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KR101643817B1 - Apparatus for tracking maximum power point for energy harvesting system - Google Patents

Apparatus for tracking maximum power point for energy harvesting system Download PDF

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KR101643817B1
KR101643817B1 KR1020140135061A KR20140135061A KR101643817B1 KR 101643817 B1 KR101643817 B1 KR 101643817B1 KR 1020140135061 A KR1020140135061 A KR 1020140135061A KR 20140135061 A KR20140135061 A KR 20140135061A KR 101643817 B1 KR101643817 B1 KR 101643817B1
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power point
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이상권
정진성
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서울시립대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 에너지 하베스팅 시스템의 구동 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 오프 칩(Off-chip) 커패시터를 사용하지 않고 전력 변환기의 전류를 보존하여 보다 빠르게 최대 전력점을 추출할 수 있고, 전력변환기의 입력전압을 일정 범위 내에서 유지할 수 있는 에너지 하베스팅 시스템의 최대 전력점 구동 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a driving apparatus for an energy harvesting system, and more particularly, it is possible to extract a maximum power point more quickly by conserving the current of a power converter without using an off-chip capacitor, To an apparatus for driving a maximum power point of an energy harvesting system capable of maintaining an input voltage of the power harvesting system within a predetermined range.

Description

에너지 하베스팅 시스템의 최대 전력점 구동 장치{Apparatus for tracking maximum power point for energy harvesting system}[0001] The present invention relates to an energy harvesting system,

본 발명은 에너지 하베스팅 시스템의 구동 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 최대 전력점의 추출을 위해 전력변환기를 미구동 하는 중에도 전류를 보존하여 전류를 보존하지 않고 최대 전력점을 추출하는 기존의 방식보다 빠르게 최대 전력점을 추출할 수 있고, 전력변환기의 입력전압을 일정 범위 내의 최대 전력점으로 유지하여 부하로 최대 전력을 전달할 수 있는 에너지 하베스팅 시스템의 최대 전력점 구동 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a driving apparatus for an energy harvesting system, and more particularly, to a driving apparatus of an energy harvesting system, in which a current power is saved even when a power converter is not driven for extracting a maximum power point, To a maximum power point driving apparatus of an energy harvesting system capable of extracting a maximum power point more quickly and capable of transferring a maximum power to a load while maintaining an input voltage of the power converter at a maximum power point within a certain range.

에너지 하베스팅이란 일상생활에서 버려지거나 소모되는 에너지를 모아 재활용하는 기술이다.Energy Harvesting is a technology that collects and recycles energy that is abandoned or consumed in daily life.

이와 같이 일상생활에서 버려지거나 소모되는 에너지를 모으기 위해 물질에 가해지는 물리적 압력에 의해 기계적 에너지를 전기 에너지로 전환하는 압전소자, 두 금속의 온도차에 의해 발생되는 전기 에너지를 출력하는 열전소자, 태양광을 받아 전기 에너지를 발생시키는 태양광 소자 등과 같은 다양한 하베스팅 소자들이 개발되고 있다.In this way, to collect energy that is abandoned or consumed in everyday life, there is a piezoelectric element that converts mechanical energy into electric energy by the physical pressure applied to the material, a thermoelectric element that outputs electric energy generated by the temperature difference between the two metals, And a photovoltaic device that generates electric energy by receiving a laser beam are developed.

통상, 하베스팅 시스템의 하베스팅 소자들에 의해 발생되는 전력을 최대전력으로 부하로 전달하기 위해 최대 전력점 구동장치가 적용되고 있다.Typically, a maximum power point drive is being applied to deliver the power generated by the harvesting elements of the harvesting system to the load at full power.

일반적으로 태양광 소자의 경우 최대 전력점 구동을 위하여 P&O 방식 및 IncCond 방식의 디지털 제어를 주로 사용하는 최대 전력점 구동장치는 열전소자 및 압전소자 등의 하베스팅 소자에 적용하기는 어려운 문제점이 있었다.Generally, in the case of a photovoltaic device, a maximum power point driving device using mainly P & O and IncCond digital control for driving a maximum power point has a problem that it is difficult to apply it to a heating device such as a thermoelectric device and a piezoelectric device.

상술한 문제점을 해소하기 위해 열전소자 및 압전소자 등의 하베스팅 소자에 적용할 수 있는 최대 전력점 구동회로가 등록특허 10-1035402(2011.05.11.) [열전 발전 소자의 최대 전력점 구동회로](이하 "선행특허"라 함)에 개시되어 있다.In order to solve the above-described problems, a maximum power point driving circuit applicable to a heating device such as a thermoelectric device and a piezoelectric device is disclosed in which a maximum power point driving circuit of a thermoelectric generator is provided. (Hereinafter referred to as "prior patent").

상기 선행특허는 최대 전력점을 추출하는 동안 직류(DC)-직류(DC) 변환기(이하 "전력변환기"라 함)를 멈추기 위해 전력변환기에 충전되어 있는 전류가 자연스럽게 방전되도록 하는 방식을 적용한다.The prior art applies a method in which the current charged in the power converter is discharged naturally to stop the DC-DC converter (hereinafter referred to as " DC converter ") while extracting the maximum power point.

그러나 상기 선행특허의 최대 전력점 구동 회로는 최대 전력점의 추출에 필요한 시간이 전력변환기의 입력 전압, 출력 전압, 입력 커패시턴스, 인덕턴스 및 하베스팅 소자의 개방회로 전압, 출력 저항 등에 의존하기 때문에 예측하기 어려우므로 필요 이상 길어야 했다. 이것은 전력변환기의 정지 시간이 길어야 함을 의미하며, 원활한 전력공급에 지장을 줄 수 있는 문제점이 있다.However, since the time required for extracting the maximum power point depends on the input voltage of the power converter, the output voltage, the input capacitance, the inductance and the open circuit voltage of the harvesting device, the output resistance, etc., Because it was difficult, it had to be longer than necessary. This means that the stoppage time of the power converter must be long, which may hinder smooth power supply.

또한, 전력변환기의 입력부에 오프칩(off-chip)의 입력 커패시터를 사용함으로써 전력변환회로의 소형화에 어려움을 주는 문제점이 있었다.
In addition, there is a problem that it is difficult to miniaturize the power conversion circuit by using an off-chip input capacitor at the input portion of the power converter.

등록특허 제10-1035402호Patent No. 10-1035402

따라서 본 발명의 목적은 최대 전력점의 추출을 위해 전력변환기를 미구동 하는 중에도 전류를 보존하여 전류를 보존하지 않고 최대 전력점을 추출하는 기존의 방식보다 빠르게 최대 전력점을 추출할 수 있고, 입력 커패시터를 사용하지 않음에도 전력변환기의 입력전압을 일정 범위 내의 최대 전력점으로 유지하여 부하로 최대 전력을 전달할 수 있는 에너지 하베스팅 시스템의 최대 전력점 구동 장치를 제공함에 있다.
Accordingly, it is an object of the present invention to extract a maximum power point faster than a conventional method of extracting a maximum power point without saving a current by conserving the current even when the power converter is not driven for extracting a maximum power point, The present invention provides an apparatus for driving a maximum power point of an energy harvesting system capable of transferring a maximum power to a load by maintaining an input voltage of the power converter at a maximum power point within a certain range without using a capacitor.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 에너지 하베스팅 시스템의 최대 전력점 구동 장치는: 임의의 전력에 대한 입력 전압(VIN)을 출력하는 에너지 하베스팅 소자; 최대 전력점 추적 모드에서 상기 입력 전압(VIN)과 미리 설정된 최대 전력점에 대응하는 상위 기준 전압(VH) 및 하위 기준 전압(VL)을 비교하여 최대 전력점 추적 제어 신호를 출력하고, 샘플링 모드에서 최대 전력점 추출 제어 신호를 출력하는 전체 제어부; 및 인덕터(L)를 포함하며, 상기 최대 전력점 추적 제어 신호의 입력 시 상기 입력 전압(VIN)을 상기 상위 및 하위 기준전압 범위 안에서 유지시키며, 열전 소자가 출력하는 전력을 부하로 공급하고, 상기 최대 전력점 추출 제어 신호의 입력 시 상기 인덕터를 포함하는 폐루프를 형성하여 상기 인덕터에 저장되어 있는 인덕터 전류가 상기 폐루프에서 순환하도록 하여 전류를 보존하는 전력 변환기를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an apparatus for driving a maximum power point of an energy harvesting system, comprising: an energy harvesting device for outputting an input voltage V IN for a predetermined power; In the maximum power point tracking mode, the input voltage (V IN ) is compared with a higher reference voltage (V H ) and a lower reference voltage (V L ) corresponding to a preset maximum power point to output a maximum power point tracking control signal, A total control unit for outputting a maximum power point extraction control signal in the sampling mode; And an inductor L which maintains the input voltage V IN within the upper and lower reference voltage ranges when the maximum power point tracking control signal is input and supplies power output from the thermoelectric elements to the load, And a power converter configured to form a closed loop including the inductor when the maximum power point extraction control signal is input and to cause the inductor current stored in the inductor to circulate in the closed loop to save the current.

상기 장치는: 상기 전력변환기의 구동 시 상기 최대 전력점 추적 모드를 설정하여 상기 전체 제어부를 제어하고, 상기 전력변환기의 구동 종료 시 상기 샘플링 모드를 설정하여 상기 전체 제어부를 제어하는 샘플링 주기 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The apparatus further includes a sampling period control unit for controlling the overall control unit by setting the maximum power point tracking mode when the power converter is driven and controlling the overall control unit by setting the sampling mode when the power converter is driven .

상기 전체 제어부는, 상기 샘플링 모드 동안 상기 열전소자의 개방회로 전압(VTEG)을 추출하고, 최대 전력점 추적 모드 동안 상기 기준 전압들(VH, VL)을 출력하는 샘플링부; 및 상기 샘플링부에서 출력되는 신호를 받아 최대 전력점 추적 제어 신호 및 최대 전력점 추출 제어 신호를 출력하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.Wherein the overall controller comprises: a sampling unit for extracting an open circuit voltage (V TEG ) of the thermoelectric element during the sampling mode and outputting the reference voltages (V H , V L ) during a maximum power point tracking mode; And a controller for receiving a signal output from the sampling unit and outputting a maximum power point tracking control signal and a maximum power point extraction control signal.

상기 샘플링부는, 상위 기준전압을 생성하여 출력하는 제1기준전압 생성부; 하위 기준전압을 생성하여 출력하는 제2기준전압 생성부; 및 상기 입력 전압을 수신받아 출력하는 입력 전압 수신부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The sampling unit may include: a first reference voltage generation unit generating and outputting an upper reference voltage; A second reference voltage generator for generating and outputting a lower reference voltage; And an input voltage receiving unit receiving and outputting the input voltage.

상기 제어부는, 상기 상위 기준전압을 비반전단자로 입력받고 상기 입력 전압을 반전 단자로 입력받아 비교하여 그 크기에 따른 출력 신호를 출력하는 제1비교기; 상기 하위 기준전압을 반전단자로 입력받고 상기 입력 전압을 비반전 단자로 입력받아 비교하여 그 크기에 따른 출력신호를 출력하는 제2비교기; 상기 제1비교기의 출력단에 일단이 연결되고 최대 전력점 추적 모드에서 스위칭되어 상기 제1비교기의 출력 신호를 출력하는 제7스위치; 일단이 접지에 연결되고 샘플링 모드에서 스위칭되어 접지 신호를 출력하는 제8스위치; 일단이 접지에 연결되고 샘플링 모드에서 스위칭되어 접지 신호를 출력하는 제9스위치; 상기 제2비교기의 출력단에 일단이 연결되고 최대 전력점 추적 모드에서 스위칭되어 상기 제2비교기의 출력 신호를 출력하는 제10스위치; 최대 전력점 추적 모드에서 상기 제7스위치의 출력 신호를 제1입력단으로 입력받고 상기 제10 스위치의 출력 신호를 제2입력단으로 입력받아 RS-래치 연산을 수행하여 각각의 제1출력단 및 제2출력단으로 출력하는 RS-래치; 상기 제1출력단에 연결되어 상기 제1출력단에서 출력되는 신호를 버퍼링한 후 출력하는 제1버퍼; 상기 제2출력단에 연결되어 상기 제2출력단에서 출력되는 신호를 반전하여 버퍼링한 후 출력하는 반전 버퍼; 상기 제1버퍼에서 출력되는 신호를 버퍼링하여 일정 시간 지연하여 제1제어신호(P)로서 출력하는 제2버퍼; 상기 반전 버퍼에서 출력되는 신호를 버퍼링하여 상기 일정 시간 지연하여 제2제어신호(N)로서 출력하는 제3버퍼; 및 상기 제1버퍼에서 출력되는 신호 및 반전 버퍼에서 출력되는 신호를 배타적 논리합 연산을 수행하여 상기 제1제어신호 및 제2제어신호와 동일 시점에서 제3제어신호(Φ)를 출력하는 배타적 논리합 게이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.A first comparator that receives the upper reference voltage at a non-inverting terminal, receives the input voltage at an inverting terminal, compares the input voltage, and outputs an output signal according to the comparison; A second comparator for receiving the lower reference voltage at the inverting terminal, receiving the input voltage at the non-inverting terminal, comparing the input voltage with the non-inverting terminal, and outputting an output signal according to the comparison; A seventh switch connected at one end to the output terminal of the first comparator and switched in a maximum power point tracking mode to output an output signal of the first comparator; An eighth switch connected to the ground at one end and switched in the sampling mode to output a ground signal; A ninth switch connected to the ground at one end and switched in the sampling mode to output a ground signal; A tenth switch connected at one end to the output terminal of the second comparator and switched in a maximum power point tracking mode to output an output signal of the second comparator; In the maximum power point tracking mode, the output signal of the seventh switch is input to the first input terminal, the output signal of the tenth switch is input to the second input terminal, and the RS-latch operation is performed to output the first output terminal and the second output terminal An RS-latch for outputting the RS- A first buffer connected to the first output terminal for buffering a signal output from the first output terminal and outputting the buffered signal; An inversion buffer connected to the second output terminal for inverting and buffering a signal output from the second output terminal, and outputting the inverted signal; A second buffer for buffering a signal output from the first buffer and outputting the buffered signal as a first control signal P after a predetermined time delay; A third buffer for buffering a signal output from the inverting buffer and outputting the buffered signal as a second control signal (N) after a predetermined time delay; And an exclusive OR gate that performs an exclusive-OR operation on a signal output from the first buffer and a signal output from the inverted buffer to output a third control signal? At the same time as the first control signal and the second control signal, And a control unit.

상기 제1기준 전압 생성부는, 일단이 접지되고 커패시턴스를 가변할 수 있는 제1커패시터(αCH); 상기 제1커패시터에 병렬로 연결되어 샘플링 모드에서 턴-온되는 제1스위치; 및 일단이 접지되는 제2커패시터(CH) 상기 제1커패시터의 타단 및 상기 제2커패시터의 타단에 연결되고 최대 전력점 추적 모드에서 턴-온되어 상기 제1비교기로 상기 제1 및 제2커패시터들에 의해 결정되는 상위 기준 전압을 제공하는 제2스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.The first reference voltage generating unit may include: a first capacitor (? C H ) whose one end is grounded and whose capacitance can be varied; A first switch connected in parallel to the first capacitor and turned on in a sampling mode; And a second capacitor (C H ) having one end connected to the other end of the first capacitor and the other end of the second capacitor, and is turned on in a maximum power point tracking mode to turn the first and second capacitors And a second switch for providing a higher reference voltage determined by the second switch.

상기 상위 기준전압은 상기 제1커패시터의 α에 따라 조정되는 것을 특징으로 한다.And the upper reference voltage is adjusted according to? Of the first capacitor.

상기 제2기준 전압 생성부는, 일단이 접지되고 상기 하위 기준 전압을 추출할 수 있는 제3커패시터(βCL); 일단이 접지되는 제4커패시터(CL); 상기 제3커패시터에 병렬로 연결되어 샘플링 모드에서 턴-온되는 제3스위치; 및 상기 제3커패시터의 타단 및 상기 제4커패시터의 타단에 연결되고 최대 전력점 추적 모드에서 턴-온되어 상기 제2비교기로 상기 제3 및 제4 커패시터들에 의해 결정되는 하위 기준 전압을 제공하는 제4스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.The second reference voltage generator comprises a third capacitor, one end is grounded to extract the lower reference voltage (βC L); A fourth capacitor (C L ) whose one end is grounded; A third switch connected in parallel to the third capacitor and turned on in a sampling mode; And a second comparator coupled to the other end of the third capacitor and to the other end of the fourth capacitor and configured to be turned on in a maximum power point tracking mode to provide a lower reference voltage as determined by the third and fourth capacitors to the second comparator And a fourth switch.

상기 하위 기준전압은 상기 제3커패시터의 β에 따라 조정되는 것을 특징으로 한다.And the lower reference voltage is adjusted according to? Of the third capacitor.

상기 전력 변환기는, 일단이 상기 에너지 하베스팅 소자의 출력 저항(RTEG)과 연결되는 상기 인덕터; 일단이 상기 인덕터의 타단에 연결되고 상기 제1제어 신호(P)에 따라 스위칭되는 제1스위치(MP1); 상기 인덕터 양단에 병렬 연결되고 상기 제3제어신호(φ)에 따라 스위칭되는 제3스위치(MN2); 및 상기 인덕터의 타단과 접지 사이에 연결되어 상기 제2제어신호(N)에 따라 스위칭되는 제2스위치(MN1)를 포함하는 것을 특징으로 한다.Wherein the power converter comprises: an inductor having one end connected to an output resistance (R TEG ) of the energy harvesting device; A first switch (M P1 ) having one end connected to the other end of the inductor and switched according to the first control signal (P); A third switch M N2 connected in parallel across the inductor and switched according to the third control signal φ; And a second switch (M N1 ) connected between the other terminal of the inductor and the ground and switched according to the second control signal (N).

상기 전력 변환기는, 최대 전력점 추적 모드에서, 제1최대 전력점 추적 제어 신호에 의해 상기 제2스위치(MN1)는 턴-온되고, 제1스위치(MP1) 및 제3스위치(MN2)는 오프되어 상기 인덕터(L)에 상기 인덕터 전류를 저장하고, 제2최대 전력점 추적 제어 신호에 의해 제2스위치(MN1) 및 제3스위치(MN2)는 턴-오프되고 제1스위치(MP1)는 턴-온되어 저장된 인덕터 전류를 상기 부하인 에너지 저장소로 전송하며, 샘플링 모드에서, 최대 전력점 추출 제어 신호에 의해 상기 제3스위치는 턴-온되고, 제1스위치 및 제2스위치는 턴-오프 되어 상기 인덕터를 포함하는 폐루프를 형성하여 상기 인덕터에 저장된 인덕터 전류가 상기 폐루프를 순환하도록 하여 상기 인덕터의 인덕터 전류를 보존하는 것을 특징으로 한다.
The power converter is configured such that in the maximum power point tracking mode, the second switch (M N1 ) is turned on by the first maximum power point tracking control signal and the first switch (MP1) and the third switch (M N2 ) The second switch M N1 and the third switch M N2 are turned off by the second maximum power point tracking control signal and the first switch M N2 is turned off by the second maximum power point tracking control signal, M P1 ) is turned on and transmits the stored inductor current to the energy storage, which is the load. In the sampling mode, the third switch is turned on by the maximum power point extraction control signal, and the first switch and the second switch Is turned off to form a closed loop including the inductor so that the inductor current stored in the inductor circulates the closed loop to preserve the inductor current of the inductor.

본 발명은 최대 전력점 추출을 위해 전력변환기의 인덕터 전류를 보존하는 기법을 이용하므로 인덕터의 방전 및 재충전에 따른 시간을 소모하지 않아도 되므로 보다 빠르게 최대 전력점을 추출할 수 있는 효과를 갖는다.Since the present invention uses a technique of conserving the inductor current of the power converter for extracting the maximum power point, it does not need to spend time for discharge and recharging of the inductor, so that the maximum power point can be extracted more quickly.

본 발명은 상술한 바와 같이 빠르게 최대 전력점 추출할 수 있으므로 전력변환기의 미구동 시간을 짧게할 수 있고, 이로 인해 에너지 저장소로 전력을 보다 원활하게 공급할 수 있는 효과를 갖는다.Since the maximum power point can be extracted quickly as described above, the present invention can shorten the non-driving time of the power converter, thereby providing an effect of more smoothly supplying power to the energy storage.

또한, 본 발명은 최대 전력점 추출 동안 전력 변환기의 입력 전압이 일정 범위 내에서 유지되도록 제어하므로 입력 커패시터를 제거함에도 불구하고 과도한 스위칭 속도를 방지할 수 있는 효과를 갖는다.Further, the present invention controls the input voltage of the power converter to be maintained within a predetermined range during the extraction of the maximum power point, so that an excessive switching speed can be prevented even though the input capacitor is removed.

또한, 본 발명은 입력 커패시터를 구비하지 않아도 되므로 전력변환기를 소형화할 수 있고, 이로 인해 최대 전력점 구동 장치 또한 소형화할 수 있는 효과를 갖는다.
Further, since the present invention does not require an input capacitor, the power converter can be miniaturized, and the maximum power point driving apparatus can be miniaturized.

도 1은 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 최대 전력점 구동 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 최대 전력점 구동 장치의 에너지 하베스팅 소자 및 전력 변환기의 회로 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 최대 전력점 구동 장치의 샘플링부 및 제어부의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 최대 전력점 구동 장치의 전력변환기로 제공되는 입력 전압 및 전류 그래프를 나타낸 도면이다.1 is a diagram illustrating a configuration of a maximum power point driving apparatus of an energy harvesting system according to the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram of an energy harvesting device and a power converter of a maximum power point driving apparatus according to the present invention.
3 is a diagram illustrating the configuration of a sampling unit and a control unit of the maximum power point driving apparatus according to the present invention.
4 is a graph showing input voltage and current provided to the power converter of the maximum power point driving apparatus according to the present invention.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 에너지 하베스팅 시스템의 최대 전력점 구동 장치의 구성 및 동작을 설명하고, 그 장치에서의 최대 전력점 구동 방법을 설명한다.BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the configuration and operation of a maximum power point driving apparatus of an energy harvesting system of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings, and a method of driving a maximum power point in the apparatus will be described.

도 1은 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 최대 전력점 구동 장치의 구성을 나타낸 도면이다.1 is a diagram illustrating a configuration of a maximum power point driving apparatus of an energy harvesting system according to the present invention.

본 발명에 따른 최대 전력점 구동 장치는 에너지 하베스팅 소자(10), 전력변환기(20), 전체 제어부(30), 에너지 저장소(40)를 포함하며, 실시예에 따라 샘플링 주기 제어부(50)를 더 포함한다.The maximum power point driving apparatus according to the present invention includes an energy harvesting device 10, a power converter 20, an overall control unit 30, and an energy storage 40, and the sampling period control unit 50 .

에너지 하베스팅 소자(10)는 태양광 소자, 압전 소자 및 열전 소자 등과 같은 전기 에너지를 생성하는 소자이다. 이하 설명에서는 에너지 하베스팅 소자(10)가 열전 소자인 경우를 예를 들어 설명한다.The energy harvesting element 10 is an element that generates electric energy such as a photovoltaic element, a piezoelectric element, and a thermoelectric element. Hereinafter, the case where the energy harvesting element 10 is a thermoelectric element will be described as an example.

전력변환기(20)는 입력되는 제어 신호에 따라 최대 전력점 추적(MPPT) 모드와 샘플링(SAMP) 모드로 동작한다. 상기 제어 신호는 최대 전력점 추적 모드를 설정하기 위한 최대 전력점 추적 제어 신호 및 샘플링 모드를 설정하기 위한 최대 전력점 추출 제어 신호가 있다. 상기 최대 전력점 추적 제어 신호는 제1최대 전력점 추적 제어 신호 및 제2최대 전력점 추적 제어 신호를 포함한다.The power converter 20 operates in a maximum power point tracking (MPPT) mode and a sampling (SAMP) mode according to an input control signal. The control signal includes a maximum power point tracking control signal for setting the maximum power point tracking mode and a maximum power point extraction control signal for setting the sampling mode. The maximum power point tracking control signal includes a first maximum power point tracking control signal and a second maximum power point tracking control signal.

상기 최대 전력점 추적 모드에서 전력 변환기(20)는 상기 에너지 하베스팅 소자(10)에서 공급되는 전력을 고효율로 에너지 저장소(40)에 전달한다.In the maximum power point tracking mode, the power converter 20 transfers the power supplied from the energy harvesting device 10 to the energy storage 40 with high efficiency.

그리고 샘플링 모드에서 전력 변환기(20)는 인덕터(L)에 저장된 전류가 에너지의 손실을 최소화하면서 흐를 수 있는 폐루프를 형성하여 전류를 보존한다.In the sampling mode, the power converter 20 forms a closed loop in which the current stored in the inductor L can flow while minimizing the loss of energy, thereby preserving the current.

전체 제어부(30)는 샘플링 모드에서 열전소자의 개방회로 전압(VTEG)을 추출하고, 최대 전력점 추적(MPPT) 모드에서 상기 기준 전압을 출력하는 샘플링부(31)와, 최대 전력점 추적 모드동안 상기 기준 전압과 입력 전압을 비교하여 이에 해당하는 제1최대 전력점 추적 제어 신호 및 상기 제2최대 전력점 추적 제어 신호를 출력하고, 샘플링 모드에서 최대 전력점 추출 제어 신호를 출력하는 제어부(32)를 포함한다.The overall control unit 30 includes a sampling unit 31 for extracting the open circuit voltage (V TEG ) of the thermoelectric element in the sampling mode and outputting the reference voltage in the maximum power point tracking (MPPT) mode, And outputs a first maximum power point tracking control signal and a second maximum power point tracking control signal corresponding to the reference voltage and an input voltage while outputting a maximum power point extraction control signal in a sampling mode, ).

다시 설명하면, 전체 제어부(30)는 모드에 따라 최대 전력점 추적 및 전력변환기(20)를 통한 전력의 전송과, 전력변환기(20)의 에너지, 즉 전류 보존을 제어하기 위한 제어 신호를 출력한다. 상기 모드가 최대 전력점 추적 모드이면 전체 제어부(30)는 상기 입력 전압(VIN)과 미리 설정된 최대 전력점에 대응하는 상위 최대 전압(VH) 및 하위 최대 전압(VL)을 비교하여 최대 전력점 추적 모드 제어 신호를 출력한다. 반면, 상기 모드가 샘플링 모드이면 전체 제어부(30)는 입력 전압(VIN)에 상관없이 최대 전력점 추출 제어 신호를 출력한다.[0031] To describe again, the overall control unit 30 outputs a control signal for controlling the transmission of power through the maximum power point tracking and power converter 20 and the energy of the power converter 20, that is, . If the mode is the maximum power point tracking mode, the overall controller 30 compares the input voltage V IN with the upper maximum voltage V H and the lower maximum voltage V L corresponding to the preset maximum power point, And outputs a power point tracking mode control signal. On the other hand, if the mode is the sampling mode, the overall controller 30 outputs the maximum power point extraction control signal regardless of the input voltage V IN .

에너지 저장소(40)는 상기 에너지 하베스팅 소자(10)에서 발생된 최대 전력을 공급받아 저장하는 부하로 배터리 등이 될 수 있을 것이다. The energy storage 40 may be a battery or the like that receives and stores the maximum power generated by the energy harvesting device 10. [

샘플링 주기 제어부(50)는 전력변환기(20)의 구동 시 최대 전력점 추적 모드 신호(VMPPT)를 전체 제어부(30)로 출력하고, 전력변환기(20)의 구동 정지 시 샘플링 모드 신호(VSAMP)를 전체 제어부(30)로 출력한다.
The sampling period control unit 50 outputs the maximum power point tracking mode signal V MPPT to the overall control unit 30 when the power converter 20 is driven and outputs the sampling mode signal V SAMP To the overall control unit 30.

도 2는 본 발명에 따른 최대 전력점 구동 장치의 에너지 하베스팅 소자(10), 전력 변환기(20) 및 에너지 저장소(40)의 회로 구성을 나타낸 도면으로, 에너지 하베스팅 소자가 열전 소자인 경우를 나타낸 도면이다.2 is a circuit diagram showing the circuit configuration of the energy harvesting device 10, the power converter 20 and the energy storage 40 of the maximum power point driving apparatus according to the present invention. In the case where the energy harvesting device is a thermoelectric device, Fig.

도 2를 참조하면 에너지 하베스팅 소자인 열전 소자(10)는 임의의 입력 전압(VIN) 및 입력 전류(IIN)에 대한 전력을 생성하여 출력한다. 열전 소자(10)는 도 2와 같이 등가적으로 개방회로 전압(VTEG)과 출력저항(RTEG)으로 나타낼 수 있다. 전압(VTEG)은 열전 소자(10)의 개방회로 전압이다.Referring to FIG. 2, the thermoelectric element 10, which is an energy harvesting element, generates and outputs power for an arbitrary input voltage V IN and an input current I IN . The thermoelectric element 10 can be equivalently expressed as an open circuit voltage (V TEG ) and an output resistance (R TEG ) as shown in FIG. The voltage (V TEG ) is the open circuit voltage of the thermoelectric element (10).

열전 소자(10)의 출력 저항(RTEG)에 일단이 직렬로 연결되는 인덕터(L), 상기 인덕터(L)와 에너지 저장소 사이에 연결되는 제1스위치(MP1), 상기 인덕터(L)의 타단과 접지 사이에 연결되는 제2스위치(MN1) 및 상기 인덕터(L)의 양단에 병렬로 연결되는 제3스위치(MN2)를 포함한다.A first switch M P1 connected between the inductor L and the energy reservoir and a second switch M P1 connected between the inductor L and the energy reservoir in parallel with the output resistance R TEG of the thermoelectric element 10, A second switch M N1 connected between the other end and ground, and a third switch M N2 connected in parallel at both ends of the inductor L. [

상기 제1스위치(MP1)의 출력단에 연결되는 출력 커패시터(COUT)는 에너지 저장소(40)를 등가적으로 나타낸 것이다.An output capacitor (C OUT ) connected to the output terminal of the first switch (M P1 ) is equivalent to the energy storage (40).

상기 제1스위치(MP1), 제2스위치(MN1) 및 제3스위치(MN2)로 입력받는 제어 신호를 P(이하 "제1제어신호"라 함), N(이하 "제2제어신호"라 함), Φ(이하 "제3제어신호"라 함)로 나타내었다.(Hereinafter, referred to as "first control signal"), N (hereinafter referred to as "second control signal ") input to the first switch M P1 , the second switch M N1 and the third switch M N2 , (Hereinafter referred to as "third control signal").

최대 전력점 추적(MPPT) 모드에서 전력변환기(20)는 제1제어신호(P)가 하이(High)이고, 제2제어신호(N)이 하이(High)이며, 제3제어신호(Φ)가 로우(Low)인 제1최대 전력점 추적 제어 신호(P=High, N=High, Φ=Low) 및 제1제어신호(P)가 로우(Low), 제2제어신호(N)가 로우(Low)이고, 제3제어신호(Φ)가 로우(Low)인 제2최대 전력점 추적 제어 신호를 전체 제어부(30)로부터 입력받는다.In the maximum power point tracking (MPPT) mode, the power converter 20 determines whether the first control signal P is high, the second control signal N is high and the third control signal? (P = High, N = High,? = Low) and the first control signal P are low and the second control signal N is low (Low) and the third control signal (?) Is Low, from the overall control unit 30.

제1최대 전력점 추적 제어 신호가 입력되면 제2스위치(MN1)가 온되고, 제1스위치(MP1) 및 제3스위치(MN2)가 오프된다.When the first maximum power point tracking control signal is inputted, the second switch M N1 is turned on and the first switch M P1 and the third switch M N2 are turned off.

따라서 열전 소자(10)에서 제공되는 전류가 인덕터(L)와 제2스위치(MN1)를 통해 흐르게 되므로 인덕터(L)에 에너지, 즉 전류가 충전되고, 상기 인덕터(L)에 충전되는 전류에 의해 입력되는 상기 제2최대 전력점 추적 제어 신호의 입력에 의해 제1스위치(MP1)가 턴-온되어 충전된 전류에 의한 에너지가 에너지 저장소(40)로 제공된다.The current supplied from the thermoelectric element 10 flows through the inductor L and the second switch M N1 so that the inductor L is charged with energy or current and the current charged in the inductor L The first switch M P1 is turned on by the input of the second maximum power point tracking control signal input by the first switch M P1 and the energy due to the charged current is supplied to the energy storage 40.

반면, 샘플링(SAMP) 모드에서 전력변환기(20)는 제어 신호로서, 제1제어신호(P)가 하이(High)이고, 제2제어신호(N)이 로우(Low)이며, 제3제어신호(Φ)가 하이(High)인 최대 전력점 추출 제어 신호(P=High, N=Low, Φ=High)를 입력받아 제3스위치(MN2)가 턴-온되고, 제1스위치(MP1) 및 제2스위치(MN1)가 턴-오프되어 인덕터(L) 및 제3스위치(MN2)에 의한 폐루프를 형성하게 되어 인덕터(L)에 저장된 전류는 상기 폐루프를 순환하게 되므로 보존된다.
On the other hand, in the sampling (SAMP) mode, the power converter 20 receives as a control signal the first control signal P is high, the second control signal N is low, (Φ) is at a high (high) the maximum power point extraction control signal, the third switch (M N2) receiving the (P = high, N = Low , Φ = high) turned is turned on and the first switch (M P1 And the second switch M N1 are turned off to form a closed loop by the inductor L and the third switch M N2 so that the current stored in the inductor L circulates through the closed loop, do.

도 3은 본 발명에 따른 최대 전력점 구동 장치의 샘플링부 및 제어부의 구성을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 최대 전력점 구동 장치의 전력변환기로 제공되는 입력 전압 및 전류 그래프를 나타낸 도면이다. 이하 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다.FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a sampling unit and a control unit of the maximum power point driving apparatus according to the present invention, and FIG. 4 is a graph of input voltage and current provided to the power converter of the maximum power point driving apparatus according to the present invention. to be. This will be described below with reference to Figs. 3 and 4. Fig.

전체 제어부(30)는 샘플링부(31) 및 제어부(32)를 포함한다. The overall control unit 30 includes a sampling unit 31 and a control unit 32.

샘플링부(31)는 제1기준전압 생성부(311), 제2기준전압 생성부(312) 및 입력 전압 수신부(313)를 포함한다.The sampling unit 31 includes a first reference voltage generating unit 311, a second reference voltage generating unit 312 and an input voltage receiving unit 313.

제1기준전압 생성부(311)는 샘플링 모드 신호(VSAMP)를 입력받아 스위칭되는 제1스위치(S1), 상기 제1스위치(S1)에 병렬로 연결되고 일단이 접지되는 제1커패시터(αCN), 상기 제1커패시터의 타단에 일단이 연결되고 타단이 제1비교기(321)의 비반전 단자에 연결되고 최대 전력점 추적 모드 신호(VMPPT)를 입력받아 스위칭되는 제2스위치(S2), 및 상기 제2스위치(S2) 및 상기 제1비교기(321)의 비반전 단자에 일단이 연결되고 타단이 접지되는 제2커패시터(CH)를 포함하여 제1비교기(321)의 비반전 단자로 상위 기준 전압값(VH)을 공급한다. 상기 상위 기준 전압값(VH)은 제1커패시터(αCN)의 α값을 조절하여 변경될 수 있다.The first reference voltage generating unit 311 includes a first switch S1 that is switched to receive a sampling mode signal V SAMP and a second switch Q1 that is connected in parallel to the first switch S1, N ), a second switch S2 having one end connected to the other end of the first capacitor and the other end connected to the non-inverting terminal of the first comparator 321 and receiving the maximum power point tracking mode signal V MPPT , Inverting terminal of the first comparator 321 and a second capacitor C H having one end connected to the non-inverting terminal of the second switch S2 and the first comparator 321 and the other terminal grounded, To the upper reference voltage value (V H ). The higher the reference voltage value (V H) can be varied by adjusting the value α of the first capacitor (αC N).

제2기준전압 생성부(312)는 샘플링 모드 신호(VSAMP)를 입력받아 스위칭되는 제3스위치(S3), 상기 제3스위치(S3)에 병렬로 연결되고 일단이 접지되는 제3커패시터(βCL), 상기 제3커패시터의 타단에 일단이 연결되고 타단이 제2비교기(322)의 반전 단자에 연결되고 최대 전력점 추적 모드 신호(VMPPT)를 입력받아 스위칭되는 제4스위치(S4), 및 상기 제4스위치(S4) 및 상기 제2비교기(322)의 반전 단자에 일단이 연결되고 타단이 접지되는 제4커패시터(CL)를 포함하여 제2비교기(322)의 반전 단자로 하위 기준 전압값(VL)을 공급한다. 상기 하위 기준 전압값(VL)은 제3커패시터(βCL)의 β값을 조절하여 변경될 수 있다.The second reference voltage generating unit 312 includes a third switch S3 that is switched to receive the sampling mode signal V SAMP and a third capacitor S3 connected in parallel to the third switch S3, L), the fourth switch (S4) having one end is connected to the other terminal of said third capacitor and the other end this switching take connected to the inverting terminal of the second comparator 322 is inputted to the maximum power point tracking mode signal (V MPPT), And a fourth capacitor (C L ) having one end connected to the inverting terminal of the fourth switch (S4) and the second comparator (322) and grounded at the other end, and the inverting terminal of the second comparator (322) And supplies the voltage value V L. The lower reference voltage value V L may be changed by adjusting the value of the third capacitor C L.

입력 전압 수신부(313)는 일단이 상기 입력 전압(VIN)에 연결되고 타단이 제1비교기(321)의 비반전 단자에 연결되어 샘플링 모드 신호를 입력받아 스위칭되는 제5스위치(S5), 일단이 상기 입력 전압(VIN)에 연결되고 타단이 제2비교기(322)의 반전단자에 연결되어 샘플링 모드 신호를 입력받아 스위칭되는 제6스위치(S6)로 구성된다. The input voltage receiving unit 313 includes a fifth switch S5 having one end connected to the input voltage V IN and the other end connected to the non-inverting terminal of the first comparator 321 to receive a sampling mode signal, It is connected to the input voltage (V iN) and the other end is connected to the inverting terminal of the second comparator 322 is composed of a sixth switch (S6) which is switched by receiving a signal sampling mode.

제어부(32)는 제1비교기(321), 제2비교기(322), 4개의 스위치(S7~S10), RS-래치(323), 한 개의 반전 버퍼(325), 3개의 버퍼(324, 327, 328)와 하나의 배타적 논리합 게이트(XOR Gate)(326)를 포함한다.The control unit 32 includes a first comparator 321, a second comparator 322, four switches S7 to S10, an RS-latch 323, an inverting buffer 325, three buffers 324 and 327 , 328, and one exclusive OR gate (XOR Gate) 326.

제1비교기(321)는 최대 전력점 추적 모드에서 비반전 단자로 상위 기준 전압(VH)을 입력받고, 반전 단자로는 열전 소자(10)로부터 출력되는 입력 전압(VIN)을 입력받아 비교하여 입력전압(VIN)의 크기에 따라 하이(High=1) 또는 로우(Low=0)의 신호를 출력한다.The first comparator 321 receives the upper reference voltage V H from the non-inverting terminal in the maximum power point tracking mode and receives the input voltage V IN from the thermoelectric element 10 as the inverting terminal. And outputs a signal of High (High = 1) or Low (Low = 0) according to the magnitude of the input voltage V IN .

제2비교기(322)는 최대 전력점 추적 모드에서 반전 단자로 하위 기준 전압(VL)을 입력받고, 비반전 단자로는 열전 소자(10)로부터 출력되는 입력 전압(VIN)을 입력받아 비교하여 입력전압(VIN)의 크기에 따라 하이(High) 또는 로우(Low)의 신호를 출력한다.The second comparator 322 receives the lower reference voltage V L as the inverting terminal in the maximum power point tracking mode and receives the input voltage V IN output from the thermoelectric element 10 as the non- And outputs a signal of high or low according to the magnitude of the input voltage V IN .

상기에서 상위 기준 전압(VH)은 하위 기준 전압(VL)보다 큰 값을 가져야한다.In this case, the upper reference voltage V H must be greater than the lower reference voltage V L.

제1비교기(321) 및 제2비교기(322)는 도 4에서 보이는 바와 같이 최대 전력점 추적 모드(MPPT)에서 최대 전력점의 상위 기준 전압(VH) 및 하위 기준 전압(VL) 사이의 입력 전압(VIN)을 입력받고, 샘플링 모드(SAMP)에서 에너지 하베스팅 소자(10)의 개방회로 전압(VTEG)을 그대로 입력받는다.The first comparator 321 and the second comparator 322 compare the difference between the upper reference voltage V H and the lower reference voltage V L of the maximum power point in the maximum power point tracking mode MPPT, Receives the input voltage V IN and directly receives the open circuit voltage V TEG of the energy harvesting device 10 in the sampling mode SAMP.

제7스위치(S7)는 일단이 상기 제1비교기(321)의 출력단에 연결되고 최대 전력점 추적 모드 신호의 입력 시 스위칭되어 상기 제1비교기(321)의 출력 신호를 RS-래치(323)의 제1입력단(R)으로 출력한다.The seventh switch S7 is connected at one end to the output terminal of the first comparator 321 and is switched upon input of the maximum power point tracking mode signal to output the output signal of the first comparator 321 to the RS- And outputs it to the first input terminal R. [

제8스위치(S8)는 일단이 상기 접지에 연결되고, 샘플링 모드 신호의 입력 시 스위칭되어 접지 신호(Low=0)를 RS-래치(323)의 제1입력단(R)으로 출력한다.The eighth switch S8 is connected to the ground at one end and is switched upon input of the sampling mode signal to output a ground signal (Low = 0) to the first input (R) of the RS-latch 323.

제9스위치(S9)는 일단이 상기 접지에 연결되고, 샘플링 모드 신호의 입력 시 스위칭되어 접지 신호(Low=0)를 RS-래치(323)의 제2입력단(S)으로 출력한다.The ninth switch S9 is connected to the ground at one end and is switched upon input of the sampling mode signal to output a ground signal (Low = 0) to the second input S of the RS-latch 323.

제10스위치(S10)는 일단이 상기 제2비교기(322)의 출력단에 연결되고 최대 전력점 추적 모드 신호의 입력 시 스위칭되어 상기 제2비교기(322)의 출력 신호를 RS-래치(323)의 제2입력단(S)으로 출력한다.The tenth switch S10 is connected at one end to the output terminal of the second comparator 322 and is switched upon input of the maximum power point tracking mode signal to output the output signal of the second comparator 322 to the RS- And outputs it to the second input terminal S.

RS-래치(323)는 제1입력단(R) 및 제2입력단(S)로 입력되는 신호를 RS-래치 논리 연산을 수행하여 각각의 제1출력단(Q1) 및 제2출력단(Q2)을 통해 출력한다.The RS-latch 323 performs an RS-latch logic operation on a signal input to the first input terminal R and the second input terminal S and outputs the RS-latch logical operation to the first output terminal Q1 and the second output terminal Q2 Output.

제1버퍼(324)는 상기 RS-래치(323)의 제1출력단(Q1)에 연결되어 버퍼링 후 출력한다.The first buffer 324 is connected to the first output terminal Q1 of the RS-latch 323 and buffered.

반전 버퍼(325)는 상기 RS-래치(323)의 제2출력단(Q2)에서 출력되는 신호를 반전 버퍼링 후 출력한다.The inverting buffer 325 inverts and buffers the signal output from the second output terminal Q2 of the RS-latch 323, and outputs the inverted signal.

배타적 논리합 게이트(326)는 제1버퍼(324)의 출력 신호 및 반전 버퍼(325)의 출력 신호를 배타적 논리합하여 제어 신호의 하나인 제3제어신호(Φ)를 출력한다.The exclusive OR gate 326 performs an exclusive OR operation on the output signal of the first buffer 324 and the output signal of the inverting buffer 325 and outputs a third control signal?

제2버퍼(327)는 상기 제3제어신호와 동일한 시점에서 제1버퍼(324)의 출력 신호를 제1제어신호(P)로서 출력하기 위해 버퍼링한 후 출력한다.The second buffer 327 buffers and outputs the output signal of the first buffer 324 as a first control signal P at the same time as the third control signal.

제3버퍼(328)는 상기 제3제어신호와 동일한 시점에서 반전 버퍼(325)의 출력 신호를 제2제어신호(N)로서 출력하기 위해 버퍼링한 후 출력한다.The third buffer 328 buffers and outputs the output signal of the inverting buffer 325 as a second control signal N at the same time as the third control signal.

전체 제어부(30)는 상기와 같이 구성되어 하기 표 1과 같이 열전 소자(10)에서 출력되는 입력 전압(VIN)과 최대 전력점에 대한 상위 기준전압(VH) 및 하위 기준전압(VL)을 비교하여 모드 제어 신호(P, N, Φ)를 출력한다.
The overall control unit 30 is constituted as described above and has the structure as described above and has the input voltage V IN output from the thermoelectric element 10 and the upper reference voltage V H and the lower reference voltage V L ), And outputs the mode control signals P, N and?.

Figure 112014095676440-pat00001
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본 발명에 따른 동작을 다시 설명하면, 최대 전력점 추적(MPPT) 모드에서 샘플링 주기 제어부(50)는 하이(High)의 최대 전력점 추적 모드 신호(VMPPT)를 출력하고, 로우(Low)의 샘플링 모드 신호(VSAMP)를 출력한다. 그러면 전체 제어부(30)는 상위 기준전압(VH)을 하위 기준전압(VL) 및 입력전압(VIN)과 비교하여 제어를 수행한다. 만약, 입력전압(VIN)이 상위 기준전압(VH)보다 크다면 전체 제어부(30)는 제어 신호(P, N, Φ)로 제1최대 전력점 추적 제어 신호(High, High, Low)를 출력한다. 따라서 제2제어신호(N)를 입력받는 제2스위치(MN1)는 턴-온되며, 제1제어신호(P) 및 제3제어신호(φ)를 각각 입력받는 제1스위치(MP1) 및 제3스위치(MN2)는 턴-오프된다. 따라서 입력전류(IIN)가 인덕터(L)로 흐르게 되므로 인덕터(L)에 전류(이하 "인덕터 전류"라 함)가 충전된다. 인덕터(L)에 인덕터 전류가 충전됨에 따라 입력전압(VIN)은 낮아지게 된다. 인덕터(L)에 충전되는 전류에 의해 입력전압(VIN)이 상위 기준전압(VH)과 하위 기준전압(VL) 사이에 위치하게 되면 전체 제어부(30)는 이전 상태, 즉, (High, High, Low)를 유지하고, 입력전압(VIN)은 계속해서 낮아진다. 이것은 낸드게이트(NAND Gate)가 RS_latch로 구성되어 있기 때문이다. 만약, 입력전압(VIN)이 하위 기준전압(VL)보다 낮아진다면 전체 제어부(30)는 제2최대 전력점 추적 제어 신호, (Low, Low, Low)를 전력변환기(20)로 출력한다. 그러면 제1스위치(MP1)가 턴-온되어 인덕터(L)에 충전된 인덕터 전류가 방전되며 출력 커패시터(COUT), 즉 부하인 에너지 저장소(40)로 에너지가 전달된다. 이때 방전되는 인덕터 전류에 의해 입력전압(VIN) 전압은 높아지게 되는데, 입력전압(VIN)이 상위 기준 전압(VH)과 하위 기준전압(VL) 사이에 위치하게 되면 RS-Latch 작용에 의해 제2최대 전력점 추적 제어 신호를 유지하게 된다. 최대 전력점 추적 모드에서는 도 4 및 표 1에서 보이는 바와 같이 입력전압(VIN)에 따라 상술한 과정을 반복하여 수행한다.The operation according to the present invention will be described again. In the maximum power point tracking (MPPT) mode, the sampling period controller 50 outputs a high maximum power point tracking mode signal V MPPT , And outputs a sampling mode signal (V SAMP ). Then, the overall controller 30 performs control by comparing the upper reference voltage V H with the lower reference voltage V L and the input voltage V IN . If the input voltage V IN is higher than the upper reference voltage V H , the overall controller 30 outputs the first maximum power point tracking control signal (High, High, Low) to the control signal P, N, . The second switch M N1 receiving the second control signal N is turned on and the first switch M P1 receives the first control signal P and the third control signal φ, And the third switch M N2 are turned off. Therefore, the input current I IN flows to the inductor L, so that the inductor L is charged with a current (hereinafter referred to as "inductor current"). As the inductor L is charged with the inductor current, the input voltage V IN becomes low. When the input voltage V IN is positioned between the upper reference voltage V H and the lower reference voltage V L by the current charged in the inductor L, the overall controller 30 returns to the previous state, i.e., , High, Low), and the input voltage V IN is continuously lowered. This is because the NAND gate is composed of RS_latch. If the input voltage V IN is lower than the lower reference voltage V L , the overall controller 30 outputs the second maximum power point tracking control signal (Low, Low, Low) to the power converter 20 . Then, the first switch M P1 is turned on so that the inductor current charged in the inductor L is discharged, and the energy is transferred to the energy storage 40, which is the output capacitor COUT, that is, the load. When the input voltage V IN is located between the upper reference voltage V H and the lower reference voltage V L , the voltage of the input voltage V IN is increased due to the discharged inductor current. Thereby maintaining the second maximum power point tracking control signal. In the maximum power point tracking mode, the above-described process is repeated according to the input voltage V IN as shown in FIG. 4 and Table 1.

샘플링 모드에서 샘플링 주기 제어부(50)는 로우(Low)인 최대 전력점 추적 모드 신호와 하이(High)인 샘플링 모드 신호를 출력한다. 그러면 전체 제어부(30)는 입력전압(VIN)에 상관없이 최대 전력점 추출 제어 신호(High, Low, High)를 출력하여 제3스위치(MN2)만 턴-온시켜 인덕터(L)와 제3스위치(MN2)에 의해 폐루프를 형성하여 인덕터(L)에 충전된 전류를 보존한다. 전력변환기(20)의 입력 전류는 키르히호프의 전류 법칙에 의해 0암페어가 되기 때문에 인덕터 전류의 방전이 순간적으로 이루어진 것과 같은 동작을 하게 된다. 따라서 하베스팅 소자(10)의 개방회로 전압(VTEG)의 추출에 걸리는 시간은 하베스팅 소자(10)의 출력저항(RTEG)과 제2 및 제4 커패시터(CL, CH), 및 전력변환기(20) 입력단의 기생 커패시턴스에 의해서 결정된다.In the sampling mode, the sampling period control unit 50 outputs a maximum power point tracking mode signal of a low level and a sampling mode signal of a high level. The overall control unit 30 outputs the maximum power point extraction control signals (High, Low, High) regardless of the input voltage V IN to turn on only the third switch M N2 , 3 switch M N2 to store the current charged in the inductor L. [ Since the input current of the power converter 20 becomes zero amperes according to the Kirchhoff's current law, the operation is the same as that of discharging the inductor current instantaneously. Thus the time taken to extract the open circuit voltage (V TEG ) of the harvesting element 10 depends on the output resistance (R TEG ) of the harvesting element 10, the second and fourth capacitors (C L , C H ) Is determined by the parasitic capacitance at the input of the power converter 20.

상술한 바와 같이 샘플링 모드에서 인덕터(L)에 전류를 보존하고 있으므로 최대 전력점 추적 모드로 전환 시 빠른 속도로 모드 전환이 이루어질 수 있다.Since the current is stored in the inductor L in the sampling mode as described above, the mode switching can be performed at a high speed when switching to the maximum power point tracking mode.

한편, 본 발명은 전술한 전형적인 바람직한 실시예에만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 개량, 변경, 대체 또는 부가하여 실시할 수 있는 것임은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 개량, 변경, 대체 또는 부가에 의한 실시가 이하의 첨부된 특허청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 보아야 한다.
While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. It will be easily understood. It is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, it is intended to cover various modifications within the scope of the appended claims.

10: 에너지 하베스팅 소자 20: 전력변환기
30: 전체 제어부 31:샘플링부
32: 최대 전력점 제어부 40: 에너지 저장소
50: 샘플링 주기 제어부 321: 제1비교기
322: 제2비교기 311: 상위 기준전압 생성부
312: 하위 기준전압 생성부 313: 입력 전압 수신부
323: RS-래치 324, 327, 328: 버퍼
325: 반전 버퍼 326: 배타적 논리합 게이트10: energy harvesting device 20: power converter
30: overall control unit 31: sampling unit
32: maximum power point control unit 40: energy storage
50: sampling period control unit 321: first comparator
322: second comparator 311: upper reference voltage generator
312: lower reference voltage generator 313: input voltage receiver
323: RS-Latches 324, 327, 328: Buffer
325: inverting buffer 326: exclusive OR gate

Claims (11)

임의의 전력에 대한 입력 전압(VIN)을 출력하는 에너지 하베스팅 소자;
최대 전력점 추적 모드에서 상기 입력 전압(VIN)과 미리 설정된 최대 전력점에 대응하는 상위 기준 전압(VH) 및 하위 기준 전압(VL)을 비교하여 최대 전력점 추적 제어 신호를 출력하고, 샘플링 모드에서 최대 전력점 추출 제어 신호를 출력하는 전체 제어부; 및
인덕터(L)를 포함하며, 상기 최대 전력점 추적 제어 신호의 입력 시 상기 입력 전압(VIN)이 상기 상위 및 하위 기준전압 범위 안에서 유지시키며 열전 소자가 출력하는 전력을 부하로 공급하고, 상기 최대 전력점 추출 제어 신호의 입력 시 상기 인덕터를 포함하는 폐루프를 형성하여 상기 인덕터에 저장되어 있는 인덕터 전류가 상기 폐루프에서 순환하도록 하여 전류를 보존하는 전력 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템의 최대 전력점 구동 장치.
An energy harvesting element for outputting an input voltage (V IN ) for an arbitrary power;
In the maximum power point tracking mode, the input voltage (V IN ) is compared with a higher reference voltage (V H ) and a lower reference voltage (V L ) corresponding to a preset maximum power point to output a maximum power point tracking control signal, A total control unit for outputting a maximum power point extraction control signal in the sampling mode; And
And an inductor L for supplying the power output from the thermoelectric element to the load while the input voltage V IN is maintained within the upper and lower reference voltage ranges when the maximum power point tracking control signal is input, And a power converter for forming a closed loop including the inductor when the power point extraction control signal is input and storing the current by causing the inductor current stored in the inductor to circulate in the closed loop, The maximum power point drive of the system.
제1항에 있어서,
상기 전력변환기의 구동 시 상기 최대 전력점 추적 모드를 설정하여 상기 전체 제어부를 제어하고, 상기 전력변환기의 구동 종료 시 상기 샘플링 모드를 설정하여 상기 전체 제어부를 제어하는 샘플링 주기 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템의 최대 전력점 구동 장치.
The method according to claim 1,
And a sampling period control unit for controlling the overall control unit by setting the maximum power point tracking mode when driving the power converter and setting the sampling mode at the end of driving the power converter to control the overall control unit The maximum power point drive of the energy harvesting system.
제1항에 있어서,
상기 전체 제어부는,
상기 샘플링 모드 동안 열전소자의 개방회로 전압(VTEG)을 추출하고, 최대 전력점 추적 모드 동안 상기 기준 전압들(VH, VL)을 출력하는 샘플링부; 및
상기 샘플링부에서 출력되는 신호를 받아 최대 전력점 추적 제어 신호 및 최대 전력점 추출 제어 신호를 출력하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템의 최대 전력점 구동 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the overall control unit comprises:
A sampling unit for extracting the open circuit voltage (V TEG ) of the thermoelectric element during the sampling mode and outputting the reference voltages (V H , V L ) during the maximum power point tracking mode; And
And a control unit receiving the signal output from the sampling unit and outputting a maximum power point tracking control signal and a maximum power point extraction control signal.
제3항에 있어서,
상기 샘플링부는,
상위 기준전압을 생성하여 출력하는 제1기준전압 생성부;
하위 기준전압을 생성하여 출력하는 제2기준전압 생성부; 및
상기 입력 전압을 수신받아 출력하는 입력 전압 수신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템의 최대 전력점 구동 장치.
The method of claim 3,
Wherein the sampling unit comprises:
A first reference voltage generator for generating and outputting an upper reference voltage;
A second reference voltage generator for generating and outputting a lower reference voltage; And
And an input voltage receiving unit for receiving and outputting the input voltage.
제4항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 상위 기준전압을 비반전단자로 입력받고 상기 입력 전압을 반전 단자로 입력받아 비교하여 그 크기에 따른 출력 신호를 출력하는 제1비교기;
상기 하위 기준전압을 반전단자로 입력받고 상기 입력 전압을 비반전 단자로 입력받아 비교하여 그 크기에 따른 출력신호를 출력하는 제2비교기;
상기 제1비교기의 출력단에 일단이 연결되고 최대 전력점 추적 모드에서 스위칭되어 상기 제1비교기의 출력 신호를 출력하는 제7스위치;
일단이 접지에 연결되고 샘플링 모드에서 스위칭되어 접지 신호를 출력하는 제8스위치;
일단이 접지에 연결되고 샘플링 모드에서 스위칭되어 접지 신호를 출력하는 제9스위치;
상기 제2비교기의 출력단에 일단이 연결되고 최대 전력점 추적 모드에서 스위칭되어 상기 제2비교기의 출력 신호를 출력하는 제10스위치;
최대 전력점 추적 모드에서 상기 제7스위치의 출력 신호를 제1입력단으로 입력받고 상기 제10 스위치의 출력 신호를 제2입력단으로 입력받아 RS-래치 연산을 수행하여 각각의 제1출력단 및 제2출력단으로 출력하는 RS-래치;
상기 제1출력단에 연결되어 상기 제1출력단에서 출력되는 신호를 버퍼링한 후 출력하는 제1버퍼;
상기 제2출력단에 연결되어 상기 제2출력단에서 출력되는 신호를 반전하여 버퍼링한 후 출력하는 반전 버퍼;
상기 제1버퍼에서 출력되는 신호를 버퍼링하여 일정 시간 지연하여 제1제어신호(P)로서 출력하는 제2버퍼;
상기 반전 버퍼에서 출력되는 신호를 버퍼링하여 상기 일정 시간 지연하여 제2제어신호(N)로서 출력하는 제3버퍼; 및
상기 제1버퍼에서 출력되는 신호 및 반전 버퍼에서 출력되는 신호를 배타적 논리합 연산을 수행하여 상기 제1제어신호 및 제2제어신호와 동일 시점에서 제3제어신호(Φ)를 출력하는 배타적 논리합 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템의 최대 전력점 구동 장치.
5. The method of claim 4,
Wherein,
A first comparator that receives the upper reference voltage as a non-inverting terminal, receives the input voltage as an inverting terminal and outputs an output signal according to the comparison;
A second comparator for receiving the lower reference voltage at the inverting terminal, receiving the input voltage at the non-inverting terminal, comparing the input voltage with the non-inverting terminal, and outputting an output signal according to the comparison;
A seventh switch connected at one end to the output terminal of the first comparator and switched in a maximum power point tracking mode to output an output signal of the first comparator;
An eighth switch connected to the ground at one end and switched in the sampling mode to output a ground signal;
A ninth switch connected to the ground at one end and switched in the sampling mode to output a ground signal;
A tenth switch connected at one end to the output terminal of the second comparator and switched in a maximum power point tracking mode to output an output signal of the second comparator;
In the maximum power point tracking mode, the output signal of the seventh switch is input to the first input terminal, the output signal of the tenth switch is input to the second input terminal, and the RS-latch operation is performed to output the first output terminal and the second output terminal An RS-latch for outputting the RS-
A first buffer connected to the first output terminal for buffering a signal output from the first output terminal and outputting the buffered signal;
An inversion buffer connected to the second output terminal for inverting and buffering a signal output from the second output terminal, and outputting the inverted signal;
A second buffer for buffering a signal output from the first buffer and outputting the buffered signal as a first control signal P after a predetermined time delay;
A third buffer for buffering a signal output from the inverting buffer and outputting the buffered signal as a second control signal (N) after a predetermined time delay; And
An exclusive OR gate that performs an exclusive-OR operation on a signal output from the first buffer and a signal output from the inverted buffer to output a third control signal? At the same time as the first control signal and the second control signal; Wherein the energy harvesting system includes a plurality of energy harvesting systems.
제5항에 있어서,
상기 제1기준 전압 생성부는,
일단이 접지되고 커패시턴스를 가변할 수 있는 제1커패시터(αCH);
일단이 접지되는 제2커패시터(CH)
상기 제1커패시터에 병렬로 연결되어 샘플링 모드에서 턴-온되는 제1스위치; 및
상기 제1커패시터의 타단 및 상기 제2커패시터의 타단에 연결되고 최대 전력점 추적 모드에서 턴-온되어 상기 제1비교기로 상기 제1 및 제2커패시터들에 의해 결정되는 상위 기준 전압을 제공하는 제2스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템의 최대 전력점 구동 장치.
6. The method of claim 5,
Wherein the first reference voltage generator comprises:
A first capacitor? C H whose one end is grounded and whose capacitance can be varied;
A second capacitor (C H )
A first switch connected in parallel to the first capacitor and turned on in a sampling mode; And
A first comparator coupled to the other end of the first capacitor and to the other end of the second capacitor and configured to be turned on in a maximum power point tracking mode to provide the first comparator with an upper reference voltage determined by the first and second capacitors; 2 < / RTI > switch of the energy harvesting system.
제6항에 있어서,
상기 상위 기준전압은 상기 제1커패시터의 α에 따라 조정되는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템의 최대 전력점 구동 장치.
The method according to claim 6,
Wherein the upper reference voltage is adjusted according to? Of the first capacitor.
제5항에 있어서,
상기 제2기준 전압 생성부는,
일단이 접지되고 상기 하위 기준 전압을 추출할 수 있는 제3커패시터(βCL);
일단이 접지되는 제4커패시터(CL);
상기 제3커패시터에 병렬로 연결되어 샘플링 모드에서 턴-온되는 제3스위치; 및
상기 제3커패시터의 타단 및 상기 제4커패시터의 타단에 연결되고 최대 전력점 추적 모드에서 턴-온되어 상기 제2비교기로 상기 제3 및 제4 커패시터들에 의해 결정되는 하위 기준 전압을 제공하는 제4스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템의 최대 전력점 구동 장치.
6. The method of claim 5,
Wherein the second reference voltage generator comprises:
A third capacitor (? C L ) whose one end is grounded and capable of extracting the lower reference voltage;
A fourth capacitor (C L ) whose one end is grounded;
A third switch connected in parallel to the third capacitor and turned on in a sampling mode; And
And a second comparator coupled to the other end of the third capacitor and to the other end of the fourth capacitor and being turned on in a maximum power point tracking mode to provide a lower reference voltage as determined by the third and fourth capacitors to the second comparator. 4 switches. ≪ RTI ID = 0.0 > [0002] < / RTI >
제8항에 있어서,
상기 하위 기준전압은 상기 제3커패시터의 β에 따라 조정되는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템의 최대 전력점 구동 장치.
9. The method of claim 8,
And the lower reference voltage is adjusted according to? Of the third capacitor.
제5항에 있어서,
상기 전력 변환기는,
일단이 상기 에너지 하베스팅 소자의 출력 저항(RTEG)과 연결되는 상기 인덕터;
일단이 상기 인덕터의 타단에 연결되고 상기 제1제어 신호(P)에 따라 스위칭되는 제1스위치(MP1);
상기 인덕터 양단에 병렬 연결되고 상기 제3제어신호(φ)에 따라 스위칭되는 제3스위치(MN2); 및
상기 인덕터의 타단과 접지 사이에 연결되어 상기 제2제어신호(N)에 따라 스위칭되는 제2스위치(MN1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템의 최대 전력점 구동 장치.
6. The method of claim 5,
The power converter includes:
The inductor having one end connected to the output resistance (R TEG ) of the energy harvesting element;
A first switch (M P1 ) having one end connected to the other end of the inductor and switched according to the first control signal (P);
A third switch M N2 connected in parallel across the inductor and switched according to the third control signal φ; And
And a second switch (M N1 ) connected between the other end of the inductor and the ground and switched according to the second control signal (N).
제10항에 있어서,
상기 전력 변환기는,
최대 전력점 추적 모드에서,
제1최대 전력점 추적 제어 신호에 의해 상기 제2스위치(MN1)는 턴-온되고, 제1스위치(MP1) 및 제3스위치(MN2)는 오프되어 상기 인덕터(L)에 상기 인덕터 전류를 저장하고, 제2최대 전력점 추적 제어 신호에 의해 제2스위치(MN1) 및 제3스위치(MN2)는 턴-오프되고 제1스위치(MP1)는 턴-온되어 저장된 인덕터 전류를 상기 부하인 에너지 저장소로 전송하며,
샘플링 모드에서,
최대 전력점 추출 제어 신호에 의해 상기 제3스위치는 턴-온되고, 제1스위치 및 제2스위치는 턴-오프 되어 상기 인덕터를 포함하는 폐루프를 형성하여 상기 인덕터에 저장된 인덕터 전류가 상기 폐루프를 순환하도록 하여 상기 인덕터의 인덕터 전류를 보존하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템의 최대 전력점 구동 장치.11. The method of claim 10,
The power converter includes:
In the maximum power point tracking mode,
The second switch M N1 is turned on by the first maximum power point tracking control signal and the first switch MP1 and the third switch M N2 are turned off to turn on the inductor L The second switch M N1 and the third switch M N2 are turned off by the second maximum power point tracking control signal and the first switch M P1 is turned on to store the stored inductor current To the energy storage, which is the load,
In the sampling mode,
The third switch is turned on by the maximum power point extraction control signal and the first switch and the second switch are turned off to form a closed loop including the inductor so that the inductor current stored in the inductor Wherein the inductor current of the inductor is circulated so that the inductor current of the inductor is conserved.
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