KR102198601B1 - Apparatus for Controlling a Thermoelectric Generator - Google Patents

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Abstract

열전 발전기 제어 방법 및 장치를 개시한다.
본 실시예에 의하면, 최대전력점 추적(MPPT: Maximum Power Point Tracking) 및 영전류 스위칭(ZCS: Zero-Current Switching)을 기반으로 에너지 하베스팅 장치에서 복수의 열전 발전기를 이용하는 경우에도 생산 전력량 대비 전달 전력량의 효율성이 떨어지지 않는 열전 발전기 제어 장치를 제공한다.Disclosed is a thermoelectric generator control method and apparatus.
According to the present embodiment, even when a plurality of thermoelectric generators are used in an energy harvesting device based on MPPT (Maximum Power Point Tracking) and Zero-Current Switching (ZCS), the amount of power produced is transmitted. Provides a thermoelectric generator control device that does not decrease the efficiency of power consumption.

Description

열전 발전기 제어 장치{Apparatus for Controlling a Thermoelectric Generator}Thermoelectric Generator Control Device {Apparatus for Controlling a Thermoelectric Generator}

본 실시예는 열전 발전기 제어 장치에 관한 것이다. This embodiment relates to a thermoelectric generator control device.

이하에 기술되는 내용은 단순히 본 실시예와 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다.The contents described below merely provide background information related to the present embodiment and do not constitute the prior art.

최근 사람-사물 간의 통신 뿐만 아니라 사물-사물 간의 통신까지 무선 네트워킹 영역을 확대하기 위한 USN(Ubiquitous Sensor Network) 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. USN 구현의 핵심 블록인 센서 노드의 구동을 위해서는 센서 노드 규격에 적합하도록 크기가 작고, 무게가 가벼우며 긴 수명을 가지는 전원소자를 사용하는 것이 중요하다. 센서 노드는 반영구적으로 일정 부위에 부착되어 상시 모니터링 및 상호 통신기능을 수행하는 장치이므로, 교체가 어려운 1차 전지보다는 지속적으로 사용 가능한 2차 전지가 보다 적합하다. 그러나 센서 노드는 일반적으로 유선 충전이 불가능한 위치에 존재하므로 무선충전이나 자가발전(Self-Powered) 기능이 필요하며, 자가발전 또는 배터리 대용으로 사용될 수 있는 기술이 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술이다.Recently, development of a Ubiquitous Sensor Network (USN) technology for expanding the wireless networking area to communication between objects and objects as well as communication between objects and objects has been actively conducted. In order to drive the sensor node, which is the core block of the USN implementation, it is important to use a power device that is small in size, light in weight, and has a long life to meet the sensor node standard. Since the sensor node is a device that is semi-permanently attached to a certain area to perform constant monitoring and communication functions, a secondary battery that can be used continuously is more suitable than a primary battery that is difficult to replace. However, since the sensor node generally exists in a location where wired charging is not possible, a wireless charging or self-powered function is required, and an energy harvesting technology that can be used for self-generation or battery replacement is energy harvesting technology.

에너지 하베스팅에 사용되는 열전 발전기(TEG: ThermoElectric Generator)는 고온부와 저온부의 온도차에 비례하여 전력을 생산한다. 종래에는 온도차를 크게 하여 생산 전력량을 높이는 것에 중점을 두고 연구가 이루어졌다. 하지만, 에너지 하베스팅은 생산 전력량을 높이는 것 외에도 생산된 전력을 효율적으로 이용하는 것도 중요하다. 에너지 하베스팅에 열전 발전기를 사용하는 경우, 열전 발전기에서 생산되는 전력량은 온도 차에 의해서 변하기 때문에, 열전 발전기가 발생시키는 전력의 양은 시간에 따라서 일정하지 않고 변할 수 있다. 열전 발생기가 발생시키는 전력의 양이 일정하지 않고 시간에 따라서 변할 수 있기 때문에, 전력을 소비하는 부하부에 파워 게이팅 기법을 적용해서 파워 게이팅의 온과 오프의 시간을 조절함으로써 부하부의 전력 소모량을 열전 발생기가 생성하는 전력의 양과 일치시켜줘야 한다. 따라서 이렇게 부하부의 전력 소모량을 열전 발생기가 생성하는 전력의 양과 일치시키는 작업을 자동적으로 수행할 수 있는 열전 발전기 제어장치가 필요하다. The thermoelectric generator (TEG) used for energy harvesting produces power in proportion to the temperature difference between the hot and cold sections. Conventionally, research has been conducted with an emphasis on increasing the amount of power produced by increasing the temperature difference. However, in energy harvesting, in addition to increasing the amount of power produced, it is also important to efficiently use the generated power. When a thermoelectric generator is used for energy harvesting, since the amount of power produced by the thermoelectric generator changes due to a temperature difference, the amount of power generated by the thermoelectric generator may not be constant and may change over time. Since the amount of power generated by the thermoelectric generator is not constant and can change over time, the power consumption of the load is reduced by applying the power gating technique to the power consuming load and controlling the power gating on and off time. It must match the amount of power the generator generates. Therefore, there is a need for a thermoelectric generator control device capable of automatically performing the task of matching the power consumption of the load unit with the amount of power generated by the thermoelectric generator.

본 실시예는, 최대전력점 추적(MPPT: Maximum Power Point Tracking) 및 영전류 스위칭(ZCS: Zero-Current Switching)을 기반으로 에너지 하베스팅 장치에서 복수의 열전 발전기를 이용하는 경우에도 생산 전력량 대비 전달 전력량의 효율성이 떨어지지 않는 열전 발전기 제어 장치를 제공하는 데 목적이 있다. 좀 더 구체적으로, 에너지 하베스팅에 열전 발전기를 사용하는 경우, 열전 발전기에서 생산되는 전력량은 온도 차에 의해서 변하기 때문에, 열전 발전기가 발생시키는 전력의 양은 시간에 따라서 일정하지 않고 변할 수 있다. 열전 발생기가 발생시키는 전력의 양이 일정하지 않고 시간에 따라서 변할 수 있기 때문에, 전력을 소비하는 부하부에 파워 게이팅 기법을 적용해서 파워 게이팅의 온과 오프의 시간을 조절함으로써 부하부의 전력 소모량을 열전 발생기가 생성하는 전력의 양과 일치시켜줘야 전력 발생부에서 발생시킨 최대의 전력을 부하부에서 사용할 수 있다. 따라서 이렇게 부하부의 전력 소모량을 열전 발생기가 생성하는 전력의 양과 일치시키는 작업을 자동적으로 수행할 수 있는 열전 발전기 제어장치가 필요한데, 본 특허에서 이러한 작업을 자동적으로 수행할 수 있는 기능이 포함된 열전 발전기 제어장치를 제공하고자 한다.This embodiment is based on the maximum power point tracking (MPPT) and zero-current switching (ZCS: Zero-Current Switching), even when a plurality of thermoelectric generators are used in the energy harvesting device It is an object to provide a thermoelectric generator control device that does not lose its efficiency. More specifically, when a thermoelectric generator is used for energy harvesting, since the amount of power produced by the thermoelectric generator changes according to a temperature difference, the amount of power generated by the thermoelectric generator may not be constant and may change over time. Since the amount of power generated by the thermoelectric generator is not constant and can change over time, the power consumption of the load is reduced by applying the power gating technique to the power consuming load and controlling the power gating on and off time. The maximum power generated by the power generation unit can be used by the load unit only when the amount of power generated by the generator is matched. Therefore, there is a need for a thermoelectric generator control device that can automatically perform the task of matching the power consumption of the load part with the amount of power generated by the thermoelectric generator. In this patent, a thermoelectric generator that includes a function to automatically perform such tasks We want to provide a control device.

