KR101982634B1 - Triboelectric energy harvesting device with high voltage dual input dc-dc converter - Google Patents

Triboelectric energy harvesting device with high voltage dual input dc-dc converter Download PDF

Info

Publication number
KR101982634B1
KR101982634B1 KR1020180010871A KR20180010871A KR101982634B1 KR 101982634 B1 KR101982634 B1 KR 101982634B1 KR 1020180010871 A KR1020180010871 A KR 1020180010871A KR 20180010871 A KR20180010871 A KR 20180010871A KR 101982634 B1 KR101982634 B1 KR 101982634B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
voltage
voltages
negative
converter
output
Prior art date
Application number
KR1020180010871A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
김철우
박인호
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 KR1020180010871A priority Critical patent/KR101982634B1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101982634B1 publication Critical patent/KR101982634B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/04Friction generators
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00Automatic 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
    • G05F1/66Regulating electric power
    • G05F1/67Regulating electric power to the maximum power available from a generator, e.g. from solar cell
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS 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
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10Conversion 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
    • H02M3/145Conversion 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
    • H02M3/155Conversion 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
    • H02M3/156Conversion 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 with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

The present invention relates to a frictional energy harvesting device using a dual input DC-DC converter for a high voltage. According to the present invention, a frictional energy harvesting device includes: a frictional electricity power source transmitting frictional electricity; an AC-DC conversion unit converting two AC voltages received from the frictional electricity power into two DC voltages; a DC-DC conversion unit converting the magnitude of the two DC voltages converted by the AC-DC conversion unit at a setting ratio; a control circuit unit controlling at least one voltage among positive DC voltages and negative DC voltages of the two DC voltages to be delivered to an output terminal based on the magnitude of the output voltage of the DC-DC conversion unit and the two DC voltages converted by the AC-DC conversion unit. According to the present invention, it is possible to provide stable electric power with high efficiency by converting AC voltages which have different positive and negative voltage peaks of a frictional electricity power source into DC voltages to respectively save the same, and supplying the two DC voltages to a dual input DC-DC converter for a high voltage by detecting the maximum output point.

Description

고전압용 이중 입력 직류-직류 변환기를 이용한 마찰전기 에너지 하베스팅 장치{TRIBOELECTRIC ENERGY HARVESTING DEVICE WITH HIGH VOLTAGE DUAL INPUT DC-DC CONVERTER}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a triboelectric energy harvesting device using a high-voltage double-input DC-DC converter,

본 발명은 고전압용 이중 입력 직류-직류 변환기를 이용한 마찰전기 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a triboelectric energy harvesting apparatus using a high voltage double input DC-DC converter.

마찰전기 에너지 하베스팅은 신체 등에서 발생하는 마찰로부터 전력을 수확할 수 있는 전력원으로, 양의 전압과 음의 전압의 최대치가 다른 마찰전기를 전력원으로 사용하여 전력을 수확하는 기술이다. 종래의 마찰전기 에너지 하베스팅 회로는 최대 전력점 추적 기술이 탑재되지 않아 나오는 순시 전력을 바탕으로 회로를 구동되는 범용적 직류-직류 변환기를 사용하거나, 양의 전압과 음의 전압의 최대치가 다른 마찰전기 전력원의 출력 특성을 반영하지 않는 교류-직류 변환기를 사용하여 낮은 전력 수확만이 가능했다. Friction electric energy harvesting is a power source that can harvest electric power from the friction generated in the body, and is a technique of harvesting electric power by using triboelectricity having a maximum value of a positive voltage and a negative voltage as a power source. Conventional triboelectric energy harvesting circuits use a general-purpose DC-DC converter that drives a circuit based on the instantaneous power that is not equipped with the maximum power point tracking technology, or use a DC-DC converter with a maximum value of positive and negative voltages Only low power harvesting was possible using an AC-to-DC converter that does not account for the output characteristics of the electric power source.

또한, 종래의 고전압용 직류-직류 변환기는 단일 입력용으로만 설계되어 왔고, 종래의 단일 입력 고전압용 직류-직류 변환기에 이중 입력을 적용할 경우, 고전압용 트랜지스터(LDMOS)가 높은 VDS를 견디지만 VGS는 일반적인 CMOS 정격 전압인 5볼트 이하 전압만 견딜 수 있기 때문에 트랜지스터가 10볼트 이상의 고전압에 의해 파괴되는 결과를 초래한다. 종래의 이중 입력 직류-직류 변환기는 일반적인 CMOS 정격 전압 내에서 설계가 되기 때문에 공정 자체의 특성상 고전압을 견딜 수 없다. Furthermore, the conventional direct-current high voltage - direct current converter is a single input came to be designed only for the conventional direct current for a single input high voltage - when applying the dual input to DC converters, withstand the transistor (LDMOS) for high-voltage high V DS Only V GS can withstand a voltage of 5 volts or less, which is a typical CMOS rated voltage, resulting in the transistor being destroyed by a high voltage of 10 volts or more. Conventional dual-input dc-to-dc converters can not withstand high voltages due to the nature of the process itself, since they are designed within the typical CMOS rated voltage.

따라서, 마찰전기 전력원의 최대 출력점을 추적하여 이를 이중 입력으로 사용하면서 에너지 하베스팅이 가능한 고전압용 이중 입력 직류-직류 변환기에 대한 연구가 필요하다.Therefore, it is necessary to study the high - voltage dual - input DC - DC converter capable of energy harvesting while tracking the maximum output point of the triboelectric power source and using it as a dual input.

