Energy Harvesting Circuit for Triboelectric Nanogenerator

Abstract

본 논문에서는 TENG 전기 출력 특성의 고유한 한계를 극복하기 위해 최적의 순간을 자동으로 찾을 수 있는 새로운 승압형 DC-DC 컨버터를 제안하였다. 또한 TENG 이외의 다양한 저출력 에너지원을 활용하기 위해 광범위한 저전력 부스트 타입 DC-DC 컨버터를 제안하였다. 제안된 DC-DC 컨버터는 모든 타입의 입력 소스에 적응하여 에너지를 전송할 최적의 순간을 찾는다. 콜드 스타트 블록, 최대 전력점 추적 블록 및 최적 스위칭 펄스 생성 블록을 포함합니다. TENG의 낮은 전류와 높은 전압인 고유한 한계를 극복하여, TENG로부터 나오는 전력을 높은 효율로 변환한 후 안정적인 DC 전압을 생성 및 공급 할 수 있다. 또한 입력 전력의 범위가 0.8uW ~ 1mW 까지 수용할 수 있기 때문에 어떠한 입력 전원이 들어와도 효율적으로 부하 회로단으로 전력을 공급 할 수 있다. 결과적으로 TENG의 전기 출력에 관계없이 안정적인 DC 전압을 얻을 수 있다. 이 포괄적인 연구를 통해 TENG는 실용적이고 안정적인 전원 공급원으로 인정받을 수 있으며, TENG기반의 자체 전원 시스템을 구축할 수 있다.

This thesis presents a novel integrated circuit (IC) that can generate reliable DC voltage even when an intermittent and irregular electrical output of the triboelectric nanogenerator (TENG) is supplied. Intensive research on TENGs has been established since they were first introduced, but their application as a practical power source remains to face several challenges. Since impedance matching and voltage regulation are incomplete, the efficiency is much lower. We designed and fabricated an energy conversion circuit that operates at very low power so as not to affect the energy generation of TENGs. Cold-starting, input voltage monitoring and zero-current detection blocks have been integrated into the IC to design ultra-low-power energy conversion circuits. In the automatic control of the moment when the electrical output of the TENG is ransferred into the electronic device, the present IC shows a conversion efficiency over 70% even when the input power is about 2.5 μW. This work intensively addresses the issues hindering the utilization of TENGs as a practical and reliable power source and thus may serve as a reference in the development of TENG-based self-powered systems in the future.