KR102475659B1 - 전기 에너지를 획득하기 위한 디바이스 및 이러한 디바이스를 포함하는 에너지 발전기 - Google Patents

전기 에너지를 획득하기 위한 디바이스 및 이러한 디바이스를 포함하는 에너지 발전기 Download PDF

Info

Publication number
KR102475659B1
KR102475659B1 KR1020207021128A KR20207021128A KR102475659B1 KR 102475659 B1 KR102475659 B1 KR 102475659B1 KR 1020207021128 A KR1020207021128 A KR 1020207021128A KR 20207021128 A KR20207021128 A KR 20207021128A KR 102475659 B1 KR102475659 B1 KR 102475659B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
voltage
capacitor
energy
node
coil
Prior art date
Application number
KR1020207021128A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20200109317A (ko
Inventor
마흐모드 쇼샤
마틴 하우그
Original Assignee
뷔르트 엘렉트로닉 아이조스 게엠베하 운트 콤파니 카게
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 뷔르트 엘렉트로닉 아이조스 게엠베하 운트 콤파니 카게 filed Critical 뷔르트 엘렉트로닉 아이조스 게엠베하 운트 콤파니 카게
Publication of KR20200109317A publication Critical patent/KR20200109317A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102475659B1 publication Critical patent/KR102475659B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/001—Energy harvesting or scavenging
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H02M1/088—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters for the simultaneous control of series or parallel connected semiconductor devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/06—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
    • H02M3/07—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/21—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/217—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2207/00—Indexing scheme relating to details of circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J2207/20—Charging or discharging characterised by the power electronics converter
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/20—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using microwaves or radio frequency waves
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0006—Arrangements for supplying an adequate voltage to the control circuit of converters

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Rectifiers (AREA)

Abstract

본 발명은 정류기(9) 및 제어 디바이스(10)를 포함하는, 전기 에너지를 획득하기 위한 디바이스(3)에 관한 것이다. 정류기(9)는 에너지 발전기(2)의 양의 전압으로부터 에너지를 발생시키기 위한 제 1 충전 회로 및 에너지 발전기(2)의 음의 전압으로부터 에너지를 발생시키기 위한 제 2 충전 회로를 포함한다. 충전 회로들은 공통 코일(L) 및 공통 전자 스위치(13)를 포함한다. 또한, 각각의 충전 회로는 커패시터(Cp, Cn) 및 차단 요소(Dp, Dn)를 갖는다. 충전 회로가 공통의 코일(L)을 사용한다는 사실로 인해서, 디바이스(3)는 단순하고 작은 설계를 갖는다. 또한, 단일 단계의 AC-DC 변환 및 제어 디바이스(10)의 최대 전력 지점 추적 기능으로 인해 에너지 발생이 효율적이다.

