KR20190102384A - Rectification device for energy harvester - Google Patents

Rectification device for energy harvester Download PDF

Info

Publication number
KR20190102384A
KR20190102384A KR1020180022697A KR20180022697A KR20190102384A KR 20190102384 A KR20190102384 A KR 20190102384A KR 1020180022697 A KR1020180022697 A KR 1020180022697A KR 20180022697 A KR20180022697 A KR 20180022697A KR 20190102384 A KR20190102384 A KR 20190102384A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
switch
time point
time
output voltage
energy harvester
Prior art date
Application number
KR1020180022697A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102467527B1 (en
Inventor
이경호
김기현
김종현
Original Assignee
한국전기연구원
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 한국전기연구원 filed Critical 한국전기연구원
Priority to KR1020180022697A priority Critical patent/KR102467527B1/en
Priority to PCT/KR2019/001194 priority patent/WO2019164147A1/en
Publication of KR20190102384A publication Critical patent/KR20190102384A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102467527B1 publication Critical patent/KR102467527B1/en

Links

Images

Classifications

    • 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
    • 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
    • H02M7/06—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes without control electrode or semiconductor devices without control electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/181—Circuits; Control arrangements or methods

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Rectifiers (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

The present invention relates to a rectification device which is used for a piezoelectric energy harvesting system. The rectification device comprises: a rectification circuit unit converting alternating current output from an energy harvester into direct current; a switch arranged on both ends of an output terminal of the energy harvester and closing and opening an input terminal of the rectification circuit unit; and a switch control unit using output voltage of the energy harvester and the rectification circuit unit to control an on operation of the switch and using the output voltage of the energy harvester to control an off operation of the switch.

Description

에너지 하베스터를 위한 정류 장치{RECTIFICATION DEVICE FOR ENERGY HARVESTER}Rectifier for energy harvesters {RECTIFICATION DEVICE FOR ENERGY HARVESTER}

본 발명은 에너지 하베스터를 위한 정류 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 압전 에너지 하베스팅 시스템의 전력 효율을 최대화할 수 있는 정류 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a rectifying device for an energy harvester, and more particularly to a rectifying device that can maximize the power efficiency of a piezoelectric energy harvesting system.

에너지 하베스팅(Harvesting)이란 기기 주변의 환경 에너지, 태양과 바람과 같은 자연 에너지를 수거하여 사용한 기술을 말하는 것으로, 버려지거나 활용되지 않은 자원에서 에너지를 수확(Harvesting) 또는 이용할 수 있는 것을 찾아 에너지를 재생산하는 것으로 주로 마이크로 와트(㎼) 내지 밀리 와트(㎽) 정도의 범위를 갖는다.Energy harvesting refers to a technology used to collect environmental energy around the device, natural energy such as the sun and wind, and to harvest energy from resources that are discarded or not used. Reproduction is mainly in the range of microwatts to milliwatts.

에너지 하베스팅은 에너지를 얻기 위해 사용하는 방식에 따라 다양하게 나누어진다. 자연으로부터 에너지를 얻을 수 있는 방식에는 태양광으로부터 에너지를 얻는 솔라셀 방식, 열로부터 전기에너지를 얻는 열전소자 방식, 진동으로부터 전기에너지를 얻는 압전소자 방식, 그리고 전자기파로부터 에너지를 얻는 RF 방식 등이 있다.Energy harvesting is divided in various ways depending on how you use it to get energy. The energy that can be obtained from nature includes a solar cell method for obtaining energy from sunlight, a thermoelectric method for obtaining electric energy from heat, a piezoelectric method for obtaining electric energy from vibration, and an RF method for obtaining energy from electromagnetic waves. .

이러한 에너지 하베스팅 중 가장 대표적인 압전 에너지 하베스팅은 생활 주변의 환경에서 발생하는 미세한 진동, 압력, 충격 등과 같은 기계적인 에너지를 전기 에너지로 변환하는 기술과 이렇게 수확한 에너지를 저장하고 효율적으로 활용하는 일련의 과정을 말한다. Piezoelectric energy harvesting, the most representative of these energy harvesting, is a technology that converts mechanical energy such as minute vibrations, pressures, shocks, etc. generated in the environment around life into electrical energy, and a series of storing and efficiently utilizing the harvested energy. Says the process of.

압전 에너지 하베스팅 시스템은 기계적인 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 압전 하베스터(Piezo Harvester)와, 획득된 전력을 변환 및 관리하는 전력관리회로(Power management circuit)로 구성된다. 도 1의 (a)는 기본적인 압전 에너지 하베스팅 시스템을 나타내는 도면이다. 압전 하베스터는 도시된 것처럼 전류원, 캐패시터, 저항으로 모델링 할 수 있다. 압전 하베스터는 교류 형태로 전력을 생산하기 때문에, 교류를 직류로 변환해 주는 정류기(Full-bridge Rectifier)가 필요하다. 앞서 언급한 전력관리회로는 정류기를 비롯하여 DC-DC 컨버터, 보호회로 등을 포함할 수 있다. 도 1의 (b)는 압전 하베스터에서 획득된 전류(Ip)와 정류기 입력에서 보이는 전압(VBR)을 나타내는 도면이다. 해당 도면에 도시된 바와 같이, 압전 하베스터에서는 일정한 주파수의 진동에 따라서 교류 전류(Ip)가 생성된다. VBR은 Ip가 내부의 캐패시터(CP)를 충전시키는 동안(t0 ~ tOFF) 증가하다가, CP가 완전히 충전된 이후(tOFF ~)에는 더 이상 증가하지 않는다. 이 때부터(tOFF ~) 비로소 Ip는 정류기를 통해서 CRECT 를 충전시킨다. 또한, Ip의 방향이 반대로 되는 시점(tπ)에는 Cp가 방전되기 시작하므로, 전압값이 유지되던 VBR도 감소하기 시작한다. Cp가 완전히 방전되고 반대 전위로 완전히 충전된 이후, Ip는 정류기를 통해서 CRECT 를 충전시킨다. 이와 같이, 에너지 하베스팅으로 생성된 Ip가 압전 하베스터의 내부 캐패시터(CP)를 충/방전 시킨 이후, 정류기 출력 캐패시터인 CRECT 를 충전시킬 수 있기 때문에, 압전 하베스터의 효율을 높이기 위해서는 내부 캐패시터(CP)를 충/방전 시키는데 소모되는 에너지를 줄이는 것이 중요하다.The piezoelectric energy harvesting system consists of a piezo harvester for converting mechanical vibration energy into electrical energy, and a power management circuit for converting and managing the obtained power. 1A is a diagram showing a basic piezoelectric energy harvesting system. Piezoelectric harvesters can be modeled with current sources, capacitors, and resistors as shown. Since piezoelectric harvesters produce power in the form of alternating current, a full-bridge rectifier is needed to convert alternating current into direct current. The aforementioned power management circuit may include a rectifier, a DC-DC converter, a protection circuit, and the like. FIG. 1B is a diagram showing the current I p obtained in the piezoelectric harvester and the voltage V BR seen at the rectifier input. As shown in the figure, in the piezoelectric harvester, an alternating current I p is generated according to a vibration of a constant frequency. V BR increases while I p charges the internal capacitor C P (t 0 to t OFF ), but no longer increases after C P is fully charged (t OFF ~). At this point (t OFF ~), I p charges C RECT through the rectifier. Further, at a time point t π where the direction of I p is reversed, C p starts to be discharged, and thus V BR , in which the voltage value is maintained, also begins to decrease. After C p is fully discharged and fully charged to the opposite potential, I p charges C RECT through the rectifier. As described above, since I p generated by energy harvesting charges / discharges the internal capacitor C P of the piezoelectric harvester, and thus can charge the rectifier output capacitor C RECT , the internal capacitor is required to increase the efficiency of the piezoelectric harvester. It is important to reduce the energy consumed to charge / discharge (C P ).

