KR102282353B1 - A low power energy conversion apparatus for a triboelectric nanogenerator - Google Patents

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Abstract

본 발명은 접촉대전 나노발전부로부터 입력되는 전류가 상기 적어도 하나의 코일에 축적되도록 제어하는 제1 스위치와, 상기 적어도 하나의 코일에 축적된 전류가 배터리로 유입되는 흐름을 제어하는 제2 스위치를 포함하며, 상기 접촉대전 나노발전부로부터 입력되는 전류를 특정 전압의 전류로 변환하여 상기 배터리에 축전하는 전력 변환부와, 상기 배터리의 전압이 기 설정된 역치 전압 미만인지 여부에 따라 상기 배터리의 전압을 승압시키거나 또는 기 설정된 신호의 출력을 중지하는 스타터 및, 상기 기 설정된 신호의 출력이 중지되면 상기 전력 변환부를 구동하며, 상기 제2 스위치의 온 및 오프되는 시간을 제로 스위칭(zero switching) 기법에 따라 제어하고, 상기 제로 스위칭 기법에 따라 상기 제2 스위치의 온 상태가 유지되는 시간 및, 상기 접촉대전 나노발전부로부터 입력되는 전류의 입력 전압에 근거하여 상기 제1 스위치의 온 및 오프되는 시간을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. The present invention provides a first switch for controlling the current input from the contact charging nano-generation unit to be accumulated in the at least one coil, and a second switch for controlling the flow of the current accumulated in the at least one coil flowing into the battery. Including, a power conversion unit for converting the current input from the contact charging nano-generation unit into a current of a specific voltage to store electricity in the battery, and the voltage of the battery according to whether the voltage of the battery is less than a preset threshold voltage A starter that boosts or stops the output of a preset signal, and drives the power converter when the output of the preset signal is stopped, and sets the on and off times of the second switch to a zero switching technique control according to the zero switching technique, the on-state time of the second switch is maintained according to the zero switching technique, and the on-off time of the first switch based on the input voltage of the current input from the contact charging nano-generation unit It characterized in that it comprises a control unit for controlling.

Description

접촉대전 나노발전부를 위한 저전력 전력 변환 장치{A LOW POWER ENERGY CONVERSION APPARATUS FOR A TRIBOELECTRIC NANOGENERATOR}A LOW POWER ENERGY CONVERSION APPARATUS FOR A TRIBOELECTRIC NANOGENERATOR

본 발명은 접촉대전 나노발전부에서 사용되는 전력 변환 장치에 대한 것이다. The present invention relates to a power conversion device used in a contact charging nano-generation unit.

전자기기에 전원을 공급하기 위한 방법으로서, 태양열, 압전, 열전 발전 등 다양한 에너지 수확 시스템이 연구되었다. 그 중에서 접촉대전 나노발전부를 이용한 에너지 수확 시스템은, 접촉대전 나노발전부의 부품 무게가 가볍고, 모양의 변형이 자유로우며, 외부 충격에 잘 버티고 제작 비용이 저렴한 등, 많은 장점을 가지고 있으므로, 차세대 자가 발전 시스템의 핵심 부품에 적합하다.As a method for supplying power to electronic devices, various energy harvesting systems such as solar, piezoelectric, and thermoelectric power generation have been studied. Among them, the energy harvesting system using the contact electrification nano power generation unit has many advantages, such as light weight of the parts of the contact charging nano power generation unit, freedom of shape deformation, good resistance to external impact, and low manufacturing cost. It is suitable for key parts of the system.

이러한 접촉대전 나노발전부는, 대전열의 차이가 나는 독립된 두 물질의 접촉과 분리가 반복될 때 발생하는 마찰전기에 의해 발전이 이루어지도록 하는 것으로, 두 물질의 전압차이에 따라 발전이 이루어진다. 이처럼 접촉대전 나노발전부는 마찰전기에 의해 발전이 이루어지기 때문에, 발생되는 전압의 범위가 굉장히 높고, 발생되는 전류의 양은 낮은 편이다. The contact electrification nano-generation unit is to generate electricity by triboelectricity generated when the contact and separation of two independent materials having a difference in charge heat are repeated, and power generation is made according to the voltage difference between the two materials. As such, since the contact charging nano-generation unit generates power by triboelectricity, the range of generated voltage is very high and the amount of generated current is low.

한편 부하회로는 낮은 전압과 높은 전류를 요구하기 때문에, 접촉대전 나노발전부를 통해 발전된 에너지를 부하회로에 공급하기 위해서는, 추가적인 전압 변환 장치를 이용하여 접촉대전 나노발전부가 발전한 에너지를 상기 부하에서 요구하는 낮은 전압과 높은 전류로 변환하여야 한다. On the other hand, since the load circuit requires a low voltage and a high current, in order to supply the energy generated by the contact charging nano-generation unit to the load circuit, the energy generated by the contact charging nano-generation unit is required from the load by using an additional voltage conversion device. It must be converted to a low voltage and a high current.

한편 통상적인 전력 변환 장치는 연속으로 동작하는 발진기를 채용함으로써, 전력 변환 장치의 대기 전류는 수백 나노에서 수 마이크로 암페어를 상회하게 된다.On the other hand, a typical power conversion device employs an oscillator that operates continuously, so that the standby current of the power conversion device exceeds several hundred nanometers to several microamperes.

그리고 상기 에너지 수확 시스템의 전력(P = I * V) 입력 범위는 상기 전력 변환 장치의 대기 전류와 상기 접촉대전 나노 발전기에서 발전된 전기의 전압에 따라 결정된다. 그런데 상술한 바와 같이 접촉대전 나노발전부의 경우, 마찰전기를 이용하여 발전이 이루어지므로 발생되는 전압의 범위가 굉장히 높다. 따라서 통상적인 에너지 수확시스템의 대기 전력이 높아지게 되고, 이러한 높은 대기 전력은 결과적으로 넓은 입력 범위를 가지지 못하게 한다는 문제가 있다.And the power (P = I * V) input range of the energy harvesting system is determined according to the standby current of the power conversion device and the voltage of electricity generated by the contact charging nano-generator. However, as described above, in the case of the contact electrification nano-generation unit, since electricity is generated using triboelectric electricity, the generated voltage range is very high. Therefore, the standby power of the conventional energy harvesting system is increased, and as a result, there is a problem that such high standby power does not have a wide input range.

본 발명은 초저전력으로 구동될 수 있도록 함으로써, 에너지 수확 시스템의 대기 전력을 수 나노 암페어 수준으로 낮추어, 상기 에너지 수확 시스템이 보다 넓은 전력 입력 범위를 가질 수 있도록 하는 전력 변환 장치 를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a power conversion device that allows the energy harvesting system to have a wider power input range by lowering the standby power of the energy harvesting system to the level of several nanoamperes by enabling it to be driven with ultra-low power do it with

상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 장치는, 접촉대전 나노발전부로부터 입력되는 전류가 상기 적어도 하나의 코일에 축적되도록 제어하는 제1 스위치와, 상기 적어도 하나의 코일에 축적된 전류가 배터리로 유입되는 흐름을 제어하는 제2 스위치를 포함하며, 상기 접촉대전 나노발전부로부터 입력되는 전류를 특정 전압의 전류로 변환하여 상기 배터리에 축전하는 전력 변환부와, 상기 배터리의 전압이 기 설정된 역치 전압 미만인지 여부에 따라 상기 배터리의 전압을 승압시키거나 또는 기 설정된 신호의 출력을 중지하는 스타터 및, 상기 기 설정된 신호의 출력이 중지되면 상기 전력 변환부를 구동하며, 상기 제2 스위치의 온 및 오프되는 시간을 제로 스위칭(zero switching) 기법에 따라 제어하고, 상기 제로 스위칭 기법에 따라 상기 제2 스위치의 온 상태가 유지되는 시간 및, 상기 접촉대전 나노발전부로부터 입력되는 입력 전압에 근거하여 상기 제1 스위치의 온 및 오프되는 시간을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. According to one aspect of the present invention in order to achieve the above or other object, the power conversion device according to an embodiment of the present invention is a first for controlling the current input from the contact charging nano-generation unit to be accumulated in the at least one coil a switch and a second switch for controlling the flow of the current accumulated in the at least one coil into the battery, converting the current input from the contact charging nano-generation unit into a current of a specific voltage to store power in the battery and a starter for boosting the voltage of the battery or stopping the output of a preset signal depending on whether the voltage of the battery is less than a preset threshold voltage, and when the output of the preset signal is stopped The power converter is driven, the on and off times of the second switch are controlled according to a zero switching technique, the time during which the on state of the second switch is maintained according to the zero switching technique, and the contact It characterized in that it comprises a control unit for controlling the on and off time of the first switch based on the input voltage input from the charging nano-generation unit.