Description

전기 에너지를 획득하기 위한 디바이스 및 이러한 디바이스를 포함하는 에너지 발전기
본 특허 출원은 독일 특허 출원 DE 10 2018 201 925.8의 우선권을 주장하며, 그 내용은 여기에 참조로 포함된다.
본 발명은 전기 에너지를 수확하기 위한 디바이스 및 이러한 디바이스를 포함하는 에너지 발전기에 관한 것이다.
에너지 수확은 이동식 전기 디바이스의 환경에 있는 소스, 예를 들어 진동 또는 움직임으로부터 소량의 전기 에너지를 수확하는 것을 지칭한다. 상응하는 에너지 수확기, 예를 들어 압전 발전기 또는 전자기 에너지 수확기는 교류 극성(AC 전압)를 갖는 작은 전압을 제공하며, 이로부터 전기 에너지가 가능한 효율적인 방식으로 수확 및 활용된다.
본 발명의 목적은 효율적이고 신뢰할 수 있는 방식으로 전기 에너지를 수확할 수 있게 하는 단순하고 컴팩트하게 설계된 디바이스를 제공하는 것이다. 이 디바이스는 특히 밀리볼트 범위의 매우 낮은 전압으로부터의 효율적인 전기 에너지 수확을 가능하게 한다.
이러한 목적은 청구범위 제 1 항의 특징을 갖는 디바이스를 통해 달성된다. 정류기는 입력 단자에 인가되는 에너지 수확기의 양의 전압으로부터 에너지를 수확하기 위한 제 1 충전 회로 및 입력 단자에 인가되는 에너지를 수확하기 위한 제 2 충전 회로를 포함하며, 상기 충전 회로는 공통 코일 및 공통 전자 스위치를 포함한다. 인가된 양의 전압의 경우에, 코일이 인가된 양의 전압 및 코일을 통해서 흐르는 전류로 인한 에너지를 저장하도록 전자 스위치가 제 1 스위칭 상태에서 폐쇄된다. 제 1 차단 요소는 제 1 커패시터가 제 1 스위칭 상태에서 충전되는 것을 방지한다. 제 1 차단 요소는 특히 다이오드로서 구성된다. 후속하는 제 2 스위칭 상태에서, 제 1 커패시터는 코일에 저장된 에너지에 의해 충전되도록 전자 스위치가 개방된다. 제 2 스위칭 상태에서, 제 1 차단 요소는 코일로부터 제 1 커패시터로의 충전 전류의 흐름을 허용한다. 음의 전압이 인가되면, 코일이 인가된 음의 전압 및 코일을 통해서 흐르는 전류로 인한 에너지를 저장하도록 전자 스위치가 제 1 스위칭 상태에서 폐쇄된다. 제 1 스위칭 상태에서, 제 2 차단 요소는 제 2 커패시터가 충전되는 것을 방지한다. 제 2 차단 요소는 특히 다이오드로서 구성된다. 후속하는 제 2 스위칭 상태에서, 제 2 커패시터는 코일에 저장된 에너지에 의해 충전되도록 전자 스위치가 개방된다. 제 2 스위칭 상태에서, 제 2 차단 요소는 코일로부터 제 2 커패시터로의 충전 전류의 흐름을 허용한다.
정류기는 양의 전압이 인가되고 음의 전압이 인가되는 경우에 충전 전류에 의해서 함께 사용되는 단일 코일만을 포함하기 때문에, 정류기는 간단하고 컴팩트한 방식으로 설계된다. 디바이스의 비용은 본질적으로 공통 코일에 의해 정의되는 자기식 부피의 함수이다. 정류기가 정확히 하나의 코일을 포함하기 때문에, 자기식 부피는 단일 코일의 부피로 제한되어 디바이스의 비용이 비교적 낮다. 또한, 전기 에너지의 수확이 효율적이고 신뢰할 수 있는 방식으로 이루어지도록, 인가된 AC 전압은 단일 단계에서 동일한 극성을 갖는 전압 또는 DC 전압으로 변환된다. 에너지 수확기에 의해서 제공되는 매우 낮은 전압도 정류되고 간단하고 효율적으로 활용될 수 있도록, 입력 단자는 정류기의 다이오드에 직접 연결되지 않는다. 정류기는 특히 벅-부스트 변환기로서 구성된다.
충전 회로는 전자 스위치를 공동으로 그리고 상응하는 방식으로 사용한다. 전자 스위치는 적어도 하나의 전자 스위칭 소자를 포함한다. 적어도 하나의 전자 스위칭 소자는 특히 MOSFET으로서 구성되고, 바람직하게는 불통(normally-off) n-채널 MOSFET으로서 구성된다. 제 1 스위칭 상태 및 후속하는 제 2 스위칭 상태는주기 TS에 걸쳐 연장한다. 기간 TS에 대해서: TS = 1/fS이 참이며, 여기서 fS는 제어 디바이스의 스위칭 주파수를 나타낸다. 각각의 제 1 스위칭 상태는 D·TS의 지속 시간을 가지고, 각각의 관련된 제 2 스위칭 상태는 (1-D)·TS의 지속 시간을 가지며, 여기서 D는 듀티 사이클이다.
청구범위 제 2 항에 청구된 바와 같은 디바이스는 단순하고 컴팩트한 설계 및 효율적인 에너지 수확을 보장한다. 코일과 전자 스위치로 구성된 직렬 회로가 입력 단자에 연결된다. 전자 스위치가 닫히면, 직렬 회로는 입력 단자에 연결된 에너지 수확기와 함께 코일과 전자 스위치로부터 루프를 형성한다. 그 결과, 코일에 의해서 에너지가 저장되도록, 입력 단자에 인가되는 전압으로 인해서 코일을 통해 전류가 흐른다. 후속하는 제 2 스위칭 상태에서, 직렬 회로로 인해 입력 단자들 중 하나에 대한 코일의 연결이 연결 해제되도록 전자 스위치가 개방되며, 따라서 루프가 파손된다. 그 결과, 제 2 스위칭 상태에서 제 1 커패시터 또는 제 2 커패시터의 충전이 가능해진다. 바람직하게는, 코일은 제 1 입력 단자 및 전자 스위치에 연결되며, 전자 스위치는 제 2 입력 단자에 연결된다.
청구범위 제 3 항에 청구된 바와 같은 디바이스는 높은 신뢰성 및 효율을 보장한다. 2개의 전자 스위칭 소자가 직렬로 연결되어, 기생 전류 및 이에 따른 손실이 방지된다. 2개의 전자 스위칭 소자는 특히 백투백(back-to-back) 배치를 갖는다. 이에 의해서 기생 전류의 결과로서의 손실 및 오작동이 방지된다. 기생 전류는 특히 바디 다이오드에 의해 발생한다. 백투백 배치로 인해서, 바디 다이오드는 상이한 차단 방향을 갖는다. 전자 스위칭 소자는 전계 효과 트랜지스터(n-채널 또는 p-채널) 및 바이폴라 트랜지스터(NPN 또는 PNP)를 포함하는 군으로부터 선택된다. 전자 스위칭 소자는 바람직하게는 MOSFET, 특히 n-채널 MOSFET으로서 구성된다.
청구범위 제 4 항에 청구된 바와 같은 디바이스는 단순한 설계 및 높은 신뢰성을 보장한다. 전자 스위치는 관련 기생 바디 다이오드를 갖는 적어도 하나의 전자 스위칭 소자를 포함한다. 정류기의 동작을 시작할 때, 기생 바디 다이오드는 제어 디바이스에 전기 에너지를 공급하도록 사용된다. 이를 위해서, 제어 디바이스의 공급 회로가 정류기에 연결되어 코일, 커패시터 중 하나, 공급 회로 및 기생 바디 다이오드가 입력 단자에 연결된 에너지 수확기와 함께 루프를 형성한다. 이러한 루프를 통해, 즉 기생 바디 다이오드를 통해, 공급 전압이 제어 신호를 생성하기 위한 공급 회로에 의해 제공하도록 공급 회로는 입력 단자에 인가되는 전압 및/또는 갈바닉 에너지 저장소의 전압에 의해 충전된다. 공급 회로는 특히 출력 단자들 중 하나 및 전자 스위칭 소자의 단자에 연결된다. 바람직하게는, 공급 회로는 제 2 출력 단자 및 MOSFET로서 구성된 전자 스위칭 소자의 소스 단자에 연결된다. 전자 스위칭 소자의 드레인 단자는 바람직하게는 제 2 입력 단자에 연결된다.
청구범위 제 5 항에 청구된 바와 같은 디바이스는 높은 신뢰성 및 고효율을 보장한다. 전자식 스위칭 소자는 직렬로 연결되고 기생 바디 다이오드가 반대의 차단 방향을 갖도록 연속 배열을 갖는다. 스위칭 소자의 배치에 의해, 적어도 하나의 바디 다이오드는 인가된 음의 전압의 경우와 인가된 양의 전압의 경우 모두를 차단하는 것이 보장된다. 따라서 기생 전류 및 그로 인한 손실이 방지된다. 바람직하게는, 직렬 연결된 전자 스위칭 소자들 사이의 연결은 제어 디바이스의 기준 전위(접지)를 형성하여, 전자 스위칭 소자가 정의된 기준 전위로 인해 용이하게 작동될 수 있다. 전자 스위칭 소자는 바람직하게는 소스 단자에 연결되고 이러한 방식으로 직렬 연결되는 MOSFET로 구성된다. 소스 단자는 바람직하게는 제어 디바이스의 공급 회로에 연결되며, 이에 의해 구성된 노드는 기준 노드를 형성하고 기준 전위(접지)에 연결된다. 전자 스위칭 소자의 직렬 연결은 특히 코일 및 제 2 입력 단자에 연결된다. 제 2 입력 단자에 연결된 전자 스위칭 소자의 바디 다이오드는 특히 제 2 입력 단자로 향하는 순방향을 갖는다.
청구범위 제 6 항에 청구된 바와 같은 디바이스는 단순하고 컴팩트한 설계 및 효율적인 에너지 수확을 보장한다. 양의 전압이 입력 단자에 인가되면, 코일, 제 1 커패시터 및 제 1 차단 요소는 제 2 스위칭 상태에서 제 1 루프를 형성하여, 제 1 스위칭 상태에서 코일에 저장된 에너지가 코일로부터 제 1 커패시터로 전달되게 한다. 제 2 스위칭 상태에서, 제 1 차단 요소는 코일로부터 제 1 커패시터로의 전류의 흐름을 가능하게 한다.
청구범위 제 7 항에 청구된 바와 같은 디바이스는 단순하고 컴팩트한 설계 및 효율적인 에너지 수확을 보장한다. 음의 전압이 입력 단자에 인가되면, 코일, 제 2 커패시터 및 제 2 차단 요소는 제 2 스위칭 상태에서 제 2 루프를 형성하여, 제 1 스위칭 상태에서 코일에 저장된 에너지가 코일로부터 제 2 커패시터로 전달되게 한다. 제 2 스위칭 상태에서, 제 2 차단 요소는 코일로부터 제 2 커패시터로의 전류 흐름을 가능하게 한다.
청구범위 제 8 항에 청구된 바와 같은 디바이스는 단순하고 컴팩트한 설계를 보장한다. 제 1 차단 요소 및 제 2 차단 요소가 코일에 대해 상이한 순방향 또는 상이한 차단 방향을 가지기 때문에, 정류기는 단순한 방식으로 제 1 충전 회로와 제 2 충전 회로 사이에서 스위칭될 수 있다. 개방형 전자 스위치의 경우, 코일, 제 1 차단 요소 및 제 1 커패시터를 포함하는 제 1 루프를 통해서, 또는 코일, 제 2 차단 요소 및 제 2 커패시터를 포함하는 제 2 루프를 통해서, 차단 요소에 의해 전류 흐름이 발생한다. 차단 요소는 바람직하게 다이오드로서 구성된다. 제 1 차단 요소는 특히 제 1 입력 단자 및 제 1 출력 단자에 연결되며, 코일로부터 제 1 커패시터로의 전류 흐름을 가능하게 한다. 제 2 차단 요소는 특히 제 1 입력 단자 및 제 2 출력 단자에 연결되며, 코일로부터 제 2 커패시터로의 전류 흐름을 가능하게 한다.
청구범위 제 9 항에 청구된 바와 같은 디바이스는 효율적인 에너지 수확을 보장한다. 입력 단자에 인가되는 전압이 매우 작더라도 비교적 높은 출력 전압이 제공되도록, 양의 전압이 입력 단자에 인가되면 제 1 커패시터가 충전되고, 음의 전압이 입력 단자에 인가되면 제 2 커패시터가 충전된다.
청구범위 제 10 항에 청구된 바와 같은 디바이스는 간단하고 컴팩트한 설계를 보장한다. 에너지 수확기는 입력 단자에 연결되며 전압 또는 입력 전압을 그에 제공한다. 출력 전압은 출력 단자에 제공되며,이 를 통해 부하가 작동될 수 있다. 정확히 하나의 코일 또는 유일한 코일, 전자 스위치 및 커패시터가 연결된 중앙 충전 회로 노드는, 제 1 스위칭 상태에서 코일의 전기 에너지의 저장 및 후속하는 제 2 스위칭 상태에서 코일에 저장된 전기 에너지를 이용한 커패시터 중 하나의 충전을 단순한 방식으로 가능하게 한다. 스위칭 상태들 사이의 스위칭은 전자 스위치에 의해서 이루어진다. 양의 전압이 인가되는 경우의 제 1 충전 회로와 음의 전압이 인가되는 경우의 제 2 충전 회로 사이의 선택은 차단 요소에 의해서 발생한다. 차단 요소가 다이오드로서 구성된 경우, 이러한 선택은 특히 자동으로 이루어진다.
청구범위 제 11 항에 청구된 바와 같은 디바이스는 효율적이고 신뢰할 수 있는 에너지 수확을 보장한다. 갈바닉 에너지 저장소는 커패시터에 의해 충전되고, 수확된 전기 에너지를 저장한다. 따라서 이러한 디바이스는 커패시터가 충전되지 않은 경우에도 갈바닉 에너지 저장소에 의해서 출력 단자에 출력 전압을 제공한다. 또한 출력 전압은 갈바닉 에너지 저장소를 통해 안정화된다. 갈바닉 에너지 저장소는 바람직하게는 출력 단자에 연결된다. 부하에 의해서 필요하지 않은 전기 에너지는 갈바닉 에너지 저장소에 저장되거나 일시적으로 저장되기 때문에, 수확된 에너지는 간단하고 효율적인 방식으로 사용된다.
청구범위 제 12 항에 청구된 바와 같은 디바이스는 신뢰할 수 있는 에너지 수확을 보장한다. 전압 제어기가 출력 단자에 연결되어 있기 때문에, 비교적 일정한 전압이 부하에 제공된다. 전압 제어기는 갈바닉 에너지 저장소가 출력 단자에 연결되지 않은 경우에 특히 유리하다. 커패시터의 충전 상태의 변화로 인해 출력 단자에서의 출력 전압이 변동하기 때문에, 전압 제어기는 출력 전압을 안정화시키는데 유리하다. 전압 제어기는 특히 출력 측 전압이 제어되는 DC-DC 변환기를 포함한다. 이러한 이유로, DC-DC 변환기는 출력 측 전압을 설정점 전압과 비교하고 설정점 전압과 출력 측 전압 사이의 전압차를 전압차를 보정하도록 DC-DC 변환기를 작동하는 제어기에 공급하는 전압 제어 회로의 일부이다. 제어기는 예를 들어 PID 제어기로서 구성된다.
