본 논문은 고효율의 조명용 LED 구동회로를 위해 LLC 공진형 컨버터를 이용한 2단 구성의 LED 구동회로를 제안한다. 기존의 3단 구성의 LED 구동회로는 LED의 휘도 및 제어를 위해 별도의 비절연형 DC/DC 컨버터를 사용하여 낮은 효율의 문제점을 지니고 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 제안된 회로는 비절연형 DC/DC 컨버터 단 없이 PFC단과 LLC단으로 총 2개의 단으로 구성하였다. LLC단에서 절연과 LED의 제어 및 휘도 조절 기능이 가능하여 90% 이상의 고효율 동작을 보장한다. 본 논문에서는 제안회로의 동작원리를 설명하고, 모의실험 및 45W급 LED 구동회로를 제작하여 하드웨어실험을 통해 제안회로의 유용성을 검증하였다.
본 논문은 고효율의 조명용 LED 구동회로를 위해 LLC 공진형 컨버터를 이용한 2단 구성의 LED 구동회로를 제안한다. 기존의 3단 구성의 LED 구동회로는 LED의 휘도 및 제어를 위해 별도의 비절연형 DC/DC 컨버터를 사용하여 낮은 효율의 문제점을 지니고 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 제안된 회로는 비절연형 DC/DC 컨버터 단 없이 PFC단과 LLC단으로 총 2개의 단으로 구성하였다. LLC단에서 절연과 LED의 제어 및 휘도 조절 기능이 가능하여 90% 이상의 고효율 동작을 보장한다. 본 논문에서는 제안회로의 동작원리를 설명하고, 모의실험 및 45W급 LED 구동회로를 제작하여 하드웨어실험을 통해 제안회로의 유용성을 검증하였다.
This paper presents the Two-stage LED Driving system using LLC resonant converter for LED lighting application. Due to the existence of the nonisolation DC/DC converter to control the LED current and the light intensity, the conventional three-stage LED Driving system has the problem of low power co...
This paper presents the Two-stage LED Driving system using LLC resonant converter for LED lighting application. Due to the existence of the nonisolation DC/DC converter to control the LED current and the light intensity, the conventional three-stage LED Driving system has the problem of low power conversion efficiency. To solve this problem, a novel scheme without any nonisolation DC/DC converter is proposed, in which, the isolated DC/DC converter, e.g., LLC resonant converter in the paper, can perform the LED current control and stage, e.g., PFC stage and LLC stage, the efficiency can be significantly improved. Moreover, the cost and the volume of the whole LED driving system can be reduced compared to those of the conventional ones. The operational principle and the characteristics of the proposed scheme are presented. The proposed scheme is verified experimentally with a 45W output prototype LED driver.
This paper presents the Two-stage LED Driving system using LLC resonant converter for LED lighting application. Due to the existence of the nonisolation DC/DC converter to control the LED current and the light intensity, the conventional three-stage LED Driving system has the problem of low power conversion efficiency. To solve this problem, a novel scheme without any nonisolation DC/DC converter is proposed, in which, the isolated DC/DC converter, e.g., LLC resonant converter in the paper, can perform the LED current control and stage, e.g., PFC stage and LLC stage, the efficiency can be significantly improved. Moreover, the cost and the volume of the whole LED driving system can be reduced compared to those of the conventional ones. The operational principle and the characteristics of the proposed scheme are presented. The proposed scheme is verified experimentally with a 45W output prototype LED driver.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 논문에서는 고효율 LED 구동회로를 위해 2단 구성의 LLC 공진형 LED 구동회로를 제안하였다. 기존의 LED 구동회로는 휘도조절과 정전류 제어를 위한 비절연형 DC/DC 컨버터의 사용으로 90% 이상의 고효율 동작을 보장할 수 없었다.
이에 본 논문에서는 90% 이상의 고효율을 달성하기 위해 비절연형 DC/DC 컨버터단이 필요 없는 2단 구성의 LED 구동회로를 제안한다. 제안된 회로는 PFC단과 LLC 컨버터단으로 구성되어 있다.
