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무선 센서 노드를 배터리 없이 온도 차이를 이용해서 구동 ②

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글/Bruce Haug, Sr. Product Marketing Engineer, Power by Linear, Analog Devices, Inc.

TEG 선택

대부분 열전 모듈 업체들은 온도 차이에 따른 출력 전압이나 출력 전력 데이터를 제공하지 않는다. 열 에너지 하베스터를 설계하는 디자이너들이 원하는 것은 바로 이 데이터이다. 꼭 제공되는 두 가지 파라미터는 VMAX와 IMAX이다. 특정 모듈로 최대 동작 전압과 최대 동작 전류이다.

전력 생성 용도로 열전 모듈을 선택할 때 경험적인 원칙은, 특정한 크기로 VMAX•IMAX 곱이 가장 높은 모듈을 선택하는 것이다. 그러면 대체로 가장 높은 TEG 출력 전압과 가장 낮은 소스 저항을 얻을 수 있다. 다만 한 가지 주의할 점은, 히트 싱크의 크기를 TEG의 크기에 알맞게 해야 한다는 것이다. 성능을 극대화하기 위해서는 TEG가 클수록 더 큰 히트 싱크가 필요할 것이다.

또 한 가지 주의할 점은 전기 저항이 주어지는 경우에 이 저항이 AC 저항으로 표기된다는 것이다. 이것은 통상적인 방식으로 DC 전류를 사용해서 측정할 수 없기 때문이다. DC 전류는 제벡 전압을 발생시키고 그러면 잘못된 저항 리딩을 제공하기 때문이다. 그림 9는 13개의 서로 다른 TEG를 사용해서 고정적인 5℃ ΔT로 VMAX•IMAX 곱에 따른 LTC3108의 전력 출력 그래프를 보여준다. VI 곱이 높을수록 LTC3108로부터 더 높은 출력 전력을 제공한다는 것을 알 수 있다.

그림 10은 30mm2 TEG로 1℃부터 20℃까지 이르는 ΔT 범위로 출력 전압과 최대 출력 전력을 보여준다. 이 범위로 출력 전력은 수백 마이크로와트에서부터 수십 밀리와트까지 이른다. 이 전력 곡선은 이상적인 부하 매칭인 것으로 간주한 것으로서 변환 손실은 포함하지 않고 있다.

그러므로 LTC3108에 의해서 더 높은 전압으로 부스트 된 후에 사용 가능한 출력 전력은 이보다 더 낮을 것이다. LTC3108 데이터 시트에서는 다양한 동작 조건으로 이용 가능한 출력 전력에 관한 그래프들을 볼 수 있다.

특정 애플리케이션으로 필요로 하는 TEG의 크기는 이용 가능한 최소 ΔT, 부하에 필요로 하는 최대 평균 전력, TEG의 한쪽 면을 주변 온도로 유지하기 위해서 사용되는 히트 싱크의 열 저항에 따라서 결정될 것이다. LTC3108의 최대 전력 출력은 트랜스포머 권선 비와 선택한 TEG에 따라서 15μW/K-cm2부터 30μW/K-cm2까지 이른다....(중략)