청구범위 제 13 항에 청구된 바와 같은 디바이스는 신뢰성 있고 효율적인 에너지 수확을 보장한다. 공급 회로에 의해, 제어 회로는 신뢰할 수 있는 방식으로 공급 전압을 제공한다. 공급 회로는 특히 공급 전압이 가능한 일정하도록 설계된다. 공급 회로는 바람직하게는 출력 단자 중 하나에 연결되고 전자 스위치에 연결된다. 공급 회로는 특히 제 2 출력 단자에 연결되고 전자 스위치의 2개의 전자 스위칭 소자의 연결부에 연결된다. 이에 의해 형성된 노드는 기준 노드로서 작용하고 제어 회로에 대한 기준 전위를 제공한다. 공급 전압은 제어 회로에 대한 입력 전압으로 작용한다. 제어 회로는 에너지 수확이 최적화 또는 최대화되도록 소위 최대 전력 지점 추적(MPPT)이 발생하는 방식으로 구성된다. 이를 위해서, 제어 회로는 입력 단자에서의 입력 임피던스가 본질적으로 에너지 수확기의 내부 저항에 상응하는 방식으로 듀티 사이클(D)을 조정하며, 입력 임피던스는 입력 단자에서의 전압 및 관련 전류가 본질적으로 동상(in phase)이 되도록 본질적으로 순수하게 저항성이다.
청구범위 제 14 항에 청구된 바와 같은 디바이스는 단순한 방식으로 신뢰성 있고 효율적인 에너지 수확을 보장한다. 적어도 하나의 전하 펌프는 제어 회로에 공급 전압을 제공하도록 작용하는 공급 회로를 형성한다. 바람직하게는, 정류기가 갈바닉 에너지 저장소를 포함하는 경우 제어 디바이스는 정확히 하나의 전하 펌프를 포함한다. 전하 펌프는 특히 단일 단계로서 구성된다. 바람직하게는, 정류기가 갈바닉 에너지 저장소를 포함하지 않으면 제어 디바이스는 정확히 2개의 전하 펌프를 포함한다. 정확히 2개의 전하 펌프는 특히 보조 전하 펌프 및 1차 전하 펌프로서 구성되며, 여기서 보조 전하 펌프는 1차 전하 펌프의 동작을 시작시키도록 작용한다.
청구범위 제 15 항에 청구된 바와 같은 디바이스는 단순한 설계 및 신뢰성 있고 효율적인 에너지 수확을 보장한다. 전하 펌프는 특히 단일 단계로서 구성된다. 바람직하게는, 전하 펌프는 정확히 하나의 다이오드 및 정확히 하나의 커패시터를 포함한다. 바람직하게는, 다이오드는 제 2 출력 단자 및 커패시터에 연결되며, 커패시터는 전자 스위치의 2개의 전자 스위칭 소자 사이에 구성된 기준 노드에 연결된다. 기준 노드는 특히 제어 회로에 대한 기준 전위를 포함한다. 다이오드는 제 2 출력 단자로부터 기준 노드로의 전류 흐름을 가능하게 한다. 정류기가 갈바닉 에너지 저장소를 포함하지 않으면 전하 펌프는 특히 1차 전하 펌프를 형성한다.
청구범위 제 16 항에 청구된 바와 같은 디바이스는 단순한 설계 및 신뢰성 있고 효율적인 에너지 수확을 보장한다. 입력 단자에 연결된 에너지 수확기와 함께, 전하 펌프, 코일, 커패시터 중 하나 및 전자 스위칭 소자 중 하나의 바디 다이오드는 입력 단자에 전압이 인가되는 경우 전하 펌프가 동작을 시작하게 할 수 있는 루프를 형성한다. 전하 펌프의 동작을 시작함으로써, 전자 스위치 또는 전자 스위칭 소자의 작동을 가능하게 하는 공급 전압이 제공된다. 그 결과, 디바이스는 간단하고 신뢰할 수 있는 방식으로 동작될 수 있다. 바람직하게는, 노드는 제어 신호를 생성하기 위한 제어 회로에 대한 기준 전위를 갖는 기준 노드를 형성한다. 바람직하게는, 전하 펌프는 제 2 출력 단자에 연결되며, 전자 스위치는 코일 및 제 2 입력 단자에 연결된다. 정류기가 갈바닉 에너지 저장소를 포함하지 않으면, 전하 펌프는 1차 전하 펌프를 형성한다.
청구범위 제 17 항에 청구된 바와 같은 디바이스는 단순한 설계 및 신뢰성 있고 효율적인 에너지 수확을 보장한다. 전하 펌프는 제어 디바이스의 신뢰성 있는 동작의 시작 및 전자 스위치의 제어를 위한 제어 신호의 신뢰성 있는 생성을 보장한다. 전하 펌프는 특히 1차 전하 펌프의 동작 시작 및 공급 전압의 제공을 가능하게 하는 보조 전하 펌프를 형성한다. 전하 펌프는 정류기가 갈바닉 에너지 저장소를 포함하지 않는 경우 특히 유리하다.
청구범위 제 18 항에 청구된 바와 같은 디바이스는 신뢰성 있고 효율적인 수확을 가능하게 한다. 보조 전하 펌프는 전자 스위치의 작동을 위해 공급 전압을 제공하는 1차 전하 펌프의 동작을 시작하도록 사용된다. 보조 전하 펌프는 특히 수동 1-단계 빌라드(Villard) 전하 펌프로 구성된다. 1차 전하 펌프는 바람직하게는 하나의 단계로 구성되며 다이오드 및 커패시터로 구성된 직렬 회로를 포함한다. 보조 전하 펌프는 1차 전하 펌프의 커패시터가 보조 전하 펌프에 의해 충전되는 방식으로 1차 전하 펌프에 연결된다. 이를 위해서, 보조 전하 펌프는 특히 1차 전하 펌프의 다이오드와 커패시터 사이에 구성된 제 1 노드에 연결된다.
청구범위 제 19 항에 청구된 바와 같은 디바이스는 단순한 설계 및 신뢰성 있고 효율적인 에너지 수확을 보장한다. 전하 펌프는 수동 1-단계 빌라드 전하 펌프로서 구성된다. 전하 펌프는 특히 1차 전하 펌프에 연결된 보조 전하 펌프를 형성한다. 이를 위해서, 제 4 다이오드는 제 1 다이오드와 제 3 커패시터 사이의 연결, 즉 제 1 노드로 연결된다. 음의 전압이 인가되면, 제 4 커패시터는 제 2 다이오드를 통해 충전된다. 이를 위해서, 제 2 다이오드는 제 2 입력 단자로부터 제 1 입력 단자로의 전류 흐름을 가능하게 한다. 양의 전압이 입력 단자에 인가되면, 제 4 커패시터는 제 3 다이오드를 통해 방전되고, 제 5 커패시터가 충전된다. 이를 위해서, 제 3 다이오드는 제 2 노드로부터 제 3 노드로의 전류 흐름을 가능하게 한다. 제 5 커패시터를 충전함으로써, 제 3 노드에서의 전압은 입력 단자에서의 최대 전압의 2배와 본질적으로 동일하다. 1차 전하 펌프의 제 3 커패시터는 제 3 커패시터가 공급 전압을 제공하도록 제 4 다이오드를 통해 충전된다. 이를 위해서, 제 4 다이오드는 제 5 커패시터로부터 제 3 커패시터로의 전류 흐름을 가능하게 한다.
청구범위 제 20 항에 청구된 바와 같은 디바이스는 단순한 설계 및 신뢰성 있는 에너지 수확을 보장한다. 옴 저항은 공급 회로의 동작 시작을 단순화하여 제어 회로에 의한 전자 스위치의 작동을 위해 공급 전압을 제공한다. 공급 회로는 공급 회로의 동작이 시작될 때 제 2 커패시터가 충전되도록 제 2 출력 단자에 연결된다. 정류기가 갈바닉 에너지 저장소를 포함하는 경우, 갈바닉 에너지 저장소의 전압은 제 1 커패시터 양단에 주로 인가되는 반면, 제 2 커패시터 양단의 전압은 낮다. 옴 저항에 의해서, 제 1 커패시터와 제 2 커패시터에서의 전압 간의 차이가 감소되어, 공급 회로와 제어 회로가 안전하게 동작될 수 있다. 손실을 방지하기 위해서, 옴 저항은 바람직하게는 높은 저항을 갖도록 선택된다.
청구범위 제 21 항에 청구된 바와 같은 디바이스는 양의 전압이 입력 단자에 인가되는 경우 효율적이고 신뢰할 수 있는 에너지 수확을 보장한다. 전자 스위칭 소자는 제 1 스위칭 상태와 후속하는 제 2 스위칭 상태 사이에서 스위칭하도록 사용된다. 제 1 스위칭 상태에서, 전기 에너지는 입력 단자에 인가되는 양의 전압에 의해 코일에 저장된다. 이를 위해, 전자 스위칭 소자는 제 1 스위칭 상태에서 폐쇄된다. 후속하는 제 2 스위칭 상태에서, 제 1 커패시터는 저장된 전기 에너지에 의해 충전된다. 전기 스위칭 소자는 동기식으로 작동된다. 제 1 스위칭 시퀀스는 기간 TS에 걸쳐 연장한다. 기간 TS에 대해서: TS = 1/fS이 참이며, 여기서 fS는 제어 디바이스의 스위칭 주파수를 나타낸다. 제 1 스위칭 상태는 D·TS의 지속 시간을 가지고, 제 2 스위칭 상태는 (1-D)·TS의 지속 시간을 가지며, 여기서 D는 듀티 사이클을 나타낸다. 듀티 사이클(D)에 의해, 입력 임피던스는 바람직하게는 입력 단자에서 설정된다. 듀티 사이클(D)은 스위칭 상태의 전체 지속 시간, 즉 기간 TS에 대한 제 1 스위칭 상태의 지속 시간의 비율을 나타낸다.
청구범위 제 22 항에 청구된 바와 같은 디바이스는 음의 전압이 입력 단자에 인가되는 경우 효율적이고 신뢰할 수 있는 에너지 수확을 보장한다. 전자 스위칭 소자는 제 1 스위칭 상태와 후속하는 제 2 스위칭 상태 사이를 스위칭하도록 사용된다. 제 1 스위칭 상태에서, 전기 에너지는 입력 단자에 인가되는 음의 전압에 의해 코일에 저장된다. 이를 위해서, 전자 스위칭 소자는 제 1 스위칭 상태에서 폐쇄된다. 후속하는 제 2 스위칭 상태에서, 제 2 커패시터는 저장된 전기 에너지에 의해 충전된다. 전기 스위칭 소자는 동기식으로 작동된다. 제 1 스위칭 시퀀스는 기간 TS에 걸쳐 연장한다. 기간 TS에 대해서: TS = 1/fS이 참이며, 여기서 fS는 제어 디바이스의 스위칭 주파수를 나타낸다. 제 1 스위칭 상태는 D·TS의 지속 시간을 가지고, 제 2 스위칭 상태는 (1-D)·TS의 지속 시간을 가지며, 여기서 D는 듀티 사이클을 나타낸다. 듀티 사이클(D)에 의해, 입력 임피던스는 바람직하게는 입력 단자에서 설정된다. 듀티 사이클(D)은 스위칭 상태의 전체 지속 시간, 즉 기간 TS에 대한 제 1 스위칭 상태의 지속 시간의 비율을 나타낸다.
청구범위 제 23 항에 청구된 바와 같은 디바이스는 신뢰성 있고 효율적인 에너지 수확을 보장한다. 제어 회로는 소위 최대 전력 지점 추적(MPPT) 및 따라서 수확된 전기 에너지의 최적화 또는 최대화를 단순한 방식으로 가능하게 한다. 비교기에 의해서, 개방-루프 펄스 폭 변조가 달성된다. 제 1 비교기 및/또는 제 2 비교기는 공급 회로에 의해 제공되는 공급 전압에서 동작된다. 톱니 전압의 생성 및 톱니 전압에 의한 제어 신호의 생성은, 입력 임피던스가 본질적으로 에너지 수확기의 내부 저항에 상응하는 방식으로 비교기의 커패시터 및/또는 옴 저항의 적절한 선태에 의해서 단순한 방식으로 조정될 수 있다. 입력 단자에서의 입력 임피던스는 듀티 사이클(D)에 의해 조정 가능하다. 듀티 사이클(D)은 스위칭 상태의 전체 지속 시간, 즉 기간 TS에 대한 제 1 스위칭 상태의 지속 시간의 비율을 나타낸다. 제 2 비교기는 톱니 전압을 특히 공급 전압이 인가되는 분압기에 의해 제공되는 비교 전압과 비교한다. 전압 분배기는 바람직하게는 순수하게 저항성으로 구성되며 2개의 옴 저항을 포함한다.
청구범위 제 24 항에 청구된 바와 같은 디바이스는 효율적인 에너지 수확을 보장한다. 입력 임피던스는 수확된 전기 에너지가 최적화 또는 최대화되도록 에너지 수확기의 임피던스 또는 내부 저항으로 조정된다. 다시 말해서, 입력 임피던스는 입력 단자에 인가된 전압과 관련 전류가 본질적으로 동상(in phase)인 방식으로 조정된다. 그 결과, 최대 전력 지점 추적(MPPT)이 발생한다. 입력 임피던스는 듀티 사이클(D)에 의해 설정된다. 듀티 사이클(D)는 제 1 스위칭 상태 및 후속하는 제 2 스위칭 상태의 전체 지속 시간, 즉 기간 TS에 대한 제 1 스위칭 상태의 지속 시간을 나타낸다.
본 발명의 목적은 또한 효율적이고 신뢰할 수 있는 방식으로 전기 에너지의 수확을 가능하게 하는 단순하고 컴팩트하게 설계된 에너지 발전기를 제공하는 것이다. 에너지 발전기는 특히 밀리볼트 범위에 있는 매우 낮은 전압으로부터 전기 에너지의 효율적인 수확을 가능하게 하도록 의도된다.
이러한 목적은 청구범위 제 25 항의 특징을 갖는 에너지 발전기를 통해 달성된다. 에너지 발전기의 장점은 전기 에너지를 수확하기 위한 본 발명에 따른 디바이스의 전술된 장점에 상응한다. 에너지 수확기는, 예를 들어 압전 에너지 수확기 또는 압전 발전기 및/또는 전자기적 에너지 수확기이다. 바람직하게는, 에너지 수확기는 전자기적 에너지 수확기(EMEH)이다. 전자기 에너지 수확기는 비교적 많은 양의 전기 에너지를 제공한다. 전자기적 에너지 수확기의 비교적 낮은 전압은 본 발명에 따른 디바이스에 대해서 단점을 만들지 않는다.
본 발명의 추가적인 특징, 장점 및 세부사항은 몇몇 예시적인 실시예에 대한 이어지는 설명으로부터 발생할 것이다. 도면에서:
도 1은 갈바닉 에너지 저장소를 포함하는 제 1 예시적인 실시예에 따른 에너지 발전기의 개략도,
도 2는 에너지 수확기에 의해 제공되는 전압의 시간 프로파일 및 에너지 발전기의 제 1 스위칭 상태와 제 2 스위칭 상태 사이에서 스위칭하기 위한 제어 디바이스에 의해 생성된 제어 신호를 도시한 도면,
도 3은 에너지 발전기의 전자 스위치에 대한 제어 신호를 생성하기 위한 제어 회로의 개략도,
도 4는 제어 회로에 공급 전압을 제공하기 위한 공급 회로의 동작 시작 동안의 에너지 발전기의 등가 회로도,
도 5는 에너지 수확기가 양의 전압을 제공하는 경우, 제 1 스위칭 상태에서의 에너지 발전기의 등가 회로도,
