Recently, the LED(Light Emitting Diode) is expected to replace conventional lamps including incandescent, halogen and fluorescent lamps for some general illumination application, due to some obvious features such as high luminous efficiency, safety, long life, environment-friendly characteristics an...
Recently, the LED(Light Emitting Diode) is expected to replace conventional lamps including incandescent, halogen and fluorescent lamps for some general illumination application, due to some obvious features such as high luminous efficiency, safety, long life, environment-friendly characteristics and so on. To drive the LED, a single stage PFC(Power Factor Correction) flyback converter has been adopted to satisfy the isolation, PFC and low cost. The conventional flyback LED driver has the serious disadvantage of high 120Hz output current ripple caused by the PFC operation. To overcome this drawback, a new PFC flyback with low 120Hz output current ripple is proposed in this paper. It is composed of 2 power stages, the DCM(Discontinuous Conduction Mode) flyback converter for PFC and BCM(Boundary Conduction Mode) boost converter for tightly regulated LED current. Since the link capacitor is located in the secondary side, its voltage stress is small. Moreover, since the driver is composed of 2 power stages, small output filter and link capacitor can be used. Especially, since the flyback is operated at DCM, the PFC can be automatically obtained and thus, an additional PFC IC is not necessary. Therefore, only one control IC for BCM boost converter is required. To confirm the validity of the proposed converter, theoretical analysis and experimental results from a prototype of 24W LED driver are presented.
Recently, the LED(Light Emitting Diode) is expected to replace conventional lamps including incandescent, halogen and fluorescent lamps for some general illumination application, due to some obvious features such as high luminous efficiency, safety, long life, environment-friendly characteristics and so on. To drive the LED, a single stage PFC(Power Factor Correction) flyback converter has been adopted to satisfy the isolation, PFC and low cost. The conventional flyback LED driver has the serious disadvantage of high 120Hz output current ripple caused by the PFC operation. To overcome this drawback, a new PFC flyback with low 120Hz output current ripple is proposed in this paper. It is composed of 2 power stages, the DCM(Discontinuous Conduction Mode) flyback converter for PFC and BCM(Boundary Conduction Mode) boost converter for tightly regulated LED current. Since the link capacitor is located in the secondary side, its voltage stress is small. Moreover, since the driver is composed of 2 power stages, small output filter and link capacitor can be used. Especially, since the flyback is operated at DCM, the PFC can be automatically obtained and thus, an additional PFC IC is not necessary. Therefore, only one control IC for BCM boost converter is required. To confirm the validity of the proposed converter, theoretical analysis and experimental results from a prototype of 24W LED driver are presented.
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문제 정의
또한, 기존 single-stage switch-integrated flyback LED 구동회로의 경우 스위치의 전류 스트레스 및 도통 손실이 매우 심각하고 부하 및 입력전압에 따른 링크 캐패시터의 전압 스트레스가 과도해 질 수 있기 때문에 상용 캐패시터의 선정에 매우 큰 어려움이 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 역률개선 및 120Hz 저주파 출력 전류 리플 저감이 가능한 LED 구동회로를 제안하였다. 제안된 회로는 PFC 플라이백 컨버터와 부스트 컨버터가 직렬 결합되어 있는 구조로서 기존 2단 전력단 또는 sinlge-stage single-switch flyback 구동회로에서 전압 스트레스가 큰 링크 캐패시터를 전압이 낮은 2차 측으로 위치를 변경함으로써 작은 부피와 낮은 내압을 갖는 전해 캐패시터의 사용이 가능하고 부스트 컨버터가 2차 측에 위치하므로 낮은 내압의 반도체 소자로 구현이 가능하다.
이를 위해 지금까지 개발된 조명용 LED 구동 회로의 경우 회로 구성이 간단하지만 120[Hz] 저주파 출력 전류 리플이 큰 역률 개선 플라이백 컨버터를 이용하거나, 효율이 낮고 많은 소자가 필요한 2-stage 컨버터를 이용하여 왔다. 하지만 기존 LED 구동 회로의 단점들을 최대한 보완하면서 가격 경쟁력을 확보하고, LED 출력 전류 리플을 줄일 수 있는 요구가 점차 커짐에 따라, 본 논문에서는 이러한 단점을 극복할 수 있는 새로운 방식의 LED 구동회로를 제안한다. 먼저 2장에서는 기존에 사용 중인 조명용 LED 구동회로에 대하여 기술하고, 3장에서는 제안 조명용 LED 구동회로의 동작 원리 및 주요 특징을 기술한다.