일 실시 예에 있어서, 상기 스타터는, 상기 배터리의 전압이 역치 전압 이상인지 여부에 따라 상기 배터리의 전압을 승압시키는 승압부와, 서로 직렬로 연결되며, 항상 오프된 상태를 유지하는 제1 MOS(metal oxide semiconductor) 스위치와, 상기 제1 MOS 스위치의 누설 전류를 인가받아 상기 기 설정된 신호로 출력하도록 형성되는 출력 단자 및, 상기 제1 MOS 스위치의 누설 전류를 소스로 입력받도록 형성되며, 게이트로 입력되는 상기 배터리의 전압이 역치 전압 미만이면 접지와의 연결을 차단하여 상기 누설 전류를 상기 출력 단자로 인가되도록 하고, 상기 배터리의 전압이 역치 전압 이상이면 상기 누설 전류가 상기 출력 단자에 인가되지 않도록 상기 누설 전류를 접지를 통해 방전시키는 제2 MOS 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다. In an embodiment, the starter includes a booster for boosting the voltage of the battery depending on whether the voltage of the battery is equal to or greater than a threshold voltage, and a first MOS ( a metal oxide semiconductor) switch; an output terminal configured to receive the leakage current of the first MOS switch and output it as the preset signal; and an output terminal configured to receive the leakage current of the first MOS switch as a source and input to a gate If the voltage of the battery is less than the threshold voltage, the connection to ground is cut so that the leakage current is applied to the output terminal, and when the voltage of the battery is greater than the threshold voltage, the leakage current is not applied to the output terminal. and a second MOS switch for discharging the leakage current through the ground.

일 실시 예에 있어서, 상기 제1 MOS 스위치는, 상기 배터리의 전압이 소스(source)와 게이트(gate)에 함께 인가되는 PMOS(P-channel metal oxide semiconductor) 스위치이며, 상기 제2 MOS 스위치는, 드레인(drain) 단자가 접지에 연결된 NMOS(N-channel MOS) 스위치임을 특징으로 한다. In an embodiment, the first MOS switch is a P-channel metal oxide semiconductor (PMOS) switch to which the voltage of the battery is applied to a source and a gate together, and the second MOS switch comprises: It is characterized in that the drain terminal is an N-channel MOS (NMOS) switch connected to the ground.

일 실시 예에 있어서, 각 스위치에 대해, 스위치가 온(on) 상태를 유지하는 시간에 대응하는 시간값들과, 상기 시간값들 각각에 대응하는 카운터값들을 저장한 메모리를 더 포함하며, 상기 제어부는, 상기 카운터값을 증가 또는 감소하여 상기 각 스위치가 온 상태를 유지하는 시간의 길이를 증가시키거나 감소시키며, 상기 전력 변환부의 구동이 시작되면, 기 설정된 제1 스위치의 카운터값에 따른 시간과, 상기 제로 스위칭 기법에 따라 제로 스위칭 조건을 만족하는 상기 제2 스위치의 카운터값에 따른 시간에 근거하여 입력 전압을 산출하고, 산출된 입력 전압에 근거하여 상기 제1 스위치의 카운터값을 변경하는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, for each switch, the switch further comprises a memory storing time values corresponding to a time in which the switch maintains an on state and counter values corresponding to each of the time values; The control unit increases or decreases the counter value to increase or decrease the length of time each switch maintains an ON state, and when the power converter starts driving, a time according to a preset counter value of the first switch and calculating an input voltage based on a time according to a counter value of the second switch that satisfies the zero switching condition according to the zero switching technique, and changing the counter value of the first switch based on the calculated input voltage characterized in that

일 실시 예에 있어서, 상기 메모리는, 상기 제1 스위치의 카운터값들과 상기 제2 스위치의 카운터값들의 개수는 서로 다르며, 상기 제1 스위치의 카운터값들 보다 더 많은 수의 상기 제2 스위치의 카운터값들을 저장하는 것을 특징으로 한다. In an embodiment, in the memory, the number of counter values of the first switch and the number of counter values of the second switch are different from each other, and the number of counter values of the second switch is greater than the counter values of the first switch. It is characterized in that it stores counter values.

일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제2 스위치에서, 상기 코일과 연결된 측의 전단 전압과 상기 배터리와 연결된 측의 후단 전압을 각각 검출 및, 검출된 상기 전단 전압의 크기와 상기 후단 전압의 크기에 기초하여, 상기 제2 스위치의 카운터값을 증가 또는 감소시키는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the control unit, in the second switch, detects the front end voltage of the side connected to the coil and the rear end voltage of the side connected to the battery, respectively, and the detected magnitude of the front end voltage and the rear end voltage Based on the size, it characterized in that the counter value of the second switch is increased or decreased.

일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 기 설정된 시간 간격에 따라 상기 전단 및 후단의 전압을 검출 및 검출 결과에 따라 상기 제2 스위치의 카운터값을 변경하며, 상기 전단 및 후단의 전압들 간의 차이가 기 설정된 임계값 이하인 경우 상기 제로 스위칭 조건을 만족하는 것으로 식별 및, 상기 제로 스위칭 조건을 만족하는 제2 스위치의 카운터값에 따른 시간과, 상기 기 설정된 제1 스위치의 카운터값에 따른 시간에 근거하여 상기 입력 전압을 산출하는 것을 특징으로 한다. In an embodiment, the control unit detects the voltages of the front and rear ends according to a preset time interval and changes the counter value of the second switch according to the detection result, and the difference between the voltages of the front and rear ends is When it is less than a preset threshold, it is identified that the zero switching condition is satisfied, and based on a time according to a counter value of a second switch that satisfies the zero switching condition, and a time according to a counter value of the preset first switch and calculating the input voltage.

일 실시 예에 있어서, 상기 입력 전압은, 상기 접촉대전 나노발전부로부터 입력되는 전압이며, 하기 수학식 1에 따라 산출되는 것을 특징으로 한다. In an embodiment, the input voltage is a voltage input from the contact charging nano-generation unit, and is calculated according to Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112019123763747-pat00001
Figure 112019123763747-pat00001

여기서 VI는 입력 전압을, VBAT는 배터리의 전압을, t1은 제1 스위치의 카운터값에 따른 시간값, t2는 제2 스위치의 카운터값에 따른 시간값임.where VI is the input voltage, V BAT is the voltage of the battery, t 1 is the time value according to the counter value of the first switch, and t 2 is the time value according to the counter value of the second switch.

일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 산출된 입력 전압에 대응하는 룩업(look up) 테이블에 근거하여, 상기 제2 스위치의 카운터값에 따라 상기 제1 스위치의 카운터값을 갱신하며, 상기 룩업 테이블은, 제2 카운터값들 각각에 따라 증가 또는 감소시킬 제1 카운터값들을 나타낸 테이블임을 특징으로 한다. In an embodiment, the control unit updates the counter value of the first switch according to the counter value of the second switch, based on a look-up table corresponding to the calculated input voltage, and The table is characterized in that it is a table indicating first counter values to be increased or decreased according to each of the second counter values.

일 실시 예에 있어서, 상기 제1 스위치는, NMOS(N-channel MOS) 스위치이며, 상기 제2 스위치는, PMOS(P-channel MOS) 스위치이고, 상기 제어부는, 상기 제1 스위치와 제2 스위치의 온 및 오프가 서로 중첩되지 않도록, 각 스위치의 신호가 다른 스위치의 트리거(trigger)로 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 한다. In an embodiment, the first switch is an N-channel MOS (NMOS) switch, the second switch is a P-channel MOS (PMOS) switch, and the controller includes the first switch and the second switch. It is characterized in that the signal of each switch is controlled to act as a trigger of the other switch so that ON and OFF of are not overlapped with each other.

본 발명에 따른 전력 변환 장치의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.The effect of the power conversion device according to the present invention will be described as follows.

본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 본 발명은 일정한 양의 전류를 항상 소모하는 연산 증폭기와 발진기와 같은 소자 없이 상기 전력 변환 장치가 구동될 수 있도록 함으로써, 상기 에너지 수확 장치의 대기 전류를 보다 낮출 수 있다는 장점이 있다. According to at least one of the embodiments of the present invention, the present invention allows the power conversion device to be driven without elements such as an operational amplifier and an oscillator that always consume a certain amount of current, thereby reducing the standby current of the energy harvesting device The advantage is that it can be lowered.