본 발명은 마찰전기의 이중 입력을 직류-직류 변환기를 사용하여 하베스팅하고, 최대 출력점 분석을 이용하여 전달 효율을 최대화하고, 트랜지스터를 보호를 위해 고전압 보호 회로를 구비한 고전압용 이중 입력 직류-직류 변환기를 이용한 마찰전기 에너지 하베스팅 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention relates to a high voltage double input DC-DC converter having a high voltage protection circuit for protecting a transistor by harvesting a double input of a triboelectric current using a DC-DC converter, maximizing transmission efficiency using maximum output point analysis, And to provide a triboelectric energy harvesting apparatus using a DC converter.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 에너지 하베스팅 장치는 마찰전기를 전달하는 마찰전기 전력원, 상기 마찰전기 전원으로부터 전달된 두 개의 교류 전압을 두 개의 직류 전압으로 변환하는 교류-직류 변환부, 상기 교류-직류 변환부에서 변환된 두 개의 직류 전압의 크기를 설정된 비율로 변환하는 직류-직류 변환부, 및 상기 직류-직류 변환부의 출력 전압과 상기 교류-직류 변환부에서 변환된 두 개의 직류 전압 크기에 기초하여, 상기 두 개의 직류 전압 중 양의 직류 전압 또는 음의 직류 전압 중 적어도 하나가 출력 단자로 전달되도록 제어하는 제어회로부를 포함한다.In order to achieve the above object, a triboelectric energy harvesting apparatus according to an embodiment of the present invention includes a triboelectric power source for transferring triboelectric energy, two alternating-current voltages transferred from the triboelectric power source to two direct- A DC-DC converter for converting the magnitude of the two DC voltages converted by the AC-DC converter into a predetermined ratio, and a DC-DC converter for converting the output voltage of the DC- And a control circuit for controlling at least one of a positive DC voltage and a negative DC voltage of the two DC voltages to be transmitted to the output terminal based on the two DC voltage magnitudes converted from the two DC voltages.

또한, 마찰전기 에너지 하베스팅 장치는 다수의 P형 LDMOS, 및 레벨 시프터(Level Shifter)를 포함하여 구성되는 고전압 보호부를 더 포함하여 구성될 수 있다.In addition, the triboelectric energy harvesting apparatus may further include a high voltage protection unit including a plurality of P-type LDMOSs and a level shifter.

고전압 보호부는 상기 두 개의 직류 전압에 따라 정격 전압을 만족시키면 각각의 P형 LDMOS를 온 상태에서 오프 상태로 전환하고, 상기 음의 직류 전압의 크기를 상기 정격 전압의 크기만큼 낮은 전압으로 다운시켜 상기 출력 단자로 전달할 수 있다.The high voltage protection unit switches each P type LDMOS from the ON state to the OFF state when the rated voltage is satisfied according to the two DC voltages, downs the magnitude of the negative DC voltage to a voltage as low as the rated voltage, Output terminal.

제어회로부는 상기 교류-직류 변환부에서 변환된 두 개의 직류 전압을 서로 다른 커패시터에 각각 저장하고, 상기 두 개의 직류 전압의 최대출력점을 추적하여 상기 최대출력점에 대응하는 두 개의 직류 전압을 상기 직류-직류 변환부로 전달할 수 있다.The control circuit part stores the two DC voltages converted by the AC-DC converter in different capacitors, tracks the maximum output point of the two DC voltages, and outputs two DC voltages corresponding to the maximum output point, DC-DC converter.

제어회로부는 상기 두 개의 직류 전압이 상기 교류-직류 변환부의 오픈 회로 전압의 설정된 퍼센트 전압에 대응하는 경우, 최대출력점으로 판단하여 상기 두 개의 직류 전압을 상기 직류-직류 변환부로 전달할 수 있다.The control circuit may determine the maximum output point and transmit the two DC voltages to the DC-DC converter when the two DC voltages correspond to a set percentage voltage of the open circuit voltage of the AC-DC converter.

제어회로부는 출력 전압이 상기 음의 전압보다 커질 때까지 상기 양의 전압을 상기 출력 단자로 전달하고, 상기 출력 전압이 상기 음의 전압보다 커지면, 상기 음의 전압을 상기 출력 단자로 전달할 수 있다.The control circuit portion may deliver the positive voltage to the output terminal until the output voltage becomes greater than the negative voltage and may deliver the negative voltage to the output terminal if the output voltage is greater than the negative voltage.

제어회로부는 상기 직류-직류 변환부의 출력 전압과 상기 음의 직류 전압의 전압 크기에 기초하여 상기 음의 직류 전압을 상기 출력 단자로 전달할지 결정하는 인에이블 신호를 생성하는 먹스(MUX), 상기 먹스로부터 인에이블 신호를 수신한 경우, 상기 양의 직류 전압과 제1 기준전압을 비교하는 제1 비교기와 상기 음의 직류 전압과 제2 기준전압을 비교하는 제2 비교기, 및 상기 제1 비교기와 상기 제2 비교기의 출력값에 따라 상기 양의 직류 전압 또는 상기 음의 직류 전압을 상기 출력 단자로 전달할지 결정하는 스위칭부를 포함하여 구성될 수 있다.Wherein the control circuit part generates an enable signal for determining whether to deliver the negative DC voltage to the output terminal based on an output voltage of the DC-DC converting part and a voltage magnitude of the negative DC voltage, A first comparator for comparing the positive direct current voltage with a first reference voltage, and a second comparator for comparing the negative direct current voltage and a second reference voltage when the enable signal is received from the first comparator, And a switching unit for determining whether to deliver the positive DC voltage or the negative DC voltage to the output terminal according to an output value of the second comparator.

본 발명에 의하면, 마찰전기 전력원의 양과 음의 전압 피크가 다른 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 각각 저장하고, 두 직류 전압을 최대 출력점을 검출하여 고전압용 이중 입력 직류-직류 변환기로 전달함으로써 고효율로 안정적인 전력을 공급할 수 있다. According to the present invention, an AC voltage having a negative voltage peak different from that of a triboelectric power source is converted into a DC voltage and stored, and the two DC voltages are detected as a maximum output point and transferred to a high voltage double input DC- It is possible to supply stable electric power with high efficiency.