가설 설정
- 제안된 회로는 정상상태에서 동작하며 Clink와 Co는 링크전압 Vlink와 출력전압 Vo가 일정할 만큼 크다.
- 회로 내 손실은 없는 것으로 가정한다.
정상상태 동작 해석의 편의를 위해 입력전압(Vin), 링크 전압(Vlink), 출력전압(Vo)은 일정하며 트랜스포머의 누설 인덕턴스(Lk)는 자화 인덕턴스(Lm)에 비해 매우 작다고 가정한다.
제안 방법
다음은 제안된 플라이백-부스트 컨버터의 타당성 검증을 위해 PSIM simulation tool을 사용한 모의실험 결과를 제시한다. 표 1은 본 논문에서 제안된 LED 드라이버의 모의실험에서 사용된 주요 파라미터이다.
기존 단일단 단일스위치 플라이백 컨버터와 마찬가지로 제안 회로 역시 입출력 전력평형을 위해 플라이백과 부스트 컨버터를 모두 DCM으로 동작 시킬 경우 각 소자의 전류 스트레스가 증가하여 효율이 다소 저감되는 문제가 있으며, 플라이백 컨버터를 DCM으로, 부스트 컨버터를 CCM으로 동작 시킬 경우는 입출력 전력평형이 맞지 않아 정상적 동작이 어려운 문제가 있다. 따라서 제안 회로는 각 소자의 전류 스트레스를 저감시키면서 전력평형 문제가 없도록 하기 위해 플라이백 컨버터는 DCM으로 동작시키고 부스트 컨버터를 BCM으로 제어하고 있다.
제안된 회로는 PFC 플라이백 컨버터와 부스트 컨버터가 직렬 결합되어 있는 구조로서 기존 2단 전력단 또는 sinlge-stage single-switch flyback 구동회로에서 전압 스트레스가 큰 링크 캐패시터를 전압이 낮은 2차 측으로 위치를 변경함으로써 작은 부피와 낮은 내압을 갖는 전해 캐패시터의 사용이 가능하고 부스트 컨버터가 2차 측에 위치하므로 낮은 내압의 반도체 소자로 구현이 가능하다. 또한 제안된 회로는 효율과 power balance를 고려하여 플라이백 컨버터와 부스트 컨버터는 각각 DCM과 BCM 모드로 동작하고 하나의 PWM IC만으로 PFC와 DC/DC 전력변환 동작의 구현이 가능한 장점이 있다. 실험을 통해 제안된 회로의 타당성을 검증한 결과 출력 전류 리플이 기존 single stage flyback 컨버터에 비해 15배 이상 감소하며 리플 전류 또한 ±1.
제안 회로는 그림 4와 같이 DCM 플라이백 컨버터와 BCM 부스트 컨버터로 구성되어 있으며 BCM 부스트 컨버터는 DCM 플라이백 컨버터의 부하로 작용한다. 가정으로부터 회로 내 손실이 없으므로 BCM 부스트 컨버터의 입력 전력과 출력 전력은 서로 동일하므로 다음과 같은 수식이 만족한다.
제안 회로의 타당성 검증을 위하여 PFC 플라이백 부스트 LED 구동 회로의 시작품을 제작하여 실험을 진행하였다. 제안 LED 구동 회로의 주요 사양은 모의실험과 동일하게 표 1과 같다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 역률개선 및 120Hz 저주파 출력 전류 리플 저감이 가능한 LED 구동회로를 제안하였다. 제안된 회로는 PFC 플라이백 컨버터와 부스트 컨버터가 직렬 결합되어 있는 구조로서 기존 2단 전력단 또는 sinlge-stage single-switch flyback 구동회로에서 전압 스트레스가 큰 링크 캐패시터를 전압이 낮은 2차 측으로 위치를 변경함으로써 작은 부피와 낮은 내압을 갖는 전해 캐패시터의 사용이 가능하고 부스트 컨버터가 2차 측에 위치하므로 낮은 내압의 반도체 소자로 구현이 가능하다. 또한 제안된 회로는 효율과 power balance를 고려하여 플라이백 컨버터와 부스트 컨버터는 각각 DCM과 BCM 모드로 동작하고 하나의 PWM IC만으로 PFC와 DC/DC 전력변환 동작의 구현이 가능한 장점이 있다.
