LED는 다른 광원에 비해 동작수명이 길고, 친환경적이며, 에너지 효율이 높은 장점을 가지고 있다. 최근 LED 기술의 발전으로 인해 고휘도, 고용량의 LED가 개발됨에 따라, 표시장치에만 적용되던 LED를 조명장치에도 적용하는 기술이 확산되고 있다. 파워 LED는 동작의 안정성 및 신뢰성을 확보하기 위해 구동전류를 일정한 값 이하로 유지하는 전류제한기능이 필요한데, 본 논문에서는 전류제한기능을 포함한 하프브리지 LLC직렬공진형 컨버터를 제안한다. 하프브리지 LLC 직렬공진형 컨버터는 다른 공진형 컨버터에 비해 상대적으로 입력전압 및 출력부하 범위가 광범위한 장점이 있으며, 변압기의 누설인덕턴스를 공진인덕터로 이용할 수 있기 때문에 마그네틱 소자를 줄일 수 있는 장점이 있다. 전류제한기능 및 역률개선기능을 포함하고 있는 출력전압 DC24[V], 200[W]급의 LED 조명장치 구동용 하프브리지 LLC 직렬공진형 컨버터의 설계 및 실험을 통해 타당성을 입증하였다.
LED는 다른 광원에 비해 동작수명이 길고, 친환경적이며, 에너지 효율이 높은 장점을 가지고 있다. 최근 LED 기술의 발전으로 인해 고휘도, 고용량의 LED가 개발됨에 따라, 표시장치에만 적용되던 LED를 조명장치에도 적용하는 기술이 확산되고 있다. 파워 LED는 동작의 안정성 및 신뢰성을 확보하기 위해 구동전류를 일정한 값 이하로 유지하는 전류제한기능이 필요한데, 본 논문에서는 전류제한기능을 포함한 하프브리지 LLC 직렬공진형 컨버터를 제안한다. 하프브리지 LLC 직렬공진형 컨버터는 다른 공진형 컨버터에 비해 상대적으로 입력전압 및 출력부하 범위가 광범위한 장점이 있으며, 변압기의 누설인덕턴스를 공진인덕터로 이용할 수 있기 때문에 마그네틱 소자를 줄일 수 있는 장점이 있다. 전류제한기능 및 역률개선기능을 포함하고 있는 출력전압 DC24[V], 200[W]급의 LED 조명장치 구동용 하프브리지 LLC 직렬공진형 컨버터의 설계 및 실험을 통해 타당성을 입증하였다.
In comparison with some other light sources, LED has merits such as long lifetime, pollution free, and high energy efficiency. Lately, due to development of LED with high brightness and capacity, LED, which has been applied in display system only, has applied in the field of lighting system. Driving...
In comparison with some other light sources, LED has merits such as long lifetime, pollution free, and high energy efficiency. Lately, due to development of LED with high brightness and capacity, LED, which has been applied in display system only, has applied in the field of lighting system. Driving current of power LED has to be controlled below the designed value. In this paper, half-bridge LLC series resonant converter, which has the current limiting function, has been described. Half-bridge LLC series resonant converter allows in relatively wide input voltage and output load range when compared to the other resonant converter. Also, it is possible to reduce a magnetic component, because leakage inductance of transformer is used as a resonant inductance. It has been validated by designing and testing 200[W] half-bridge LLC converter of DC24[V] output voltage for LED lamp driver, which includes a current limiting function and power factor correction(PFC) function.
In comparison with some other light sources, LED has merits such as long lifetime, pollution free, and high energy efficiency. Lately, due to development of LED with high brightness and capacity, LED, which has been applied in display system only, has applied in the field of lighting system. Driving current of power LED has to be controlled below the designed value. In this paper, half-bridge LLC series resonant converter, which has the current limiting function, has been described. Half-bridge LLC series resonant converter allows in relatively wide input voltage and output load range when compared to the other resonant converter. Also, it is possible to reduce a magnetic component, because leakage inductance of transformer is used as a resonant inductance. It has been validated by designing and testing 200[W] half-bridge LLC converter of DC24[V] output voltage for LED lamp driver, which includes a current limiting function and power factor correction(PFC) function.
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문제 정의
파워 LED는 휘도가 높은 반면에, 구동 시 PN접합면의 온도가 상승하여 소손되는 문제점이 있기 때문에 파워 LED의 구동전류를 일정한 값 이하로 제한해야 할 필요성이 있다. 따라서 본 논문에서는 LLC 컨버터의 출력단에 전류제한회로를 추가하여 파워 LED로 공급되는 구동전류가 일정한 값 이하를 유지하도록 한다.
본 논문에서 제안한 LED 조명장치 구동용 하프브리지 LLC 직렬공진형 컨버터의 타당성을 입증하기 위하여 200[W]급의 시제품을 제작하여 동작을 확인하였다.
본 논문에서는 파워 LED를 안정적으로 구동할 수 있도록 하기 위해 전류제한기능을 포함한 LED 조명장치 구동용 하프브리지 LLC 직렬공진형 컨버터를 제안하고 시제품을 제작하여 실험데이터를 도출하였다. 제작된 200[W]급 시제품은 AC220[V]를 입력받아 DC24[V]를 출력하며, 출력전류는 8[A]까지 공급이 가능하다.
본 논문에서는 파워 LED의 특성을 고려하여 파워 LED 구동전류의 전류제한기능을 포함하고 있는 파워 LED 구동 전용 전원공급장치를 제안한다. 제안된 파워 LED 전용 전원공급장치는 하프브리지 LLC 직렬공진형 컨버터로서, 저렴하고, 효율이 높으며, 출력전압이 다소 높은 시스템에 적합한 구조이다.
제안 방법
표 1은 본 논문의 LED 조명장치 구동용 하프브리지 LLC 직렬공진형 컨버터 PFC부의 설계사양이며, 표 2는 LLC 컨버터 주회로부의 설계사양이다. PFC는 승압형 DC-DC 컨버터 구조로 설계하였으며, LLC 컨버터 주회로부는 하프브리지 LLC 직렬공진형 컨버터 구조로 설계 하였다. 두 컨버터는 하나의 제어 소자를 사용하여 각각 별도로 제어되도록 설계함으로써, 부품의 수량을 줄여 회로가 간단하고 저렴한 LED 조명장치 구동용 전원공급장치가 가능하도록 하였다.
PFC는 승압형 DC-DC 컨버터 구조로 설계하였으며, LLC 컨버터 주회로부는 하프브리지 LLC 직렬공진형 컨버터 구조로 설계 하였다. 두 컨버터는 하나의 제어 소자를 사용하여 각각 별도로 제어되도록 설계함으로써, 부품의 수량을 줄여 회로가 간단하고 저렴한 LED 조명장치 구동용 전원공급장치가 가능하도록 하였다.
PFC로부터 공급되는 385[V]의 직류전압을 L,C 공진회로 및 고주파 변압기를 이용하여 출력측으로 전달한 후, 필터를 통해 안정화시킨다. 또한 본 논문에서는 PFC와 하프브리지 LLC 직렬 공진형 컨버터의 출력전압제어를 하나의 제어 IC를 이용하여 사용함으로써 회로구조를 간단히 하고 안정적인 동작을 얻을 수 있도록 설계한다.
AC220[V]의 상용전원을 입력받은 후, PFC를 통해 교류 입력단의 전압 및 전류의 위상차를 줄여 무효전력을 감소시킴으로써 에너지 효율을 높여 준다. 본 논문에서는 PFC 회로로 입력측의 전압에 비해 출력측의 전압이 높은 승압형 DC-DC 컨버터 회로구조를 적용한다.
제안된 파워 LED 전용 전원공급장치는 하프브리지 LLC 직렬공진형 컨버터로서, 저렴하고, 효율이 높으며, 출력전압이 다소 높은 시스템에 적합한 구조이다. 제안된 하프브리지 LLC 직렬공진형 컨버터는 입력단의 역률을 높이기 위해 승압형 DC-DC 컨버터를 적용한 PFC 회로를 포함하고 있으며, LLC 컨버터 파워단의 제어와 PFC용 승압형 DC-DC 컨버터의 제어를 하나의 소자를 이용하여 제어하는 구조이다.
파워 LED를 광원으로 이용하는 LED 조명장치는 보통 50~200[W]급의 용량을 사용하는데, 다른 구조의 직류 전원공급장치에 비해 출력전압의 범위가 넓고, 전력밀도가 높으며, 에너지 효율이 우수한 하프브리지 LLC 직렬 공진형 컨버터를 LED 조명장치 구동용 전원공급장치로 적용하는 것을 제안한다.
대상 데이터
본 논문에서는 파워 LED를 안정적으로 구동할 수 있도록 하기 위해 전류제한기능을 포함한 LED 조명장치 구동용 하프브리지 LLC 직렬공진형 컨버터를 제안하고 시제품을 제작하여 실험데이터를 도출하였다. 제작된 200[W]급 시제품은 AC220[V]를 입력받아 DC24[V]를 출력하며, 출력전류는 8[A]까지 공급이 가능하다. 개발된 시제품의 성능시험을 실시한 결과 역률은 전부하 상태에서 0.
성능/효과
제작된 200[W]급 시제품은 AC220[V]를 입력받아 DC24[V]를 출력하며, 출력전류는 8[A]까지 공급이 가능하다. 개발된 시제품의 성능시험을 실시한 결과 역률은 전부하 상태에서 0.99까지 측정되었으며, 효율도 전부하 상태에서 87[%]로 매우 양호하여 전기안전시험 인증의 요건인 85[%] 이상을 충족하는 것으로 측정되었다. 부하변동 및 입력전압변동에 대해서도 출력전압이 안정적으로 제어되고 있음을 확인하였다.
본 논문의 타당성을 입증하기 위하여 전류제한기능 및 역률개선기능을 포함하고 있는 출력전압 DC24[V], 출력 용량 200[W]급의 LED 조명장치 구동용 하프브리지 LLC 직렬공진형 컨버터를 제작하고 실험데이터를 도출하여 안정적으로 동작됨을 확인하였다.
99까지 측정되었으며, 효율도 전부하 상태에서 87[%]로 매우 양호하여 전기안전시험 인증의 요건인 85[%] 이상을 충족하는 것으로 측정되었다. 부하변동 및 입력전압변동에 대해서도 출력전압이 안정적으로 제어되고 있음을 확인하였다.
본 논문에서는 파워 LED의 특성을 고려하여 파워 LED 구동전류의 전류제한기능을 포함하고 있는 파워 LED 구동 전용 전원공급장치를 제안한다. 제안된 파워 LED 전용 전원공급장치는 하프브리지 LLC 직렬공진형 컨버터로서, 저렴하고, 효율이 높으며, 출력전압이 다소 높은 시스템에 적합한 구조이다. 제안된 하프브리지 LLC 직렬공진형 컨버터는 입력단의 역률을 높이기 위해 승압형 DC-DC 컨버터를 적용한 PFC 회로를 포함하고 있으며, LLC 컨버터 파워단의 제어와 PFC용 승압형 DC-DC 컨버터의 제어를 하나의 소자를 이용하여 제어하는 구조이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
3파장 램프나 백열전구가 갖는 단점은 무엇이 있는가?
조명장치의 주요 광원으로 사용되는 3파장 램프나 백열전구는 방전가스를 내부에 포함하고 있기 때문에 램프 폐기 시 유해가스를 방출하여 환경오염의 문제를 유발하고, 램프의 수명이 2~3년으로 짧기 때문에 주기적으로 교체할 필요성이 발생하여 유지보수 비용이 많이 발생하는 단점을 안고 있다.
LED가 갖는 장점은 무엇이 있는가?
이에 비해, LED는 반도체 기술을 이용한 조명소자이기 때문에 동작수명이 반영구적이며, 유해가스를 포함하고 있지 않아 유해가스 배출에 따른 환경오염문제도 해결할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 지금까지 개발된 LED는 휘도가 낮기 때문에 표시장치에만 적용되었고, 조명장치에는 적용이 불가능하였다[1,2].
하프브리지 LLC 직렬 공진형 컨버터는 어떤 장점을 가지고 있는가?
하프브리지 LLC 직렬공진형 컨버터는 다른 공진형 컨버터에 비해 입력전압 및 부하범위가 상대적으로 넓은 장점이 있으며, 변압기의 누설인덕턴스를 공진탱크의 공진인덕턴스로 활용할 수 있기 때문에 공진인덕터를 생략할 수 있는 장점이 있다. 또한 정상적인 부하의 전범위에 걸쳐 1차측 스위치에 대해 영전압(ZVS) 스위칭이 이루어 지기 때문에 스위칭 손실을 줄일 수 있으며, 2차측의 정류다이오드는 영전류(ZCS) 스위칭이 가능하기 때문에 다이오드의 역회복 손실이 발생하지 않아 스위칭 효율을 높일 수 있는 장점이 있다[5-10].
참고문헌 (10)
Yuequan Hu, Milman M. Jovanovic, "LED Driver With Selt-Adaptive Drive Voltage", IEEE Trans. on Power Electronics, Vol.23, No.6, November 2008.
H. Broeck, G. Sauerlander, M. Vendt, "Power driver topologies and control schemes for LEDs", in Proc. IEEE Appl. Power Electron. Conf.(APEC), 2007, pp.1319-1325.
M. Goldman, A. F. Witulski, "Predicting regulation for a multiple output current-mode controlled DC-to-DC converter", IEEE PESC, pp.617-623, 1993.
Bo Yang, Fred C. Lee, Matthew Concannon, "Over Current Protection Methods for LLC Resonant Converter", IEEE APEC'03 Vol.2, pp. 605-609, 2003. 2.
K. H. Liu, F. C. Lee, "Topological constraints basic PWM converters", IEEE PESC, pp.164- 172, 1988.
Bo Yang, Fred C. Lee, Alpha J. Zhang, Guisong Huang, "LLC Resonant Converter for Front End DC/DC Conversion", IEEE APEC'02, Vol.2, pp. 1108-1112, 2002.3.
Jinrong Qian, Fred C. Lee, "Charge Pump Power-Factor-Correction Technologies Part I : Concept and Principle", IEEE Trans. on Power Electronics, Vol.15, No.1, January, 2000.
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