이러한 문제점들을 해결하기 위한 방안으로, 도 2에 도시된 바와 같은 스위치 정류기(Switch Only Rectifier)가 제안되었다. 스위치 정류기는 Ip의 방향이 반대로 되는 시점(tπ)에 스위치(M1)를 이용하여 VBR을 강제로'0'으로 만드는 방법이다. 이 경우, CP를 방전시키기 위해 소비하는 에너지가 없어지기 때문에, 에너지 손실을 줄일 수 있다. Ip의 방향이 반대로 되는 시점, 즉 Ip의 제로-크로싱(zero-crossing) 지점에서 스위치(M1)를 켜고, VBR이 '0'이 되면 스위치(M1)를 꺼야 한다. 그런데, 스위치(M1)를 끄는 시점을 잘 제어하지 못하면, 정류기의 효율이 떨어지는 문제가 발생한다. 종래의 스위치 정류기는 Ip의 제로-크로싱(zero-crossing) 지점에서 스위치(M1)를 키고 난 후, 끄는 시점을 제어하지 않고 임의의 시간 이후 스위치를 끄기 때문에 효율이 낮아지는 문제가 발생할 수 있다.In order to solve these problems, a switch only rectifier as shown in FIG. 2 has been proposed. The switch rectifier is a method of forcing V BR to '0' by using the switch M 1 at a time point t π where the direction of I p is reversed. In this case, since energy consumed to discharge C P is lost, energy loss can be reduced. The switch M 1 must be turned on at the point where the direction of I p is reversed, that is, at the zero-crossing point of I p , and the switch M 1 must be turned off when V BR becomes '0'. However, if the timing of turning off the switch M 1 is not well controlled, the efficiency of the rectifier is deteriorated. The conventional switch rectifier turns off the switch M 1 at the zero-crossing point of I p , and then turns off the switch after a certain time without controlling the turning-off time, thereby reducing the efficiency. have.

본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 압전 에너지 하베스팅 시스템에서 압전 하베스터의 전류 방향이 바뀌는 지점을 검출하여 스위치를 켜고, 압전 하베스터의 출력전압을 기반으로 스위치를 끌 지점을 검출하여 스위치를 제어할 수 있는 에너지 하베스터용 정류 장치를 제공함에 있다.It is an object of the present invention to solve the above and other problems. Another purpose is to rectify the switch to detect the point where the current direction of the piezoelectric harvester changes in the piezoelectric energy harvesting system, and to control the switch by detecting the point to turn off the switch based on the output voltage of the piezoelectric harvester. In providing a device.

상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 에너지 하베스터에서 출력되는 교류를 직류로 변환하는 정류 회로부; 상기 에너지 하베스터의 출력단 양단에 배치되어, 상기 정류 회로부의 입력 단을 단락 또는 개방하는 스위치; 및 상기 에너지 하베스터 및 정류 회로부의 출력 전압을 이용하여 상기 스위치의 온(on) 동작을 제어하고, 상기 에너지 하베스터의 출력 전압을 이용하여 상기 스위치의 오프(off) 동작을 제어하는 스위치 제어부를 포함하는 에너지 하베스터용 정류 장치를 제공한다.According to an aspect of the present invention to achieve the above or another object, the rectifier circuit unit for converting the alternating current output from the energy harvester to direct current; A switch disposed at both ends of an output end of the energy harvester and shorting or opening an input end of the rectifier circuit part; And a switch controller configured to control an on operation of the switch using output voltages of the energy harvester and the rectifier circuit, and to control an off operation of the switch using an output voltage of the energy harvester. Provided is a rectifier for an energy harvester.

좀 더 바람직하게는, 상기 스위치 제어부는, 스위치를 온(on) 시키기 위한 제1 시점을 검출하는 스위치 온 시점 검출부와, 상기 스위치를 오프(off) 시키기 위한 제2 시점을 검출하는 스위치 오프 시점 검출부와, 상기 스위치의 온/오프 동작을 제어하기 위한 스위치 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.More preferably, the switch control unit may include a switch-on time detecting unit detecting a first time point for turning on a switch, and a switch-off time detecting unit detecting a second time point for turning off the switch. And a control signal generator for generating a switch control signal for controlling the on / off operation of the switch.

좀 더 바람직하게는, 상기 스위치 온 시점 검출부는 에너지 하베스터의 제1 출력 전압(VP)이 정류 회로부의 출력 전압(VRECT)보다 작아지는 시점과, 상기 에너지 하베스터의 제2 출력 전압(VN)이 정류 회로부의 출력 전압(VRECT)보다 작아지는 시점을 검출하고, 상기 검출된 시점들을 제1 시점으로 결정하는 것을 특징으로 한다. More preferably, the switch-on time detection unit detects a time when the first output voltage V P of the energy harvester becomes smaller than the output voltage V RECT of the rectifier circuit unit, and the second output voltage V N of the energy harvester. ) Detects a time point at which the output circuit V RECT becomes smaller than the output voltage V RECT and determines the detected time points as the first time point.

좀 더 바람직하게는, 상기 스위치 오프 시점 검출부는 에너지 하베스터의 제1 출력 전압(VP)과 상기 에너지 하베스터의 제2 출력 전압(VN)이 같아지는 시점을 검출하고, 상기 검출된 시점을 제2 시점으로 결정하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 스위치 오프 시점 검출부는 에너지 하베스터의 양단 전압(VSW)이 최소가 되는 시점을 검출하고, 상기 검출된 시점을 상기 제2 시점으로 결정하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 스위치 오프 시점 검출부는 논리 게이트의 논리 임계값(logic threshold)을 조절하여 에너지 하베스터의 양단 전압(VSW)이 최소가 되는 시점을 검출하고, 상기 검출된 시점을 상기 제2 시점으로 결정하는 것을 특징으로 한다. More preferably, the switch-off time detection unit detects a time point at which the first output voltage V P of the energy harvester is equal to the second output voltage V N of the energy harvester, and detects the detected time point. It is characterized by determining at two viewpoints. The switch-off time detection unit may detect a time point at which the voltage V SW of the energy harvester becomes minimum, and determine the detected time point as the second time point. The switch-off time detector detects a time point when the voltage V SW of the energy harvester becomes minimum by adjusting a logic threshold of the logic gate, and determines the detected time point as the second time point. Characterized in that.

