다 큰 경우를 보여준다. 이에 따라, 저항 선택부(154)는 동작 전압(Vn)의 크기를 높이는 선택 신호(SEL)를 생성하여 멀티 플렉서(121)에 전달한다. 멀티 플렉서(121)는 수신된 선택 신호(SEL)에 응답하여 복수의 저항(R1~Rn) 중 동작 전압(Vn)의 크기를 높일 수 있는 저항을 선택한다.
S170 단계에서는, 전압 제어부(120)로부터 선택된 동작 전압(Vn)의 동작 횟수(N1)가 최대 전력을 갖는 동작 전압(Vn)의 동작 횟수(N2)보다 작을 경우를 보여준다. 이에 따라, 저항 선택부(154)는 동작 전압(Vn)의 크기를 낮추는 선택 신호(SEL)를 생성하여 멀티 플렉서(121)에 전달한다. 멀티 플렉서(121)는 수신된 선택 신호(SEL)에 응답하여 복수의 저항(R1~Rn) 중 동작 전압(Vn)의 크기를 낮출 수 있는 저항을 선택한다.
S180 단계에서는, S160 또는 S170으로부터 발생된 선택 신호(SEL)에 응답하여 복수의 저항(R1~Rn) 중 동작 전압(Vn)의 크기를 변화하는 저항을 선택한다. 그리고 최대 전력 추출 장치(100)는 부하(160)로 전달되는 전력의 크기가 최대로 되도록 S110 내지 S170 단계를 반복 수행한다. 이처럼, 부하(160)는 S110 내지 S170 단계의 반복 수행 과정에 따라 최대 전력을 유지할 수 있다. 그리고 동작 전압의 변화에 대한 더 이상의 반복 수행을 하지 않을 경우는, 시스템을 종료한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 다른 최대 전력 추출 장치에 관한 블록도를 보여준다. 도 5를 참조하면, 최대 전력 추출 장치(200)는 태양 전지(210), 전압 제어부(220), 스위칭부(230), 스위칭 제어부(240), 최대 전력 제어부(250), 및 부하(260)를 포함한다. 도 5에 도시된 최대 전력 추출 장치(200)는 최대 전력 제어부(250)를 제외하고는 도 1에 도시된 최대 전력 추출 장치(100)와 동일한 구성을 가진다. 이에 따라, 최대 전력 제어부(250)에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.
최대 전력 제어부(250)는 카운터부(251), 연산부(252), 데이터부(253), 비교기(254), 및 저항 선택부(245)를 포함하다.
카운터부(251)는 제 1 및 제 2 제어신호(S1, S2)에 따라 턴-온(ON) 및 턴-오프(OFF)의 동작을 반복하는 NMOS 및 PMOS 트랜지스터(M1, M2)의 동작 횟수를 저장한다. 카운터부(251)는 스위칭 제어부(240)로부터 발생되는 제 1 및 제 2 제어신호(S1, S2)에 응답하여 NMOS 및 PMOS 트랜지스터(M1, M2)의 동작 횟수를 측정할 수 있다.
그리고 카운터부(251)에서 측정된 동작 횟수는 전류의 크기를 나타낸다. 다시 말해, 동작 횟수가 많아진다는 것은 전류의 크기가 커진다는 것을 의미하고, 동작 횟수가 적어진다는 것은 전류의 크기가 작아진다는 것을 의미한다. 이는, NMOS 및 PMOS 트랜지스터(M1, M2)의 동작에 따라, 인덕터(L)에 인가된 전류에 따라 유도 전압이 형성되었다가 부하로 방전되는 것을 한 번의 동작 횟수로 보기 때문이다. 그리고 카운터부(251)는 측정된 동작 횟수의 정보를 연산부(252)로 전달한다.
연산부(252)는 카운터부(251)로부터 수신된 동작 횟수에 따른 전류의 크기와 동작 전압(Vn)의 곱을 연산하여 제 1 전력의 크기를 측정한다. 연산부(252)는 동작 전압(Vn)에 대한 정보를 저항 선택부(255)를 통해 수신받는다. 그리고 연산부(252)는 측정된 제 1 전력 크기에 대한 정보를 데이터부(253) 및 비교기(254)로 전달한다.