본 실시예의 일 측면에 의하면, 열전모듈의 고온부와 저온부의 온도차이를 기반으로 발생된 열전전압을 기반으로 최대전력점(MPP: Maximum Power Point)을 추적하여 상기 최대전력점에 대응하는 전압인 최적 열전전압을 산출하고, 상기 최적 열전전압에 따라 공급전력을 적어도 하나 이상의 출력단으로 공급하기 위한 스위칭 정보를 생성하는 하베스팅부; 상기 스위칭 정보를 수신하여 상기 스위칭 정보에 따라 상기 출력단에 상기 공급전력을 저장하는 저장부; 및 상기 최적 열전전압을 기반으로 부하에 공급하는 전력을 조절하기 위해 파워 게이트(Power Gate)의 턴온(Turn-On) 시간을 제어하는 타이밍 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 발전기 제어장치를 제공한다.According to an aspect of the present embodiment, a maximum power point (MPP) is tracked based on the thermoelectric voltage generated based on the temperature difference between the high temperature and the low temperature of the thermoelectric module, and the optimum voltage corresponding to the maximum power point is A harvesting unit that calculates a thermoelectric voltage and generates switching information for supplying supply power to at least one output terminal according to the optimum thermoelectric voltage; A storage unit receiving the switching information and storing the supply power in the output terminal according to the switching information; And a timing controller for controlling a turn-on time of a power gate in order to adjust power supplied to a load based on the optimum thermoelectric voltage. .

이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 본 발명에서는, 최대전력점 추적(MPPT: Maximum Power Point Tracking) 및 영전류 스위칭(ZCS: Zero-Current Switching)을 기반으로 에너지 하베스팅 장치에서 사용할 수 있는 열전 발전기 제어 장치를 제공하는 데 목적이 있다. 좀 더 구체적으로, 에너지 하베스팅에 열전 발전기를 사용하는 경우, 열전 발전기에서 생산되는 전력량은 온도 차에 의해서 변하기 때문에, 열전 발전기가 발생시키는 전력의 양은 시간에 따라서 일정하지 않고 변할 수 있다. 열전 발생기가 발생시키는 전력의 양이 일정하지 않고 시간에 따라서 변할 수 있기 때문에, 전력을 소비하는 부하부에 파워 게이팅 기법을 적용해서 파워 게이팅의 온과 오프의 시간을 조절함으로써 부하부의 전력 소모량을 열전 발생기가 생성하는 전력의 양과 일치시켜줘야 전력 발생부에서 발생시킨 최대의 전력을 부하부에서 사용할 수 있다. 따라서 본 특허의 기술을 사용하면, 부하부의 전력 소모량을 열전 발생기가 생성하는 전력의 양과 일치시키는 작업을 자동으로 수행하게 할 수 있다.As described above, according to the present embodiment, in the present invention, it can be used in an energy harvesting device based on maximum power point tracking (MPPT) and zero-current switching (ZCS). It is an object to provide a thermoelectric generator control device. More specifically, when a thermoelectric generator is used for energy harvesting, since the amount of power produced by the thermoelectric generator changes according to a temperature difference, the amount of power generated by the thermoelectric generator may not be constant and may change over time. Since the amount of power generated by the thermoelectric generator is not constant and can change over time, the power consumption of the load is reduced by applying the power gating technique to the power consuming load and controlling the power gating on and off time. The maximum power generated by the power generation unit can be used by the load unit only when the amount of power generated by the generator is matched. Therefore, using the technology of this patent, it is possible to automatically perform a task of matching the amount of power consumption of the load unit with the amount of power generated by the thermoelectric generator.

또한 본 실시예에 의하면, 복수의 열전모듈을 기반으로 전력을 생산하여 의료센서, 손목시계 등에 적용하고, 이를 기반으로 웨어러블 디바이스(Wearable Device)에 효율적으로 전력을 공급하는 효과가 있다.In addition, according to the present embodiment, power is generated based on a plurality of thermoelectric modules, applied to a medical sensor, a wrist watch, and the like, and based on this, there is an effect of efficiently supplying power to a wearable device.

도 1은 본 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템을 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 열전 발전기 제어장치를 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 3의 (a) 및 (b)는 본 실시예에 따른 열전 발전기 제어장치를 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 회로도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 실시예에 따른 타이밍 제어부의 구조를 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 5는 본 실시예에 따른 열전 발전기 제어장치의 동작 파형을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 실시예에 따른 열전 발전기 제어방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7은 본 실시예에 따른 열전모듈을 설명하기 위한 개념도이다.
도 8은 본 실시예에 따른 열전 발전기 제어장치의 실시 결과를 예시한 도면이다.1 is a block diagram illustrating an energy harvesting system according to the present embodiment.
2 is a block diagram illustrating a thermoelectric generator control apparatus according to the present embodiment.
3A and 3B are circuit diagrams schematically showing the thermoelectric generator control apparatus according to the present embodiment.
4A and 4B are block diagrams for explaining the structure of a timing controller according to the present embodiment.
5 is a view for explaining the operation waveform of the thermoelectric generator control apparatus according to the present embodiment.
6 is a flowchart illustrating a method of controlling a thermoelectric generator according to the present embodiment.
7 is a conceptual diagram illustrating a thermoelectric module according to the present embodiment.
8 is a diagram illustrating an implementation result of the thermoelectric generator control apparatus according to the present embodiment.

이하, 본 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, this embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.This embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the constituent elements of the present invention, terms such as first and second may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, order, or order of the component is not limited by the term.

본 실시예에서 '포함'이라는 용어는 명세서 상에 기재된 구성요소, 특징, 단계 또는 이들을 조합한 것이 존재한다는 것이지, 하나 또는 복수 개의 구성요소나 다른 특징, 단계 또는 이들을 조합한 것의 존재 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 또한, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In this embodiment, the term'comprising' means that elements, features, steps, or combinations thereof described in the specification exist, and the possibility of existence of one or a plurality of elements, other features, steps, or combinations thereof is excluded in advance. It should be understood as not doing. In addition, when a component is described as being "connected", "coupled" or "connected" to another component, the component may be directly connected or connected to the other component, but between each component It should be understood that other components may be “connected”, “coupled” or “connected”.

도 1은 본 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템을 설명하기 위한 블록 구성도이다.1 is a block diagram illustrating an energy harvesting system according to the present embodiment.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템은 열전 발전기(110), 열전 발전기 제어장치(120), 부하부(130)를 포함한다. 에너지 하베스팅 시스템에 포함된 구성요소는 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.Referring to FIG. 1, the energy harvesting system according to the present embodiment includes a thermoelectric generator 110, a thermoelectric generator control device 120, and a load unit 130. Components included in the energy harvesting system are not necessarily limited thereto.

