Operation Analysis of Resonant DC/DC Converter able to Harvest Thermoelectric Energy

The operational characteristics of a resonant DC/DC converter, which can harvest thermoelectric energy, is analyzed, depending on the relative magnitudes of the input voltage and the load voltage. The resonant converter consists of LC resonant circuit connected to DC input source and a resonant pulse converter in which the input energy is transferred to the load as the resonant capacitor voltage is peak. The resonant capacitor doubles the input voltage by the resonance phenomenon. By the relative magnitude between the input voltage and the output voltage, the resonant DC/DC converter operates in three different modes. For boost mode, the peak voltage of the resonant capacitor is smaller than the load voltage. For hybrid mode, the peak voltage of the resonant capacitor is bigger than the load voltage and every switching period has both the boost mode and the direct mode. For the direct mode, the input voltage is bigger than the load voltage and the converter transfers directly the input energy to the load without the switching operation. Operation principles and the feasibility of the converter for the thermoelectric energy harvesting are verified with PSPICE simulation and experiment.

열전에너지 수확이 가능한 공진형 DC/DC 컨버터의 동작 해석

본 논문은 입력단 전압과 출력단 부하전압의 상대적 크기에 따라 동작모드가 다르게 구성되며, 열전에너지 수확이 가능한 새로운 공진형 DC/DC 컨버터의 동작 특성을 해석한다. 공진형 DC/DC 컨버터는, 직류 입력전원에 연결 되는 LC 공진회로와, 공진회로의 캐패시터 전압이 최대일 때 부하측으로 에너지를 전달하는 펄스형 공진 컨버터로 구성되어있다. 입력단 LC 공진회로의 캐패시터는 전압의 최대값이 입력전압의 최대값의 2배가 되는 Voltage Doubler의 특성을 갖는다. 제안한 컨버터는 공진 캐패시터 전압의 최대값과 부하전압의 상대적 크기에 따라서 승압형 연결, 혼합형 연결, 직접연결의 3가지 동작특성을 가진다. 승압형 연결은 공진 캐패시터 전압의 최대값이 부하전압보다 작은 경우이다. 혼합형 연결은 공진 캐패시터 전압의 최대값이 부하전압보다 큰 경우이며, 스위칭 주기에 직접연결과 승압형 연결이 연속하여 나타난다. 직접연결은 입력단 전압의 크기가 부하전압보다 큰 경우이며, 입력단 에너지가 부하측으로 컨버터의 스위칭 동작 없이 직접 전달된다. 공진형 DC/DC 컨버터 회로의 동작원리를 설명하고, PSPICE 시뮬레이션 및 실험을 통하여 검증하였으며, 열전에너지 수확분야에 활용 가능성을 제시하였다.