KR20200120326A - 열전 발전기 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

열전 발전기 제어 방법 및 장치를 개시한다.
본 실시예에 의하면, 최대전력점 추적(MPPT: Maximum Power Point Tracking) 및 영전류 스위칭(ZCS: Zero-Current Switching)을 기반으로 에너지 하베스팅 장치에서 복수의 열전 발전기를 이용하는 경우에도 생산 전력량 대비 전달 전력량의 효율성이 떨어지지 않는 열전 발전기 제어 장치를 제공한다.

Description

열전 발전기 제어 장치{Apparatus for Controlling a Thermoelectric Generator}
본 실시예는 열전 발전기 제어 장치에 관한 것이다.
이하에 기술되는 내용은 단순히 본 실시예와 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다.
최근 사람-사물 간의 통신 뿐만 아니라 사물-사물 간의 통신까지 무선 네트워킹 영역을 확대하기 위한 USN(Ubiquitous Sensor Network) 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. USN 구현의 핵심 블록인 센서 노드의 구동을 위해서는 센서 노드 규격에 적합하도록 크기가 작고, 무게가 가벼우며 긴 수명을 가지는 전원소자를 사용하는 것이 중요하다. 센서 노드는 반영구적으로 일정 부위에 부착되어 상시 모니터링 및 상호 통신기능을 수행하는 장치이므로, 교체가 어려운 1차 전지보다는 지속적으로 사용 가능한 2차 전지가 보다 적합하다. 그러나 센서 노드는 일반적으로 유선 충전이 불가능한 위치에 존재하므로 무선충전이나 자가발전(Self-Powered) 기능이 필요하며, 자가발전 또는 배터리 대용으로 사용될 수 있는 기술이 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술이다.
에너지 하베스팅에 사용되는 열전 발전기(TEG: ThermoElectric Generator)는 고온부와 저온부의 온도차에 비례하여 전력을 생산한다. 종래에는 온도차를 크게 하여 생산 전력량을 높이는 것에 중점을 두고 연구가 이루어졌다. 하지만, 에너지 하베스팅은 생산 전력량을 높이는 것 외에도 생산된 전력을 효율적으로 이용하는 것도 중요하다. 에너지 하베스팅에 열전 발전기를 사용하는 경우, 열전 발전기에서 생산되는 전력량은 온도 차에 의해서 변하기 때문에, 열전 발전기가 발생시키는 전력의 양은 시간에 따라서 일정하지 않고 변할 수 있다. 열전 발생기가 발생시키는 전력의 양이 일정하지 않고 시간에 따라서 변할 수 있기 때문에, 전력을 소비하는 부하부에 파워 게이팅 기법을 적용해서 파워 게이팅의 온과 오프의 시간을 조절함으로써 부하부의 전력 소모량을 열전 발생기가 생성하는 전력의 양과 일치시켜줘야 한다. 따라서 이렇게 부하부의 전력 소모량을 열전 발생기가 생성하는 전력의 양과 일치시키는 작업을 자동적으로 수행할 수 있는 열전 발전기 제어장치가 필요하다.
