[논문]LC 병렬공진을 이용한 고효율 장수명 LED 구동회로 설계

이은수; 최보환; 천준필; 김봉철; 임춘택

doi:10.6113/tkpe.2013.18.4.397

LC 병렬공진을 이용한 고효율 장수명 LED 구동회로 설계
The Design of Long-life and High-efficiency Passive LED Drivers using LC Parallel Resonance 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.18 no.4, 2013년, pp.397 - 402

이은수 (Dept. of Nuclear and Quantum Eng., KAIST) , 최보환 (Dept. of Nuclear and Quantum Eng., KAIST) , 천준필 (Dept. of Nuclear and Quantum Eng., KAIST) , 김봉철 (Optomind Inc.) , 임춘택 (Dept. of Nuclear and Quantum Eng., KAIST)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a new passive type LED driver which satisfies the standard of power factor (PF) and total harmonic distortion (THD). The proposed passive LED driver also has high-efficiency and long-life time characteristics compared to active LED driver which is composed of op-amp, switches and so on. By using just passive components such as inductor, capacitor, and diode, it has resolved extremely short-life time and low-efficiency problems of previous LED drivers. It has achieved PF of 0.99, THD of 16.4 %, and the total efficiency of 95 %. The proposed passive LED driver is fully analyzed and verified by simulations and experiments, which results are in good agreement each other.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 기존의 SMPS 타입의 LED 구동회로가 가지는 효율 및 수명문제를 해결하기 위해 단순 수동소자만을 사용한 LED 구동회로를 제안하였다. LED 구동시 발생하는 고조파 성분을 효과적으로 차단하기 위해 고조파 필터회로의 LC병렬공진을 이용하였고, 브리지 다이오드의 회로변환을 이용하여 제안하는 LED 구동회로를 원하는 LED 전력, LED 전류, LED 개수로 동작하는 설계방법을 제안하였다.
본 논문에서는 이러한 기술적 문제를 극복하고자 수동소자만을 이용하여 고효율을 달성함과 동시에 반영구적으로 사용가능한 새로운 고효율 초장수명 수동형 LED 구동회로를 제안하였다. 제안하는 LED 구동회로는 20[W]급으로 40 [W]급 형광등을 대체할 수 있으며, 고조파 필터회로의 LC 병렬공진을 이용하여 역률 및 THD 규제 (IEC61000-3-2 class C Standard)를 만족하였다.

가설 설정

LED 전류는 75 [mA], LED 개수는 90개로 선정하였으며 식 (3)에서 제시된 α는 0.85로 가정하였다.
제안하는 LED 회로의 α값은 LED 동작범위 내에 0.84 〜 0.89 사이의 값을 가지며, 본 논문에서는 계산의 편의를 위해 0.85로 가정하였다[16].

제안 방법

본 논문에서는 기존의 SMPS 타입의 LED 구동회로가 가지는 효율 및 수명문제를 해결하기 위해 단순 수동소자만을 사용한 LED 구동회로를 제안하였다. LED 구동시 발생하는 고조파 성분을 효과적으로 차단하기 위해 고조파 필터회로의 LC병렬공진을 이용하였고, 브리지 다이오드의 회로변환을 이용하여 제안하는 LED 구동회로를 원하는 LED 전력, LED 전류, LED 개수로 동작하는 설계방법을 제안하였다. 이를 통해 제안하는 LED 구동회로는 역률기준을 만족함과 동시에 THD 기준도 만족함을 실험 및 시뮬레이션을 통해 입증하였다.
본 논문에서는 이러한 기술적 문제를 극복하고자 수동소자만을 이용하여 고효율을 달성함과 동시에 반영구적으로 사용가능한 새로운 고효율 초장수명 수동형 LED 구동회로를 제안하였다. 제안하는 LED 구동회로는 20[W]급으로 40 [W]급 형광등을 대체할 수 있으며, 고조파 필터회로의 LC 병렬공진을 이용하여 역률 및 THD 규제 (IEC61000-3-2 class C Standard)를 만족하였다.

대상 데이터

그림 1의 LED는 그림 2와 같이 이상적인 다이오드와 순방향 강하전압 V_d, 동적 저항 r_d로 모델링이 가능하다. LED는 제품마다 V_d, r_d이 다르며 제안된 LED 구동회로의 개발에 사용된 LED 소자는 LMT5252A1 LED이다. 하나의 LED에 인가되는 전압을 V_LED, LED에 흐르는 전류를 I_LED라 할 경우 V_LED-I_LED 특성곡선은 그림 3과 같이 비선형적인 특성을 보인다.
4배로 선정하였고 LED 전력을 구하는 식 (5)에서 제시된 Re는 식 (3)을 통해 계산이 가능하다. 그러므로 필터소자인 L₁, C₁, C₂는 제시된 식 (5), (8), (9)를 통해 그 조합들을 도출할 수 있으며 그 중 하나를 실험 및 시뮬레이션을 위해 표 1과 같이 제안하는 LED 구동회로의 수동소자값으로 선정하였다.
위 3가지 조건을 만족하는 LED 구동회로는 그림 1과 같다. 제안하는 LED 구동회로는 그림 1과 같이 인덕터 및 커패시터, 브리지 다이오드와 같은 수동소자로만 구성되어 있다. 그림 1의 LED는 그림 2와 같이 이상적인 다이오드와 순방향 강하전압 V_d, 동적 저항 r_d로 모델링이 가능하다.

데이터처리

LED 구동시 전원전류의 THD 규제를 만족하기 위해 각 해당 고조파는 일정 기준치 이하를 준수해야 한다. 이를 증명하기 위해 IEC61000-3-2 class C Standard의 규제조건을 기준으로 각 실험 및 시뮬레이션의 고조파크기를 표 2에 비교하였다.

이론/모형

LED의 동작에 따른 특성을 분석하기 위해 그림 8과 같이 PSIM(Power Simulation Tool)을 이용하여 시뮬레이션 회로도를 구성하였다. 이론적으로 설계한 파라미터를 시뮬레이션에 적용한 결과파형은 그림 9와 같다.

성능/효과

실험에서 사용한 LED는 실제적으로 전압-전류 특성이 지수함수적 특성을 가지나, 시뮬레이션에서 동작한 LED의 경우 이상적인 다이오드와 전압원, 일정한 크기를 갖는 동적저항을 가진다. 그러므로 입력전압이 증가함에 따라 시뮬레이션에 사용된 LED는 순간적으로 빠르게 동작하는 반면, 실험에서 사용된 LED는 지수함수적으로 서서히 동작하므로 실험의 THD 특성이 시뮬레이션의 THD 특성보다 더 좋은 결과를 가진다.
이론적으로 설계한 파라미터를 시뮬레이션에 적용한 결과파형은 그림 9와 같다. 시뮬레이션 결과, 제안하는 LED 구동회로의 역률은 0.98, THD는 18.6 [%]이며 입력전류 파형을 통해 전원전류 고조파 성분 중 가장 영향이 큰 3고조파와 5고조파는 LC 병렬공진으로 인해 대부분 제거된 것을 확인하였다.
시뮬레이션 및 실험의 비교 결과, 실험의 THD값이 시뮬레이션의 THD값보다 더 우수하게 나왔으며, 이는 LED의 전압-전류 특성을 모델링하여 분석하는 방법의 차이에서 나온 결과이다. 실험에서 사용한 LED는 실제적으로 전압-전류 특성이 지수함수적 특성을 가지나, 시뮬레이션에서 동작한 LED의 경우 이상적인 다이오드와 전압원, 일정한 크기를 갖는 동적저항을 가진다.
시뮬레이션 및 이론을 통해 도출된 파라미터를 이용하여 실험한 결과파형은 그림 11과 같다. 실험결과, 목표한 LED구동회로의 3가지 설계조건인 LED 전력, PF, THD는 각각 19.8 [W], 0.99, 16.4 [%]임을 확인하였다.
실험상 고조파의 크기 측정을 위해 WT1600 고조파 측정 장비를 이용하였으며 각 고조파별 크기는 THD 기준을 만족하는 것을 확인하였다. 실험 및 시뮬레이션을 통해 도출된 전원전력 P_s, LED 전력 P_L, 효율 η, PF, THD 결과값을 표 3에 정리하였다.
시뮬레이션 및 실험의 비교 결과, 실험의 THD값이 시뮬레이션의 THD값보다 더 우수하게 나왔으며, 이는 LED의 전압-전류 특성을 모델링하여 분석하는 방법의 차이에서 나온 결과이다. 실험에서 사용한 LED는 실제적으로 전압-전류 특성이 지수함수적 특성을 가지나, 시뮬레이션에서 동작한 LED의 경우 이상적인 다이오드와 전압원, 일정한 크기를 갖는 동적저항을 가진다. 그러므로 입력전압이 증가함에 따라 시뮬레이션에 사용된 LED는 순간적으로 빠르게 동작하는 반면, 실험에서 사용된 LED는 지수함수적으로 서서히 동작하므로 실험의 THD 특성이 시뮬레이션의 THD 특성보다 더 좋은 결과를 가진다.
LED 구동시 발생하는 고조파 성분을 효과적으로 차단하기 위해 고조파 필터회로의 LC병렬공진을 이용하였고, 브리지 다이오드의 회로변환을 이용하여 제안하는 LED 구동회로를 원하는 LED 전력, LED 전류, LED 개수로 동작하는 설계방법을 제안하였다. 이를 통해 제안하는 LED 구동회로는 역률기준을 만족함과 동시에 THD 기준도 만족함을 실험 및 시뮬레이션을 통해 입증하였다. 제안하는 LED 구동회로가 기존의 SMPS타입 LED 구동회로를 대체하여 조명시장에 널리 사용될 경우 조명 분야의 경제적인 이득뿐만 아니라 반영구적인 수명특성을 이용하여 사용자의 편의를 증가시킬 것이다.

후속연구

이를 통해 제안하는 LED 구동회로는 역률기준을 만족함과 동시에 THD 기준도 만족함을 실험 및 시뮬레이션을 통해 입증하였다. 제안하는 LED 구동회로가 기존의 SMPS타입 LED 구동회로를 대체하여 조명시장에 널리 사용될 경우 조명 분야의 경제적인 이득뿐만 아니라 반영구적인 수명특성을 이용하여 사용자의 편의를 증가시킬 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	능동형(Switch-Mode Power Supply : SMPS)의 구동회로를 사용했을 때 단점은?	LED를 상용교류전원에서 구동하기 위한 한가지 방법은 반도체 스위치, 증폭기 등의 능동소자를 이용하여 LED에 정전류 혹은 정전압을 공급하는 능동형(Switch-Mode Power Supply : SMPS)의 구동회로[4]-[12]를 사용하는 것이며, 이는 입력전압의 변동에도 LED에 안정적인 전류, 전압 공급을 가능하게 하는 특징을 가진다. 하지만 SMPS 방식의 구동회로는 내부의 능동소자로 인해 짧은 수명, 스위칭 손실, 고가격의 단점을 가진다. 특히 약 15,000시간의 SMPS 방식 LED 구동회로의 평균 수명은 일반적으로 50,000시간 이상의 평균수명을 가지는 LED에 비해 현저히 짧다[13]. 통상 LED 조명기구는 LED 와 구동회로가 결합되어 있기에 LED 조명기구의 교체주기는 구동회로의 짧은 수명에 의해 좌우되며, 이는 불필요한 교체 비용과 인력의 낭비를 가져온다.
	최근 우리나라는 전기에너지 부족문제를 해결하기 위해 어떤 기술에 주목하는가?	최근 우리나라는 전기에너지 부족문제를 해결하기 위해 신재생에너지, 스마트 그리드와 같은 그린에너지 기술에 주목하고 있다. 특히 우리나라 전체 전력사용량의 20 [%]를 차지하는 조명분야에서는 기존의 형광등을 LED로 교체하기 위해 다양한 LED 구동회로를 개발중에 있다[1]-[3].
	우리나라 전체 전력사용량 중에서 조명분야에 사용되는 전력사용량은 몇 % 인가?	최근 우리나라는 전기에너지 부족문제를 해결하기 위해 신재생에너지, 스마트 그리드와 같은 그린에너지 기술에 주목하고 있다. 특히 우리나라 전체 전력사용량의 20 [%]를 차지하는 조명분야에서는 기존의 형광등을 LED로 교체하기 위해 다양한 LED 구동회로를 개발중에 있다[1]-[3]. LED를 상용교류전원에서 구동하기 위한 한가지 방법은 반도체 스위치, 증폭기 등의 능동소자를 이용하여 LED에 정전류 혹은 정전압을 공급하는 능동형(Switch-Mode Power Supply : SMPS)의 구동회로[4]-[12]를 사용하는 것이며, 이는 입력전압의 변동에도 LED에 안정적인 전류, 전압 공급을 가능하게 하는 특징을 가진다.

참고문헌 (16)

J. R. Won, S. W. Hwang, J. H. Kim, and B. H. Lee, "Distribution analysis of high efficient lighting equipments using diffusion model," 2006 fall KIEE Conference, pp. 213-215, 2006.
W. J. B. Heffernan and L. P. Frater, "LED replacement for fluorescent tube lighting," Power Engineering Conference, pp. 1-6, 2007.
Tsunemasa Taguchi, "Present status of energy saving technologies and future prospect in white LED lighting," Transactions on Electrical and Electronic Engineering, Vol. 3, pp. 21-26, Jan. 2008.

상세보기
Yang Lu, Dariusz Czarkowski, and Wieslaw E. Bury, "High efficiency adaptive boost converter for LED drivers," Compatibility and Power Electronics (CPE), 2011 7th International Conference-Workshop, pp. 315-318.
Qingcong Hu and Regan Zane, "New design of integrated power and integrated driver with LED module (IP-IDLM) driving system for LED backlight in LCD," Power Electronics, IEEE Transactions on, Vol. 25, pp. 574-582, Mar. 2010.

상세보기
J. H. Park and H. D. Yoon, "LED driver with self-optimized channel voltage: A switch-mode voltage regulator optimizes an active current regulator for a LED driver," SoC Design Conference (ISOCC), 2009 International, pp. 516-519, 2009.
Kening Zhou, Jian Guo Zhang, Subbaraya Yuvarajan, and Da Feng Weng, "Quasi-Active power factor correction circuit for HB LED driver," Power Electronics, IEEE Transactions on, pp. 1410-1415, May 2008.
B. C. Kim, E. S. Jeon, and C. Kim, "LED Lighting System Switched-Mode Power Supply," Engineering and Technology (S-CET), 2012 Spring Congress on, pp. 1-3.
J. M. Kang, S. H. Cho, S. S. Hong, S. K. Han, and S. C. Sakong, "High efficiency switch-mode LED driver for visible light communication system," Journal of KIPE conference, pp. 358-365, Aug. 2011.
Sungeun Lee, "LED Driving Circuit", Korea Patent No. 1020060100804, Aug. 2009.
Georg Sauerlaender, U.S Patent No. 8,217,587 B2, July 2012.
Pedro De Smit, U.S Patent No. 2011/0115403 A1, May 2011.
J. Cardesin and J. Ribas, "LED permanent emergency lighting system based on a single magnetic component," IEEE Trans. Power Electron., Vol. 24, No. 5, pp. 1409-1416, May 2009.

상세보기
B. H. Lee, H. J. Kim, B. C. Kim, and C. T. Rim, "The development of low-cost AC power LED driver using capacitor," 2010 summer KIPE conference, pp. 426-427, 2010.
C. B. Park, S. W. Lee, G. H. Cho, and C. T. Rim, "Static and dynamic analyses of three-phase rectifier with LC input filter by laplace phasor transformation," Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), pp. 1570-1577.
E. S. Lee, B. H. Choi, B. C. Kim, and C. T. Rim, "The design of long-life and high-efficiency passive LED drivers using LC parallel resonance," 2012 fall KIPE conference, pp. 426-427, 2012.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증