열전 발전기(110)는 고온부와 저온부의 온도차이를 기반으로 열전전압을 발생시키는 열전모듈을 포함한다. 열전 발전기는 고온부와 저온부의 온도차이에 따라 기전력을 획득할 수 있는데, 온도차이가 클수록 고전력의 에너지를 획득할 수 있다. 도 3의 (a)를 참조하면, 열전 발전기(110)의 점선 부분은 복수의 열전 발전기로 구성된 열전모듈의 등가회로를 의미한다.The thermoelectric generator 110 includes a thermoelectric module that generates a thermoelectric voltage based on a temperature difference between the high temperature portion and the low temperature portion. The thermoelectric generator may obtain an electromotive force according to a temperature difference between a high temperature portion and a low temperature portion. As the temperature difference increases, energy of high power may be obtained. Referring to (a) of FIG. 3, a dotted line portion of the thermoelectric generator 110 means an equivalent circuit of a thermoelectric module composed of a plurality of thermoelectric generators.

열전 발전기 제어장치(120)는 열전모듈을 이용하여 열전전압을 발생시킨다. 열전모듈은 복수개의 열전 발전기(TEG: ThermoElectric Generator)(110)로 구성되며, 열전 발전기(110)는 반도체 양단의 온도 차이를 이용하여 기전력을 발생시키는 기기를 말한다. The thermoelectric generator control device 120 generates a thermoelectric voltage using a thermoelectric module. The thermoelectric module is composed of a plurality of thermoelectric generators (TEGs) 110, and the thermoelectric generator 110 refers to a device that generates electromotive force by using a temperature difference between both ends of a semiconductor.

열전 발전기 제어장치(120)는 열전전압을 이용하여 최대전력점(MPP: Maximum Power Point)을 추적한다. 열전 발전기 제어장치(120)는 최대전력점 추적(MPPT: Maximum Power Point Tracking)을 기반으로 출력단에 최대전력을 계산하여 전달할 수 있다.The thermoelectric generator control device 120 tracks a maximum power point (MPP) using a thermoelectric voltage. The thermoelectric generator control device 120 may calculate and transmit the maximum power to the output terminal based on the maximum power point tracking (MPPT).

열전 발전기 제어장치(120)는 스위칭 정보를 기반으로 최대전력을 복수의 출력단으로 전달할 수 있다. 스위칭 정보는 스위칭 주파수, 스위칭 주기 등을 포함하는 정보이다. 열전 발전기 제어장치(120)는 영전류 스위칭(ZCS: Zero Current Switching)을 기반으로 스위칭 정보를 제어하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The thermoelectric generator control device 120 may transmit maximum power to a plurality of output terminals based on switching information. The switching information is information including a switching frequency and a switching period. The thermoelectric generator control device 120 controls switching information based on zero current switching (ZCS), but is not limited thereto.

부하부(130)는 열전 발전기 제어장치(120)에 의해 생산된 전력을 이용한다. 예컨대, 부하부(130)는 손목시계와 같은 웨어러블 디바이스(Wearable Devices)일 수 있으며, 각종 센서에 이용될 수도 있다.The load unit 130 uses the electric power produced by the thermoelectric generator control device 120. For example, the load unit 130 may be a wearable device such as a wrist watch, and may be used for various sensors.

도 2는 본 실시예에 따른 열전 발전기 제어장치를 설명하기 위한 블록 구성도이다.2 is a block diagram illustrating a thermoelectric generator control apparatus according to the present embodiment.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 열전 발전기 제어장치(120)는 DC-DC 컨버터부(210), 최대전력점 추적 제어부(220), 스위칭 정보 생성부(230), 에너지 저장부(240) 및 타이밍 제어부(250)를 포함한다. 하베스팅부(미도시)는 DC-DC 컨버터부(210), 최대전력점 추적 제어부(220), 스위칭 정보 생성부(230)를 포함한다. 열전 발전기 제어장치(120)에 포함된 구성요소는 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.2, the thermoelectric generator control device 120 according to the present embodiment includes a DC-DC converter unit 210, a maximum power point tracking control unit 220, a switching information generation unit 230, and an energy storage unit 240. ) And a timing control unit 250. The harvesting unit (not shown) includes a DC-DC converter unit 210, a maximum power point tracking control unit 220, and a switching information generation unit 230. Components included in the thermoelectric generator control device 120 are not necessarily limited thereto.

DC-DC 컨버터부(210)는 열전모듈과 스위칭부 사이에 위치하고, 열전전압의 크기를 증가시키기 위한 인덕터 및 커패시터를 포함한다.The DC-DC converter unit 210 is located between the thermoelectric module and the switching unit, and includes an inductor and a capacitor for increasing the magnitude of the thermoelectric voltage.

DC-DC 컨버터부(210)는 DC-DC 컨버터(DC-DC Converter)를 이용하여 열전전압의 크기를 증가시킨다. 열전발전부(210)에서 생성된 열전전압은 출력단에서 사용하기에 충분하지 않으므로, 열전전압의 크기를 증가시킬 필요가 있다. DC-DC 컨버터부(210)는 DC-DC 컨버터 중 부스트 컨버터(Boost Converter)를 이용하여 열전전압의 크기를 증가시킬 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The DC-DC converter unit 210 increases the magnitude of the thermoelectric voltage using a DC-DC converter. Since the thermoelectric voltage generated by the thermoelectric generator 210 is not sufficient to be used at the output terminal, it is necessary to increase the magnitude of the thermoelectric voltage. The DC-DC converter unit 210 may increase the magnitude of the thermoelectric voltage by using a boost converter among DC-DC converters, but is not limited thereto.

DC-DC 컨버터부(210)는 커패시터에 일정 전압 이상 충전된 경우, 충전된 전압을 전체 회로에 인가하는 구동부를 포함한다(도 3의 (a) 참조).The DC-DC converter unit 210 includes a driving unit for applying the charged voltage to the entire circuit when the capacitor is charged with a predetermined voltage or more (see FIG. 3A).

DC-DC 컨버터부(210)는 입력단의 전압을 증가시켜서 출력단에 전달한다. DC-DC 컨버터부(210)가 스타트업 상태에서 출력단에 전달하는 전압을 계산하는 식의 일 예는 [수학식 1]과 같다.The DC-DC converter unit 210 increases the voltage of the input terminal and transmits it to the output terminal. An example of an equation for calculating the voltage delivered to the output terminal by the DC-DC converter unit 210 in the startup state is as shown in [Equation 1].

Figure 112019037789525-pat00001
Figure 112019037789525-pat00001

[수학식 1]에서 VDD는 출력단 전압, VTEG는 열전모듈 등가전압(열전전압), RSW는 스위치 저항, RL은 부하 저항, RTEG는 열전모듈 등가저항, C는 커패시터, L은 인덕터를 의미한다. [수학식 1]에 따르면, DC-DC 컨버터부(210)의 출력전압은 인덕터를 증가시키거나 커패시터를 줄임으로써 높은 값을 획득할 수 있으나, 커패시터의 값이 너무 작으면 저장하는 에너지의 양이 너무 작아 부하부(130)를 안정적으로 구동할 수 없으므로, 커패시터는 임계치 이하로 줄일 수 없다.In [Equation 1], V DD is the output voltage, V TEG is the thermoelectric module equivalent voltage (thermoelectric voltage), R SW is the switch resistance, R L is the load resistance, R TEG is the thermoelectric module equivalent resistance, C is the capacitor, and L is Means inductor. According to [Equation 1], the output voltage of the DC-DC converter unit 210 can obtain a high value by increasing the inductor or reducing the capacitor, but if the value of the capacitor is too small, the amount of energy stored is Because it is too small to stably drive the load unit 130, the capacitor cannot be reduced below the threshold.

