KR20100023511A - 무선 센서 네트워크용 전력 제어 장치 및 전력 제어 방법 - Google Patents

Abstract

무선 센서 네트워크용 전력 제어 장치와 전력 제어 방법이 제공된다. 이 무선 센서 네트워크용 전력 제어 장치와 전력 제어 방법은 태양 전지의 출력 전류와 출력 전압을 비교하고, 이 비교 결과에 근거하여 태양 전지의 최대 전력점을 추적한다. 또한, 상기 전력 제어 장치와 전력 제어 방법은 마이크로 프로세서가 내장된 디지털 제어 방식이 아닌 간단한 아날로그 제어 방식(예컨대, 연산 증폭기로 구현된 비교부)을 이용하여 태양 전지의 출력 전압과 출력 전류를 비교한다. 따라서, 회로의 구현이 간단해짐으로써, 개발 단가 및 시스템 자체 내에서 소비되는 소비전력의 상승을 방지한다.

Description

무선 센서 네트워크용 전력 제어 장치 및 전력 제어 방법{POWER CONTROL DEVICE AND POWER CONTROL METHOD FOR WIRELESS SENSOR NETWORK}

본 발명은 전력을 부하에 공급하는 전력 제어 장치 및 전력 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양 전지의 출력 전력을 부하에 공급하는 무선 센서 네트워크용 전력 제어 장치 및 전력 제어 방법에 관한 것이다.

무선 센서 네트워크(Wireless sensornetwork)는 RFID 와 더불어 최근 부상하는 유비쿼터스 네트워크의 핵심 기술로이다. 무선 센서 네트워크는 센서 모듈과 네트워크 모듈을 갖는 많은 센서 노드들로 이루어진다. 각 센서 노드들은 센싱을 통한 정보의 수집, 처리 및 전송을 수행하며, 중간에 위치한 노드들은 수신된 메시지를 재전송하는 라우터(router)의 역할을 수행한다. 한편, 각 센서 노드들은 접근이 어려운 지역에 설치되므로, 배터리의 교체나 충전이 어렵다. 따라서, 무선 센서 네트워크에서는 에너지 제약에 따른 문제점이 제기된다. 이러한 에너지 문제점을 극복하기 위해 저전력 프로세서와 통신 칩들이 연구되고 있으나, 이러한 연구는 근본적인 한계를 해결하지는 못한다. 이러한 근본적인 한계를 극복할 수 있는 대안으로 태양전지가 제안된바 있다. 태양 전지로부터 획득되는 태양 전력(solar power)은 광범위한 시장성을 갖는 재생 가능한 에너지 자원 중 하나로서, 무선 센서 네트워크의 에너지 제약에 따른 근본적인 한계를 해결할 수 있다.

그런데, 태양 전력을 생산하는 태양 전지는 일반적인 전기 에너지원(예컨대, 전기 화학적 배터리, 발전기)과는 다른 전기적 특성을 갖는다. 기존의 전기 에너지원은 선형 전압원(Linear Voltage Source)의 특성을 가지므로, 부하단에 선형 또는 비선형의 부하가 연결될지라도 항상 일정한 전압을 유지하고, 부하단이 안정(stable)하게 동작한다. 즉 선형 전압원이 구비된 전원 시스템은 부하 조건에 관계없이 원하는 동작특성을 생성할 수 있다.

그러나 태양전지는 대표적인 비선형소스(Non-linear source)이다. 즉, 태양전지의 출력특성에는 비선형적인 전류대 전압 특성으로 인해 최대 전력점(Maximum Power Point)이 나타난다. 따라서, 태양 전지를 최적의 효율로 동작시키기 위해서는 최대 전력 추적(Maximum Power Point Tracking: MPPT) 기술이 적용된 전력 추적 회로가 필요하다.

도 1은 종래의 MPPT 기술이 적용된 전력 제어 장치를 나타내는 블록도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 MPPT 기술이 적용된 전력 제어 장치(10)는 태양 전지(1), 전력 추적 회로(3) 및 배터리(5)로 구성된다. 또한, 태양 전지 전원 시스템(10)에는 부하(20)가 연결된다.

태양 전지(1)는 태양광을 태양 전력으로 변환한다. 전력 추적 회로(3)는 전력 라인을 통해 태양 전지(1)로부터 태양 전력을 공급받고, 태양 전지(1)를 최적의 효율로 동작시키기 위하여 상술한 MPPT기술이 적용된다. 이러한 MPPT 기술에는, 널 리 알려진 P & O (Perturbation and Observation)방식 및 IncCond(Incremental conductance) 방식 등이 있으며, 이러한 방식들은 디지털 신호 처리(Digtal Signal Processing)를 이용한 디지털 제어 방식에 의해 구현된다.

