KR102471045B1 - 전력을 전송하기 위한 전력변환기 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 입력 단자에 제공된 전력을 에너지 저장소자로 전달하기 위한 전력 변환기가 제시된다. 전력 변환기는: 인덕터; 상기 인덕터와 상기 입력 단자 사이의 연결을 선택적으로 제어하도록 연결된 스위치; 및 출력이 스위치를 제어하고, 제 1 입력부에는 상기 입력 단자의 전압에 비례하는 전압이 공급되며, 제 2 입력부에는 상기 입력 단자로부터의 전류에 비례하는 전압이 공급되는 비교기를 포함하고, 상기 에너지 저장소자는 상기 인덕터와 상기 스위치 사이의 한 지점에 연결된다.

Description

전력을 전송하기 위한 전력변환기
본 발명은 전력을 전송하기 위한 전력 변환기에 관한 것이다. 대응하는 에너지 하베스팅장치 및 전자 락(lock)도 또한 제공된다.
다양한 형태의 전자 락 시스템이 당업계에 공지되어 있다. 순수한 기계적 자물쇠를 이용하는 대신에, 일부 락킹 시스템은 배리어 뒤의 영역에 물리적 접근을 제공하기 위해 배리어를 잠금해제하기 위한 락 부재(예를 들어, 락 볼트)의 전자 구동장치를 포함한다.
또한, 문을 열기 위해 종래의 키를 이용하는 대신에, 문 뒤의 영역에 사람이 접근하도록 허가하는 다양한 유형의 전자 통신 방법이 공지되어 있다. 이러한 통신 방법은 무선통신, 예를 들어, 무선 주파수 식별(RFID) 또는 BLE(Bluetooth Low Energy)에 기초할 수 있다. 통신을 가능하게 하기 위해 전자 키가 락에 삽입되는 접촉 기반의 통신도 또한 가능한다.
전자 락킹 시스템에 전력을 공급하기 위해, 사용자의 기계적 작동(예를 들어, 도어 핸들, 키 삽입 또는 도어 개방)에 의해 전기가 생성되고 생성된 전기가 전자 락킹 시스템에 전력을 공급하는 데 사용되는 소위 "자가 전원" 전자 락킹 시스템이 제안되었다. 이 개념은 또한 에너지 하베스팅(energy harvesting)으로 알려져 있다.
생성된 전력은 에너지 저장소자, 예를 들어, 전자 락 시스템에 사용되는 커패시터에 저장된다. 당업계에 공지된 하나의 해결책은 에너지 저장소자를 다이오드를 통해 발전기에 단순히 연결하는 것이다. 그러나, 이러한 방안은 비효율적이므로 발전기에서 에너지 저장소자로 단지 약 50%의 전력 전송만 허용된다.
US 2006/261746 A1은 외부 전원으로부터 LC 회로로의 입력 전압의 공급을 인 에이블 및 디스에이블할 수 있는 전원 스위치 유닛, 부하에 인가되어 LC 회로에 의해 출력되는 출력 전압에 따라 제 1 전압신호를 생성하는 전압감지유닛, 및 상기 전력 스위치 유닛을 통해 흐르는 전류에 따라 제 2 전압신호를 생성하는 전류감지유닛을 포함하는 전력제어회로를 개시하고 있다. 드라이버는 제 1 및 제 2 전압신호의 합과 기준 전압 간의 비교 결과에 따라 비교기로부터 펄스 폭 변조신호를 수신하고, 전원 스위치 유닛의 제어 입력부에 구동 신호를 출력하여 상기 전원 스위치 유닛의 듀티 사이클을 제어하여, 이로써 상기 기준 전압에 일치하도록 상기 부하에 공급되는 정격 전력을 제어한다. 그러나, 제시된 방안은 특정 전압 범위에 특정 출력 전력으로 전력을 공급하는 데 중점을 둔다. 제공된 방안은 전력 전달의 효율성이 최적화된 방안을 제공하지 않는다.
에너지 수지(energy budget)는 종종 극도로 제한되어 있기 때문에, 에너지 저장소자로의 전력 전송은 가능한 한 효율적이어야 한다.
본 발명의 목적은 에너지 전달 효율을 증가시키는 전력 변환기를 제공하는 것이다.
제 1 태양에 따르면, 입력 단자에 제공된 전력을 에너지 저장소자로 전달하기 위한 전력 변환기가 제시된다. 전력 변환기는: 인덕터; 상기 인덕터와 상기 입력 단자 사이의 연결을 선택적으로 제어하도록 연결된 스위치; 및 비교기를 포함하고, 상기 비교기의 출력이 스위치를 제어하고, 상기 비교기의 제 1 입력부에는 상기 입력 단자의 전압에 비례하는 전압이 공급되며, 상기 비교기의 제 2 입력부에는 상기 입력 단자로부터의 전류에 비례하는 전압이 공급되고, 상기 에너지 저장소자는 상기 인덕터와 상기 스위치 사이의 한 지점에 연결된다.