최대전력점 추적 제어부(220)는 열전전압을 기반으로 최대전력점을 추적하여 최대전력점 상태의 열전전압을 산출하고, 최대전력점 상태의 열전전압을 유지하도록 스위칭부를 동작시키다. 또한 최대전력점 열전전압을 타이밍 제어부(250)로 전달하여 최대전력점 열전전압에 해당하는 파워게이트 제어신호를 만들어서 파워게이트를 구동한다.The maximum power point tracking control unit 220 tracks the maximum power point based on the thermoelectric voltage, calculates the thermoelectric voltage at the maximum power point state, and operates the switching unit to maintain the thermoelectric voltage at the maximum power point state. In addition, the maximum power point thermoelectric voltage is transmitted to the timing controller 250 to generate a power gate control signal corresponding to the maximum power point thermoelectric voltage to drive the power gate.

최대전력점 추적 제어부(220)는 열전전압을 기반으로 최대전력점(MPP: Maximum Power Point)을 추적한다. 여기서 최대전력점은 열전전압 즉, 열전모듈 등가전압을 기반으로 복수의 출력단에 전달할 수 있는 최대전력을 나타내는 점을 말한다. 최대전력점 추적 제어부(220)는 최대전력점을 추적하여 외부 조건, 예를 들어 온도 차가 가변하는 상황에서, 항상 열전소자가 최대전력을 발생하여 출력단에 전달하도록 지원한다. 최대전력점 추적 제어부(220)는 전력-전압 특성곡선을 따라서 최대전력점을 추적한다. 최대전력은 전력-전압 특성곡선에서 전압(X축)이 열전전압의 절반일 때 전달하는 전력이다(도 3의 (c) 참조).The maximum power point tracking control unit 220 tracks a maximum power point (MPP) based on the thermoelectric voltage. Here, the maximum power point refers to a point indicating the maximum power that can be delivered to a plurality of output terminals based on the thermoelectric voltage, that is, the equivalent voltage of the thermoelectric module. The maximum power point tracking control unit 220 tracks the maximum power point and supports the thermoelectric element to always generate the maximum power and transmit it to the output terminal under external conditions, for example, a temperature difference. The maximum power point tracking control unit 220 tracks the maximum power point along the power-voltage characteristic curve. The maximum power is the power delivered when the voltage (X-axis) is half of the thermoelectric voltage in the power-voltage characteristic curve (see Fig. 3(c)).

스위칭 정보 생성부(230)는 DC-DC 컨버터부(210)와 에너지 저장부(240) 사이에 위치하며, 최대전력점의 열전전압을 DC-DC 컨버터부(210)의 입력전압으로 하고 그에 해당하는 DC-DC 컨버터부(210)의 출력전압을 만들어서 에너지 저장부(240)로 전달하기 위한 스위칭 정보를 생성한다.The switching information generation unit 230 is located between the DC-DC converter unit 210 and the energy storage unit 240, and uses the thermoelectric voltage at the maximum power point as the input voltage of the DC-DC converter unit 210 and corresponds thereto. The output voltage of the DC-DC converter unit 210 is generated to generate switching information for transmission to the energy storage unit 240.

스위칭 정보 생성부(230)는 최대전력점에 대응하는 전력을 적어도 하나 이상의 출력단으로 공급하기 위한 스위칭 정보를 생성한다. 스위칭 정보 생성부(230)가 스위칭 정보 중 스위칭 주파수를 산출하기 위한 일 예는 [수학식 2]와 같다.The switching information generator 230 generates switching information for supplying power corresponding to the maximum power point to at least one output terminal. An example for the switching information generator 230 to calculate a switching frequency among switching information is as shown in [Equation 2].

Figure 112019037789525-pat00002
Figure 112019037789525-pat00002

fSW는 스위칭 주파수로, 열전모듈 등가저항과 인덕터를 기반으로 결정된다.f SW is the switching frequency, which is determined based on the thermoelectric module equivalent resistance and the inductor.

에너지 저장부(240)는 열전 발전기 제어장치(120)에서 생산된 전력을 저장하고, 복수의 출력단에 전력을 공급할 수 있다. 에너지 저장부(240)는 생산된 전력을 저장하는 전력저장원, 전력을 변환하는 전력변환장치, 전력을 관리하는 전력관리시스템 등을 포함할 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The energy storage unit 240 may store power generated by the thermoelectric generator control device 120 and supply power to a plurality of output terminals. The energy storage unit 240 may include a power storage source that stores generated power, a power conversion device that converts power, and a power management system that manages power, but is not limited thereto.

즉, 열전 발전기 제어장치(120)는 한 개 혹은 복수의 열전 발전기로 구성된 열전모듈을 이용하여 열전전압을 획득하고, 최대전력점 추적을 통해서 최대전력을 발생시킬 수 있는 열전전압의 상태를 추적하고, 추적된 최대전력점 열전전압의 상태에서, DC-DC 컨버터부(210)를 기반으로 열전전압을 증가시켜서 출력으로 전달하고, 이 때 영전류 스위칭을 이용하여 한 개 혹은 복수의 출력단으로 DC-DC 컨버터부(210)의 출력전압을 전달한다. 한편, 본 실시 예에 따른 열전 발전기 제어장치(120)를 이용하여 전력효율을 실험한 결과는 [표 1]과 같다.That is, the thermoelectric generator control device 120 obtains a thermoelectric voltage using a thermoelectric module composed of one or a plurality of thermoelectric generators, and tracks the state of the thermoelectric voltage capable of generating the maximum power through tracking the maximum power point. , In the state of the tracked maximum power point thermoelectric voltage, the thermoelectric voltage is increased based on the DC-DC converter unit 210 and transferred to the output. At this time, DC-to one or more output terminals using zero current switching. The output voltage of the DC converter unit 210 is transmitted. On the other hand, the results of the power efficiency test using the thermoelectric generator control device 120 according to the present embodiment are shown in [Table 1].