이와 같이, 종래의 MPPT기술이 적용된 전력 추적 회로(3)가 구비된 전력 제어 장치(10)는 태양 전력을 최적의 효율로 부하(7)를 동작시키거나 배터리(5)를 충전시키도록 설계된다.

그러나, 상술한 바와 같이 MPPT 기술이 적용된 종래의 전력 제어 장치는 디지털 신호 처리를 위한 소정의 알고리즘이 내장된 마이크로 프로세서의 설계가 필연적이다. 따라서 회로의 구현이 복잡해지고, 개발 단가를 상승시킨다. 또한, 회로 구현이 복잡해짐에 따라서 시스템 자체 내에서 소비되는 소비전력 또한 높아진다.

따라서, 본 발명의 목적은 회로의 구현이 간단하고, 자체 내에서 소비되는 소비전력을 낮출 수 있는 무선 센서 네트워크용 전력 제어 장치 및 무선 센서 네트워크용 전력 제어 방법을 제공하는 것이다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무선 센서 네트워크용 전력 제어 장치는 검출부와, 전류-전압 변환부와, 비교부 및 전력 변환부를 포함한다. 검출부는 태양 전지의 출력 전압과 출력 전류를 검출한다. 전류-전압 변환부는 상기 검출된 출력 전류를 기준 전압으로 변환한다. 비교부는 상기 기준 전압과 상기 출력 전압을 비교하고, 비교 결과에 근거하여 구동 신호를 생성한다. 전력 변환부는 상기 구동 신호에 응답하여 상기 출력 전력을 최대 전력으로 상기 부하에 공급한다.

또한, 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무선 센서 네트워크용 전력 제어 장치는 검출부, 전류-전압 변환부, 위상 비교부 및 전력 변환부를 포함한다. 검출부는 상기 태양 전지의 출력 전압의 위상과 출력 전류의 위상을 검출한다. 전류-전압 변환부는 상기 출력 전류를 상기 출력 전압의 위상과 동일한 위상을 갖는 기준 전압으로 변환한다. 상기 위상 비교부는 상기 기준 전압의 위상과 상기 출력 전압의 위상을 비교하고, 비교 결과에 따라서 구동 신호를 생성한다. 상기 전력 변환부는 상기 구동 신호에 응답하여 상기 태양 전지의 최대 전력점에 대 응하는 상기 출력 전력을 상기 부하에 공급한다.

상술한 바와 같은 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무선 센서 네트워크용 전력 제어 방법은 다음과 같다. 먼저, 태양 전지의 출력 전압 및 상기 태양 전지의 출력 전류가 검출된다. 이어, 상기 검출된 출력 전류를 기준 전압으로 변환하고, 상기 기준 전압과 상기 출력 전압을 비교한다. 또한, 비교 결과에 따라서 상기 전력 변환 수단을 제어함으로써, 상기 태양 전지의 최대 전력점에 대응하는 출력 전력이 상기 부하에 공급된다.

상술한 바와 같은 본 발명은 태양 전지의 출력 전류와 태양 전지의 출력 전압을 비교하고, 이 비교 결과에 근거하여 태양 전지의 최대 전력점을 추적한다. 또한, 본 발명은 마이크로 프로세서가 내장된 디지털 제어 방식이 아닌 간단한 아날로그 제어 방식(예컨대, 연산 증폭기로 구현된 비교부)을 이용하여 태양 전지의 출력 전압과 출력 전류를 비교한다. 따라서, 회로의 구현이 간단해짐으로써, 개발 단가 및 시스템 자체 내에서 소비되는 소비전력의 상승을 방지한다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 태양광의 세기에 따른 태양 전지의 출력 전류 대 출력 전압(I-V)의 특성 곡선들을 나타내는 도면이고, 도 3은 태양광의 세기에 따른 태양 전지의 출력 전력 대 출력 전압(P-V)의 특성 곡선들을 나타내는 도면이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 태양 전지의 출력 전압(V)과 출력 전류(I)는 일정 한 값이 아니고, 부하 특성에 따라서 출력전압이 결정되는 비선형 전류원(Non-linear Current Source)의 특성을 갖는다. 또한, 태양 전지로부터의 출력 전력(P) 또한 부하 특성에 따라서 그 크기가 변한다. 또한, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 태양 전지의 I-V 곡선 및 P-V 곡선각각은 태양광의 세기(또는 입사량)에 따라 다른 분포 특성을 나타낸다. 즉, 태양광의 세기가 커질수록 I-V 특성 곡선들은 C1, C2, C3, C4 순으로 나타난다. 태양광의 세기는 태양 전지의 출력 전류와 출력 전압을 결정하는 중요한 변수가 된다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 태양광의 세기에 따라서 태양 전력의 최대 전력점(MPP1, MPP2, MPP3, MPP4)들이 변화하는 것을 알 수 있다. 따라서, 태양 광의 세기는 출력 전류와 출력 전압뿐만 아니라 태양 전력의 최대 전력점을 결정하는 중요한 변수로서 역할한다.