좀 더 바람직하게는, 상기 제어신호 생성부는 스위치를 온(on) 시키기 위한 제1 시점에서부터 상기 스위치를 오프(off) 시키기 위한 제2 시점까지의 시 구간에 대응하는 폭을 갖는 스위치 제어신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.More preferably, the control signal generator generates a switch control signal having a width corresponding to a time interval from a first time point for turning on the switch to a second time point for turning off the switch. Characterized in that.

본 발명의 실시 예들에 따른 에너지 하베스터용 정류 장치의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.Referring to the effect of the rectifier for energy harvesters according to the embodiments of the present invention.

본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 압전 에너지 하베스팅 시스템에서 압전 하베스터 및 정류 장치의 출력 전압을 이용하여 스위치 온(on)-오프(off) 시간을 제어함으로써, 기존의 하베스팅 시스템에 비해 출력 전력을 증가시킬 수 있다는 장점이 있다.According to at least one of the embodiments of the present invention, in the piezoelectric energy harvesting system by controlling the switch on (off) time by using the output voltage of the piezoelectric harvester and rectifier, compared to the conventional harvesting system The advantage is that the output power can be increased.

다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 에너지 하베스터용 정류 장치가 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the effect that the rectifier for energy harvesters according to the embodiments of the present invention can achieve is not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned are usually described in the art to which the present invention pertains. It will be clearly understood by those who have the knowledge of God.

도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템을 나타내는 도면;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템의 구성을 나타내는 도면;
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 스위치 제어부의 구성을 나타내는 도면;
도 5 및 도 6은 스위치 온 시점(switch on time)과 스위치 오프 시점(switch off time)을 검출하는 방법을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 NMOS 스위치의 스위치 제어부 회로 구성을 나타내는 도면;
도 8은 본 발명에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템의 출력 전압과 종래 기술에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템의 출력 전압을 비교한 도면.1 and 2 show a piezoelectric energy harvesting system according to the prior art;
3 is a view showing the configuration of a piezoelectric energy harvesting system according to an embodiment of the present invention;
4 is a view showing the configuration of a switch control unit according to an embodiment of the present invention;
5 and 6 are referenced for explaining a method of detecting a switch on time and a switch off time;
7 is a diagram illustrating a switch control circuit configuration of an NMOS switch according to an embodiment of the present invention;
Figure 8 is a view comparing the output voltage of the piezoelectric energy harvesting system according to the present invention and the piezoelectric energy harvesting system according to the prior art.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals regardless of the reference numerals, and redundant description thereof will be omitted. The suffixes "module" and "unit" for components used in the following description are given or used in consideration of ease of specification, and do not have distinct meanings or roles from each other.

또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.In addition, in describing the embodiments disclosed herein, when it is determined that the detailed description of the related known technology may obscure the gist of the embodiments disclosed herein, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the accompanying drawings are intended to facilitate understanding of the embodiments disclosed herein, but are not limited to the technical spirit disclosed herein by the accompanying drawings, all changes included in the spirit and scope of the present invention. It should be understood to include equivalents and substitutes.

본 발명은 압전 에너지 하베스팅 시스템에서 압전 하베스터의 전류 방향이 바뀌는 지점을 검출하여 스위치를 켜고, 압전 하베스터의 출력전압을 기반으로 스위치를 끌 지점을 검출하여 스위치를 제어할 수 있는 에너지 하베스터용 정류 장치를 제안한다.In the present invention, the piezoelectric energy harvesting system detects a point where the current direction of the piezoelectric harvester changes and turns on the switch, and detects a point to turn off the switch based on the output voltage of the piezoelectric harvester. Suggest.

이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.3 is a view showing the configuration of a piezoelectric energy harvesting system according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템(100)은 압전 하베스터(110)와 정류 장치(120)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3, the piezoelectric energy harvesting system 100 according to an exemplary embodiment may include a piezoelectric harvester 110 and a rectifier 120.

압전 하베스터(110)는 기계적인 진동 에너지를 전기적인 에너지로 변환시키는 기능을 수행할 수 있다. 이러한 압전 하베스터(110)는 전류원(IP), 캐패시터(CP) 및 저항(RP)이 병렬로 연결되는 등가회로로 표현될 수 있다.The piezoelectric harvester 110 may perform a function of converting mechanical vibration energy into electrical energy. The piezoelectric harvester 110 may be represented by an equivalent circuit in which the current source I P , the capacitor C P , and the resistor R P are connected in parallel.

정류 장치(또는 정류 시스템, 120)는 압전 하베스터(110)의 출력 단에 연결되어, 상기 압전 하베스터(110)로부터 출력되는 교류를 직류로 변환시키는 기능을 수행할 수 있다.The rectifier (or rectifier system) 120 may be connected to an output terminal of the piezoelectric harvester 110 to perform a function of converting alternating current output from the piezoelectric harvester 110 into direct current.

정류 장치(120)는 교류를 직류로 변환하기 위한 정류 회로부(121)와, 상기 정류 회로부(121)의 입력 단을 단락(short) 또는 개방(open)하기 위한 스위치(122)와, 상기 스위치(122)의 동작을 제어하기 위한 스위치 제어부(123)를 포함할 수 있다. 한편, 도면에 도시되고 있지 않지만, 상기 정류 장치(120)는 정류 회로부(121)의 출력 단에 DC-DC 컨버터(converter)를 추가로 포함할 수도 있다.The rectifier 120 includes a rectifier circuit unit 121 for converting alternating current into a direct current, a switch 122 for shorting or opening an input terminal of the rectifier circuit unit 121, and the switch ( It may include a switch control unit 123 for controlling the operation of the 122. Although not shown in the drawing, the rectifier 120 may further include a DC-DC converter at an output terminal of the rectifier circuit 121.

정류 회로부(121)는 4개의 다이오드를 포함하는 풀-브릿지 타입(full-bridge type)일 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다. 일 예로, 상기 정류 회로부(121)는 2개의 다이오드와 2개의 스위칭 회로를 포함하는 풀-브릿지 타입일 수도 있다.The rectifier circuit 121 may be a full-bridge type including four diodes, but is not limited thereto. For example, the rectifier circuit 121 may be a full-bridge type including two diodes and two switching circuits.