제 1 저항은 입력 단자와 스위치 사이에 제공될 수 있으며, 이 경우 비교기의 제 2 입력부는 제 1 저항과 스위치 사이의 한 지점에 연결된다.
제 2 입력부는 인덕터와 접지 사이의 제 1 지점에 연결될 수 있으며, 이 경우 제 1 저항은 제 1 지점과 접지 사이에 연결된다.
전력 변환기는 상기 입력 단자와 접지 사이에 연결된 비교기 입력 회로를 더 포함할 수 있으며, 상기 비교기 입력 회로는 2개의 직렬 연결된 저항을 포함하고 상기 비교기의 상기 제 1 입력부는 상기 2개의 직렬 연결된 저항 사이의 제 3 지점에 연결된다.
전력 변환기는 입력 단자와 접지 사이에 연결된 비교기 입력 회로를 더 포함할 수 있으며, 비교기 입력 회로는 마이크로프로세서를 사용하여 비교기의 제 1 입력부에 출력 전압을 제공한다.
마이크로프로세서는 입력 단자의 전압에 비례하는 출력 전압을 제공하도록 구성될 수 있으며, 출력 전압은 비교기의 제 1 입력부에 제공된다.
제 1 저항 및 비교기 입력 회로는 입력 단자로부터 본 임피던스가 원하는 임피던스와 정합하도록 치수화될 수 있다. 원하는 임피던스는 연결된 전원 소스의 임피던스와 일치하도록 선택될 수 있어, 효율적인 전원 전달을 제공한다.
전력 변환기는 인덕터와 스위치 사이의 지점과 에너지 저장소자 사이에 제공된 다이오드를 더 포함할 수 있다.
전력 변환기는 입력 단자와 접지 사이에 연결된 커패시터를 더 포함할 수 있다.
비교기는 히스테리시스로 구현될 수 있다.
제 2 태양에 따르면, 제 1 태양에 따른 전력 변환기를 포함하는 에너지 하베스팅 장치가 제시된다.
에너지 하베스팅 장치는 전력 변환기의 입력 단자에 전력을 공급하도록 구성된 발전기를 더 포함할 수 있다.
제 3 태양에 따르면, 핸들, 전자 락 컨트롤러 및 제 2 태양에 따른 에너지 하베스팅장치를 포함하는 전자 락으로서, 상기 에너지 하베스팅 장치는 상기 핸들에 기계적으로 연결되어 에너지를 수집하고 상기 전력 변환기의 에너지 저장장치는 전자 락 컨트롤러에 전기적으로 연결되어 상기 전자 락 컨트롤러에 전력을 공급하는 전자 락이 제시된다.
전반적으로 청구범위에서 사용된 모든 용어는 달리 명시적으로 정의되지 않는 한, 기술 분야에서의 통상적인 의미에 따라 해석되어야 한다. "a/an/요소, 장치, 구성요소, 수단, 단계 등"에 대한 모든 언급은 달리 명시되지 않는 한, 구성 요소, 장치, 수단, 단계 등의 적어도 하나의 예를 언급하는 것으로 공개적으로 해석되어야 한다. 본원에 개시된 임의의 방법의 단계들은 명시적으로 언급되지 않는 한, 개시된 순서대로 수행될 필요는 없다.
본 발명의 내용에 포함됨.
첨부도면을 참조로 본 발명을 예로서 설명한다.
도 1은 본 명세서에 제시된 실시예가 적용될 수 있는 환경을 도시하는 개략도이다.
도 2는 도 1의 에너지 하베스팅 장치를 좀더 상세하게 도시한 개략도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 전력 변환기를 도시한 개략도이다.
도 4a-b는 도 3의 비교기 입력 회로의 다른 실시예를 나타내는 개략도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 도 3의 전력 변환기에서 전력의 전송 중 일부 전압 및 전류를 나타내는 그래프이다.
도 6은 일 실시예에 따른 도 3의 전력 변환기의 출력 전압을 나타내는 그래프이다.
도 7은 일 실시예에 따른 전력 변환기를 도시한 개략도이다.
이하, 본 발명의 특정 실시예가 도시된 첨부도면을 참조로 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 많은 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에 나타낸 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다; 오히려, 이들 실시예는 본 개시가 철저하고 완전하며 당업자에게 본 발명의 범위를 충분히 전달할 수 있도록 예로서 제공된다. 동일한 참조부호는 명세서 전반에 걸쳐 동일한 요소를 나타낸다.