도 6은 도 5에 따른 제 1 스위칭 상태에 이어지는 제 2 스위칭 상태에서의 에너지 수확기의 등가 회로도,
도 7은 에너지 수확기가 음의 전압을 제공하는 경우, 제 1 스위칭 상태에서의 에너지 발전기의 등가 회로도,
도 8은 도 7에 따른 제 1 스위칭 상태에 이어지는 제 2 스위칭 상태에서의 에너지 수확기의 등가 회로도,
도 9는 갈바닉 에너지 저장소가 없는 제 2 예시적인 실시예에 따른 에너지 발전기의 개략도,
도 10은 제 1 충전 상태에서 도 9에 따른 에너지 발전기의 제어 디바이스의 공급 회로의 회로도,
도 11은 제 2 충전 상태에서의 공급 회로의 회로도, 그리고
도 12는 제 3 충전 상태에서의 공급 회로의 회로도를 도시한다.
본 발명의 제 1 예시적인 실시예가 아래에서 도 1 내지 도 8의 도움으로 기술된다. 에너지 발전기(1)는 에너지 수확기(2) 및 전기 에너지를 수확하기 위한 디바이스(3)를 포함한다. 에너지 수확기(2)는 전자기적으로 구성된다. 에너지 수확기(2)는 공지되어 있으며 전형적인 방식으로 구성된다. 에너지 수확기(2)는 에너지 수확기로도 지칭된다. 디바이스(3)는 에너지 수확기(2)에 의해 제공되는 전기 에너지를 활용하거나 수확하기 위해 사용된다. 이를 위해서, 에너지 수확기(2)는 디바이스(3)의 제 1 입력 단자(4) 및 제 2 입력 단자(5)에 연결된다. 발전기(1)는 전기 에너지를 부하(6)에 제공하기 위해 사용된다. 이를 위해, 부하(6)는 디바이스(3)의 제 1 출력 단자(7) 및 제 2 출력 단자(8)에 연결된다. 에너지 수확기(2)는 EH-GND(에너지 수확기 GND)로도 지칭되는 기준 전위를 갖는 입력 단자(5)에 연결된다.
에너지 수확기(2)는 교류 극성(AC 전압)을 갖는 전압 vh를 제공한다. 시간 t에 걸친 전압 vh는 도 2에 예시로서 도시되었다. 양의 극성을 갖는 전압 vh의 부분은 아래에서 vhp로 표시될 것이고, 음의 극성을 갖는 전압의 부분은 vhn로 표시될 것이다.
디바이스(3)는 정류기(9) 및 관련 제어 디바이스(10)를 포함한다. 정류기(9)는 입력 단자(4)에 인가되는 에너지 수확기(2)의 양의 전압(vhp)으로부터 에너지를 수확하도록 사용되는 제 1 충전 회로(11)를 형성한다. 또한, 정류기(9)는 입력 단자(4, 5)에 인가되는 에너지 수확기(2)의 음의 전압(Vhn)으로부터 에너지를 수확하도록 사용되는 제 2 충전 회로(12)를 형성한다.
제 1 충전 회로(11)는 전자 스위치(13), 코일(L), 제 1 커패시터(Cp) 및 제 1 차단 요소(Dp)를 포함한다. 한편, 제 2 충전 회로(12)는 전자 스위치(13), 코일(L), 제 2 커패시터(Cn) 및 제 2 차단 요소(Dn)를 포함한다.
코일(L)은 제 1 입력 단자(4) 및 충전 회로 노드(K)에 연결된다. 전자 스위치(13)는 충전 회로 노드(K) 및 제 2 입력 단자(5)에 연결되어, 코일(L) 및 전자 스위치(13)는 입력 단자(4, 5) 사이에 직렬로 연결된다. 제 1 커패시터(Cp)는 충전 회로 노드(K) 및 제 1 출력 단자(7)에 연결된다. 또한, 제 1 차단 요소(Dp)는, 제 1 차단 요소(Dp)가 제 1 출력 단자(7)로부터 제 1 입력 단자(4)로의 전류 흐름을 가능하게 하는 방식으로 제 1 입력 단자(4) 및 제 1 출력 단자(7)에 연결된다. 제 1 차단 요소(Dp)는 다이오드로서 구성된다. 코일(L), 제 1 커패시터(Cp) 및 제 1 차단 요소(Dp)는 이에 따라 제 1 루프(Mp2)를 형성한다. 제 2 커패시터(Cn)는 충전 회로 노드(K) 및 제 2 출력 단자(8)에 연결된다. 또한, 제 2 차단 요소(Dn)는, 제 2 차단 요소(Dn)가 제 1 입력 단자(4)로부터 제 2 출력 단자(8)로의 전류 흐름을 가능하게 하는 방식으로 제 1 입력 단자(4) 및 제 2 출력 단자(8)에 연결된다. 제 2 차단 요소(Dn)는 다이오드로서 구성된다. 코일(L), 제 2 차단 요소(Dn) 및 제 2 커패시터(Cn)는 따라서 제 2 루프(Mn2)를 형성한다. 따라서 차단 요소(Dp, Dn)는 코일(L)을 통해 흐르는 전류가 루프(Mp2, Mn2)에서 반대이도록, 코일(L)에 대해 반대되는 순방향을 가진다.
정류기(9)는 재충전 가능한 갈바닉 에너지 저장소(14)를 더 포함한다. 갈바닉 에너지 저장소(14)는 제 1 출력 단자(7) 및 제 2 출력 단자(8)에 연결된다. 이를 위해서, 갈바닉 에너지 저장소(14)의 음의 단자가 제 1 출력 단자(7)에 연결되고 양의 단자가 제 2 출력 단자(8)에 연결된다. 출력 전압(Eb)은 출력 단자(7, 8)에서 제공된다.
전자 스위치(13)는 제 1 전자 스위칭 소자(Q1) 및 제 2 전자 스위칭 소자(Q2)로 구성되는 직렬 회로로 구성된다. 전자 스위칭 소자(Q1 및 Q2)는 각각이 상시 불통 n-채널 MOSFET으로서 구성된다. 제 1 스위칭 소자(Q1)의 소스 단자(S1)는 기준 노드(K0)에 연결된다. 기준 노드(K0)는 제어 디바이스(10)(제어 회로(GND))의 기준 전위를 정의한다. 제 1 스위칭 소자(Q1)의 드레인 단자(D1)는 제 2 입력 단자(5)에 연결된다. 또한, 제 2 스위칭 소자(Q2)의 소스 단자(S2)는 기준 노드(K0)에 연결된다. 제 2 스위칭 소자(Q2)의 드레인 단자(D2)는 충전 회로 노드(K)에 연결된다. 기준 노드(K0)의 기준 전위는, 만약 스위칭 소자(Q1 및 Q2)가 스위치-온되는 경우 양의 제어 전압 또는 제어 신호(g1 및 g2)가 관련 소스 단자(S1 및 S2)를 참조하여 스위칭 소자(Q1, Q2)의 게이트 단자(G1, G2)에 인가되고, 스위칭 소자(Q1 및 Q2)가 스위치-오프되는 경우 음의 제어 전압 또는 제어 신호(g1 및 g2)가 인가되는 것을 보장한다.
제 1 기생 바디 다이오드(F1)는 제 1 스위칭 소자(Q1)와 병렬로 구성된다. 제 1 바디 다이오드(F1)는, 제 1 소스 단자(S1) 방향으로의 전류 흐름이 차단되는 방식으로 소스 단자(S1) 및 드레인 단자(D1)에 대해 구성된다. 대응하게, 제 2 기생 바디 다이오드(F2)는 제 2 스위칭 소자(Q2)와 병렬로 구성된다. 제 2 바디 다이오드(F2)는, 제 2 소스 단자(S2) 방향으로의 전류 흐름이 차단되는 방식으로 제 2 소스 단자(S2) 및 드레인 단자(D2)에 대해 구성된다. 따라서 바디 다이오드(F1, F2)는 반대의 차단 방향을 갖는다. 스위칭 소자(Q1 및 Q2)의 기술된 백투백 배치에 의해, 전자 스위치(13)에 인가되는 양의 전압의 경우와 음의 전압의 경우 모두에서 바디 다이오드(F1 또는 F2) 중 적어도 하나을 차단하는 것이 보장된다. 그 결과, 기생 전류 및 그로 인한 손실이 방지된다.
제어 디바이스(10)는 전자 스위치(13)를 작동시키도록 사용된다. 제어 디바이스(10)는 제어 신호(g1 및 g2)를 생성하기 위한 제어 회로(15) 및 제어 회로(15)에 공급 전압(vcc)을 제공하기 위한 공급 회로(16)를 포함한다. 제어 신호(g1, g2)는 제어 전압이다.
공급 회로(16)는 다이오드(Dcc) 및 커패시터(Ccc)를 포함하는 전하 펌프(17)를 포함한다. 다이오드(Dcc)는 제 2 출력 단자(8) 및 제 1 노드(k1)에 연결된다. 다이오드(Dcc)는 제 2 출력 단자(8)로부터 제 1 노드(k1)로의 전류 흐름을 가능하게 한다. 커패시터(Ccc)는 다이오드(Dcc) 및 커패시터(Ccc)가 직렬로 연결되도록 제 1 노드(k1) 및 기준 노드(K0)에 연결된다. 전하 펌프(17)는 하나의 단계로서 구성된다. 공급 전압(Vcc)은 커패시터(Ccc)를 가로질러, 즉 노드(k1)와 기준 노드(K0) 사이에 인가된다.
공급 회로(16)는 또한 제 1 커패시터(Cp)와 병렬로 연결되고 충전 회로 노드(K) 및 제 1 출력 단자(7)에 연결된 옴 저항(Rb)을 포함한다.
예로서, 아래의 값이 정류기(9) 및 공급 회로(16)에 적용된다:
코일(L)의 인덕턴스 33μH,
제 1 커패시터(Cp)의 커패시턴스 10㎌,
제 2 커패시터(Cn)의 커패시턴스 10㎌,
커패시터(Ccc)의 커패시턴스 0.3㎌,
옴 저항(Rb)의 값 45㏀.
제어 회로(15)는 톱니 전압(vs)을 생성하기 위한 제 1 비교기(18) 및 전자 스위칭 소자(Q1, Q2)를 작동시키기 위한 제어 신호(g1, g2)를 생성하기 위한 제 2 비교기(19)를 포함한다. 이들 비교기(18, 19)에 의해서, 개방 루프 펄스 폭 변조가 달성된다.
제 1 비교기(18)는 공급 전압(Vcc) 및 기준 노드(K0)의 기준 전위를 동작 전위로서 갖는 연산 증폭기(20)를 포함한다. 제 1 옴 저항(R1) 및 제 2 옴 저항(R2)으로 구성된 분압기가 노느(k1)에 연결된다. 제 1 옴 저항(R1)은 기준 노드(K0)에 연결되는 반면, 제 2 옴 저항(R2)은 노드(k1)에 연결된다. 전압(vx)은 옴 저항(R1)과 옴 저항(R2) 사이의 노드(n1)에서 탭핑되어 연산 증폭기(20)의 비반전 입력(양의 입력)에 공급된다. 따라서 노드(n1)는 비반전 입력에 연결된다. 연산 증폭기(20)의 출력은 제 3 옴 저항(R3)을 통해 연산 증폭기(20)의 반전 입력(음의 입력)에 연결된다. 또한, 출력은 옴 저항(R4)을 통해 연산 증폭기(20)의 비반전 입력에 연결된다. 커패시터(C1)는 연산 증폭기(20)의 반전 입력과 기준 노드(K0)에 연결된다. 톱니 전압(vs)은 커패시터(C1) 양단에 인가된다. 따라서, 옴 저항(R3)과 커패시터(C1) 사이의 연결은 톱니 전압(vs)이 제공되는 노드(n2)를 정의한다.
제 2 비교기(19)는 톱니 전압(vs)을 비교 전압(vy)에 비교하기 위해 사용된다. 이를 위해서, 제 2 비교기(19)는 연산 증폭기(21)를 포함한다. 연산 증폭기(21)는 공급 전압(vcc) 및 동작 전위로서 기준 노드(K0)에서의 기준 전위를 갖는다. 제 2 비교기(19)는 옴 저항(R5) 및 옴 저항(R6)으로 구성된 분압기를 포함한다. 분압기는 기준 노드(K0) 및 노드(k1)에 연결된다. 이를 위해서, 옴 저항(R5)은 기준 노드(K0)에 연결되는 반면, 옴 저항(R6)은 노드(k1)에 연결된다. 비교 전압(vy)은 옴 저항(R5 및 R6) 사이에서 탭핑된다. 이를 위해서, 옴 저항(R5)과 옴 저항(R6) 사이의 노드(n3)는 연산 증폭기(21)의 비반전 입력(양의 입력)에 연결된다. 따라서 비교 전압(vy)은 옴 저항(R5)을 가로질러, 즉 노드(n3)와 기준 노드(K0) 사이에 인가된다. 노드(n2)는 연산 증폭기(21)의 반전 입력(음의 입력)에 연결된다. 제어 신호(g1 및 g2)는 연산 증폭기(21)의 출력에서 제공된다. 제어 신호(g1 및 g2)는 스위칭 소자(Q1 및 Q2)의 게이트 단자(G1, G2)에 인가된다.
제어 디바이스(10)는, 양의 전압(vhp)이 인가되는 경우 제 1 스위칭 상태(Z1p) 및 후속하여 제 2 스위칭 상태(Z2p)를 갖는 제 1 스위칭 시퀀스가 달성되는 방식으로 구성된다. 제 1 스위칭 시퀀스에 있어서, 다음이 참이고:
Figure 112020075549556-pct00001
여기에서 1은 온을, 0은 오프를 의미한다. 스위칭 상태(Z1p)는 도 5에 도시되었으며, 스위칭 상태(Z2p)는 도 6에 도시되었다.
제어 디바이스(10)는, 음의 전압(vhn)이 인가되는 경우 제 1 스위칭 상태(Z1n) 및 후속하여 제 2 스위칭 상태(Z2n)를 갖는 제 2 스위칭 시퀀가 달성되는 방식으로 구성된다. 제 2 스위칭 시퀀스에 있어서, 다음이 참이고:
Figure 112020075549556-pct00002
여기에서 1은 온을, 0은 오프를 의미한다. 스위칭 상태(Z1n)는 도 7에 도시되었으며, 스위칭 상태(Z2n)는 도 8에 도시되었다.
제 1 스위칭 시퀀스 및 제 2 스위칭 시퀀스는 각각 기간(TS)에 걸쳐 연장한다. 기간 Ts에 대해서 TS = 1/fS이 참이며, 여기서 fS는 제어 디바이스(10)의 스위칭 주파수를 나타낸다. 각각의 제 1 스위칭 상태(Z1p 또는 Z1n)은 지속 시간 D·TS를 가지고, 각각의 관련 제 2 스위칭 상태(Z2p 또는 Z2n)은 지속 시간 (1-D)·TS를 가지며, 여기서 D는 듀티 사이클을 나타낸다.
에너지 발전기(1)의 기능은 다음과 같다:
먼저, 공급 회로(16)는 공급 전압(Vcc)을 생성하고 이를 제어 회로(15)에 제공하기 위해 동작된다. 이는 도 4에 도시되었다. 공급 회로(16)는 충분한 공급 전압(vcc)을 생성하도록 에너지 수확기(2), 코일(L) 및 제 2 커패시터(Cn)를 사용하는 단일 단계 전하 펌프(17)에 기초한다. 도 4에 표시된 루프(M0)에 따르면, 공급 전압(vcc)에 대해서 다음이 참이다:
vcc = vcn ＋ vL ＋ vhmax － 2·VD = Eb + vhmax － 2·VD (1)
여기서 Eb는 갈바닉 에너지 저장소(14)의 출력 전압 또는 전압을 나타내고, vhmax는 에너지 수확기(2)의 최대 전압을 나타내고, vL은 코일(L)을 가로지르는 전압을 나타내고, vcn은 제 2 커패시터(Cn)를 가로지르는 전압을 나타내며, VD는 다이오드(Dcc 및 F1) 양단의 전압을 나타낸다. 커패시터(Ccc)는 충분한 수확 전압(Vcc)이 제공되도록 에너지 수확기(2)의 전압(vh)에 의해 충전된다. 옴 저항(Rb)은 전압(Eb)이 커패시터(Cp 및 Cn) 양단에 분배되도록 보장하며 커패시터(Cp) 양단 전압(Eb)의 본질적으로 완전한 인가를 방지한다. 그 결과, 공급 회로(16)의 안정적인 동작 시작이 보장되고, 커패시터(Cp)의 과부하가 방지된다. 옴 저항(Rb)은 옴 저항(Rb)에 의해 발생되는 손실이 낮도록 높은 저항을 갖는 것으로 선택된다.
충분한 공급 전압(vcc)을 제공할 때, 제어 회로(15)는 전자 스위칭 소자(Q1 및 Q2)를 작동시키기 위해 제어 신호(g1, g2) 또는 제어 전압(g1, g2)을 생성한다. 에너지 수확기(2)는 전류(ih)가 발생하는 전압(vh)을 생성한다. 만약 양의 전압(vhp)이 인가되면, 제어 회로(15)는 제 1 스위칭 시퀀스를 획득한다. 먼저, 제 1 스위칭 상태(Z1p)에서, 스위칭 소자(Q1, Q2)는 루프(Mp1) 내의 전류(ih)가 코일(L)을 통해 흐르도록 동기식으로 스위치-온된다. 이는 도 5에 도시되어 있다. 따라서 제 1 스위칭 상태(Z1p)에서, 전기 에너지는 코일(L) 내에 저장된다.
후속하여, 제 2 스위칭 상태(Z2p)에서, 전자 스위칭 소자(Q1 및 Q2)가 개방되어, 코일(L)이 저장된 에너지로 인해 루프(Mp2)에서 전류를 구동하고 커패시터(Cp)를 충전시킨다. 전류(ip)는 다이오드로 구성된 제 1 차단 요소(Dp)를 통해 루프(Mp2)에서 흐른다. 전압(vcp)은 제 1 커패시터(Cp)에 인가된다. 이는 도 6에 도시되어 있다. 전압(vcp)로 인해서, 갈바닉 에너지 저장소(14)를 충전시키는 전류(ib)가 흐른다.
음의 전압(Vhn)이 인가되면, 제어 회로(15)는 제 2 스위칭 시퀀스를 획득한다. 제 1 스위칭 상태(Z1n)에서, 스위칭 소자(Q1, Q2)는 전류(ih)가 코일(L)을 통해 루프(Mn1)로 흐르도록 동기식으로 스위치-온되며, 전기 에너지가 코일(L)에 저장된다. 이는 도 7에 도시되어 있다. 따라서 제 1 스위칭 상태(Z1n)에서, 전기 에너지는 코일(L)에 저장된다.
후속하여, 제 2 스위칭 상태(Z2n)에서, 전자 스위칭 소자(Q1, Q2)가 개방되어 코일(L)은 저장된 에너지로 인해 루프(Mn2) 내에서 전류를 구동하고 커패시터(Cn)를 충전시킨다. 전류(in)는 다이오드로 구성된 제 2 차단 요소(Dn)를 통해 루프(Mn2)에서 흐른다. 전압(vcn)은 제 2 커패시터(Cn)에 인가된다. 이는 도 8에 도시되어 있다. 전압(vcn)으로 인해서, 갈바닉 에너지 저장소(14)를 충전시키는 전류(ib)가 흐른다.
양의 전압(vhp)이 인가되고 음의 전압(Vhn)이 인가되면 각각의 경우에 단일 코일(L)이 사용되기 때문에, 정류기(9)는 단순하고 컴팩트한 방식으로 설계된다. 단일 코일(L)만이 필요하기 때문에, 비용 또한 감소된다. 충전 회로(11, 12)에 의해 공동으로 사용되는 코일(L)은 정류기(9)의 일부일 뿐만 아니라 공급 회로(16)의 동작을 시작하도록 사용된다. 에너지 수확기(2)의 전압(vh)은 하나의 단계에서 정류되기 때문에, 전기 에너지의 수확은 정류기(9)에 의해 최적화된다. 또한, 정류기(9)는 매우 낮은 전압(vh)으로부터 전기 에너지의 수확을 가능하게 한다. 전자기적으로 구성된 에너지 수확기(2)는 전형적으로 1mV 내지 1.2V, 특히 10mV 내지 750mV, 그리고 특히 50mV 내지 500mV의 전압을 갖는다.
제어 디바이스(10)는 입력 단자(4, 5)에서의 입력 임피던스(Zin)가 에너지 수확기(2)로 조정되고, 따라서 수확된 전기 에너지가 최적화 또는 최대화되는 방식으로 구성된다. 따라서, 에너지 발전기(1) 또는 디바이스(3)는 소위 최대 전력 지점 추적(MPPT)을 가능하게 하거나 달성한다. 따라서 제어 디바이스(10)는 최대 전력 지점 추적 기능을 갖는다. 전압, 전류의 측정, 또는 제로-크로싱 검출 또는 극성 검출이 이러한 목적을 위해 필요하지 않다. 디바이스(3)는 불연속 전도 모드(DCM)에서 동작되고 에너지 수확기(2)의 관점으로부터 조정 가능하며 순수한 저항성 소자이다. 디바이스(3)의 입력 임피던스(Zin) 또는 입력 저항은 에너지 수확기(2)의 내부 저항으로 조정되며, 이에 의해서 최대 전력 지점 추적이 획득된다. 디바이스(3)의 입력 임피던스(Zin)에 있어서, 다음과 참이다:
Figure 112020075549556-pct00003
(2)
여기서 L0은 코일(L)의 인덕턴스 값을 나타내고, fS는 스위칭 주파수를 나타내며, D는 듀티 사이클을 나타낸다. 입력 임피던스(Zin)은 듀티 사이클(D)을 통해 설정된다.
백투백 배치로 인해, 전자 스위칭 소자(Q1 및 Q2)는 동기식으로 동자된다. 또한, 전자 스위칭 소자(Q1 및 Q2)는 제 1 스위칭 시퀀스에서, 즉 양의 전압(vhp)이 인가되는 경우, 그리고 제 2 스위칭 시퀀스에서, 즉 음의 전압(Vhn)이 인가되는 경우에 상응하는 방식으로 동작된다. 이것은 전자 스위칭 소자(Q1 및 Q2)가 각각의 제 1 스위칭 상태(Z1p 또는 Z1n)에서 폐쇄되는 반면, 전자 스위칭 소자(Q1 및 Q2)가 연관된 제 2 스위칭 상태(Z2p 또는 Z2n)에서는 개방됨을 의미한다. 기준 노드(K0)가 소스 단자(S1 및 S2)에 연결되므로, 전자 스위칭 소자(Q1 및 Q2)는 단순한 방식으로 제어 회로(15)에 의해 직접 작동될 수 있다.
입력 임피던스(Zin)의 조정은 제어 회로(15)의 설계를 통해 이루어진다. 비교기(18, 19)에 의해, 개방-루프 펄스 폭 변조가 달성된다. 제 1 비교기(18)는 옴 저항(R3)을 통해 커패시터(C1)를 충전하고 커패시터(C1) 양단의 전압이 전압(vx)보다 큰 경우 커패시터(C1)가 방전되는 방식으로 커패시터(C1) 양단의 전압에 전압(vx)을 비교한다. 그 결과, 커패시터(C1) 양단에 인가되는 톱니 전압(vs)이 발생한다. 제 2 비교기(19)는 톱니 전압(vs)을 비교 전압(vy)에 비교하고 제어 신호(g1 및 g2)를 생성한다. 비교 전압(vy)에 대한 톱니 전압(vs)의 비교에 의해서 입력 임피던스(Zin)가 자동으로 결정되고, 제어 신호(g1, g2)는 입력 임피던스(Zin)가 듀티 사이클(D)에 의해 에너지 수확기(2)에 대해 조정되는 방식으로 생성된다. 에너지 수확기(2)는 7Ω과 13Ω 사이의 입력 임피던스(Zin)에서 본질적으로 최대 에너지 수확을 가능하게 하기 때문에, 효율적인 에너지 수확을 보장하기 위한 에너지 수확기(2)에 대한 입력 임피던스(Zin)의 정확한 조정이 필요하지 않다. 따라서 공급 전압(Vcc)에서의 변동은 에너지 수확 효율에 불리한 영향을 미치지 않는다. 듀티 사이클(D) 및 스위칭 주파수(fS)는 예를 들어 옴 저항(R6) 및 커패시터(C1)를 통해서 설정될 수 있다.
따라서, 제어 신호(g1, g2)는 각각의 제 1 스위칭 상태(Z1p 또는 Z1n)이 주기(TS)를 참조하여 0 < t < D·TS의 지속 시간 동안 설정되며, 각각은 제 2 스위칭 상태(Z2p 또는 Z2n)은 지속 시간 D·TS < t <(1-D)·TS 동안 설정되는 방식으로 시간에 대해 설정된다.
전압(Eb)를 제공하는 갈바닉 에너지 저장소(14)는 전압(vcp 및 vcn)에 의해 충전된다. 부하(6)는 전압(Eb)에 의해서 전기 에너지를 공급받는다.
본 발명의 제 2 예시적인 실시예는 도 9 내지 도 12의 도움으로 아래에서 기술될 것이다. 제 1 예시적인 실시예와 달리, 정류기(9)는 갈바닉 에너지 저장소를 포함하지 않는다. 공급 회로(16)는 1차 전하 펌프(17) 및 공급 회로(16)의 동작을 시작하고 공급 전압(Vcc)을 제공하기 위한 보조 전하 펌프(22)를 포함한다. 본 발명의 제 1 실시예에 따른 옴 저항(Rb)은 필요하지 않다.
보조 전하 펌프(22)는 입력 단자(4, 5)에 연결된다. 전하 펌프(22)는 수동식 1-단계 빌라드 전하 펌프로서 구성된다. 제 4 커패시터(Cb1)는 제 1 입력 단자(4) 및 제 2 노드(k2)에 연결된다. 제 2 다이오드(Db1)는 다이오드(Db1)가 제 2 입력 단자(5)로부터 노드(k2)로의 전류 흐름을 가능하게 하는 방식으로 제 2 입력 단자(5) 및 제 2 노드(k2)에 연결된다. 제 5 커패시터(Cb2)는 제 2 입력 단자(5) 및 제 3 노드(k3)에 연결된다. 제 3 다이오드(Db2)는 제 3 다이오드(Db2)가 제 2 노드(k2)로부터 제 3 노드(k3)로의 전류 흐름을 가능하게 하는 방식으로 제 2 노드(k2) 및 제 3 노드(k3)에 연결된다. 제 4 다이오드(Db3)는 제 4 다이오드(Db3)가 제 1 노드(k3)로부터 제 1 노드(k1) 및 기준 노드(K0)로의 전류 흐름을 가능하게 하는 방식으로 1차 전하 펌프(17)의 제 1 노드(k1)에 연결된다. 1차 전하 펌프(17)는 제 1 실시예의 전하 펌프(17)에 상응하게 구성된다.
에너지 발전기(1)는 갈바닉 에너지 저장소 없이 제어 디바이스(10)의 동작을 시작할 수 있게 한다. 이를 위해서, 보조 전하 펌프(22)가 먼저 동작되고, 후속하여 1차 전하 펌프(17)가 함께 동작된다. 여기 후에 수 사이클에서, 에너지 수확기(2)는 이후에 댐핑으로 인해 상당히 감소되는, 전형적으로 비교적 높은 전압(vh)을 제공한다. 보조 전하 펌프(22)는 이러한 사이클 동안 동작된다. 음의 전압(Vhn)이 인가되면, 커패시터(Cb1)는 다이오드(Db1)를 통해 충전된다. 이를 위해서, 충전 전류(i1)는 다이오드(Db1)를 통해 커패시터(Cb1)로 흐른다. 활성 루프(M1)은 도 10에 도시되어 있다.
만약 양의 전압(vhp)이 후속하여 인가되면, 인가된 전압(vb1)을 갖는 충전된 커패시터(Cb1) 및 전압(vhp)을 갖는 에너지 수확기(2)는 다이오드(Db2)를 통해서 커패시터(Cb2)를 충전시킨다. 다이오드(Db2)를 통해서 흐르는 액티브 루프(M2) 및 충전 전류(i2)는 도 11에 도시되어 있다. 전압(vb2)에 대해, 다음이 참이다:
vb2 = 2·vhmax - 2·VD (3)
여기서 vhmax는 에너지 수확기(2)의 최대 전압이고 VD는 임계 전압이다.
후속하여, 커패시터(Ccc)는 다이오드(Db3)를 통해 충전되고 이에 의해 제어 회로(15)가 충분한 공급 전압(vcc)이 공급되며, 전자 스위칭 소자(Q1, Q2)를 작동시키기 위한 제어 신호(g1, g2)를 생성한다. 그 결과, 정류기(9)가 동작하여 출력 전압(Eb)이 증가한다. 만약 Eb가 전압(vb2)보다 크면, 보조 전하 펌프(22)는 자동으로 비활성화된다. 그 결과 1차 전하 펌프(17)만이 활성화된다. 다이오드(Db3)는 1차 전하 펌프(17)만이 활성화되도록 보조 전하 펌프(22)를 1차 전하 펌프(17)로부터 분리시킨다. 액티브 루프(M3) 및 충전 전류(i3)가 도 12에 도시되었다. 전압(vcc)에 대해, 다음이 참이다:
vcc = v0 + vhmax - 2·VD (4)
여기서 v0은 입력 단자(8)에서의 전압이다. 모든 다이오드는 바람직하게는 0.1 내지 0.2V의 임계 전압(VD)을 갖는 쇼트키(Schottky) 다이오드로서 구성된다.
전압 제어기(23)는 출력 단자(7, 8)에 연결된다. 전압 제어기(23)는 전압(Eb)을 안정화하도록 사용되며, 제어된 출력 전압(E'b)을 출력 단자(7', 8')에 제공한다. 부하(6)는 출력 단자(7', 8')에 연결된다. 커패시터(Cp, Cn)의 충전 상태의 변화로 인해서, 출력 단자(7, 8)에서의 전압(Eb)이 변동한다. 전압 제어기(23)는 전압(Eb)을 설정점 전압(Vref)에 비교하고 제어된 전압(E'b)을 출력 측에 제공한다. 이를 위해서, 전압 제어기(23)는 DC-DC 변환기를 포함하고, 출력 측의 전압(E'b)이 제어된다. 이를 위해서, DC-DC 변환기는 출력 측 전압(E'b)을 설정점 전압(Vref)에 비교하고 설정점 전압(Vref)과 출력 측 전압(E'b) 사이의 전압차를 전압차를 보정하기 위해 DC-DC 변환기를 작동시키는 제어기에 공급하는 전압 제어 회로의 일부이다. 제어기는 PID 제어기로 구성된다.
에너지 발전기(1)의 추가 설계 및 추가 기능과 관련하여, 제 1 예시적인 실시예의 설명이 참조된다.