스위치(122)는 압전 하베스터(110)의 출력 단 양단 사이에 배치될 수 있다. 상기 스위치(122)는 전류원(IP)의 전류 방향이 바뀌는 지점(zero crossing point)에서 압전 하베스터(110)의 출력 단 양단을 단락(short)시켜 하베스터 내부 캐패시터(Cp)에 충전된 전하를 순간적으로 방전시킬 수 있다. 이로 인해, 내부 캐패시터(CP)를 방전시키는데 소모되는 에너지를 줄이고, 정류 회로부(121) 방향으로 전류가 흐르는 시간이 늘어남에 따라, 상기 정류 회로부(121)의 출력 전력이 커진다.The switch 122 may be disposed between both ends of the output end of the piezoelectric harvester 110. The switch 122 shorts both ends of the output terminal of the piezoelectric harvester 110 at a zero crossing point of the current source I P to transfer charges charged in the internal capacitor C p of the harvester. It can be discharged momentarily. As a result, the energy consumed to discharge the internal capacitor C P is reduced, and as the current flows in the direction of the rectifier circuit unit 121, the output power of the rectifier circuit unit 121 increases.

스위치(122)는 게이트(G), 드레인(D), 소스(S)로 이루어진 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 소자를 포함할 수 있다. 스위치(210)로 N형 트랜지스터(NMOS)를 이용하는 경우, 해당 스위치(210)는 하이 레벨(high level)을 갖는 게이트 전압(VG)에 의해 턴 온(turn on)되고, 로우 레벨(low level)을 갖는 게이트 전압(VG)에 의해 턴 오프(turn off)된다. 한편, 스위치(210)로 P형 트랜지스터(PMOS)를 이용하는 경우, 해당 스위치(210)는 하이 레벨(high level)을 갖는 게이트 전압(VG)에 의해 턴 오프(turn off)되고, 로우 레벨(low level)을 갖는 게이트 전압(VG)에 의해 턴 온(turn on)된다.The switch 122 may include a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) device including a gate (G), a drain (D), and a source (S). When the N-type transistor (NMOS) is used as the switch 210, the switch 210 is turned on by the gate voltage V G having a high level and is low level. Is turned off by the gate voltage (V G ). On the other hand, when the P-type transistor PMOS is used as the switch 210, the switch 210 is turned off by the gate voltage V G having a high level, and the low level ( It is turned on by the gate voltage V G having a low level.

스위치 제어부(123)는 압전 하베스터(110)의 양단 전압 중 하나인 제1 출력 전압(VP), 압전 하베스터(110)의 양단 전압 중 다른 하나인 제2 출력 전압(VN) 및 정류 회로부(121)의 출력 전압(VRECT) 중 적어도 하나를 이용하여 스위치(122)의 동작을 제어할 수 있다. 여기서, 압전 하베스터(110)의 양단 전압(VSW)은 제1 출력 전압(VP)과 제2 출력 전압(VN)의 전압 차에 해당한다.The switch control unit 123 may include a first output voltage V P , which is one of the voltages of both ends of the piezoelectric harvester 110, a second output voltage V N , which is the other of the voltages of both ends of the piezoelectric harvester 110, and a rectifier circuit unit ( The operation of the switch 122 may be controlled using at least one of the output voltages V RECT of 121. Here, the voltage V SW of both ends of the piezoelectric harvester 110 corresponds to a voltage difference between the first output voltage V P and the second output voltage V N.

스위치 제어부(123)는 MOSFET 스위치(122)의 온(on)-오프(off) 시점을 검출하여 스위치(122)의 게이트 전압을 제어할 수 있다. 압전 하베스터(110)의 전류 방향이 바뀌는 지점(zero-crossing point)에서 스위치(122)를 온(on) 시키고, 압전 하베스터(110)의 양단 전압(VSW)이 '0'이 될 때 스위치(122)를 오프(off) 시키도록 스위치(122)의 게이트 전압을 제어할 수 있다. The switch controller 123 may control the gate voltage of the switch 122 by detecting an on-off time point of the MOSFET switch 122. When the switch 122 is turned on at the zero-crossing point of the piezoelectric harvester 110 and the voltage V SW of both ends of the piezoelectric harvester 110 becomes '0', the switch ( The gate voltage of the switch 122 may be controlled to turn off the 122.

본 발명의 일 실시 예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템(100)은 압전 하베스터(110)의 출력 전압(VP, VN)과 정류 회로부(121)의 출력 전압(VRECT)에 기초하여 스위칭 온 지속 시간(즉, 제1 시점과 제2 시점 사이의 시 구간)을 결정함으로써, 기존의 하베스팅 시스템에 비해 출력 전력을 증가시킬 수 있다.Piezoelectric energy harvesting system 100 according to an embodiment of the present invention is switched on based on the output voltage (V P , V N ) of the piezoelectric harvester 110 and the output voltage (V RECT ) of the rectifier circuit 121. By determining the duration (i.e., the time interval between the first time point and the second time point), the output power can be increased compared to the existing harvesting system.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 스위치 제어부의 구성을 나타내는 도면이다.4 is a diagram illustrating a configuration of a switch controller according to an exemplary embodiment.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 스위치 제어부(123/200)는 스위치(122)의 온(on)/오프(off) 동작을 제어하기 위한 MOSFET 스위치(122)의 게이트 구동부로서, 스위치(122)의 온(on) 시점을 검출하기 위한 스위치 온 시점 검출부(210)와, 스위치(122)의 오프(off) 시점 검출하기 위한 스위치 오프 시점 검출부(220), 게이트 구동 제어신호 생성부(230)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 4, the switch controller 123/200 according to an embodiment of the present invention is a gate driver of the MOSFET switch 122 for controlling the on / off operation of the switch 122. The switch-on time detector 210 for detecting the on-point of the switch 122, the switch-off time detector 220 for detecting the off-point of the switch 122, and the gate driving control signal are generated. It may include a portion 230.

스위치 온 시점 검출부(210)는 압전 하베스터(110)의 출력 전압(VP, VN)과 정류 회로부(121)의 출력 전압(VRECT)을 이용하여 압전 하베스터(110)의 전류 방향이 바뀌는 지점, 즉 압전 하베스터 전류(IP)의 제로 크로싱 지점을 검출할 수 있다. 여기서, 압전 하베스터 전류(IP)의 제로 크로싱 지점은 전류(IP)가 양(+)에서 음(-)으로 전환되는 시점과 전류(IP)가 음(-)에서 양(+)으로 전환되는 시점을 의미한다. The switch-on time detection unit 210 changes the current direction of the piezoelectric harvester 110 by using the output voltages V P and V N of the piezoelectric harvester 110 and the output voltage V RECT of the rectifier circuit 121. That is, the zero crossing point of the piezoelectric harvester current I P can be detected. Here, the zero crossing point of the piezoelectric harvester current (I P ) is the point at which the current (I P ) is switched from positive (+) to negative (-) and the current (I P ) from negative (-) to positive (+). It means the time of conversion.