또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 본 발명은 2개의 스위치의 제로 스위칭 기법을 통해 전력 변환이 이루어질 수 있도록 하고, 상기 2개 스위치의 타이밍에 근거하여 입력 전압이 산출되도록 함으로써, 외부의 입력 또는 발진기 등이 없이 전력 변환이 이루어질 수 있도록 한다는 장점이 있다. In addition, according to at least one of the embodiments of the present invention, the present invention enables power conversion to be performed through the zero switching technique of two switches, and an input voltage is calculated based on the timing of the two switches. There is an advantage that power conversion can be performed without an input or an oscillator of the .

또한 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 본 발명은 초저전력으로 전력 변환 장치가 구동됨으로써, 전력 변환 장치의 낮은 대기 전류로 인하여 넓은 입력 전력 범위를 가질 수 있으며, 이에 따라 다양한 입력 전력을 수용할 수 있다는 장점이 있다. In addition, according to at least one of the embodiments of the present invention, the present invention can have a wide input power range due to the low standby current of the power conversion device by driving the power conversion device with ultra-low power, and thus accommodate various input power There are advantages to being able to

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 장치에서 스타터의 구성을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 장치에서, 전력 변환부의 구성을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 장치에서, 코일의 전류 그래프를 도시한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 장치에서, 전력 변환부의 스위치들을 제어하는 동작 과정을 도시한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 장치에서, 제1 스위치의 스위치 온 시간에 따른 제2 스위치의 온 시간, 그리고 상기 제1 및 제2 스위치의 온 시간들에 따라 산출되는 입력 전압을 도시한 예시도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 장치에서, 제2 스위치의 카운터값에 근거하여 조정되는 제1 스위치의 카운터값에 대한 룩업 테이블의 예를 도시한 예시도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 장치에서, 입력 전력에 대한 전력 효율을 도시한 예시도이다. 1 is a block diagram for explaining the configuration of a power conversion device according to an embodiment of the present invention.
2 is a conceptual diagram for explaining the configuration of a starter in the power conversion device according to an embodiment of the present invention.
3 is a conceptual diagram for explaining the configuration of a power converter in the power converter according to an embodiment of the present invention.
4 is an exemplary diagram illustrating a current graph of a coil in a power conversion device according to an embodiment of the present invention.
5 is a flowchart illustrating an operation process of controlling switches of a power conversion unit in a power conversion device according to an embodiment of the present invention.
6 is an on-time of the second switch according to the switch-on time of the first switch, and an input voltage calculated according to the on-times of the first and second switches in the power conversion device according to an embodiment of the present invention; It is an example diagram shown.
7 is an exemplary diagram illustrating an example of a lookup table for a counter value of a first switch adjusted based on a counter value of a second switch in the power conversion device according to an embodiment of the present invention.
8 is an exemplary diagram illustrating power efficiency with respect to input power in a power conversion device according to an embodiment of the present invention.

본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다." 또는 "포함한다." 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 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.It should be noted that technical terms used herein are used only to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Also, as used herein, the singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. As used herein, "consisting of." or "includes." The term such as etc. should not be construed as necessarily including all of the various components or steps described in the specification, and some components or some steps may not be included, or additional components or steps may not be included. It should be construed as being able to include more.

또한, 본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. In addition, in describing the technology disclosed in the present specification, if it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the technology disclosed in this specification, the detailed description thereof will be omitted.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 또한 제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.In describing each figure, like reference numerals are used for like elements. Also, terms such as first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. shouldn't

먼저 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.First, FIG. 1 is a block diagram for explaining the configuration of a power conversion device according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 장치(10)는, 접촉대전 나노발전부(20)로부터 입력되는 높은 전압의 전류를 특정 전압의 전류로 변환시키는 장치로서, 제어부(100)와, 상기 제어부(100)에 연결되는 스타터(starter)(110), 전력 변환부(120) 및 메모리(130)를 포함하여 구성될 수 있다. Referring to FIG. 1 , the power conversion device 10 according to an embodiment of the present invention is a device for converting a high voltage current input from the contact charging nano power generation unit 20 into a specific voltage current, and a control unit ( 100 ), and a starter 110 connected to the control unit 100 , a power conversion unit 120 , and a memory 130 may be included.

먼저 스타터(110)는 전력 변환 장치(10)에서 전력 변환부(120)의 구동을 개시할 수 있는 개시 신호를 출력할 수 있다. 이를 위해 스타터(110)는, 전력 변환 장치(10)에서 변환된 전력이 저장되는 배터리의 전압(VBAT)이 동작 역치 전압 미만일 때는 상기 배터리의 전압을 승압시키고, 상기 배터리의 전압이 동작 역치 전압 이상일 때는 전력 변환부(120)의 구동을 개시하기 위한 개시 신호를 출력할 수 있다. First, the starter 110 may output a start signal for starting the driving of the power conversion unit 120 in the power conversion device 10 . To this end, the starter 110 boosts the voltage of the battery when the voltage (V BAT ) of the battery in which the power converted by the power conversion device 10 is stored is less than the operating threshold voltage, and the voltage of the battery is the operating threshold voltage. When it is abnormal, a start signal for starting the driving of the power converter 120 may be output.

한편 스타터(110)는 현재 배터리 전압(VBAT)이 역치 전압 이하인지 이상 상태인지를 식별가능하면서, 전력 소모는 최소로 유지되어야 한다. 이를 위해 상기 스타터는 2개의 트랜지스터 소자로 구현될 수 있으며, 상기 2개의 트랜지스터 소자 중, 어느 하나의 누설 전류에 따라 상기 개시 신호가 출력되도록 회로가 형성될 수 있다. 이하 도 2를 참조하여 상기 스타터(110)의 구성을 보다 자세하게 살펴보기로 한다. Meanwhile, the starter 110 may identify whether the current battery voltage V BAT is less than or equal to the threshold voltage, while power consumption should be kept to a minimum. To this end, the starter may be implemented with two transistor elements, and a circuit may be formed such that the start signal is output according to a leakage current of any one of the two transistor elements. Hereinafter, the configuration of the starter 110 will be described in more detail with reference to FIG. 2 .

그리고 전력 변환부(120)는 접촉대전 나노발전부(20)로부터 입력되는 입력 전압을 적어도 하나의 코일을 이용하여 특정 전압으로 변환시키고, 변환된 특정 전압에 의하여 발생하는 전류를 이용하여 배터리에 축전할 수 있다. 이를 위해 전력 변환부(120)는 상기 적어도 하나의 코일과 상기 배터리 사이에 복수의 스위치를 구비할 수 있으며, 제어부(100)의 제어에 따라 상기 복수의 스위치 각각의 온(회로 연결) 또는 오프(회로 차단)를 제어함으로써 상기 접촉대전 나노발전부(20)로부터 생성된 전류를 상기 특정 전압의 전류로 변환하여 저장할 수 있다. 이하 도 3을 참조하여 상기 전력 변환부(120)의 구성을 보다 자세하게 살펴보기로 한다. And the power conversion unit 120 converts the input voltage input from the contact charging nano-generation unit 20 into a specific voltage using at least one coil, and stores electricity in the battery using the current generated by the converted specific voltage. can do. To this end, the power converter 120 may include a plurality of switches between the at least one coil and the battery, and each of the plurality of switches is turned on (connected to a circuit) or turned off (connected to a circuit) according to the control of the controller 100 . circuit block), the current generated from the contact charging nano-generation unit 20 may be converted into a current of the specific voltage and stored. Hereinafter, the configuration of the power converter 120 will be described in more detail with reference to FIG. 3 .

한편 제어부(100)는 상기 스타터(110)를 통해 개시 신호를 입력받을 수 있다. 그리고 입력된 개시 신호에 따라 상기 전력 변환부(120)의 구동을 제어할 수 있다. 보다 자세하게, 제어부(100)는 상기 개시 신호에 따라, 상기 접촉대전 나노발전부(20)로부터 입력되는 전류가 상기 적어도 하나의 코일에 축적되도록 제어하는 제1 스위치와, 상기 적어도 하나의 코일에 축적된 전류가 상기 배터리로 유입되는 흐름을 제어하는 제2 스위치의 개폐를 제어할 수 있다. Meanwhile, the control unit 100 may receive a start signal through the starter 110 . In addition, it is possible to control the driving of the power converter 120 according to the input start signal. In more detail, the control unit 100 includes a first switch that controls the current input from the contact charging nano-generation unit 20 to be accumulated in the at least one coil according to the start signal, and is accumulated in the at least one coil. It is possible to control the opening and closing of the second switch that controls the flow of the current flowing into the battery.