본 명세서에 제시된 실시예들은 입력부 상에 본질적으로 일정한 임피던스를 나타내는 전력 변환기가 크게 개선된 전력 전달 효율을 달성한다는 사실에 기초한다. 이는 입력 단자에 비례하는 전압과 입력 단자로부터의 전류에 비례하는 전압을 비교하는 회로에 의해 달성된다. 비교 출력은 입력 단자에 대한 부하회로의 연결 또는 연결해제를 제어한다.
도 1은 본 명세에 제시된 실시예가 적용될 수 있는 환경을 도시하는 개략도이다. 물리적 공간(16)에 대한 액세스는 선택적으로 잠금해제 가능한 물리적 배리어(15)에 의해 제한된다. 물리적 배리어(15)는 제한된 물리적 공간(16)과 접근 가능한 물리적 공간(14) 사이에 위치한다. 접근 가능한 물리적 공간(14)은 그 자체로 제한된 물리적 공간이될 수 있지만, 이 물리적 배리어(15)와 관련하여, 접근 가능한 물리적 공간(14)은 액세스될 수 있음에 유의해야 한다. 배리어(15)는 문, 게이트, 해치, 캐비넷 도어, 서랍, 창 등일 수 있다. 물리적 공간(16)에 대한 액세스를 제어하기 위해, 배리어(15)를 선택적으로 잠금해제함으로써, 전자 락(50)이 제공된다. 전자 락(50)은 액세스 제어를 수행하는 전자 락 컨트롤러(52) 및 가령 전기 모터에 의해 제어되는 볼트(bolt)를 포함한 전자 제어식 락(4)을 포함한다.
전자 락(50)은 배리어(15) 자체에 또는 배리어(15)를 둘러싸는 구조물(17)(미도시)에 제공될 수 있다. 전자 락(50)은 잠금상태 또는 잠금해제 상태로 제어 가능하다.
전자 락(50)은 무선 또는 접촉 기반일 수 있는 인터페이스(3)를 통해 휴대용 키 장치(2)와 통신할 수 있다. 휴대용 키 장치(2)는 사용자에 의해 휴대될 수 있고 무선 인터페이스(3)를 통한 인증을 위해 사용될 수 있는 임의의 적합한 장치이다. 휴대용 키 장치(2)는 전형적으로 사용자에 의해 휴대되거나 착용되며 이동전화, 스마트 폰, 키패드, 웨어러블 장치, 스마트 폰 케이스, RFID(RaD1o Frequency Identification) 카드 등으로서 구현될 수 있다. 대안으로, 전자 락(50)은 가령 휴대용 키 장치(2)가 전자 락(50)에 삽입될 때, 접촉 기반 인터페이스(미도시)를 통해, 예를 들어, 직렬 인터페이스(가령, RS485, RS232), USB(Universal SeR1al Bus), 이더넷 또는 심지어 간단한 전기 연결을 이용하여 휴대용 키 장치(2)와 통신한다. 인터페이스(3)를 이용하여, 휴대용 키 장치(2)의 진위가 액세스 제어 절차, 예를 들어, 도전 및 응답 방식(challenge and response scheme)을 사용하여, 검사될 수 있고, 그런 후 전자 락(50)이 액세스를 승인 또는 거부한다.
액세스 제어 절차로 액세스가 허가되면, 전자 락(50)은 전자 제어식 잠금장치(4)에 잠금해제 신호를 전송함으로써, 전자 락(50)이 잠금해제 상태로 설정된다.
전자 락(50)이 잠금해제 상태에 있을 때, 배리어(15)는 핸들(51)을 이용하여 개방될 수 있고, 전자 락(50)이 잠금 상태에 있을 때, 배리어(15)는 열릴 수 없다. 이러한 방식으로, 제한된 물리적 공간(16)에 대한 액세스는 전자 락(50)에 의해 제어될 수 있다.
전자 락(50)은 작동하기 위해 전력을 필요로 한다. 이 실시예에서, 에너지 하베스팅 장치(40)는 전자 락의 전자 락 컨트롤러(52)에 전력을 생성하도록 제공된다. 에너지 하베스팅 장치(40)는 기계적 운동을 전자 락 컨트롤러(52)에 이용가능한 전력으로 변환시킨다. 기계적 운동은 가령 핸들(51)의 회전 운동의 결과이고/이거나 배리어(15)가 개방 및/또는 폐쇄될 때 발생할 수 있다.