또한, 출력 전력을 고효율로 수확 및 관리함으로써 신체 움직임에서 발생하는 마찰을 이용한 초소형 센서노드에 적용이 가능하다.Also, by harvesting and managing the output power with high efficiency, it is possible to apply to the ultra-small sensor node using the friction generated in the body motion.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압용 이중 입력 직류-직류 변환기를 이용한 마찰전기 에너지 하베스팅 장치의 블록도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압용 이중 입력 직류-직류 변환기를 이용한 마찰전기 에너지 하베스팅 장치에 포함된 고전압 보호 회로의 회로도, 동작 회로, 및 출력 파형을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압용 이중 입력 직류-직류 변환기를 이용한 마찰전기 에너지 하베스팅 장치에 사용되는 마찰전기 전력원의 최대 전력점을 추적하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3에서 제시한 최대 출력점 분석을 측정 결과를 통해 나타내는 파형이다. 각 양과 음의 최대 출력점은 각 open-circuit 전압의 35%에 해당된다는 것을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압용 이중 입력 직류-직류 변환기를 이용한 마찰전기 에너지 하베스팅 장치에 사용되는 제어회로부(Synchronous pulse-skipping modulation)의 회로도 및 동작 파형을 나타낸다.
1 is a block diagram of a triboelectric energy harvesting apparatus using a high voltage dual input DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 2A to 2C are circuit diagrams, operation circuits, and output waveforms of a high-voltage protection circuit included in a triboelectric energy harvesting apparatus using a high-voltage double-input DC-DC converter according to an embodiment of the present invention .
FIG. 3 is a diagram for explaining a method of tracking a maximum power point of a triboelectric power source used in a triboelectric energy harvesting apparatus using a high-voltage double-input DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a waveform showing the maximum output point analysis shown in FIG. 3 as a result of measurement. Each positive and negative maximum output point corresponds to 35% of each open-circuit voltage.
FIG. 5 shows a circuit diagram and operation waveform of a synchronous pulse-skipping modulation used in a triboelectric energy harvesting apparatus using a high-voltage double-input DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.The present invention is capable of various modifications and various embodiments, and specific embodiments will be described in detail with reference to the drawings. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.The terms first, second, A, B, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component. The term " and / or " includes any combination of a plurality of related entry items or any of a plurality of related entry items.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 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, but it should be understood that other elements may be present in between something to do. 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.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, 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 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 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 contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. Throughout the specification and claims, it is to be understood that when a component comprises a component, it does not exclude other components, but may include other components, unless specifically stated otherwise.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압용 이중 입력 직류-직류 변환기를 이용한 마찰전기 에너지 하베스팅 장치의 블록도이다.1 is a block diagram of a triboelectric energy harvesting apparatus using a high voltage dual input DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 에너지 하베스팅 장치는 마찰전기 전력원(100), 교류-직류 변환부(200), 직류-직류 변환부(300), 및 제어회로부(400)를 포함하여 구성된다. 또한, 마찰전기 에너지 하베스팅 장치는 고전압 보호부(500)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 1, a triboelectric energy harvesting apparatus according to an embodiment of the present invention includes a triboelectric power source 100, an AC-DC converter 200, a DC-DC converter 300, (400). In addition, the triboelectric energy harvesting device may further comprise a high voltage protection part 500.

구체적으로, 마찰전기 전력원(100)(TENG)은 신체 움직임에서 발생하는 마찰을 센서 노드를 통해 수집할 수 있다. 여기서, 마찰전기를 수집하는 센서 노드는 필름 형태의 제너레이터로 형성될 수 있다. Specifically, the triboelectric power source 100 (TENG) can collect friction through the sensor node that occurs in body motion. Here, the sensor node for collecting the triboelectricity may be formed of a film-like generator.

교류-직류 변환부(200)는 마찰전기 전력원(100)으로부터 전달되는 교류 전압에 대하여 양의 직류 전압(VRECT,P)과 음의 직류 전압(VRECT,M)으로 변환할 수 있다. 이때, 마찰전기의 양의 직류 전압(VREC,.P)과 음의 직류 전압(VRECT,M)은 피크가 다르다. 변환된 양의 직류 전압(VRECT,P)과 음의 직류 전압(VRECT,M)은 커패시터 CIN,P와 CIN,M에 각각 구분되어 저장된다. The AC-DC converter 200 can convert the AC voltage transmitted from the triboelectric power source 100 into a positive DC voltage V RECT, P and a negative DC voltage V RECT, M. At this time, the positive dc voltage (V REC, .P ) and the negative dc voltage (V RECT, M ) of the triboelectric peak have different peaks. The converted positive DC voltage (V RECT, P ) and the negative DC voltage (V RECT, M ) are stored separately in the capacitors C IN, P and C IN, M respectively.

직류-직류 변환부(300)는 교류-직류 변환부(200)로부터 전달된 두 개의 직류 전압의 크기를 설정된 비율로 변환할 수 있다. 구체적으로, 커패시터 CIN,P와 CIN,M에 각각 구분되어 저장된 양의 직류 전압(VRECT,P)과 음의 직류 전압(VRECT,M) 중 적어도 하나가 출력 단자로 전달되면 전달된 전압을 설정된 비율로 변환하여 출력할 수 있다. The DC-DC converter 300 can convert the magnitude of the two DC voltages transmitted from the AC-DC converter 200 into a predetermined ratio. Specifically, when at least one of the positive DC voltage (V RECT, P ) and the negative DC voltage (V RECT, M ) stored in the capacitors C IN, P and C IN, The voltage can be converted into a predetermined ratio and output.

제어회로부(400)는 직류-직류 변환부(300)의 출력 전압과 교류-직류 변환부(200)에서 변환된 두 개의 직류 전압 크기에 기초하여, 두 개의 직류 전압 중 양의 직류 전압(VRECT,P) 또는 음의 직류 전압(VRECT,M) 중 적어도 하나가 출력 단자로 전달되도록 제어할 수 있다. 구체적으로, 축적된 양의 직류 전압(VRECT,P)이 먼저 출력 단자 측으로 전달되고, 축적된 음의 직류 전압(VRECT,M)은 마찰전기 에너지 하베스팅 장치를 제어하는 에너지원으로 사용될 수 있다. 음의 직류 전압(VRECT,M)이 계속해서 축적되어, 기준 전압(출력 전압(VOUT)) 이상이 되면 축적된 양의 직류 전압(VRECT,M) 뿐만 아니라 축적된 음의 직류 전압(VRECT,M)도 함께 출력 단자 측으로 전달할 수 있다. 이때, 양의 직류 전압(VRECT,M)과 음의 직류 전압(VRECT,M)은 미리설정된 순서에 따라 출력 단자측으로 순차적으로 전달될 수 있다. 또한, 제어회로부(400)는 커패시터 CIN,P와 CIN,M에 저장된 두 개의 직류 전압을 출력 단자 측으로 전달함에 있어 최대출력점을 추적하여 최대출력점에 대응하는 두 개의 직류 전압을 직류-직류 변환부(300)로 전달한다. 최대출력점은 교류-직류 변환부(200)의 오픈 회로 전압의 설정된 퍼센트 전압과 오차범위 내의 전압값이 된 지점을 의미하고, 설정된 퍼센트는 도 3에서 구체적으로 설명하도록 한다.The control circuit unit 400 receives the positive DC voltage V RECT of the two DC voltages based on the output voltage of the DC-DC converting unit 300 and the two DC voltage magnitudes converted by the AC- , P ) or negative DC voltage (V RECT, M ) to be transmitted to the output terminal. Specifically, the accumulated positive DC voltage (V RECT, P ) is first transmitted to the output terminal side, and the accumulated negative DC voltage (V RECT, M ) can be used as an energy source for controlling the triboelectric energy harvesting device have. When the negative DC voltage V RECT, M is continuously accumulated and becomes equal to or higher than the reference voltage (output voltage V OUT ), not only the accumulated positive DC voltage V RECT, M but also the accumulated negative DC voltage V RECT, M ) can also be transmitted to the output terminal side. At this time, the positive direct current voltage V RECT, M and the negative direct current voltage V RECT, M may be sequentially transmitted to the output terminal side in accordance with a predetermined order. In addition, the control circuit 400 traces the maximum output point in transmitting the two DC voltages stored in the capacitors C IN, P and C IN, M to the output terminal side, and outputs the two DC voltages corresponding to the maximum output point to the DC- DC converter 300 according to an embodiment of the present invention. The maximum output point means a point where the open circuit voltage of the AC-DC converter 200 becomes the set percentage voltage and the voltage value within the error range, and the set percentage will be described in detail in FIG.