이를 위해 제어부(100)는 먼저 제1 스위치를 제어하여 상기 적어도 하나의 코일에 상기 접촉대전 나노발전부(20)로부터 입력되는 전류가 축적되도록 함으로써 상기 접촉대전 나노발전부(20)로부터 입력되는 상기 입력 전압을 특정 전압으로 변환되도록 하고, 상기 제2 스위치를 제어하여 상기 적어도 하나의 코일에 축적되었던 전류가 배터리에 유입될 수 있도록 할 수 있다. 이 경우 제어부(100)는 전력 변환 효율이 손실되지 않도록 제로 스위칭(zero switching) 기법에 따라 상기 제1 스위치와 제2 스위치의 온 및 오프되는 시간을 제어함으로써, 전력 변환시 효율이 낮아지는 것을 방지할 수 있다. To this end, the control unit 100 controls the first switch so that the current input from the contact charging nano-generation unit 20 is accumulated in the at least one coil, so that the input from the contact charging nano-generation unit 20 is The input voltage may be converted into a specific voltage, and the second switch may be controlled to allow the current accumulated in the at least one coil to flow into the battery. In this case, the control unit 100 controls the on and off times of the first switch and the second switch according to a zero switching technique so that power conversion efficiency is not lost, thereby preventing the efficiency from being lowered during power conversion. can

한편 메모리(130)는 상기 제어부(100)의 동작을 위한 다양한 데이터들을 저장할 수 있다. 또한 메모리(130)는 상기 제어부(100)가 상기 제1 스위치와 제2 스위치의 온 및 오프되는 시간을 제어하기 위한 데이터를 저장할 수 있다. 일 예로 상기 데이터는 상기 제1 스위치가 온 되는 서로 다른 시간값에 대응하는 제1 카운터(counter) 값들을 포함할 수 있으며, 상기 제2 스위치가 온 되는 서로 다른 시간값에 대응하는 제2 카운터값들을 포함할 수 있다. 이에 제어부(100)는 각 스위치에 대응하는 카운터값을 증가(up)시키거나 강하(down)시킴으로서, 상기 제1 스위치 또는 제2 스위치가 온 되는 시간을 늘리거나 줄일 수 있다. Meanwhile, the memory 130 may store various data for the operation of the controller 100 . In addition, the memory 130 may store data for controlling the on and off times of the first switch and the second switch by the controller 100 . For example, the data may include first counter values corresponding to different time values for turning on the first switch, and second counter values corresponding to different time values for turning on the second switch. may include Accordingly, the control unit 100 may increase (up) or decrease (down) the counter value corresponding to each switch, thereby increasing or decreasing the time for which the first switch or the second switch is turned on.

한편 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 장치(10)에서 스타터(110)의 구성을 설명하기 위한 개념도이다. Meanwhile, FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining the configuration of the starter 110 in the power conversion device 10 according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 장치(10)의 스타터(110)는 상술한 바와 같이 2개의 트랜지스터 소자로 구현되는 2개의 MOS(Metal Oxide Semiconductor) 스위치(210, 220)로 구현될 수 있다. 이 중 제1 MOS 스위치(210)는 PMOS(P-channel metal oxide semiconductor) 스위치로서, 소스(source)와 게이트(gate)에 동시에 VDDI, 즉 배터리 전압(VBAT)이 인가되는 스위치일 수 있다. 이처럼 소스와 게이트에 같은 전압이 인가되므로 상기 제1 MOS 스위치(210)는, PMOS 스위치의 특성상 항상 오프(off) 상태로 유지될 수 있다. 이 경우 상기 제1 MOS 스위치(210)의 드레인(drain)을 통해 상기 제1 MOS 스위치(210)의 누설 전류만 출력될 수 있다. Referring to FIG. 2 , the starter 110 of the power conversion device 10 according to an embodiment of the present invention is two MOS (Metal Oxide Semiconductor) switches 210 and 220 implemented with two transistor elements as described above. ) can be implemented. Among them, the first MOS switch 210 is a P-channel metal oxide semiconductor (PMOS) switch, and may be a switch to which VDDI, that is, the battery voltage V BAT, is simultaneously applied to a source and a gate. Since the same voltage is applied to the source and gate as described above, the first MOS switch 210 may always be maintained in an off state due to the characteristics of the PMOS switch. In this case, only the leakage current of the first MOS switch 210 may be output through the drain of the first MOS switch 210 .

한편 상기 제1 MOS 스위치(210)와 반대로, 제2 MOS 스위치(220)는 NMOS(N-channel MOS) 스위치로 구현될 수 있다. 그리고 상기 제2 MOS 스위치(220)의 소스에는, 상기 제1 MOS 스위치(210)의 드레인이 연결될 수 있으며, 제2 MOS 스위치(220)의 소스와 상기 제1 MOS 스위치(210)의 드레인 사이에 출력단자(k)가 형성될 수 있다.Meanwhile, in contrast to the first MOS switch 210 , the second MOS switch 220 may be implemented as an N-channel MOS (NMOS) switch. In addition, a drain of the first MOS switch 210 may be connected to a source of the second MOS switch 220 , and between the source of the second MOS switch 220 and the drain of the first MOS switch 210 . An output terminal k may be formed.

따라서 최종 전압에 해당하는 VDDI(배터리 전압(VBAT))가 기 설정된 역치 전압(예를 들어 700 mV) 미만일 때는 제1 MOS 스위치(210)로부터 제2 MOS 스위치(220)의 소스에 인가되는 전압이, 제2 MOS 스위치(220)의 게이트에 인가되는 전압보다 높아질 수 있다. 그러면 제2 MOS 스위치(220)가 오프되므로 상기 출력 단자(K)를 통해 상기 제1 MOS 스위치(210)에서 누설 전류가 출력될 수 있다(출력 K가 온 된 상태). Therefore, when the VDDI (battery voltage (V BAT )) corresponding to the final voltage is less than a preset threshold voltage (eg, 700 mV), the voltage applied from the first MOS switch 210 to the source of the second MOS switch 220 . This may be higher than the voltage applied to the gate of the second MOS switch 220 . Then, since the second MOS switch 220 is turned off, a leakage current may be output from the first MOS switch 210 through the output terminal K (output K is on).

한편 이처럼 출력 K가 온 상태일 때, 스타터(110)는 최종 전압 VDDI(배터리 전압(VBAT))을 승압시킬 수 있다(콜드 스타팅(cold starting) 구동). 이를 위해 스타터(110)는 승압부(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. Meanwhile, when the output K is in the on state as described above, the starter 110 may boost the final voltage VDDI (battery voltage V BAT ) (cold starting driving). To this end, the starter 110 may further include a boosting unit (not shown).

한편 상기 콜드 스타팅 구동에 따라 VDDI(배터리 전압(VBAT))이 승압될 수 있다. 그리고 상기 VDDI(배터리 전압(VBAT))가 역치 전압 이상으로 승압이 되면, 상기 제1 MOS 스위치(210)에서 상기 제2 MOS 스위치(220)의 소스에 인가되는 누설 전류보다, 상기 제2 MOS 스위치(220)의 게이트에 인가되는 전압이 더 커질 수 있다. 그러면 제2 MOS 스위치(220)가 온 되므로, 상기 제2 MOS 스위치(220)의 소스와 드레인 사이의 회로가 형성되어, 제1 MOS 스위치(210)에서 누설되는 전류가 접지될 수 있다. 그러면 출력 단자(K)에서는 누설 전류가 출력되지 않을 수 있다(출력 K가 오프 상태). Meanwhile, VDDI (battery voltage V BAT ) may be boosted according to the cold starting driving. And when the VDDI (battery voltage (V BAT )) is boosted above a threshold voltage, the leakage current applied to the source of the second MOS switch 220 from the first MOS switch 210 is higher than that of the second MOS A voltage applied to the gate of the switch 220 may be increased. Then, since the second MOS switch 220 is turned on, a circuit between the source and the drain of the second MOS switch 220 is formed, and the current leaked from the first MOS switch 210 may be grounded. Then, leakage current may not be output from the output terminal K (output K is in an off state).