도 2는 도 1의 에너지 하베스팅 장치(40)를 좀 더 상세하게 도시한 개략도이다. 에너지 하베스팅 장치(40)는 발전기(55)를 포함한다. 에너지 하베스팅 장치(40)는 핸들(51)에 기계적으로 연결되어 (기계적) 에너지를 수집하고 전자 락 컨트롤러(52)에 전기적으로 연결되어 전자 락 컨트롤러(52)에 전력을 공급한다. 회전 속도를 높이기 위해 핸들(51)과 에너지 하베스팅 장치(40) 사이의 기계적 구성요소, 가령, 스프링, 기어 등이 있을 수 있다. 발전기(55)와 전자 락 컨트롤러(52) 사이에 전력 변환기(1)가 제공되어 발전기로부터 락 컨트롤러(52)로 효율적인 방식으로 전력을 전달한다. 이는 발전기와 전력 변환기(1) 사이에 정류기(미도시)를 사용하는 것을 포함할 수 있다. 발전기는 핸들(51) 이외의 다른 기계적 에너지 소스(미도시)에 연결될 수 있음에 유의해야 한다.
도 3은 일 실시예에 따른 전력 변환기(1)를 도시한 개략도이다. 전력 변환기(1)는, 예를 들어, 도 2의 에너지 하베스팅 장치(40)에 적용될 수 있다.
전력 변환기(1)는 입력 단자(11)에 공급된 전력을 에너지 저장소자(C1)로 전달한다. 이러한 특정 전력 변환기(1)의 한 가지 효과는 또한 전압이 반전된다는 것이다. 그 다음, 에너지 저장소자(C1)에 공급된 전력은 애플리케이션에 의해 요구되는대로,가령, 상기 나타낸 바와 같은 전자 락용으로 소비될 수 있다.
인덕터(L1)가 제공되고 인덕터(L1)와 입력 단자(11) 사이의 연결을 선택적으로 제어하기 위해 스위치(S1)가 연결된다. 스위치는, 가령, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect TranS1stor)과 같은 트랜지스터를 사용하여 구현될 수 있다. 비교기 입력 회로(12)는 입력 단자(11)와 접지 사이에 연결된다.
에너지 저장소자(C1)는 에너지 저장을 위한 임의의 적절한 소자이다. 예를 들어, 에너지 저장소자(C1)는 커패시터일 수 있다. 대안으로, 에너지 저장소자(C1)는 수퍼커패시터, 배터리, 또는 심지어(약간 다른 구조가 제공되는 경우) 인덕터일 수 있다.
비교기(10)는 상기 비교기(10)의 출력이 스위치(S1)를 제어하도록 제공된다. 제 1 입력부, 예를 들어. 비교기의 양의 입력부는 비교기 입력 회로에 연결되고, 제 2 입력부, 예를 들어, 비교기의 음의 입력부는 인덕터(L1)와 접지 사이의 제 1 지점(P1)에 연결된다. 제 1 저항(R1)은 제 1 지점(P1)과 접지 사이에 연결될 수 있다. 대안으로, 다이오드가 제 1 지점(P1)과 접지 사이에 제공될 수 있다.
에너지 저장소자(C1)는 인덕터(L1)와 스위치(S1) 및 에너지 저장소자 사이의 제 2 지점(P2)에 연결된다. 다이오드(D1)는 제 2 지점(P2)과 에너지 저장소자(C1) 사이에 제공될 수 있다. 이 다이오드(D1)는 모든 양의 전류가 에너지 저장소자(C1)로 흐르는 것을 방지한다.
비교기 입력 회로(12)는 입력 단자(11)의 전압에 비례하는 출력 신호를 비교기에 제공하도록 구성된다.
입력 커패시터(C2)는 입력 단자(11)와 접지 사이에 선택적으로 연결 제공된다.
선택적으로, 비교기(10)는 스위치(S1)의 과도한 스위칭을 방지하기 위해 히스테리시스로 구현된다.
도 3의 전력 변환기(1)에서, 입력 단자(11)에 비례하는 전압은 인덕터가 있는 부하회로에 비례하는 전압과 비교된다. 비교기의 출력은 입력 단자(11)에 대한 부하 회로의 연결 또는 차단을 제어한다. 따라서, 입력 단자(11)에서 볼 때, 전류 및 전압은 비례적으로 변하며, 이에 따라, 입력 단자에서 볼 때, 전력 변환기(1)는 본질적으로 일정한 임피던스를 나타낸다. 이는 입력 단자(11)로부터 에너지 저장소자(C1)로의 전력 전달을 크게 개선하는 특성인 것으로 입증되었다. 전력 변환기는 전력을 효율적으로 전송하는 데 중점을 둔다. 따라서, 에너지 저장소자에 제공되는 전력의 전압은 중요하지 않으며, 예를 들어, 특정 전압 레벨 또는 입력 전압의 특정 요인으로 조정될 필요가 없다. 이러한 방식으로, 제 1 저항 및 비교기 입력 회로와 같은 구성요소의 치수의 자유도는, 예를 들어, 원하는 임피던스와 일치하게 달성된다. 원하는 임피던스는 입력 단자에 연결된 전원의 임피던스 일 수 있으며,이로써 에너지 저장소자(C1)로의 전력 전달을 최대화할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 도 3의 비교기 입력 회로(12)의 다른 실시예를 나타내는 개략도이다.