이와 같이, 태양 전지는 고유한 비선형 특성을 가지므로, 태양 전지로부터 가장 높은 에너지 효율을 획득하기 위해서는 태양 전지의 최대 전력점에서 동작하도록 제어하는 최대 전력 추적(MPPT) 기술이 필요하다. 이러한 MPPT 기술은 DC/DC 컨버터 또는 DC/AC 인버터 등의 전력 변환 장치에서 수행된다.

배경 기술에서도 언급하였듯이, 전력 변환 장치를 제어하는 종래의 MPPT 기술은 마이크로 프로세서가 내장된 DSP를 이용한 디지털 제어 방식에 의해 구현되는 것이 일반적이다. 그러나 저전력으로 운영되어야 하는 무선 네트워크 시스템 예컨대, USN(Ubiquitous Sensor Network) 시스템의 경우, 마이크로 프로세서가 내장된 디지털 제어 시스템에 의해 MPPT 기술을 구현하는 것은 크기 및 가격 면에서 바람 직하지 못하다. 이 경우, 아날로그 방식에 의해 구현되는 MPPT 기술이 필요하다.

이하에서는, 본 발명에 따른 MPPT 기술이 제시되며, 본 발명에서 제시하는 MPPT 기술을 아날로그 방식으로 구현한 무선 센서 네트워크용 전력 제어 장치 및 전력 제어방법이 제시된다.

도 4는 본 발명에서 제시하는 MPPT 기술을 설명하기 위한 도면으로서, 특정 태양광 세기에서 나타나는 태양 전지의 출력 전류 대 출력 전압 곡선(I-V)과 태양 전지의 출력 전력 대 출력 전압(P-V) 곡선을 함께 나타낸 도면이고, 도 5는 도 4에 도시된 A 부분을 확대한 도면이다.

도 4를 참조하면, 전술한 바와 같이, 태양 전지의 출력 전력에는 최대 전력점(MPP)이 존재한다. 즉, 상기 최대 전력점(MPP)에 대응하는 태양 전지의 최대 출력 전압(Vmpp)을 기준으로 상기 최대 출력 전압(Vmpp) 이하에서는 태양 전지의 출력 전력(P)이 상승한다. 반면, 최대 출력 전압(Vmpp) 이상에서는 태양 전지의 출력 전력(P)이 급격히 하강한다.

전술한 바와 같이, MPPT 기술은 상기 최대 전력점(MPP)을 추적하는 기술이다. 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 최대 전력점(MPP)은 태양광의 세기에 따라서 변한다. 즉, 현재의 최대 전력점은 현재의 태양광의 세기에 대응한다. 따라서 태양광의 세기로부터 현재의 최대 전력점(MPP)의 추적이 가능하다.

태양광의 세기는 광센서 등과 같은 광 측정 기기를 통해 그 측정이 가능하다. 그러나, 설계의 어려움 및 제조비용의 상승으로 인하여 광 측정기기를 통한 태양광의 세기를 측정하는 것은 바람직하지 못하다. 이에, 본 발명에서는 태양 전지 로부터 획득되는 출력 전류(I)를 통해 태양광의 세기를 측정한다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 각 I-V 특성 곡선들에는 태양광의 세기에 비례하여 일정한 출력 전류값이 유지되는 구간들이 각각 존재한다. 이 구간에서 생성되는 태양 전지의 출력 전류는 변동하지 않는 고정된 값으로 보아도 무방하며, 현재의 태양광 세기를 규정할 수 있는 일종의 기준값으로 활용된다.

구체적으로, 태양 전지로부터 출력되는 출력 전력으로부터 출력 전류(I)가 검출된다. 이 출력 전류(I)는 특정 구간(PE1) 동안 거의 일정한 전류값(Is)을 유지하다가 상기 특정 구간(PE1) 이후 하강한다. 여기서, 상기 특정 구간(PE1) 동안 일정한 레벨로 유지되는 전류값은 현재의 태양광 세기에 대응하는 값이다. 또한, 상기 출력 전류(I)에는 상기 전류값(Is) 이하의 피크값으로 스윙하는 리플 성분이 존재한다. 이때, 상기 스윙 폭에 대응하는 태양 전지의 동작 구간(PE2)이 설정된다. 이 동작 구간(PE2) 내에서 태양 전지의 출력 전력(P)을 제어하면 최대 전력점(MPP)에 근접한 출력 전력(P)이 획득될 수 있다. 즉, 상기 동작 구간(PE2) 내에서 태양 전지의 출력단에 연결된 전력 변환 장치를 구동시킴으로써, 상기 최대 전력점(MPP)에 근접한 출력 전력(P)이 획득된다.

