KR102209065B1

KR102209065B1 - 승압 회로를 제어하는 방법 및 장치, 그리고 이를 이용한 최대 전력 추출 장치

Info

Publication number: KR102209065B1
Application number: KR1020140029257A
Authority: KR
Inventors: 류제인; 조규형; 곽규섭; 권희동; 안준현; 육영섭
Original assignee: 삼성전자주식회사; 한국과학기술원
Priority date: 2014-03-12
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2021-01-28
Also published as: US20150263621A1; US9960632B2; KR20150106771A

Abstract

전력 공급원으로부터 발생하는 전력에 대한 모니터링에 전력 소모를 최소화하면서 전력 공급원으로부터 최대 전력을 추출할 수 있도록 승압 회로를 제어하는 방법 및 장치, 그리고 이를 이용하는 최대 전력 추출 장치를 개시한다.

Description

승압 회로를 제어하는 방법 및 장치, 그리고 이를 이용한 최대 전력 추출 장치{Method and apparatus for controlling booster circuit, and apparatus for extracting maximum power using the same}

승압 회로를 제어하는 방법 및 장치, 그리고 이를 이용한 최대 전력 추출 장치에 관한 것으로서, 구체적으로, 전력 공급원으로부터 최대 전력을 추출할 수 있도록 전력 공급원에 연결된 승압 회로를 제어하는 방법 및 장치, 그리고 이를 이용한 최대 전력 추출 장치에 관한 것이다.

에너지 자원은 한정되어 있는 데 반해 에너지 소비가 급격하게 늘면서 인류는 에너지 위기를 맞고 있다. 이에 따라, 최근, 기존 에너지 자원을 대체할 차세대 에너지원에 대한 관심이 고조되고 있다.

차세대 에너지원을 생성하기 위한 기술로, 에너지 하베스팅(energy harvesting)이란 기술이 각광을 받고 있다. 에너지 하베스팅(energy harvesting)이란 주변에서 버려지는 에너지를 수확(harvest)하여 사용할 수 있는 전기에너지로 변환하고 이용하는 것을 말한다. 에너지 하베스팅(energy harvesting)의 주요 에너지원은 진동ㆍ빛ㆍ열ㆍ전자기파 등이다.

한편, 태양 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 태양 전지(solar cell)의 경우, 태양 전지에 입사되는 광량, 태양 전지의 온도 등에 따라서 수확 가능한 최대 전력량이 변화하므로 최대 전력을 추종하는 회로가 필요하며, 응용에 따라서 수확되는 전력을 배터리에 이용하려면 생성된 전압을 승압하거나 강압하는 변환 회로가 필요하다.

전력 공급원으로부터 발생하는 전력에 대한 모니터링에 전력 소모를 최소화하면서 전력 공급원으로부터 최대 전력을 추출할 수 있도록 승압 회로를 제어하는 방법 및 장치, 그리고 이를 이용한 최대 전력 추출 장치를 제공하는 것이다. 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 실시예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.

일 측면에 따른 전력 공급원과 연결된 승압 회로를 제어하는 장치는, 상기 전력 공급원으로부터 발생하는 전력에 관한 정보를 포함하는 제 1 출력 전압을 검출하는 검출부, 상기 검출된 제 1 출력 전압에서 서로 다른 듀티 비(duty ratio)가 적용된 전압 값들을 비교하여, 비교 결과에 따라 상기 승압 회로의 듀티 비를 결정하는 제 2 출력 전압을 조절하는 비교부, 및 상기 조절된 제 2 출력 전압에 기초하여, 상기 승압 회로의 듀티 비를 조절하는 펄스 폭 변조부를 포함할 수 있다.

이때, 상기 제 1 출력 전압에 포함된 상기 전력 공급원으로부터 발생하는 전력에 관한 정보는, 상기 전력 공급원으로부터 상기 승압 회로에 입력되는 전압과 상기 승압 회로의 듀티 비(duty ratio)를 곱한 값일 수 있다.

또한, 상기 조절된 제 2 출력 전압이 소정의 값에 수렴함에 따라, 상기 조절된 승압 회로의 듀티 비는 상기 전력 공급원으로부터 최대 전력을 추출하는 듀티 비로 수렴할 수 있다.

또한, 상기 제 2 출력 전압을 조절하는 비교부는, 상기 검출된 제 1 출력 전압에서, 현재 승압 회로의 듀티 비인 정규 듀티 비(noraml duty ratio)가 적용된 제 1 비교 전압과 상기 승압 회로의 듀티 비에 대한 변동 듀티 비(perturbation duty ratio)가 적용된 제 2 비교 전압을 각각 획득하는 비교 전압 획득부, 및 상기 제 1 비교 전압과 상기 제 2 비교 전압을 비교하여, 비교 결과에 따라 상기 제 2 출력 전압의 크기를 조절하는 전압 조절부를 포함할 수 있다.

이때, 비교 전압 획득부는, 상기 검출된 제 1 출력 전압에 의해 제 1 커패시터로 흐르는 전류를 상기 정규 듀티 비가 적용되는 구간에 대해 적분하여 상기 제 1 비교 전압을 획득하고, 상기 검출된 제 1 출력 전압에 의해 제 2 커패시터로 흐르는 전류를 상기 변동 듀티 비가 적용되는 구간에 대해 적분하여 상기 제 2 비교 전압을 획득할 수 있다.

