[논문]열전 모듈의 정전압 출력 시스템을 위한 벅-부스트 DC-DC 변환기

조성규; 박순서; 김지곤; 남기훈; 김시호

doi:10.5370/kiee.2010.59.10.1845

열전 모듈의 정전압 출력 시스템을 위한 벅-부스트 DC-DC 변환기
Buck-Boost DC to DC Converter for Thermoelectric Generator with Constant Output Voltage 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.59 no.10, 2010년, pp.1845 - 1849

조성규 (충북대학교 대학원 전기공학과) , 박순서 (충북대학교 대학원 전기공학과) , 김지곤 ((주)실리콘웍스) , 남기훈 (충북대학교 전기공학부) , 김시호 (충북대학교 전기공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

We have proposed and fabricated a Buck-Boost DC to DC Converter for Thermoelectric generator (TEG) with constant output voltage suitable for battery chargers or constant voltage supplies in the range of several watt. The experimental and simulation results have shown that the proposed method allows stable operation with maximum 86% power transfer efficiency. The proposed circuit has a merit in cost and miniaturization of a system compared to conventional MPPT algorithms, because the proposed method adopts only analog circuit without DSP or micro controller unit for calculating peak power point by iterative methods.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

열전 모듈로부터 발생 전력이 수 Watt 이하 정도인 경우에는, 복잡한 디지털 콘트롤러를 필요로 하는 MPPT 회로를 사용하지 않고 간단한 정전압 출력을 갖도록 열전 모듈의 제어 시스템을 구성하는 것이 더 바람직하다[7]. 따라서 본 논문에서는 열전 모듈로부터 안정된 정전압 공급할 수 있는 PWM 컨트롤 방식인 Buck-Boost DC-DC Converter를 제안하였고, 반도체 제어 칩을 설계 및 제작하였고, 그 동작 특성을 측정하였다.

제안 방법

그림 2에서 점선 안쪽은 UP-Down Detector, Charge Pump와 비교기 등으로 구성된 제안된 DC-DC 변환기의 제어부(Control stage)를 보여주고 있다. 본 논문에서 제안하는 방식은 UP-Down Detector와 Charge Pump를 이용하여 비교기의 입력 전압(VPWM)을 생성하고, Ring Oscillator와 톱니파 발생기(SAW Generator)로부터 생성된 주기적인 삼각파 신호와 비교하여 PWM(Pulse Width Modulation)신호를 생성하는 방식이다.
내부 저항은 선형 특성 곡선의 기울기로부터 추출할 수 있다[8-9]. 본 논문에서는 그림 1의 열전 모듈의 측정 결과를 이용하여 회로를 시뮬레이션 및 측정하였다.
그림 2는 제안된 Buck-Boost DC-DC Converter의 전체 블록 다이어그램으로, 제어부(Control stage)와 전력회로부로 구성되어 있다. 제안된 블록도에서 전력회로부는 열전 발전모듈의 입력 전압으로부터 출력 전압을 변환하는 변환기이며, 제어부는 출력 전압을 기준전압과 비교하여 원하는 DC 출력 전압이 나오도록 듀티 비 D값을 조절하는 회로이다.
출력 전력이 수 와트 급 이하의 소형 열전 발전 장치에 적당한 최대전력점 제어회로를 사용하지 않는 열전 모듈의 정전압 출력 시스템을 위한 벅-부스트 DC-DC 변환기를 제안하고 구현하였다. 제안된 회로는 0.35um CMOS 공정 파라미터를 이용하여 SPICE시뮬레이션을 수행하였고 칩을 설계 및 제작하였다. 제작된 Chip을 이용하여 측정된 결과는 최대 출력 효율이 82% 정도로써 실용화에 적정한 수준임을 알 수 있었다.
그림 8의 제작된 칩을 이용하여 동작을 측정하기 위한 TEST 보드를 제작하였다. 제작된 칩은 TEST 보드에 CoB(Chip on Board) 방식으로 ④번으로 표시된 부분에 부착되었으며, TEST 보드에는 전원포트(①VDD), 열전 모듈의 입력 전압핀(②TEG Input), 측정을 위한 테스트 핀(③), 전압출력 단자(⑤)등의 핀들을 배치하였다.
출력 전력이 수 와트 급 이하의 소형 열전 발전 장치에 적당한 최대전력점 제어회로를 사용하지 않는 열전 모듈의 정전압 출력 시스템을 위한 벅-부스트 DC-DC 변환기를 제안하고 구현하였다. 제안된 회로는 0.
회로는 Magnachip 0.35um CMOS 공정 파라미터를 이용하여 SPICE 시뮬레이션과 layout 설계를 수행하였다. 그림 5는 VPWM 값에 따라서 PWM의 듀티 비가 변화하는 것을 나타내주고 있다.

대상 데이터

그림 6은 설계된 레이아웃 도면이며, 그림 2의 블록도에서 인덕터와 출력 부하 저항을 제외한 모든 회로를 칩에 집적하였다. 설계된 Chip의 CORE부분의 면적은 약 1.5mm*1.0mm이며, 설계된 칩은 IDEC MPW서비스를 통해서 제작 하였다.

성능/효과

35um CMOS 공정 파라미터를 이용하여 SPICE시뮬레이션을 수행하였고 칩을 설계 및 제작하였다. 제작된 Chip을 이용하여 측정된 결과는 최대 출력 효율이 82% 정도로써 실용화에 적정한 수준임을 알 수 있었다.
표 3은 TEST 보드로 부터의 측정 결과를 종합한 결과이다. 칩 내부의 Ring oscillator 발진기의 출력 신호의 주파수는 약1.25MHz이고, 열전 모듈의 입력 대비 출력 전력의 전력 효율의 최대 값은 Buck-mode에서는 약 86%, Boost-Mode에서는 약 82%로 측정되었다. 일반적인 DC-DC 변환기의 효율이 90%이상인 것을 고려하면 제안된 열전 모듈의 정전압 DC-DC 변환기의 효율이 낮은 것으로 볼 수 있으나, 효율의 감소는 열전 소자의 내부 저항 때문이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Buck-Boost DC-DC Converter의 블록 다이어그램에서 전력회로부와 제어부는 어떤 역할을 하는 장치인가?	그림 2는 제안된 Buck-Boost DC-DC Converter의 전체 블록 다이어그램으로, 제어부(Control stage)와 전력회로부로 구성되어 있다. 제안된 블록도에서 전력회로부는 열전 발전모듈의 입력 전압으로부터 출력 전압을 변환하는 변환기이며, 제어부는 출력 전압을 기준전압과 비교하여 원하는 DC 출력 전압이 나오도록 듀티 비 D값을 조절하는 회로이다.
	열전 모듈의 현황은?	최근 들어 제안되는 방법들 중 Seebeck 원리를 이용하여 금속 양면의 온도차에 의해 전류가 발생되는 현상을 이용한 열전 모듈(thermoelectric module)이 각광을 받고 있다. 원래 열전 모듈은 폐열을 이용하여 발전소, 선박 등에서 쓰여지고 있었지만 최근 열전반도체의 기술력이 증가하면서 적은 온도 차에서도 높은 전력을 생산할 수 있게 되었다[1]. 동작 환경에 따라서 온도차이가 변함[2-3]에 따라서 생성되는 전력이 변화되므로 배터리의 충전기 등의 전원 공급으로 사용하기에는 전력제어 회로가 필요하게 된다.
	열전 발전 모듈의 전압 전류는 어떤 특성을 갖는가?	열전 발전 모듈의 전압 전류 특성은 내부 저항을 갖는 전압원과 유사하여, 출력 전압과 출력 전류는 선형 특성을 갖는다. 내부 저항은 선형 특성 곡선의 기울기로부터 추출할 수 있다[8-9].

참고문헌 (10)

L. Bell, "Cooling, Heating, Generating Power, and Recovering Waste Heat with Thermoelectric Systems", Science Vol. 321 pp 1457-1461, Sep. 2008

상세보기
유정호, 이현주, 정진호, 김시호 "박막형 열전소자를 사용한 3D IC 냉각을 위한 온도 제어 콘트롤러", SoC 학술대회 2010, pp. 426-429, 2010년 5월
Hyunju Lee, Soonseo Park, Sungkyu Cho, Hyojong Kim and Shiho Kim, "A Thin Film Thermoelectric Cooler for Chip-on-Board direct Assembly", IEEE Electrical Design of Advanced Packaging & Systems Symposium(EDAPS) 2009, #47, Dec. 3 2009.
오원석, 이승은, 이성철, 박진, 최종찬, "휴대용 배터리 구동시스템을 위한 8V-12V 내장형 CMOS DC-DC 컨버터", 2002 대한전기학회 하계학술대회 논문집 D, pp. 2577-2579, 2002년 7월.
R. Kim and J. Lai, " A seamless mode power transfer Maximum Power Tracking controller for Thermoelectric generator applications", IEEE Tr. on Power electronics, Vol. 23, No. 5, Sep. 2008
R. Kim, J. Lai, B. York, and A.Koran, "Analysis and Design of Maximum Power Point Tracking scheme for Thermoelectric battery energy storage system", IEEE Tr. on Industrial Electronics, Vol. 56, pp 3709-3716, 2009

상세보기
박순서, 유정호, 조성규, 김시호, 김지곤"열전 전력 회생 시스템을 위한 Buck-Boost DC to DC Converter", proceeding of SoC conference 2009, 2009년 5월
박순서, 조성규, 냠바야르, 김시호, "열전 모듈의 SPICE Modeling", 전자공학회논문지, 제47권 SD편 제4호, pp. 7-12, 2010 4월
우병철, 이희웅, 이동윤, 김봉서, 김병걸, "열전발전용 소자를 이용한 열전발전기의 발전 특성", 2000 대한전기학회 학술대회 논문집 C, pp. 1614-1616, 2000년 7월.
R. W. Ericksom, "Fundamentals of Power electronics", pp 170 - 173, International Thomson Publishing, 1997.

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