또한, 제어회로부(400)는 VDD 먹스(MUX), 제1, 제2 비교기, 및 스위칭부를 포함하여 구성될 수 있다. VDD 먹스(MUX)는 직류-직류 변환부(300)의 출력 전압과 음의 직류 전압(VRECT,M)의 전압 크기에 기초하여 음의 직류 전압(VRECT,M)을 출력 단자로 전달할지 결정하는 인에이블 신호(VEN)를 생성할 수 있다. 제1 비교기는 먹스로부터 인에이블 신호(VEN)를 수신한 경우, 양의 직류 전압(VRECT,PL)과 제1 기준전압(VREF,P)을 비교하여 제어신호를 생성하고, 제2 비교기는 음의 직류 전압(VRECT,ML)과 제2 기준전압(VREF,M)을 비교하여 제어신호를 생성할 수 있다. 이때, 비교기로 입력되는 양의 직류 전압(VRECT,PL)과 음의 직류 전압(VRECT,ML)은 VRECT,P과 VRECT,M가 전압 분배기를 통해 출력된 값을 나타낸다. 스위칭부는 제1 비교기와 제2 비교기의 출력값(φM, φP)에 따라 양의 직류 전압(VRECT,P) 또는 음의 직류 전압(VRECT,M)을 출력 단자로 전달할지 스위칭할 수 있다. 제어회로부(400)는 POR(Power-on-reset) 회로는 전압 VRECR,M을 감지하여 미리 설정된 내부 기준 전압보다 높아지면 제어 신호를 출력하면서 회로를 동작시킨다. 제어 신호가 출력된 직후에는 CIN,M에 저장된 전력은 제어부를 구동시키는 전력으로 사용되므로 최종 출력단(VOUT)으로 전달될 수 없고, CIN,P에 저장된 전력만 최종 출력단(VOUT)으로 전달된다. In addition, the control circuit unit 400 may include a V DD mux, first and second comparators, and a switching unit. V DD multiplexer (MUX) is a direct current-passing to the output voltage and the DC negative voltage (V RECT, M), an output terminal that the DC voltage (V RECT, M) of the basis of the voltage of the direct-current conversion section 300 The enable signal V EN can be generated. The first comparator compares the positive DC voltage V RECT, PL with the first reference voltage V REF, P to generate a control signal when the enable signal V EN is received from the MUX , The comparator can generate the control signal by comparing the negative DC voltage (V RECT, ML ) with the second reference voltage (V REF, M ). At this time, the DC voltage of the positive input to the comparator (V RECT, PL) and a negative direct current voltage (V RECT, ML) of the V RECT, P and V RECT, M represents a value output from the voltage divider. The switching unit can switch whether the positive DC voltage V RECT, P or the negative DC voltage V RECT, M is transferred to the output terminal according to the output values φ M , φ P of the first comparator and the second comparator have. The control circuit unit 400 operates the circuit while the power-on-reset (POR) circuit detects the voltage VRECR, M and outputs a control signal when the voltage becomes higher than a preset internal reference voltage. Shortly after the control signal is output, the power stored in the C IN, M's are used as a power for driving the control unit to the final output terminal (V OUT) can not be transmitted to, C IN, power only the final output terminal (V OUT) is stored in P .

고접압 보호부(500)는 다수의 P형 LDMOS, 및 레벨 시프터(Level Shifter)를 포함하여 구성될 수 있다. 고전압 보호부(500)는 두 개의 직류 전압에 따라 정격 전압을 만족시키면 각각의 P형 LDMOS를 온 상태에서 오프 상태로 전환하고, 음의 직류 전압의 크기를 정격 전압의 크기만큼 낮은 전압으로 다운시켜 출력 단자로 전달할 수 있다. The high-voltage protection unit 500 may include a plurality of P-type LDMOSs and a level shifter. When the rated voltage is satisfied according to the two DC voltages, the high voltage protection unit 500 switches the respective P-type LDMOS from the ON state to the OFF state and downs the magnitude of the negative DC voltage to a voltage as low as the rated voltage Output terminal.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압용 이중 입력 직류-직류 변환기를 이용한 마찰전기 에너지 하베스팅 장치에 포함된 고전압 보호 회로의 회로도, 동작 회로, 및 출력 파형을 도시한 도면이다.FIGS. 2A to 2C are circuit diagrams, operation circuits, and output waveforms of a high-voltage protection circuit included in a triboelectric energy harvesting apparatus using a high-voltage double-input DC-DC converter according to an embodiment of the present invention .

도 2a를 참조하면, 고접압 보호부(500)는 다수의 P형 LDMOS, 및 레벨 시프터(Level Shifter)를 포함하여 구성될 수 있다. Referring to FIG. 2A, the high-voltage protection unit 500 may include a plurality of P-type LDMOSs and a level shifter.