도 4a에 도시된 실시예에서, 비교기 입력 회로(12)는 2개의 직렬 연결된 저항(R2, R3)를 포함하고, 비교기(10)의 제 1 입력부는 상기 2개의 직렬 연결된 저항(R2, R3) 사이의 제 3 지점(P3)에 연결된다. 즉, 도 4a의 비교기 입력 회로(12)는 전압 분배기를 사용하여 구현된다.
도 4b에 도시된 실시예에서, 비교기 입력 회로(12)는 MCU(Microcontroller unit)와 같은 마이크로프로세서(13)를 사용하여 구현된다. 그 다음, 마이크로프로세서(13)는 비교기 입력 회로(12)로부터의 출력 전압이 입력 단자(11)의 전압에 비례하도록 프로그램될 수 있다.
비교기 입력 회로(12)가 마이크로프로세서를 사용하여 구현될 경우, 비교기(10)는 선택적으로 동일한 마이크로프로세서를 사용하여 구현된다. 그러한 경우에, 비교기 입력 회로(12)와 비교기(10) 사이의 연결은 마이크로프로세서의 내부에 있고 심지어 소프트웨어 모듈들 사이의 통신일 수 있다.
또한 도 5 및 도 6을 참조로 도 3의 전력 변환기(1)의 동작을 일례로 설명한다. 도 5는 일 실시예에 따른 도 3의 전력 변환기에서 전력의 전송을 도시하는 그래프이다. 도 6은 일 실시예에 따른 도 4의 전력 변환기에서의 출력 전압을 나타내는 그래프이다. 도 5 및 도 6 모두에서, 시간은 수평축을 따라 표시되고 ms 단위로 측정되며, 도 5 및 도 6 모두는 동일한 전력 전달 시뮬레이션을 나타낸다.
이 예에서, 에너지 저장소자(C1)의 캐패시턴스는 100mF이다. 입력 커패시터 (C2)의 커패시턴스는 1mF이다. 인덕터(L1)의 인덕턴스는 본 명세에서 일반적으로 사용되는 것보다 큰 2mH이다. 이 예에서 인덕터(L1)가 너무 큰 이유는 스위칭 주파수를 상대적으로 느리게 유지하여 도 5 및 도 6의 그래프에서 예를 쉽게 따르도록하기 위함이다.
시간 0에서, 입력 커패시터(C2)는 10V의 전압(VC2)(도 5 참조)을 갖고, 에너지 저장소자(C1)는 -4V의 전압(Vc1)(도 6 참조)을 갖는다.
시간 0㎳에서, 제 3 지점(P3)에서의 전압(VP3)은 양이다(이 값은 제 1 저항(R1) 및 제 2 저항(R2)의 크기에 의존한다). 동시에, 제 1 지점(P1)에서의 전압(VP1)은 약 0이다.
따라서, 비교기(10)는 스위치(S1)를 닫게(즉, 도전 상태로 설정하게) 하는 높은 출력 전압(VCMP)을 생성할 것이다. P2는 입력 단자(11)와 동일한 전압을 가지며, 전류는 인덕터(L1) 및 제 1 저항(R1)을 통해 흐르기 시작할 것이다. 다이오드(D1)는 임의의 전류가 에너지 저장소자(C1)에 도달하는 것을 방지하며, 에너지 저장소자는 음의 전압을 가지기 때문에 에너지 저장소자(C1)를 방전시킨다. 대신, 인덕터(L1)를 통과하는 전류(IL1)는 선형적으로 증가한다. 인덕터(L1)가 현재 단단하기 때문에, 인덕터(L1)를 통한 전류(IL1)의 증가는 순간적이지 않고 인덕터(L1)의 인덕턴스에 의존한다. 따라서, 전류는 제 1 저항(R1)를 통해 또한 증가하여, 제 1 지점(P1)에서의 전압(VP1)을 증가시키게 한다. 이는 제 1 지점(P1)에서의 전압(VP1)이 제 3 지점(P3)에서 전압(VP3)을 초과할 때까지 계속되고, 이 지점에서 비교기(10)의 출력 전압(VCMP)은 낮아진다. 이는 스위치(S1)가 개방되도록 한다(즉, 차단 상태로 설정된다).