본 실시예는, 최대전력점 추적(MPPT: Maximum Power Point Tracking) 및 영전류 스위칭(ZCS: Zero-Current Switching)을 기반으로 에너지 하베스팅 장치에서 복수의 열전 발전기를 이용하는 경우에도 생산 전력량 대비 전달 전력량의 효율성이 떨어지지 않는 열전 발전기 제어 장치를 제공하는 데 목적이 있다. 좀 더 구체적으로, 에너지 하베스팅에 열전 발전기를 사용하는 경우, 열전 발전기에서 생산되는 전력량은 온도 차에 의해서 변하기 때문에, 열전 발전기가 발생시키는 전력의 양은 시간에 따라서 일정하지 않고 변할 수 있다. 열전 발생기가 발생시키는 전력의 양이 일정하지 않고 시간에 따라서 변할 수 있기 때문에, 전력을 소비하는 부하부에 파워 게이팅 기법을 적용해서 파워 게이팅의 온과 오프의 시간을 조절함으로써 부하부의 전력 소모량을 열전 발생기가 생성하는 전력의 양과 일치시켜줘야 전력 발생부에서 발생시킨 최대의 전력을 부하부에서 사용할 수 있다. 따라서 이렇게 부하부의 전력 소모량을 열전 발생기가 생성하는 전력의 양과 일치시키는 작업을 자동적으로 수행할 수 있는 열전 발전기 제어장치가 필요한데, 본 특허에서 이러한 작업을 자동적으로 수행할 수 있는 기능이 포함된 열전 발전기 제어장치를 제공하고자 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 열전모듈의 고온부와 저온부의 온도차이를 기반으로 발생된 열전전압을 기반으로 최대전력점(MPP: Maximum Power Point)을 추적하여 상기 최대전력점에 대응하는 전압인 최적 열전전압을 산출하고, 상기 최적 열전전압에 따라 공급전력을 적어도 하나 이상의 출력단으로 공급하기 위한 스위칭 정보를 생성하는 하베스팅부; 상기 스위칭 정보를 수신하여 상기 스위칭 정보에 따라 상기 출력단에 상기 공급전력을 저장하는 저장부; 및 상기 최적 열전전압을 기반으로 부하에 공급하는 전력을 조절하기 위해 파워 게이트(Power Gate)의 턴온(Turn-On) 시간을 제어하는 타이밍 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 발전기 제어장치를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 본 발명에서는, 최대전력점 추적(MPPT: Maximum Power Point Tracking) 및 영전류 스위칭(ZCS: Zero-Current Switching)을 기반으로 에너지 하베스팅 장치에서 사용할 수 있는 열전 발전기 제어 장치를 제공하는 데 목적이 있다. 좀 더 구체적으로, 에너지 하베스팅에 열전 발전기를 사용하는 경우, 열전 발전기에서 생산되는 전력량은 온도 차에 의해서 변하기 때문에, 열전 발전기가 발생시키는 전력의 양은 시간에 따라서 일정하지 않고 변할 수 있다. 열전 발생기가 발생시키는 전력의 양이 일정하지 않고 시간에 따라서 변할 수 있기 때문에, 전력을 소비하는 부하부에 파워 게이팅 기법을 적용해서 파워 게이팅의 온과 오프의 시간을 조절함으로써 부하부의 전력 소모량을 열전 발생기가 생성하는 전력의 양과 일치시켜줘야 전력 발생부에서 발생시킨 최대의 전력을 부하부에서 사용할 수 있다. 따라서 본 특허의 기술을 사용하면, 부하부의 전력 소모량을 열전 발생기가 생성하는 전력의 양과 일치시키는 작업을 자동으로 수행하게 할 수 있다.
또한 본 실시예에 의하면, 복수의 열전모듈을 기반으로 전력을 생산하여 의료센서, 손목시계 등에 적용하고, 이를 기반으로 웨어러블 디바이스(Wearable Device)에 효율적으로 전력을 공급하는 효과가 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템을 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 열전 발전기 제어장치를 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 3의 (a) 및 (b)는 본 실시예에 따른 열전 발전기 제어장치를 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 회로도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 실시예에 따른 타이밍 제어부의 구조를 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 5는 본 실시예에 따른 열전 발전기 제어장치의 동작 파형을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 실시예에 따른 열전 발전기 제어방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7은 본 실시예에 따른 열전모듈을 설명하기 위한 개념도이다.
도 8은 본 실시예에 따른 열전 발전기 제어장치의 실시 결과를 예시한 도면이다.
이하, 본 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.