이때, 상기 제 1 비교 전압과 상기 제 2 비교 전압은 상기 전력 공급원으로부터 상기 승압 회로에 입력되는 전압이 소정의 값에 수렴한 후, 각각 복수 번 누적하여 획득될 수 있다.

한편, 상기 전압 조절부는, 상기 제 1 비교 전압이 상기 제 2 비교 전압보다 크면, 상기 제 2 출력 전압의 크기를 높이고, 상기 제 2 비교 전압이 상기 제 1 비교 전압보다 크면, 상기 제 2 출력 전압의 크기를 낮출 수 있다.

다른 측면에 따른 전력 공급원과 연결된 승압 회로를 제어하는 방법은, 상기 전력 공급원으로부터 발생하는 전력에 관한 정보를 포함하는 제 1 출력 전압을 검출하는 단계, 상기 검출된 제 1 출력 전압에서 서로 다른 듀티 비(duty ratio)가 적용된 전압 값들을 비교하여, 비교 결과에 따라 상기 승압 회로의 듀티 비를 결정하는 제 2 출력 전압을 조절하는 단계, 및 상기 조절된 제 2 출력 전압에 기초하여, 상기 승압 회로의 듀티 비를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제 2 출력 전압을 조절하는 단계는, 상기 검출된 제 1 출력 전압에서, 현재 승압 회로의 듀티 비인 정규 듀티 비(noraml duty ratio)가 적용된 제 1 비교 전압과 상기 승압 회로의 듀티 비에 대한 변동 듀티 비(perturbation duty ratio)가 적용된 제 2 비교 전압을 각각 획득하는 단계, 및 상기 제 1 비교 전압과 상기 제 2 비교 전압을 비교하여, 비교 결과에 따라 상기 제 2 출력 전압의 크기를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.

이때, 상기 획득하는 단계는, 상기 검출된 제 1 출력 전압에 의해 제 1 커패시터로 흐르는 전류를 상기 정규 듀티 비가 적용되는 구간에 대해 적분하여 상기 제 1 비교 전압을 획득하고, 상기 검출된 제 1 출력 전압에 의해 제 2 커패시터로 흐르는 전류를 상기 변동 듀티 비가 적용되는 구간에 대해 적분하여 상기 제 2 비교 전압을 획득할 수 있다.

한편, 상기 제 2 출력 전압의 크기를 조절하는 단계는, 상기 제 1 비교 전압이 상기 제 2 비교 전압보다 크면, 상기 제 2 출력 전압의 크기를 높이고, 상기 제 2 비교 전압이 상기 제 1 비교 전압보다 크면, 상기 제 2 출력 전압의 크기를 낮출 수 있다.

또 다른 측면에 따른 최대 전력 추출 장치는, 전력을 생성하는 전력 공급원, 상기 전력 공급원으로부터 입력되는 전압을 승압하는 승압 회로, 및 상기 승압 회로의 듀티비를 조절하는 승압 회로 제어 장치를 포함하고, 상기 승압 회로 제어 장치는, 상기 전력 공급원으로부터 발생하는 전력에 관한 정보를 포함하는 제 1 출력 전압에서 서로 다른 듀티 비가 적용된 전압 값들을 비교하여, 비교 결과에 따라 상기 승압 회로의 듀티 비를 조절할 수 있다.

전력 모니터링에 필요한 전력 소모를 최소화하면서 전력 공급원으로부터 최대 전력을 추출할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 최대 전력 추출 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 전력 공급원이 태양 전지인 경우, 태양 전지의 전기적 회로 모델을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 최대 전력 추출 장치의 회로 구성과 연결을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 최대 전력 추출 장치에서 승압 회로를 DCM(Discontinuous Conduction Mode) 모드에서 동작시킬 경우, 승압 회로에 입력되는 전압에 의해 인덕터에 흐르는 전류를 나타낸 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 승압 회로 제어 장치의 검출부에 대한 회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 승압 회로 제어 장치의 비교부에 대한 회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 승압 회로를 제어하는 방법을 설명하기 흐름도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 승압 회로를 제어하는 방법에서 제 2 출력 전압을 조절하는 단계를 설명하는 상세 흐름도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시예에 의해 발명을 상세히 설명하기로 한다. 하기 실시예는 발명을 구체화하기 위한 것일 뿐 발명의 권리 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 상세한 설명 및 실시예로부터 발명이 속하는 기술분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.

본 명세서에서 사용되는 '구성된다' 또는 '포함한다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 도는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 '제 1' 또는 '제 2' 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용할 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 실시예들은 승압 회로를 제어하는 방법 및 장치, 그리고 이를 이용한 최대 전력 추출 장치에 관한 것으로서 이하의 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 널리 알려져 있는 사항들에 관해서는 자세한 설명을 생략한다.

도 1은 일 실시예에 따른 최대 전력 추출 장치(10)를 설명하기 위한 블록도이다.

도 1을 참조하면, 최대 전력 추출 장치(10)는 부하(400)에 연결되어 있으며, 전력 공급원(100), 승압 회로(200), 승압 회로 제어 장치(300)를 포함할 수 있다. 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 도 1에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 알 수 있다.

전력 공급원(100)은 진동ㆍ빛ㆍ열ㆍ전자기파 등의 에너지원으로부터 전력을 생성할 수 있다. 예를 들어, 전력 공급원(100)은 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생성하는 태양 전지(solar cell)이 될 수 있다.

승압 회로(200)는 전력 공급원(100)으로부터 입력되는 전압을 승압할 수 있다. 전력 공급원(100)으로부터 생성된 전압아 낮은 값을 가지는 경우, 이를 승압하는 과정이 필요하다. 예를 들어, 승압 회로(200)는 부스터 컨버터(booster converter)가 될 수 있다.

