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에너지 하베스팅을 위한 저전압 AC-DC 변환기 설계

  • 한장호
  • 인천대학교
  • 작품구분일반형
  • 공개여부비공개
  • 카테고리전자
  • 등록일2016-11-28
  • 팀원(공동개발자)
  • 출품 경진대회2016-2 애로기술 캡스톤디자인 경진대회

상세설명

1. 수행배경

       - USN(Ubiquitous Sensor Network)의 발전으로 자동차 압력, 교량의 건물의 안정성, 신체의 건강 상태 등을 항상 모니터링하기 위한 센서의 사용이 증가하고 있다. 이러한 센서에 전원을 공급하는 배터리는 크기가 크고 수명이 유한하다는 단점이 있다. 이러한 배터리를 센서의 전원공급을 위해 사용되면 센서의 크기가 증가하고 주기적인 배터리 교체가 불가피해진다. 이러한 초소형 센서노드를 위한 배터리 대용으로 사용할 수 있는 기술이 에너지 하베스팅이다. 에너지 하베스팅은 빛, 진동, 열에너지와 같은 주변에서 버려지는 에너지를 재수확하여 활용하는 방법이다. 여러 에너지원 중 진동에너지는 사람의 움직임, 교량, 도로, 기계의 진동 등에서 얻을 수 있는 에너지이며 다른 에너지원보다 변환되는 전력의 크기가 크지만 진동에너지가 발생되는 주기와 가속도에 따라 출력되는 전압 및 주파수 크기가 크게 달라진다. 이러한 진동에너지를 수확하기 위해서는 압전소자(PEG: Piezoelectric generator)가 사용되며, 압전소자로부터 출력된 에너지의 형태는 AC sinal로써 application이 동작하기 위해서는 DC signal로 변환할 필요가 있다.

기존의 진동에너지 하베스팅 시스템은 piezoelectric transducer(PZT)를 이용하여 진동에너지를 전기에너지(AC 전압)로 변환하고 이를 rectifier를 통해 DC 전압으로 변환 후 저장하여 센서 노드와 같은 부하에 전력을 공급한다. Rectifier는 진동에너지 하베스팅 시스템의 가장 앞 단에 놓이며, 전체적인 효율에 큰 영향을 미치므로 효율적인 rectifier의 설계가 필요하다. 기존의 diode를 이용한 rectifier는 집적화하기에 적합하지 않고, diode on 전압에 의한 voltage drop이 커서 높은 효율을 기대하기 어려웠다. 이를 해결하기 위해 MOSFET 스위치를 이용한 rectifier도 제안되었지만 leakage current로 효율이 감소하는 문제가 있었다. 앞선 rectifier들의 문제를 해결하기 위해 제안된 정류기가 4개의 MOSFET로 구성된 rectifieractive diode가 연결된 2full-wave rectifier이며, active diode의 비교기 전원전압(VDD)은 정류기의 출력(VSTO)과 연결되어 전력을 공급받는다. 하지만 진동에너지가 발생하지 않거나 부하가 동작하기에 작은 에너지를 출력할 경우, rectifierdisable 시켜 저장된 에너지에서 추가적인 전력소모를 차단해야하지만 비교기 전원이 저장 커패시터와 연결되어 있기 때문에 진동에너지가 없어도 저장된 에너지가 비교기에 의해 지속적으로 소모되는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 그림 3rectifier의 구조에서 비교기 전원전압을 정류기의 입력(VFWR)과 연결하여 전력을 공급받도록 하는 방법을 제안하여 진동에너지가 없거나 크기가 작을 때 자동적으로 비교기가 동작하지 않도록 하여 저장된 에너지의 손실을 방지했다. 그러나 비교기의 구조가 제한적이기 때문에 비교기의 이득, 전류소모 등을 대체로 uW~mW의 저전력 에너지를 출력하는 진동에너지 하베스팅 회로에 적합하도록 설계되는 것이 어렵기 때문에 전체적인 효율이 감소하는 영향을 미쳤다.

- 연구에서는 진동에너지 하베스팅을 위한 vibration detector 갖는 full-wave rectifier 제안한다. Active diode 비교기에 enable 기능을 추가하였고, vibration detector 진동에너지를 감지하여 진동에너지의 출력여부에 따라 비교기를 enable/disable하도록 하였다.

 

2. 수행기간


  • 추진일정표

    일련번호

    주요내용

    추진일정

    기간

    ()

    9

    10

    11

    1

    PCB 설계 및 PCB 제작

     

     

     

     

    2

    2

    추계학술대회 논문 작성 및 발표

     

     

     

     

    2

    3

    PCB 외부소자 납땜 및 측정

     

     

     

     

     

    3

    4

    결과보고서 작성

     

     

     

     

     

    1

    5

     

     

     

     

     

    6

     

     

     

     

     

      

3. 개발작품 설명          

  • 빛, 열, 진동 에너지를 전기에너지로 변환하는 기술을 에너지 하베스팅이라 한다. 본 연구에서는 진동 에너지를 이용한 MPPT 제어기능을 갖는 에너지 하베스팅 회로에 Low voltage technique을 적용하여 회로를 설계한다. 진동에너지를 이용한 에너지 하베스팅 회로에서 개방회로 일 때 최대전압(VOC)과 최대전력지점에서의 전압(VMPP)의 관계는  VMPP = KMPP × VOC 이다. VOC를 1.4V로 설정하여 VMPP를 0.7V가 되도록 한다. 이 때, 진동에너지가 교류형태이므로 직류전압으로 바꿔주는 AC-DC 변환기가 필요하다. MPPT 제어 회로는 Oscillator, Counter, MC generator로 구성 된 Pulse generator와 Sampler, Enable generator로 구성 되어있다. MPPT 제어 회로에서는 mc신호와 Enable신호를 발생시킨다. mc신호는 진동에너지 전압을 샘플링 할 수 있도록 하고, Enable 신호를 통해 스위치2를 컨트롤하여 부하에 전압이 전달되도록 한다. VOC를 1.4V로 함으로써 0.7V의 VMPP에서 안정되게 동작하는 회로설계가 목표이다.

4. 활용방안

    - 본 연구에서 제안하는 진동에너지 하베스팅을 위한 저전압, 고성능 AC-DC 변환기는 미약한 진동에너지가 발생하는 장기의 움직임, 사람의 움직임 등에서 진동에너지를 수확하여 임플란트 디바이스나 웨어러블 디바이스에 적용이 가능하다. 또한 미약한 진동에너지 뿐만 아니라 강한 진동에너지 수확시에도 적용이 가능하기 때문에 넓은 범위의 진동에너지 수확이 가능하다. 또한 MPPT 방법이 개방회로전압과 MPP에서의 전압간의 관계를 이용하는 것이기 때문에 진동에너지와 동일한 관계를 갖는 열에너지 수확에도 연구된 시스템 적용이 가능하며, factor의 크기만 변경하여 빛에너지 수확도 가능하다.

    그 결과 환경 감지 센서, 기기, 교량 등 모니터링 센서 등과 같은 다양한 에너지 하베스팅을 이용한 응용분야에 적용이 가능하며, 학술대회에 참가하여 논문을 발표하고 설계결과에 따라 특허 또한 출원할 계획이다.

                       

소개 영상

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소개 슬라이드

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