#TEGs#TEGs RTEG
(Ω)R TEG
(Ω) L
(μH)L
(μH) VOC=VTEG
(mV)V OC =V TEG
(mV) PIN
(μW)P IN
(μW) VOUT
(V)V OUT
(V) IOUT
(μA)I OUT
(μA) POUT
(μW)P OUT
(μW) η
(%) η
(%) 55 6262 100100 240240 232232 22 51.4251.42 103103 4343 2525 1212 2222 240240 654654 22 130.9130.9 264264 4040

[표 1]을 참조하면, 열전 발전기를 3개로 구성된 복수의 열전모듈을 기반으로 생산한 출력전압은 103이고, 효율은 43이다. 또한, 열전 발전기를 25개로 구성된 복수의 열전모듈을 기반으로 생산한 출력전압은 264이고, 효율은 40이다. 따라서, 본 실시예에 따른 열전 발전기 제어장치(120)는 다수의 열전 발전기로 구성된 열전모듈을 이용하여 전력을 생산하여도 전력 생산 효율이 떨어지지 않도록 제어하는 것을 확인할 수 있다.Referring to [Table 1], the output voltage produced based on a plurality of thermoelectric modules composed of three thermoelectric generators is 103 and the efficiency is 43. In addition, the output voltage produced based on a plurality of thermoelectric modules composed of 25 thermoelectric generators is 264 and the efficiency is 40. Accordingly, it can be seen that the thermoelectric generator control apparatus 120 according to the present embodiment controls the power generation efficiency so as not to decrease even when power is generated by using a thermoelectric module composed of a plurality of thermoelectric generators.

타이밍 제어부(250)는 최대출력점 추적의 열전전압을 기반으로 파워 게이트(Power Gate)를 최적의 턴온(Turn-On) 시간으로 제어할 수 있는 파워게이트 제어신호를 발생한다. 보다 상세하게는, 타이밍 제어부(250)는 최대전력점 추적 제어부(220)에 의해 산출된 최대전력에 대응하는 열전전압을 최적의 열전전압으로 정의한다. 타이밍 제어부(250)는 최적 열전전압을 최적 주파수로 변환하고, 최적 주파수를 기반으로 파워 게이트(Power Gate)의 턴온(Turn-On) 시간을 제어한다. 타이밍 제어부(250)에 대해서는 도 4와 관련하여 후술한다.The timing control unit 250 generates a power gate control signal capable of controlling a power gate at an optimal turn-on time based on the thermoelectric voltage of tracking the maximum output point. In more detail, the timing controller 250 defines a thermoelectric voltage corresponding to the maximum power calculated by the maximum power point tracking controller 220 as an optimum thermoelectric voltage. The timing controller 250 converts the optimum thermoelectric voltage to an optimum frequency and controls a turn-on time of a power gate based on the optimum frequency. The timing control unit 250 will be described later with reference to FIG. 4.

도 3의 (a) 및 (b)는 본 실시예에 따른 열전 발전기 제어장치를 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 회로도이다.3A and 3B are circuit diagrams schematically showing the thermoelectric generator control apparatus according to the present embodiment.

도 3의 (a)를 참조하면, 열전 발전기 제어장치(120)는 복수의 열전 발전기로 구성된 열전모듈을 포함한다. 열전모듈의 등가회로에서 등가저항(임피던스)을 산출하기 위한 일 예는 [수학식 3]와 같다.Referring to FIG. 3A, the thermoelectric generator control apparatus 120 includes a thermoelectric module composed of a plurality of thermoelectric generators. An example for calculating the equivalent resistance (impedance) in the equivalent circuit of the thermoelectric module is shown in [Equation 3].

Figure 112019037789525-pat00003
Figure 112019037789525-pat00003

[수학식 3]에서 TON은 스위치가 켜져 있는 시간을 의미한다. 따라서, 등가저항은 TON값과 fS값에 반비례한다.In [Equation 3], T ON means the time the switch is turned on. Therefore, the equivalent resistance is inversely proportional to the value of T ON and the value of f S.

Cin은 입력전압(Vin)을 이용하여 충전된다. 자동구동부(Auto Start-Up, 미도시)는 Cin에 임계치 이상의 전압이 충전되면 열전 발전기 제어장치(120) 내의 전체 회로를 자동으로 구동시킨다. 입력전압 감지장치(Vin Detector)는 입력전압을 감지하고, 입력전압이 감지되면 최대전력점 추적 제어부(220)(MPPT)에 해당 입력전압값을 전송한다.C in is charged using the input voltage (V in ). The auto start-up unit (not shown) automatically drives the entire circuit in the thermoelectric generator control device 120 when C in is charged with a voltage higher than the threshold. The input voltage detection device (V in Detector) detects the input voltage, and when the input voltage is detected, transmits the corresponding input voltage value to the maximum power point tracking control unit 220 (MPPT).

열전 발전기 제어장치(120)는 최대전력점 추적 제어부(220)로부터 스위칭 정보 생성부(230)(ZCS Controller)로 최대전력점에 대한 정보를 제공한다. 스위칭 정보 생성부(230)는 영전류 스위칭을 이용하여 PMOS(HS)와 NMOS(LS)을 제어한다.The thermoelectric generator control device 120 provides information on the maximum power point from the maximum power point tracking control unit 220 to the switching information generation unit 230 (ZCS Controller). The switching information generation unit 230 controls the PMOS (HS) and the NMOS (LS) using zero current switching.

열전 발전기 제어장치(120) 내에 인덕터에 흐르는 전류를 산출하기 위한 일 예는 [수학식 4]와 같다.An example for calculating the current flowing through the inductor in the thermoelectric generator control device 120 is as shown in [Equation 4].

Figure 112019037789525-pat00004
Figure 112019037789525-pat00004

[수학식 4]를 참조하면, 인덕터에 흐르는 전류는 TON값과 VIN값에 비례하는 것을 확인할 수 있다. 열전 발전기 제어장치(120)에 의해 생산되는 최대전력을 산출하기 위한 일 예는 [수학식 5]와 같다.Referring to [Equation 4], it can be seen that the current flowing through the inductor is proportional to the T ON value and the V IN value. An example for calculating the maximum power produced by the thermoelectric generator control device 120 is shown in [Equation 5].

Figure 112019037789525-pat00005
Figure 112019037789525-pat00005

열전 발전기 제어장치(120)는 R과 Z가 동일한 경우에 최대전력을 생산하고, 이 때 입력전압(VIN)은 열전전압(VTEG)에 절반에 해당하는 값을 갖는다(도 3의 (b) 참조).The thermoelectric generator control device 120 generates maximum power when R and Z are the same, and at this time, the input voltage V IN has a value corresponding to half of the thermoelectric voltage V TEG (Fig. 3(b) ) Reference).

열전 발전기 제어장치(120)는 최적 열전전압을 최적 주파수로 변환하고, 부하(Load)에 파워 게이트의 턴온 시간을 제어한다. 열전 발전기 제어장치(120)는 최적 주파수에 따라 부하에 파워 게이트의 턴온 시간을 제어하여, 최적 열전전압의 크기에 따라 턴온 시간을 적절하게 제어할 수 있다.The thermoelectric generator control device 120 converts the optimum thermoelectric voltage to the optimum frequency and controls the turn-on time of the power gate to the load. The thermoelectric generator control apparatus 120 may control the turn-on time of the power gate to the load according to the optimum frequency, and appropriately control the turn-on time according to the magnitude of the optimum thermoelectric voltage.

도 4a 및 도 4b는 본 실시예에 따른 타이밍 제어부의 구조를 설명하기 위한 블록 구성도이다.4A and 4B are block diagrams for explaining the structure of a timing controller according to the present embodiment.