데이터부(253)는 연산부(252)에서 측정된 제 1 전력의 크기를 수신하고, 이전에 저장되어 있던 제 2 전력 크기를 비교기(254)로 전달한다. 그리고 최대 전력 추출 장치(200)의 초기 수행 동작에 있어서, 데이터부(253)는 임의의 값이 설정된 초기 전력 정보를 비교기(254)로 전달한다. 여기서 임의의 값은 사용자가 지정한 전력 값을 의미한다.
비교기(254)는 연산부(252)로부터 제 1 전력에 대한 크기를 수신하고, 데이터부(253)로부터 제 2 전력에 대한 크기를 수신하여 서로의 크기를 비교한다. 그리고 비교기(254)는 비교된 결과를 저항 선택부(255)로 전달한다.
저항 선택부(255)는 비교기(254)로부터 수신된 결과에 응답하여 동작 전압(Vn)의 크기를 변화하기 위한 선택 신호(SEL)를 생성한다. 그리고 저항 선택부(244)는 생성된 선택 신호(SEL)를 멀티 플렉서(221)로 전달한다. 이에 따라, 멀티 플렉서(221)는 수신된 선택 신호(SEL)에 응답하여 복수의 저항(R1~Rn) 중 어느 하나를 선택하여 출력한다. 그리고 저항 선택부(255)는 선택 신호(SEL)에 따른 동작 전압(Vn)의 정보를 연산부(252)로 전달한다.
이와 같이, 최대 전력 추출 장치(200)는 카운터부(251) 및 연산부(252)를 이용하여 현재 측정된 제 1 전력 값과 이전에 측정된 제 2 전력 값을 비교하는 동작을 반복 수행한다. 이에 따라, 최대 전력 추출 장치(100)는 부하(160)에 전달되는 제 2 전력의 크기를 최대로 유지할 수 있다.
도 6은 도 5에 도시된 최대 전력 추출 장치의 동작을 보여주는 순서도이다. 도 6을 참조하면, S210 내지 S230 단계는 도 4에 도시된 최대 전력 추출 장치(100)의 S110 내지 S130 단계와 동작이 동일하다. 이에 따라, S240 단계부터 상세히 설명한다.
S240 단계에서는, 연산부(252)를 통해 카운터부(251)로부터 수신된 전류의 크기와 전압 제어부(220)로부터 발생된 동작 전압(Vn)의 크기를 곱셈 연산한다. 연산부(252)는 연산된 제 1 전력(P1)의 크기를 데이터부(253) 및 비교기(254)로 전달한다.
250 단계에서는, 이전 정보에 대한 제 2 전력(P0)의 크기를 비교기(254)로 전달하고, 연산부(243)로부터 제 1 전력(P1)의 크기를 수신하여 저장한다.
260 단계에서, 비교기(254)는 제 1 전력(P1)의 크기와 제 2 전력(P1)의 크기를 비교한다. 자세하게, 제 1 전력(P1)의 크기가 제 2 전력(P0)의 크기보다 클 경우, 저항 선택부(255)는 복수의 저항(R1~Rn) 중 최근 선택된 저항에 기반하여 다음 단계의 저항을 선택하도록 선택 신호(SEL)를 생성한다. 그리고 저항 선택부(255)는 선택된 선택 신호(SEL)를 멀티 플렉서(221)로 전달한다.
이와 반대로, 제 1 전력(P1)의 크기가 제 2 전력(P0)의 크기보다 작을 경우, 저항 선택부(255)는 복수의 저항(R1~Rn) 중 최근 선택된 저항에 기반하여 이전 단계의 저항을 선택하도록 선택 신호(SEL)를 생성한다. 그리고 저항 선택부(255)는 선택된 선택 신호(SEL)를 멀티 플렉서(221)로 전달한다.
S270 단계에서는, 제 1 전력(P1)의 크기가 제 2 전력(P0)의 크기보다 큰 경우를 보여준다. 멀티 플렉서(221)는 수신된 선택 신호(SEL)에 응답하여 최근 선택된 저항에 기반한 다음 단계로의 저항을 선택하여 출력한다.