본 실시예에서 '포함'이라는 용어는 명세서 상에 기재된 구성요소, 특징, 단계 또는 이들을 조합한 것이 존재한다는 것이지, 하나 또는 복수 개의 구성요소나 다른 특징, 단계 또는 이들을 조합한 것의 존재 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 또한, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템을 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템은 열전 발전기(110), 열전 발전기 제어장치(120), 부하부(130)를 포함한다. 에너지 하베스팅 시스템에 포함된 구성요소는 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
열전 발전기(110)는 고온부와 저온부의 온도차이를 기반으로 열전전압을 발생시키는 열전모듈을 포함한다. 열전 발전기는 고온부와 저온부의 온도차이에 따라 기전력을 획득할 수 있는데, 온도차이가 클수록 고전력의 에너지를 획득할 수 있다. 도 3의 (a)를 참조하면, 열전 발전기(110)의 점선 부분은 복수의 열전 발전기로 구성된 열전모듈의 등가회로를 의미한다.
열전 발전기 제어장치(120)는 열전모듈을 이용하여 열전전압을 발생시킨다. 열전모듈은 복수개의 열전 발전기(TEG: ThermoElectric Generator)(110)로 구성되며, 열전 발전기(110)는 반도체 양단의 온도 차이를 이용하여 기전력을 발생시키는 기기를 말한다.
열전 발전기 제어장치(120)는 열전전압을 이용하여 최대전력점(MPP: Maximum Power Point)을 추적한다. 열전 발전기 제어장치(120)는 최대전력점 추적(MPPT: Maximum Power Point Tracking)을 기반으로 출력단에 최대전력을 계산하여 전달할 수 있다.
열전 발전기 제어장치(120)는 스위칭 정보를 기반으로 최대전력을 복수의 출력단으로 전달할 수 있다. 스위칭 정보는 스위칭 주파수, 스위칭 주기 등을 포함하는 정보이다. 열전 발전기 제어장치(120)는 영전류 스위칭(ZCS: Zero Current Switching)을 기반으로 스위칭 정보를 제어하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
부하부(130)는 열전 발전기 제어장치(120)에 의해 생산된 전력을 이용한다. 예컨대, 부하부(130)는 손목시계와 같은 웨어러블 디바이스(Wearable Devices)일 수 있으며, 각종 센서에 이용될 수도 있다.
도 2는 본 실시예에 따른 열전 발전기 제어장치를 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 열전 발전기 제어장치(120)는 DC-DC 컨버터부(210), 최대전력점 추적 제어부(220), 스위칭 정보 생성부(230), 에너지 저장부(240) 및 타이밍 제어부(250)를 포함한다. 하베스팅부(미도시)는 DC-DC 컨버터부(210), 최대전력점 추적 제어부(220), 스위칭 정보 생성부(230)를 포함한다. 열전 발전기 제어장치(120)에 포함된 구성요소는 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
DC-DC 컨버터부(210)는 열전모듈과 스위칭부 사이에 위치하고, 열전전압의 크기를 증가시키기 위한 인버터 및 커패시터를 포함한다.
DC-DC 컨버터부(210)는 DC-DC 컨버터(DC-DC Converter)를 이용하여 열전전압의 크기를 증가시킨다. 열전발전부(210)에서 생성된 열전전압은 출력단에서 사용하기에 충분하지 않으므로, 열전전압의 크기를 증가시킬 필요가 있다. DC-DC 컨버터부(210)는 DC-DC 컨버터 중 부스트 컨버터(Boost Converter)를 이용하여 열전전압의 크기를 증가시킬 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
DC-DC 컨버터부(210)는 커패시터에 일정 전압 이상 충전된 경우, 충전된 전압을 전체 회로에 인가하는 구동부를 포함한다(도 3의 (a) 참조).
DC-DC 컨버터부(210)는 입력단의 전압을 증가시켜서 출력단에 전달한다. DC-DC 컨버터부(210)가 스타트업 상태에서 출력단에 전달하는 전압을 계산하는 식의 일 예는 [수학식 1]과 같다.