좀 더 구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 스위치 온 시점 검출부(210)는 압전 하베스터(110)의 제1 출력 전압(VP)과 정류 회로부(121)의 출력 전압(VRECT)을 서로 비교하여, 압전 하베스터(110)의 제1 출력 전압(VP)이 정류 회로부(121)의 출력 전압(VRECT)보다 작아지는 지점(또는 시점)을 스위치 온 시점으로 결정할 수 있다. More specifically, as shown in FIG. 5, the switch-on time detection unit 210 may mutually exchange the first output voltage V P of the piezoelectric harvester 110 and the output voltage V RECT of the rectifier circuit 121. In comparison, a point (or point in time) at which the first output voltage V P of the piezoelectric harvester 110 becomes smaller than the output voltage V RECT of the rectifying circuit unit 121 may be determined as a switch-on time.

또한, 스위치 온 시점 검출부(210)는 압전 하베스터(110)의 제2 출력 전압(VN)과 정류 회로부(121)의 출력 전압(VRECT)을 서로 비교하여, 압전 하베스터(110)의 제2 출력 전압(VN)이 정류 회로부(121)의 출력 전압(VRECT)보다 작아지는 지점을 스위치 온 시점으로 결정할 수 있다.In addition, the switch-on time detection unit 210 compares the second output voltage V N of the piezoelectric harvester 110 and the output voltage V RECT of the rectifying circuit unit 121 to each other, thereby comparing the second of the piezoelectric harvester 110 with each other. The point at which the output voltage V N becomes smaller than the output voltage V RECT of the rectifier circuit 121 may be determined as a switch-on time.

스위치 오프 시점 검출부(220)는 압전 하베스터(110)의 제1 출력 전압(VP)과 압전 하베스터(110)의 제2 출력 전압(VN)을 이용하여 스위치 오프 시점을 결정할 수 있다. 즉, 스위치 오프 시점 검출부(220)는 압전 하베스터(110)의 제1 출력 전압(VP)과 제2 출력 전압(VN)을 서로 비교하여, 상기 제1 출력 전압(VP)과 제2 출력 전압(VN)이 같아지는 지점(즉, VP=VN 또는 VSW=0)을 스위치 오프 시점으로 결정할 수 있다.The switch-off time detector 220 may determine the switch-off time by using the first output voltage V P of the piezoelectric harvester 110 and the second output voltage V N of the piezoelectric harvester 110. That is, the switch-off time detection unit 220 compares the first output voltage V P and the second output voltage V N of the piezoelectric harvester 110 to each other, and thus, the first output voltage V P and the second output voltage V P. The point at which the output voltage (V N ) is equal (ie, V P = V N or V SW = 0) can be determined as the switch off point.

가령, 도 6에 도시된 바와 같이, 스위치 오프 시점 검출부(220)는 압전 하베스터(110)의 양단 전압(VSW)이 0이 되는 지점(t2, t4, t6)을 스위치 오프 시점으로 결정할 수 있다. For example, as shown in FIG. 6, the switch-off time detection unit 220 sets the points t 2 , t 4 , and t 6 at which both voltages V SW of the piezoelectric harvester 110 become zero to the switch-off time. You can decide.

또한, 스위치 오프 시점 검출부(220)는 하베스터의 양단 전압(VSW)이 최소가 되는 시점을 검출하고, 상기 검출된 시점을 스위치 오프 시점으로 결정할 수도 있다.In addition, the switch-off time detector 220 may detect a time point when the voltage V SW of the harvester is minimized, and may determine the detected time point as the switch-off time point.

제어신호 생성부(230)는 스위치 온 시점 검출부(210)의 출력과 스위치 오프 시점 검출부(220)의 출력을 각각 셋(set)/리셋(reset) 신호로 하는 SR 래치(latch) 로 구성할 수 있다. 제어신호 생성부(230)는 스위치(122)의 온(on)/오프(off) 동작을 제어할 게이트 구동신호를 출력할 수 있다.The control signal generator 230 may be configured as an SR latch for setting the output of the switch-on time detector 210 and the output of the switch-off time detector 220 as set / reset signals, respectively. have. The control signal generator 230 may output a gate driving signal to control the on / off operation of the switch 122.

가령, 도 6에 도시된 바와 같이, 제어신호 생성부(230)는 스위치(122)를 온 시키기 위한 시점(t1, t3, t5)에서부터 스위치(122)를 오프 시키기 위한 시점(t2, t4, t6)까지의 시 구간(time duration)에 대응하는 펄스 폭을 갖는 스위치 제어신호(VC)를 생성하여 스위치(122)의 게이트 구동신호로 출력할 수 있다.For example, as shown in FIG. 6, the control signal generator 230 may start at time t 2 for turning off the switch 122 from a time point t 1 , t 3 , t 5 for turning on the switch 122. , t 4 , t 6 may generate a switch control signal V C having a pulse width corresponding to a time duration up to t 4 , t 6 , and output it as a gate driving signal of the switch 122.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 NMOS 스위치(122)의 스위치 제어부 회로 구성을 나타내는 도면이다.7 is a diagram illustrating a switch control circuit configuration of the NMOS switch 122 according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 스위치 제어부(200)는 스위치 온 시점 검출부(210), 스위치 오프 시점 검출부(220) 및 제어신호 생성부(230)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 7, the switch controller 200 according to an embodiment of the present invention may include a switch-on time detector 210, a switch-off time detector 220, and a control signal generator 230.

스위치 온 시점 검출부(210)는 제1 비교기(211), 제2 비교기(212), NAND 게이트(213), 펄스폭 생성기(214) 및 NOR 게이트(215)를 포함할 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.The switch-on time detecting unit 210 may include a first comparator 211, a second comparator 212, a NAND gate 213, a pulse width generator 214, and a NOR gate 215, but are not limited thereto. Do not.

제1 비교기(211)의 제1 입력 단은 압전 하베스터(110)의 제1 출력 단(VP)에 연결되고, 제1 비교기(211)의 제2 입력 단은 정류 회로부(121)의 출력 단(VRECT)에 연결된다. 제1 비교기(211)는 제1 입력 단을 통해 수신되는 압전 하베스터(110)의 제1 출력 전압(VP)과 제2 입력 단을 통해 수신되는 정류 회로부(121)의 출력 전압(VRECT)을 비교하여 VRECT가 VP보다 높을 때 'High level'을 출력하는 동작을 수행한다.A first comparator (211) a first input stage is the output stage of a piezoelectric harvester 110, the first output stage is coupled to (V P), the second input terminal of the first comparator 211 is rectifier circuit portion 121 of the Is connected to (V RECT ). The first comparator 211 may output the first output voltage V P of the piezoelectric harvester 110 received through the first input terminal and the output voltage V RECT of the rectifier circuit 121 received through the second input terminal. Compare V to output 'High level' when V RECT is higher than V P.

