KR20140078743A - 수동으로 스위칭되는 컨버터 및 이를 포함하는 회로들 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수동 컨버터를 제공하는 바, 상기 수동 컨버터는 간헐적(intermittent) 또는 가변 파워 소스로의 전기적 연결(electrical coupling)을 위한 입력, 로드(load)로의 전기적 연결을 위한 출력, 및 상기 입력의 제1 전압 레벨로부터 상기 출력에 적절한 제2 전압 레벨로 변환하기 위한 변환 회로를 포함하고, 여기서 상기 변환 회로는 상기 입력이 제1 임계(threshold)를 초과할 때 상기 출력에 상기 입력을 수동으로 연결하고, 상기 입력이 제2 임계 미만으로 떨어질 때 상기 출력으로부터 상기 입력을 연결 해제(decouple)하도록 된 것이다. 특히, 수동 스위칭 회로는 바람직하게는, 스파크 갭, 사이리스터 및 애벌란시 다이오드, 브레이크오버 다이오드, 방전 튜브 또는 브레이크오버 다이오드들로서 동작하는 사이리스터를 포함한다. 수동 컨버터를 포함하는 회로들 및 유전 엘라스토머 발전기(DEG) 시스템들이 또한 개시된다.

Description

수동으로 스위칭되는 컨버터 및 이를 포함하는 회로들{PASSIVELY SWITCHED CONVERTER AND CIRCUITS INCLUDING SAME}

본 발명은 간헐적 DC 전압 소스(intermittent DC voltage source)에/로부터 상이한 전압에서 동작하거나 또는 동작하지 않을 수 있는 전기 회로에 전기 에너지를 전달하기 위한 컨버터 회로에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 수동으로 스위칭되는 컨버터 및, 이러한 컨버터를 포함하는 회로들 또는 시스템들에 관한 것이며, 보다 구체적으로는, 유전 엘라스토머 발전기(DEG: dielectric elastomer generator)를 더 포함하는 회로들에 관한 것이다.

종래 기술의 종래의 DC-DC 컨버터들은 전형적으로, 요구되는 크기의 출력 전압 또는 전류를 생성하기 위해 능동 제어(active control)를 사용하며, 이러한 요구되는 크기는 가장 일반적으로는, 입력 전압 또는 전류보다 2 배(two orders) 높거나 또는 낮은 크기 이내에 있다. 벅 컨버터(Buck converter)들, 부스트 컨버터들 및/또는 벅-부스트 컨버터들은, 일반적으로 출력을 조정하도록 능동적으로 제어되는 "스위칭식-모드"의 파워 서플라이들로 지칭되는 일종의 컨버터들의 모든 예들이다. 도 2에 도식적으로 도시된 바와 같이, 이 능동 컨버터들(20)은 전형적으로, 회로의 사이즈, 비용 및 복잡도를 증가시키는 센서(21), 제어기(22) 및 드라이버 전자기기(driver electronics)(23)를 사용한다. 또한, 저전압 파워 소스(24)가 이러한 전자기기에 파워를 공급하도록 요구된다. 플라이백(flyback), 포워드(forward) 및 H-브릿지(H-bridge) 컨버터들을 포함하는 종래 기술의 다른 컨버터들은 유사한 요건을 가진다.

종래 기술의 DC-DC 컨버터들이 DC 전압 변환을 요하는 많은 응용들에 적절하지만, 능동 제어가 바람직하지않은 다른 어플리케이션들이 존재한다. 그 이유는, 비용, 폼 팩터(form factor), 복잡도, 효율성 및/또는 기술의 가용성을 포함하지만, 이들에 제한되지는 않는다.

DEG들은 예컨대, 고전압, 제한된 에너지, 낮은 파워의 소스이다. DEG들은 역학 에너지(mechanical energy)를 전기 에너지로 변환할 수 있는 에너지 수확기(harvester) 또는 발전기의 타입이며, 전기 에너지를 역학 에너지로 변환하는 역기능을 수행하는 유전 엘라스토머 액츄에이터(DEA)들과 밀접하게 관련된다.

압전 발전기(piezoelectric generator)들과 같은 종래 기술의 대안들에 비해 DEG들의 장점적인 특성은 연성(softness), 플렉서빌리티(flexibility), 경량, 저비용, 큰 스트레인(strain)을 달성하는 능력(capability) 및 넓은 범위의 역학적 스트로크 주파수(mechanical stroke frequency)들에 걸쳐 성능의 손실 없이 동작하는 능력을 포함한다. 이러한 특성들을 효과적으로 사용하는 것은 필요한 동반 전자기기의 주의 깊은 선택을 요한다.

DEG는 마주보는 측들 상에 부합하는 전극들을 구비한 (자신의 평면 영역에 관하여) 얇고 탄력있는(resilient) 유전 엘라스토머 막(membrane)으로 구성된다. 실제로, DEG는 가변 커패시터이고, 상기 DEG의 커패시턴스는 역학적 스트레인(즉, 막의 변형)에 따라 변화된다. DEG는 그 안에 저장된 전위 에너지를 증가시킴으로서 전기 에너지를 발생시킨다. 이를 달성하기 위한 단계들이 도 1에 도식적으로 예시된다. 도 1의 상단(top)으로부터 시작하여, 역학 에너지(10)는 초기에 DEG(11)을 스트레칭시킴으로써 DEG에 인가된다. 그 결과, 전극들(12)이 평면으로 확장되고, 막(13)이 수직으로 압축되어서, 캐패시턴스가 증가되도록 한다. 그 다음, 전기 에너지(14)는 전력 소스(미도시)로부터 차징(charging) 또는 프라이밍(priming)함으로써 DEG에 입력되어서, 마주보는 전극들(12)은 반대로 차징된다. DEG를 이완(relaxing)시키는 것은 마주보는 전극들(12) 상의 반대 전하들(+ 및 -)이 떨어지게 하고 각각의 전극(12) 상의 이러한 전하들이 상기 DEG의 평면적인 축소로 인해 서로 가까워지게 함으로써 역학 에너지를 전기 에너지로 변환할 것이다. 이 전기 에너지(14)는 추출되며, 이러한 사이클은 반복된다.

DEG는 일반적으로, 파워 발생을 증가시키기 위해 고전압(전형적으로 수 키로볼트)에서 동작된다. 그러므로, DEG와 사용하기 위한 컨버터는,

a) DEG를 프라이밍하기 위해 (예컨대, 배터리에 의해 공급되는) 저전압을 고전압으로 변환하고,

b) DEG에 의해 발생되는 고전압 파워를 (예컨대, 배터리를 차징하고 그리고/또는 12V 또는 그 미만의 전압으로 일반적으로 동작하는 전형적인 전자 디바이스들에 파워를 공급하기 위해) 외부 회로에 의해 사용하기 위한 낮은 전압의 형태로 변환하며, 그리고/또는

c) 유전 파괴를 통한 DEG 손상을 회피하기 위해 DEG 전압이 너무 높게 상승하는 것을 방지하도록 요구될 수 있다.

능동 컨버터들의 사용은 일부 경우들에서 거대 스케일의(즉, 복수의 에너지 수확 DEG들을 포함하는) DEG 시스템들에 적절할 수 있지만, 이들은 고전압(전형적으로 500V 이상에서 동작), 제한된 에너지, 낮은 파워의 소스들인 작은 스케일의 DEG들(가령, 보행식 발전기(shoe heel generator))에서의 변환에 비실용적일 수 있는 바, 그 이유는 다음과 같다.

- 능동 고전압 컴포넌트들은 상대적으로 크고 비싸며, 이는 이러한 적은 양의 파워를 변환하기에 비용이 많이 들 수 있다.

- 전형적인 고전압 센서들은 종종 상당한 양의 누설 전류를 가지며, 발생된 에너지의 상당한 비율을 소산시킬 수 있다.

- 능동 전자기기는 변환을 위한 어떠한 입력 파워도 없는 주기들 동안(즉, DEG에 인가되는 어떠한 역학적 힘도 없을 때) 파워를 소모한다.

- 능동 전자기기는 DEG가 생산할 수 있는 파워보다 많은 파워를 소비할 수 있다.

그러므로, 이러한 작은 스케일의 DEG를 위한 컨버터는 이상적으로는, 작은 사이즈, 경량, 저비용이어야 하며, 적어도 한 방향으로 파워를 변환함에 있어서 동작하기 위해 적은 파워를 요하거나 또는 어떤 파워도 요하지 않아야만 한다. 예컨대 파워 소스가 DEG의 커패시턴스에 저장되는 고전압 에너지와 같이 간헐적으로 보충되는 적은 양의 에너지를 제공하는 경우, 능동 컨버터들은 비실용적일 수 있다.

그러므로, 본 발명의 목적은 종래 기술의 하나 이상의 단점들을 극복하거나 또는 적어도 개선하는 컨버터를 제공하거나 또는 대안적으로는 적어도 유용한 선택을 대중(public)에게 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 하기의 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다.