승압 회로 제어 장치(300)는 승압 회로(200)의 듀티 비(duty ratio)를 조절할 수 있다. 다시 말해, 승압 회로(200)에 포함된 스위칭 소자의 듀티 비를 조절할 수 있다.

부하(400)는 배터리가 될 수 있다.

도 2는 전력 공급원(100)이 태양 전지인 경우, 태양 전지의 전기적 회로 모델을 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참고하면, 태양 전지의 전기적 회로 모델은 전류원(

)과 다이오드(

), 저항들(

,

)로 구성될 수 있다. 태양 전지의 전기적 회로 모델에서 생성되는 전압(

)과 전류(

)에 의해 태양 전지의 전기적 회로 모델에서 생성되는 전력을 알 수 있다.

태양 전지는 p형 반도체와 n형 반도체의 접합을 포함하므로, pn 다이오드의 비선형 특성을 가질 수 있다. 다시 말해서, 태양 전지의 경우, 전압(

)에 따른 전력 그래프가 비대칭적인 모습일 수 있다. 따라서, 전압에 따른 전력 그래프가 대칭적인 모습이어서 개방 회로(open circuit)의 절반의 전압으로 최대 전력을 추출할 수 있는 TEG(Thermoelectric Generator)와는 달리, 태양 전지의 경우, 최대 전력을 추출하기 위해서 전력을 모니터링 할 필요가 있다.

태양 전지처럼 전력 공급원(100)이 비선형 특성을 가지는 경우, 전력 공급원(100)에서 최대 전력이 추출되도록 하기 위해서는 전력 공급원(100)으로부터 발생하는 전력을 모니터링하여 최대 전력이 추출되도록 제어하여야 한다. 하지만, 전력 공급원(100)으로부터 발생하는 전력을 모니터링하기 위해, 전력 공급원(100)으로부터 출력되는 전압과 전류를 검출하는 경우, 전압과 전류를 검출하는 회로 자체에서 소모하는 전력이 크다는 문제점이 있었다. 이하, 전력 공급원(100)으로부터 발생하는 전력의 모니터링에 필요한 전력 소모를 최소화하면서 전력 공급원으로부터 최대 전력을 추출할 수 있는 최대 전력 추출 장치(10)를 설명한다.

도 3은 일 실시예에 따른 최대 전력 추출 장치(10)의 회로 구성과 연결을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 승압 회로(200)가 전력 공급원(100)과 부하(400) 사이에 연결되어 있으며, 승압 회로(200)는 승압 회로 제어 장치(300)의 제어를 받을 수 있다. 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 도 3에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 알 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 전력 공급원(100)이 태양 전지이고, 승압 회로(200)가 부스터 컨버터(booster converter)인 경우를 예를 들어 설명한다.

전력 공급원(100)인 태양 전지는 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생성할 수 있다. 태양 전지로부터 생성되는 전력은 태양 에너지의 인텐시티(intensity)와 태양 전지의 온도 등에 영향을 받을 수 있다. 태양 전지로부터 생성되는 전압이 전자 기기에 사용에 필요한 전압에 비해 낮을 경우 충분한 전압의 크기로 승압할 필요가 있다.

승압 회로(200)인 부스터 컨버터(booster conveter)는 입력되는 전압을 승압하여, 승압된 전압을 부하(400) 측에 출력할 수 있다. 도 3에 도시한 바와 같이 부스터 컨버터는 커패시터

, 인덕터

, 스위칭 소자

, 다이오드

등을 포함할 수 있다. 이때, 다이오드

는 또 다른 스위칭 소자로 대체될 수 있다. 스위칭 소자

는 도 3에 도시한 바와 같이 모스펫(MOSFET)이 될 수 있으며, 게이트 단자에 입력되는 펄스에 의해 스위칭될 수 있다.

부스터 컨버터의 입력 임피던스는 전력 공급원(100)인 태양 전지로부터 최대 전력을 추출할 수 있도록, 스위칭 소자

에 입력되는 펄스의 듀티 비(duty ratio)에 의해 제어될 수 있다. 이를 위하여, 스위칭 소자

에 입력되는 펄스의 듀티 비는 전력 공급원(100)으로부터 발생하는 전력을 모니터링하여 결정되어야 한다.

한편, 승압 회로(200)인 부스터 컨버터(booster conveter)를 DCM(Discontinuous Conduction Mode)에서 동작시키는 경우, 인덕터

에 흐르는 전류는 스위칭 소자

에 입력되는 펄스의 듀티 비에 따라 흐름과 차단을 반복할 수 있다. 이와 관련하여, 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.

도 4는 일 실시예에 따른 최대 전력 추출 장치(10)에서 승압 회로(200)를 DCM(Discontinuous Conduction Mode) 모드에서 동작시킬 경우, 승압 회로(200)에 입력되는 전압에 의해 인덕터에 흐르는 전류를 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 승압 회로(200)인 부스트 컨버터의 인덕터

에 흐르는 전류

가 불연속적임을 알 수 있다. 구체적으로, 전류

는 시간

까지 계속 증가하면서 흐르다가, 이후,

의 매우 짧은 시간 만에 '0'의 값이 되어 흐르지 않게 된다. 이때, 시간

가

에 비해 매우 길다고 할 때, 한 주기

에 해당하는 구간에 대한 전력 공급원(100)으로부터 발생하는 전력

을 계산하면 다음과 같다.