인덕터(L1)는 전류에 굳건하므로, 인덕터(L1)를 통한 전류(IL1)가 계속될 것이다. 스위치(S1)가 현재 개방되어 있기 때문에, 지점(P2)에서 전압이 음이 되고, 따라서 전류가 다이오드(D1)를 통해 에너지 저장소자(C1)로부터 끌어당겨진다. 에너지 저장소자(C1)의 전압(VC1)이 음이기 때문에, 이 전압(VC1)은 훨씬 더 음이 되어, 따라서 에너지 저장소자(C1)에 저장된 에너지를 증가시킨다. 인덕터(L1)를 통한 전류(IL1)는 시간이 지남에 따라 감소하며, 따라서 다시 한번 비교기(10)의 출력 전압(VCMP)이 높아질 때까지 제 1 지점(P1)에서 전압(VP1)을 감소시키고, 스위치(S1)를 다시 닫히게 하여, 상술한 과정을 반복한다.
다시 말하면, 입력 단자(11)로부터의 에너지가 인덕터(L1)를 통해 전류로서 일시적으로 저장되고, 상기 에너지는 스위칭되어 에너지 저장소자(C1)로 전달된다. 이러한 방식으로, 전력 변환기는 입력 단자(11)상의 넓은 범위의 전압에 사용될 수 있고 에너지 저장소자(C1)로의 효율적인 에너지 전달을 여전히 제공한다.
비교기(10)에는 히스테리시스가 제공되어 앞뒤로 즉시 전환되지 않게 한다.
도 5에서 볼 수 있듯이, 인덕터를 통과하는 전류(IL1)의 평균은 입력 커패시터의 전압(Vc2)이 감소함에 따라 선형적으로 감소한다. 따라서, 입력 단자 관점(11)으로부터, 전력 변환기는 본질적으로 일정한 임피던스를 나타낸다. 이것은 중요한데, 왜냐하면 본질적으로 일정한 임피던스는 변환기에 연결된 발전기를 사용하여 에너지 전달의 효율을 향상시키기 때문이다.
약 35ms에서, 프로세스를 진행시키기에 입력 커패시터의 전압(Vc2)이 충분하지 않다. 이 단계에서 스위치는 개방 상태로 유지되므로, 이로 인해 전류(IL1)가 그렇게 보이게 된다.
이 시뮬레이션의 효율 계산을 이제 제시한다. 계산은 E =(C * V2)/2에 따라 계산되는 커패시터의 에너지를 기반으로 한다. 해당되는 경우 숫자 값은 반올림된다.
먼저 시작시(즉, 0ms에서) 에너지를 살펴보면, 입력 커패시터(C2)는 (C2 * Vc2 2)/2 = (0.001 * 102)/2 = 50mJ의 에너지(Ec2)를 갖는다. 에너지 저장소자(C1)는 (C1 * Vc1 2)/2 =(0.1 * 42)/2 = 800 mJ의 에너지(Ec1)를 갖는다.
약 35ms에서 최종 에너지를 보면, 입력 커패시터(C2)는 (C2 * Vc2 2)/2 = (0.001 * 0.22)/2 = 0.020mJ의 최종 에너지(Ec2 ')를 갖는다. 에너지 저장소자(C1)는(C1 * Vc1 2)/2 =(0.1 * 4.112)/2 = 845mJ의 최종 에너지(Ec1 ')를 갖는다.
따라서, 입력 커패시터(C2)는 (50 - 0.020) mJ = 49.98mJ로 방전되었다. 동시에, 에너지 저장소자(C1)는 (845 - 800) mJ = 45mJ로 충전되었다. 따라서, 이 예의 전력 변환기(1)의 효율은 45/49.98 = 90%로 계산된다. 이러한 효율은 종래 기술의 에너지 변환기의 효율로부터의 엄청난 이득이다.
상기 예가 입력 커패시터(C2)에 충전된 에너지의 양을 사용하여 설명되었지만, 발전기가 입력 단자(11)에 입력 전력을 공급하는 경우에도 동일한 원리가 적용될 수 있다. 발전기는 평균적으로 일정한 임피던스에 의해 부하걸리며 프로세스는 위에서 설명한 것과 유사하게 작동한다.
본 명세서에 제시된 전력 변환기의 실시예는 본질적으로 일정한 임피던스 및 고효율을 제공한다. 또한, 전력 변환기는 넓은 범위의 입력 전압에 적용될 수 있어 에너지 저장소자로 에너지를 효율적으로 전달할 수 있다. 전력 변환기는 특정 스위칭 주파수에 의존하지 않는다.
도 7은 일 실시예에 따른 전력 변환기(1)를 도시하는 개략도이다. 이 실시예의 전력 변환기(1)는 상술한 도 3에 도시된 전력 변환기와 유사하므로, 여기서 그 전력 변환기와의 차이점만을 언급한다.
이 실시예에서, 제 1 저항이 입력 단자(11)와 스위치(S1) 사이에 제공된다. 비교기(10)의 제 2 입력부는 제 1 저항(R1)과 스위치(S1) 사이의 한 지점(P4)에 연결된다. 비교기의 제 1 입력부는 전압이 입력 단자의 전압에 비례하는 지점에 여전히 연결된다.