Figure pat00001
[수학식 1]에서 VDD는 출력단 전압, VTEG는 열전모듈 등가전압(열전전압), RSW는 스위치 저항, RL은 부하 저항, RTEG는 열전모듈 등가저항, C는 커패시터, L은 인덕터를 의미한다. [수학식 1]에 따르면, DC-DC 컨버터부(210)의 출력전압은 인덕터를 증가시키거나 커패시터를 줄임으로써 높은 값을 획득할 수 있으나, 커패시터의 값이 너무 작으면 저장하는 에너지의 양이 너무 작아 부하부(130)를 안정적으로 구동할 수 없으므로, 커패시터는 임계치 이하로 줄일 수 없다.
최대전력점 추적 제어부(220)는 열전전압을 기반으로 최대전력점을 추적하여 최대전력점 상태의 열전전압을 산출하고, 최대전력점 상태의 열전전압을 유지하도록 스위칭부를 동작시키다. 또한 최대전력점 열전전압을 타이밍 제어부(250)로 전달하여 최대전력점 열전전압에 해당하는 파워게이트 제어신호를 만들어서 파워게이트를 구동한다.
최대전력점 추적 제어부(220)는 열전전압을 기반으로 최대전력점(MPP: Maximum Power Point)을 추적한다. 여기서 최대전력점은 열전전압 즉, 열전모듈 등가전압을 기반으로 복수의 출력단에 전달할 수 있는 최대전력을 나타내는 점을 말한다. 최대전력점 추적 제어부(220)는 최대전력점을 추적하여 외부 조건, 예를 들어 온도 차가 가변하는 상황에서, 항상 열전소자가 최대전력을 발생하여 출력단에 전달하도록 지원한다. 최대전력점 추적 제어부(220)는 전력-전압 특성곡선을 따라서 최대전력점을 추적한다. 최대전력은 전력-전압 특성곡선에서 전압(X축)이 열전전압의 절반일 때 전달하는 전력이다(도 3의 (c) 참조).
스위칭 정보 생성부(230)는 DC-DC 컨버터부(210)와 에너지 저장부(240) 사이에 위치하며, 최대전력점의 열전전압을 DC-DC 컨버터부(210)의 입력전압으로 하고 그에 해당하는 DC-DC 컨버터부(210)의 출력전압을 만들어서 에너지 저장부(240)로 전달하기 위한 스위칭 정보를 생성한다.
스위칭 정보 생성부(230)는 최대전력점에 대응하는 전력을 적어도 하나 이상의 출력단으로 공급하기 위한 스위칭 정보를 생성한다. 스위칭 정보 생성부(230)가 스위칭 정보 중 스위칭 주파수를 산출하기 위한 일 예는 [수학식 2]와 같다.
Figure pat00002
fSW는 스위칭 주파수로, 열전모듈 등가저항과 인덕터를 기반으로 결정된다.
에너지 저장부(240)는 열전 발전기 제어장치(120)에서 생산된 전력을 저장하고, 복수의 출력단에 전력을 공급할 수 있다. 에너지 저장부(240)는 생산된 전력을 저장하는 전력저장원, 전력을 변환하는 전력변환장치, 전력을 관리하는 전력관리시스템 등을 포함할 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
즉, 열전 발전기 제어장치(120)는 한 개 혹은 복수의 열전 발전기로 구성된 열전모듈을 이용하여 열전전압을 획득하고, 최대전력점 추적을 통해서 최대전력을 발생시킬 수 있는 열전전압의 상태를 추적하고, 추적된 최대전력점 열전전압의 상태에서, DC-DC 컨버터부(210)를 기반으로 열전전압을 증가시켜서 출력으로 전달하고, 이 때 영전류 스위칭을 이용하여 한 개 혹은 복수의 출력단으로 DC-DC 컨버터부(210)의 출력전압을 전달한다. 한편, 본 실시 예에 따른 열전 발전기 제어장치(120)를 이용하여 전력효율을 실험한 결과는 [표 1]과 같다.