S280 단계에서는, 제 1 전력(P1)의 크기가 제 2 전력(P0)의 크기보다 작을 경우를 보여준다. 멀티 플렉서(221)는 수신된 선택 신호(SEL)에 응답하여 최근 선택된 저항에 기반한 이전 단계로의 저항을 선택하여 출력한다.
S290 단계에서는, S270 또는 S280으로부터 선택된 저항에 따라 동작 전압의 크기를 변화한다. 그리고 최대 전력 추출 장치(200)는 부하(260)로 전달되는 전력의 크기가 최대로 되도록 S210 내지 S280 단계를 반복 수행한다. 이처럼, 부하(160)는 S210 내지 S280 단계의 반복 수행 과정에 따라 최대 전력을 유지할 수 있다. 그리고 동작 전압의 변화에 대한 더 이상의 반복 수행을 하지 않을 경우는, 시스템을 종료한다.
이처럼, 본 발명의 실시 예에 따른 최대 전력 추출 장치는 최대 전력을 구하기 위해 복잡한 연산기를 구비하지 않는다. 다시 말해, 최대 전력 추출 장치는 전류의 크기를 나타내는 동작 횟수를 이용하여 최대 전력을 측정할 수 있다. 이와 같이, 최대 전력 추출 장치는 간단한 구성으로 이루어질 수 있어서, 비용과 제작 측면에서 많은 효과를 볼 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
110: 태양 전지
120: 전압 제어부
130: 스위칭부
140: 스위칭 제어부
150: 최대 전력 제어부
160: 부하

Claims (12)

  1. 전지;
    복수의 저항 중 선택된 저항에 따라 상기 전지로부터 출력되는 제 1 전력의 크기를 조절하는, 그리고 상기 선택된 저항에 따라 상기 제 1 전력의 크기가 조절되는 동작 전압 및 기준 전압 간의 크기 차이에 따른 비교 신호를 발생하는 전압 제어부;
    상기 전지와 부하 사이에 연결되고, 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호에 응답하여 상기 비교 신호의 크기 차이에 따른 상기 동작 전압의 크기를 조절하는 스위칭부;
    상기 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호를 발생하여 상기 비교 신호에 따른 상기 동작 전압 및 상기 기준 전압 간의 크기를 오차 범위 내로 줄이는 스위칭 제어부; 및
    상기 비교 신호가 상기 오차 범위 내로 줄어들었을 경우, 상기 제 1 또는 제 2 스위칭 제어 신호가 발생한 수를 소정 시간 동안 카운트한 제 1 동작 횟수를 측정하는 최대 전력 제어부를 포함하되,
    상기 최대 전력 제어부는 상기 제 1 동작 횟수와 내부적으로 저장된 상기 동작 전압에 따른 상기 부하에서의 최대 전력의 크기를 카운터한 제 2 동작 횟수를 비교하며, 비교 결과에 따라 상기 복수의 저항에 대한 선택을 변경하는 선택 신호를 발생하여 상기 제 1 전력의 크기를 조절하는 최대 전력 추출 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전지는 태양 에너지를 수신하여 전기 에너지로 변환하는 최대 전력 추출 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전력의 크기 조절은,
    상기 제 1 동작 횟수가 상기 제 2 동작 횟수보다 작을 경우, 상기 복수의 저항 중 상기 동작 전압이 낮아지는 저항을 선택하도록 상기 선택 신호를 생성하고,
    상기 제 1 동작 횟수가 상기 제 2 동작 횟수보다 클 경우, 상기 복수의 저항 중 상기 동작 전압이 높아지는 저항을 선택하도록 상기 선택 신호를 생성하여 상기 제 1 전력의 크기를 조절하는 최대 전력 추출 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 최대 전력 제어부는,
    상기 제 1 또는 제 2 스위칭 제어 신호의 발생된 수를 카운터한 상기 제 1 동작 횟수를 저장하는 카운터부;
    상기 동작 전압에 따른 상기 부하에서의 최대 전력 크기를 카운터한 상기 제 2 동작 횟수가 저장된 데이터부;
    상기 제 1 및 제 2 동작 횟수를 비교하는 카운터 비교기; 및
    상기 카운터 비교기로부터 비교된 결과에 따라 상기 제 1 전력의 크기를 조절하기 위한 상기 선택 신호를 발생하는 저항 선택부를 포함하는 최대 전력 추출 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 제어부는,
    상기 복수의 저항;
    상기 선택 신호에 응답하여 상기 복수의 저항 중 하나를 선택하여 출력하는 멀티 플렉서; 및
    상기 선택된 저항의 동작 전압의 크기에 대한 출력 신호 및 상기 기준 전압의 신호에 대한 크기 차이를 비교하고, 비교된 결과에 따라 상기 비교 신호를 상기 스위칭 제어부로 전달하는 비교기를 포함하는 최대 전력 추출 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 전력의 크기는 상기 복수의 저항을 이용한 전압 분배를 통해 조절되는 최대 전력 추출 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭부는 상기 제 1 전력의 크기를 제 2 전력의 크기로 DC-DC 변환하여 상기 부하로 전달하는 최대 전력 추출 장치.