제2 비교기(212)의 제1 입력 단은 압전 하베스터(110)의 제2 출력 단(VN)에 연결되고, 제2 비교기(212)의 제2 입력 단은 정류 회로부(121)의 출력 단(VRECT)에 연결된다. 제2 비교기(212)는 제1 입력 단을 통해 수신되는 압전 하베스터(110)의 제2 출력 전압(VN)과 제2 입력 단을 통해 수신되는 정류 회로부(121)의 출력 전압(VRECT)을 비교하여 VRECT가 VN보다 높을 때 'High level'을 출력하는 동작을 수행한다.The first input terminal of the second comparator 212 is connected to the second output terminal V N of the piezoelectric harvester 110, and the second input terminal of the second comparator 212 is the output terminal of the rectifier circuit unit 121. Is connected to (V RECT ). The second comparator 212 is configured to output a second output voltage V N of the piezoelectric harvester 110 received through the first input terminal and an output voltage V RECT of the rectifier circuit 121 received through the second input terminal. Compare V to output 'High level' when V RECT is higher than V N.

NAND 게이트(213)의 제1 입력 단은 제1 비교기(211)의 출력 단과 연결되고, NAND 게이트(213)의 제2 입력 단은 제2 비교기(212)의 출력 단과 연결된다. NAND 게이트(213)의 출력 단은 펄스폭 생성기(214)의 입력 단에 연결된다. NOR 게이트(215)의 제1 입력 단은 NAND 게이트(213)의 출력 단과 연결되고, NOR 게이트(215)의 제2 입력 단은 펄스폭 생성기(214)의 출력 단과 연결된다.The first input terminal of the NAND gate 213 is connected to the output terminal of the first comparator 211, and the second input terminal of the NAND gate 213 is connected to the output terminal of the second comparator 212. The output end of the NAND gate 213 is connected to the input end of the pulse width generator 214. The first input terminal of the NOR gate 215 is connected to the output terminal of the NAND gate 213, and the second input terminal of the NOR gate 215 is connected to the output terminal of the pulse width generator 214.

이러한 연결 구조를 갖는 논리 회로들(211~215)을 포함하는 스위치 온 시점 검출부(210)는, 스위치(122)의 온(on) 동작 시점에 관한 신호를 생성하여 제어신호 생성부(230)로 출력할 수 있다.The switch-on time detection unit 210 including the logic circuits 211 to 215 having such a connection structure generates a signal related to the on-operation time of the switch 122 to the control signal generator 230. You can print

스위치 오프 시점 검출부(220)는 제1 NAND 게이트(221), 제2 NAND 게이트(222), 제3 NAND 게이트(223), 제4 NAND 게이트(224) 및 NOT 게이트(225)를 포함할 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.The switch off point detection unit 220 may include a first NAND gate 221, a second NAND gate 222, a third NAND gate 223, a fourth NAND gate 224, and a NOT gate 225. It is not necessarily limited thereto.

제1 NAND 게이트(221)의 제1 입력 단은 압전 하베스터(110)의 제1 출력 단(VP)에 연결되고, 제1 NAND 게이트(221)의 제2 입력 단은 압전 하베스터(110)의 제2 출력 단(VN)에 연결된다.A first NAND gate 221, the first input stage is a piezoelectric harvester 110, the first output stage is coupled to (V P), the first NAND second input terminal of gate 221 is a piezoelectric harvester 110 of the Is connected to the second output terminal (V N ).

제2 NAND 게이트(222)의 제1 입력 단은 압전 하베스터(110)의 제1 출력 단(VP)에 연결되고, 제2 NAND 게이트(222)의 제2 입력 단은 제1 NAND 게이트(221)의 출력 단에 연결된다. 제3 NAND 게이트(223)의 제1 입력 단은 압전 하베스터(110)의 제2 출력 단(VN)에 연결되고, 제3 NAND 게이트(223)의 제2 입력 단은 제1 NAND 게이트(221)의 출력 단에 연결된다. 상기 제2 NAND 게이트(222)와 제3 NAND 게이트(223)는 CMOS 논리 게이트로서, NMOS 쪽 전류를 PMOS 쪽 전류보다 크도록 설계하여 논리 임계값(logic threshold)을 낮춘 것이다.2 a first input terminal of the NAND gate 222 is coupled to the first output terminal (V P) of the piezoelectric harvester (110), a second input terminal is a first NAND gate (221 of NAND gate 222 Is connected to the output terminal. The first input terminal of the third NAND gate 223 is connected to the second output terminal V N of the piezoelectric harvester 110, and the second input terminal of the third NAND gate 223 is the first NAND gate 221. Is connected to the output terminal. The second NAND gate 222 and the third NAND gate 223 are CMOS logic gates, and a logic threshold is lowered by designing the NMOS side current to be larger than the PMOS side current.

제4 NAND 게이트(224)의 제1 입력 단은 제2 NAND 게이트(222)의 출력 단에 연결되고, 제4 NAND 게이트(224)의 제2 입력 단은 제3 NAND 게이트(223)의 출력 단에 연결된다. 제4 NAND 게이트(224)의 출력 단은 NOT 게이트(225)의 입력 단과 연결된다. 상기 제4 NAND 게이트(224)는 CMOS 논리 게이트로서, PMOS 쪽 전류를 NMOS 쪽 전류보다 크게 설계하여 논리 임계값(logic threshold)을 높인 것이다.The first input terminal of the fourth NAND gate 224 is connected to the output terminal of the second NAND gate 222, and the second input terminal of the fourth NAND gate 224 is the output terminal of the third NAND gate 223. Is connected to. An output terminal of the fourth NAND gate 224 is connected to an input terminal of the NOT gate 225. The fourth NAND gate 224 is a CMOS logic gate, in which a PMOS side current is designed to be larger than an NMOS side current to increase a logic threshold.

이러한 연결 구조를 갖는 논리 회로들(221~225)을 포함하는 스위치 오프 시점 검출부(220)는 스위치(122)의 오프(off) 동작 시점에 관한 신호를 생성하여 제어신호 생성부(230)로 출력할 수 있다.The switch off point detection unit 220 including the logic circuits 221 ˜ 225 having such a connection structure generates a signal related to an off operation point of the switch 122 and outputs the signal to the control signal generator 230. can do.

스위치 오프 시점 검출부(220)는 논리 게이트의 논리 임계값(logic threshold)을 조절하여 하베스터의 양단 전압(Vsw)이 최소가 되는 시점을 검출하고, 상기 검출된 시점을 스위치 오프 시점으로 결정할 수 있다. The switch-off time detector 220 may detect a time point when the voltage V sw between both ends of the harvester becomes minimum by adjusting a logic threshold of the logic gate, and determine the detected time point as the switch-off time point. .