도 3의 실시예와 비교하여, 비교기(10)의 입력부들의 극성이 반전되어 있다.
이 실시예에서, 제 2 입력부는 제 1 스위치의 상태에 관계없이 전압이 입력 단자(11)로부터의 전류에 비례하는 지점(P4)에 연결된다. 이로써 입력 단자(11)가 스위치의 상태에 관계없이 보다 일정한 임피던스를 겪는다.
더욱이, 에너지 저장소자(C1)에 에너지를 로딩하는 동안 인덕터(L1)와 직렬로 연결된 저항이 없기 때문에, 전력 전달의 효율이 향상된다.
일 실시예에서, 제 1 저항 및 비교기 입력 회로(12)는 전원의 임피던스와 정합하는 치수로 될 수 있어, 이로써 전력 변환기와 이에 따라 에너지 저장소자(C1) 로의 전력 전달을 최대화한다.
전자 락 장치와 관련하여 본 명세서의 실시예의 전력 변환기를 제시하였으나, 전력 변환기는 임의의 적절한 상황에 적용될 수 있음을 알아야 한다.
다음은 로마 숫자로 열거된 또 다른 관점의 실시예 리스트이다.
i. 입력 단자에 공급되는 전력을 에너지 저장소자로 전달하는 전력 변환기로서,
인덕터;
상기 인덕터와 상기 입력 단자 사이의 연결을 선택적으로 제어하도록 연결된 스위치;
상기 입력 단자와 접지 사이에 연결된 비교기 입력 회로; 및
비교기를 포함하고
상기 비교기의 출력부가 스위치를 제어하고, 상기 비교기의 제 1 입력부는 비교기 입력 회로에 연결되며, 상기 비교기의 제 2 입력부는 인덕터와 접지 사이의 제 1 지점에 연결되고,
상기 에너지 저장소자는 상기 인덕터와 상기 스위치와 상기 에너지 저장소자 사이의 제 2 지점에 연결되는 전력 변환기.
ii. 제 i 항에 있어서,
제 1 저항은 제 1 지점과 접지 사이에 연결되는 전력 변환기.
iii. 제 i 항 또는 제 ii 항에 있어서,
상기 비교기 입력 회로는 직렬 연결된 2개의 저항을 포함하고, 상기 비교기의 상기 제 1 입력부는 상기 2개의 직렬 연결된 저항 사이의 제 3 지점에 연결되는 전력 변환기.
iv. 제 i 항 또는 제 ii 항에 있어서,
상기 비교기 입력 회로는 마이크로프로세서를 사용하여 구현되는 전력 변환기.
v. 제 iv 항에 있어서,
상기 마이크로프로세서는 상기 입력 단자의 전압에 비례하는 출력 전압을 제공하도록 구성되며, 상기 출력 전압은 상기 비교기의 상기 제 1 입력부에 제공되는 전력 변환기.
vi. 제 i 항 내지 제 v 항 중 어느 하나에 있어서,
제 2 지점과 에너지 저장소자 사이에 제공된 다이오드를 더 포함하는 전력 변환기.
vii. 제 i 항 내지 제 vi 항 중 어느 하나에 있어서,
상기 에너지 저장소자는 캐패시터인 전력 변환기.
viii. 제 i 항 내지 제 vii 항 중 어느 하나에 있어서,
상기 입력 단자와 접지 사이에 연결된 커패시터를 더 포함하는 전력 변환기.
ix. 제 i 항 내지 제 viii 항 중 어느 하나에 있어서,
상기 비교기는 히스테리시스로 구현되는 전력 변환기.
x. 제 i 항 내지 제 ix 항 중 어느 하나에 따른 전력 변환기를 포함하는 에너지 하베스팅 장치.
xi. 제 x 항에 있어서,
전력 변환기의 입력 단자에 전력을 제공하도록 구성된 발전기를 더 포함하는 에너지 하베스팅 장치.
xii. 핸들, 전자 락 컨트롤러, 및 제 x 항 또는 제 xi 항에 따른 에너지 하베스팅 장치를 포함하는 전자 락으로서,
상기 에너지 하베스팅 장치는 상기 핸들에 기계적으로 연결되어 에너지를 수집하고, 상기 전력 변환기의 에너지 저장장치는 전자 락 컨트롤러에 전기적으로 연결되어 상기 전자 락 컨트롤러에 전원을 공급하는 전자 락.
본 발명은 몇몇 실시예를 참조하여 주로 설명되었다. 그러나, 당업자에 의해 용이하게 이해되는 바와 같이, 청구 범위에 의해 정의된대로, 상술한 실시예 이외의 다른 실시예도 본 발명의 범위 내에서 동일하게 가능하다.