이에 본 논문에서는 LED 램프의 휘도 조절을 위해 PWM Dimming 신호 ON시 기존 소프트 스타트 명령 제어를 사용하지 않고 제어기의 빠른 응답특성을 이용한 전류 명령 제어를 채용하여 과전압·과전류가 없으며 소프트 스위칭이 가능하도록 하였다.
이에 본 논문에서는 비절연형 DC/DC 컨버터단이 없는 새로운 LED 구동회로 구조를 제안한다.
가설 설정
이에 본 논문에서는 LED 램프의 휘도 조절을 위해 PWM Dimming 신호 ON시 기존 소프트 스타트 명령 제어를 사용하지 않고 제어기의 빠른 응답특성을 이용한 전류 명령 제어를 채용하여 과전압·과전류가 없으며 소프트 스위칭이 가능하도록 하였다. PWM Dimming 신호시 그림 7(b)와 같이 전류명령을 인가함으로써 LED 전류는 소프트 스타트 명령을 이용하는 경우에 비해 보다 더 빠르게 정상 상태주파수에 도달 할 수 있다. 이에 따라, 기존의 소프트 스타트 명령 제어를 사용하였을 때 생겼던 1차측 스위치의 하드 스위칭 문제를 개선할 수 있다.
제안 방법
50Hz∼60Hz의 AC 상용전원의 고조파 규제를 만족하기 위해서 역률 개선회로(Power Factor Correction: PFC)를 사용하고, 안전규격을 만족하기 위해 절연형 DC-DC컨버터(Isolation DC-DC Converter)를 사용하며 최종 출력단은 LED 부하의 구동을 위한 전류제어의 강압 초퍼 회로(Buck Converter), 승압 초퍼 회로 (Boost Converter) 승 강압 초퍼 회로 (Buck-Boost Converter)를 사용하였다.
그림 9는 표1과 같은 조건하에서 수행된 제안회로의 모의실험 주요파형을 보여준다. PWM Dimming 신호가 ON이 되면 LLC 컨버터단의 스위칭 동작이 이루지게 되며 LED 램프의 전류가 전류 명령치(Vref)를 추종하게 되는 결과를 검증하였다.
본 논문에서 제안된 회로는 LED의 Tolerance를 고려한 14∼36개의 LED 직렬연결 시 원할한 동작을 보장한다.
제안회로는 절연형 DC/DC 컨버터(Isolation DC-DC Converter)와 LED 램프에 정전류 공급 및 휘도 조절을 위한 구동회로(Nonisolation DC-DC Converter)를 하나의 단으로 구성하며, 역률 개선을 위한 회로(Power Factor Correction: PFC)를 사용하는 2단 PWM Dimming LED 구동회로이다. 비절연형 DC/DC 단 없이 절연형 DC/DC 단에서 LED 램프에 안정적으로 정전류를 공급하며, PWM Dimming을 이용하여 LED 램프의 원하는 휘도를 조절한다.
앞서 설명한 LLC 공진형 조명용 LED 구동회로의 동작원리의 타당성을 검증하기 위해 표1의 조건하에서 모의실험을 수행하였다.
기존의 LED 구동회로는 휘도조절과 정전류 제어를 위한 비절연형 DC/DC 컨버터의 사용으로 90% 이상의 고효율 동작을 보장할 수 없었다. 이에 제안회로는 별도의 비절연형 DC/DC 컨버터 없이 LLC 컨버터에서 절연과 LED의 정전류 공급 및 휘도조절을 모두 수행할 수 있도록 하였다. 모의실험을 통해 본 논문에서 제안한 회로의 동작을 검증 하였으며 45W급 시제품을 제작하여 하드웨어 실험을 수행하였으며 45W 기준 90.
이에 본 논문에서는 90% 이상의 고효율을 달성하기 위해 비절연형 DC/DC 컨버터단이 필요 없는 2단 구성의 LED 구동회로를 제안한다. 제안된 회로는 PFC단과 LLC 컨버터단으로 구성되어 있다. PFC단은 25W이상 조명기기의 고조파규제 만족을 위한 역률보정(IEC 61000-3-2 Class C)을 담당하며, LLC 컨버터단은 1, 2차 측의 절연과 2차측 LED에 정전류를 공급 하고 LED의 휘도조절 기능을 제공한다.
PFM Controller는 Enable High일때 스위치 게이트신호는 차단된다. 제안된 회로는 PWM의 ON/OFF 신호에 따라 총 4개의 동작모드를 갖는다.
표 2는 구현된 LED 구동회로의 소자 선정 및 파라미터이며, 그림 11은 PWM Dimming 동작시 제안된 회로의 LED 출력과 전류를 나타내는 실험 결과파형이다. 제안회로는 앞서 설명한 동작모드 해석과 같이 하드웨어 실험시 동일한 출력 전류, 전압 파형을 얻었다. PWM Dimming의 스위칭 주파수는 150Hz이며, 20% Dimming과 80% Dimming 시의 동작파형이 그림 11 (a), (b)에 각각 나타나있다.
제안회로는 절연형 DC/DC 컨버터(Isolation DC-DC Converter)와 LED 램프에 정전류 공급 및 휘도 조절을 위한 구동회로(Nonisolation DC-DC Converter)를 하나의 단으로 구성하며, 역률 개선을 위한 회로(Power Factor Correction: PFC)를 사용하는 2단 PWM Dimming LED 구동회로이다. 비절연형 DC/DC 단 없이 절연형 DC/DC 단에서 LED 램프에 안정적으로 정전류를 공급하며, PWM Dimming을 이용하여 LED 램프의 원하는 휘도를 조절한다.
휘도제어를 위해서 LED 램프의 인가 이 문턱 전압 이상이면 전류가 흐르기 시작하여 빛이 발생하고 문턱 전압 이하이면 빛이 발생하지 않는 원리를 이용하였다. PWM Dimming ON 명령시 PFM controller의 Enable 신호가 인가되어 LLC 컨버터는 정전류 제어를 수행한다.
성능/효과
(b)의 LED에 흐르는 전류 파형을 통해 알 수 있듯이 LED의 직렬연결 개수가 14∼36개로 광범위하게 변하여도 LED에 흐르는 전류를 350mA로 전류 제어가 가능함을 알 수 있다.
제안 회로의 효율을 측정한 데이터는 그림 13과 같다. 264 [Vrms]의 입력조건에서 36개의 LED 직렬연결 시 출력파워(Output Power)는 45W로 90.6%의 효율을 보였고, 14개의 LED 직렬연결 시 출력파워는 17W로 84.7%의 효율을 보였다. 기존의 3단 구성에서는 90% 이상의 고효율을 확보하기 매우 어려웠지만 제안회로에서는 45W 기준 약 90.
PWM Dimming의 스위칭 주파수는 150Hz이며, 20% Dimming과 80% Dimming 시의 동작파형이 그림 11 (a), (b)에 각각 나타나있다. PWM Dimming ON/OFF 동작시 LED의 전류와 전압이 오버슈트(Overshoot)없는 우수한 제어특성을 보였다.
6%의 고효율 동작을 입증하였다. 그리고 LED의 직렬연결 개수가 광범위하게 변하는 경우에도 고효율 동작을 보장하면서 LED의 정전류 제어가 가능함을 보였다. 제안회로는 비절연형 DC/DC 컨버터단이 필요가 없기 때문에 기존회로에 비해 원가 저감이 가능하며, 90% 이상의 고효율 동작을 요구하는 LED 구동회로에 적합할 것으로 생각된다.
7%의 효율을 보였다. 기존의 3단 구성에서는 90% 이상의 고효율을 확보하기 매우 어려웠지만 제안회로에서는 45W 기준 약 90.6%로 90% 이상의 고효율이 가능함을 증명 하였다.
이에 따라 출력측으로 전력을 전달하지 않게 되고 출력(VLED)은 감소하며, LED 램프의 문턱 이하가 되면 LED는 OFF가 되어 전류는 흐르지 않게 된다. 따라서 본 논문에서 제안하는 2단 구성의 LED 구동회로는 별도의 비절연 DC/DC 단 없이 정전류 제어 및 휘도 제어가 동시에 가능한 구조이다.
이에 제안회로는 별도의 비절연형 DC/DC 컨버터 없이 LLC 컨버터에서 절연과 LED의 정전류 공급 및 휘도조절을 모두 수행할 수 있도록 하였다. 모의실험을 통해 본 논문에서 제안한 회로의 동작을 검증 하였으며 45W급 시제품을 제작하여 하드웨어 실험을 수행하였으며 45W 기준 90.6%의 고효율 동작을 입증하였다. 그리고 LED의 직렬연결 개수가 광범위하게 변하는 경우에도 고효율 동작을 보장하면서 LED의 정전류 제어가 가능함을 보였다.
그리고 LED의 직렬연결 개수가 광범위하게 변하는 경우에도 고효율 동작을 보장하면서 LED의 정전류 제어가 가능함을 보였다. 제안회로는 비절연형 DC/DC 컨버터단이 필요가 없기 때문에 기존회로에 비해 원가 저감이 가능하며, 90% 이상의 고효율 동작을 요구하는 LED 구동회로에 적합할 것으로 생각된다.
그림 3(a)는 제안회로의 개념도를 나타낸 그림이다. 제안회로는 조명에서 필요한 기본 사양인 AC 상용 전원을 사용하고, 고조파 규제 만족을 위한 역률 보정 기능이 있고, 안전 규격을 만족하기 위해서 전기적 절연이 가능하며, 휘도 조절을 할 수 있는 PWM Dimming이 가능하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LED의 장점은?
최근의 조명업체들은 친환경적이고 장수명, 높은 전력변환효율을 지닌 차세대 광원인 LED를 위한 Driver (LED 구동회로)의 조건으로 90% 이상의 고효율을 요구하고 있다. 하지만 기존회로는 역률만족을 위한 PFC 단, 안전을 위한 절연형 DC/DC 단, LED의 제어와 휘도 조절을 위한 Buck, Boost 타입의 비절연형 DC/DC 단으로 크게 3개의 단으로 구성되어 90% 이상의 고효율을 달성할 수 없었다.
기존의 3단 구성의 LED 구동회로의 문제점은?
본 논문은 고효율의 조명용 LED 구동회로를 위해 LLC 공진형 컨버터를 이용한 2단 구성의 LED 구동회로를 제안한다. 기존의 3단 구성의 LED 구동회로는 LED의 휘도 및 제어를 위해 별도의 비절연형 DC/DC 컨버터를 사용하여 낮은 효율의 문제점을 지니고 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 제안된 회로는 비절연형 DC/DC 컨버터 단 없이 PFC단과 LLC단으로 총 2개의 단으로 구성하였다.
PFC단과 LLC 컨버터단의 기능은?
제안된 회로는 PFC단과 LLC 컨버터단으로 구성되어 있다. PFC단은 25W이상 조명기기의 고조파규제 만족을 위한 역률보정(IEC 61000-3-2 Class C)을 담당하며, LLC 컨버터단은 1, 2차 측의 절연과 2차측 LED에 정전류를 공급 하고 LED의 휘도조절 기능을 제공한다.
참고문헌 (6)
박규민, 이광일 외, "전압 스트레스 저감을 위한 새로운 조명용 LED 조명 회로", 전력전자학회 논문지, 제14권 제3호, pp. 243-250, 2009. 6.
JACOBS, Ronny "Flyback converter as LED Driver", International patent application, WO 01/05193 A1
B. Yang, F.C. Lee, A.J. Zhang, G. Huang, "LLC resonant converter for front end DC/DC conversion", in IEEE-APEC 2002, pp. 1108-1112, 2002
Bing Lu, Wenduo Liu, Yan Liang, Fred C. Lee, Jacobus D. van Wyk, "Optimal Design Methodology for LLC Resonant Converter", in IEEE-APEC 2006, pp. 533-538, 2006.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.