#TEGs RTEG
(Ω)		 L
(μH)		 VOC=VTEG
(mV)		 PIN
(μW)		 VOUT
(V)		 IOUT
(μA)		 POUT
(μW)		 η
(%)
5 62 100 240 232 2 51.42 103 43
25 12 22 240 654 2 130.9 264 40
[표 1]을 참조하면, 열전 발전기를 3개로 구성된 복수의 열전모듈을 기반으로 생산한 출력전압은 103이고, 효율은 43이다. 또한, 열전 발전기를 25개로 구성된 복수의 열전모듈을 기반으로 생산한 출력전압은 264이고, 효율은 40이다. 따라서, 본 실시예에 따른 열전 발전기 제어장치(120)는 다수의 열전 발전기로 구성된 열전모듈을 이용하여 전력을 생산하여도 전력 생산 효율이 떨어지지 않도록 제어하는 것을 확인할 수 있다.
타이밍 제어부(250)는 최대출력점 추적의 열전전압을 기반으로 파워 게이트(Power Gate)를 최적의 턴온(Turn-On) 시간으로 제어할 수 있는 파워게이트 제어신호를 발생한다. 보다 상세하게는, 타이밍 제어부(250)는 최대전력점 추적 제어부(220)에 의해 산출된 최대전력에 대응하는 열전전압을 최적의 열전전압으로 정의한다. 타이밍 제어부(250)는 최적 열전전압을 최적 주파수로 변환하고, 최적 주파수를 기반으로 파워 게이트(Power Gate)의 턴온(Turn-On) 시간을 제어한다. 타이밍 제어부(250)에 대해서는 도 4와 관련하여 후술한다.
도 3의 (a) 및 (b)는 본 실시예에 따른 열전 발전기 제어장치를 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 회로도이다.
도 3의 (a)를 참조하면, 열전 발전기 제어장치(120)는 복수의 열전 발전기로 구성된 열전모듈을 포함한다. 열전모듈의 등가회로에서 등가저항(임피던스)을 산출하기 위한 일 예는 [수학식 3]와 같다.
Figure pat00003
[수학식 3]에서 TON은 스위치가 켜져 있는 시간을 의미한다. 따라서, 등가저항은 TON값과 fS값에 반비례한다.
Cin은 입력전압(Vin)을 이용하여 충전된다. 자동구동부(Auto Start-Up, 미도시)는 Cin에 임계치 이상의 전압이 충전되면 열전 발전기 제어장치(120) 내의 전체 회로를 자동으로 구동시킨다. 입력전압 감지장치(Vin Detector)는 입력전압을 감지하고, 입력전압이 감지되면 최대전력점 추적 제어부(220)(MPPT)에 해당 입력전압값을 전송한다.
열전 발전기 제어장치(120)는 최대전력점 추적 제어부(220)로부터 스위칭 정보 생성부(230)(ZCS Controller)로 최대전력점에 대한 정보를 제공한다. 스위칭 정보 생성부(230)는 영전류 스위칭을 이용하여 PMOS(HS)와 NMOS(LS)을 제어한다.
열전 발전기 제어장치(120) 내에 인덕터에 흐르는 전류를 산출하기 위한 일 예는 [수학식 4]와 같다.
Figure pat00004
[수학식 4]를 참조하면, 인덕터에 흐르는 전류는 TON값과 VIN값에 비례하는 것을 확인할 수 있다. 열전 발전기 제어장치(120)에 의해 생산되는 최대전력을 산출하기 위한 일 예는 [수학식 5]와 같다.
Figure pat00005
열전 발전기 제어장치(120)는 R과 Z가 동일한 경우에 최대전력을 생산하고, 이 때 입력전압(VIN)은 열전전압(VTEG)에 절반에 해당하는 값을 갖는다(도 3의 (b) 참조).