도 2b를 참조하면, 고전압 보호부(500)는 두 개의 직류 전압에 따라 정격 전압을 만족시키면 각각의 P형 LDMOS를 온 상태에서 오프 상태로 전환하고, 음의 직류 전압의 크기를 정격 전압의 크기만큼 낮은 전압으로 다운시켜 출력 단자로 전달할 수 있다. Referring to FIG. 2B, when the high voltage protection unit 500 satisfies the rated voltage according to two DC voltages, the P-type LDMOS is switched from the ON state to the OFF state, and the magnitude of the negative DC voltage is changed to the magnitude of the rated voltage Down to the output terminal.

구체적으로, 고전압 보호부(500)는 VRECT,P의 전력을 전달할 경우(State1), VRECT,P 전압이 인덕터 노드 VLX 및 고전압 보호부(500) 내부 노드 VPRT에 동시에 인가된다. 이 경우, 인덕터 노드 VLX에서 VRECT,M까지 연결된 모든 스위치들이 공정상의 정격 전압을 만족시키며 꺼지게 된다. Specifically, when the high voltage protection unit 500 transfers the power of V RECT, P (State 1), the V RECT, P voltage is simultaneously applied to the inductor node V LX and the internal node V PRT of the high voltage protection unit 500. In this case, all switches connected from the inductor node V LX to V RECT, M are turned off, meeting the process rated voltage.

또한, VRECT,M의 전력이 전달될 때(State1->State2), VPRT에 쌓여있던 전하가 레벨 시프터(Level shifter)로 빠져나가면서 VRPT는 VRECT,M에서 VDD 만큼 낮은 전압으로 형성되게 된다. 이 때 VRECT,P의 전력을 전달하는 트랜지스터는 꺼지게 되며, 노드 VRECT,M과 노드 VLX를 연결하는 총 3개의 스위치들은 모두 켜지게 됨으로써 노드 VLX에 전압 VRECT,M이 인가되게 된다(State2).Further, in the V RECT, or going out to the time the transmission of the power M (State1-> State2), the level shifter (Level shifter) charge accumulated on PRT V V V RECT RPT is, M with voltages as low as V DD . At this time , the transistor carrying the power of V RECT, P is turned off, and all three switches connecting node V RECT, M and node V LX are turned on, so that voltage V RECT, M is applied to node V LX (State 2).

도 2c를 참조하면, 결과적으로, MPRT 스위치의 오프(OFF)와 온(ON) 동작이 반복되면서, 위의 State1에서 State2로 전환되는 과정이 반복된다.Referring to FIG. 2C, as a result, the process of switching from State 1 to State 2 is repeated while the OFF and ON operations of the M PRT switch are repeated.

State1은 제어신호 VGP에 의해 제어되고, VPRT가 양의 직류 전압인 VRECT,P가 되고, State2는 제어신호 VGM에 의해 제어되고, VLX가 음의 직류 전압인 VRECT,M에서 VDD 만큼 뺀 전압값이 된다. State 1 is controlled by the control signal V GP , V PRT is the positive DC voltage V RECT, P , State 2 is controlled by the control signal V GM , and V LX is the negative DC voltage V RECT, V DD .

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압용 이중 입력 직류-직류 변환기를 이용한 마찰전기 에너지 하베스팅 장치에 사용되는 마찰전기 전력원의 최대 전력점을 추적하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 3 is a diagram for explaining a method of tracking a maximum power point of a triboelectric power source used in a triboelectric energy harvesting apparatus using a high-voltage double-input DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 마찰전기 전력원의 출력으로부터 나오는 전압을 각각 수확한다는 가정하에 양의 직류 전압(VRECT,P)과 음의 직류 전압(VRECT,M)의 최대 출력점을 분리하여 분석한다. 3, a maximum output point of a positive DC voltage (V RECT, P ) and a negative DC voltage (V RECT, M ) are separated and analyzed on the assumption that the voltage coming from the output of the triboelectric power source is respectively harvested do.

먼저, 아래 [수학식 1]을 적용하여 양의 직류 전압(VRECT.P)으로부터 활용할 수 있는 전하량(QHV,P)을 산출할 수 있다.First, the amount of charge (Q HV, P ) usable from the positive DC voltage (V RECT.P ) can be calculated by applying the following formula (1).

Figure 112018010150224-pat00001
Figure 112018010150224-pat00001

즉, 양의 직류 전압(VRECT.P)으로부터 활용할 수 있는 전하량(QAV,P)은 마찰전기 전력원으로부터 발생하여 양의 직류 전압(VRECT,P)을 형성하는 총 전하량(QHV,P)에서 기생 커패시터 CTENG에 의해 손실되는 전하량(QLOSS,P)을 제함으로써 계산할 수 있다. That is, the amount of charge (Q AV, P ) that can be utilized from the positive DC voltage (V RECT.P ) is calculated from the total electric charge amount (Q HV, P ) generated from the triboelectric power source and forming the positive DC voltage P ) by subtracting the amount of charge (Q LOSS, P ) lost by the parasitic capacitor C TENG .

또한, [수학식 2]를 적용하여 이용가능한 총 전하량을 바탕으로 전력량(PAV,P)을 계산할 수 있다. 양의 전압에 대한 최대 전력점은 [수학식 2]를 VRECT,P로 미분하여 전력점이 최대가 되는 전압 VRECT,P를 찾으면 [수학식 3]으로 나타난다. In addition, the amount of power (P AV , P ) can be calculated based on the total amount of charge available by applying Equation (2). The maximum power point with respect to the positive voltage is expressed by Equation (3) when the voltage V RECT, P in which the power point is maximized by differentiating (2) into V RECT, P is found.

Figure 112018010150224-pat00002
Figure 112018010150224-pat00002

Figure 112018010150224-pat00003
Figure 112018010150224-pat00003

이를 전하량 QAV와 기생 커패시터 CTENG를 통해 최대 전력점에 해당되는 전압 VRECT,P를 open-circuit 전압(VOC,P)으로 나타낼 수 있다. The voltage V RECT, P, which corresponds to the maximum power point, can be expressed as an open-circuit voltage (V OC, P ) through the charge quantity Q AV and the parasitic capacitor C TENG .

따라서, 마찰전기 에너지 하베스팅 회로에 탑재될 최대 출력점 추적 기술은 직류-직류 변환기의 입력 전압을 open-circuit 전압의 약 35%에 해당되는 양의 직류 전압이 되도록 제어하면 구현될 수 있다.Therefore, the maximum output point tracking technology to be mounted on the triboelectric energy harvesting circuit can be realized by controlling the input voltage of the DC-DC converter to be a DC voltage of about 35% of the open-circuit voltage.