제어신호 생성부(230)는 제1 NOR 게이트(231)와 제2 NOR 게이트(232)로 이루어진 SR 래치(latch)를 포함할 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.The control signal generator 230 may include an SR latch including the first NOR gate 231 and the second NOR gate 232, but is not limited thereto.

제1 NOR 게이트(231)의 제1 입력 단은 스위치 온 시점 검출부(210)의 출력 단과 연결되고, 제1 NOR 게이트(231)의 제2 입력 단은 제2 NOR 게이트(232)의 출력 단에 연결된다. 제2 NOR 게이트(232)의 제1 입력 단은 스위치 오프 시점 검출부(220)의 출력 단과 연결되고, 제2 NOR 게이트(232)의 제2 입력 단은 제1 NOR 게이트(231)의 출력 단에 연결된다. The first input terminal of the first NOR gate 231 is connected to the output terminal of the switch-on time detecting unit 210, and the second input terminal of the first NOR gate 231 is connected to the output terminal of the second NOR gate 232. Connected. The first input terminal of the second NOR gate 232 is connected to the output terminal of the switch-off time detection unit 220, and the second input terminal of the second NOR gate 232 is connected to the output terminal of the first NOR gate 231. Connected.

이러한 연결 구조를 갖는 논리 회로들(231, 232)을 포함하는 제어신호 생성부(230)는 스위치(122)의 온(on)/오프(off) 동작을 제어하기 위한 스위치 제어신호를 생성하여 해당 스위치(122)의 게이트 구동신호로 출력할 수 있다.The control signal generator 230 including logic circuits 231 and 232 having such a connection structure generates a switch control signal for controlling an on / off operation of the switch 122. The gate driving signal of the switch 122 may be output.

도 8은 본 발명에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템의 출력 전압(VRECT)과 종래 기술에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템들의 출력 전압(VRECT)을 비교한 도면이다.8 is a view comparing the output voltage (V RECT ) of the piezoelectric energy harvesting system according to the present invention and the output voltage (V RECT ) of the piezoelectric energy harvesting systems according to the prior art.

도 8을 참조하면, 제1 그래프(810)는 풀-브릿지 정류기(full-bridge rectifier)를 이용한 압전 에너지 하베스팅 시스템의 출력 전압(VRECT)을 시뮬레이션한 그래프이고, 제2 그래프(820)는 본 발명에 따른 정류기를 이용한 압전 에너지 하베스팅 시스템의 출력 전압(VRECT)을 시뮬레이션한 그래프이다.Referring to FIG. 8, the first graph 810 is a graph simulating an output voltage V RECT of a piezoelectric energy harvesting system using a full-bridge rectifier, and the second graph 820 is a graph. It is a graph simulating the output voltage (V RECT ) of the piezoelectric energy harvesting system using the rectifier according to the present invention.

제1 및 제2 그래프(810, 820)를 비교한 결과, 본 발명에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템은 압전 하베스터 및 정류 장치의 출력 전압을 이용하여 스위칭 온 지속 시간(switching on durationtime)을 결정함으로써, 기존의 하베스팅 시스템에 비해 출력 전압(VRECT)을 높일 수 있음을 확인할 수 있다. 이는 내부 캐패시터(CP)를 방전시키는데 소모되는 에너지를 감소시킴으로써, 상기 정류 회로부(121)의 출력 전력이 커졌다는 것을 의미한다.As a result of comparing the first and second graphs 810 and 820, the piezoelectric energy harvesting system according to the present invention determines the switching on duration time by using the output voltages of the piezoelectric harvester and the rectifier. It can be seen that the output voltage (V RECT ) can be increased compared to the conventional harvesting system. This means that the output power of the rectifier circuit 121 is increased by reducing the energy consumed to discharge the internal capacitor C P.

한편, 본 실시 예에서는, 본 발명에 따른 정류 장치가 압전 하베스터에 적용되는 것을 예시하고 있으나 반드시 이에 제한되지는 않으며, 다른 종류의 에너지 하베스터에도 적용될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.Meanwhile, in the present embodiment, the rectifier device according to the present invention is illustrated to be applied to the piezoelectric harvester, but is not necessarily limited thereto, and it will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be applied to other types of energy harvesters.

이상에서 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although various embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concept of the present invention as defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of rights.

100: 압전 에너지 하베스팅 시스템 110: 압전 하베스터
120: 정류 장치 121: 정류 회로부
122: 스위치 123/200: 스위치 제어부
210: 스위치 온 시점 검출부 220: 스위치 오프 시점 검출부
230: 제어신호 생성부100: piezoelectric energy harvesting system 110: piezoelectric harvester
120: rectifier 121: rectifier circuit portion
122: switch 123/200: switch control unit
210: switch on time detection unit 220: switch off time detection unit
230: control signal generator

Claims (7)