따라서, 제1 양상에서, 본 발명은 넓게는, 간헐적 또는 가변 파워 소스로의 전기적 연결을 위한 입력, 로드로의 전기적 연결을 위한 출력, 및 상기 입력의 제1 전압 레벨로부터 상기 출력에 적절한 제2 전압 레벨로 변환하기 위한 변환 회로를 포함하는 수동 컨버터에 관한 것이라 할 수 있으며, 상기 변환 회로는 상기 입력이 제1 임계(threshold)를 초과할 때 상기 출력에 상기 입력을 수동으로 연결하도록 된 수동 스위칭 회로를 포함한다.

바람직하게는, 상기 스위칭 회로는 또한, 상기 입력이 제2 임계 미만으로 떨어질 때 상기 출력으로부터 상기 입력을 연결 해제하도록 된다.

바람직하게는, 상기 제1 임계는 임계 전압을 포함하고, 상기 제2 임계는 임계 전류를 포함한다.

바람직하게는, 상기 컨버터는 스텝-다운 컨버터(step-down converter)를 포함하고, 상기 제1 전압은 상기 제2 전압을 초과한다.

대안적으로는, 상기 컨버터는 스텝-업 컨버터(step-up converter)를 포함할 수 있고, 상기 제2 전압은 상기 제1 전압을 초과한다.

대안적으로는, 상기 컨버터는 1:1 컨버터를 포함할 수 있고, 상기 제2 전압은 상기 제1 전압과 동일하다.

바람직하게는, 상기 변환 회로는 상기 출력에 상기 수동 스위칭 회로를 연결하는 트랜스포머(transformer)를 더 포함한다. 특히, 상기 수동 스위칭 회로는 바람직하게는, 상기 입력이 상기 임계 전압을 초과할 때 상기 트랜스포머의 일차 권선에 상기 입력을 연결하고, 상기 트랜스포머의 2차 권선은 상기 출력에 연결된다.

바람직하게는, 상기 트랜스포머의 상기 2차 권선은 다이오드를 통해 상기 출력에 연결된다.

대안적으로는, 상기 트랜스포머의 상기 2차 권선은 전파 정류기(full-wave rectifier)를 통해 상기 출력에 연결될 수 있다.

대안적으로는, 상기 트랜스포머의 상기 2차 권선은 제1 및 제2 반 권선(half winding)들을 포함하는 중앙-탭핑형 권선(centre-tapped winding)을 포함할 수 있고, 상기 제1 및 제2 반 권선들은 중앙-탭핑형 전파 정류기를 형성하는 다이오드들의 쌍을 통해 상기 출력에 연결된다.

대안적으로는, 상기 변환 회로는 상기 출력에 상기 수동 스위칭 회로를 연결하는 인덕터 회로를 더 포함한다.

바람직하게는, 상기 인덕터 회로는 프리휠링 다이오드(freewheeling diode)를 더 포함한다.

바람직하게는, 상기 인덕터 회로는 역 차단 다이오드(reverse blocking diode)를 더 포함한다.

바람직하게는 상기 스위칭 회로는 스파크 갭(spark gap)을 포함하고, 그럼으로써 상기 제1 임계는 상기 스파크 갭의 파괴 전압(breakdown voltage)을 포함하며, 그리고 상기 제2 임계는 상기 스파크 갭의 유지 전류(holding current)를 포함한다.

대안적으로는, 상기 스위칭 회로는 상기 트랜스포머의 1차 권선과 직렬로 된 사이리스터(thyristor) 및 상기 입력의 양의 단자(positive terminal)와 상기 사이리스터의 게이트 사이에 연결된 애벌란시 다이오드(avalanche diode)를 포함할 수 있고, 그럼으로써 상기 제1 임계는 상기 애벌란시 다이오드의 파괴 전압을 포함하며, 그리고 상기 제2 임계는 상기 사이리스터의 유지 전류를 포함한다.

대안적으로는, 상기 스위칭 회로는 인덕터 및 바이패스 다이오드와 연결된 브레이크오버 다이오드(breakover diode)를 포함할 수 있고, 그럼으로써 상기 제1 임계는 브레이크오버 전압을 포함하며, 그리고 상기 제2 임계는 상기 브레이크오버 다이오드의 유지 전류를 포함한다.

대안적으로는, 상기 스위칭 회로는 스파크 갭들, 사이리스터들 및 애벌란시 다이오드들, 브레이크오버 다이오드들, 방전 튜브들, 및 브레이크오버 다이오드들로서 동작되는 사이리스터들을 포함하는 그룹으로부터 선택된 컴포넌트를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 컨버터는 상기 입력과 상기 변환 회로 사이에 버퍼 회로를 더 포함한다.

바람직하게는, 상기 버퍼 회로는 RC 망을 포함한다.

제2 양상에서, 본 발명은 넓게는, 제1 방향으로 파워를 변환하기 위한 수동 컨버터 및 제2의 반대 방향으로 파워를 변환하기 위한 능동 컨버터를 포함하는 양 방향 컨버터에 관한 것이라 할 수 있다. 특히, 상기 수동 컨버터는 바람직하게는, 본 발명의 제1 양상에 따른 수동 컨버터를 포함한다.

바람직하게는, 상기 양방향 컨버터는 상기 능동 컨버터와 관련된 정류기를 더 포함한다. 상기 정류기는 바람직하게는, 전압 멀티플라이어(multiplier) 및, 특히 그레이나헤르 전압 더블링 정류기(Greinacher voltage doubling rectifier)를 포함한다.

바람직하게는, 양 방향 컨버터는 상기 수동 및 능동 컨버터들과 관련된 트랜스포머를 더 포함한다.

바람직하게는, 상기 능동 컨버터는 플라이백 컨버터를 포함한다.

바람직하게는, 상기 수동 컨버터는 스텝-다운 컨버터를 포함하고, 상기 능동 컨버터는 스텝-업 컨버터를 포함한다.

제3 양상에서, 본 발명은 넓게는, 본 발명의 제1 양상에 따른 수동 컨버터에 전기적으로 연결된 DEG를 포함하는 DEG 시스템에 관한 것이라 할 수 있다.

바람직하게는, 상기 DEG 시스템은 반대 페이즈에서 동작하도록 된 DEG들의 두 개의 쌍들 및 두 개의 수동 컨버터들을 포함하며, DEG들의 각각의 쌍은 직렬로 제공되고 상기 수동 컨버터들 중 하나의 입력에 연결되며, DEG들의 각각의 쌍은 인덕터 및 브레이크오버 다이오드들의 쌍에 의해 서로와 연결된다.

바람직하게는, 상기 수동 컨버터들 각각은 브레이크오버 다이오드를 수동 스위칭 회로로서 포함한다.

바람직하게는, 상기 수동 컨버터들의 출력은 커패시터 또는 배터리 또는 저항에 연결된다.

제4 양상에서, 본 발명은 넓게는, 본 발명의 제2 양상에 따른 양 방향 컨버터에 전기적으로 연결된 DEG를 포함하는 DEG 시스템에 관한 것이라 할 수 있다.

바람직하게는, 상기 DEG 시스템은 상기 DEG 및 양 방향 컨버터와 병렬로 연결된 자가-프라이밍 회로를 더 포함한다.

신규한 양상들 모두에서 고려되어야 하는 본 발명의 추가 양상들은 하기의 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다.