여기서,

은 승압 회로(200)에 입력되는 전압이고,

는 승압 회로(200)의 듀티 비이다. 수학식 1을 승압 회로(200)에 입력되는 전압

과 승압 회로(200)의 듀티 비

의 곱에 관한 식으로 다시 정리하면, 다음과 같다.

여기서,

는 진동수로써, 주기

의 역수이다.

수학식 2를 참조하면, 전력 공급원(100)으로부터 발생하는 전력

의 제곱근은 전력 공급원(100)으로부터 승압 회로(200)에 입력되는 전압

과 승압 회로(200)의 듀티 비

를 곱한 값에 비례함을 알 수 있다. 따라서, 전력 공급원(100)으로부터 승압 회로(200)에 입력되는 전압

과 승압 회로(200)의 듀티 비

를 곱한 값은 전력 공급원(100)으로부터 발생하는 전력

에 관한 정보가 될 수 있다.

한편, 다시 도 3을 참조하면, 승압 회로 제어 장치(300)는 승압 회로(200)에 포함된 스위칭 소자

를 스위칭시키는 펄스의 듀티 비(duty ratio)를 결정하여, 결정된 듀티 비를 가지는 펄스를 승압 회로(200)에 포함된 스위칭 소자

로 출력할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 승압 회로 제어 장치(300)는 검출부(310), 비교부(320), 펄스 폭 변조부(330)을 포함할 수 있다. 이와 같은 승압 회로 제어 장치(300)의 구성 요소들은 전력 공급원(100)으로부터 최대 전력이 추출되는 승압 회로(200)의 듀티 비를 결정하고, 이를 위해, 전력 공급원(100)으로부터 발생하는 전력에 관한 정보를 모니터링 할 수 있다.

승압 회로 제어 장치(300)는 승압 회로(200)인 부스터 컨버터를 DCM(Discontinuous Conduction Mode)에서 동작시키면서, 부스터 컨버터의 입력 임피던스가 전력 공급원(100)인 태양 전지에서 최대 전력을 추출할 수 있도록 부스터 컨버터의 스위칭 소자

에 입력되는 펄스의 듀티 비를 제어할 수 있다. 이를 위해, 승압 회로 제어 장치(300)는 전력 공급원(100)으로부터 발생하는 전력에 관한 정보를 모니터링하여야 한다.

한편, 전력 공급원(100)으로부터 승압 회로(200)에 입력되는 전압

과 승압 회로(200)의 듀티 비

를 곱한 값이 전력 공급원(100)으로부터 발생하는 전력

에 관한 정보가 될 수 있음을 위에서 확인한 바 있다. 따라서, 전력 공급원(100)으로부터 승압 회로(200)에 입력되는 전압

과 승압 회로(200)의 듀티 비

를 곱한 값을 생성하여 출력할 수 있는 회로가 있다면, 그 출력을 이용하여 전력 공급원(100)으로부터 발생하는 전력

에 관한 정보를 모니터링 할 수 있다. 이하, 이와 같은 원리를 이용하여, 전력 공급원(100)으로부터 발생하는 전력

에 관한 정보를 모니터링하고, 전력 공급원(100)으로부터 최대 전력이 추출되는 승압 회로(200)의 듀티 비를 결정하는 승압 회로 제어 장치(300)에 대하여, 도 5 및 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.

도 5는 일 실시예에 따른 승압 회로 제어 장치(300)의 검출부(310)에 대한 회로를 설명하기 위한 도면이다. 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 도 5에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 알 수 있다.

검출부(310)는 승압 회로(200)에 입력되는 전압

을 입력받아, 제 1 출력 전압

을 출력할 수 있다. 구체적으로, 검출부(310)는 승압 회로(200)에 입력되는 전압

과 현재 승압 회로(200)의 듀티 비인 정규 듀티 비(normal duty ratio)를 갖는 펄스 구간 및 현재 승압 회로(200)의 듀티 비에 대한 변동 듀티 비(perturbation duty ratio)를 갖는 펄스 구간을 포함하는 펄스

를 입력받아, 회로적으로 승압 회로(200)에 입력되는 전압

과 펄스

의 소정의 구간에 적용된 듀티 비

를 곱한 값을 생성함으로써, 이를 반영한 제 1 출력 전압

을 출력하는 회로이다. 다시 말해서, 검출부(310)는 전력 공급원(100)으로부터 발생하는 전력에 관한 정보를 포함하는 제 1 출력 전압

을 검출할 수 있다.

도 5에 도시된 회로 상단을 보면 좌측부터 우측까지 총 4개의 브랜치가 있는 것을 알 수 있다. 좌측부터 제 1 브랜치라고 할 때, 제 1 브랜치와 제 2 브랜치에는 도시된 바와 같이 전류

가 흐르는 전류원이 존재할 수 있다. 이때, 전류

가 흐르는 전류원에 연결된 브랜치에는

의 전류만 흐를 수 있다. 따라서, 제 1 브랜치의 하단에 위치한 모스펫

의 소스 단자에 승압 회로(200)에 입력되는 전압

이 인가되는 경우, 승압 회로(200)에 입력되는 전압

이 변함에 따라 모스펫

의 게이트-소스 전압이 변하게 된다. 즉, 승압 회로(200)에 입력되는 전압

의 변화는 모스펫

의 게이트 단자에 영향을 미치게 된다.