열전 발전기 제어장치(120)는 최적 열전전압을 최적 주파수로 변환하고, 부하(Load)에 파워 게이트의 턴온 시간을 제어한다. 열전 발전기 제어장치(120)는 최적 주파수에 따라 부하에 파워 게이트의 턴온 시간을 제어하여, 최적 열전전압의 크기에 따라 턴온 시간을 적절하게 제어할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 실시예에 따른 타이밍 제어부의 구조를 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 4a를 참조하면, 본 실시예에 따른 타이밍 제어부(250)는 열전전압 수신부(252), 전압-주파수 변환부(254) 및 파워게이트 제어부(256)를 포함한다. 타이밍 제어부(250)에 포함된 구성요소는 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
열전전압 수신부(252)는 적어도 하나 이상의 입력저항과 OP 앰프 전압 가산기(Op-Amp Voltage Adder)를 포함하고, 최대전력점 추적 제어부(220)와 열전전압부(210)의 접점에 연결되어 최적 열전전압을 입력값으로 수신하여 전압-주파수 변환부(254)로 전달한다.
열전전압 수신부(252)는 최대전력점 추적 제어부(220)에 의해 산출된 최대전력에 해당하는 최적 열전전압을 수신한다. 여기서 최적전압은 최대전력을 출력하기 위해 필요한 전압으로, 열전전압의 절반에 해당하는 값을 갖는 것이 일반적이다. 도 4b의 (a)는 열전전압 수신부(252)의 회로 구성을 나타낸다. 열전전압 수신부(252)는 일 예로, 최적 열전전압이 60[mV]에서 240[mV] 내의 범위를 갖는 경우 출력전압으로 620[mV]에서 680[mV]까지 갖을 수 있다.
전압-주파수 변환부(254)는 하나의 입력 스테이지(Input Stage)와 복수 개의 링 오실레이터(Ring Oscillator)를 포함하고, 입력 스테이지 및 링 오실레이터는 각각 2개의 트랜지스터를 포함하며, 열전전압 수신부(242)의 출력측에 연결되어 최적 열전전압을 입력값으로 수신하고, 입력 스테이지 및 링 오실레이터를 이용하여 최적 열전전압을 최적 주파수(Clk)로 변환한다.
전압-주파수 변환부(254)는 최적 열전전압에 대응하는 최적 주파수로 변환한다. 전압-주파수 변환부(254)는 오실레이터(Oscillator)로 형성된 전압 제어 회로로, 입력전압 즉 최적 열전전압의 전압 레벨에 따라 서로 다른 주파수 펄스를 결정한다. 도 4b의 (b)는 전압-주파수 변환부(254)의 회로 구성을 나타낸다. 전압-주파수 변환부(254)는 MP0, MN0와 같은 입력 스테이지용 트랜지스터를 포함한다.
파워게이트 제어부(256)는 에지 추출기(Rising-Edge Detector), 지연-라인 회로(Delay-Line) 및 S-R 래치(S-R Latch)를 포함하고, 에지 추출기 및 지연-라인 회로를 이용하여 최적 주파수를 각각 수신하여 S-R 래치로 출력값을 전송하고, S-R 래치에서 파워게이트 제어 신호(PG_Ctrl)를 생성하여 파워게이트를 제어한다. 여기서 파워게이트 제어 신호는 S-R 래치에 따라 가변 듀티 사이클(Duty-Cycle)을 갖는 제어 신호를 의미한다.
파워게이트 제어부(256)는 최적 주파수에 따라 파워 게이트의 턴온 시간을 제어한다. 파워게이트 제어부(256)는 S-R 래치와 결합된 딜레이 라인 회로를 포함한다. 파워게이트 제어부(256)의 출력값인 파워게이트 컨트롤 신호(PG_Ctrl)는 인버터로 들어가고, 인버터를 거쳐서 반전된 파워게이트 컨트롤 신호가 PMOS로 만들어진 파워 게이트 드라이버에 직접 연결된다. 파워게이트 제어부(256)의 인버터는 파워 게이트가 MMOS로 만들어 진다면 사용되지 않는다. 도 4b의 (c)는 파워게이트 제어부(256)의 회로 구성을 나타낸다.
도 5는 본 실시예에 따른 열전 발전기 제어장치의 동작 파형을 설명하기 위한 도면이다.