이제, 본 발명의 다수의 실시예들이 도면들을 참조하여 예로서 기술될 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 유전 엘라스토머 발전기를 이용한 전기의 발생을 도시하는 프로세스도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 스위칭식-모드 파워 서플라이와 같은 능동 컨버터의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 단 방향의 수동으로 스위칭되는 컨버터의 블록도이다.
도 4는 스파크 갭을 수동 스위칭 회로로서 포함하는 본 발명에 따른 수동으로 스위칭되는의 단-방향 컨버터의 제1 실시예의 도해이다.
도 5는 본 발명에 따른 수동으로 스위칭되는 컨버터의 제2 실시예의 도해이다.
도 6은 본 발명에 따른 수동으로 스위칭되는 컨버터의 제3 실시예의 도해이다.
도 7은 종래 기술에 따른 자가-프라이밍 DEG와 연계하여 사용될 때의 도 6의 수동으로 스위칭되는 컨버터의 입력 전압 파형 V_in을 도시하는 파형도이다.
도 8은 종래 기술에 따른 자가-프라이밍 DGE와 연계하여 사용될 때의 도 6의 컨버터의 DEG의 커패스턴스 C_in을 도시하는 파형도이다.
도 9는 10s < t < 11s에 대한 도 7의 파형의 상세도이다.
도 10은 종래 기술에 따른 자가-프라이밍 DEG와 연계하여 사용될 때의 도 6의 컨버터의 버퍼 커패시터 C₁의 전압 V_c1을 도시하는 파형도이다.
도 11은 종래 기술에 따른 자가-프라이밍 DEG와 연계하여 사용될 때의 도 6의 1차 권선 L_p를 통한 전류 I_Lp를 도시하는 파형도이다.
도 12는 사이리스터 및 애벌런시 다이오드를 수동 스위칭 회로로서 포함하는 본 발명에 따른 수동으로 스위칭되는의 단 방향 컨버터의 제4 실시예의 도해이다.
도 13은 브레이크오버 다이오드를 수동 스위칭 회로로서 포함하는 본 발명에 따른 수동으로 스위칭되는의 단 방향 컨버터의 제5 실시예의 도해이다.
도 14는 본 발명에 따른 수동으로 스위칭되는의 단 방향 컨버터의 제6 실시예의 도해이며, 여기서 컨버터 회로는 역 차단 다이오드와 인턱터 및 프리휠링 다이오드를 포함한다.
도 15는 본 발명에 따른 양 방향 컨버터의 제1 실시예의 도해이다.
도 16은 DEG 및 자가-프라이밍 회로에 연결된 DEG 시스템에서의 도 15의 실시예의 도해이다.
도 17은 DEG로부터 스토리지 커패시터 C_storage로의 제1 방향으로 파워를 변환할 때의 도 16의 시스템의 유효 회로의 도해이다.
도 18은 DEG를 프라이밍 또는 재 프라이밍하기 위해 스토리지 커패시터 C_storage로부터 DEG로의 제2 방향으로 파워를 변환할 때의 도 16의 시스템의 유효 회로의 도해이다.
도 19는 본 발명에 따른 수동 컨버터의 추가 예시적 실시예의 도해이다.
도 20은 도 19의 실시예의 변형의 도해이며, 여기서 저전압 로드 커패시터는 효율을 증가시키기 위하여 초기 값으로 저전압 커패시터 C_L을 차징하기 위해 공급 전압에 연결된다.
도 21은 도 19의 실시예의 추가 변형의 도해이며, 여기서 컨버터는 DEG에 의해 차징되는 배터리에 직접적으로 연결된다.
도 22는 도 19의 실시예에 따른 두 개의 수동 컨버터들을 포함하는 일정한 전하 수확 회로(constant charge harvesting circuit)의 도해이다.
도 23은 커패시터들이 아니라 배터리들을 차징하도록 수정된 도 22의 동일한 전하 수확 회로의 도해이다.
도 24는 DEG들로부터 파워 저항성 또는 주울(joule) 히터들로 에너지를 수확하기 위한 회로 또는 DEG 시스템의 도해이다.

다양한 능동 DC-DC 컨버터 설계들은 여러 어플리케이션들에서 자신의 고 효율성 및/또는 출력을 조정하는 능력을 위해 널리 사용된다. 많은 현대 기술에서, 수동 DC-DC 컨버터는 그다지 유용하지 않은 바, 그 이유는 이 수동 DC-DC 컨버터가 디바이스들에게 파워를 공급하기 위해 일정한 전압 또는 전류를 생성할 수 없기 때문이다. 수동 DC-DC 컨버터는 전형적으로는, 예컨대 출력이 일반적으로 배터리가 차징되는 속도 및 효율을 최대화하기 위해 제어될 수 있음에 따라 이상적이고 비제한적인 파워 소스로부터 배터리를 차징하기 위해 사용될 수 없다.

본 발명은 제한된 에너지의 낮은 파워 DC 소스들에 연결된 전압 컨버터로서 사용하기 위해 특별히 적합화된 수동 컨버터를 제공한다. 이러한 맥락에서 제한된 에너지의 파워 소스는 파워를 연속적으로 공급할 수 없는 파워 소스이다. 다음의 상세한 설명의 목적을 위해, 제한된 에너지의 소스는 적은 양의 저장된 에너지를 가진 작은 커패시터에 균등한 것으로서 여겨질 수 있고, 이러한 작은 커패시터에서, 전압은 에너지가 이 커패시터로부터 인출되면 빠르게 강하될 수 있다. 즉, 파워는 예컨대, 발생 프로세스의 순환적인 특성 및/또는 역학 에너지의 간헐적인 또는 예측불가능한 적용으로 인해 간헐적으로만 이용가능하다.

비록, 다음의 상세한 설명이 양호한 제한된 에너지의 낮은 파워 DC 소스로서 유전 엘라스토머 발전기(DEG)를 참조하지만, 본 발명은 잠재적으로는, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 유사한 특성들을 가진 어떤 대안적인 소스와 사용될 수 있음이 이 기술 분야의 숙련자들에게 이해될 것이다. 특히, DEG는 고-전압, 낮은 파워의 DC 소스를 나타내며, 본 발명의 양호한 실시예들은 이러한 맥락에서, 고전압 입력을 저전압 출력으로 변환하기 위해 스텝-다운 트랜스포머를 포함하여 하기에 기술될 것이다. 본 발명은 대안적으로는, 예를 들어, 스텝-다운 트랜스포머에 대해 스텝-업 트랜스포머를 대체함으로써 입력 전압을 높은 출력 전압으로 스텝 업시키도록 구성될 수 있음이 이해되어야만 한다. 대안적으로는, 회로는 입력 전압의 크기를 필수적으로 수정해야하는 것이 아니라, (예컨대, 1:1의 권선비(turns ratio)를 가진 트랜스포머를 사용하여) 단순히 출력에 입력을 수동으로 연결할 수 있다. 또한, 인덕터가 여러 예시적인 실시예들에 관하여 하기에 보다 상세히 기술된 바와 같이 입력으로부터 출력으로 에너지를 전달 및/또는 변환하는 수단으로서 컨버터 회로 내의 트랜스포머를 대신하여 사용될 수 있음이 이해되어야 한다.

용어 "저전압" 및 "고전압"은 DEG의 맥락에서, 최대 약 24V 및 적어도 약 500V의 전압들을 각각 나타낸다. 그러나, 이러한 사항은 다른 전압들 또는 전압 범위들에 대한 본 발명의 응용을 배제하는 것으로 여겨져서는 안 된다.

도 2에 도시된 종래 기술의 능동 스위칭식 컨버터와 비교하여, 본 발명은 도 3에 블록도 형태로 도시된다. 본 발명의 컨버터는 입력(30), 변환 회로(31) 및 출력(32)을 포함한다. 변환 회로(31)는 출력에 입력을 연결하는 바, 이 출력은 사용 시 전형적으로, 예컨대 차징을 위한 배터리와 같은 로드에 연결될 수 있다. 추가적인 회로망(미도시)이 이 기술 분야의 숙련자들에게 분명한 바와 같이 필요한 경우, 로드에 전달되는 전류를 평활화(smooth)하기 위해 출력에서 제공될 수 있다.

이 도해로부터, 본 발명의 컨버터가 어떤 능동 제어 회로망도 요하지 않으며, 그러므로 도 2의 종래 기술에 요구되는 센서(21), 제어기(22) 및 드라이버 전자기기(23)에 파워를 공급하기 위해 저전압 파워 소스를 요하지 않음이 보여질 수 있다.

따라서, 다음의 상세한 설명으로부터 분명한 바와 같이, 본 발명의 컨버터는 능동 컨버터와 반대되는 것으로서의 수동 컨버터에 관한 것이라고 할 수 있다. 즉, 입력 전압은 중간 센서, 드라이버 또는 제어기 없이 컨버터에 입력 파워 소스를 연결하는 수동 스위치를 직접적으로 제어한다. 상기 수동 스위치 또는 스위칭 회로는 입력이 제1 임계까지 상승하거나 상기 제1 임계를 초과할 때 "닫힌"(즉, 전도) 상태로 자동으로 토글되고, 입력이 제2 임계 미만으로 떨어질 때 열린(즉, 비전도) 상태로 다시 토글된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 이 맥락에서 수동 컨버터는 자신의 기능과 관련된 어떤 고정된 에너지 비용도 가지지 않는 것으로서 정의될 수 있고, (예컨대, 스위칭 회로 내의 비-이상적 컴포넌트들의 누설 전류 및 저항으로 인한 손실들에 기여하는) 변환 프로세스가 동작중임에 따라 파워 소스로부터 직접적으로 파워의 작은 부분(fraction)을 이용하여 자가-동작한다. 따라서, 수동 컨버터는 (적어도 일 실시예에서 수동으로 발생되는 제어 신호 외에) 부차적인 파워 소스 또는 감지/제어 신호들을 요하지 않는다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 변환 회로(31)의 제1 실시예의 도해가 도시된다. 스위칭 회로(31)는 자신의 입력에서, 커패시터 C_in로 표시된 유전 엘라스토머 발전기(DEG)에 연결되고, 자신의 출력에서 커패시터 C_L로 표시된 커패시티브 로드에 연결된 채로 도시된다.

이 실시예에서, 변환 회로는 수동 스위칭 회로에 연결된 1차 권선 L_p를 가진 트랜스포머 T₁을 포함한다. 이 실시예에서, 수동 스위칭 회로는 1차 권선 L_p와 직렬로 된 스파크 갭 S_P를 포함한다.

트랜스포머 T₁은 바람직하게는, 다이오드 D_s를 통해 출력에 연결된 2차 권선을 가진다. 대안적으로는, 이 기술 분야의 숙련자들에게 분명한 바와 같이, 전파 정류 다이오드 망과 같은 추가적인 회로망(미도시)이 2차 권선이 음으로 극화(polarised)되는 이벤트에서 로드에 전류를 전달하도록 출력에 상기 2차 권선을 연결하기 위해 사용될 수 있다.