상기 전력 변환 장치를 상기 동작 구간(PE2) 내에서 제어하는 방법은 출력 전류(I)와 출력 전압(V) 간의 위상 차이의 판별을 통해 이루어진다. 구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 동작 구간(PE2) 내에서는 출력 전류(I)의 증분(ΔI)과 출력 전압(V)의 증분(ΔV)이 반비례한다. 즉, 출력 전류(I)의 기울기와 출력 전압(V)의 기울기가 반비례한다. 따라서, 출력 전류(I)에 포함된 리플 성분의 위 상(이하, 출력 전류(I)의 위상)은 출력 전압(V)에 포함된 리플 성분의 위상(출력 전압(V)의 위상)과 180도 반전된 위상을 갖는다. 즉, 상기 동작 구간(PE2) 내에서는 출력 전류(I)의 위상과 출력 전압(V)의 위상이 서로 반대이다. 따라서, 출력 전류(I)의 위상과 출력 전압(V)의 위상이 서로 반대가 되는 구간에서 태양 전지의 출력 전압(V)이 제어되면, 최대 전력점(MPP)에 근접한 출력 전력(P)의 획득이 가능하다.

요약하면, 출력 전류(I)의 위상과 출력 전압(V)의 위상이 서로 반대가 되는 구간을 찾고, 이 구간(PE2) 내에서 태양 전지의 출력 전압(V)이 제어되면, 최대 전력점(MPP)에 근접한 출력 전력(P)을 얻을 수 있다.

그런데, 도 5에 도시된 바와 같이, 출력 전력(P)이 상기 최대 전력점(MPP)에 도달한 이후에도 출력 전류(I)의 위상과 출력 전압(V)의 위상은 반대이다. 따라서, 출력 전류(I)의 위상과 출력 전압(P)의 위상이 서로 반대가 되는 조건만으로는 동작 구간이 정의될 수 없으나, 이 경우는 부하의 존재 여부를 고려하지 않은 경우이다. 즉, 태양 전지에 부하가 연결되면, 태양 전지의 출력 전압(V)은 상기 부하에 의해 전압 강하가 발생하고, 이로 인해 출력 전압(V)은 상기 동작 구간(PE2) 내로 자연히 제한된다.

한편, 상술한 바와 같은 위상 판별은 출력 전압(V)의 전압값과 출력 전류(I)의 전류값을 아날로그 방식으로 비교하는 비교 회로를 통해 간단히 구현될 수 있다. 이러한 비교 회로를 이용하는 경우, 상기 출력 전류(I)는 전압 형태로 변환되고, 전압 형태로 변환되는 출력 전류는 일종의 기준 전압으로서 상기 비교회로를 통해 상기 출력 전압과 비교된다.

이와 같이, 본 발명에서 제안하는 MPPT 기술은 최대 전력점에 대응하는 태양광의 세기를 알아내기 위하여 I-V 곡선상의 일정 구간(PE1)에서 일정한 전류값을 유지하는 출력 전류(I)를 검출한다. 이후, 검출된 출력 전류(I)의 전류값은 태양 전지의 출력 전압의 전압값과 비교되는 기준값으로 활용되고, 비교 결과에 근거하여 태양 전지에 연결된 상기 전력 변환 장치의 구동을 제어한다.

이하, 지금까지 설명한 본 발명의 MPPT 기술이 구현된 태양광을 이용한 전력 제어 장치에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 센서 네트워크용 전력 제어 장치를 나타내는 블록도이고, 도 7은 도 6에 도시된 위상 비교부로부터 출력되는 구동신호의 파형도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전력 제어 장치(100)는 태양광 모듈(30)과 부하(40) 사이에 배치된다. 또한, 전력 제어 장치(100)와 부하(40) 사이에는 배터리(50)가 배치될 수 있다.

태양광 모듈(30)는 광기전력 효과(photovoltaic effect)를 이용하여 태양으로부터 공급되는 광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 태양 전지를 포함한다. 이러한 태양 전지는 비정질 실리콘, 결정 실리콘, 또는 화합물 반도체 등으로 구현될 수 있다. 또한, 태양광 모듈(30)은 부하(40) 또는 배터리(50)에서 요구하는 전력(Po)을 획득하기 위하여 다수의 태양 전지가 직병렬로 조합된 어레이 형태로 구성될수 있다.