도 5의 (a)를 참조하면, 본 실시예에 따른 열전 발전기 제어장치(120)의 2가지 경우에 해당하는 동작 파형이다. 첫 번째 경우(Case 1)에는 수신된 최적 열전전압이 240[mV]에서 CLK1 신호가 생성된다. 열전 발전기 제어장치(120)는 첫 번째 경우에 파워게이트 컨트롤 신호(PG_Ctrl1)에 대한, 예컨대 50 % 듀티 사이클 신호를 생성한다(도 5의 (b) 참조). 두 번째 경우(Case 2)에는 수신된 최적 열전전압이 120[mV]일 때 파워게이트 컨트롤 신호(PG_Ctrl2)에 대한, 예컨대 듀티 사이클은 20%이다(도 5의 (b) 참조). 듀티 사이클의 값은 부하부의 연결된 회로의 종류와 응용에 따라서 다르게 조정될 수 있다. 도 5의 (b)에서 열전발전기에서 발생하는 파워가 큰 경우에는, 부하부에 더 많은 전류를 공급할 수 있도록 파워게이트 컨트롤 신호를 만들어 주고, 열전발전기에서 발생하는 파워가 작을 경우에는, 부하부에 더 적은 전류를 공급하도록 파워게이트 컨트롤 신호를 만들어 준다.
도 6은 본 실시예에 따른 열전 발전기 제어방법을 설명하기 위한 순서도이다.
열전 발전기 제어장치(120)는 열전 발전기(110)의 고온부와 저온부의 온도 차를 기반으로 열전모듈에서 열전전압을 생성한다(S602).
열전 발전기 제어장치(120)는 최대 전력점 추적 제어부(220)에서 오픈 상태의 열전전압을 센싱한다(S604).
열전 발전기 제어장치(120)는 DC-DC 컨버터부(210)에서 열전전압을 부하부 구동전압으로 변환한다(S606).
열전 발전기 제어장치(120)는 센싱된 오픈상태 열전전압을 최적 주파수로 변경한다(S608). 단계 S608에서 열전 발전기 제어장치(120)는 최적 열전전압에 비례하도록 최적 주파수로 변경한다.
열전 발전기 제어장치(120)는 최적 주파수에 따라 파워 게이트의 턴온 시간을 제어한다(S610). 따라서 열전 발전기 제어장치(120)는 최적 열전전압의 크기에 따라 부하에 전달하는 전력을 조절할 수 있도록 최종적으로 파워 게이트의 턴온 시간을 제어한다.
도 6에서는 단계 S602 내지 단계 S610을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 다시 말해, 도 6에 기재된 단계를 변경하여 실행하거나 하나 이상의 단계를 병렬적으로 실행하는 것으로 적용 가능할 것이므로, 도 6는 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.
도 7은 본 실시예에 따른 열전모듈을 설명하기 위한 개념도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 열전모듈은 복수개의 열전 발전기를 포함한다. 보다 상세하게는, 열전모듈은 P-타입, N타입 및 전도성 금속을 포함하는 반도체로 이루어진 열전 발전기 및 세라믹 기판을 포함한다. 열전모듈은 온도 차이를 기반으로 전류를 발생시킬 수 있다.
도 8은 본 실시예에 따른 열전 발전기 제어장치의 실시 결과를 예시한 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 열전 발전기 제어장치(120)는 사람의 체온을 기반으로 웨어러블 기기의 구동에 필요한 전력을 제공할 수 있다. 예컨대, 열전 발전기 제어장치(120)는 사람의 체온을 기반으로 열전전압을 발생시키고, 열전전압에 따라 손목시계와 같은 웨어러블 기기에 필요한 전력을 공급할 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 열전 발전기 120: 열전 발전기 제어장치
130: 부하부 210: DC-DC 컨버터부
220: 최대전력점 추적 제어부 230: 스위칭 정보 생성부
240: 에너지 저장부 250: 타이밍 제어부
252: 열전전압 수신부 254: 전압-주파수 변환부
256: 파워게이트 제어부

Claims (6)

  1. 열전모듈의 고온부와 저온부의 온도차이를 기반으로 발생된 열전전압을 기반으로 최대전력점(MPP: Maximum Power Point)을 추적하여 상기 최대전력점에 대응하는 전압인 최적 열전전압을 산출하고, 상기 최적 열전전압에 따라 공급전력을 적어도 하나 이상의 출력단으로 공급하기 위한 스위칭 정보를 생성하는 하베스팅부;
    상기 스위칭 정보를 수신하여 상기 스위칭 정보에 따라 상기 출력단에 상기 공급전력을 저장하는 저장부; 및
    상기 최적 열전전압을 기반으로 부하에 공급하는 전력을 조절하기 위해 파워 게이트(Power Gate)의 턴온(Turn-On) 시간을 제어하는 타이밍 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 발전기 제어장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하베스팅부는,
    상기 열전모듈과 상기 스위칭부 사이에 위치하고 상기 열전전압의 크기를 증가시키기 위한 인버터 및 커패시터를 포함하는 DC-DC 컨버터부;
    상기 열전전압을 기반으로 상기 최대전력점을 추적하여 상기 최적 열전전압을 산출하고, 상기 최적 열전전압을 스위칭부 및 상기 타이밍 제어부로 전송하는 최대전력점 추적부; 및
    상기 DC-DC 컨버터부와 상기 저장부 사이에 위치하며, 상기 최적 열전전압을 상기 저장부로 전송하기 위한 상기 스위칭 정보를 생성하는 스위칭 정보 생성부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 발전기 제어장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 타이밍 제어부는,
    적어도 하나 이상의 입력저항과 OP 앰프 전압 가산기(Op-Amp Voltage Adder)를 포함하고, 상기 최대전력점 추적 제어부와 상기 열전전압부의 접점에 연결되어 상기 최적 열전전압을 입력값으로 수신하여 전압-주파수 변환부로 전달하는 열전전압 수신부;
    하나의 입력 스테이지(Input Stage)와 복수 개의 링 오실레이터(Ring Oscillator)를 포함하고, 상기 입력 스테이지 및 상기 링 오실레이터는 각각 2개의 트랜지스터를 포함하며, 상기 열전전압 수신부의 출력측에 연결되어 상기 최적 열전전압을 입력값으로 수신하고, 상기 입력 스테이지 및 상기 링 오실레이터를 이용하여 상기 최적 열전전압을 최적 주파수(Clk)로 변환하는 전압-주파수 변환부; 및
    에지 추출기(Rising-Edge Detector), 지연-라인 회로(Delay-Line) 및 S-R 래치(S-R Latch)를 포함하고, 상기 에지 추출기 및 상기 지연-라인 회로를 이용하여 상기 최적 주파수를 각각 수신하여 상기 S-R 래치로 출력값을 전송하고, 상기 S-R 래치에서 파워게이트 제어 신호(PG_Ctrl)를 생성하여 상기 파워게이트를 제어하는 파워게이트 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 발전기 제어장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 스위칭 정보 생성부는,
    상기 DC-DC 컨버터부에 포함된 인버터의 타측과 상기 출력 제어부의 일측의 접점과 연결되며, 영전류 스위칭(ZCS: Zero Current Switching)을 기반으로 상기 스위칭 정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 열전 발전기 제어장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 DC-DC 컨버터부는,
    상기 인버터의 일측과 상기 커패시터의 타측이 연결된 접점에 상기 열전모듈이 연결되며, 상기 인버터의 타측은 상기 스위칭 정보 생성부의 일측과 상기 저장부의 일측의 접점에 연결되는 것을 특징으로 하는 열전 발전기 제어장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 파워게이트 제어 신호는,
    상기 S-R 래치에 따라 고정된 듀티 사이클(Duty-Cycle)을 갖는 가변 주파수 제어 신호인 것을 특징으로 하는 열전 발전기 제어장치.
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