대안적으로는, 정류 다이오드들을 통해 출력에 연결되는 중앙-탭핑형 2차 권선과 같은 다른 정류 토폴로지들이 예컨대, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 사용될 수 있다.

초기에는, 커패시터 C_in 상의 작은 전압 V_in만으로 스파크 갭 S_P은 1차 권선 L_p를 통해 흐르는 전류를 방지하는 개방 회로로서 동작한다.

입력 전압 V_in이 제1 임계(이 경우에서, 스파크 갭의 파괴 전압, 예컨대, 약 1kV)를 초과할 때, 스파크 갭 S_P는 파괴되어 전류를 전도시킬 것이다. 즉, 갭의 전기적 저항을 대폭 감소시키는 이온화된 공기는 상기 갭 양단의 전도 경로를 생성한다.

일단 스파크 갭 S_P가 파괴되면, 저-저항 전도 경로가 형성되고, 입력은 1차 권선 L_P에 연결된다. 스파크 갭 S_P은 일단 입력이 제2 임계 미만으로 떨어지면(이 경우에서, 스파크 갭을 통하는 전류는 상기 스파크 갭의 유지 전류 미만으로 떨어진다) 전도를 야기한다.

전류가 스파크 갭 S_P을 통해 전도되고, 커패시터 C_in는 인덕턴스 L_p로 표시된 1차 권선 L_p를 통해 방전된다. 이는 커패시티브 로드 C_L을 차징하는 2차 권선 L_s1에 양의 전압을 유발한다. 출력 전압은 제1 임계(예컨대, 스파크 갭 S_P의 파괴 전압) 및 트랜스포머 T₁의 권선비 n에 크게 좌우될 것이다. 스파크 갭의 파괴 전압은 예컨대, 갭(즉, 거리), 전극들 사이의 가스 및 전극들의 기하학적 구조(geometry)에 좌우된다.

커패시터 C_in이 충분히 방전될 때, 트랜스포머 T₁에 저장된 에너지는 전류가 1차 권선 L_p 및 스파크 갭 S_P를 통해 계속 흐르도록 할 것이다. 이는 커패시터 C_in을 음의 전압으로 차징할 것이다. 음의 전압은 또한, 2차 권선에서 유도될 것이며, 상기 2차 권선은 전파 정류 회로가 출력에 상기 2차 권선을 연결하기 위해 사용되는 경우 로드 C_L을 더 차징하기 위해 사용될 수 있다.

일단, 트랜스포머 T₁이 저장된 에너지 모두를 릴리즈(release)했다면, 1차 권선 L_p를 통한 전류 흐름이 야기될 것이고, 스파크 갭 S_P는 비-전도 개방 회로 상태에 진입할 것이다.

커패시터 C_in은 사이클의 끝에서 음으로 차징되며 이는 DEG의 동작에 문제를 야기할 수 있다. 그러나, 이 음의 전압 V_in은 DEG를 상당한 음의 전압을 발생시키도록 준비된 재 프라이밍된 DEG로서 DEG를 취급함으로써 이용될 수 있다. 이 경우, 미러 컨버터(mirrored converter)가 로드 C_L에 공급하기 위한 음의 전압을 변환하도록 요구될 수 있다.

대안적으로는, 음의 전압은 실질적으로 방지될 수 있다. 예를 들어, 재순환 다이오드(recirculation diode) D_p가 1차 권선 L_p를 통해 트랜스포머 T₁에 저장된 어떤 에너지를 재순환 및 "소각"(burn off)하기 위해 도 5에 도시된 바와 같이 1차 권선 L_p와 병렬로 제공될 수 있다.

본 발명의 회로의 추가 잠재적 응용은 발명의 명칭이 "Transformer and priming circuit therefore"인 국제 출원 공개번호 제WO 2011/005123호에 개시된 바와 같은 DEG들을 위한 자가-프라이밍 회로를 참조하여 하기에 기술될 것이다. 여기에 개시된 자가-프라이밍 회로는 반복적인 역학적 진동들로부터 DEG의 전압을 수동으로 부스팅시킬 수 있다. 적은 볼트의 작은 초기 전압이 수 키로볼트까지 부스팅될 수 있다. 이는 고전압 전자 기기가 초기 고전압 차징을 제공할 필요가 없게 한다. 그러나, 전압이 너무 높게 상승될 때 유전 파괴를 회피하기 위해 에너지가 DEG로부터 추출되어야만 한다.

도 4 및 5를 참조하여 상기에 기술된 컨버터 회로는 입력 커패시터를 완전히 방전시키는 바, 이는 자가 프라이밍 DEG에 바람직하지 않다. 이 문제는 DEG와 컨버터 사이의 버퍼 회로에 의해 개선될 수 있고, 상기 버퍼 회로는 C_in이 완전히 방전되는 것을 방지한다. 예를 들어, 도 6에서, RC(저항-커패시터) 망이 C_in이 완전히 방전되는 것을 방지하기 위해 DEG와 컨버터 사이의 버퍼로서 사용된다. 상기 버퍼 저항 R₁은 버퍼 커패시터 C₁이 커패시터 C_in으로 다시 표시된 DEG로부터 차징되는 속도를 늦춘다. 일단 C₁이 제1 임계 전압으로 차징되면, C₁은 트랜스포머 T₁을 통해 완전히 방전되며, C_in은 크게 영향을 받지 않고 유지된다. 그 다음, 스파크 갭 S_P는 비-전도 상태로 되돌아올 것이며, C₁이 다시 차징되게 할 수 있다. 이는 DEG가 높은 전압에서 동작함에 따라 보다 효과적으로 에너지를 발생시키도록 할 수 있다.

도 7은 1Hz의 주파수에서 역학적으로 진동되는, 자가 프라이밍 회로를 가진 DEG에 연결된 이 회로에 대한 입력 전압 V_in 파형을 도시한다. 자가 프라이밍 회로는 다수의 사이클들에 걸쳐 DEG 상의 전압 V_in을 수동으로 증가시킨다. 그 다음, 본 발명의 스텝-다운 컨버터는 V_in이 제1 임계를 초과하여 상승할 때마다 DEG로부터 에너지를 인출하여, 전압이 약 1kV를 초과하게 되는 것을 방지한다. 컨버터는 DEG로 하여금 재차징하도록 하는 제2 전압(이 경우, 약 500V) 미만으로 입력 전압 V_in이 떨어질 때 연결 해제(decouple)된다.

또한, 도 8 내지 11의 간략화된 예시적인 파형들이 도 6의 회로의 동작을 예시한다. 도 8은 DEG의 커패시턴스 C_in을 도시한다. 도 9는 DEG의 입력 전압 또는 전압 V_in을 도시한다. 도 10은 버퍼 커패시터 C₁의 전압 V_c1을 도시하며, 도 11은 1차 권선 L_p를 통해 흐르는 전류 I_Lp를 도시한다. 이 도해들로부터, V_c1이 1kV를 초과하여 상승할 때, 회로는 출력에서 (스텝-다운 트랜스포머가 사용됨을 가정하여) 낮은 전압 펄스를 생성하는 전류 펄스의 형태로 L_p를 통해 C₁을 방전시킨다. 입력 전압 V_in은 버퍼 내의 저항 R₁으로 인해 현저하게 영향을 받지 않는다. 일단, 스파크 갭 S_P를 통한 전류가 상기 스파크 갭의 유지 전류 미만으로 드롭되면, 수동 스위치(스파크 갭 S_p)는 턴 오프되고, C₁은 다시 차징되기 시작한다. 이는 DEG 커패시턴스가 감소하는 것을 멈출 때까지 반복된다.

비록, 상기에 기술된 본 발명의 실시예들이 스파크 갭을 수동 스위칭 요소로서 사용하지만, 대안적인 수동 스위칭 요소들 또는 회로들이 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 가능하다.

적절한 수동 스위치는 이상적으로는, 스위치 양단의 전압이 특정한 임계를 초과하여 상승할 때 전도하기 시작한다. 이는 에너지 전달을 시작하기 위한 자가-트리거로서 역할하며, 또한 유전 파괴를 회피하기 위해 DEG에 수동 과도-전압 보호를 제공할 수 있다. 스위치는 또한, 스위치를 통해 흐르는 전류 (또는 스위치 양단의 전압)이 제2 임계 미만으로 떨어질 때 전도하는 것을 멈출 수 있다. 손실을 최소화하기 위해, 스위치는 자신이 비 전도 상태에 있을 때 낮은 누설 전류를 가져야만 하며, 자신이 전도 상태에 있을 때 낮은 전압 드롭을 가져야만 한다. 스위칭 속도는 C_in이 완전히 방전되는데 소요되는 시간보다 현저하게 빨라야만 한다. 이상적으로는, 제1 임계는 제2 임계보다 높아야만 하며, 그럼으로써 컨버터는 히스테리시스(hysteresis)의 특성을 가져서 스위칭 요소 또는 회로는 전압이 제1 임게 미만이지만 제2 임계 미만이 아닌 전압으로 떨어질 때 계속 전도된다.