한편, 모스펫

의 게이트 단자는 다른 모스펫

의 게이트 단자에 연결되어 있으므로, 승압 회로(200)에 입력되는 전압

의 변화는 결국, 다른 모스펫

의 게이트 단자에 영향을 미치게 된다. 이때, 전류

가 흐르는 전류원에 연결된 제 2 브랜치에는

의 전류만 흐를 수 있으므로, 모스펫

의 게이트 단자의 전압 변화는 모스펫

의 소스 단자의 전압 변화를 초래한다. 이에 따라, 모스펫

의 게이트-소스 전압이 유지될 수 있다.

모스펫

의 소스 단자의 전압 변화 즉, 노드 ①의 전압 변화는 저항

에 흐르는 전류

의 변화를 초래한다. 다시 말해서, 노드 ①의 전압은 네거티브 피드백에 의해 승압 회로(200)에 입력되는 전압

과 동일하므로, 승압 회로(200)에 입력되는 전압

의 변화는 저항

에 흐르는 전류

의 변화를 초래할 수 있다.

한편, 모스펫

는 전류

가 흐르는 전류원에 연결되어 있으므로, 제 3 브랜치에는

의 전류가 흐를 수 있다. 제 4 브랜치에는 제 3 브랜치에 흐르는 전류

를

배 복사한 전류가 흐르도록 회로를 구성할 수 있다.

검출부(310) 내의 스위칭 소자

는 서로 다른 듀티 비가 적용된 구간들을 포함하는 펄스에 의해 스위칭될 수 있다. 예를 들어, 검출부(310) 내의 스위칭 소자

가 현재 승압 회로(200)의 듀티 비인 정규 듀티 비(normal duty ratio) 구간과 현재 승압 회로(200)의 듀티 비에 대한 변동 듀티 비(perturbation duty ratio) 구간을 포함하는 펄스

에 따라 스위칭될 수 있다. 이때, 변동 듀티 비는 정규 듀티 비보다 소정의 값만큼 작거나 큰 듀티 비일 수 있다. 커패시터

으로 흐르는 전류를 듀티 비가

인 구간에 대하여 적분하여 구하면, 제 1 출력 전압

을 다음과 같은 수학식으로 나타낼 수 있다.

이때,

는 상수이고, 오프셋 전압

역시 상수이다.

위의 수학식에서 알 수 있듯이, 제 1 출력 전압

은 승압 회로(200)에 입력되는 전압

과 승압 회로(200)의 듀티 비와 관련된 듀티 비

를 곱한 값을 포함하는 값이다. 다시 말해서, 제 1 출력 전압

은 전력 공급원(100)으로부터 발생하는 전력

에 관한 정보를 포함할 수 있다. 따라서, 검출부(310)는 제 1 출력 전압

을 검출함으로써, 전력 공급원(100)으로부터 발생하는 전력

에 관한 정보를 알 수 있다.

승압 회로(200)의 듀티 비가 변경되면, 변경된 듀티 비에 따른 제 1 출력 전압

을 검출할 수 있도록, 리셋 신호인

에 의해 제 1 출력 전압

이 리셋될 수 있다.

검출부(310)에서 검출된 제 1 출력 전압

은 비교부(320)에 입력된다. 이하, 도 6을 참조하여 승압 회로 제어 장치(10)의 비교부(320)에 대해 상세히 설명한다.

도 6은 일 실시예에 따른 승압 회로 제어 장치의 비교부에 대한 회로를 설명하기 위한 도면이다. 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 도 6에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 알 수 있다.

비교부(320)는 검출부(310)에서 검출된 제 1 출력 전압

을 입력받아, 제 2 출력 전압

을 출력할 수 있다. 구체적으로, 비교부(320)는 제 1 출력 전압

에서 서로 다른 듀티 비(duty ratio)가 적용된 전압 값들을 비교하여, 비교 결과에 따라 승압 회로(200)의 듀티 비를 결정하는 제 2 출력 전압

을 조절하여 출력할 수 있다.

도 6에 도시된 회로를 참조하면, 비교부(320)는 비교 전압 획득부(322)와 전압 조절부(324) 크게 두 부분으로 구분할 수 있다.

비교 전압 획득부(322)는 검출부(310)에서 검출된 제 1 출력 전압

에서, 현재 승압 회로(200)의 듀티 비인 정규 듀티 비(noraml duty ratio)가 적용된 제 1 비교 전압

과 현재 승압 회로(200)의 듀티 비에 대한 변동 듀티 비(perturbation duty ratio)가 적용된 제 2 비교 전압

을 각각 획득할 수 있다.

구체적으로, 검출부(310)에서 검출된 제 1 출력 전압

은 일종의 단위 게인 버퍼인 OTA(Operational Transconductance Amplifier)의 '+' 단자에 입력되고, OTA의 '-' 단자는 OTA의 출력 단자인 노드 ⑤에 연결되어 있으므로, 노드 ⑤는 제 1 출력 전압

의 값을 그대로 가질 수 있다. 비교 전압 획득부(322)는 제 1 출력 전압

에 의해 제 1 커패시터

로 흐르는 전류를 정규 듀티 비가 적용되는 구간에 대해 적분하여 제 1 비교 전압

을 획득하고, 제 1 출력 전압

에 의해 제 2 커패시터

로 흐르는 전류를 변동 듀티 비가 적용되는 구간에 대해 적분하여 제 2 비교 전압

을 획득할 수 있다. 여기서,

은 정규 듀티 비가 적용된 구간의 제 1 출력 전압

을 추출하기 위해 스위칭 소자

에 입력되는 신호이고,

는 변동 듀티 비가 적용된 구간의 제 1 출력 전압

을 추출하기 위해 스위칭 소자

에 입력되는 신호이다.