부하(40)는 전기 히터 또는 전기 모터 또는 상용 AC 전력 계통 등과 같은 고전력을 요구하는 동력 수단을 예로 들 수 있다. 특히, 본 발명에서 제시하는 전력 제어 장치(100)는 USN(Ubiquitous Sensor Network) 시스템과 같은 저전력으로 동작되는 부하에 채용되는 것이 극히 바람직하다.

본 발명의 일실시예에 따른 전력 제어 장치(100)는 가장 높은 효율로 부하(40)와 배터리(50)에 출력 전력(Po)을 공급하기 위하여 검출부(110), 전력 변환부(120), 위상 비교부(120), 전력 변환부(130), 전류 제어부(140) 및 전압-저항 변환부(150)를 포함한다.

검출부(110)는 태양 전지로부터의 출력 전력(Po)으로부터 전류 성분과 전압 성분을 각각 검출한다. 구체적으로, 검출부(110)는 전류 검출부(110A)와 전압 검출부(110B)를 포함한다. 전류 검출부(110A)는 태양 전지(30)로부터 출력되는 현재의 태양광 세기에 대응하는 출력 전류(Io)를 검출한다. 전류 검출부(110A)는 태양 전지(30)의 I-V 특성 곡선상에서 특정 구간(예컨대, 도 4의 PE1) 동안 일정한 전류값 유지하는 출력 전류(Io)를 검출하여 위상 비교부(120)에 제공한다. 이때, 상기 검출된 출력 전류(Io)는 제1 위상(Ø1)으로 스윙하는 소정의 스윙폭을 갖는 리플 성분을 포함한다. 상기 전압 검출부(110B)는 태양 전지(30)의 출력 전압(Vo)을 검출하고, 검출된 출력 전압(Vo)을 위상 비교부(120)에 제공한다. 이때, 상기 검출된 출력 전압(Vo)은 상기 제1 위상(Ø1)과 반전된 제2 위상(Ø2)을 갖는 리플 성분을 포함한다.

위상 비교부(120)는 상기 전류 검출부(110A)로부터 제공되는 상기 출력 전 류(Io)의 제1 위상(Ø1)과 상기 전압 검출부(110B)로부터 제공되는 상기 출력 전압(Vo)의 제2 위상(Ø2)을 비교하고, 비교 결과치를 구동신호(DS)로서 상기 전력 변환부(130)에 제공한다. 상기 위상 비교부(120)로부터 출력되는 구동 신호(DS)는 태양광 모듈의 출력 전력(Po)이 최대 전력점(MPP)에 추종되도록 전력 변환부(130)의 동작을 제어한다.

구체적으로, 상기 위상 비교부(120)는 전류-전압 변환부(Current to Voltage Conveter: 120A)와 비교부(120B)를 포함한다. 전류-전압 변환부(120A)는 태양광 모듈(30)의 출력 전류(Io)가 일정 영역(도 4의 PE1)에서 전류원(current source)과 같이 동작하는 점을 이용하여 최대 전력점(현재의 태양광 세기에 대응하는 최대 전력점)에 대응하는 기준 전압을 생성한다. 즉, 전류-전압 변환부(120A)는 상기 제1 위상(Ø1)의 리플 성분을 포함하는 출력 전류(Io)를 전압 형태의 상기 제1 위상(Ø1)을 갖는 기준 전압(Vref)으로 변환한다. 비교부(120B)는 상기 전류-전압 변환부(120A)로부터의 기준 전압(Vref)과 상기 전압 검출부(110B)로부터의 출력 전압(Vo)을 비교하고, 비교결과에 근거하여 구동 신호(DS)를 출력한다. 여기서, 상기 구동 신호(DS)는 도 7에 도시된 바와 같이, 온 구간(ON)과 오프 구간(OFF)을 한 주기(T)로 하는 구형파 형태의 펄스 신호일수 있다.

도 7을 참조하면, 비교부(120B)는 출력 전압(Vo)의 전압 레벨이 기준 전압(Vref)의 전압레벨보다 크면 상기 온 구간(ON)에 대응하는 구동 신호(DS)를 출력하고, 출력 전압(Vo)의 전압 레벨이 상기 기준 전압(Vref)의 전압 레벨보다 작으면, 상기 오프 구간(OFF)에 대응하는 구동신호(DS)를 출력한다. 만일, 기준 전 압(Vref)의 전압 레벨과 출력 전압(Vo)의 전압 레벨이 동일한 경우, 즉, 기준 전압(Vref)의 제1 위상(Ø1)과 출력 전압(Vo)의 제2 위상(Ø2)이 동일한 경우에는, 상기 오프 구간(OFF)에 대응하는 구동신호(DS)가 비교부(120B)로부터 출력된다. 한편, 이러한 비교부(120B)는 출력 전압(Vo)과 기준 전압(Vref)을 각각 입력받는 두 개의 입력단과 입력된 출력 전압(Vo)의 크기와 입력된 기준 전압(Vref)의 크기를 비교하여 비교 결과를 출력하는 하나의 출력단을 포함하는 연산 증폭기와, 상기 연산 증폭기의 출력단을 통해 출력되는 비교 결과를 펄스 형태로 변환하는 펄스 변환 회로 등의 조합으로 간단히 구현될 수 있다.