도 4a를 참조하면, 본 실시예에 따른 타이밍 제어부(250)는 열전전압 수신부(252), 전압-주파수 변환부(254) 및 파워게이트 제어부(256)를 포함한다. 타이밍 제어부(250)에 포함된 구성요소는 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.Referring to FIG. 4A, the timing controller 250 according to the present embodiment includes a thermoelectric voltage receiver 252, a voltage-frequency converter 254, and a power gate controller 256. Components included in the timing controller 250 are not necessarily limited thereto.

열전전압 수신부(252)는 적어도 하나 이상의 입력저항과 OP 앰프 전압 가산기(Op-Amp Voltage Adder)를 포함하고, 최대전력점 추적 제어부(220)와 열전전압부(210)의 접점에 연결되어 최적 열전전압을 입력값으로 수신하여 전압-주파수 변환부(254)로 전달한다.The thermoelectric voltage receiving unit 252 includes at least one input resistance and an OP-Amp Voltage Adder, and is connected to a contact point between the maximum power point tracking control unit 220 and the thermoelectric voltage unit 210 to provide optimum thermoelectricity. The voltage is received as an input value and transmitted to the voltage-frequency converter 254.

열전전압 수신부(252)는 최대전력점 추적 제어부(220)에 의해 산출된 최대전력에 해당하는 최적 열전전압을 수신한다. 여기서 최적전압은 최대전력을 출력하기 위해 필요한 전압으로, 열전전압의 절반에 해당하는 값을 갖는 것이 일반적이다. 도 4b의 (a)는 열전전압 수신부(252)의 회로 구성을 나타낸다. 열전전압 수신부(252)는 일 예로, 최적 열전전압이 60[mV]에서 240[mV] 내의 범위를 갖는 경우 출력전압으로 620[mV]에서 680[mV]까지 갖을 수 있다. The thermoelectric voltage receiving unit 252 receives an optimum thermoelectric voltage corresponding to the maximum power calculated by the maximum power point tracking control unit 220. Here, the optimum voltage is a voltage required to output the maximum power, and generally has a value corresponding to half of the thermoelectric voltage. 4B (a) shows the circuit configuration of the thermoelectric voltage receiving unit 252. The thermoelectric voltage receiver 252 may have an output voltage of 620 [mV] to 680 [mV], for example, when the optimum thermoelectric voltage is within a range of 60 [mV] to 240 [mV].

전압-주파수 변환부(254)는 하나의 입력 스테이지(Input Stage)와 복수 개의 링 오실레이터(Ring Oscillator)를 포함하고, 입력 스테이지 및 링 오실레이터는 각각 2개의 트랜지스터를 포함하며, 열전전압 수신부(242)의 출력측에 연결되어 최적 열전전압을 입력값으로 수신하고, 입력 스테이지 및 링 오실레이터를 이용하여 최적 열전전압을 최적 주파수(Clk)로 변환한다.The voltage-frequency converter 254 includes one input stage and a plurality of ring oscillators, the input stage and the ring oscillator each include two transistors, and the thermoelectric voltage receiver 242 It is connected to the output side of and receives the optimum thermoelectric voltage as an input value, and converts the optimum thermoelectric voltage to the optimum frequency (Clk) using an input stage and a ring oscillator.

전압-주파수 변환부(254)는 최적 열전전압에 대응하는 최적 주파수로 변환한다. 전압-주파수 변환부(254)는 오실레이터(Oscillator)로 형성된 전압 제어 회로로, 입력전압 즉 최적 열전전압의 전압 레벨에 따라 서로 다른 주파수 펄스를 결정한다. 도 4b의 (b)는 전압-주파수 변환부(254)의 회로 구성을 나타낸다. 전압-주파수 변환부(254)는 MP0, MN0와 같은 입력 스테이지용 트랜지스터를 포함한다.The voltage-frequency converter 254 converts the optimum frequency to the optimum thermoelectric voltage. The voltage-frequency converter 254 is a voltage control circuit formed by an oscillator and determines different frequency pulses according to the voltage level of an input voltage, that is, an optimum thermoelectric voltage. 4B (b) shows the circuit configuration of the voltage-frequency converter 254. The voltage-frequency converter 254 includes transistors for input stages such as MP 0 and MN 0 .

파워게이트 제어부(256)는 에지 추출기(Rising-Edge Detector), 지연-라인 회로(Delay-Line) 및 S-R 래치(S-R Latch)를 포함하고, 에지 추출기 및 지연-라인 회로를 이용하여 최적 주파수를 각각 수신하여 S-R 래치로 출력값을 전송하고, S-R 래치에서 파워게이트 제어 신호(PG_Ctrl)를 생성하여 파워게이트를 제어한다. 여기서 파워게이트 제어 신호는 S-R 래치에 따라 가변 듀티 사이클(Duty-Cycle)을 갖는 제어 신호를 의미한다.The power gate control unit 256 includes an edge extractor (Rising-Edge Detector), a delay-line circuit (Delay-Line) and an SR latch (SR Latch), and uses an edge extractor and a delay-line circuit to determine the optimum frequency, respectively. It receives and transmits the output value to the SR latch, and generates a power gate control signal (PG_Ctrl) in the SR latch to control the power gate. Here, the power gate control signal means a control signal having a variable duty cycle (Duty-Cycle) according to the S-R latch.

파워게이트 제어부(256)는 최적 주파수에 따라 파워 게이트의 턴온 시간을 제어한다. 파워게이트 제어부(256)는 S-R 래치와 결합된 딜레이 라인 회로를 포함한다. 파워게이트 제어부(256)의 출력값인 파워게이트 컨트롤 신호(PG_Ctrl)는 인버터로 들어가고, 인버터를 거쳐서 반전된 파워게이트 컨트롤 신호가 PMOS로 만들어진 파워 게이트 드라이버에 직접 연결된다. 파워게이트 제어부(256)의 인버터는 파워 게이트가 MMOS로 만들어 진다면 사용되지 않는다. 도 4b의 (c)는 파워게이트 제어부(256)의 회로 구성을 나타낸다.The power gate controller 256 controls the turn-on time of the power gate according to the optimum frequency. The power gate control unit 256 includes a delay line circuit coupled with an S-R latch. The power gate control signal PG_Ctrl, which is an output value of the power gate control unit 256, enters the inverter, and the inverted power gate control signal is directly connected to the power gate driver made of PMOS through the inverter. The inverter of the power gate control unit 256 is not used if the power gate is made of MMOS. 4B(c) shows the circuit configuration of the power gate control unit 256.

도 5는 본 실시예에 따른 열전 발전기 제어장치의 동작 파형을 설명하기 위한 도면이다.5 is a view for explaining the operation waveform of the thermoelectric generator control apparatus according to the present embodiment.