과

는 서로 다른 듀티 비가 적용된 구간들을 포함하는 펄스

를 고려하여, 입력될 수 있다.

한편, 제 1 비교 전압

과 제 2 비교 전압

는 전력 공급원(100)으로부터 승압 회로(200)에 입력되는 전압

이 소정의 값에 수렴한 후, 각각 복수 번 누적하여 획득한 값일 수 있다. 제 2 출력 전압

에 기초하여, 승압 회로(200)의 듀티 비가 변경되면, 승압 회로(200)에 입력되는 전압

도 변하게 되어, 소정의 값에 수렴하는데 일정 시간이 소요될 수 있다. 제 1 비교 전압

과 제 2 비교 전압

을 획득하는 과정을 복수 번 누적하는 것은 노이즈의 영향을 최소화하기 위함이다. 다시 말해서, 제 1 비교 전압

과 제 2 비교 전압

을 획득할 때 오차를 줄이기 위함이다.

제 1 커패시터

는 정규 듀티 비일 때의 전력 공급원(100)으로부터 발생하는 전력

에 관한 정보를 제 1 비교 전압

으로서 저장할 수 있고, 제 2 커패시터

는 변동 듀티 비일 때의 전력 공급원(100)으로부터 발생하는 전력

에 관한 정보를 제 2 비교 전압

으로서 저장할 수 있다. 제 1 비교 전압

과 제 2 비교 전압

은 전압 조절부(324)에 입력될 수 있다.

전압 조절부(324)는 노드 ③의 제 1 비교 전압

과 노드 ④의 제 2 비교 전압

을 비교하여, 비교 결과에 따라 승압 회로(200)의 듀티 비를 결정하는 제 2 출력 전압

의 크기를 조절할 수 있다. 즉, 두 전압 값을 비교하여, 전력이 높은 쪽의 듀티 비를 따르도록 제 2 출력 전압

의 크기를 조절할 수 있다. 예를 들어, 제 1 비교 전압

이 제 2 비교 전압

보다 크면, 제 2 출력 전압

의 크기를 높이고, 제 2 비교 전압

이 제 1 비교 전압

보다 크면, 제 2 출력 전압

의 크기를 낮출 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 노드 ③의 제 1 비교 전압

과 노드 ④의 제 2 비교 전압

은 비교기

의 '+' 단자 및 '-' 단자에 각각 입력될 수 있다. 비교기

은 제 1 비교 전압

이 제 2 비교 전압

보다 크면, 커패시터

에 전류를 공급하여 제 2 출력 전압

의 크기를 높일 수 있다. 반면, 비교기

은 제 2 비교 전압

이 제 1 비교 전압

보다 크면, 커패시터

로부터 전류를 방출시켜 제 2 출력 전압

의 크기를 낮출 수 있다.

한편, 제 2 출력 전압

의 크기는 제 1 비교 전압

과 제 2 비교 전압

이 비교기

에 입력되는 단자 위치와 인버터(inverter) 소자의 추가에 따른 변형된 회로에 따라 조절될 수도 있다.

한편, 전압 조절부(324)의 OTA(Operational Transconductance Amplifier)는 스위칭 소자

가 오픈(open)될 때, 노드 ⑥의 전압을 제 2 출력 전압

으로 유지하기 위해 필요한 회로이다. 스위칭 소자

가 제 2 출력 전압

의 갱신 명령 신호인

에 의해 닫히면, 제 2 출력 전압

이 갱신될 수 있다.

다시 도 3을 참조하면, 펄스 폭 변조부(330)는 조절된 제 2 출력 전압

에 기초하여, 승압 회로(200)의 듀티 비를 조절할 수 있다. 펄스 폭 변조부(330)는 비교기, 펄스 패턴 생성기(Pulse Pattern Generator), SR-플립플롭 등을 포함할 수 있다.

펄스 폭 변조부(330)는 비교부(320)에서 조절된 제 2 출력 전압

을 입력으로 받아, 승압 회로(200)의 듀티 비를 조절한 펄스를 출력할 수 있다. 예를 들어, 펄스 폭 변조부(330)에 입력되는 제 2 출력 전압

의 전압이 높아지면, 듀티 비를 증가시키고, 펄스 폭 변조부(330)에 입력되는 제 2 출력 전압

의 전압이 낮아지면, 듀티 비를 감소시킬 수 있다.

승압 회로 제어 장치(300)에서 이상의 과정을 반복함으로써, 전력 공급원(100)으로부터 최대 전력을 추출할 수 있는 듀티 비가 되도록 제 2 출력 전압

이 소정의 값에 수렴할 수 있다. 즉, 제 2 출력 전압

이 소정의 값에 수렴함에 따라, 승압 회로(200)의 듀티 비는 전력 공급원(100)으로부터 최대 전력을 추출하는 듀티 비로 수렴할 수 있다.

도 7은 일 실시예에 따른 승압 회로를 제어하는 방법을 설명하기 흐름도이다. 이하, 생략된 내용이라 하더라도, 이상에서 승압 회로 제어 장치(300)에 대하여 기술한 내용은 승압 회로를 제어하는 방법에 대해서도 적용될 수 있다.