수동 스위치 또는 스위칭 회로로서 사용될 수 있는 다수의 요소들 및/또는 구성들이 존재한다. 상기에 기술된 스파크 갭 구성에 더하여, 다른 적절한 수동 스위치들은 브레이크오버 다이오드들, 방전 튜브들, 스파크 갭들 및 브레이크오버 다이오드들로서 사용되는 플로팅 게이트 단자들을 가진 사이리스터들을 포함한다.

예를 들어, 도 12는 사이리스터 S_p1 및 애벌란시 다이오드 D_p1의 조합을 포함하는 본 발명의 대안적인 실시예를 도시하며, 여기서 C_in(또는 버퍼가 사용되는 경우 C₁)의 양의 단자와 사이리스터 S_p1의 게이트와의 사이에 연결된 애벌란시 다이오드는 사이리스터를 수동으로 제어하도록 하는 수동 스위치로서 사용된다. 애벌란시 다이오드 양단의 전압이 제1 임계에 도달할 때, 상기 애벌란시 다이오드는 파괴되어, 전류가 사이리스터의 게이트로 흐르게끔 하며, 그럼으로써 전도성 "온(on)" 상태에 진입하도록 상기 사이리스터를 트리거링한다. 애벌란시 다이오드 D_p1은 일단 역전압이 제1 임계 전압 미만으로 드롭되면 전도를 야기할 것이다. 그러나, 사이리스터 S_p1은 입력이 제2 임계 미만으로 떨어질 때까지 순방향으로 계속 전도할 것이다. 이 경우, 제2 임계는 사이리스터의 유지 전류(예컨대, 5mA)이다.

스파크 갭은 일부 경우들에서 낮은 비용 및 낮은 누설 전류로 인해 사이리스터 및 애벌란시 다이오드 구성에 대해 선호될 수 있다. 다른 응용들에서, 애벌란시 다이오드를 가지든 플로팅 게이트 단자를 가지든 사이리스터 구성은 예컨대 전자기 노이즈을 감소시키고 그리고/또는 반복도(repeatability)를 개선시키기 위해 선호될 수 있다.

입력 및 1차 권선 L_p와 직렬로 된 브레이크오버 다이오드를 수동 스위칭 회로로서 포함하는 본 발명에 따른 추가의 대안적인 컨버터 회로가 도 13에 예로서 도시된다.

트랜스포머보다는 인덕터에 기반한 변환 회로를 포함하는 본 발명에 따른 또 다른 대안적인 컨버터 회로가 도 14에서 예로서 도시된다. (이 도면에서 표준 역학적 스위치 심볼로 표시되지만 전술된 것 또는 균등한 수동 스위치들 중 어느 것을 포함할 수 있는) 수동 스위칭 요소 S₁은 입력 전압이 제1 임계에 도달할 때 인덕터 L₁에 입력 C_in을 연결한다. 에너지는 인덕터 L₁에 저장되고, 상기 에너지는 요구되는 전압에서 출력 C_L에 릴리즈된다. 역 차단 다이오드 D₁은 에너지가 변환 회로로부터 입력 C_in에 리턴되는 것을 방지한다. 프리휠링 다이오드 D₂는 수동 스위치가 전도를 중단할 때 인덕터 L₁ 양단에 나타나는 큰 음의 전압 스파이크를 방지한다.

본 발명의 수동으로 스위칭되는 단방향 컨버터의 다른 가능한 응용들은 입력 전압이 제1 임계를 초과할 때 낮은 또는 높은 전압 펄스를 발생시킴으로써 전압 임계 검출기로서 컨버터를 사용하는 것; 유전 엘라스토머 액츄에이터(DEA)를 액츄에이트 시키는 데 사용되는, 일반적으로 낭비되는 에너지를 회수하는 것; 그리고 두 개의 DEA들/DEG들 사이에 에너지를 전달하는 것을 포함한다.

본 발명의 단 방향 수동 컨버터는 또한, 요구되는 경우 양 방향 컨버터를 생성하기 위해 제2 컨버터와 결합될 수 있다. 따라서, 양 방향 컨버터는 능동 컨버터와 결합된 수동 컨버터를 포함한다. 능동 컨버터는 바람직하게는, 전압 멀티플라이어를 포함할 수 있는 정류기를 포함한다.

컨버터가 양 방향임에 따라, 용어 "1차" 및 "2차"는 트랜스포머의 2 개의 권선에 임의로(arbitrarily) 적용될 수 있거나 또는 파워 변환의 방향에 종속적일 수 있다. 그러나, 다음의 설명의 목적을 위해, 용어들은 본 발명의 앞선 단 방향 컨버터 실시예들의 설명과 일관되게 적용된다.

본 발명에 따른 양 방향 컨버터의 예시적 실시예가 도 15에 도시된다. 양 방향 컨버터는 다이오드들 D₅, D₆ 및 D₇, 커패시터 C₃ 및 제어가능한 스위치 S_fly를 포함하는 추가적인 컴포넌트들과 함께 도 6의 수동 단 방향 컨버터 실시예를 포함한다. 이 선호되는 실시예에서 하기에 보다 상세히 기술되는 바와 같이 추가적인 컴포넌트들이 플라이백 컨버터 및 트랜스포머 T₁을 가진 전압 멀티플라이어를 형성한다. 특히, 이 선호되는 실시예에서 트랜스포머 T₁, 커패시터들 C₁ 및 C₃ 그리고 다이오드들 D₅ 및 D₆는 그라이나헤르 전압 더블링 정류기를 형성한다.

대안적으로는, 다른 타입의 능동 컨버터가 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 사용될 수 있지만, 플라이백 컨버터가 간략성 및 저비용으로 인해 선호된다. 스파크-갭 S_P는 또한, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 상기에 논의된 바와 같이 대안적인 수동 스위치로 교체될 수 있다.

양 방향 컨버터의 선호되는 실시예를 포함하는 DEG 시스템이 WO 2011/005123에 개시된 바와 같이 (커패시터들 C₁ 및 C₂ 그리고 다이오드들 D₁, D₂ 및 D₃를 포함하는) 단일 스테이지 자가-프라이밍 회로 및 병렬 DEG에 연결되어 도 16에 도시된다. 이 시스템에서, 수동 컨버터는 DEG로부터 고전압 에너지를 추출하고 이 에너지를 저전압에서 스토리지 커패시터 C_storage에 공급하기 위한 스텝-다운 컨버터를 형성한다. 플라이백 컨버터는 스토리지 커패시터 C_storage 양단의 전압을 스텝 업시키고 DEG 및 자가-프라이밍 회로에 고전압 전기 에너지를 공급함으로써 DEG를 프라이밍하도록 하는 스텝-업 컨버터를 형성한다.

비록 양 방향 컨버터가 예로서 스토리지 커패시터 C_storage에 연결되어 도시되지만, 컨버터는 대안적으로 또는 추가적으로는, DEG에 에너지를 공급하고 DEG에 의해 발생되는 에너지를 사용하기 위해 어떤 컴포넌트 또는 회로에 연결될 수 있다.

도 16의 시스템의 동작이 도 17 및 18에 추가로 예시된다. 도 17은 수동 스텝-다운 컨버터가 DEG로부터 전기 에너지를 추출할 때 효과적인 회로를 도시한다. 도 6에 관하여 이전에 기술된 바와 같이, 레지스터 R₁ 및 커피시터 C₄는 DEG가 완전히 방전되는 것을 방지하기 위해 DEG와 수동 스텝-다운 컨버터 사이에 버퍼를 형성한다. 일단, 버퍼 커패시터 C₄가 제1 임계 전압으로 차징되면, 이 버퍼 커패시터는 스토리지 커패시터 C_storage를 차징하기 위해 스파크 갭 S_p 및 트랜스포머 T₁을 통해 충분히 방전되고, DEG는 크게 영향을 받지 않은 채로 유지된다. 그 다음, 스파크 갭 S_p는 비전도 상태로 되돌아갈 것이며, 다시 버퍼 커패시터 C₄가 차징되게 한다.

컨버터가 이 제1 방향으로 동작할 때, 다이오드 D₆는 역방향 바이어스되고, 다이오드 D₄는 순방향 바이어스되며, 따라서, 추가적인 플라이백 컨버터 및 전압 멀티플라이어 컴포넌트들은 상기에 기술된 수동 스텝-다운 트랜스포머의 동작에 영향을 주지 않는다.

도 18은 플라이백 컨버터가 DEG를 프라이밍하기 위해 사용될 때(즉, 전기 에너지가 제2의 반대 방향으로 전달될 때) 효과적인 회로를 도시한다. 제어가능한 플라이백 스위치 S_fly는 트랜스포머 T₁의 2차 권선 L_s를 통해 스토리지 커패시터 C_storage를 선택적으로 방전시키기 위해 구형파(square-wave) 신호로 구동된다.

구형파 신호는 예컨대, 비안정 멀티바이브레이터(multivibrator) 또는 마이크로컨트롤러에 의해 생성될 수 있다. 신호의 주파수 및 듀티 사이클은 바람직하게는 고정되며, 회로는 요구되는 전압까지 DEG를 차징하기 위해 소정 수의 펄스들/진동들을 출력하도록 설계되었다.

