KR20200121510A - 하이브리드 에너지 하베스팅 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드 에너지 하베스팅 장치에 관한 것으로, 제1 하베스터와 상기 제1 하베스터와 종류가 다른 제2 하베스터를 포함하는 하이브리드 하베스터; 상기 제1 하베스터와 출력 부하(Load) 단 사이에 배치되어, 상기 제1 하베스터의 출력 효율을 개선하는 SECE 인터페이스 회로; 및 상기 제2 하베스터의 출력 단에 배치되어, 상기 제2 하베스터에서 출력되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하고, 상기 변환된 직류 전원을 상기 SECE 인터페이스 회로로 공급하는 제1 정류기를 포함한다.

Description

하이브리드 에너지 하베스팅 장치{HYBRID ENERGY HAVESTING DEVICE}
본 발명은 하이브리드 에너지 하베스팅 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 SECE(Synchronous Electric Charge Extraction) 인터페이스 회로를 구비하는 하이브리드 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다.
에너지 하베스팅(Energy Harvesting)이란 기기 주변의 환경 에너지, 태양과 바람과 같은 자연 에너지를 수거하여 사용한 기술을 말하는 것으로, 버려지거나 활용되지 않은 자원에서 에너지를 수확 또는 이용할 수 있는 것을 찾아 에너지를 재생산하는 것으로 주로 마이크로 와트(㎼) 내지 밀리 와트(㎽) 정도의 범위를 갖는다.
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.
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 기술을 말한다.
압전 에너지 하베스팅 장치는 기계적인 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 압전 하베스터(Piezo Harvester)와, 획득된 전력을 변환 및 관리하는 전력관리회로(Power management circuit)로 구성된다. 예를 들어, 도 1은 일반적인 압전 에너지 하베스팅 장치를 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 압전 에너지 하베스팅 장치(10)는 기계적 진동 에너지를 이용하여 교류 전원을 생산하는 압전 하베스터(11)와 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 정류기(Rectifier, 13)를 포함한다. 앞서 언급한 전력관리회로는 정류기를 비롯하여 DC-DC 컨버터 및 보호회로 등을 포함할 수 있다. 그런데, 일반적인 압전 에너지 하베스팅 장치(10)는 전력 변환 효율이 떨어질 뿐만 아니라, 부하 변화에 따라 출력 전력이 가변하는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 SECE(Synchronous Electric Charge Extraction) 인터페이스 회로가 제안되었다.
도 2는 종래의 SECE 인터페이스 회로를 갖는 압전 에너지 하베스팅 장치를 나타내는 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 압전 에너지 하베스팅 장치(20)는 교류 전원을 생산하는 압전 하베스터(21), 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 정류기(23) 및 SECE 인터페이스 회로(25)를 포함한다. 상기 SECE 인터페이스 회로(25)는 스위치(S), 스위치 제어부(미도시), 변압기(T) 및 다이오드(D)로 구성된다. 상기 SECE 인터페이스 회로(25)는 정류기(23)와 출력 캐패시터(CL) 사이에 배치되어, 부하 변동에 관계없이 일정한 전력을 출력할 수 있고, 압전 에너지 하베스팅 장치(20)의 출력 효율을 증가시킬 수 있다.
종래의 SECE 인터페이스 회로(25)는 압전 에너지 하베스팅 장치(20)의 출력 단에 전기적으로 연결되어, 상기 출력 단으로부터 직류 전원(즉, 구동 전원)을 공급받도록 설계된다. 그런데, 상기 SECE 인터페이스 회로(25)는, 초기 구동 시점에 스위치(S)가 개방된 상태이므로 압전 에너지 하베스팅 장치(20)로부터 직류 전원을 공급받을 수 없다. 따라서, SECE 인터페이스 회로(25)는 스위치(S) 및 스위치 제어부를 구동하기 위한 초기 전원(Start-Up Voltage)을 공급하는 별도의 스타트 업(Start-Up) 회로를 필요로 한다. 하지만, 압전 하베스터에서 생산된 저 전력을 이용하여 SECE 인터페이스 회로(25)를 초기 구동하기 위한 전원을 공급하는 스타트 업 회로를 구현하는데 어려움이 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 하이브리드 하베스터(Hybrid Harvester)를 이용하여 SECE 인터페이스 회로의 동작을 개시하기 위한 초기 구동 전원을 공급할 수 있는 하이브리드 에너지 하베스팅 장치를 제공함에 있다.
또 다른 목적은 하이브리드 하베스터를 이용하여 SECE 인터페이스 회로를 계속적으로 동작시키기 위한 상시 구동 전원을 공급할 수 있는 하이브리드 에너지 하베스팅 장치를 제공함에 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 하베스터와, 상기 제1 하베스터와 종류가 다른 제2 하베스터를 포함하는 하이브리드 하베스터; 상기 제1 하베스터와 출력 부하 단 사이에 배치되어, 상기 제1 하베스터의 출력 효율을 개선하는 SECE 인터페이스 회로; 및 상기 제2 하베스터의 출력 단에 배치되어, 상기 제2 하베스터에서 출력되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하고, 상기 변환된 직류 전원을 상기 SECE 인터페이스 회로로 공급하는 제1 정류기를 포함하는 하이브리드 에너지 하베스팅 장치를 제공한다. 여기서, 상기 제1 하베스터는 압전 하베스터이고, 상기 제2 하베스터는 전자기 하베스터, 열전 하베스터, 생체역학 하베스터, 솔라셀 하베스터, 마찰전기(Triboelectric) 하베스터 및 RF 하베스터 중 어느 하나이다.
좀 더 바람직하게는, 상기 하이브리드 에너지 하베스팅 장치는 제1 정류기와 SECE 인터페이스 회로 사이에 배치되어, 상기 제1 정류기의 출력 전압을 미리 결정된 DC 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터를 포함할 수 있다. 상기 DC/DC 컨버터는 SECE 인터페이스 회로의 동작을 개시하기 위한 초기 구동 전압(VStart-Up)을 제공할 수 있다. 또한, 상기 DC/DC 컨버터는 SECE 인터페이스 회로를 계속적으로 동작시키기 위한 상시 구동 전압을 제공할 수 있다.
좀 더 바람직하게는, 상기 하이브리드 에너지 하베스팅 장치는 제1 하베스터의 출력 단에 배치되어, 상기 제1 하베스터에서 출력되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 제2 정류기를 더 포함할 수 있다.
좀 더 바람직하게는, 상기 SECE 인터페이스 회로는 제1 정류기로부터 구동 전원을 공급받는 스위치 제어부; 상기 스위치 제어부의 제어 신호에 따라 스위칭 동작을 수행하는 스위치; 및 상기 스위치의 스위칭 동작에 따라, 제1 하베스터에서 생성된 에너지를 저장 및 전달하는 변압기를 포함할 수 있다. 상기 스위치 제어부는 제2 정류기의 출력 전압을 검출하고, 상기 검출된 출력 전압을 기반으로 스위치의 동작을 제어할 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 장치의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 하이브리드 하베스터를 이용하여 SECE 인터페이스 회로를 구동하기 위한 초기 전원을 공급함으로써, 종래 SECE 인터페이스 회로의 스타트 업(Start-Up) 전원 문제를 간편하게 해결할 수 있다는 장점이 있다.
다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 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.
도 1은 일반적인 압전 에너지 하베스팅 장치를 나타내는 도면;
도 2는 종래의 SECE 인터페이스 회로를 갖는 압전 에너지 하베스팅 장치를 나타내는 도면;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 장치의 구성 블록도;
도 4는 도 3의 하이브리드 에너지 하베스팅 장치의 구성을 상세하게 나타내는 도면;
도 5 및 도 6은 SECE 인터페이스 회로를 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 장치의 동작을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 7은 본 발명에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 장치의 부하 변화에 따른 출력 전력과 일반적인 압전 에너지 하베스팅 장치의 부하 변화에 따른 출력 전력을 비교한 도면.
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.
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.
본 발명은 하이브리드 하베스터를 이용하여 SECE 인터페이스 회로의 동작을 개시하기 위한 초기 구동 전원을 공급할 수 있는 하이브리드 에너지 하베스팅 장치를 제안한다. 또한, 본 발명은 하이브리드 하베스터를 이용하여 SECE 인터페이스 회로를 계속적으로 동작시키기 위한 상시 구동 전원을 공급할 수 있는 하이브리드 에너지 하베스팅 장치를 제안한다.
이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 장치의 구성 블록도이고, 도 4는 도 3의 하이브리드 에너지 하베스팅 장치의 구성을 상세하게 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 장치(100)는 하이브리드 하베스터(110), 제1 정류기(120), 제2 정류기(130) 및 SECE 인터페이스 회로(150)를 포함한다. 상기 하이브리드 에너지 하베스팅 장치(100)는 실시 형태에 따라 하나 이상의 DC/DC 컨버터(140)를 추가로 포함할 수 있다.
하이브리드 하베스터(110)는 압전 하베스터, 정전기 하베스터, 전자기 하베스터, 열전 하베스터, 생체역학 하베스터, 솔라셀 하베스터, 마찰전기(Triboelectric) 하베스터 및 RF 하베스터 중 적어도 둘 이상의 서로 다른 하베스터들을 융합하여 구성할 수 있다. 좀 더 바람직한 실시 예로, 상기 하이브리드 하베스터(110)는 압전 하베스터(111)와 전자기 하베스터(113)를 융합하여 구성할 수 있다.
압전 하베스터(111)는 외부적인 힘 또는 진동이 압전 소자에 인가되면 기계적 응력 또는 변형으로 전하가 발생하는 현상을 이용하여 저 전력의 교류 전원을 생산하는 기능을 수행한다. 이러한 압전 하베스터(110)는 전류원(IP) 및 캐패시터(CP)가 병렬로 연결되는 등가회로로 표현될 수 있다.
전자기 하베스터(113)는 외부적인 힘 또는 진동이 코일 소자에 인가되면 상기 코일 소자 주변에서 발생하는 전자기 유도 현상을 이용하여 저 전력의 교류 전원을 생산하는 기능을 수행한다. 상기 전자기 하베스터(113)는 전류원(IE)으로 구성된 등가회로로 표현될 수 있다.
제1 정류기(120)는 압전 하베스터(111)의 출력 단에 연결되어, 상기 압전 하베스터(111)로부터 출력되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 기능을 수행한다. 상기 제1 정류기(120)는 4개의 다이오드를 포함하는 풀-브릿지 타입(full-bridge type)일 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다. 가령, 상기 제1 정류기(120)는 2개의 다이오드와 2개의 스위치를 포함하는 풀-브릿지 타입일 수도 있다.
제2 정류기(130)는 전자기 하베스터(113)의 출력 단에 연결되어, 상기 전자기 하베스터(113)로부터 출력되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 기능을 수행한다. 마찬가지로, 상기 제2 정류기(130)는 4개의 다이오드를 포함하는 풀-브릿지 타입(full-bridge type)일 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다. 가령, 상기 제2 정류기(130)는 2개의 다이오드와 2개의 스위치를 포함하는 풀-브릿지 타입일 수도 있다.
DC/DC 컨버터(140)는 제2 정류기(130)와 SECE 인터페이스 회로(150) 사이에 배치되어, 상기 제2 정류기(130)의 출력 전압을 미리 결정된 DC 전압으로 변환하고, 상기 변환된 DC 전압을 상기 SECE 인터페이스 회로(150)로 공급하는 기능을 수행한다.
DC/DC 컨버터(140)는 SECE 인터페이스 회로(150)를 동작시키기 위한 초기 구동 전원(Start-Up Voltage)을 공급할 수 있다. 또한, 상기 DC/DC 컨버터(140)는 SECE 인터페이스 회로(150)를 계속적으로 동작시키기 위한 상시 구동 전원을 공급할 수 있다.
DC/DC 컨버터(140)는 실시 형태에 따라 생략 가능하도록 구성할 수 있다. 이 경우, 제2 정류기(130)는 출력 전압을 SECE 인터페이스 회로(150)로 직접 공급할 수 있다.
한편, 비록 도면에 도시되고 있지 않지만, 하나 이상의 DC/DC 컨버터가 제1 정류기(120)와 SECE 인터페이스 회로(150) 사이에 추가되거나 혹은 상기 SECE 인터페이스 회로(150)의 출력 단에 추가될 수 있다.
SECE 인터페이스 회로(150)는 제1 정류기(120)와 출력 단(또는 부하 단) 사이에 배치되어, 부하 변동에 관계없이 일정한 전력을 출력하고, 압전 하베스터(111)의 출력 효율을 증가시키는 기능을 수행한다. 상기 SECE 인터페이스 회로(150)의 동작 방법에 관한 자세한 설명은 후술하도록 한다.
SECE 인터페이스 회로(150)는 스위치(151), 스위치 제어부(153) 및 변압기(155)를 포함한다. 여기서, 상기 스위치(151)와 변압기(155)는 제1 정류기(120)의 출력 단에 직렬로 연결될 수 있다.
스위치(151)는 제1 정류기(120)의 일 출력 단과 일차 측 변압기(155a)의 일 단 사이의 선로 상에 배치될 수 있다. 상기 스위치(151)는, 스위치 제어부(153)의 제어 신호에 따라, 제1 정류기(120)와 일차 측 변압기(155a) 사이의 선로를 주기적으로 개폐하는 동작을 수행할 수 있다.
스위치(151)는 하나 이상의 트랜지스터 소자로 구성될 수 있다. 상기 트랜지스터 소자는 게이트(G), 드레인(D), 소스(S)로 이루어진 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 소자일 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다. 상기 스위치(151)로 N형 트랜지스터(NMOS)를 이용하는 경우, 해당 스위치(151)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, 상기 스위치(151)로 P형 트랜지스터(PMOS)를 이용하는 경우, 해당 스위치(151)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.
스위치 제어부(153)는 제1 정류기(120)의 출력 전압(VBridge)을 감지하고, 상기 감지된 출력 전압(VBridge)을 기반으로 스위치(151)의 동작을 제어할 수 있다. 즉, 스위치 제어부(153)는 제1 정류기(120)의 출력 전압(VBridge)이 최대 전압이 되는 시점과 최소 전압이 되는 시점을 각각 검출하여 해당 스위치(151)의 게이트 전압(VG)을 제어할 수 있다.
스위치 제어부(153)는 제1 정류기(120)의 출력 전압(VBridge)이 최대 전압이 되는 시점에서 스위치(151)를 턴 온(turn on) 시키고, 상기 제1 정류기(120)의 출력 전압(VBridge)이 최소 전압(즉, 0V)이 되는 시점에서 스위치(151)를 턴 오프(turn off) 시키도록 해당 스위치(151)의 게이트 전압(VG)을 제어할 수 있다.
한편, 다른 실시 예로, 스위치 제어부(153)는, 스위치(151) 턴 온 동작 시, 변압기(155)를 통과하는 인덕터 전류를 감지하여 상기 인덕터 전류가 최대 전류가 되는 시점을 검출할 수 있다. 상기 스위치 제어부(153)는, 인덕터 전류가 최대 전류가 되는 시점에 스위치(151)를 턴 오프(turn off) 시키도록 해당 스위치(151)의 게이트 전압(VG)을 제어할 수 있다.
스위치 제어부(153)는 제2 정류기(130) 또는 DC/DC 컨버터(150)의 출력 단과 전기적으로 연결되어, 상기 제2 정류기(130) 또는 DC/DC 컨버터(150)로부터 초기 구동 전원(VStart-Up) 및 상시 구동 전원(VSECE)을 공급받을 수 있다.
변압기(155)는 제1 정류기(120)의 일 출력 단과 스위치(151)의 일 단 사이에 배치되는 일차 측 변압기(155a)와, 하이브리드 에너지 하베스팅 장치(100)의 양 출력 단(또는 부하 단) 사이에 배치되는 이차 측 변압기(155b)로 구성될 수 있다.
변압기(155)는, 스위치(151)의 개폐 동작에 따라, 압전 하베스터(111)에서 생산된 에너지를 일차 측 변압기(155a)에 저장하고, 상기 일차 측 변압기(155a)에 저장된 에너지를 이차 측 변압기(155b)로 전달하는 기능을 수행한다. 상기 변압기(155)는 이차 측 변압기(155b)로 전달된 에너지를 이용하여 출력 캐패시터(CL)를 충전할 수 있다.
한편, 본 실시 예에서는, SECE 인터페이스 회로(150)가 제1 정류기(120)와 출력 단(또는 부하 단) 사이에 배치되는 것을 예시하고 있으나 이를 제한하지는 않으며, 압전 하베스터(111)와 제1 정류기(120) 사이에 배치될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
또한, 본 실시 예에서는, 제1 하베스터(즉, 압전 하베스터)와 다른 종류인 제2 하베스터(즉, 전자기 하베스터)를 이용하여 SECE 인터페이스 회로를 구동하는 것을 예시하고 있으나 이를 제한하지는 않으며, 상기 제1 하베스터와 동일한 종류인 제2 하베스터(즉, 압전 하베스터)를 이용하여 상기 SECE 인터페이스 회로를 구동할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 장치는 SECE 인터페이스 회로를 이용하여 부하 변동에 관계없이 일정한 전력을 출력할 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 압전 에너지 하베스팅 장치에 비해 4배 이상의 전력을 출력할 수 있다. 또한, 상기 하이브리드 에너지 하베스팅 장치는 하이브리드 하베스터를 이용하여 SECE 인터페이스 회로를 구동하기 위한 초기 전원 및 상시 전원을 공급할 수 있다.
도 5 및 도 6은 SECE 인터페이스 회로를 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 장치의 동작을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 하이브리드 하베스터(110)는 서로 다른 종류의 하베스터들, 즉 압전 하베스터(111)와 전자기 하베스터(113)를 융합하여 구성할 수 있다. 이때, 상기 압전 하베스터(111)와 전자기 하베스터(113)는 독립적으로 구동할 수 있다.
하이브리드 하베스터(110)의 압전 하베스터(111)는 하나 이상의 압전 소자를 이용하여 저 전력의 교류 전원을 출력할 수 있다. 제1 정류기(120)는 압전 하베스터(111)로부터 입력되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 출력할 수 있다.
한편, 하이브리드 하베스터(110)의 전자기 하베스터(113)는 하나 이상의 코일 소자를 이용하여 저 전력의 교류 전원을 출력할 수 있다. 제2 정류기(130)는 전자기 하베스터(113)로부터 입력되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 출력할 수 있다.
DC/DC 컨버터(140)는 제2 정류기(130)의 출력 전압을 미리 결정된 DC 전압으로 변환하고, 상기 변환된 DC 전압을 SECE 인터페이스 회로(150)로 출력할 수 있다. 상기 DC/DC 컨버터(140)의 출력 전원은 SECE 인터페이스 회로(150)의 동작을 개시하기 위한 초기 구동 전원(Start-Up Voltage)으로 사용될 뿐만 아니라, 상기 SECE 인터페이스 회로(150)를 계속적으로 동작시키기 위한 상시 구동 전원으로 사용될 수 있다.
SECE 인터페이스 회로(150)의 스위치 제어부(153)는 DC/DC 컨버터(140)의 출력 단과 연결되어, 상기 DC/DC 컨버터(140)로부터 초기 구동 전원(Start-Up Voltage) 및 상시 구동 전원을 공급받을 수 있다.
스위치 제어부(153)는 제1 정류기(120)의 출력 전압(VBridge)을 실시간으로 감지(sensing)하고, 상기 감지된 출력 전압(VBridge)을 기반으로 스위치(151)의 동작을 제어할 수 있다. 즉, 스위치 제어부(153)는 제1 정류기(120)의 출력 전압(VBridge)이 최대 전압이 되는 시점을 검출하여 스위치(151)를 턴 온(turn on) 시키고, 상기 제1 정류기(120)의 출력 전압(VBridge)이 최소 전압이 되는 시점을 검출하여 스위치(151)를 턴 오프(turn off) 시킬 수 있다.
SECE 인터페이스 회로(150)의 스위치(151)가 턴 오프 상태(즉, 개방 상태)일 경우, 제1 정류기(120)에서 출력된 에너지는 일차 측 변압기(155a)에 저장되고, 상기 제1 정류기(120)의 출력 전압(VBridge)은 미리 결정된 최대 전압(Voc)까지 상승하게 된다. 이때, 해당 스위치(151)가 턴 오프 상태이므로, 일차 측 변압기(155a)에 저장된 에너지는 이차 측 변압기(155b)로 전달되지 않는다.
제1 정류기(120)의 출력 전압(VBridge)이 미리 결정된 최대 전압(Voc)에 도달하게 되면, 스위치 제어부(153)는 이를 감지하여 스위치(151)의 동작 상태를 턴 오프 상태에서 턴 온 상태(즉, 폐쇄 상태)로 전환하게 된다. 상기 스위치(151)가 턴 온 상태로 전환되면, 일차 측 변압기(155a)에 저장된 에너지는 이차 측 변압기(155b)로 전달되고, 상기 이차 측 변압기(155b)로 전달된 에너지는 부하 캐패시터(CL)를 충전하게 된다. 그리고, 상기 스위치(151)가 턴 온 상태일 경우, 제1 정류기(120)의 출력 전압(VBridge)은 미리 결정된 최소 전압(즉, 0V)까지 하강하게 된다.
제1 정류기(120)의 출력 전압(VBridge)이 미리 결정된 최소 전압(0V)에 도달하게 되면, 스위치 제어부(153)는 이를 감지하여 스위치(151)의 동작 상태를 턴 온 상태에서 턴 오프 상태로 전환하게 된다. 상기 스위치(151)가 턴 오프 상태로 전환되면, SECE 인터페이스 회로(150)는 상술한 동작들을 반복하여 수행하게 된다.
이처럼, SECE 인터페이스 회로(150)는 스위치 제어부(153)의 제어 신호에 따라 스위치(151)를 주기적으로 개폐함으로써, 부하 변화에 관계없이 일정한 전력을 출력할 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 압전 에너지 하베스팅 장치에 비해 4배 이상의 전력을 출력할 수 있다.
예를 들어, 도 7은 본 발명에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 장치의 부하 변화에 따른 출력 전력과 일반적인 압전 에너지 하베스팅 장치의 부하 변화에 따른 출력 전력을 비교한 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 다이오드 브릿지 정류기(Diode Bridge Rectifier)만을 포함하는 일반적인 압전 에너지 하베스팅 장치는 부하 변화에 따라 전력을 가변하여 출력하는 것을 확인할 수 있다. 이에 반해, SECE 인터페이스 회로를 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 장치는 부하 변화에 관계없이 일정한 전력을 출력할 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 상기 하이브리드 에너지 하베스팅 장치는 일반적인 압전 에너지 하베스팅 장치에 비해 2배 내지 10배의 전력을 출력할 수 있음을 확인할 수 있다.
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.
100: 하이브리드 에너지 하베스팅 장치 110: 하이브리드 하베스터
111: 압전 하베스터 113: 전자기 하베스터
120: 제1 정류기 130: 제2 정류기
140: DC/DC 컨버터 150: SECE 인터페이스 회로
151: 스위치 153: 스위치 제어부
155: 변압기

Claims (8)

  1. 제1 하베스터와, 상기 제1 하베스터와 종류가 다른 제2 하베스터를 포함하는 하이브리드 하베스터;
    상기 제1 하베스터와 출력 부하(Load) 단 사이에 배치되어, 상기 제1 하베스터의 출력 효율을 개선하는 SECE(Synchronous Electric Charge Extraction) 인터페이스 회로; 및
    상기 제2 하베스터의 출력 단에 배치되어, 상기 제2 하베스터에서 출력되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하고, 상기 변환된 직류 전원을 상기 SECE 인터페이스 회로로 공급하는 제1 정류기를 포함하는 하이브리드 에너지 하베스팅 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 하베스터는 압전 하베스터이고,
    상기 제2 하베스터는 전자기 하베스터, 열전 하베스터, 생체역학 하베스터, 솔라셀 하베스터, 마찰전기(Triboelectric) 하베스터 및 RF 하베스터 중 어느 하나임을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스팅 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 정류기와 상기 SECE 인터페이스 회로 사이에 배치되어, 상기 제1 정류기의 출력 전압을 미리 결정된 DC 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터를 더 포함하는 하이브리드 에너지 하베스팅 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터는 상기 SECE 인터페이스 회로의 동작을 개시하기 위한 초기 구동 전압(VStart-Up)을 제공하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스팅 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터는 상기 SECE 인터페이스 회로를 계속적으로 동작시키기 위한 상시 구동 전압을 제공하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스팅 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 하베스터의 출력 단에 배치되어, 상기 제1 하베스터에서 출력되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 제2 정류기를 더 포함하는 하이브리드 에너지 하베스팅 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 SECE 인터페이스 회로는,
    상기 제1 정류기로부터 구동 전원을 공급받는 스위치 제어부;
    상기 스위치 제어부의 제어 신호에 따라 스위칭 동작을 수행하는 스위치; 및
    상기 스위치의 스위칭 동작에 따라, 상기 제1 하베스터에서 생성된 에너지를 저장 및 전달하는 변압기를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스팅 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는, 상기 제2 정류기의 출력 전압을 검출하고, 상기 검출된 출력 전압을 기반으로 상기 스위치의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스팅 장치.
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