다시 도 6을 참조하면, 전력 변환부(130)는 상기 위상 비교부(120)로부터 인가되는 구동신호(DS)에 따라서 태양광 모듈(30)의 출력 전력과 부하(40)를 분리함으로써, 태양광 모듈(30)의 출력 전력(Po)을 최대 전력점(MPP)으로 일정하게 유지한다. 이러한 전력 변환부(130)는 전력 트랜지스터, 전력 MOSFET, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistors : IGBT), 또는 게이트 턴-오프 사이리스터(Gate Turn-Off thyristors : GTO)와 같은 스위칭 디바이스(switching device)를 이용한 DC/DC 변환기일 수 있다. 전력 변환부(130)의 출력(전력, 전압 , 주파수 등)은 상기 스위칭 디바이스에 인가되는 구동 신호(DS)의 온/오프를 변환시킴으로써 제어된다.

전류 제어부(140)는 출력 전류(Io)를 상기 태양광 모듈이 생산하는 최대 전류값으로 상기 출력 전류를 제한한다. 즉, 부하(40)에 요구하는 부하 전류가 현재 태양광 모듈(30)의 출력 전류(Io)보다 큰 경우, 상기 전류 제어부는(140) 태양광 모듈(30)이 생산하는 최대 전류로 상기 출력 전류(Io)를 제한한다. 그 결과, 전력 변환부(130) 내에 구비된 스위칭 디바이스의 스위칭 동작이 줄어둠으로써, 태양광 모듈(30)로부터 더욱 높은 효율의 출력 전력(Po)을 확보할 수 있게 된다. 이러한 전류 제어부(140)는 전류 제한 스위치 회로(current limit switch circuit) 등으로 간단하게 구현될 수 있다. 이 경우, 전류 제한 스위치 회로는 내부에 구비된 저항의 저항값에 의해 전류를 제어하므로, 현재의 출력 전류(Io)에 대응하는 저항값이 요구된다. 이에, 현재의 출력 전류(Io)에 대응하는 저항값을 생성하는 전압-저항 변환부(150)가 구비된다.

전압-저항 변환부(150)는 태양광 모듈(30)의 출력 전류(Io)에 대응하는 기준 전압(Vref)을 전류-전압 변환부(120A)로부터 입력받고, 입력된 기준 전압(Vref)을 저항값으로 변환하여 상기 전류 제어부(140)에 제공한다. 이때, 상기 변환된 저항값은 실제로 전압형태 또는 전류 형태의 신호로 구성된다.

도 8은 도 6에 도시된 무선 센서 네트워크용 전력 제어 장치의 구동 방법을 나타내는 순서도이다.

도 8 및 도 6을 참조하면, 전류 검출부(110A) 및 전압 검출부(110B)를 이용하여 태양광 모듈(30)의 출력 전류(Io) 및 출력 전압(Vo)을 검출한다(S810). 상기 검출된 출력 전류(Io)는 위상 비교부(120)의 전류-전압 변환부(120A)에 인가되고, 상기 검출된 출력 전압(Vo)은 상기 위상 비교부(120)의 비교부(120B)에 인가된다.

상기 전류-전압 변환부(120A)는 상기 검출된 출력 전류(Io)를 기준 전압(Vref)으로 변환한다(S820). 여기서, 상기 변환된 기준 전압(Vref)은 최대 전력 점(현재 태양광 세기에 대응하는 최대 전력점)에 대응하는 전압으로서 이용된다.

이어, 상기 비교부(120B)에 의해 상기 기준 전압(Vref)의 제1 위상(Ø1)과 상기 출력 전압(Vo)의 제2 위상(Ø2)이 비교된다. 즉, 상기 기준 전압(Vref)의 크기와 상기 출력 전압(Vo)의 크기가 비교된다(S830).

상기 출력 전압(Vo)이 상기 기준 전압(Vref)보다 크면, 전력 변환부(130)를 구성하는 스위칭 디바이스의 스위칭 동작을 온(ON)시키는 구동신호(DS)를 생성하여 상기 전력 변환부(130)에 인가한다(S840).