스위치 S_fly가 닫힐 때, 전류는 2차 권선 Ls를 통해 증가되고, 트랜스포머에 자속(magnetic flux)을 증가시키며, 1차 권선 L_p에 전압을 유발한다. 1차 권선 L_p에 유발된 전압은 트랜스포머 T1의 권선비 n:1에 의해 스텝 업된다(여기서, n은 2차 권선 Ls의 각각의 턴(turn)에 대한 1차 권선 L_p의 턴들의 수이다). 다이오드 D₆는 순방향 바이어스되고, 따라서 2차 권선 전류는 (이상적인 회로를 가정하여) 1차 권선 L_p에 유발된 전압의 절반까지 커패시터들 C₃ 및 C₄를 차징시킨다. 다이오드 D₅는 역방향 바이어스된다.

그러나, 전압은 스위치 S_fly가 닫힐 때 1차 권선 L_p에서 상대적으로 미미하게 유발된다. 스위치 S_fly가 후속적으로 열릴 때 훨씬 높은 전압이 트랜스포머에 저장된 자기 에너지로부터 생성된다.

스위치 S_fly가 짧은 주기 동안 전도된 이후에 열릴 때, 스토리지 커패시터 C_storage는 2차 권선 L₃로부터 연결 해제된다. 유한한 양의 전류가 이에 앞서 2차 권선 L₃를 통해 흐르며, 이 유한한 양의 전류는 트랜스포머에 저장된 자기 에너지의 양에 관련된다. 2차 권선 L3의 즉각적인 연결 해제는 역 극성으로 2차 권선 L₃ 및 1차 권선 L₂ 둘 모두의 양단에 큰 전압(로드가 존재하지 않고 컴포넌트들이 이상적인 경우 무한히 큰 전압)을 유발시킨다. 다이오드 D₅는 역방향 바이어스되고, 다이오드 D₆는 순방향 바이어스된다. 트랜스포머에 저장된 에너지는 고전압 형태로 C₃에 전달될 것이다. 도달되는 전압은 스위치가 열릴 때 얼마나 많은 에너지가 트랜스포머에 저장되었는지(즉, 얼마나 많은 전류가 2차 권선을 통해 흐르는지)에 의해 결정될 것이다.

트랜스포머에 저장된 에너지에 의해 유발되는 역 전압이 0V로 줄어들 때, C₃의 전압은 다이오드 D₆를 역방향 바이어스할 것이며, 다이오드 D₅를 순방향 바이어스할 것이다. C₃에 저장된 에너지는 C₄에 전달될 것이며, C₄를 고전압으로 차징한다. 이 전압이 DEG의 전압보다 크면, 다이오드 D는 순방향 바이어싱될 것이고, DEG는 차징될 것이다.

DEG 시스템은 비사용의 긴 주기 이후 DEG가 누설을 통해 방전된 이후에, DGE를 재 프라이밍하기 위하여 시스템의 사용자에 의해 수동 동작하기 위한 프라이밍 스위치를 더 포함할 수 있다. 그 후, 파워 발생 및 변환이 어떤 추가의 개입 없이 발생될 것이다. 대안적으로는, 시스템은 예컨대, 알려진 자가-감지 기법들을 이용하여 DEG의 진동을 자동으로 검출하고 DEG의 원-오프(one-off) 재 프라이밍을 자동으로 트리거하도록 구성될 수 있다. 그러나, 이는 파워를 더 소모할 수 있다.

하나 이상의 트랜스포머들을 요하는 어떤 컨버터에서, 트랜스포머들은 언제나, 컨버터의 가장크고 가장 무거운 컴포넌트이다. 본 발명의 양방향 컨버터 및 상기 양 방향 컨버터를 포함하는 DEG 시스템은 제1 방향으로 전압을 스텝 다운하고 제2의 반대 방향으로 전압을 스텝 업시키기 위해 단일 트랜스포머를 사용하며, 따라서 두 개의 트랜스포머들을 요할 수 있는 종래 기술에 비해 현저한 사이즈 및 무게 절감(saving)을 달성한다.

수동 컨버터 및 오직 단일의 능동 컨버터를 갖는 본 발명의 양 방향 컨버터는 또한, 최소의 제어 요건들만을 가지며 상대적으로 단순하다. 이는 시스템의 비용 및 사이즈를 최소화시키고, 따라서 이 시스템은 예컨대 작고 포터블한 에너지 소기 디바이스(energy scavenging device)들에 사용될 수 있다. 따라서, 양 방향 컨버터는 외부 프라이밍 소스의 필요 없이 상대적으로 단순하고 저비용인 자가 프라이밍 유전 엘라스토머 발전기를 가능하게 한다. 즉, DEG에 의해 발생되고 DEG를 프라이밍하기 위해 요구되는 전기 에너지는 (예컨대, 단순한 스토리지 커패시터를 포함할 수 있는) 트랜스포머의 2차 측에 연결된 동일한 회로에 각각 공급되고, 이 회로로부터 소싱(sourced)될 수 있다.

본 발명은 또한, 외부 센서들 없이 DEA의 전기 및/또는 역학 특성들에 관한 피드백을 획득하기 위해 사용될 수 있는 자가-감지 회로들과 호환가능하다. 특히, 본 발명의 수동 및/또는 양 방향 컨버터를 사용하여 DEG를 차징 및/또는 방전시키는 것은 예컨대, 국제 특허 공개 번호 제WO 2010/095960호에 의해 개시된 바와 같이 DEA의 상태의 추정을 이끌어내도록 측정될 수 있는 전압 및 전류 흐름의 변화를 야기시킨다.

도 19는 도 14의 컨버터와 유사한 본 발명에 따른 수동 단 방향 컨버터의 다른 실시예를 도시한다. 이 예에서, 컨버터는 다시, 다른 실시예들의 트랜스포머보다는 인덕터 L₁을 포함한다. 가변 커패시터 C_in은 DEG를 나타내고, 커패시터 C_L은 바람직하게는 큰 저전압 커패시터이다. 그러나, 이 실시예에서, 수동 스위칭 요소 S₁은 브레이크오버 다이오드를 포함하고, 그러므로 도 14의 역 차단 다이오드 D₁은 생략된다.

인덕터 L₁은 DEG가 방전될 때 컨버터 내의 전류를 제한하기에 충분히 클 필요가 있으며, DEG에 맞게 튜닝되어야 한다.

DEG C_in은 스트레칭될 때 차징된다. DEG가 이완될 때, 전압은 상승한다. 일단, DEG 전압이 브레이크오버 다이오드 S₁의 브레이크오버 전압에 도달할 때, 다이오드는 스위칭 온 되고, DEG가 방전될 때까지 전도된다. 커패시터 C_L이 적은 양으로 차징되지만, 결정적으로는 많은 자기 에너지가 인덕터 L₁에 저장된다. 일단, DEG가 방전되면, 인덕터 L₁ 내의 자기 에너지는 전류가 바이패스 다이오드 D₂를 통해 그리고 커패시터 C_L 내로 흐르도록 한다. 이상적인 시스템에서, 에너지는 보존되며, 따라서 저전압 커패시터 CL은 결국, DEG로부터의 모든 에너지를 포함하게 된다. 실제로는, 회로에 손실들이 존재하고, 따라서 에너지의 모두가 전달되지는 않을 것이다. 초기 프로토타입(early prototype)들은 에너지의 절반 이상이 전달될 수 있음을 보여왔으나, 큰 효율이 주의 깊은 설계 및 컴포넌트 선택으로 달성될 수 있음이 예상된다.

따라서, 이 회로는 세 개의 컴포넌트들(브레이크오버 다이오드, 바이패스 다이오드 및 스텝-다운 인턱터) 만큼 적은 컴포넌트들을 사용하여 DEG와 같은 고전압 커패시터로부터 저전압 스토리지 커패시터로의 에너지의 효율적인 전달을 달성할 수 있다. 컨버터는 임계 전압에 도달될 때 자동적으로 트리거되고, 인덕티브 컴포넌트의 요구되는 사이즈를 감소시키기 위해 인덕티브 스텝 다운 대신 커패시티브를 사용한다. 이는 또한, 높은 누설 전류의 다이오드로도 잘 작동한다. 적은 수의 컴포넌트들뿐만 아니라 이들의 성능의 완화된 요건들 때문에 회로는 포터블한 발전기 디바이스에서 에너지를 효율적으로 스텝 다운시키기 위한 컴팩트하며 상대적으로 저렴한 방식이다.

도 20은 도 19의 실시예의 변형을 도시하는 바, 여기서 컨버터 회로는 공급 전압에 연결되고, 이 공급 전압은 효율을 증가시키기 위해 저전압 커패시터 C_L을 초기 값으로 차징시키기 위해 사용될 수 있다. 컨버터의 효율은 다이오드들 및 다른 기생 레지스턴스들로 인한 손실 전압들에 대한 출력 커패시터 C_L 전압의 비에 의해 부분적으로 결정된다.