Claims (26)

  1. 전기 에너지를 수확하기 위한 디바이스에 있어서,
    - 정류기(9)로서,
    -- 에너지 수확기(energy harvester)(2)에 연결하기 위한 제 1 입력 단자(4) 및 제 2 입력 단자(5),
    -- 출력 전압(Eb)을 제공하기 위한 제 1 출력 단자(7) 및 제 2 출력 단자(8),
    -- 상기 입력 단자(4, 5)에 인가되는 에너지 수확기(2)의 양의 전압(vhp)으로부터 에너지를 수확하기 위한 제 1 충전 회로(11)로서,
    --- 제 1 전자 스위칭 소자(Q1) 및 제 2 전자 스위칭 소자(Q2)로 구성된 직렬 회로를 포함하는 전자 스위치(13),
    --- 코일(L),
    --- 제 1 커패시터(Cp), 및
    --- 제 1 차단 요소(Dp)를 포함하는, 제 1 충전 회로(11),
    -- 상기 입력 단자(4, 5)에 인가되는 에너지 수확기(2)의 음의 전압(vhn)으로부터 에너지를 수확하기 위한 제 2 충전 회로(12)로서,
    --- 전자 스위치(13),
    --- 코일(L),
    --- 제 2 커패시터(Cn), 및
    --- 제 2 차단 요소(Dn)를 포함하는, 제 2 충전 회로(12)
    를 포함하는 정류기(9),
    - 상기 전자 스위치(13)를 작동시키기 위한 제어 디바이스(10)를 포함하고,
    상기 제어 디바이스(10)는,
    적어도 하나의 전하 펌프(17, 22)를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 전하 펌프(17, 22)는,
    상기 전자 스위치(13)의 2개의 직렬 연결된 전자 스위칭 소자(Q1, Q2) 사이의 출력 단자(7, 8) 및 노드(K0) 중 하나에 연결되는 것으로 특징지어지는, 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 코일(L)과 상기 전자 스위치(13)는 직렬로 연결되는 것으로 특징지어지는, 디바이스.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 스위치(13)는 각 전자 스위칭 소자(Q1, Q2)와 병렬로 연결된 적어도 하나의 바디 다이오드(F1, F2)를 포함하는 것으로 특징지어지는, 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전자 스위칭 소자(Q1)와 병렬로 연결된 제 1 바디 다이오드(F1) 및 상기 제 2 전자 스위칭 소자(Q2)와 병렬로 연결된 제 2 바디 다이오드(F2)는 반대의 차단 방향을 갖는 것으로 특징지어지는, 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 코일(L), 상기 제 1 커패시터(Cp) 및 상기 제 1 차단 요소(Dp)는 코일(L)로부터 제 1 커패시터(Cp)로 에너지를 전달하기 위한 제 1 루프(Mp2)를 포함하는 것으로 특징지어지는, 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 코일(L), 상기 제 2 커패시터(Cn) 및 상기 제 2 차단 요소(Dn)는 코일(L)로부터 제 2 커패시터(Cn)로 에너지를 전달하기 위한 제 2 루프(Mn2)를 포함하는 것으로 특징지어지는, 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 차단 요소(Dp, Dn)는 코일(L)에 대해서 상이한 순방향을 갖는 것으로 특징지어지는, 디바이스.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 커패시터(Cp)는 상기 제 1 출력 단자(7)에 연결되고 상기 제 2 커패시터(Cn)는 상기 제 2 출력 단자(8)에 연결되는 것으로 특징지어지는, 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 코일(L)은 상기 제 1 입력 단자(4) 및 충전 회로 노드(K)에 연결되고,
    상기 전자 스위치(13)는 상기 제 2 입력 단자(5) 및 상기 충전 회로 노드(K)에 연결되고,
    상기 제 1 커패시터(Cp)는 상기 충전 회로 노드(K) 및 상기 제 1 출력 단자(7)에 연결되고,
    상기 제 2 커패시터(Cn)는 상기 충전 회로 노드(K) 및 상기 제 2 출력 단자(8)에 연결되고,
    상기 제 1 차단 요소(Dp)는 상기 제 1 입력 단자(4) 및 상기 제 1 출력 단자(7)에 연결되고,
    상기 제 2 차단 요소(Dn)는 상기 제 1 입력 단자(4) 및 상기 제 2 출력 단자(8)에 연결되는 것으로 특징지어지는, 디바이스.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 정류기(9)는 상기 출력 단자(7, 8)에 연결된 갈바닉 에너지 저장소(14)를 포함하는 것으로 특징지어지는, 디바이스.
  12. 제 1 항에 있어서,
    전압 제어기(23)가 상기 출력 단자(7, 8)에 연결되는 것으로 특징지어지는, 디바이스.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 디바이스(10)는 제어 신호(g1, g2)를 발생시키기 위한 제어 회로(15) 및 상기 제어 회로(15)에 공급 전압(vcc)을 제공하기 위한 공급 회로(16)를 포함하는 것으로 특징지어지는, 디바이스.
  14. 삭제
  15. 제 1 항에 있어서,
    1차 전하 펌프(17)는 제 1 다이오드(Dcc) 및 제 3 커패시터(Ccc)로 구성된 직렬 회로를 포함하는 것으로 특징지어지는, 디바이스.
  16. 삭제
  17. 제 1 항에 있어서,
    보조 전하 펌프(22)는 상기 입력 단자(4, 5)에 연결되는 것으로 특징지어지는, 디바이스.
  18. 제 1 항에 있어서,
    보조 전하 펌프(22)는 1차 충전 펌프(17)에 연결되는 것으로 특징지어지는, 디바이스.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 보조 전하 펌프(22)는 제 1 노드(k1)에 연결되는 것으로 특징지어지는, 디바이스.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 보조 전하 펌프(22)는:
    - 상기 제 1 입력 단자(4) 및 제 2 노드(k2)에 연결된 제 4 커패시터(Cb1),
    - 상기 제 2 입력 단자(5) 및 제 2 노드(k2)에 연결된 제 2 다이오드(Db1),
    - 상기 제 2 입력 단자(5) 및 제 3 노드(k3)에 연결된 제 5 커패시터(Cb2),
    - 상기 제 2 노드(k2) 및 제 3 노드(k3)에 연결된 제 3 다이오드(Db2), 및
    - 상기 제 3 노드(k3)에 연결된 제 4 다이오드(Db3)를 포함하는 것으로 특징지어지는, 디바이스.
  21. 제 13 항에 있어서,
    상기 공급 회로(16)는 상기 제 1 커패시터(Cp)와 병렬로 연결된 옴 저항(Rb)을 포함하는 것으로 특징지어지는, 디바이스.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 디바이스(10)는 양의 전압(vhp)이 상기 입력 단자(4, 5)에 인가되는 경우 제 1 스위칭 시퀀스를 포함하고, 아래는 상기 제 1 스위칭 시퀀스에 대해 참이며:
    Figure 112022057844646-pct00018