Claims (14)

  1. 입력 단자(11)에 제공된 전력을 에너지 저장소자(C1)로 전달하는 전력 변환기(1)로서,
    인덕터(L1);
    다이오드(D1);
    상기 인덕터(L1)와 상기 입력 단자(11) 사이의 연결을 선택적으로 제어하도록 연결된 스위치(S1); 및
    비교기(10)를 포함하고,
    상기 비교기의 출력이 스위치(S1)를 제어하고, 상기 비교기의 제 1 입력부에는 상기 입력 단자의 전압에 비례하는 전압이 공급되며, 상기 비교기의 제 2 입력부에는 상기 입력 단자로부터의 전류에 비례하는 전압이 공급되고, 상기 스위치(S1)가 닫힐 경우, 입력 단자로부터 전류와 입력 단자의 전압이 비례해서 변하며,
    상기 에너지 저장소자(C1)는 일단의 다이오드(D1)를 통해 상기 인덕터(L1)와 상기 스위치(S1) 사이의 지점(P2)까지 연결되고, 상기 에너지 저장소자(C1)는 타단의 접지에 연결되어 다이오드(D1)의 양극 측이 에너지 저장소자에 연결되고 다이오드(D1)의 음극 측이 상기 인덕터(L1)와 상기 스위치(S1) 사이의 지점(P2)에 연결되는 전력 변환기(1).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력 단자(11)와 상기 스위치(S1) 사이에 제 1 저항(R1)이 제공되고, 상기 비교기의 상기 제 2 입력부는 상기 제 1 저항(R1) 및 스위치(S1) 사이의 한 지점(P4)에 연결되는 전력 변환기(1).
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 입력부는 상기 인덕터와 접지 사이의 제 1 지점(P1)에 연결되고, 제 1 저항(R1)은 상기 제 1 지점(P1)과 접지 사이에 연결되는 전력 변환기(1).
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력 단자(11)와 접지 사이에 연결된 비교기 입력 회로(12)를 더 포함하고, 상기 비교기 입력 회로(12)는 2개의 직렬 연결된 저항들(R2, R3)을 포함하며, 상기 비교기(10)의 상기 제 1 입력부는 상기 2개의 직렬 연결된 저항들(R2, R3) 사이의 제 3 지점(P3)에 연결되는 전력 변환기(1).
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력 단자(11)와 접지 사이에 연결된 비교기 입력 회로(12)를 더 포함하고, 상기 비교기 입력 회로(12)는 마이크로프로세서(13)를 이용해 비교기(10)의 제 1 입력부에 출력 전압을 제공하도록 실행되는 전력 변환기(1).
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 마이크로프로세서는 상기 입력 단자(11)의 전압에 비례하는 출력 전압을 제공하도록 구성되며, 상기 출력 전압이 상기 비교기의 상기 제 1 입력부에 제공되는 전력 변환기(1).
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 입력 단자(11)와 접지 사이에 연결된 비교기 입력 회로(12)를 더 포함하고, 상기 비교기 입력 회로(12)는 2개의 직렬 연결된 저항들(R2, R3)을 포함하며, 상기 비교기(10)의 상기 제 1 입력부는 상기 2개의 직렬 연결된 저항들(R2, R3) 사이의 제 3 지점(P3)에 연결되고,
    상기 제 1 저항(R1) 및 상기 비교기 입력 회로(12)는 상기 입력 단자(11)에서 본 임피던스가 전력 전달을 향상시키기 위해 소정의 임피던스와 정합하도록 치수화되는 전력 변환기(1).
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 저장소자(C1)는 커패시터인 전력 변환기(1).
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력 단자(11)와 접지 사이에 연결된 커패시터(C2)를 더 포함하는 전력 변환기(1).
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 비교기(10)는 히스테리시스로 구현되는 전력 변환기(1).
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 전력 변환기(1)를 포함한 에너지 하베스팅장치(40).
  12. 제 11 항에 있어서,
    전력 변환기(1)의 입력 단자에 전력을 공급하도록 구성된 발전기(55)를 더 포함하는 에너지 하베스팅장치(40).
  13. 핸들(51), 전자 락 컨트롤러(52) 및 제 11 항에 따른 에너지 하베스팅 장치(40)를 포함하는 전자 락(50)으로서,
    상기 에너지 하베스팅 장치(40)는 상기 핸들(51)에 기계적으로 연결되어 에너지를 수집하고 상기 전력 변환기(1)의 에너지 저장장치(C1)는 전자 락 컨트롤러(52)에 전기적으로 연결되어 상기 전자 락 컨트롤러(52)에 전력을 공급하는 전자 락(50).
  14. 삭제
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