도 21은 도 19의 실시예의 다른 유사한 변형인 바, 여기서 컨버터는 배터리 V_battery에 직접적으로 연결되고, V_battery는 DEG에 의해 차징되며 또한 출력 단자 V_out을 통해 다른 회로 또는 컴포넌트에 파워를 잠재적으로 공급한다. 배터리의 초기 레지스턴스에 따라, 컨버터가 공급할 고 전류를 받아들이기 위해 어떤 종류의 배터리/커패시터 결합이 필요로될 수 있다.

도 19의 컨버터의 예시적 응용이 일정한 전하 수확 회로의 형태로 도 22의 도해에 제공된다. 회로는 네 개의 유전 엘라스토머 발전기들(DEG1 내지 DEG4) 및 본 발명에 따른 (DEG1에 연결된 L₁, D₁ 및 S₁ 그리고 DEG 4에 연결된 L₂, D₂ 및 S₂를 각각 포함하는) 두 개의 컨버터들을 포함한다.

이 회로에서, DEG들 1 및 2는 DEG들 3 및 4와 이상(out of phase)이 되도록 물리적으로 배치된다. 즉, DEG들 1 및 2는 DEG들 3 및 4가 높은 커패시턴스로부터 낮은 커패시턴스로 변함(move)과 동시에 낮은 커패시턴스로부터 높은 커패시턴스로 변한다. 커패시턴스의 차이는 회로가 작동하도록 두 배(factor of two) 보다 커야만 한다.

DEG들 1 및 2가 높은 커패시턴스 상태로 모두 차징될 때, DEG들 3 및 4는 낮은 커패시턴스 상태에 있고, 이들 상에 어떤 차징도 없다. 발전기가 DEG 1 및 2를 변형시킴에 따라, 둘 모두는 낮은 커패시턴스 상태를 향해 이완되고, 이들 상의 전압은 올라간다. 어떤 지점에서, 전압이 브레이크오버 다이오드들 S₁ 및 S₂의 전압을 초과하고, DEG1은 저전압 출력 커패시터 C₁ 내로 방전된다. DEG2는 직렬 구성으로 된 DEG3 및 DEG4 내로 방전된다. 중앙 인덕터 L₃는 효율적이고 전체적인 전하 전달이 이루어지게끔 한다. 그 다음, 발전기 변형의 방향은 역방향이되고, 이러한 사이클이 계속된다. 이 수확기는 스텝-다운 컨버터들에 동일하거나 또는 큰 사이즈의 차징 패키지를 출력할 때마다 고전압 차징의 패킷을 뒤로 그리고 앞으로 패스하는 DEG들의 중앙 쌍으로서 보여질 수 있다. 스텝-다운 컨버터 회로들은 차징 패킷의 에너지를 스텝 다운시키기 전에 부스팅시킨다. 이 방식으로, 발전기는 저전압으로부터 DEG들을 재 프라이밍할 필요 없이 또는 제한 스위치들, 능동 스위치들, 마이크로컨트롤러들 또는 보호 회로들에 대한 필요 없이 매우 효율적인 일정한 차징 사이클을 따른다. 즉, 에너지 수확 회로는 스텝-다운 회로뿐만 아니라 수동 컨버터의 브레이크오버 다이오드들이 에너지 전달 메커니즘뿐만 아니라 (DEG에 연결될 때) 변형 센서들로서 역할하는 방식으로 이들의 장점을 취한다.

따라서, 도 22의 회로는 쌍들 및 반대 상(counter phase)으로 동작하는 네 개의 유전 엘라스토머 발전기들로부터 에너지를 수확한다. 회로는 발전기를 위한 재 프라이밍 전하가 고전압 형태로 저장되는 주된 특징을 갖는 일정한 차징 사이클을 이용한다. 이는 대부분의 손실들이 고전압 에너지와 저전압 에너지 사이의 변환에 도입되기 때문에 시스템의 효율을 향상시킨다. 이 회로의 주요한 장점은 이 회로가 능동 스위칭, 감지 및 제어에 대한 필요 없이 완전하게 작동한다는 것이다. 이는 상기 회로를 종래 기술의 낮은 파워 수확 회로들보다 컴팩트하고, 저렴하며 효율적이게 하며, 따라서 포터블한 파워 발생에 보다 적합하게 한다.

이 회로는 또한, 인덕터를 제거하기 위해 일 측을 단일의 DEG와 교체함으로써 수정될 수 있다.

출력 커패시터들 C₁ 및 C₂에 의한 저장을 위해 에너지를 변환하기 보다는, 컨버터들은 대안적으로는, 예컨대 도 23에 도시된 바와 같이 배터리들 V_battery1 및 V_battery2를 차징하도록 될 수 있다.

도 19 내지 23의 회로들(및 잠재적으로는 이전에 기술된 본 발명의 다른 실시예들)은 예컨대, 스마트 의류(smart apparel) 또는 분산형 센서들에서 인공 근육 또는 유전 엘라스토머 발전기들로부터의 파워의 효율적인 발생을 위해 사용될 수 있다. 특별한 응용들은 예컨대, 셀 폰들, 자가-파워식 의료 모니터들, 또는 가열, 냉각, 적응 또는 조명식 신발에 대한 범위 확장(range extender)을 포함할 수 있다.

도 24는 본 발명에 따른 회로의 특별한 실시예를 도시하는 바, 이 실시예는 예컨대, 저항성 히터들 R₁ 및 R₂에 파워를 공급하기 위해 사용될 수 있다. 저항성 주울 히터들은 출력 커패시터들 C₁ 및 C₂를 교체한다. 이 히터 회로는 도 22의 수확 회로를 사용하지만, 파워를 스텝 다운시키는 대신 상기 파워는 열로 직접적으로 변환된다. 그러므로, 인덕터들 L₁ 및 L₂ 그리고 프리휠 다이오드들 D₁ 및 D₂를 포함하는 도 22의 회로의 스텝 다운 섹션들은 생략된다. 이는 예컨대, 신발 또는 다른 능동적으로 보온되는 의류에 대한 열 발전기를 생성하기 위한 세련된 방식이다. 또한, 능동 제어, 감지 또는 스위치들이 필요 없다.

이 예시적 회로는 (예컨대, 걷거나 뛰는 동안의 뒤꿈치 충격(heel strike)을 변형함으로써 에너지를 발생시키기 위해 신발 뒤축에 제공되는) DEG로부터 열을 발생시키는 컴팩트하고 효율적인 수단을 제공하며, 손실들이 단순히 많은 열을 생성한다는 추가적인 보너스를 가진다.

주목된 차이점들 외에, 그렇지 않은 경우, 도 23 및 24의 회로들은 상기에 보다 상세히 기술되는 바와 같은 도 22의 회로와 유사하게 동작한다.

추가의 실시예들에서, 본 발명은 시간 변화 파워 서플라이를 위한 수동 컨버터 회로를 제공한다. 시간-변화 파워 서플라이는 시간 특성을 가진다. 독자(readr)는 다양한 응용들에 대한 다양한 시간 특성들을 알고 있을 것이다. 예를 들어, 응용은 특성 평균 주기로 시뮬레이션되는 DEG들일 수 있다. 상기 DEG는 사람들의 집단의 걷기 모션으로부터 에너지 소기(energy scavenging)를 위한 사용을 위해 설계될 수 있고, 발걸음의 특성 힘(characteristic force) 및/또는 주기가 존재할 수 있다. DEG 출력은 또한, 컨버터 회로를 통해 방전하는 DEG에 대한 특성 커패시턴스 또는 커패시턴스들의 범위 및 특성 시정수를 가질 수 있다. 시간 특성들의 추가의 예들 또는 파라미터들이 독자에게 분명할 것이다.

또다른 실시예들에서, 수동 컨버터는 로드 또는 파워 스토리지 디바이스와 관련된 커패시턴스와 직렬로 된 인덕턴스를 포함한다. 인덕턴스 및/또는 커패시턴스는 파워 서플라이의 시간-특성에 대해 선택될 수 있어서, 로드 또는 파워 스토리지 디바이스의 양단의 전압은 소정 전압에 있거나 또는 전압들의 범위 내에 있다. 일 실시예에서, 전압은 인덕턴스, 커패시턴스 및 공급 신호의 시간 파라미터에 의해 결정된다. 독자가 이해하는 바와 같이, 직렬의 디바이스들을 통한 동일한 전류를 구함으로써 소정 전압 또는 전압들의 범위에 대해 적절한 인덕턴스 또는 커패시턴스 또는 이들의 조합을 결정할 수 있을 것이다. 이 실시예들은 낮은 복잡도의 컨버터 회로를 사용하기 위해 공급의 시간-변화 특성들의 장점을 취한다.

추가의 실시예들에서, 본 명세서에 기술된 회로들에는, 다이오드들 양단의 차징 방지 전압들의 축적(build-up)이 다이오드에서 브레이크오버 또는 다른 효과들을 야기하기에 충분해지는 것을 방지하기 위해 DEG 상의 고전압을 방전시키도록 하는 수동 스위치가 제공된다. 이 스위치들은 소정 응용들이 때때로, 가령, 어떤 마진(margin) 만큼 평균보다 발의 충격이 강해질 때 스위칭하도록 구성될 수 있다.