먼저, 단계 710에서, 승압 회로 제어 장치(300)는 전력 공급원(100)으로부터 발생하는 전력에 관한 정보를 포함하는 제 1 출력 전압을 검출한다. 이때, 제 1 출력 전압에 포함된 전력 공급원(100)으로부터 발생하는 전력에 관한 정보는, 전력 공급원(100)으로부터 승압 회로(200)에 입력되는 전압과 승압 회로(200)의 듀티 비(duty ratio)를 곱한 값일 수 있다.

단계 720에서, 승압 회로 제어 장치(300)는 검출된 제 1 출력 전압에서 서로 다른 듀티 비(duty ratio)가 적용된 전압 값들을 비교하여, 비교 결과에 따라 승압 회로의 듀티 비를 결정하는 제 2 출력 전압을 조절한다.

도 8은 일 실시예에 따른 승압 회로를 제어하는 방법에서 제 2 출력 전압을 조절하는 단계를 설명하는 상세 흐름도이다.

단계 810에서, 승압 회로 제어 장치(300)는 검출된 제 1 출력 전압에서, 현재 승압 회로(200)의 듀티 비인 정규 듀티 비(noraml duty ratio)가 적용된 제 1 비교 전압과 현재 승압 회로(200)의 듀티 비에 대한 변동 듀티 비(perturbation duty ratio)가 적용된 제 2 비교 전압을 각각 획득할 수 있다. 예를 들어, 승압 회로 제어 장치(300)는 검출된 제 1 출력 전압에 의해 제 1 커패시터로 흐르는 전류를 정규 듀티 비가 적용되는 구간에 대해 적분하여 제 1 비교 전압을 획득하고, 검출된 제 1 출력 전압에 의해 제 2 커패시터로 흐르는 전류를 변동 듀티 비가 적용되는 구간에 대해 적분하여 제 2 비교 전압을 획득할 수 있다. 이때, 제 1 비교 전압과 제 2 비교 전압은 전력 공급원(100)으로부터 승압 회로(200)에 입력되는 전압이 소정의 값에 수렴한 후, 각각 복수 번 누적하여 획득할 수 있다.

단계 820에서, 승압 회로 제어 장치(300)는 제 1 비교 전압과 상기 제 2 비교 전압을 비교하여, 비교 결과에 따라 제 2 출력 전압의 크기를 조절할 수 있다. 예를 들어, 제 1 비교 전압이 제 2 비교 전압보다 크면, 제 2 출력 전압의 크기를 높이고, 제 2 비교 전압이 제 1 비교 전압보다 크면, 제 2 출력 전압의 크기를 낮출 수 있다.

다시 도 7을 참조하면, 단계 730에서, 승압 회로 제어 장치(300)는 조절된 제 2 출력 전압에 기초하여, 승압 회로(200)의 듀티 비를 조절한다. 조절된 제 2 출력 전압이 소정의 값에 수렴함에 따라, 조절된 승압 회로(200)의 듀티 비는 전력 공급원(100)으로부터 최대 전력을 추출하는 듀티 비로 수렴할 수 있다.

이제까지 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 개시된 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 개시된 실시예들이 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 실시예들에 따른 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 발명의 범위에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 ... 최대 전력 추출 장치
100 ... 전력 공급원
200 ... 승압 회로
300 ... 승압 회로 제어 장치
310 ... 검출부
320 ... 비교부
322 ... 비교 전압 획득부
324 ... 전압 조절부
330 ... 펄스 폭 변조부
400 ... 부하