따라서 항상 제1 MOS 스위치(210)이 오프된 상태를 유지하고, 이에 따라 누설 전류에 의해서만 출력 K의 온 또는 오프가 결정되기 때문에 소모되는 전력이 극히 작아질 수 있다. Accordingly, since the first MOS switch 210 always maintains an off state, and thus the on or off of the output K is determined only by the leakage current, power consumption can be extremely small.

한편 상기 출력 K에 따라 스타터(110)는, 콜드 스타팅의 동작 유무를 결정할 수 있다. 즉, 출력 K가 ON 상태일 때 (VBAT이 역치 전압 이하), 콜드 스타팅 회로 동작을 지시하여 최종 전압 VDDI를 승압시키고, 승압에 따라 상기 최종 전압 VDDI가 역치 전압 이상이 되면, 출력 K가 OFF될 수 있다. 그러면 제어부(100)는 상기 스타터(110)의 콜드 스타팅 동작을 정지시킬 수 있으며, 전력 변환부(120)를 구동하여 상기 접촉대전 나노발전부(20)로부터 입력되는 입력 전압을 특정 전압으로 변환 하고, 상기 특정 전압으로 인하여 발생하는 전류를 이용하여, 배터리에 축전할 수 있다. Meanwhile, according to the output K, the starter 110 may determine whether cold starting is performed. That is, when the output K is ON (V BAT is below the threshold voltage), the cold starting circuit operation is instructed to boost the final voltage VDDI, and when the final voltage VDDI becomes higher than the threshold voltage according to the boost, the output K is OFF can be Then, the control unit 100 can stop the cold starting operation of the starter 110, and drives the power conversion unit 120 to convert the input voltage input from the contact charging nano-generation unit 20 to a specific voltage and , by using the current generated due to the specific voltage, it is possible to store electricity in the battery.

한편 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 장치에서, 전력 변환부의 구성을 설명하기 위한 개념도이다. 그리고 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 장치에서, 코일의 전류 그래프를 도시한 예시도이다. Meanwhile, FIG. 3 is a conceptual diagram for explaining the configuration of a power converter in the power converter according to an embodiment of the present invention. And Figure 4 is an exemplary view showing a current graph of the coil in the power conversion device according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환부(120)는 적어도 하나의 코일(300), 제1 스위치(310), 제2 스위치(320), 상기 제2 스위치(320)의 전단 및 후단에 형성되는 전압 검출부(301, 302) 및 배터리(330)를 포함하여 구성될 수 있다. Referring to FIG. 3 , the power converter 120 according to an embodiment of the present invention includes at least one coil 300 , a first switch 310 , a second switch 320 , and the second switch 320 . It may be configured to include voltage detection units 301 and 302 and a battery 330 formed at the front and rear ends of the .

여기서 상기 제1 스위치(310)는, 상기 코일(300)과 접지를 연결하는 전로에 형성될 수 있으며, NMOS(N-channel MOS) 스위치로 구성될 수 있다. 한편 제2 스위치(320)는 상기 코일(300)과 상기 배터리(330)를 연결하는 전로에 형성될 수 있으며, PMOS(P-channel MOS) 스위치로 구성될 수 있다. 그리고 상기 제1 스위치(310)와 제2 스위치(320)는 제어부(100)에 의해 온 및 오프가 제어될 수 있다. Here, the first switch 310 may be formed in a circuit connecting the coil 300 and the ground, and may be configured as an N-channel MOS (NMOS) switch. Meanwhile, the second switch 320 may be formed in a circuit connecting the coil 300 and the battery 330 , and may be configured as a P-channel MOS (PMOS) switch. In addition, the first switch 310 and the second switch 320 may be controlled on and off by the controller 100 .

상기 도 2에서 살펴본 스타터(110)의 동작에 따라 전력 변환부(120)의 구동이 개시되면, 제어부(100)는 먼저 제1 스위치(310)를 온(폐쇄(close)) 시킬 수 있다. 그러면 상기 접촉대전 나노발전부(20)로부터 입력되는 전류가 코일(300)에 축적되어, 상기 접촉대전 나노발전부(20)로부터 입력되는 전압이 특정 전압으로 변환될 수 있다. When the driving of the power converter 120 is started according to the operation of the starter 110 shown in FIG. 2 , the controller 100 may first turn on (close) the first switch 310 . Then, the current input from the contact charging nano power generation unit 20 is accumulated in the coil 300 , and the voltage input from the contact charging nano power generation unit 20 can be converted into a specific voltage.

그러면 제어부(100)는 상기 제1 스위치(310)를 오프(개방(open)) 시킴과 동시에 제2 스위치(320)를 온 시킬 수 있다. 이에 따라 상기 코일(300)과 배터리(330)가 연결되면서, 코일(300)에 축전된 에너지가 제2 스위치(320)를 통해 배터리(330)에 유입될 수 있다. Then, the controller 100 may turn off (open) the first switch 310 and turn on the second switch 320 at the same time. Accordingly, as the coil 300 and the battery 330 are connected, the energy stored in the coil 300 may flow into the battery 330 through the second switch 320 .

이를 코일(300)에 축전되는 에너지의 변화를 도시한 도 4를 참조하여 살펴보면, S1, 즉 제1 스위치(310)가 온 되는 동안 S2, 제2 스위치(320)는 오프 상태를 유지할 수 있다. 그러면 제1 스위치(310)가 온 된 상태를 유지하는 시간(t1) 동안 전류는 선형적으로 증가하게 된다. 반면 즉 제2 스위치(320)가 온 되는 동안, 제1 스위치(310)는 오프 상태로 전환될 수 있다. 그러면 제1 스위치(310)가 오프 된 상태를 유지하는 시간(t2) 동안 전류는 선형적으로 줄어들게 된다. Referring to FIG. 4 illustrating a change in energy stored in the coil 300 , S1 , that is, while the first switch 310 is on, S2 and the second switch 320 may maintain an off state. Then, the current increases linearly during the time t1 during which the first switch 310 maintains the on state. On the other hand, that is, while the second switch 320 is on, the first switch 310 may be switched to an off state. Then, the current is linearly reduced during the time t2 during which the first switch 310 maintains the off state.

만약 전류 I1가 0 보다 작은 값 즉, 음수가 되었을 때에도 제2 스위치(320)가 온 상태이면, 전류가 배터리(330)에서 접촉대전 나노발전부(20)로 역류하기 때문에, 전력 변환 효율에 손실을 일으킬 수 있다. If the current I 1 is less than 0, that is, even when the second switch 320 is on even when it becomes a negative number, since the current flows back from the battery 330 to the contact charging nano-generation unit 20, the power conversion efficiency is affected. may cause losses.

이러한 전력 손실을 방지하기 위해, 제어부(100)는 전류가 지속적으로 감지하여 0이 되는 경우 제2 스위치(320)를 오프 상태로 전환하여야 전력의 손실을 방지할 수 있다. 이러한 전력 손실을 방지하고 전력 변환 효율을 최적화하기 위해서는 상기 제1 스위치(310)와 제2 스위치(320)의 온 오프 시간을 적절하게 제어하여야 하며, 이러한 스위치의 온 오프 타이밍 및 스위치의 온 오프 시간을 최적화하기 위해, 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 장치(10)의 제어부(100)는 제로 전류 스위칭 기법을 이용할 수 있다. In order to prevent such power loss, when the current is continuously sensed and becomes 0, the controller 100 must turn the second switch 320 to an off state to prevent power loss. In order to prevent such power loss and optimize power conversion efficiency, the on/off times of the first switch 310 and the second switch 320 should be appropriately controlled, and the on/off timing of the switch and the on/off time of the switch should be appropriately controlled. In order to optimize , the controller 100 of the power conversion device 10 according to an embodiment of the present invention may use a zero current switching technique.

상기 제1 및 제2 스위치(310, 320)의 온 오프 타이밍 및 온 오프 시간을 최적화하기 위해서는, 먼저 제1 및 제2 스위치(310, 320)의 온 오프 시간이 서로 겹치지 않아야 하고, 제2 스위치(320)의 오프 시점이 정확히 전류 I1가 0이 되는 순간에 이루어져야 한다. In order to optimize the on-off timing and on-off time of the first and second switches 310 and 320 , the on-off times of the first and second switches 310 and 320 should not overlap each other, and the second switch The off point of (320) must be made exactly at the moment when the current I 1 becomes 0.