에너지 하베스터(energy harvester)에서 출력되는 교류를 직류로 변환하는 정류 회로부;
상기 에너지 하베스터의 출력단 양단에 배치되어, 상기 정류 회로부의 입력 단을 단락 또는 개방하는 스위치; 및
상기 에너지 하베스터 및 정류 회로부의 출력 전압을 이용하여 상기 스위치의 온(on) 동작을 제어하고, 상기 에너지 하베스터의 출력 전압을 이용하여 상기 스위치의 오프(off) 동작을 제어하는 스위치 제어부를 포함하는 에너지 하베스터용 정류 장치.Rectification circuit unit for converting the alternating current output from the energy harvester (energy harvester) to direct current;
A switch disposed at both ends of an output end of the energy harvester and shorting or opening an input end of the rectifier circuit part; And
An energy control unit configured to control an on operation of the switch using an output voltage of the energy harvester and a rectifier circuit, and to control an off operation of the switch using an output voltage of the energy harvester. Rectifier for harvesters. 제1항에 있어서,
상기 스위치 제어부는, 상기 스위치를 온(on) 시키기 위한 제1 시점을 검출하는 스위치 온 시점 검출부와, 상기 스위치를 오프(off) 시키기 위한 제2 시점을 검출하는 스위치 오프 시점 검출부와, 상기 스위치의 온/오프 동작을 제어하기 위한 스위치 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터용 정류 장치.The method of claim 1,
The switch control unit may include a switch-on time detecting unit detecting a first time point for turning on the switch, a switch-off time detecting unit detecting a second time point for turning off the switch, and Rectifier for energy harvester comprising a control signal generation unit for generating a switch control signal for controlling the on / off operation. 제2항에 있어서,
상기 스위치 온 시점 검출부는 상기 에너지 하베스터의 제1 출력 전압이 상기 정류 회로부의 출력 전압보다 작아지는 시점과, 상기 에너지 하베스터의 제2 출력 전압이 상기 정류 회로부의 출력 전압보다 작아지는 시점을 검출하고, 상기 검출된 시점들을 상기 제1 시점으로 결정하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터용 정류 장치.The method of claim 2,
The switch-on time detection unit detects a time point when the first output voltage of the energy harvester is smaller than an output voltage of the rectifier circuit unit, and a time point when the second output voltage of the energy harvester is smaller than an output voltage of the rectifier circuit unit, And the detected time points are determined as the first time point. 제2항에 있어서,
상기 스위치 오프 시점 검출부는 상기 에너지 하베스터의 제1 출력 전압과 상기 에너지 하베스터의 제2 출력 전압이 같아지는 시점을 검출하고, 상기 검출된 시점을 상기 제2 시점으로 결정하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터용 정류 장치.The method of claim 2,
The switch-off time detector detects a time point at which the first output voltage of the energy harvester is equal to the second output voltage of the energy harvester, and determines the detected time point as the second time point. Rectification device. 제2항에 있어서,
상기 스위치 오프 시점 검출부는 상기 에너지 하베스터의 양단 전압이 최소가 되는 시점을 검출하고, 상기 검출된 시점을 상기 제2 시점으로 결정하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터용 정류 장치.The method of claim 2,
And the switch-off time detection unit detects a time point when the voltage across the energy harvester becomes minimum, and determines the detected time point as the second time point. 제2항에 있어서,
상기 스위치 오프 시점 검출부는 논리 게이트의 논리 임계값(logic threshold)을 조절하여 상기 에너지 하베스터의 양단 전압이 최소가 되는 시점을 검출하고, 상기 검출된 시점을 상기 제2 시점으로 결정하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터용 정류 장치.The method of claim 2,
The switch-off time detector detects a time point when the voltage across the energy harvester becomes minimum by adjusting a logic threshold of a logic gate, and determines the detected time point as the second time point. Rectifier for energy harvesters. 제2항에 있어서,
상기 제어신호 생성부는 상기 제1 시점에서부터 상기 제2 시점까지의 시 구간에 대응하는 폭을 갖는 스위치 제어신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터용 정류 장치.The method of claim 2,
The control signal generation unit generates a switch control signal having a width corresponding to the time interval from the first time point to the second time point rectifier for energy harvesters.
KR1020180022697A 2018-02-26 2018-02-26 Rectification device for energy harvester KR102467527B1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180022697A KR102467527B1 (en) 2018-02-26 2018-02-26 Rectification device for energy harvester
PCT/KR2019/001194 WO2019164147A1 (en) 2018-02-26 2019-01-29 Rectifier for energy harvester

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180022697A KR102467527B1 (en) 2018-02-26 2018-02-26 Rectification device for energy harvester

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190102384A true KR20190102384A (en) 2019-09-04
KR102467527B1 KR102467527B1 (en) 2022-11-16

Family

ID=67687174

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180022697A KR102467527B1 (en) 2018-02-26 2018-02-26 Rectification device for energy harvester

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR102467527B1 (en)
WO (1) WO2019164147A1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140022259A (en) * 2012-08-13 2014-02-24 페어차일드코리아반도체 주식회사 Piezo driving circuit and driving method thereof
JP2014534799A (en) * 2011-10-07 2014-12-18 フラウンホーファー−ゲゼルシャフト ツル フェルデルング デル アンゲヴァンテン フォルシュング エー ファウＦｒａｕｎｈｏｆｅｒ−Ｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ ｚｕｒ Ｆｏｅｒｄｅｒｕｎｇ ｄｅｒ ａｎｇｅｗａｎｄｔｅｎ Ｆｏｒｓｃｈｕｎｇ ｅ．Ｖ． Rectifier circuit having AC-side short-circuit function and synchronous switch harvesting in dielectric converter
KR20180000187A (en) * 2016-06-22 2018-01-02 전자부품연구원 High Efficiency Rectifier for Piezoelectric Energy Harvesting

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4643838B2 (en) * 2001-02-13 2011-03-02 セイコーＮｐｃ株式会社 Integrated circuit for voltage controlled oscillator
JP4092897B2 (en) * 2001-09-25 2008-05-28 松下電工株式会社 Piezoelectric element driving device and diaphragm pump

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014534799A (en) * 2011-10-07 2014-12-18 フラウンホーファー−ゲゼルシャフト ツル フェルデルング デル アンゲヴァンテン フォルシュング エー ファウＦｒａｕｎｈｏｆｅｒ−Ｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ ｚｕｒ Ｆｏｅｒｄｅｒｕｎｇ ｄｅｒ ａｎｇｅｗａｎｄｔｅｎ Ｆｏｒｓｃｈｕｎｇ ｅ．Ｖ． Rectifier circuit having AC-side short-circuit function and synchronous switch harvesting in dielectric converter
KR20140022259A (en) * 2012-08-13 2014-02-24 페어차일드코리아반도체 주식회사 Piezo driving circuit and driving method thereof
KR20180000187A (en) * 2016-06-22 2018-01-02 전자부품연구원 High Efficiency Rectifier for Piezoelectric Energy Harvesting

Also Published As

Publication number Publication date
KR102467527B1 (en) 2022-11-16
WO2019164147A1 (en) 2019-08-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20080198523A1 (en) Circuit Breaker for a Solar Module
US10587145B2 (en) Charging circuit and electronic device
KR20140075102A (en) Apparatus for converting energy
US9444351B2 (en) Electrical power conversion device including normally-off bidirectional switch
US20180166901A1 (en) Energy-harvesting system and control method thereof
US10283969B2 (en) Solar photovoltaic output optimizer circuit
US10056837B2 (en) DC-DC converter and power source device
KR102615295B1 (en) Load connection device for energy havester
TW201020712A (en) Frequency-varied incremental conductance maximum power point tracking controller and algorithm for PV converter
US20200091738A1 (en) Energy collecting device capable of reusing residual charge using voltage supervisors
US10511295B2 (en) Circuit for comparison of a voltage with a threshold and conversion of electrical energy
US8134847B2 (en) Circuit arrangement and method for converting an alternating voltage into a rectified voltage
KR101089206B1 (en) A drive circuit comprising a field effect transistor
TWI502845B (en) Photovoltaic system having burp charger performing concept of energy treasuring and recovery and charging method thereof
US9362836B2 (en) Circuit for driving synchronous rectifier and power supply apparatus including the same
JP2004222429A (en) Switching power supply
US10389109B2 (en) Overvoltage protection circuit and overvoltage protection control method
JP6137723B1 (en) Non-voltage drop type power supply circuit and its application circuit
KR102467527B1 (en) Rectification device for energy harvester
CN115065247A (en) Boost converter circuit and boost converter
RU2559025C2 (en) Independent direct-current power supply system
KR20210060913A (en) Battery charging device for energy harvesting
US20190199216A1 (en) Power supply apparatus, microbial fuel cell voltage boosting circuit and microbial fuel cell voltage boosting system
TW202030967A (en) Efficient electricity conversion for harvesting energy from low voltage sources
US20230085390A1 (en) Electronic circuitry, electronic system, and driving method

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