    여기에서Q1 및 Q2는 상기 전자 스위치(13)의 2개의 직렬 연결된 상기 전자 스위칭 소자를 나타내고,
    Z1p 및 Z2p는 상기 제 1 스위칭 시퀀스의 2개의 연속적인 스위칭 상태를 나타내며,
    1은 온(ON)을, 0은 오프(OFF)를 의미하는 것으로 특징지어지는, 디바이스.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 디바이스(10)는 음의 전압(vhn)이 상기 입력 단자(4, 5)에 인가되는 경우 제 2 스위칭 시퀀스를 포함하고, 아래는 상기 제 2 스위칭 시퀀스에 대해 참이며:
    Figure 112022057844646-pct00019

    여기에서Q1 및 Q2는 상기 전자 스위치(13)의 2개의 직렬 연결된 상기 전자 스위칭 소자를 나타내고,
    Z1n 및 Z2n은 상기 제 2 스위칭 시퀀스의 2개의 연속적인 스위칭 상태를 나타내며,
    1은 온을, 0은 오프를 의미하는 것으로 특징지어지는, 디바이스.
  24. 제 13 항에 있어서,
    상기 제어 회로(15)는 톱니 전압(vs)을 발생시키기 위한 제 1 비교기(18) 및 상기 전자 스위치(13)를 위한 제어 신호(g1, g2)를 생성하기 위한 제 2 비교기(19)를 포함하는 것으로 특징지어지는, 디바이스.
  25. 제 13 항에 있어서,
    상기 제어 회로(15)는, 상기 입력 단자(4, 5)에서의 입력 임피던스(Zin)가 상기 생성된 제어 신호(g1, g2)에 의해 상기 에너지 수확기(2)에 대해서 조정 가능하도록 구성되는 것으로 특징지어지는, 디바이스.
  26. 에너지 발전기로서,
    - 제 1 항에 따른 디바이스(3), 및
    - AC 전압(vh)을 제공하도록 입력 단자(4, 5)에 연결된 에너지 수확기(2)를 포함하는, 에너지 발전기.
KR1020207021128A 2018-02-07 2019-01-09 전기 에너지를 획득하기 위한 디바이스 및 이러한 디바이스를 포함하는 에너지 발전기 KR102475659B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018201925.8 2018-02-07
DE102018201925.8A DE102018201925A1 (de) 2018-02-07 2018-02-07 Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie und Energieerzeuger mit einer derartigen Vorrichtung
PCT/EP2019/050440 WO2019154576A1 (de) 2018-02-07 2019-01-09 Vorrichtung zur gewinnung elektrischer energie und energieerzeuger mit einer derartigen vorrichtung