이 경우 제1 스위치(310)와 제2 스위치(320)가 서로 자신의 신호를 다른 스위치의 트리거(trigger)로 작동하게 설계한다면 온 및 오프가 겹치지 않도록 동작할 수 있다. 그리고 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환부(120)는, 상기 코일(300)에 흐르는 전류가 0이 될 때를 감지할 수 있도록 상기 제2 스위치(320)의 전단 전압과 후단 전압을 각각 검출하여 비교할 수 있는 전압 검출부(301, 302)를 구비할 수 있다. In this case, if the first switch 310 and the second switch 320 are designed to operate their own signals as triggers of other switches, they may operate so that ON and OFF do not overlap. And the power conversion unit 120 according to an embodiment of the present invention, to detect when the current flowing in the coil 300 becomes 0, respectively detect the front-end voltage and the rear-end voltage of the second switch 320 . Thus, it may be provided with voltage detection units 301 and 302 that can be compared.

또한 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 장치(10)의 메모리(130)는 서로 다른 온 상태 유지 시간들(시간값들)과, 상기 시간값들 각각에 대응하는 카운터값들을 저장할 수 있다. 그리고 제어부(100)는 카운터값을 증가시키거나 강하시킴으로서 해당 스위치가 온 상태를 유지하는 시간을 늘리거나 줄일 수 있다. Also, the memory 130 of the power conversion device 10 according to an embodiment of the present invention may store different on-state maintenance times (time values) and counter values corresponding to each of the time values. And, by increasing or decreasing the counter value, the control unit 100 may increase or decrease the time for which the corresponding switch maintains the ON state.

한편 상기 시간값들은 스위치에 따라 서로 다르게 설정될 수 있다. 예를 들어 제1 스위치(310)의 경우 8개의 시간값들을 가질 수 있다. 이 경우 제1 스위치(310)의 시간값들은 3비트(bit)로 이루어지는 카운터값을 가질 수 있다. 반면 제2 스위치(320)의 경우 128개의 시간값들을 가질 수 있다. 이 경우 제2 스위치(320)의 시간값들은 7비트(bit)로 이루어지는 카운터값을 가질 수 있다. Meanwhile, the time values may be set differently depending on the switch. For example, the first switch 310 may have eight time values. In this case, the time values of the first switch 310 may have a counter value consisting of 3 bits. On the other hand, the second switch 320 may have 128 time values. In this case, the time values of the second switch 320 may have a counter value consisting of 7 bits.

도 5는 이처럼 제1 스위치(310)와 제2 스위치(320)가 서로 다른 시간값들을 가지는 경우에 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 장치(10)에서, 전력 변환부(120)의 스위치들(310, 320)을 제어하는 동작 과정을 도시한 흐름도이다. 5 shows the switches of the power conversion unit 120 in the power conversion device 10 according to an embodiment of the present invention when the first switch 310 and the second switch 320 have different time values. It is a flowchart showing the operation process of controlling (310, 320).

그리고 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 장치에서, 제1 스위치의 스위치 온 시간에 따른 제2 스위치의 온 시간, 그리고 상기 제1 및 제2 스위치의 온 시간들에 따라 산출되는 입력 전압을 도시한 예시도이다. 또한 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 장치에서, 제2 스위치의 카운터값에 근거하여 조정되는 제1 스위치(310)의 카운터값에 대한 룩업 테이블의 예를 도시한 예시도이다. And Figure 6 is, in the power conversion device according to an embodiment of the present invention, the on time of the second switch according to the switch on time of the first switch, and the input voltage calculated according to the on times of the first and second switches is an example diagram showing 7 is an exemplary view illustrating an example of a lookup table for the counter value of the first switch 310 adjusted based on the counter value of the second switch in the power conversion device according to an embodiment of the present invention.

이하의 설명에서 제1 카운터값들은 제1 스위치(310)의 카운터값을, 제2 카운터값은 제2 스위치(320)의 카운터값을 의미할 수 있다. In the following description, the first counter values may refer to the counter values of the first switch 310 , and the second counter values may refer to the counter values of the second switch 320 .

먼저 도 5를 참조하여 살펴보면, 먼저 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 장치(10)의 제어부(100)는, 먼저 스타터(110)의 동작에 따라 전력 변환부(120)가 구동되는 경우, 먼저 제1 스위치(310)를 온 시킬 수 있다(S500). 그리고 기 설정된 제1 카운터값에 따른 시간동안 제1 스위치(310)의 온 상태 유지 시간이 만기되었는지 여부를 판단할 수 있다(S502). 그리고 상기 제1 카운터값에 따른 시간이 만기되는 경우 상기 제1 스위치(310)를 오프함과 동시에 제2 스위치(320)를 온 시킬 수 있다(S504). First, referring to FIG. 5 , the control unit 100 of the power conversion device 10 according to an embodiment of the present invention first, when the power conversion unit 120 is driven according to the operation of the starter 110 , first The first switch 310 may be turned on (S500). In addition, it may be determined whether the on-state maintenance time of the first switch 310 has expired during the time according to the preset first counter value ( S502 ). And when the time according to the first counter value expires, the first switch 310 may be turned off and the second switch 320 may be turned on at the same time (S504).

한편 제2 스위치(320)가 온 되는 경우, 제어부(100)는 제로 전류 스위칭을 위해 상기 제2 스위치(320)의 전단 및 후단, 즉 양단의 전압을 검출할 수 있다(S506). 그리고 검출된 양단의 전압에 근거하여 제2 스위치의 카운터값, 즉 제2 카운터값을 증가 또는 감소시킬 수 있다(S508).On the other hand, when the second switch 320 is turned on, the controller 100 may detect the voltages at the front and rear ends of the second switch 320 for zero current switching, that is, at both ends ( S506 ). Then, the counter value of the second switch, ie, the second counter value, may be increased or decreased based on the detected voltages at both ends (S508).

즉, 전류는 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 흐르므로, 만약 제2 스위치(320)의 전단, 즉 코일(300) 측의 전압이 후단, 즉 배터리(330) 측 보다 높다면, 이는 전류가 배터리(330)로 유입되고 있음을 나타낼 수 있다. 반대로 제2 스위치(320)의 전단, 즉 코일(300) 측의 전압이 후단, 즉 배터리(330) 측 보다 낮다면 전류가 역으로 접촉대전 나노발전부(20)로 유입되고 있음을 나타낼 수 있다. That is, since the current flows from the high side to the low side, if the voltage at the front end of the second switch 320 , that is, the coil 300 side, is higher than the rear end, that is, the battery 330 side, it means that the current flows to the battery 330 . may indicate an influx. Conversely, if the voltage at the front end of the second switch 320, that is, at the coil 300 side is lower than at the rear end, that is, at the battery 330 side, it may indicate that the current is flowing into the contact charging nano-generation unit 20 in reverse. .

이에 따라 제어부(100)는 상기 S508 단계에서, 전류가 배터리(330)로 유입되는 경우 제2 카운터값을 증가시킬 수 있으며, 전류가 접촉대전 나노발전부(20)로 유입되는 경우 제2 카운터값을 감소시킬 수 있다. 그리고 제어부(100)는 상기 제2 스위치(320) 양단의 전압이 제로 스위칭 조건, 즉 상기 양단 전압의 차이가 기 설정된 임계값 이하인지 여부를 판단할 수 있다(S510). 그리고 S510 단계의 판단 결과 상기 제로 스위칭 조건을 만족하지 못하는 경우 상기 S508 단계를 다시 수행하여 제2 카운터값을 다시 증가 또는 감소시킬 수 있다. Accordingly, in step S508 , the controller 100 may increase the second counter value when the current flows into the battery 330 , and when the current flows into the contact charging nano-generation unit 20 , the second counter value can reduce In addition, the control unit 100 may determine whether the voltage across the second switch 320 is a zero switching condition, that is, whether the difference between the voltages between the two ends is less than or equal to a preset threshold ( S510 ). In addition, if it is determined in step S510 that the zero switching condition is not satisfied, the second counter value may be increased or decreased again by performing step S508 again.

이 경우 상기 S510 단계는 기 설정된 시간 간격에 따라 반복하여 수행될 수 있다. 따라서 제로 스위칭 조건을 만족하지 못하는 시간이 지속되는 경우, 제2 카운터 값은 상기 S508 단계를 통해 지속적으로 변경될 수 있다. In this case, step S510 may be repeatedly performed according to a preset time interval. Accordingly, if the time period that does not satisfy the zero switching condition continues, the second counter value may be continuously changed through the step S508.