상기 출력 전압(Vo)이 상기 기준 전압(Vref)보다 작으면, 전력 변환부(130)를 구성하는 스위칭 디바이스의 스위칭 동작을 오프(OFF)시키는 구동신호(DS)를 생성하여 상기 전력 변환부(130)에 인가한다(S840). 여기서, 상기 출력 전압(Vo)의 크기와 상기 기준 전압(Vref)의 크기가 동일한 경우, 즉, 상기 기준 전압(Vref)의 제1 위상(Ø1)과 상기 출력 전압(Vo)의 제2 위상(Ø2)이 동일한 경우, 스위칭 디바이스의 스위칭 동작을 오프(OFF)시키는 구동신호(DS)를 생성하여 상기 전력 변환부(130)에 인가한다.

지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명은 특정 구간 동안 일정한 전류값으로 생성하는 태양 전지의 출력 전류를 검출하고, 검출된 태양 전지의 출력 전류의 위상과 태양 전지의 출력 전압의 위상(구체적으로, 출력 전류의 크기와 출력 전압의 크기)을 비교함으로써, 최대 전력점을 추적한다.

또한, 본 발명은 상술한 바와 같은 MPPT 기술을 마이크로 프로세서가 내장된 디지털 제어 방식이 아닌 아날로그 제어 방식(예컨대, 연산 증폭기로 구현된 비교 부)으로 구현된다. 따라서, 마이크로 프로세서가 내장된 디지털 제어 방식의 종래의 전력 제어 장치와는 달리 본 발명의 전력 제어 장치는 아날로그 제어 방식으로 구현됨으로써, 회로 구현이 복잡해지고, 개발 단가를 상승시키며, 회로 구현이 복잡해짐에 따라서 시스템 자체 내에서 소비되는 소비전력이 상승하는 종래 문제점을 해결한다.

한편, 이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 종래의 MPPT 기술이 적용된 전력 제어 장치를 나타내는 블록도이다.

도 2는 태양광의 세기에 따른 태양 전지의 출력 전류 대 출력 전압(I-V)의 특성 곡선들을 나타내는 도면이다.

도 3은 태양광의 세기에 따른 태양 전지의 출력 전력 대 출력 전압(P-V)의 특성 곡선들을 나타내는 도면이다.

도 4는 본 발명에서 제시하는 MPPT 기술을 설명하기 위한 도면으로서, 특정 태양광 세기에서 나타나는 태양 전지의 출력 전류 대 출력 전압 곡선(I-V)과 태양 전지의 출력 전력 대 출력 전압(P-V) 곡선을 함께 나타낸 도면이다.

도 5는 도 4에 도시된 A 부분을 확대한 도면이다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전력 제어 장치를 나타내는 블록도이다.

도 7은 도 6에 도시된 위상 비교부로부터 출력되는 구동신호의 파형도이다.

Claims (16)

1. 태양 전지의 출력 전력을 부하에 공급하는 무선 센서 네트워크용 전력 제어 장치에 있어서,

   상기 태양 전지의 출력 전압 및 출력 전류를 검출하는 검출부;

   상기 검출된 출력 전류를 기준 전압으로 변환하는 전류-전압 변환부;

   상기 기준 전압과 상기 출력 전압을 비교하고, 비교 결과에 근거하여 구동 신호를 생성하는 비교부; 및

   상기 구동 신호에 응답하여 상기 태양 전지의 최대 전력점에 대응하는 상기 출력 전력을 상기 부하에 공급하는 전력 변환부를 포함하는 전력 제어 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 태양광 전지가 생산하는 최대 전류값으로 상기 출력 전류를 제한하는 전류 제어부를 더 포함하는 전력 제어 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 전류 제어부는 전류 제한 스위치 회로(current limit switch circuit)를 포함하는 무선 센서 네트워크용 전력 제어 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 검출부는,

   상기 태양 전력의 출력 전류를 검출하는 전류 검출부; 및

   상기 태양 전력의 출력 전압을 검출하는 전압 검출부를 포함하는 것인 무선 센서 네트워크용 전력 제어 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 구동 신호는 온 구간과 오프 구간을 한 주기로 하는 구형파 형태의 펄스 신호이고,

   상기 비교부는 상기 출력 전압이 상기 기준 전압보다 크면, 상기 온 구간에 대응하는 상기 구동 신호를 출력하고, 상기 출력 전압이 상기 기준 전압보다 작거나 같으면, 상기 오프 구간에 대응하는 상기 구동 신호를 출력하는 것인 무선 센서 네트워크용 전력 제어 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 비교부는,