도 5의 (a)를 참조하면, 본 실시예에 따른 열전 발전기 제어장치(120)의 2가지 경우에 해당하는 동작 파형이다. 첫 번째 경우(Case 1)에는 수신된 최적 열전전압이 240[mV]에서 CLK1 신호가 생성된다. 열전 발전기 제어장치(120)는 첫 번째 경우에 파워게이트 컨트롤 신호(PG_Ctrl1)에 대한, 예컨대 50 % 듀티 사이클 신호를 생성한다(도 5의 (b) 참조). 두 번째 경우(Case 2)에는 수신된 최적 열전전압이 120[mV]일 때 파워게이트 컨트롤 신호(PG_Ctrl2)에 대한, 예컨대 듀티 사이클은 20%이다(도 5의 (b) 참조). 듀티 사이클의 값은 부하부의 연결된 회로의 종류와 응용에 따라서 다르게 조정될 수 있다. 도 5의 (b)에서 열전발전기에서 발생하는 파워가 큰 경우에는, 부하부에 더 많은 전류를 공급할 수 있도록 파워게이트 컨트롤 신호를 만들어 주고, 열전발전기에서 발생하는 파워가 작을 경우에는, 부하부에 더 적은 전류를 공급하도록 파워게이트 컨트롤 신호를 만들어 준다. Referring to FIG. 5A, an operation waveform corresponding to two cases of the thermoelectric generator control apparatus 120 according to the present embodiment is illustrated. In the first case (Case 1), a CLK1 signal is generated when the optimal thermoelectric voltage received is 240[mV]. In the first case, the thermoelectric generator control device 120 generates, for example, a 50% duty cycle signal for the power gate control signal PG_Ctrl1 (see FIG. 5B). In the second case (Case 2), when the optimal received thermoelectric voltage is 120 [mV], the duty cycle for the power gate control signal PG_Ctrl2 is, for example, 20% (see FIG. 5B). The value of the duty cycle can be adjusted differently depending on the type and application of the circuit connected to the load. In Fig. 5(b), when the power generated by the thermoelectric generator is large, a power gate control signal is made so that more current can be supplied to the load, and when the power generated by the thermoelectric generator is small, the load unit It creates a powergate control signal to supply less current.

도 6은 본 실시예에 따른 열전 발전기 제어방법을 설명하기 위한 순서도이다.6 is a flowchart illustrating a method of controlling a thermoelectric generator according to the present embodiment.

열전 발전기 제어장치(120)는 열전 발전기(110)의 고온부와 저온부의 온도 차를 기반으로 열전모듈에서 열전전압을 생성한다(S602).The thermoelectric generator control device 120 generates a thermoelectric voltage in the thermoelectric module based on the difference in temperature between the high-temperature portion and the low-temperature portion of the thermoelectric generator 110 (S602).

열전 발전기 제어장치(120)는 최대 전력점 추적 제어부(220)에서 오픈 상태의 열전전압을 센싱한다(S604).The thermoelectric generator control device 120 senses the open thermoelectric voltage in the maximum power point tracking control unit 220 (S604).

열전 발전기 제어장치(120)는 DC-DC 컨버터부(210)에서 열전전압을 부하부 구동전압으로 변환한다(S606). The thermoelectric generator control device 120 converts the thermoelectric voltage into the load unit driving voltage in the DC-DC converter unit 210 (S606).

열전 발전기 제어장치(120)는 센싱된 오픈상태 열전전압을 최적 주파수로 변경한다(S608). 단계 S608에서 열전 발전기 제어장치(120)는 최적 열전전압에 비례하도록 최적 주파수로 변경한다.The thermoelectric generator control device 120 changes the sensed open-state thermoelectric voltage to an optimum frequency (S608). In step S608, the thermoelectric generator control device 120 changes the optimum frequency to be proportional to the optimum thermoelectric voltage.

열전 발전기 제어장치(120)는 최적 주파수에 따라 파워 게이트의 턴온 시간을 제어한다(S610). 따라서 열전 발전기 제어장치(120)는 최적 열전전압의 크기에 따라 부하에 전달하는 전력을 조절할 수 있도록 최종적으로 파워 게이트의 턴온 시간을 제어한다.The thermoelectric generator control device 120 controls the turn-on time of the power gate according to the optimum frequency (S610). Therefore, the thermoelectric generator control device 120 finally controls the turn-on time of the power gate so that the power delivered to the load can be adjusted according to the optimal thermoelectric voltage.

도 6에서는 단계 S602 내지 단계 S610을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 다시 말해, 도 6에 기재된 단계를 변경하여 실행하거나 하나 이상의 단계를 병렬적으로 실행하는 것으로 적용 가능할 것이므로, 도 6는 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.In FIG. 6, it is described that steps S602 to S610 are sequentially executed, but the present invention is not limited thereto. In other words, since it is possible to change and execute the steps illustrated in FIG. 6 or execute one or more steps in parallel, FIG. 6 is not limited to a time series order.

도 7은 본 실시예에 따른 열전모듈을 설명하기 위한 개념도이다.7 is a conceptual diagram illustrating a thermoelectric module according to the present embodiment.

도 7에 도시된 바와 같이, 열전모듈은 복수개의 열전 발전기를 포함한다. 보다 상세하게는, 열전모듈은 P-타입, N타입 및 전도성 금속을 포함하는 반도체로 이루어진 열전 발전기 및 세라믹 기판을 포함한다. 열전모듈은 온도 차이를 기반으로 전류를 발생시킬 수 있다.As shown in Fig. 7, the thermoelectric module includes a plurality of thermoelectric generators. In more detail, the thermoelectric module includes a thermoelectric generator made of a semiconductor including a P-type, an N type, and a conductive metal, and a ceramic substrate. The thermoelectric module can generate a current based on a temperature difference.

도 8은 본 실시예에 따른 열전 발전기 제어장치의 실시 결과를 예시한 도면이다.8 is a diagram illustrating an implementation result of the thermoelectric generator control apparatus according to the present embodiment.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 열전 발전기 제어장치(120)는 사람의 체온을 기반으로 웨어러블 기기의 구동에 필요한 전력을 제공할 수 있다. 예컨대, 열전 발전기 제어장치(120)는 사람의 체온을 기반으로 열전전압을 발생시키고, 열전전압에 따라 손목시계와 같은 웨어러블 기기에 필요한 전력을 공급할 수 있다.As shown in FIG. 8, the thermoelectric generator control apparatus 120 according to the present embodiment may provide power required for driving a wearable device based on a person's body temperature. For example, the thermoelectric generator control device 120 may generate a thermoelectric voltage based on a person's body temperature, and supply necessary power to a wearable device such as a wristwatch according to the thermoelectric voltage.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present embodiment, and those of ordinary skill in the technical field to which the present embodiment belongs will be able to make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present embodiment. Accordingly, the present exemplary embodiments are not intended to limit the technical idea of the present exemplary embodiment, but are illustrative, and the scope of the technical idea of the present exemplary embodiment is not limited by these exemplary embodiments. The scope of protection of this embodiment should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present embodiment.