반면 상기 S510 단계의 판단 결과 제로 스위칭 조건을 만족하는 경우, 제어부(100)는 제2 스위치(320)를 오프시킬 수 있다. 이 경우 상기 제2 스위치(320)가 오프됨과 동시에 제1 스위치(310)가 온 될 수 있다(S512). On the other hand, when the zero switching condition is satisfied as a result of the determination in step S510 , the controller 100 may turn off the second switch 320 . In this case, the second switch 320 may be turned off and the first switch 310 may be turned on at the same time (S512).

한편 상기 S512 단계에서 제1 스위치(310)가 온 되는 경우, 제어부(100)는 상기 제로 스위칭 조건을 만족하는 제2 카운터값에 따른 시간값(t2)과 현재 설정된 제1 카운터값에 따른 시간값(t1)에 근거하여 입력 전압(Vi)을 산출할 수 있다(S514). Meanwhile, when the first switch 310 is turned on in step S512, the control unit 100 controls a time value t2 according to a second counter value that satisfies the zero switching condition and a time value according to the currently set first counter value. Based on (t1), the input voltage Vi may be calculated (S514).

이 경우 상기 코일(300)의 유도 용량을 L 이라 하고, 코일(300)에 흐르는 전류의 피크 값을 I P 라고 하면, 상기 t1 과 t2는 도 6에서 보이고 있는 바와 같이 나타낼 수 있다. 이 경우 배터리 전압(VBAT)과 코일(300)의 유도용량 L은 변하지 않는 상수이므로 상기 t1, t2를 이용하여 접촉대전 나노발전부(20)의 입력 전압 V I 가 하기 수학식 1과 같이 산출될 수 있다. In this case, the peak value of the current flowing in the inductance is L, and the coil 300 of the coil 300, I P , t1 and t2 can be expressed as shown in FIG. 6 . In this case, since the battery voltage (V BAT ) and the inductance L of the coil 300 are constants that do not change , the input voltage V I of the contact charging nano-generation unit 20 using the above t 1 , t 2 is expressed by Equation 1 and can be calculated together.

Figure 112019123763747-pat00002
Figure 112019123763747-pat00002

여기서 VI는 입력 전압을, VBAT는 배터리의 전압을, t1은 제1 스위치의 카운터값에 따른 시간값, t2는 제2 스위치의 카운터값에 따른 시간값임.where VI is the input voltage, V BAT is the voltage of the battery, t 1 is the time value according to the counter value of the first switch, and t 2 is the time value according to the counter value of the second switch.

한편 상기 수학식 1을 통해 입력 전압이 산출되면, 제어부(100)는 산출된 입력 전압에 따른 룩업(look up) 테이블에 근거하여, 현재 설정된 제2 카운터에 따라 현재 설정된 제1 카운터의 값을 변경할 수 있다. 여기서 상기 룩업 테이블은 본 발명과 관련된 복수의 실험을 통해, 제2 카운터값들 각각에 따라 증가 또는 감소시킬 제1 카운터값들을 나타낸 테이블일 수 있다. 상기 룩업 테이블은 상기 S514 단계에서 산출되는 접촉대전 나노발전부(20)의 입력 전압 V I 에 따라 각각 다르게 결정될 수 있다. 도 7은 특정 산출된 특정 입력 전압에 대응하는 룩업 테이블의 예를 도시한 것이다. Meanwhile, when the input voltage is calculated through Equation 1, the controller 100 changes the value of the currently set first counter according to the currently set second counter based on a lookup table according to the calculated input voltage. can Here, the lookup table may be a table indicating first counter values to be increased or decreased according to each of the second counter values through a plurality of experiments related to the present invention. The lookup table may be determined differently according to the input voltage V I of the contact charging nano-generation unit 20 calculated in step S514 . 7 shows an example of a lookup table corresponding to a specific calculated specific input voltage.

한편 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 장치에서, 입력 전력에 대한 전력 효율을 도시한 예시도이다. Meanwhile, FIG. 8 is an exemplary diagram illustrating power efficiency with respect to input power in a power conversion device according to an embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 장치(10)에, 다양한 DC 전압을 공급하였을 때 얻어진 출력 전력 값을 계산하여, 그 효율을 나타낸 그래프로서, 수 마이크로 와트부터 수백 마이크로 와트의 입력 전력 까지 모두 동작이 가능함을 알 수 있으며, 낮은 입력인 2.13uW 수준에서 약 45.5% 의 높은 효율을 보이는 것을 확인할 수 있다. 8 is a graph showing the efficiency by calculating an output power value obtained when various DC voltages are supplied to the power conversion device 10 according to an embodiment of the present invention, and input power of several microwatts to hundreds of microwatts. It can be seen that all operations are possible, and it can be seen that the low input level of 2.13uW shows high efficiency of about 45.5%.

한편 상술한 설명에서는, 도 5의 S502 단계에서 기 설정된 제1 카운터값에 따라 제1 스위치(310)의 온 시간을 제어하는 구성을 설명하였다. 이 경우 상기 기 설정된 제1 카운터값은 그 이전에 산출된 입력 전압에 따라 결정되는 룩업 테이블에 의해 결정되는 값일수 있다. 만약 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 장치(10)가 최초로 구동되는 경우라면, 제어부(100)는 제1 카운터값 중 임의의 값을 선택하고, 선택된 값에 따라 상기 S502 단계에서 제1 스위치(310)의 온 및 오프를 제어할 수 있다. Meanwhile, in the above description, the configuration for controlling the on time of the first switch 310 according to the first counter value set in step S502 of FIG. 5 has been described. In this case, the preset first counter value may be a value determined by a lookup table determined according to the input voltage calculated previously. If the power conversion device 10 according to an embodiment of the present invention is driven for the first time, the control unit 100 selects an arbitrary value among the first counter values, and according to the selected value, in step S502, the first switch ( 310) can be controlled on and off.

전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. The present invention described above can be implemented as computer-readable code on a medium in which a program is recorded. The computer-readable medium includes all kinds of recording devices in which data readable by a computer system is stored. Examples of computer-readable media include Hard Disk Drive (HDD), Solid State Disk (SSD), Silicon Disk Drive (SDD), ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical data storage device, etc. There is also a carrier wave (eg, transmission over the Internet) that is implemented in the form of.

또한, 상기 컴퓨터는 상기 제어부를 포함할 수도 있다. 따라서 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.In addition, the computer may include the control unit. Accordingly, the above detailed description should not be construed as restrictive in all respects but as exemplary. The scope of the present invention should be determined by a reasonable interpretation of the appended claims, and all modifications within the equivalent scope of the present invention are included in the scope of the present invention.

10 : 전력 변환 장치 20 : 접촉대전 나노발전부
100 : 제어부 110 : 스타터
120 : 전력 변환부 130 : 메모리10: power conversion device 20: contact electrification nano power generation unit
100: control unit 110: starter
120: power converter 130: memory

Claims (10)