마찬가지 방법으로 음의 직류 전압에 대하여 최대 전력점을 추적하면 open-circuit 전압(VOC,N)의 약 35%에 해당하는 음의 전압이 되도록 제어하여 얻을 수 있다.In the same way, tracking the maximum power point with respect to negative DC voltage can be obtained by controlling the negative voltage to be about 35% of the open-circuit voltage (V OC, N ).

도 4는 도 3에서 제시한 최대 출력점 분석을 시뮬레이션한 결과로, 이론값과 측정값을 비교한 파형이다. 이론값은 점선으로 표시하고, 측정값은 실선으로 표시하였다.FIG. 4 is a waveform obtained by simulating the maximum output point analysis shown in FIG. 3 and comparing a theoretical value with a measured value. The theoretical values are indicated by dotted lines and the measured values are indicated by solid lines.

도 4를 참조하면, 이론값과 측정값은 스케일에 따라 하나의 곡선으로 보일 정도로 오차가 매우 작은 것을 알 수 있다. 구체적으로, 오픈 회로의 전압(열린 회로 전압)이 83.7V인 경우, 최대 출력점은 30.6V로 측정되었고, 이론적으로 계산한 이론값은 29.6V로 계산되어 오차율이 3.27퍼센트로 매우 작은 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 4, it can be seen that the theoretical value and the measured value are so small that they can be seen as one curve according to the scale. Specifically, when the voltage of the open circuit (open circuit voltage) is 83.7 V, the maximum output point is measured at 30.6 V, and the theoretically calculated theoretical value is calculated as 29.6 V, indicating that the error rate is very small at 3.27% have.

따라서, 양과 음의 오픈 회로(open-circuit)의 출력값과 최대 출력점의 관계가 오픈 회로 출력값의 35퍼센트가 되도록 제어하면 되는 것을 검증하였다.Therefore, it was verified that the relationship between the output value of the positive and negative open circuit and the maximum output point was controlled to be 35% of the open circuit output value.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압용 이중 입력 직류-직류 변환기를 이용한 마찰전기 에너지 하베스팅 장치에 사용되는 제어회로부(Synchronous pulse-skipping modulation)의 회로도 및 동작 파형을 나타낸다. FIG. 5 shows a circuit diagram and operation waveform of a synchronous pulse-skipping modulation used in a triboelectric energy harvesting apparatus using a high-voltage double-input DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 제어회로부(400)는 제1, 제2 비교기, 및 스위칭부를 포함하여 구성될 수 있다. Referring to FIG. 5, the control circuit 400 may include first and second comparators, and a switching unit.

VDD 먹스(MUX)(미도시)는 직류-직류 변환부(300)의 출력 전압과 음의 직류 전압(VRECT,M)의 전압 크기에 기초하여 음의 직류 전압(VRECT,M)을 출력 단자로 전달할지 결정하는 인에이블 신호(VEN)를 생성할 수 있다. The V DD MUX outputs a negative DC voltage V RECT, M based on the output voltage of the DC-DC converter 300 and the voltage magnitude of the negative DC voltage V RECT, (V EN ) which determines whether to transfer the signal to the output terminal.

제1 비교기는 먹스로부터 인에이블 신호(VEN)를 수신한 경우, 양의 직류 전압(VRECT,PL)과 제1 기준전압(VREF,P)을 비교하여 제어신호를 생성하고, 제2 비교기는 음의 직류 전압(VRECT,ML)과 제2 기준전압(VREF,M)을 비교하여 제어신호를 생성할 수 있다. 이때, 비교기로 입력되는 양의 직류 전압(VRECT,PL)과 음의 직류 전압(VRECT,ML)은 VRECT,P과 VRECT,M가 전압 분배기를 통해 출력된 값을 나타낸다. The first comparator compares the positive DC voltage V RECT, PL with the first reference voltage V REF, P to generate a control signal when the enable signal V EN is received from the MUX , The comparator can generate the control signal by comparing the negative DC voltage (V RECT, ML ) with the second reference voltage (V REF, M ). At this time, the DC voltage of the positive input to the comparator (V RECT, PL) and a negative direct current voltage (V RECT, ML) of the V RECT, P and V RECT, M represents a value output from the voltage divider.

구체적으로, 고전압용 이중 입력 직류-직류 변환기의 두 입력 전압인 VRECT,P와 VRECT,M를 두 개의 비교기가 모니터링한다. VRECT,P가 기준 전압인 VREF,P보다 높은 경우, φP은 1, VRECT,P가 기준 전압인 VREF,P보다 높지 않은 경우, φP은 0을 나타낸다. Specifically, two comparators monitor the two input voltages V RECT, P and V RECT, M of a high voltage dual input DC-DC converter. If V RECT, if P is the reference voltage V REF, is higher than P, φ P is 1, V RECT, P is the reference voltage V REF, is not higher than P, φ P represents 0.

또한, VRECT,M이 기준 전압인 VREF,M보다 높으면 φM은 1, VRECT,M이 기준 전압인 VREF,M보다 높지 않으면 φM은 0을 나타낸다. 이 두 비교기의 출력 신호인 φP와 φM에 따라 전력 전달용 스위치인 MP와 MM의 제어 신호가 각 스위치로의 인가 여부를 결정한다. 먼저 φP가 1이고 φM이 0인 경우, VRECT,P만 최종 출력단으로 전력을 공급하기에 충분하다는 것을 의미하므로 스위치 제어 신호인 VGP만 인가되고 VGP가 0이 되는 순간에 NMOS를 구동하는 신호 VGN이 맞춰서 발생하게 된다. Also, if V RECT, M is the reference voltage V REF, is higher than the M φ M is 1, V RECT, M is the reference voltage V REF, is not higher than M φ M represents 0. The control signals of the power transfer switches M P and M M are determined according to the output signals φ P and φ M of the two comparators. First, when φ P is 1 and φ M is 0, it means that V RECT, P is sufficient to supply power to the final output. Therefore, only V GP , which is the switch control signal, is applied. At the moment V GP becomes 0, So that the driving signal V GN is generated.

스위칭부는 제1 비교기와 제2 비교기의 출력값(φM, φP)에 따라 양의 직류 전압(VRECT,P) 또는 음의 직류 전압(VRECT,M)을 출력 단자로 전달할지 스위칭할 수 있다. 제어회로부(400)는 POR(Power-on-reset) 회로는 전압 VRECR,M을 감지하여 미리 설정된 내부 기준 전압보다 높아지면 제어 신호를 출력하면서 회로를 동작시킨다. 제어 신호가 출력된 직후에는 CIN,M에 저장된 전력은 제어부를 구동시키는 전력으로 사용되므로 최종 출력단(VOUT)으로 전달될 수 없고, CIN,P에 저장된 전력만 최종 출력단(VOUT)으로 전달된다. The switching unit can switch whether the positive DC voltage V RECT, P or the negative DC voltage V RECT, M is transferred to the output terminal according to the output values φ M , φ P of the first comparator and the second comparator have. The control circuit unit 400 operates the circuit while the power-on-reset (POR) circuit detects the voltage VRECR, M and outputs a control signal when the voltage becomes higher than a preset internal reference voltage. Shortly after the control signal is output, the power stored in the C IN, M's are used as a power for driving the control unit to the final output terminal (V OUT) can not be transmitted to, C IN, power, only the last output terminal (V OUT) is stored in P .

이와 유사하게, VRECT,M만 전력을 전달하기에 충분하다면 VGM만 스위치에 인가되고 이에 맞춰 VGN이 NMOS에 인가된다. 마지막 경우로, VRECT,P와 VRECT,M이 모두 전력을 전달하기에 충분히 높은 전압을 형성하고 있다면 VGP가 스위치 MP를 동작시키고, MP가 꺼짐과 동시에 VGM이 MM을 동작시키게 된다. 그리고 MM이 꺼지는 순간에 마지막으로 VGN이 NMOS를 구동하여 전력 전달 과정을 마치게 된다.Similarly, if only V RECT, M is sufficient to carry power, only V GM is applied to the switch and V GN is applied to the NMOS accordingly. In the last case, V RECT, P and V RECT, M is all there is formed a sufficiently high voltage to deliver power V GP is to operate the switch M P, M P is turned off and at the same time V GM is operating a M M . Finally, at the moment M M turns off, V GN finally drives the NMOS to complete the power transfer process.

제1 비교기와 제2 비교기의 출력값(φM, φP)에 따라, 즉 (φM, φP)=(1, 0), (0, 1), (1, 1)인지에 따라, 스위칭부의 스위칭 상태가 변경되어, 출력 단자로 전달되는 IL이 달라질 수 있다.According to the recognition, that is, (φ M, φ P) = (1, 0), (0, 1), (1, 1) in accordance with the first comparator and the output of the second comparator (φ M, φ P), a switching The switching state of the part is changed, and the I L transmitted to the output terminal can be changed.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The description above is merely illustrative of the technical idea of the present invention and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.

100: 마찰전기 전력원 200: 교류-직류 변환부
300: 직류-직류 변환부 400: 제어회로부
500: 고전압 보호부
100: Triboelectric power source 200: AC-DC converter
300: DC-DC converter 400: Control circuit
500: High Voltage Protection Unit

Claims (7)

마찰전기를 전달하는 마찰전기 전력원;
상기 마찰전기 전력원으로부터 전달된 두 개의 교류 전압을 두 개의 직류 전압으로 변환하는 교류-직류 변환부;
상기 교류-직류 변환부에서 변환된 두 개의 직류 전압의 크기를 설정된 비율로 변환하는 직류-직류 변환부;
상기 직류-직류 변환부의 출력 전압과 상기 교류-직류 변환부에서 변환된 두 개의 직류 전압 크기에 기초하여, 상기 두 개의 직류 전압 중 양의 직류 전압 또는 음의 직류 전압 중 적어도 하나가 출력 단자로 전달되도록 제어하는 제어회로부; 및
다수의 P형 LDMOS, 및 레벨 시프터(Level Shifter)를 포함하여 구성되는 고전압 보호부;
를 포함하는, 마찰전기 에너지 하베스팅 장치.

A triboelectric power source for transferring triboelectricity;
An AC-DC converter for converting two AC voltages delivered from the triboelectric power source into two DC voltages;
A DC-DC converting unit converting the magnitude of the two DC voltages converted by the AC-DC converting unit into a predetermined ratio;
Wherein at least one of a positive DC voltage or a negative DC voltage of the two DC voltages is transmitted to an output terminal based on an output voltage of the DC-DC converter and two DC voltage magnitudes converted by the AC- A control circuit unit for controlling the control circuit unit to be controlled; And
A high voltage protection unit including a plurality of P-type LDMOSs, and a level shifter;
And a triboelectric energy harvesting device.