110: 열전 발전기 120: 열전 발전기 제어장치
130: 부하부 210: DC-DC 컨버터부
220: 최대전력점 추적 제어부 230: 스위칭 정보 생성부
240: 에너지 저장부 250: 타이밍 제어부
252: 열전전압 수신부 254: 전압-주파수 변환부
256: 파워게이트 제어부110: thermoelectric generator 120: thermoelectric generator control device
130: load unit 210: DC-DC converter unit
220: maximum power point tracking control unit 230: switching information generation unit
240: energy storage unit 250: timing control unit
252: thermoelectric voltage receiver 254: voltage-frequency converter
256: power gate control unit

Claims (6)

열전모듈의 고온부와 저온부의 온도차이를 기반으로 발생된 열전전압을 기반으로 최대전력점(MPP: Maximum Power Point)을 추적하여 상기 최대전력점에 대응하는 전압인 최적 열전전압을 산출하고, 상기 최적 열전전압에 따라 공급전력을 적어도 하나 이상의 출력단으로 공급하기 위한 스위칭 정보를 생성하는 하베스팅부;
상기 스위칭 정보를 수신하여 상기 스위칭 정보에 따라 상기 출력단에 상기 공급전력을 저장하는 저장부; 및
상기 최적 열전전압을 기반으로 부하에 공급하는 전력을 조절하기 위해 파워 게이트(Power Gate)의 턴온(Turn-On) 시간을 제어하는 타이밍 제어부를 포함하되,
상기 타이밍 제어부는,
상기 최적 열전전압을 이용하여 최적 주파수 펄스를 생성하고, 상기 최적 주파수 펄스의 듀티 사이클(duty-cycle)을 조절하여 상기 파워 게이트의 턴온 시간을 제어하는 것을 특징으로 하는 열전 발전기 제어장치.Based on the thermoelectric voltage generated based on the temperature difference between the high temperature and the low temperature of the thermoelectric module, the maximum power point (MPP) is tracked to calculate the optimum thermoelectric voltage, which is the voltage corresponding to the maximum power point, and the optimum A harvesting unit that generates switching information for supplying the supplied power to at least one output terminal according to the thermoelectric voltage;
A storage unit receiving the switching information and storing the supply power in the output terminal according to the switching information; And
A timing controller for controlling a turn-on time of a power gate in order to adjust power supplied to a load based on the optimum thermoelectric voltage,
The timing control unit,
The thermoelectric generator control apparatus, characterized in that for controlling a turn-on time of the power gate by generating an optimum frequency pulse by using the optimum thermoelectric voltage and adjusting a duty cycle of the optimum frequency pulse. 제 1 항에 있어서,
상기 하베스팅부는,
상기 열전모듈과 스위칭 정보 생성부 사이에 위치하고 상기 열전전압의 크기를 증가시키기 위한 인덕터, 커패시터 및 스위칭부를 포함하는 DC-DC 컨버터부;
상기 열전전압을 기반으로 상기 최대전력점을 추적하여 상기 최적 열전전압을 산출하고, 상기 최적 열전전압을 스위칭 정보 생성부 및 상기 타이밍 제어부로 전송하는 최대전력점 추적부; 및
상기 DC-DC 컨버터부와 상기 저장부 사이에 위치하며, 상기 최적 열전전압을 상기 저장부로 전송하기 위한 상기 스위칭 정보를 생성하는 스위칭 정보 생성부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 발전기 제어장치.The method of claim 1,
The harvesting unit,
A DC-DC converter unit disposed between the thermoelectric module and a switching information generating unit and including an inductor, a capacitor, and a switching unit for increasing the magnitude of the thermoelectric voltage;
A maximum power point tracking unit for calculating the optimum thermoelectric voltage by tracking the maximum power point based on the thermoelectric voltage, and transmitting the optimum thermoelectric voltage to a switching information generator and the timing control unit; And
A switching information generation unit located between the DC-DC converter unit and the storage unit and generating the switching information for transmitting the optimum thermoelectric voltage to the storage unit
Thermoelectric generator control device comprising a. 제 2 항에 있어서,
상기 타이밍 제어부는,
적어도 하나 이상의 입력저항과 OP 앰프 전압 가산기(Op-Amp Voltage Adder)를 포함하고, 상기 최대전력점 추적부와 상기 열전전압을 획득하는 입력전압 감지장치의 접점에 연결되어 상기 최적 열전전압을 입력값으로 수신하여 전압-주파수 변환부로 전달하는 열전전압 수신부;
하나의 입력 스테이지(Input Stage)와 복수 개의 링 오실레이터(Ring Oscillator)를 포함하고, 상기 입력 스테이지 및 상기 링 오실레이터는 각각 2개의 트랜지스터를 포함하며, 상기 열전전압 수신부의 출력측에 연결되어 상기 최적 열전전압을 입력값으로 수신하고, 상기 입력 스테이지 및 상기 링 오실레이터를 이용하여 상기 최적 열전전압을 최적 주파수(Clk)로 변환하는 전압-주파수 변환부; 및
에지 추출기(Rising-Edge Detector), 지연-라인 회로(Delay-Line) 및 S-R 래치(S-R Latch)를 포함하고, 상기 에지 추출기 및 상기 지연-라인 회로를 이용하여 상기 최적 주파수를 각각 수신하여 상기 S-R 래치로 출력값을 전송하고, 상기 S-R 래치에서 파워게이트 제어 신호(PG_Ctrl)를 생성하여 상기 파워게이트를 제어하는 파워게이트 제어부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 발전기 제어장치.The method of claim 2,
The timing control unit,
It includes at least one input resistance and an OP-Amp Voltage Adder, and is connected to a contact point of the maximum power point tracking unit and an input voltage sensing device that acquires the thermoelectric voltage to input the optimum thermoelectric voltage. A thermoelectric voltage receiving unit that receives and transmits it to the voltage-frequency converter;
One input stage and a plurality of ring oscillators are included, and the input stage and the ring oscillator each include two transistors, and are connected to the output side of the thermoelectric voltage receiver to provide the optimum thermoelectric voltage. A voltage-frequency converter for receiving as an input value and converting the optimum thermoelectric voltage into an optimum frequency Clk using the input stage and the ring oscillator; And
Including an edge extractor (Rising-Edge Detector), a delay-line circuit (Delay-Line) and an SR latch (SR Latch), each receiving the optimum frequency using the edge extractor and the delay-line circuit, the SR A power gate control unit that transmits an output value to a latch and controls the power gate by generating a power gate control signal (PG_Ctrl) from the SR latch.
Thermoelectric generator control device comprising a. 제 2 항에 있어서,
상기 스위칭 정보 생성부는,
상기 DC-DC 컨버터부에 포함된 스위칭부와 연결되며, 영전류 스위칭(ZCS: Zero Current Switching)을 기반으로 상기 스위칭 정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 열전 발전기 제어장치.The method of claim 2,
The switching information generation unit,
The thermoelectric generator control device, which is connected to a switching unit included in the DC-DC converter unit and generates the switching information based on zero current switching (ZCS). 제 2 항에 있어서,
상기 DC-DC 컨버터부는,
상기 인덕터의 일측과 상기 커패시터의 타측이 연결된 접점에 상기 열전모듈이 연결되며, 상기 인덕터의 타측은 상기 스위칭부와 연결되는 것을 특징으로 하는 열전 발전기 제어장치.The method of claim 2,
The DC-DC converter unit,
The thermoelectric module is connected to a contact point where one side of the inductor and the other side of the capacitor are connected, and the other side of the inductor is connected to the switching unit. 제 3 항에 있어서,
상기 파워게이트 제어 신호는,
상기 S-R 래치에 따라 고정된 듀티 사이클(Duty-Cycle)을 갖는 가변 주파수 제어 신호인 것을 특징으로 하는 열전 발전기 제어장치.
The method of claim 3,
The power gate control signal,
Thermoelectric generator control device, characterized in that the variable frequency control signal having a fixed duty cycle (Duty-Cycle) according to the SR latch.
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