[논문]TRIAC위상 제어 조광기에서의 LED구동을 위한 Single-Stage 준 공진형 PSR(Primary Side Regulation) PWM 컨버터

한재현; 임영철; 정영국

doi:10.5207/jieie.2013.27.2.084

TRIAC위상 제어 조광기에서의 LED구동을 위한 Single-Stage 준 공진형 PSR(Primary Side Regulation) PWM 컨버터
Single-Stage Quasi Resonant Type PSR(Primary Side Regulation) PWM Converter for the LED Drive in TRIAC Phase Controlled Dimmer 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.27 no.2, 2013년, pp.84 - 94

한재현 (LG이노텍) , 임영철 (전남대학교 전기공학과) , 정영국 (대불대학교 융합기술학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In case when the existing TRIAC phase controlled dimmer is drove for the LED lighting equipments, there are many problems such as the LED flicker in low phase-angles, the acoustic noise and elements damage by increase of the peak voltage in the input filter capacitor, mulfunction by insufficiency of the TRIAC holding current, and the abnormal oscillation by LC resonant. In this paper, we proposes the single-stage quasi-resonant PSR(Primary Side Regulation) PWM converter, and the design, the simulation and experiment are performed. As a result, it could confirm that the proposed PWM converter is the lighting equipments for LED drive which can alternate the existing 60W class incandescent bulbs and it has the high drive performance of the efficiency 80% and over, the power factor 0.95 and over under the normal voltage 220V. Finally, total harmonic distortion(THD) is gratified with a standard[1] of the lighting equipments and the durability is evaluated as the high reliablilty of 150,000 hours and over.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 기 설치되어 있는 TRIAC 위상제어 조광기로 LED조명장치를 구동할 경우 발생되는 여러 문제점 및 원인을 고찰하고 이를 개선할 수 있는 Single-Stage 준 공진형 PSR방식 PWM 컨버터를 설계하고 고찰하였다. 제안된 방식의 컨버터는 고가의 디지털 방식과 복잡한 능동댐퍼 방식을 사용하지 않으므로, 콤팩트한 구성을 할 수 있다.
본 연구에서 TRIAC 위상제어 조광기에 LED구동을 위한 Single-Stage 준 공진형 PSR PWM 컨버터를 제안하였다. 제안한 PSR방식은 종전의 절연(Isolation)형 컨버터에서 사용하는 변압기의 2차측 피드백이 없이, 1차 측의 변압기 신호만을 이용하는 1차측 피드백 제어을 사용하고 있다.

가설 설정

1) DIAC 초기 턴 온 전류인 점호(Firing) 전류(50～150mA)의 만족이다. 만약 초기 점호 전류를 만족하지 못할 경우, 입력 파형의 위상제어가 불가능해져 위상제어가 안된 순수한 사인파를 그대로 출력하게 된다[9].

제안 방법

LED조명장치의 수명 평가를 위해, 전자제품에서 사용시간에 가장 영향을 많이 주는 부품인 전해 콘덴서의 수명을 계산하여 제안된 방법의 신뢰성을 검토하였다. 일반적으로 전해 콘덴서는 황산재질의 전해액을 사용하는데, 사용 조건의 자연적인 증발과 고온에 의한 증발 촉진으로 인하여 수명이 감쇠되며 설계 단계에서 수명과 관련하여 적용 시 주의를 요한다.
그림 4에서 보는 바와 같이 AC 입력 단에 연결된 TRIAC 위상 조광기는 내부의 R1, R2 및 C1으로 형성되는 R-C네트워크에 의해 DIAC과 TRIAC의 온 타임을 조정하여 위상각을 제어할 수 있다. TRIAC 위상 조광기의 호환성을 높이기 위하여 입력단 댐퍼 부와 부 궤환 부를 추가하였다. 이는 TRIAC 위상 조광기로 하여금 저항부하의 임피던스 특성을 크게 하여 순간적인 피크전류를 억제하는 효과도 가져온다.
그림 11은 실험을 위하여 제작된 제안된 컨버터를 나타내고 있다. 기존 60W급 백열 전구를 대체할 수 있는 12W급 LED벌브 구동용 컨버터로서 크기를 최소화하였으며, 입출력 커넥터는 와이어 타입으로 공용으로 사용하기 쉬운 구조로 설계하였다.
이는 TRIAC 위상 조광기로 하여금 저항부하의 임피던스 특성을 크게 하여 순간적인 피크전류를 억제하는 효과도 가져온다. 또한 노이즈 제거를 위한 EMI 필터단과 브리지 정류단 그리고 변압기를 포함한 스위칭 블록부, PSR방식 PWM 컨버터로 구성하였다.
제안된 방식은 회로 시뮬레이션뿐만 아니라 실제 제작을 하였으며, 국내외 대표적 TRIAC조광기(진흥전자, SR산전등) 500-1,000W급 8종 시험을 통해 위상 제어 조광기의 조정 각에 따른 광 출력의 선형성을 확인하였다. 또한 LED 조명장치에 적용할 경우 발생될 수 있는 문제점들을 해결함으로써 제안된 방식의 호환성과 효율성을 입증하였다.
이 방법은 신호 절연용 부품을 사용하지 않기 때문에 공간적인 절약에 있어 매우 유용하며 따라서 소형 컨버터에 적합하다[6]. 제안된 방식의 제어 기법은 PSR방식의 토폴로지에 관한 TRIAC위상제어 조광기의 호환성을 높이기 위해, 입력단 댐퍼(Damper)부와 부 궤환(Negative feedback)회로를 적용하였다. 또한 조광기의 위상각을 검출하여 제어기를 제어하는 고가의 디지털 방식과 복잡한 회로의 능동댐퍼(Active damper)방식을 사용하지 않으므로, 부품 수를 최소화 할 수 있어 상업적 현실성을 높였다.
변압기의 1차측과 2차측의 절연에 의해 LED광원과 방열판 역시 절연형으로 하였다. 제안된 컨버터는 변압기 1차측 회로에서 펄스 신호를 만든 후, 2차측 회로로 강압된 신호를 전달함으로서 LED의 전원공급기의 역할을 한다. 이 때 펄스 신호는 입력교류 전압을 소 신호로 처리한 후, 외부 스위칭 소자인 MOSFET의 소스단 전압과 비교하여 턴 온 시간을 결정한다.
본 연구에서 TRIAC 위상제어 조광기에 LED구동을 위한 Single-Stage 준 공진형 PSR PWM 컨버터를 제안하였다. 제안한 PSR방식은 종전의 절연(Isolation)형 컨버터에서 사용하는 변압기의 2차측 피드백이 없이, 1차 측의 변압기 신호만을 이용하는 1차측 피드백 제어을 사용하고 있다. 이 방법은 신호 절연용 부품을 사용하지 않기 때문에 공간적인 절약에 있어 매우 유용하며 따라서 소형 컨버터에 적합하다[6].

대상 데이터

9이상, THD 20%이하를 만족하였다. 또한 수명평가를 통해 15만 시간 이상의 장 수명 제품을 입증하였다.
제안된 컨버터의 출력 전해 커패시터로 Lr=10,000hr, 105℃, 1.33Arms 맥동 전류의 허용 부품을 사용하였다.

이론/모형

일반적으로 전해 콘덴서는 황산재질의 전해액을 사용하는데, 사용 조건의 자연적인 증발과 고온에 의한 증발 촉진으로 인하여 수명이 감쇠되며 설계 단계에서 수명과 관련하여 적용 시 주의를 요한다. 수명 예측은 콘덴서의 노후화에 의한 컨버터의 기능상실 조건을 80% 판단하고 초기 값 대비 20% 열화손실 시간을 예측하는 식 (8)의 아레니우스 이론(Arrhenius theory)을 적용하였다.
효과적인 스위칭 타임과 효율 극대화를 위하여 제안된 방법은 Quasi-resonant구동[13]을 하며, 그림 7에 있는 3가지 동작 모드로 구동된다.

성능/효과

제안된 컨버터의 전기특성 시험을 하였으며, 그 결과를 그림 13에 나타내었다. 그림 13 (a)와 같이 입출력 특성 측정 결과 상용 전원 220V기준에서 효율 82.2%, 역률 0.96의 높은 구동 성능을 가진다는 것을 알 수 있다. 전기용품 안전기준[K61000-3-2][1]에 의한 총고조파 왜형률(THD)의 한계 값은 고조파 차수에 따라 제한되며, 3고조파는 역률×30%, 5고조파는 10%, 7고조파 7% 이하여야 한다.
1) 매우 낮은 위상 도통각에서 LED 플리커 발생

교류 제로 크로싱 중에 TRIAC은 오프 상태이므로 일반 AC/DC 컨버터가 셧 다운될 수 있어서 LED 부하를 구동할 수 없다.
2) DIAC 턴 온 조건하에서 TRIAC 턴 온 전류인 래치(Latch)전류의 조건 만족이다. 조건이 만족되지 않을 경우 입력 파형의 위상제어가 불가능해져 순수한 사인파를 출력하게 된다.
제안된 방식은 회로 시뮬레이션뿐만 아니라 실제 제작을 하였으며, 국내외 대표적 TRIAC조광기(진흥전자, SR산전등) 500-1,000W급 8종 시험을 통해 위상 제어 조광기의 조정 각에 따른 광 출력의 선형성을 확인하였다. 또한 LED 조명장치에 적용할 경우 발생될 수 있는 문제점들을 해결함으로써 제안된 방식의 호환성과 효율성을 입증하였다.
제안된 방식의 제어 기법은 PSR방식의 토폴로지에 관한 TRIAC위상제어 조광기의 호환성을 높이기 위해, 입력단 댐퍼(Damper)부와 부 궤환(Negative feedback)회로를 적용하였다. 또한 조광기의 위상각을 검출하여 제어기를 제어하는 고가의 디지털 방식과 복잡한 회로의 능동댐퍼(Active damper)방식을 사용하지 않으므로, 부품 수를 최소화 할 수 있어 상업적 현실성을 높였다.
제안된 방식의 컨버터는 고가의 디지털 방식과 복잡한 능동댐퍼 방식을 사용하지 않으므로, 콤팩트한 구성을 할 수 있다. 또한 회로 시뮬레이션 및 실험을 통하여 TRIAC조광기의 위상제어 조건의 최대값(100%)과 최소값(10%)에서의 안정적인 구동특성을 확인하였다. 제작된 컨버터의 전기적인 특성을 측정한 결과, 국내외 LED구동형 조명장치의 공통적인 요구사항인 효율 80%이상, 역률 0.
그림 12는 제안된 컨버터의 입력전압 및 전류의 실험 결과를 나타낸다. 부궤환 회로(Negative feedback circuit)를 가진 컨버터에서의 TRIAC 조광기 100%, 50%, 10% 위상제어 조건에서 입력 전압 및 전류 파형은 그림 10의 시뮬레이션 결과와 거의 일치함을 알 수 있다.
사용된 댐퍼 저항은 약 수십Ω에서 수백Ω정도이며, 만약 스위칭 소자를 추가하여 능동 방식으로 한다면 저항 값에 따라서 약 2∼5%정도의 효율 상승을 기대할 수 있다.
본 논문에서는 기 설치되어 있는 TRIAC 위상제어 조광기로 LED조명장치를 구동할 경우 발생되는 여러 문제점 및 원인을 고찰하고 이를 개선할 수 있는 Single-Stage 준 공진형 PSR방식 PWM 컨버터를 설계하고 고찰하였다. 제안된 방식의 컨버터는 고가의 디지털 방식과 복잡한 능동댐퍼 방식을 사용하지 않으므로, 콤팩트한 구성을 할 수 있다. 또한 회로 시뮬레이션 및 실험을 통하여 TRIAC조광기의 위상제어 조건의 최대값(100%)과 최소값(10%)에서의 안정적인 구동특성을 확인하였다.
또한 회로 시뮬레이션 및 실험을 통하여 TRIAC조광기의 위상제어 조건의 최대값(100%)과 최소값(10%)에서의 안정적인 구동특성을 확인하였다. 제작된 컨버터의 전기적인 특성을 측정한 결과, 국내외 LED구동형 조명장치의 공통적인 요구사항인 효율 80%이상, 역률 0.9이상, THD 20%이하를 만족하였다. 또한 수명평가를 통해 15만 시간 이상의 장 수명 제품을 입증하였다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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