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200109317A KR20200109317A (ko) 2020-09-22
KR102475659B1 true KR102475659B1 (ko) 2022-12-08

Family

ID=65012023

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020207021128A KR102475659B1 (ko) 2018-02-07 2019-01-09 전기 에너지를 획득하기 위한 디바이스 및 이러한 디바이스를 포함하는 에너지 발전기

Country Status (9)

Country Link
US (1) US11146105B2 (ko)
EP (1) EP3750235B1 (ko)
JP (1) JP7491647B2 (ko)
KR (1) KR102475659B1 (ko)
CN (1) CN111684701A (ko)
CA (1) CA3090345C (ko)
DE (1) DE102018201925A1 (ko)
TW (1) TWI719400B (ko)
WO (1) WO2019154576A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113067473B (zh) * 2020-01-02 2022-05-24 阳光新能源开发股份有限公司 控制信号调制电路、逆变器及控制系统
US11998948B2 (en) * 2020-07-06 2024-06-04 Cirrus Logic Inc. Driver circuitry for piezoelectric transducers

Family Cites Families (40)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3676220B2 (ja) * 2000-11-08 2005-07-27 オリジン電気株式会社 高力率コンバータ及びその制御方法
CN1153331C (zh) 2002-02-01 2004-06-09 艾默生网络能源有限公司 用于不间断电源的功率因数校正电路
JP4451376B2 (ja) * 2005-11-04 2010-04-14 株式会社小糸製作所 車両用灯具の点灯制御装置
DE102007028078B4 (de) * 2007-06-15 2009-04-16 Sma Solar Technology Ag Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Energieversorgungsnetz und Gleichspannungswandler für eine solche Vorrichtung
FR2927201B1 (fr) 2008-01-31 2010-02-12 Airbus France Circuit et systemes redresseurs de puissance, procede associe, aeronef comprenant de tels circuit ou systemes
CN101673957B (zh) * 2008-09-11 2012-03-21 台达电子工业股份有限公司 并联不间断电源电路
DE102008064402B4 (de) * 2008-12-22 2011-03-10 Texas Instruments Deutschland Gmbh Gleichrichterschaltung
CN101860191B (zh) * 2009-04-07 2013-01-02 台达能源技术（上海）有限公司 单相与三相双重升降压功率因数校正电路及其控制方法
CN101860189B (zh) * 2009-04-13 2013-05-08 台达能源技术（上海）有限公司 用于临界连续电流模式的无桥功率因数校正电路及其方法
JP2011097688A (ja) 2009-10-28 2011-05-12 Merstech Inc 電力変換装置及び電力変換方法
US8416553B2 (en) 2009-10-30 2013-04-09 Intersil Americas Inc. Bias and discharge system for low power loss start up and input capacitance discharge
CN102076138B (zh) * 2009-11-25 2013-06-12 北京交通大学 一种市电输入led恒流驱动器
CN201726570U (zh) * 2010-06-29 2011-01-26 重庆三弓科技发展有限公司 隧道照明节能控制系统
TWI398088B (zh) 2010-11-12 2013-06-01 Univ Nat Cheng Kung 單相功率因數修正交流-直流電源轉換器
CN102468770B (zh) * 2010-11-17 2014-08-20 联正电子(深圳)有限公司 交流电源输入集成电源装置及其控制方法
EP2764372B1 (en) * 2011-10-07 2018-08-15 Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Peak detector with false peak rejection
CN202385029U (zh) * 2011-12-27 2012-08-15 东南大学 一种压电俘能装置
JP5648017B2 (ja) 2012-05-16 2015-01-07 東芝テック株式会社 電力変換装置
TW201411997A (zh) * 2012-09-04 2014-03-16 Hon Hai Prec Ind Co Ltd 整流電路
FR2997247B1 (fr) * 2012-10-22 2016-12-09 Commissariat Energie Atomique Generateur d'electricite et recuperateur d'energie
CN203278773U (zh) * 2012-12-05 2013-11-06 艾尔瓦特集成电路科技（天津）有限公司 方波发生电路、包含该方波发生电路的集成电路、dc/dc转换器和ac/dc转换器
CN103872905A (zh) * 2012-12-14 2014-06-18 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 供电控制装置
AU2013372338B2 (en) * 2013-01-11 2016-01-28 Aktiebolaget Skf Voltage adjustment for an energy harvester
JP2014166105A (ja) * 2013-02-27 2014-09-08 Panasonic Corp エネルギ変換装置
US9837893B2 (en) * 2013-07-31 2017-12-05 Fairchild Korea Semiconductor Ltd. Charge pump and switch control circuit
CN103887952A (zh) * 2014-04-21 2014-06-25 美芯晟科技（北京）有限公司 交流-直流转换器中的输出电压动态采样电路
CN203933163U (zh) * 2014-04-24 2014-11-05 宁波大学 一种自供电的压电振动能量同步提取电路
CN105024534B (zh) * 2014-04-30 2018-04-03 光宝电子(广州)有限公司 具功率因数修正的转换器电路
EP3198999B1 (en) * 2014-09-23 2020-06-24 Switchbee Ltd. A method and apparatus for controlling a load
US10103644B2 (en) * 2014-10-01 2018-10-16 University Of Maryland, College Park Bridgeless resonant AC-DC converters and systems and control systems therefor
SG11201705909SA (en) * 2015-01-21 2017-08-30 Agency Science Tech & Res Device and method for energy harvesting using a self-oscillating power-on-reset start-up circuit with auto-disabling function
JP2017017775A (ja) 2015-06-26 2017-01-19 シャープ株式会社 力率改善回路および電源装置
WO2017020189A1 (zh) 2015-07-31 2017-02-09 常州明石晶电科技有限公司 开关电源
CN106877350A (zh) * 2015-12-14 2017-06-20 邢筱丹 一种基于改进Buck-boost型交流斩波器的无功补偿电路
GB201603475D0 (en) * 2016-02-29 2016-04-13 Cambridge Entpr Ltd Energy harvesting systems and methods
CN105897033B (zh) * 2016-06-02 2018-10-30 清华大学 一种用于电磁发射的电容复用式电感储能型脉冲电源
CN106059299B (zh) * 2016-07-14 2019-09-17 儒竞艾默生环境优化技术（上海）有限公司 一种变换电路、变压器以及变换方法
CN106301072B (zh) * 2016-08-17 2018-04-03 南京邮电大学 一种压电能量收集系统及其控制方法
CN107425709B (zh) * 2017-07-03 2019-04-16 南京凌鸥创芯电子有限公司 Boost功率因数校正变换器
CN107332462B (zh) * 2017-07-25 2019-03-29 中山大学 自供电的能够跟踪最大功率点的压电振动能量提取电路

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Rohan Dayal 외 1인, "A New Single Stage AC-DC Converter for Low Voltage Electromagnetic Energy Harvesting", IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, November 2010.*
Rohan Dayal 외 2인, "Design and Implementation of a Direct AC-DC Boost Converter for Low-Voltage Energy Harvesting", IEEE, June 2011.

Also Published As

Publication number Publication date
DE102018201925A1 (de) 2019-08-08
TWI719400B (zh) 2021-02-21
RU2020123403A3 (ko) 2022-04-14
US11146105B2 (en) 2021-10-12
JP2021513318A (ja) 2021-05-20
WO2019154576A1 (de) 2019-08-15
EP3750235B1 (de) 2024-03-20
US20210036548A1 (en) 2021-02-04
JP7491647B2 (ja) 2024-05-28
CA3090345C (en) 2024-01-09
KR20200109317A (ko) 2020-09-22
CN111684701A (zh) 2020-09-18
EP3750235A1 (de) 2020-12-16
TW201937835A (zh) 2019-09-16
CA3090345A1 (en) 2019-08-15
RU2020123403A (ru) 2022-01-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9385600B2 (en) Low-loss step-up and step-down voltage converter
US10886854B2 (en) Control circuit and related integrated circuit and switching-type converter
US7570033B1 (en) Apparatus and method for PWM buck-or-boost converter with smooth transition between modes
US20090015229A1 (en) Bi-directional DC power converter
KR101759808B1 (ko) 저 입력전압으로 작동하기 위한 플라이백 컨버터
US8373403B1 (en) Circuit for controlling synchronous rectifiers during start-up into pre-biased output voltage
KR20080023648A (ko) 임의의 ｅｓｒ을 갖는 출력 캐패시터를 사용할 수 있도록고정된 온-타임을 이용하여 버크 조정기에서 리플을발생하는 방법
KR101045718B1 (ko) 벅 스위칭 레귤레이터 및 방법
US9780657B2 (en) Circuits and methods for controlling a boost switching regulator based on inductor current
US8797009B2 (en) Auto cascode buck voltage converter
EP3334024B1 (en) Voltage regulator having boost and charge pump functionality
US9407138B2 (en) Control circuit and control method for charge pump circuit
KR20090063129A (ko) 벅 스위칭 레귤레이터 및 방법
US6650095B2 (en) Low power, dual output AC/DC and DC/DC converter
WO2017023537A1 (en) Switching regulator current sensing circuits and methods
US10587206B1 (en) Clamp control based on a converter output supply voltage mode and a converter input supply voltage mode
US11489357B2 (en) Battery charging circuit, control circuit and associated control method
KR102475659B1 (ko) 전기 에너지를 획득하기 위한 디바이스 및 이러한 디바이스를 포함하는 에너지 발전기
KR20100132957A (ko) 보조 전력 공급 전압을 발생시키는 완충용 커패시터
US9823677B2 (en) Power converter
CN112567615A (zh) 用于能量收集电路的启动器电路
CN112292806A (zh) 用于能量收集电路的启动器电路
RU2780813C2 (ru) Устройство для получения энергии и генератор энергии, содержащий такое устройство
US11121625B2 (en) Voltage doubler using a switching regulator and voltage limiter
US9564803B1 (en) Control circuit and switching power supply unit

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant