KR20140075102A - 에너지 변환 장치 - Google Patents

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Abstract

구성이 간단하고 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있는 에너지 변환 장치가 개시된다. 에너지 변환 장치는 입력 전류가 인가되어 축적되는 제1 시간구간, 축적된 전류가 부하에 제공되는 제2 시간 구간 및 역전류가 흐르는 제3 시간구간의 길이를 제어하는 제어부 및 인덕터, 출력 커패시터 및 적어도 하나의 스위칭 소자를 포함하고 제어부의 제어에 상응하여 적어도 하나의 스위칭 소자가 스위칭되어 제1 시간구간 동안 상기 인덕터에 입력 전류를 축적하고 입력 임피던스 매칭을 수행하며 제2 시간구간 동안 제공되는 전류와 제3 시간구간 동안 출력 커패시터로부터 흐르는 역전류의 차이에 해당하는 전류를 부하에 제공하는 DC-DC 컨버터를 포함한다.

Description

에너지 변환 장치{APPARATUS FOR CONVERTING ENERGY}
본 발명은 에너지 변환 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단순한 구성으로 높은 변환 효율을 얻을 수 있는 에너지 변환 장치에 관한 것이다.
에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술은 주변에서 버려지는 에너지를 수확하여 사용 가능한 에너지로 변환하고 충전하여 이용하기 위한 기술로서, 전자 기기 등의 에너지 효율을 크게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 추가적인 에너지 공급 없이 주변의 에너지를 이용하여 전자 기기를 독립적으로 구동 가능하도록 하는 기술을 의미한다.
에너지 하베스팅 기술의 예로는 태양광을 이용한 태양광 발전, 온도차에 의한 지벡(Zeeback) 효과를 이용하여 전기 에너지를 얻는 열전 발전, 주변의 진동이나 충격 등의 운동 에너지로부터 전기 에너지를 얻는 압전 발전, 인체의 움직임을 전기 에너지로 변환하는 기술 등이 있다.
에너지 하베스팅을 위한 장치는 주변으로부터 에너지를 수확하는 에너지 수확기와 에너지 수확기로부터 제공된 에너지를 일정한 레벨의 전기 에너지로 변환하는 에너지 변환기를 포함할 수 있다.
여기서, 에너지 수확기는 그 동작 조건에 따라 생성할 수 있는 에너지의 양 및 임피던스 조건이 지속적으로 변화하게 되고, 이로 인하여 에너지 변환기는 에너지 수확기로부터 전달받는 에너지를 최대화하기 위해 에너지 수확기와 임피던스 정합(matching)을 수행해야 하며 이를 최대 전력점 추종(MPPT : Maximum Power Point Tracking)이라 한다.
또한, 에너지 수확기는 상술한 바와 같은 임피던스 정합과 동시에 출력되는 에너지를 다른 장치가 활용할 수 있도록 일정 레벨의 전압을 제공해야 하고, 이를 위해 출력 전압의 안정화를 수행해야 한다.
그러나, 기존의 에너지 변환기는 임피던스 정합 및 출력 전압의 안정화를 위해 두 개의 DC-DC 변환기를 구비하여, 하나의 DC-DC 변환기는 에너지 수확기와의 임피던스 정합을 위해 사용하고, 다른 하나의 DC-DC 변환기는 출력 전압의 안정화를 사용하였다.
상기한 바와 같이, 기존의 에너지 변환기는 두 개의 DC-DC 변환기를 이용하기 때문에 에너지 변환기를 구현하기 위한 회로 구성이 복잡해지고 복잡한 회로로 인해 구현 면적이 커지게 되어 에너지 하베스팅 장치의 전체적인 크기가 커지게 되는 단점이 있고, 에너지 변환 과정에서 두 번의 DC-DC 변환을 수행하기 때문에 두 번의 에너지 손실이 발생하여 에너지 변환 효율을 향상시키는데 한계가 있는 단점이 있다.
상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 간단하게 구현이 가능하고, 에너지 변환 효율을 최대화할 수 있는 에너지 변환 장치를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 에너지 변환 장치는, 입력 전류가 인가되어 축적되는 제1 시간구간, 축적된 전류가 부하에 제공되는 제2 시간 구간 및 역전류가 흐르는 제3 시간구간의 길이를 제어하는 제어부 및 인덕터, 출력 커패시터 및 적어도 하나의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 제어부의 제어에 상응하여 상기 적어도 하나의 스위칭 소자가 스위칭되어 상기 제1 시간구간 동안 상기 인덕터에 입력 전류를 축적하고 입력 임피던스 매칭을 수행하며, 상기 제2 시간구간 동안 제공되는 전류와 상기 제3 시간구간 동안 상기 출력 커패시터로부터 흐르는 역전류의 차이에 해당하는 전류를 부하에 제공하는 DC-DC 컨버터를 포함하는 에너지 변환 장치.
여기서, 상기 제어부는 상기 DC-DC 컨버터의 입력 전압을 모니터링하고, 입력 전압에 상응하여 임피던스 정합을 위해 상기 제1 시간구간을 결정하고, 결정한 상기 제1 시간구간의 길이에 기초하여 상기 제2 시간구간 및 상기 제3 시간구간의 길이를 결정할 수 있다.
여기서, 상기 DC-DC 컨버터는 입력단과 제1 노드 사이에 연결된 제1 스위칭 소자와, 상기 제1 노드와 접지 단자 사이에 연결된 제2 스위칭 소자와, 상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에 연결된 상기 인덕터와, 상기 제2 노드와 접지 단자 사이에 연결된 제3 스위칭 소자와, 상기 제2 노드와 출력단 사이에 연결된 제4 스위칭 소자 및 상기 출력단과 접지단자 사이에 연결된 상기 출력 커패시터를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제어부는 상기 제1 시간구간 동안 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제3 스위칭 소자를 온 상태로 제어하여 상기 입력 전류가 상기 인덕터에 흐르도록 제어할 수 있다. 또한, 상기 제어부는 상기 제2 시간구간 동안 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자는 오프 상태로 제어하고, 상기 제2 스위칭 소자 및 상기 제3 스위칭 소자는 온 상태로 제어하여 상기 인턱터에 축적된 전류가 상기 부하로 제공되도록 제어할 수 있다. 또한, 상기 제어부는 상기 제3 시간구간 동안 상기 제1 스위치 소자 및 상기 제3 스위칭 소자는 오프 상태가 되도록 제어하고, 상기 제2 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자는 온 상태가 되도록 제어하여 상기 출력 커패시터로부터 상기 제4 스위칭 소자, 상기 인턱터 및 상기 제2 스위칭 소자를 경유하는 전류 경로로 역전류가 흐르도록 제어할 수 있다.
여기서, 상기 에너지 변환 장치는 상기 제3 시간구간 동안 흐르는 역전류에 의해 충전되는 배터리 및 상기 DC-DC 컨버터로부터 제공되는 전류에 상응하는 출력 전압 및 상기 배터리로부터 제공되는 전압 중 어느 하나의 전압을 부하에 제공하는 전력 관리부를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 에너지 변환 장치에 따르면, DC-DC 컨버터의 인덕터에 전류가 흐르는 시간 구간을 조절하여 입력 임피던스 정합을 수행하고, 역전류가 흐르는 시간 구간을 조절하여 흐르는 DC-DC 컨버터로부터 출력되는 출력 전압의 크기를 원하는 크기로 항상 일정하게 유지할 수 있다.
따라서, 하나의 DC-DC 컨버터만을 이용하여 임피던스 정합 및 출력 전압의 안정화를 동시에 수행할 수 있다.
또한, 하나의 DC-DC 컨버터만을 사용함으로써, 회로 구성이 간단하고 에너지 손실을 최소화하여 에너지 변환 효율을 최대화할 수 있다.
도 1은 부스트 타입의 DC-DC 컨버터의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 2는 도 1에 도시한 부스트 타입의 DC-DC 컨버터의 동작을 나타내는 타이밍 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 변환 장치의 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 변환 장치에서 수행되는 출력 전압의 안정화 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 변환 장치의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 6은 도 5에 도시한 에너지 변환 장치의 동작을 나타내는 타이밍 다이어그램이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 부스트 타입의 DC-DC 컨버터의 구성을 나타내는 회로도이다. 또한, 도 2는 도 1에 도시한 부스트 타입의 DC-DC 컨버터의 동작을 나타내는 타이밍 다이어그램이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, DC-DC 컨버터는 입력단과 연결된 제1 노드(N1)와 접지단자(GND) 사이에 연결된 제1 커패시터(C1), 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이에 연결된 인덕터(L1), 제2 노드(N2)와 접지단자(GND) 사이에 연결된 제1 트랜지스터(M1), 제2 노드(N2)와 출력단 사이에 연결된 제2 트랜지스터(M2) 및 출력단과 접지단자(GND) 사이에 연결된 제2 커패시터(C2)로 구성될 수 있다.
입력단에는 DC-DC 컨버터에 에너지(입력 전압, Vi)를 제공하는 장치 또는 모듈(예를 들면, 에너지 수확기, 110)이 연결될 수 있고, 출력단에는 DC-DC 컨버터에서 제공하는 출력 전압(Vo)을 이용하는 장치 또는 모듈이 연결될 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 도 1에 도시한 DC-DC 컨버터의 동작을 설명한다.
먼저, 시점 t1에서 제1 클럭신호(φ1)가 논리 로우(logic low)에서 논리 하이(logic high)로 천이되면 제1 트랜지스터(M1)는 턴 온(turn on) 상태가 되어 입력 전압(Vi)이 DC-DC 컨버터에 인가되고 이에 따라 인덕터(L1)에 입력 전류(Iin)가 공급된다.
인덕터(L1)에 공급되는 전류(Iin)는 시간 구간 D(온 상태) 동안 시간에 따라 증가하게 되고, 시점 t2에서 최대(Ionmax)가 된다.
이후, 시점 t2에서 제1 클럭신호(φ1)가 논리 하이에서 논리 로우로 천이하고, 제2 클럭신호(φ2)가 논리 로우에서 논리 하이로 천이하면, 제1 트랜지스터(M1)는 턴 오프(turn off) 상태가 되고, 제2 트랜지스터(M2)는 턴 온 상태가 되어 인덕터(L1)에 흐르는 전류가 출력단으로 제공되고 이에 따라 출력단에는 출력 전압(Vo)이 제공된다.
출력단으로 흐르는 전류는 시점 t2에서 시점 t3까지 시간 구간 δ(오프 상태) 동안 흐르게 되며, 시간에 따라 전류의 크기가 감소하여 시점 t3에서 0이 된다.
시점 t3에서 인덕터(L1)에 흐르는 전류가 0이 되면, 제2 클럭신호(φ2)를 논리 하이에서 논리 로우로 천이시켜 역전류가 흐르는 것을 방지한다. 역전류의 발생은 DC-DC 컨버터의 효율에 좋지 않은 영향을 미치게 되므로 대부분의 일반적인 DC-DC 컨버터에서는 역전류의 흐름을 방지한다.
도 1에 도시한 바와 같이 하나의 DC-DC 컨버터를 사용하는 경우, 제1 클럭신호(φ1)의 논리 하이 구간의 길이(즉, 인덕터 L1에 입력 전류가 제공되는 시간 구간, D)을 조절함으로써 입력단과 임피던스 정합을 수행할 수는 있으나, 임피던스 정합을 위해 DC-DC 컨버터의 동작 조건이 변화하는 경우 DC-DC 컨버터의 출력 전압 역시 변화하는 문제가 발생하여 출력 전압이 안정화되지 않는 단점이 있다.
상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 하나의 DC-DC 변환기를 이용하여 최대 전력점 추종(MPPT) 기능 및 출력 전압 안정화 기능을 동시에 수행할 수 있는 에너지 변환 장치를 제공한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 변환 장치의 동작을 설명하기 위한 개념도로서, DC-DC 컨버터의 인덕터에 흐르는 전류를 시간의 흐름에 따라 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 시점 t1에서 시점 t2까지의 시간 구간 D 동안 인덕터에 흐르는 전류는 점차 증가하게 되어 시점 t2에서 전류의 크기가 최대가 된다. 본 발명의 일 실시예에서는 시간 구간 D의 길이를 이용하여 입력단과의 임피던스 정합을 수행한다.
이후, 시점 t2에서 시점 t3까지의 시간 구간 δ 동안 인덕터에 흐르는 전류는 출력단에 공급되고, 이에 따라 전류의 크기는 점차 감소하게 되며, 시점 t3에서 전류의 크기는 0이 된다.
한편, 시점 t3에서 시점 t4까지의 시간 구간 λ 동안에는 역전류가 흐르게 되고, 시점 t4 이후에는 역전류의 흐름이 차단된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 변환 장치에서는 도 3에 도시한 바와 같이 시간 구간 λ 동안 역전류가 흐르는 것을 허용하고, 역전류의 크기를 제어하여 출력단으로 실질적으로 제공되는 전류의 크기를 제어함으로써 출력 전압을 원하는 크기로 일정하게 유지시킨다. 또한, 본 발명에서는 역전류를 이용하여 배터리를 충전함으로써 에너지의 손실을 방지한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 변환 장치에서 수행되는 출력 전압의 안정화 방법을 설명하기 위한 개념도로서, 인덕터로부터 흐르는 역전류의 크기를 이용하여 실제 출력단에 흐르는 전류의 크기를 제어하는 방법을 나타낸 것이다.
도 4를 참조하면, 시간 구간 D 동안 인덕터에 흐르는 최대 전류의 크기(Ionmax)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다
Figure pat00001
수학식 1에서 Vi는 DC-DC 컨버터에 제공되는 입력 전압을 의미하고, L은 인덕터의 인턱턴스(inductance) 값을 의미한다. 또한, T는 시간 단위를 나타낸다.
또한, 시간 구간 δ 동안 인덕터로 흐르는 전류의 크기는 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
수학식 2에서, Vo는 DC-DC 컨버터가 제공하는 출력 전압을 의미한다.
Ionmax=Ioffmax 임을 이용하여 수학식 1 및 수학식 2를 정리하면, 시간 구간 δ의 길이는 수학식 3과 같이 산출할 수 있다.
Figure pat00003
수학식 3은 시간 구간 D가 결정되고, 입력 전압의 크기 및 원하는 출력 전압의 크기를 아는 경우, 원하는 출력 전압을 생성하기 위한 시간 구간 δ의 길이를 획득할 수 있음을 의미한다.
이후, 산출한 시간 구간 δ로부터 역전류가 흐르는 시간 구간 λ 길이를 수학식 4에 나타낸 바와 같이 계산할 수 있다.
Figure pat00004
수학식 4에서, RL은 DC-DC 컨버터에 연결되는 부하 저항을 의미한다.
상술한 바와 같이 시간 구간 δ 및 λ 길이를 산출하고, 산출된 시간 구간에 따라 DC-DC 컨버터를 동작시키면 원하는 출력 전압의 크기를 얻을 수 있다.
즉, 도 4에 도시한 바와 같이 인덕터를 통해 출력으로 전달되는 실제 전류의 크기는 시간 구간 δ 동안 인덕터를 통해 출력으로 전달되는 전류에서 시간 구간 λ 동안 출력에서 인덕터로 전달되는 역전류를 뺀 결과가 되고, 이 전류의 제어를 통해 출력 전압의 크기를 원하는 크기로 일정하게 유지시킬 수 있다.
한편, DC-DC 컨버터의 입력 임피던스는 수학식 5와 같이 산출할 수 있다.
Figure pat00005
수학식 5에서, Iin은 DC-DC 컨버터로 입력되는 입력 전류의 크기를 의미한다.
수학식 5에 나타낸 바와 같이 DC-DC 컨버터의 입력 임피던스는 시간 구간 D의 길이에 의하여 가장 큰 영향을 받는다.
따라서, 입력 임피던스는 시간 구간 D의 길이를 조정함으로써 결정할 수 있고, 입력 임피던스가 결정된 상황(또는 시간 구간 D가 결정된 상황)에서 원하는 출력 전압을 생성하기 위한 시간 구간 δ의 길이를 구하고, 이에 기초하여 역전류가 흐르는 시간 구간 λ의 길이를 산출하여 DC-DC 컨버터에 적용함으로써 입력 임피던스 정합 및 출력 전압 안정화를 동시에 수행할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 변환 장치에서 발생하는 역전류는 배터리의 충전 전류로 활용하며, 에너지 수확기에서 제공되는 에너지가 없는 경우 배터리에 충전된 에너지를 활용하여 부하단에 제공할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 변환 장치의 구성을 나타내는 회로도이다. 또한, 도 6은 도 5에 도시한 에너지 변환 장치의 동작을 나타내는 타이밍 다이어그램이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 변환 장치는 제어부(510), DC-DC 컨버터(530), 전력 관리부(550) 및 배터리(570)를 포함할 수 있다.
제어부(510)는 입력 전압(Vi)을 모니터링하여 입력 전압(Vi)을 검출하고, 검출된 입력 전압(Vi)에 상응하여 입력 임피던스 정합을 위해 인덕터(L2)에 전류가 흐르는 시간 구간(D)의 길이를 결정하고, 결정된 시간 구간(D)의 길이에 기초하여 인덕터(L2)의 전류가 출력단으로 제공되는 시간 구간(δ)의 길이를 획득한 후, 상기 시간 구간(δ)의 길이에 기초하여 역전류가 흐르는 시간 구간(λ)의 길이를 결정한다.
이후, 제어부(510)는 결정된 각 시간 구간(D, δ, λ)에 따라 DC-DC 컨버터(530)에 포함된 각 트랜지스터(M3, M4, M5, M6)의 동작을 제어하기 위한 제어 신호(Φ1, Φ2, Φ3, Φ4)를 DC-DC 컨버터(530)에 제공함으로써, DC-DC 컨버터(530)가 입력 임피던스 정합 및 출력 전압의 안정화 기능을 수행할 수 있도록 제어한다.
여기서, 각 시간 구간(D, δ, λ)의 길이는 미리 고정적으로 설정될 수 있고, 제어부(510)는 미리 설정된 각 시간 구간(D, δ, λ)의 길이에 따라 상기 DC-DC 컨버터(530)의 동작을 제어하기 위한 제어 신호(Φ1, Φ2, Φ3, Φ4)를 DC-DC 컨버터(530)에 제공하도록 구성될 수도 있다. 또는, 입력 전압(Vi)의 변화에 따른 각 시간 구간(D, δ, λ)의 길이를 미리 설정한 후, 제어부(510)가 입력 전압(Vi)의 변화에 상응하여 미리 결정된 각 시간 구간(D, δ, λ)의 길이 값들 중 해당 값을 선택하여 DC-DC 컨버터(530)의 제어를 수행하도록 구성될 수도 있다.
DC-DC 컨버터(530)는 제어부(510)의 동작에 상응하여 입력 전압(Vi)을 제공하는 입력단과의 임피던스 정합 및 출력 전압의 안정화를 수행한다.
DC-DC 컨버터(530)는 제3 트랜지스터(M3), 제4 트랜지스터(M4), 제5 트랜지스터(M5), 제6 트랜지스터(M6), 제3 커패시터(C3), 제4 커패시터(C4) 및 인덕터(L2)로 구성될 수 있다.
먼저, DC-DC 컨버터(530)의 구성을 상세하게 설명하면 제3 트랜지스터(M3)는 입력단과 제3 노드(N3) 사이에 연결되고, 제4 트랜지스터(M4)는 제3 노드(N3)와 배터리(570) 사이에 연결된다. 여기서, 입력단은 외부 장치 또는 외부 모듈로부터 입력 전압을 제공받는 단자로, 예를 들어, 에너지를 수확하는 에너지 수확기(Energy Harvester, 110)로부터 출력되는 전압이 입력 전압(Vi)으로 입력단에 제공될 수 있다.
제3 커패시터(C3)는 제3 노드(N3)와 접지단자(GND) 사이에 연결되며, 인덕터(L2)는 제3 노드(N3)와 제4 노드(N4) 사이에 연결된다.
제5 트랜지스터(M5)는 제4 노드(N4)와 접지단자(GND) 사이에 연결되고, 제6 트랜지스터(M6)는 제4 노드(N4)와 제5 노드(N5) 사이에 연결된다. 여기서, 제5 노드(N5)는 출력 전압(Vo)이 제공되는 출력단이 된다.
제4 커패시터(C4)는 제5 노드(N5)와 접지단자(GND) 사이에 연결된다.
이하에서는 도 5 및 도 6을 참조하여 에너지 변환 장치의 동작을 보다 구체적으로 설명한다. 제3 내지 제6 트랜지스터(M3, M4, M5, M6)는 설명의 편의를 위하여 논리 하이 레벨에서 턴 온 상태가 되며, 논리 로우 레벨에서 턴 오프 상태가 되는 것으로 가정한다. 그러나, 이는 설명의 편의를 위해 가정한 것일 뿐이며 제3 내지 제6 트랜지스터((M3, M4, M5, M6)가 논리 하이 레벨에서 턴 오프 상태가 되고, 논리 로우 레벨에서 턴 온 상태가 되도록 구성될 수도 있다.
먼저, 시점 t1에서 제1 제어신호(Φ1) 및 제3 제어신호(Φ3)가 논리 하이가 되고, 제2 제어신호 및 제4 제어신호가 논리 로우가 되면, 제5 트랜지스터(M5) 및 제3 트랜지스터(M3)는 턴 온 상태가 되고, 제6 트랜지스터(M6) 및 제4 트랜지스터(M4)는 턴 오프 상태가 되어, 입력단으로 제공된 전류(Iin)가 인덕터(L2)에 공급되어 인덕터(L2)는 에너지를 축적하게 되고, 인덕터(L2)로 흐르는 전류는 시간 구간 D 동안 시간에 따라 증가하게 된다.
이후, 시점 t2에서 제1 제어신호(Φ1)가 논리 로우가 되고 제2 제어신호(Φ2)가 논리 하이가 되면, 제5 트랜지스터(M5)는 턴 오프 상태가 되고 제6 트랜지스터(M6)는 턴 온 상태가 되어, 인덕터(L2)에 흐르는 전류가 제4 커패시터(C4)를 통해 출력단(즉, 제5 노드(N5))에 제공된다.
여기서, 제1 제어신호(Φ1)가 논리 하이에서 논리 로우로 천이되는 주기는 수학식 5에 나타낸 바와 같이 DC-DC 컨버터(530)의 입력 임피던스에 큰 영향을 주게 되므로, 입력단으로 제공되는 입력 전압(또는 입력 전류)에 기초하여 제1 제어신호(Φ1)가 논리 하이가 되는 시간을 조절함으로써 입력 임피던스를 정합시킬 수 있다.
인덕터(L2)에 흐르는 전류의 크기는 제2 제어신호(Φ2)가 논리 하이가 되는 시점(즉, 시점 t2)부터 점점 감소하기 시작하여 시간 구간 δ가 경과한 후인 시점 t3 부터는 마이너스 상태로 진입하게 된다.
본 발명에서는 상술한 바와 같이 시점 t3에서 제3 제어신호(Φ3)가 논리 하이에서 논리 로우로 천이하도록 제어하고, 제4 제어신호(Φ4)가 논리 로우에서 논리 하이로 천이하도록 제어함으로써, 출력단쪽에 위치한 제4 커패시터(C4)로부터 제6 트랜지스터(M6), 인덕터(L2), 제4 트랜지스터(M4)를 경유하는 전류 경로로 역전류가 흐르도록 한다.
역전류는 시간 구간 λ 동안 흐르도록 제어하고, 역전류가 흐르는 동안에는 제3 제어신호(Φ3)를 논리 로우 유지함으로써 역전류가 에너지 수확기(110)로 흐르는 것을 방지함과 동시에, 제4 제어신호(Φ4)를 논리 하이로 유지시켜 제4 트랜지스터(M4)가 턴 온 상태가 되도록 함으로써 역전류가 배터리(570)에 입력되도록 한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 변환 장치에서는 제1 제어신호(Φ1)가 논리 하이 상태인 시간의 길이를 조절하여 입력 임피던스의 크기를 조절하여 입력단과 임피던스 정합을 수행하고, 입력 임피던스의 조절로 인한 출력 전압의 크기 변동에 대해 역전류가 흐르는 시간 구간 λ의 길이를 조절하여 출력단에 전달되는 전류량을 조절함으로써 출력 전압의 안정화를 수행한다.
전력 관리부(550)는 DC-DC 컨버터(530)의 출력단 및 배터리(570)와 연결되어 DC-DC 컨버터(530)로부터 제공되는 출력 전압(Vo) 또는 배터리(570)로부터 제공되는 전압을 출력한다.
예를 들어, 전력 관리부(550)는 DC-DC 컨버터(530)의 출력단에 출력 전압(Vo)이 제공되는 경우에는 DC-DC 컨버터(530)의 출력단에 제공되는 출력 전압(Vo)을 부하단으로 제공하고, DC-DC 컨버터(530)의 출력단에 출력 전압(Vo)이 제공되지 않는 경우에는 배터리(570)에 저장된 에너지(또는 전압)를 부하단에 제공하도록 구성될 수 있다.
배터리(570)는 제4 트랜지스터(M4)와 연결되고, 제공된 역전류에 의해 에너지를 축적하며 전력 관리부(550)의 제어에 상응하여 축적된 에너지를 전력 관리부(550)에 제공한다.
도 5에 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 변환 장치에서는 부스트 타입(boost type)의 DC-DC 변환기를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 부스트 타입의 DC-DC 변환기에 한정되는 것은 아니며, 벅 타입(buck type) 등과 같은 다른 유형의 DC-DC 컨버터(530)에도 적용될 수 있다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110 : 에너지 수확기 510 : 제어부
530 : DC-DC 컨버터 550 : 전력 관리부
570 : 배터리

Claims (7)

  1. 입력 전류가 인가되어 축적되는 제1 시간구간, 축적된 전류가 부하에 제공되는 제2 시간 구간 및 역전류가 흐르는 제3 시간구간의 길이를 제어하는 제어부; 및
    인덕터, 출력 커패시터 및 적어도 하나의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 제어부의 제어에 상응하여 상기 적어도 하나의 스위칭 소자가 스위칭되어 상기 제1 시간구간 동안 상기 인덕터에 입력 전류를 축적하고 입력 임피던스 매칭을 수행하며, 상기 제2 시간구간 동안 제공되는 전류와 상기 제3 시간구간 동안 상기 출력 커패시터로부터 흐르는 역전류의 차이에 해당하는 전류를 부하에 제공하는 DC-DC 컨버터를 포함하는 에너지 변환 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제어부는
    상기 DC-DC 컨버터의 입력 전압을 모니터링하고, 입력 전압에 상응하여 임피던스 정합을 위해 상기 제1 시간구간을 결정하고, 결정한 상기 제1 시간구간의 길이에 기초하여 상기 제2 시간구간 및 상기 제3 시간구간의 길이를 결정하는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 DC-DC 컨버터는 입력단과 제1 노드 사이에 연결된 제1 스위칭 소자;
    상기 제1 노드와 접지 단자 사이에 연결된 제2 스위칭 소자;
    상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에 연결된 상기 인덕터;
    상기 제2 노드와 접지 단자 사이에 연결된 제3 스위칭 소자;
    상기 제2 노드와 출력단 사이에 연결된 제4 스위칭 소자; 및
    상기 출력단과 접지단자 사이에 연결된 상기 출력 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 시간구간 동안 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제3 스위칭 소자를 온 상태로 제어하여 상기 입력 전류가 상기 인덕터에 흐르도록 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제2 시간구간 동안 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자는 오프 상태로 제어하고, 상기 제2 스위칭 소자 및 상기 제3 스위칭 소자는 온 상태로 제어하여 상기 인턱터에 축적된 전류가 상기 부하로 제공되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제3 시간구간 동안 상기 제1 스위치 소자 및 상기 제3 스위칭 소자는 오프 상태가 되도록 제어하고, 상기 제2 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자는 온 상태가 되도록 제어하여 상기 출력 커패시터로부터 상기 제4 스위칭 소자, 상기 인턱터 및 상기 제2 스위칭 소자를 경유하는 전류 경로로 역전류가 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 에너지 변환 장치는
    상기 제3 시간구간 동안 흐르는 역전류에 의해 충전되는 배터리; 및
    상기 DC-DC 컨버터로부터 제공되는 전류에 상응하는 출력 전압 및 상기 배터리로부터 제공되는 전압 중 어느 하나의 전압을 부하에 제공하는 전력 관리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
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