   상기 출력 전압과 상기 기준 전압이 각각 인가되는 두 개의 입력단과, 상기 출력 전압과 상기 기준 전압을 비교한 결과치를 출력하는 하나의 출력단을 포함하는 연산 증폭기; 및

   상기 비교한 결과치를 상기 구형파 형태의 펄스 신호로 변환하는 펄스 변환회로를 포함하는 무선 센서 네트워크용 전력 제어 장치.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 전력 변환부는 스위칭 디바이스를 이용한 DC/DC 변환기를 포함하는 무선 센서 네트워크용 전력 제어 장치.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 스위칭 디바이스는 상기 구동 신호에 응답하여 스위 칭 동작을 수행하는 전력 MOSFET, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistors : IGBT), 또는 게이트 턴-오프 사이리스터(Gate Turn-Off thyristors : GTO) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 무선 센서 네트워크용 전력 제어 장치.
9. 태양 전지의 출력 전력을 부하에 공급하는 무선 센서 네트워크용 전력 제어 장치에 있어서,

   상기 태양 전지의 출력 전압의 위상과 출력 전류의 위상을 검출하는 검출부;

   상기 검출된 출력 전류를 상기 출력 전압의 위상과 동일한 위상을 갖는 기준 전압으로 변환하는 전류-전압 변환부;

   상기 기준 전압의 위상과 상기 출력 전압의 위상을 비교하고, 비교 결과에 따라서 구동 신호를 생성하는 위상 비교부; 및

   상기 구동 신호에 응답하여 상기 태양 전지의 최대 전력점에 대응하는 상기 출력 전력을 상기 부하에 공급하는 전력 변환부를 포함하는 무선 센서 네트워크용 전력 제어 장치.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 구동 신호는 온 구간과 오프 구간을 한 주기로 하는 구형파 형태의 펄스 신호이고,

    상기 위상 비교부는 상기 기준 전압의 위상과 상기 출력 전압의 위상이 다르면, 상기 온 구간에 대응하는 상기 구동 신호를 출력하고, 상기 기준 전압의 위상 과 상기 출력 전압의 위상이 같으면, 상기 오프 구간에 대응하는 상기 구동 신호를 출력하는 무선 센서 네트워크용 전력 제어 장치.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 기준 전압의 위상은 상기 출력 전류의 위상과 동일한 것인 무선 센서 네트워크용 전력 제어 장치.
12. 제 10 항에 있어서, 상기 위상 비교부는,

    상기 검출된 출력 전류를 기준 전압으로 변환하는 전류-전압 변환부; 및

    상기 기준 전압과 상기 출력 전압을 비교하고, 비교 결과에 근거하여 상기 구동 신호를 생성하는 비교부를 포함하는 무선 센서 네트워크용 전력 제어 장치.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 비교부는 상기 출력 전압이 상기 기준 전압보다 크면, 상기 온 구간에 대응하는 상기 구동 신호를 출력하고, 상기 출력 전압이 상기 기준 전압보다 작거나 같으면, 상기 오프 구간에 대응하는 상기 구동 신호를 출력하는 것인 무선 센서 네트워크용 전력 제어 장치.
14. 전력 변환 수단을 통해 태양 전지의 출력 전력을 부하에 공급하는 무선 센서 네트워크용 전력 제어 방법에 있어서,

    상기 태양 전지의 출력 전압 및 출력 전류를 검출하는 단계;

    상기 검출된 출력 전류를 기준 전압으로 변환하는 단계;

    상기 기준 전압과 상기 출력 전압을 비교하는 단계; 및

    비교 결과에 따라서 상기 전력 변환 수단을 제어하여 상기 태양 전지의 최대 전력점에 대응하는 상기 출력 전력을 상기 부하에 공급하는 단계를 포함하는 무선 센서 네트워크용 전력 제어 방법.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 기준 전압과 상기 출력 전압을 비교하는 단계는,

    상기 출력 전압이 상기 기준 전압보다 크면, 상기 전력 변환 수단을 온시키는 단계; 및

    상기 출력 전압이 상기 기준 전압보다 작으면, 상기 전력 변환 수단을 오프시키는 단계를 포함하는 무선 센서 네트워크용 전력 제어 방법.
16. 제 14 항에 있어서, 상기 기준 전압과 상기 출력 전압을 비교하는 단계는,

    상기 기준 전압의 위상과 상기 출력 전압의 위상이 다르면, 상기 전력 변환 수단을 온시키는 단계; 및

    상기 기준 전압의 위상과 상기 출력 전압의 위상이 같으면, 상기 전력 변환 수단을 오프시키는 단계를 포함하는 무선 센서 네트워크용 전력 제어 방법.

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