상기로부터, 제한된 에너지의 낮은 파워 DC 소스들로부터 에너지를 변환함에 있어서 종래 기술의 능동으로 스위칭되는 컨버터에 비해 현저한 장점들을 제공하는 수동으로 스위칭되는 컨버터가 제공됨이 보여질 것이다. 특히, 컨버터는 능동 컨포넌트들을 위한 어떠한 외부 또는 기생 파워 서플라이도 요하지 않으며, 상대적으로 적은 수동 컨포넌트들을 요한다. 그러므로, 컨버터는 경량이고 저렴하며, 특히 저-전압 로드에 파워를 공급하기 위해 작은 스케일의 유전 엘라스토머 발전기와 사용하기에 적절하다. 오직 최소의 제어 요건들로 양 방향 변환을 달성하기 위해 동일한 트랜스포머를 사용하는 상대적으로 단순한 회로에 능동 컨버터와 수동으로 스위칭되는 컨버터를 결합하여 양 방향 컨버터 회로가 또한 제공된다. 능동 제어, 감지 또는 스위칭에 대한 필요를 없앤 수동 컨버터를 포함하는 신규한 에너지 수확 및 가열 회로들이 또한 개시된다.

비록, 본 발명이 예로서 그리고 이의 가능한 실시예들 및 예시적 응용들을 참조하여 기술되었지만, 수정들 또는 개선들이 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 여기에 이루어질 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 수동 컨버터를 포함하는 회로들은 출력 커패시터 또는 배터리의 과도 차징을 회피하기 위해 추가적인 회로망을 포함하고 그리고/또는 전하 축적 및 DEG들 사이의 브레이크오버 다이오드들 양단의 전압을 감소시키는 것을 방지하기 위해 시간 마다 지면(earth)에 EDG를 단락시키도록 역학적으로 활성화될 수 있는 스위치들을 포함함으로써 수정될 수 있다. 또한, 본 발명은 넓게는, 상기 부분들, 요소들 또는 특징들 중 둘 이상의 어떠한 또는 모든 조합들에서 개별적으로 또는 집합적으로 응용의 명세를 참조하거나 또는 여기에 나타내지는 부분들, 요소들 및 특징들로 구성된다고 할 수 있다. 더욱이, 참조가 알려진 균등물을 가지는 본 발명의 특정한 컴포넌트들 또는 완전체(integer)들에 대해 이루어진 경우, 이러한 균등물들은 개별적으로 제시되는 것처럼 여기에 통합된다.

문맥이 달리 명확하게 요하지 않으면, 상세한 설명 전반의 단어들 "포함한다", "포함하는" 및 기타 등등은 배타적이거나 완전한 의미와 반대되는 것로서 포괄적인 의미로 해석되며, 다시 말해 "포함하지만 이에 제한되지는 않는"의 의미로 해석되어야 한다.

명세서 전반의 종래 기술의 어떠한 논의는 어떤 방식으로도, 이러한 종래 기술이 널리 알려지거나 또는 이 기술 분야의 보통의 일반적인 지식의 부분을 형성함을 인정하는 것으로서 고려되어서는 안 된다.

Claims (23)

1. 수동 컨버터(passive converter)로서,
   상기 수동 컨버터는 간헐적(intermittent) 또는 가변 파워 소스로의 전기적 연결(electrical coupling)을 위한 입력, 로드(load)로의 전기적 연결을 위한 출력, 및 상기 입력의 제1 전압 레벨을 상기 출력에 적절한 제2 전압 레벨로 변환하기 위한 변환 회로를 포함하고, 여기서 상기 변환 회로는 상기 입력이 제1 임계(threshold)를 초과할 때 상기 출력에 상기 입력을 수동으로 연결하고, 상기 입력이 제2 임계 미만으로 떨어질 때 상기 출력으로부터 상기 입력을 연결 해제(decouple)하도록 된 것을 특징으로 하는 수동 컨버터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 임계는 임계 전압을 포함하고, 상기 제2 임계는 임계 전류를 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 컨버터.
3. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 변환 회로는 상기 출력에 수동 스위칭 회로를 연결하는 트랜스포머(transformer)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 컨버터.
4. 제3항에 있어서,
   상기 수동 스위칭 회로는 상기 입력이 상기 임계 전압을 초과할 때, 상기 트랜스포머의 1차 권선(primary winding)에 상기 입력을 연결하며, 상기 트랜스포머의 2차 권선은 상기 출력에 연결되는 것을 특징으로 하는 수동 컨버터.
5. 제4항에 있어서,
   상기 트랜스포머의 2차 권선은 다이오드 또는 전파 정류기(full-wave rectifier)를 통해 상기 출력에 연결되는 것을 특징으로 하는 수동 컨버터.
6. 제4항에 있어서,
   상기 트랜스포머의 2차 권선은 제1 및 제2 반 권선(half winding)들을 포함하는 중앙-탭핑형 권선(centre-tapped winding)으로 구성되고, 상기 제1 및 제2 반 권선들은 중앙-탭핑형 전파 정류기를 형성하는 다이오드들의 쌍을 통해 상기 출력에 연결되는 것을 특징으로 하는 수동 컨버터.
7. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 변환 회로는 상기 출력에 수동 스위칭 회로를 연결하는 인덕터 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 컨버터.
8. 제7항에 있어서,
   상기 인덕터 회로는 프리휠링 다이오드(freewheeling diode) 및 역 차단 다이오드(reverse blocking diode)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 컨버터.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 스위칭 회로는 스파크 갭(spark gap)을 포함하며, 그럼으로써 상기 제1 임계는 상기 스파크 갭의 파괴 전압(breakdown voltage)을 포함하고, 상기 제2 임계는 상기 스파크 갭의 유지 전류(holding current)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 컨버터.
10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 회로는 상기 트랜스포머의 1차 권선과 직렬로 된 사이리스터(thyristor), 및 상기 입력의 양의 단자(positive terminal)와 상기 사이리스터의 게이트와의 사이에 연결된 애벌란시 다이오드(avalanche diode)를 포함하며, 그럼으로써 상기 제1 임계는 상기 애벌란시 다이오드의 파괴 전압을 포함하고, 상기 제2 임계는 사이 사이리스터의 유지 전류를 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 컨버터.
11. 제1항 또는 제2항 또는 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 회로는 인덕터 및 바이패스 다이오드와 연결된 브레이크오버 다이오드를 포함하며, 그럼으로써 상기 제1 임계는 파괴 전압을 포함하고, 상기 제2 임계는 상기 브레이크오버 다이오드의 유지 전류를 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 컨버터.
12. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 회로는 스파크 갭들, 사이리스터들 및 애벌란시 다이오드들, 브레이크오버 다이오드들, 방전 튜브들 및 브레이크오버 다이오드들로서 동작하는 사이리스터들을 포함하는 그룹으로부터 선택된 컴포넌트를 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는 수동 컨버터.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨버터는 상기 입력과 상기 변환 회로와의 사이에 버퍼 회로를 더 포함하고, 상기 버퍼 회로는 RC 망(network)을 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 컨버터.
14. 제1 방향으로 파워를 변환하기 위한 청구항 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 수동 컨버터, 및 제2의 반대 방향으로 파워를 변환하기 위한 능동 컨버터를 포함하는 양 방향 컨버터.
15. 제14항에 있어서,
    상기 양 방향 컨버터는 상기 수동 컨버터 및 능동 컨버터 모두와 관련된 트랜스포머를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양 방향 컨버터.
16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 능동 컨버터는 플라이백 컨버터(flyback converter)를 포함하는 것을 특징으로 하는 양 방향 컨버터.
17. 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수동 컨버터는 스텝-다운 컨버터를 포함하고, 상기 능동 컨버터는 스텝-업 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 양 방향 컨버터.
18. 청구항 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 수동 컨버터에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 유전 엘라스토머 발전기(DEG: dielectric elastomer generator)를 포함하는 DEG 시스템.
19. 제18항에 있어서,
    반대 상(counter phase)으로 동작하도록 된 두 쌍들이 DEG들 및 두 개의 수동 컨버터들을 포함하며, DEG들의 각각의 쌍은 직렬로 제공되고 상기 수동 컨버터들 중 하나의 입력에 연결되며, DEG들의 각각의 쌍은 인덕터 및 브레이크오버 다이오드들의 쌍에 의해 서로와 연결되는 것을 특징으로 하는 DEG 시스템.
20. 제19항에 있어서,
    상기 수동 컨버터들 각각은 브레이크오버 다이오드를 수동 스위칭 회로로서 포함하는 것을 특징으로 하는 DEG 시스템.
21. 제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수동 컨버터들의 출력은 커패시터 또는 배터리 또는 저항에 연결되는 것을 특징으로 하는 DEG 시스템.
22. 청구항 제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 양 방향 컨버터에 전기적으로 연결된 DEG를 포함하는 DEG 시스템.
23. 제22항에 있어서,
    상기 DEG와 병렬로 된 자가-프라이밍(self-priming) 회로 및 양 방향 컨버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DEG 시스템.

Images