Claims

전력 공급원과 연결된 승압 회로를 제어하는 장치에 있어서,
제 1 입력 전압을 입력 받고 상기 전력 공급원으로부터 발생하는 전력에 관련된 제 1 출력 전압을 생성하는 검출부;
상기 승압 회로의 듀티 비를 결정하는 제 2 출력 전압을 생성하고, 상기 생성된 제 1 출력 전압에 대해 현재 승압 회로의 듀티 비를 적용하여 획득되는 제 1 비교 전압과 상기 생성된 제 1 출력 전압에 대해 상기 현재 승압 회로의 듀티 비에 대한 변동 듀티 비를 적용하여 획득되는 제 2 비교 전압을 비교하여, 상기 생성된 제 2 출력 전압을 조절하는 비교 회로; 및
상기 조절된 제 2 출력 전압에 기초하여, 상기 승압 회로의 듀티 비를 조절하는 펄스 폭 변조부;
를 포함하고,
상기 검출부는 상기 전력 공급원으로부터 상기 승압 회로에 입력되는 상기 제 1 입력 전압에 상기 승압 회로의 상기 듀티 비를 곱하여 상기 제 1 출력 전압을 생성하는, 승압 회로를 제어하는 장치.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 조절된 제 2 출력 전압이 소정의 값에 수렴함에 따라, 상기 조절된 승압 회로의 듀티 비는 상기 전력 공급원으로부터 최대 전력을 추출하는 듀티 비로 수렴하는, 승압 회로를 제어하는 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 출력 전압을 조절하는 비교 회로는,
상기 제 1 비교 전압과 상기 제 2 비교 전압을 각각 획득하는 비교 전압 획득부; 및
상기 제 1 비교 전압과 상기 제 2 비교 전압을 비교하여, 비교 결과에 따라 상기 제 2 출력 전압의 크기를 조절하는 전압 조절부;
를 포함하는, 승압 회로를 제어하는 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 비교 전압 획득부는,
상기 생성된 제 1 출력 전압에 의해 제 1 커패시터로 흐르는 전류를 상기 현재 승압 회로의 듀티 비가 적용되는 구간에 대해 적분하여 상기 제 1 비교 전압을 획득하고, 상기 생성된 제 1 출력 전압에 의해 제 2 커패시터로 흐르는 전류를 상기 변동 듀티 비가 적용되는 구간에 대해 적분하여 상기 제 2 비교 전압을 획득하는, 승압 회로를 제어하는 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 제 1 비교 전압과 상기 제 2 비교 전압은 상기 전력 공급원으로부터 상기 승압 회로에 입력되는 상기 제 1 입력 전압이 소정의 값에 수렴한 후, 각각 복수 번 누적하여 획득되는, 승압 회로를 제어하는 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 전압 조절부는,
상기 제 1 비교 전압이 상기 제 2 비교 전압보다 크면, 상기 제 2 출력 전압의 크기를 높이고, 상기 제 2 비교 전압이 상기 제 1 비교 전압보다 크면, 상기 제 2 출력 전압의 크기를 낮추는, 승압 회로를 제어하는 장치.
전력 공급원과 연결된 승압 회로를 제어하는 방법에 있어서,
제 1 입력 전압을 입력 받고 상기 전력 공급원으로부터 발생하는 전력에 관련된 제 1 출력 전압을 생성하는 단계;
상기 승압 회로의 듀티 비를 결정하는 제 2 출력 전압을 생성하고, 상기 생성된 제 1 출력 전압에 대해 현재 승압 회로의 듀티 비를 적용하여 획득되는 제 1 비교 전압과 상기 생성된 제 1 출력 전압에 대해 상기 현재 승압 회로의 듀티 비에 대한 변동 듀티 비를 적용하여 획득되는 제 2 비교 전압을 비교하여, 상기 생성된 제 2 출력 전압을 조절하는 단계; 및
상기 조절된 제 2 출력 전압에 기초하여, 상기 승압 회로의 듀티 비를 조절하는 단계;
를 포함하고,
상기 제 1 출력 전압을 생성하는 단계는,
상기 전력 공급원으로부터 상기 승압 회로에 입력되는 상기 제 1 입력 전압에 상기 승압 회로의 상기 듀티 비를 곱하여 상기 제 1 출력 전압을 생성하는, 승압 회로를 제어하는 방법.
삭제
제 8 항에 있어서,
상기 조절된 제 2 출력 전압이 소정의 값에 수렴함에 따라, 상기 조절된 승압 회로의 듀티 비는 상기 전력 공급원으로부터 최대 전력을 추출하는 듀티 비로 수렴하는, 승압 회로를 제어하는 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 제 2 출력 전압을 조절하는 단계는,
상기 제 1 비교 전압과 상기 제 2 비교 전압을 각각 획득하는 단계; 및
상기 제 1 비교 전압과 상기 제 2 비교 전압을 비교하여, 비교 결과에 따라 상기 제 2 출력 전압의 크기를 조절하는 단계;
를 포함하는, 승압 회로를 제어하는 방법.
제 11 항에 있어서,
상기 획득하는 단계는,
상기 생성된 제 1 출력 전압에 의해 제 1 커패시터로 흐르는 전류를 상기 현재 승압 회로의 듀티 비가 적용되는 구간에 대해 적분하여 상기 제 1 비교 전압을 획득하고, 상기 생성된 제 1 출력 전압에 의해 제 2 커패시터로 흐르는 전류를 상기 변동 듀티 비가 적용되는 구간에 대해 적분하여 상기 제 2 비교 전압을 획득하는, 승압 회로를 제어하는 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 제 1 비교 전압과 상기 제 2 비교 전압은 상기 전력 공급원으로부터 상기 승압 회로에 입력되는 상기 제 1 입력 전압이 소정의 값에 수렴한 후, 각각 복수 번 누적하여 획득되는, 승압 회로를 제어하는 방법.
제 11 항에 있어서,
상기 제 2 출력 전압의 크기를 조절하는 단계는,
상기 제 1 비교 전압이 상기 제 2 비교 전압보다 크면, 상기 제 2 출력 전압의 크기를 높이고, 상기 제 2 비교 전압이 상기 제 1 비교 전압보다 크면, 상기 제 2 출력 전압의 크기를 낮추는, 승압 회로를 제어하는 방법.
전력을 생성하는 전력 공급원;
상기 전력 공급원으로부터 입력되는 제 1 입력 전압을 승압하는 승압 회로; 및
상기 승압 회로의 듀티 비를 조절하는 승압 회로 제어 장치;
를 포함하고,
상기 승압 회로 제어 장치는,
상기 제 1 입력 전압을 입력 받고 상기 전력 공급원으로부터 발생하는 전력에 관련된 제 1 출력 전압을 생성하고, 상기 승압 회로의 듀티 비를 결정하는 제 2 출력 전압을 생성하고, 상기 생성된 제 1 출력 전압에 대해 현재 승압 회로의 듀티 비를 적용하여 획득되는 제 1 비교 전압과 상기 생성된 제 1 출력 전압에 대해 상기 현재 승압 회로의 듀티 비에 대한 변동 듀티 비를 적용하여 획득되는 제 2 비교 전압을 비교하여, 상기 생성된 제 2 출력 전압을 조절하며, 상기 조절된 제 2 출력 전압에 기초하여, 상기 승압 회로의 듀티 비를 조절하고,
상기 제 1 출력 전압은 상기 전력 공급원으로부터 상기 승압 회로에 입력되는 상기 제 1 입력 전압에 상기 승압 회로의 상기 듀티 비를 곱하여 생성되는, 최대 전력 추출 장치.