삭제delete 제1항에 있어서,
상기 고전압 보호부는, 상기 두 개의 직류 전압에 따라 정격 전압을 만족시키면 각각의 P형 LDMOS를 온 상태에서 오프 상태로 전환하고, 상기 음의 직류 전압의 크기를 상기 정격 전압의 크기만큼 낮은 전압으로 다운시켜 상기 출력 단자로 전달하는, 마찰전기 에너지 하베스팅 장치.
The method according to claim 1,
The high voltage protection unit switches the P-type LDMOS from the ON state to the OFF state when the rated voltage is satisfied according to the two DC voltages, and reduces the magnitude of the negative DC voltage to a voltage as low as the rated voltage To the output terminal.
제1항에 있어서,
상기 제어회로부는, 상기 교류-직류 변환부에서 변환된 두 개의 직류 전압을 서로 다른 커패시터에 각각 저장하고, 상기 두 개의 직류 전압의 최대출력점을 추적하여 상기 최대출력점에 대응하는 두 개의 직류 전압을 상기 직류-직류 변환부로 전달하는, 마찰전기 에너지 하베스팅 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the control circuit unit stores the two DC voltages converted by the AC-DC converter in different capacitors, tracks the maximum output point of the two DC voltages, and outputs two DC voltages corresponding to the maximum output point To the DC-DC converting unit, the triboelectric energy harvesting device.
제4항에 있어서,
상기 제어회로부는, 상기 두 개의 직류 전압이 상기 교류-직류 변환부의 오픈 회로 전압의 설정된 퍼센트 전압에 대응하는 경우, 최대출력점으로 판단하여 상기 두 개의 직류 전압을 상기 직류-직류 변환부로 전달하는, 마찰전기 에너지 하베스팅 장치.
5. The method of claim 4,
Wherein the control circuit unit determines that the two DC voltages correspond to a set percentage voltage of the open circuit voltage of the AC-DC converter, and transmits the two DC voltages to the DC- Friction electric energy harvesting device.
제1항에 있어서,
상기 제어회로부는, 출력 전압이 상기 음의 전압보다 커질 때까지 상기 양의 전압을 상기 출력 단자로 전달하고, 상기 출력 전압이 상기 음의 전압보다 커지면, 상기 음의 전압을 상기 출력 단자로 전달하는, 마찰전기 에너지 하베스팅 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the control circuit section transfers the positive voltage to the output terminal until the output voltage becomes greater than the negative voltage and transfers the negative voltage to the output terminal when the output voltage is greater than the negative voltage , Triboelectric energy harvesting device.
제1항에 있어서,
상기 제어회로부는, 상기 직류-직류 변환부의 출력 전압과 상기 음의 직류 전압의 전압 크기에 기초하여 상기 음의 직류 전압을 상기 출력 단자로 전달할지 결정하는 인에이블 신호를 생성하는 먹스(MUX);
상기 먹스로부터 인에이블 신호를 수신한 경우, 상기 양의 직류 전압과 제1 기준전압을 비교하는 제1 비교기와 상기 음의 직류 전압과 제2 기준전압을 비교하는 제2 비교기; 및
상기 제1 비교기와 상기 제2 비교기의 출력값에 따라 상기 양의 직류 전압 또는 상기 음의 직류 전압을 상기 출력 단자로 전달할지 결정하는 스위칭부;
를 포함하여 구성되는, 마찰전기 에너지 하베스팅 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the control circuit part generates an enable signal for determining whether to deliver the negative DC voltage to the output terminal based on a voltage magnitude of the output voltage of the DC-DC converter and the negative DC voltage;
A first comparator for comparing the positive DC voltage with a first reference voltage when an enable signal is received from the mux, a second comparator comparing the negative DC voltage and a second reference voltage; And
A switching unit for determining whether to deliver the positive DC voltage or the negative DC voltage to the output terminal according to an output value of the first comparator and the second comparator;
And a triboelectric energy harvesting device.
KR1020180010871A 2018-01-29 2018-01-29 Triboelectric energy harvesting device with high voltage dual input dc-dc converter KR101982634B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180010871A KR101982634B1 (en) 2018-01-29 2018-01-29 Triboelectric energy harvesting device with high voltage dual input dc-dc converter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180010871A KR101982634B1 (en) 2018-01-29 2018-01-29 Triboelectric energy harvesting device with high voltage dual input dc-dc converter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101982634B1 true KR101982634B1 (en) 2019-05-24

Family

ID=66680207

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180010871A KR101982634B1 (en) 2018-01-29 2018-01-29 Triboelectric energy harvesting device with high voltage dual input dc-dc converter

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101982634B1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210033185A (en) * 2019-09-18 2021-03-26 고려대학교 산학협력단 Dual input triboelectric energy harvestin system based on single inductor sharing with maximum power point tracking
CN113341213A (en) * 2021-06-11 2021-09-03 重庆大学 Single-power-supply portable friction nano generator sensor

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"An Energy-Recycling Three-Switch Single-Inductor Dual-Input Buck/Boost DC-DC Converter with 93% Peak Conversion Efficiency... ",Hsuan-Ju Chen, ISSCC 2015/Feb./25 (2015.02.25. 공개)* *
"High efficiency power management and charge boosting strategy for a triboelectric nanogenerator",Xiaoliang Cheng, Nano Energy 38 (2017) 438-446 (2017.06.08. 공개) *
"Universal power management strategy for triboelectric nanogenerator", Fengben Xi, Nano Energy 37 (2017) 168-176 (2017.05.12. 공개) *
Stefano Stanzione, ISSCC 2015/February/25 (2015.02.25. 공개)* *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210033185A (en) * 2019-09-18 2021-03-26 고려대학교 산학협력단 Dual input triboelectric energy harvestin system based on single inductor sharing with maximum power point tracking
KR102333862B1 (en) * 2019-09-18 2021-12-03 고려대학교 산학협력단 Dual input triboelectric energy harvestin system based on single inductor sharing with maximum power point tracking
CN113341213A (en) * 2021-06-11 2021-09-03 重庆大学 Single-power-supply portable friction nano generator sensor
CN113341213B (en) * 2021-06-11 2024-04-26 重庆大学 Portable friction nano generator sensor powered by single power supply

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9071127B2 (en) Direct current voltage conversion circuit having multiple operational configurations
US8310109B2 (en) Power management DC-DC converter and method for induction energy harvester
TWI437802B (en) Constant on-time switching regulator, and control method and on-time calculation circuit therefor
US6020729A (en) Discrete-time sampling of data for use in switching regulators
US9577543B2 (en) Constant on time (COT) control in isolated converter
US9954455B2 (en) Constant on time COT control in isolated converter
WO2009024584A3 (en) Dc/dc converter arrangement and method for dc/dc conversion
KR20140075102A (en) Apparatus for converting energy
CN109410817B (en) Power supply control device and display device
US9397517B2 (en) Cable compensation by zero-crossing compensation current and resistor
TW200818680A (en) DC-DC converter and method
US10270353B2 (en) Constant on-time (COT) control in isolated converter
US10651736B1 (en) Multi-level converter with continuous conduction mode (CCM) and discontinuous conduction mode (DCM)
KR101982634B1 (en) Triboelectric energy harvesting device with high voltage dual input dc-dc converter
EP2642657A2 (en) AC-DC converter and charge and discharge system thereof
EP1450476A3 (en) Power converter circuit
US20160079877A1 (en) Constant on-time (cot) control in isolated converter
US20160079876A1 (en) Constant on-time (cot) control in isolated converter
CN107846048B (en) Charging circuit, capacitive power supply conversion circuit thereof and charging control method
EP3195455A1 (en) Constant on-time (cot) control in isolated converter
KR102333862B1 (en) Dual input triboelectric energy harvestin system based on single inductor sharing with maximum power point tracking
EP3278439B1 (en) Constant on-time (cot) control in isolated converter
JP6530486B2 (en) Constant On Time (COT) Control in Isolated Converters
Park et al. A conversion-ratio-insensitive high efficiency soft-charging-based SC DC-DC boost converter for energy harvesting in miniature sensor systems
EP3195460A1 (en) Constant on-time (cot) control in isolated converter

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant