High performance rectifier for piezoelectric energy harvesting

Abstract

오늘날 에너지 하베스팅은 우리 생활에 중요한 기술이 되었다. 이에 따라 주변 환경의 그린 에너지 하베스팅과 관련된 여러가지 기술들이 개발되었고 그 중 가장 널리 쓰이는 방식은 진동을 하는 에너지원으로부터 piezoelectric 물질을 사용하여 에너지를 수확하는 방식이다. PE 에너지 하베스팅 시스템은 기능적으로 두 가지 부분으로 구분된다: 포텐셜 에너지를 전기 에너지로 바꿔주는 transducer와 생성된 전기 에너지를 관리하는 전기 인터페이스이다. 전기 인터페이스의 가장 중요한 부분은 AC-DC 변환기와 같은 rectifier이다. 본 논문은 synchronous 스위치가 달린 cross-coupled rectifier, transducer 캐패시터를 자동으로 리셋해주는 rectifier, inductor rectifier에서 series synchronous switch harvesting을 하는 세 종류의 rectifier를 제안한다. 첫 번째 구조인 synchronous 스위치가 달린 cross-coupled rectifier는 PE로부터 얻어내는 에너지를 증대시키기 위한 것이다. 두 개의 synchronous switch를 사용함으로서 rectifier로부터 에너지를 추출하는 효율은 두 배가 된다. 시뮬레이션과 측정결과는 rectifier의 에너지 추출효율이 active full-bridge rectifier보다 1.9배 좋다는 것을 보여준다. 두 번째 구조는 transducer capacitance를 자동리셋 해 주는 rectifier로서 이 구조의 핵심은 적절한 시기마다 transducer의 capacitance를 리셋해 줌으로서 에너지 추출효율을 극대화하는 것이다. 매 사이클마다 스위치가 transducer capacitor에 쌓인 전하를 방전시킨다. Active diode들은 미리 설정한 dc offset을 가진 op-amp에 기반함으로써 전압강하와 전류누출을 줄이고 안정성을 강화하였다. 또한 이 구조를 위한 컨트롤러는 구조가 간단하여 회로의 복잡함과 소모 전력량을 줄일 수 있다. 제안된 rectifier는 0.18um 공정을 사용하여 제작했다. 이 구조를 통해 기존 full-bridge rectifier에 비해 1.9배 많은 에너지를 추출할 수 있었다. 마지막으로 series synchronized switch harvesting inductor를 사용한 rectifier는 두 개의 active diode, 두 개의 스위치, inductor를 포함한다. Inductor는 transducer의 전력원이 0을 지날 때마다 transducer의 전압을 뒤집음으로써 transducer capacitance를 충전하고 방전하는데 낭비되는 전력을 절약할 수 있게 해준다. LC 공진회로의 diode가 있기에 capacitor의 전압이 뒤집히는 시점을 최적화할 수 있다. 이 구조는 active full-bridge rectifier에 비해 3.3배의 전력추출효율을 보인다.