접촉대전 나노발전부에서 발전된 전력을 변환하여 축전하는 전력 변환 장치에 있어서,
상기 접촉대전 나노발전부로부터 입력되는 전류가 적어도 하나의 코일에 축적되도록 제어하는 제1 스위치와, 상기 적어도 하나의 코일에 축적된 전류가 배터리로 유입되는 흐름을 제어하는 제2 스위치를 포함하며, 상기 접촉대전 나노발전부로부터 입력되는 입력 전압을 특정 전압으로 변환하여 상기 배터리에 축전하는 전력 변환부;
상기 배터리의 전압이 기 설정된 역치 전압 미만인지 여부에 따라 상기 배터리의 전압을 승압시키거나 또는 기 설정된 신호의 출력을 중지하는 스타터; 및,
상기 기 설정된 신호의 출력이 중지되면 상기 전력 변환부를 구동하며, 상기 제2 스위치의 온 및 오프되는 시간을 제로 스위칭(zero switching) 기법에 따라 제어하고, 상기 제로 스위칭 기법에 따라 상기 제2 스위치의 온 상태가 유지되는 시간 및, 상기 접촉대전 나노발전부로부터 입력되는 상기 입력 전압에 근거하여 상기 제1 스위치의 온 및 오프되는 시간을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치. In the power conversion device for converting the power generated by the contact charging nano-generation unit and storing it,
A first switch for controlling the current input from the contact charging nano-generation unit to be accumulated in at least one coil, and a second switch for controlling the flow of the current accumulated in the at least one coil flowing into the battery, a power conversion unit for converting an input voltage input from the contact charging nano-generation unit into a specific voltage and storing power in the battery;
a starter for boosting the voltage of the battery or stopping output of a preset signal according to whether the voltage of the battery is less than a preset threshold voltage; and,
When the output of the preset signal is stopped, the power converter is driven, the on and off times of the second switch are controlled according to a zero switching technique, and the second switch is operated according to the zero switching technique. Power conversion device comprising: a control unit for controlling the on and off time of the first switch based on the time that the on state is maintained and the input voltage input from the contact charging nano-generation unit. 제1항에 있어서, 상기 스타터는,
상기 배터리의 전압이 역치 전압 이상인지 여부에 따라 상기 배터리의 전압을 승압시키는 승압부;
서로 직렬로 연결되며, 항상 오프된 상태를 유지하는 제1 MOS(metal oxide semiconductor) 스위치;
상기 제1 MOS 스위치의 누설 전류를 인가받아 상기 기 설정된 신호로 출력하도록 형성되는 출력 단자; 및,
상기 제1 MOS 스위치의 누설 전류를 소스로 입력받도록 형성되며, 게이트로 입력되는 상기 배터리의 전압이 역치 전압 미만이면 접지와의 연결을 차단하여 상기 누설 전류를 상기 출력 단자로 인가되도록 하고, 상기 배터리의 전압이 역치 전압 이상이면 상기 누설 전류가 상기 출력 단자에 인가되지 않도록 상기 누설 전류를 접지를 통해 방전시키는 제2 MOS 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치. According to claim 1, wherein the starter,
a boosting unit boosting the voltage of the battery according to whether the voltage of the battery is equal to or greater than a threshold voltage;
a first metal oxide semiconductor (MOS) switch connected in series with each other and always maintained in an off state;
an output terminal configured to receive the leakage current of the first MOS switch and output it as the preset signal; and,
It is formed to receive the leakage current of the first MOS switch as a source, and when the voltage of the battery input to the gate is less than a threshold voltage, the connection to ground is cut off so that the leakage current is applied to the output terminal, and the battery and a second MOS switch for discharging the leakage current through a ground so that the leakage current is not applied to the output terminal when the voltage of is equal to or greater than a threshold voltage. 제2항에 있어서,
상기 제1 MOS 스위치는,
상기 배터리의 전압이 소스(source)와 게이트(gate)에 함께 인가되는 PMOS(P-channel metal oxide semiconductor) 스위치이며,
상기 제2 MOS 스위치는,
드레인(drain) 단자가 접지에 연결된 NMOS(N-channel MOS) 스위치임을 특징으로 하는 전력 변환 장치. 3. The method of claim 2,
The first MOS switch,
A P-channel metal oxide semiconductor (PMOS) switch in which the voltage of the battery is applied to a source and a gate together,
The second MOS switch,
A power conversion device, characterized in that the drain terminal is an N-channel MOS (NMOS) switch connected to the ground. 제1항에 있어서,
각 스위치에 대해, 스위치가 온(on)상태를 유지하는 시간에 대응하는 시간값들과, 상기 시간값들 각각에 대응하는 카운터값들을 저장한 메모리를 더 포함하며,
상기 제어부는,
상기 카운터값을 증가 또는 감소하여 상기 각 스위치가 온 상태를 유지하는 시간의 길이를 증가시키거나 감소시키며,
상기 전력 변환부의 구동이 시작되면, 기 설정된 제1 스위치의 카운터값에 따른 시간과, 상기 제로 스위칭 기법에 따라 제로 스위칭 조건을 만족하는 상기 제2 스위치의 카운터값에 따른 시간에 근거하여 상기 입력 전압을 산출하고, 산출된 상기 입력 전압에 근거하여 상기 제1 스위치의 카운터값을 변경하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치. According to claim 1,
For each switch, further comprising a memory storing time values corresponding to the time the switch maintains an on state, and counter values corresponding to each of the time values,
The control unit is
increasing or decreasing the counter value to increase or decrease the length of time that each switch maintains an ON state,
When the driving of the power converter is started, the input voltage is based on a time according to a preset counter value of the first switch and a time according to a counter value of the second switch satisfying a zero switching condition according to the zero switching technique. , and changing the counter value of the first switch based on the calculated input voltage. 제4항에 있어서, 상기 메모리는,
상기 제1 스위치의 카운터값들과 상기 제2 스위치의 카운터값들의 개수는 서로 다르며,
상기 제1 스위치의 카운터값들 보다 더 많은 수의 상기 제2 스위치의 카운터값들을 저장하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치. 5. The method of claim 4, wherein the memory,
The number of counter values of the first switch and the number of counter values of the second switch are different from each other,
Power conversion device, characterized in that storing a greater number of counter values of the second switch than the counter values of the first switch. 제4항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 제2 스위치에서, 상기 코일과 연결된 측의 전단 전압과 상기 배터리와 연결된 측의 후단 전압을 각각 검출 및, 검출된 상기 전단 전압의 크기와 상기 후단 전압의 크기에 기초하여 상기 제2 스위치의 카운터값을 증가 또는 감소시키는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치. According to claim 4, wherein the control unit,
In the second switch, a front end voltage of a side connected to the coil and a rear end voltage of a side connected to the battery are detected, respectively, and a counter of the second switch based on the detected magnitude of the front voltage and the magnitude of the downstream voltage Power conversion device, characterized in that increasing or decreasing the value. 제6항에 있어서, 상기 제어부는,
기 설정된 시간 간격에 따라 상기 전단 및 후단의 전압을 검출 및 검출 결과에 따라 상기 제2 스위치의 카운터값을 변경하며,
상기 전단 및 후단의 전압들 간의 차이가 기 설정된 임계값 이하인 경우 상기 제로 스위칭 조건을 만족하는 것으로 식별 및, 상기 제로 스위칭 조건을 만족하는 제2 스위치의 카운터값에 따른 시간과, 상기 기 설정된 제1 스위치의 카운터값에 따른 시간에 근거하여 상기 입력 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치. The method of claim 6, wherein the control unit,
Detecting the voltage of the front and rear ends according to a preset time interval and changing the counter value of the second switch according to the detection result,
When the difference between the voltages of the front end and the rear end is less than or equal to a preset threshold, it is identified that the zero switching condition is satisfied, and a time according to a counter value of a second switch that satisfies the zero switching condition, and the preset first Power conversion device, characterized in that for calculating the input voltage based on the time according to the counter value of the switch. 제4항에 있어서, 상기 입력 전압은,
상기 접촉대전 나노발전부로부터 입력되는 전압이며, 하기 수학식 1에 따라 산출되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
[수학식 1]
Figure 112021030424684-pat00003

여기서 VI는 입력 전압을, VBAT는 배터리의 전압을, t1은 제1 스위치의 카운터값에 따른 시간값, t2는 제2 스위치의 카운터값에 따른 시간값임.The method of claim 4, wherein the input voltage is
It is a voltage input from the contact charging nano-generation unit, Power conversion device, characterized in that calculated according to the following equation (1).
[Equation 1]
Figure 112021030424684-pat00003

where VI is the input voltage, V BAT is the voltage of the battery, t 1 is the time value according to the counter value of the first switch, and t 2 is the time value according to the counter value of the second switch. 제4항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 산출된 입력 전압에 대응하는 룩업(look up) 테이블에 근거하여, 상기 제2 스위치의 카운터값에 따라 상기 제1 스위치의 카운터값을 갱신하며,
상기 룩업 테이블은,
제2 카운터값들 각각에 따라 증가 또는 감소시킬 제1 카운터값들을 나타낸 테이블임을 특징으로 하는 전력 변환 장치. According to claim 4, wherein the control unit,
updating the counter value of the first switch according to the counter value of the second switch based on a look-up table corresponding to the calculated input voltage;
The lookup table is
A power conversion device, characterized in that it is a table indicating first counter values to be increased or decreased according to each of the second counter values. 제1항에 있어서,
상기 제1 스위치는, NMOS(N-channel MOS) 스위치이며,
상기 제2 스위치는, PMOS(P-channel MOS) 스위치이고,
상기 제어부는,
상기 제1 스위치와 제2 스위치의 온 및 오프가 서로 중첩되지 않도록, 각 스위치의 신호가 다른 스위치의 트리거(trigger)로 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치. According to claim 1,
The first switch is an N-channel MOS (NMOS) switch,
The second switch is a P-channel MOS (PMOS) switch,
The control unit is
Power conversion device, characterized in that the control so that the on and off of the first switch and the second switch do not overlap each other, so that the signal of each switch operates as a trigger of the other switch (trigger).
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