  8. 전지;
    복수의 저항 중 선택된 저항에 따라 상기 전지로부터 출력되는 제 1 전력의 크기를 조절하는, 그리고 상기 선택된 저항에 따라 상기 제 1 전력의 크기가 조절되는 동작 전압 및 기준 전압 간의 크기 차이에 따른 비교 신호를 발생하는 전압 제어부;
    상기 전지와 부하 사이에 연결되고, 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호에 응답하여 상기 비교 신호의 크기 차이에 따른 상기 동작 전압의 크기를 조절하는 스위칭부;
    상기 제 1 및 제 2 스위칭 제어 신호를 발생하여 상기 비교 신호에 따른 상기 동작 전압 및 상기 기준 전압 간의 크기를 오차 범위 내로 줄이는 스위칭 제어부; 및
    상기 비교 신호가 상기 오차 범위 내로 줄어들었을 경우, 상기 제 1 또는 제 2 스위칭 제어 신호가 발생한 수를 소정 시간 동안 카운트한 동작 횟수 및 상기 동작 전압을 곱셈 연산한 제 1 전력의 크기를 저장하는 최대 전력 제어부를 포함하되,
    최대 전력 제어부는 상기 제 1 전력의 크기와 가장 최근에 곱셈 연산을 수행한 제 2 전력의 크기를 비교하며, 비교된 결과에 따라 상기 복수의 저항에 대한 선택을 변경하는 선택 신호를 발생하는 최대 전력 추출 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 최대 전력 제어부는,
    상기 제 1 또는 제 2 스위칭 제어 신호의 발생된 수를 카운터한 상기 동작 횟수를 저장하는 카운터부;
    상기 동작 전압과 상기 동작 횟수와의 곱셈 연산을 수행하여 상기 제 1 전력의 크기를 출력하는 연산부;
    가장 최근에 곱셈 연산을 수행한 상기 제 2 전력의 크기가 저장된 데이터부;
    상기 제 1 및 제 2 전력의 크기를 수신하여 비교하는 제 1 비교기; 및
    상기 비교기로부터 비교된 결과에 따라 따라 상기 제 1 전력의 크기를 조절하기 위한 상기 선택 신호를 발생하는 저항 선택부를 포함하는 최대 전력 추출 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 전압 제어부는,
    상기 복수의 저항;
    상기 선택 신호에 응답하여 상기 복수의 저항 중 하나를 선택하여 출력하는 멀티 플렉서; 및
    상기 선택된 저항의 동작 전압의 크기에 대한 출력 신호 및 상기 기준 전압의 신호에 대한 크기 차이를 비교하고, 비교된 결과에 따라 상기 비교 신호를 상기 스위칭 제어부로 전달하는 제 2 비교기를 포함하는 최대 전력 추출 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 전력의 크기는 상기 복수의 저항을 이용한 전압 분배를 통해 조절되는 최대 전력 추출 장치.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 스위칭부는 상기 제 1 전력의 크기를 제 2 전력의 크기로 DC-DC 변환하여 상기 부하로 전달하는 최대 전력 추출 장치.
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