그림 4는 제안된 회로를 보이고 있다. 제안된 회로에서 플라이백 컨버터는 60[Hz] AC전원의 역률보정을 수행하고 다음 단에 위치한 부스트 컨버터는 플라이백 컨버터의 출력을 입력으로 받아 LED의 구동을 위한 정전류 제어를 수행한다. 특히, 플라이백 컨버터의 출력인 링크 전압은 역률개선 동작으로 인해 120Hz 성분을 포함하고 있으나 이를 다시 입력으로 하는 부스트 컨버터가 빠른 동특성을 갖는 제어기로 출력 LED 전류를 정밀하게 제어하고 있으므로 최종 출력에는 120Hz 리플을 제거할 수 있다.
성능/효과
그림에서 알 수 있듯이 기존 회로에 비해 제안된 회로의 출력 전류 리플은 약 15배 이상 대폭 감소됨을 알 수 있으며 제안회로의 리플율은 출력 전류 대비 ±1.9%수준으로 매우 작음을 확인 할 수 있다.
이는 이론적으로 도출된 수식 (6) 및 (7)와 동일한 결과를 보이고 있다. 네 번째 파형은 플라이백 컨버터의 입력전류로서 역률 개선 동작이 잘 이루어짐을 알 수 있다. 그림 9(b)는 트랜스포머 1차측 전류, 트랜스포머 2차측 전류, 플라이백 컨버터 주 스위치, 그리고 부스트컨버터 출력 인덕터 전류의 상세파형을 보이고 있다.
9%수준으로 매우 우수한 결과를 보였다. 뿐만 아니라 효율 및 역율 또한 각각 최저 84.01% 및 91.51%로서 조명에서 요구하는 조건을 모두 만족함을 확인 하였다. 따라서 본 논문에서 제안된 PFC 플라이백-부스트 컨버터는 낮은 저주파 출력전류 리플 및 가격 경쟁력이 요구되는 LED 구동응용에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
51% 이상의 역률을 보임을 알 수 있다. 상기 결과로부터 제안된 회로는 하나의 PWM IC를 이용하여 PFC 동작 및 DC/DC 전력변환을 동시에 수행할 수 있으며 출력 전압 리플 또한 기존 회로 대비 대폭 저감이 가능함을 확인 하였다.
또한 제안된 회로는 효율과 power balance를 고려하여 플라이백 컨버터와 부스트 컨버터는 각각 DCM과 BCM 모드로 동작하고 하나의 PWM IC만으로 PFC와 DC/DC 전력변환 동작의 구현이 가능한 장점이 있다. 실험을 통해 제안된 회로의 타당성을 검증한 결과 출력 전류 리플이 기존 single stage flyback 컨버터에 비해 15배 이상 감소하며 리플 전류 또한 ±1.9%수준으로 매우 우수한 결과를 보였다. 뿐만 아니라 효율 및 역율 또한 각각 최저 84.
9%수준으로 매우 작음을 확인 할 수 있다. 표 2 는 입력전압 90~265Vrms 조건에서 측정된 효율과 역률로서 최소 84.01%이상의 효율과 최소 91.51% 이상의 역률을 보임을 알 수 있다. 상기 결과로부터 제안된 회로는 하나의 PWM IC를 이용하여 PFC 동작 및 DC/DC 전력변환을 동시에 수행할 수 있으며 출력 전압 리플 또한 기존 회로 대비 대폭 저감이 가능함을 확인 하였다.
후속연구
51%로서 조명에서 요구하는 조건을 모두 만족함을 확인 하였다. 따라서 본 논문에서 제안된 PFC 플라이백-부스트 컨버터는 낮은 저주파 출력전류 리플 및 가격 경쟁력이 요구되는 LED 구동응용에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LED란 무엇인가?
전기발광효과(Electro-luminescence)를 이용한 반도체소자인 LED는 에너지 저감에 유리하고 탄소배출을 획기적으로 줄일 수 있는 친환경 소재이다. LED 조명은 형광등과 달리 환경오염물질인 수은, 납 등의 중금속을 함유하고 있지 않아 친 환경적이며, 5만 시간 이상의 긴 수명과, 높은 조명효율(lm/W)특성을 갖는 장점이 있다.
단일단의 플라이백 컨버터만으로 역률 보정 기능과 LED 점등 제어를 동시에 수행하는 방법의 단점은 무엇인가?
상기 언급한 2단 PFC LED 구동 회로의 낮은 효율 및 소자 수 증가에 의한 단가 상승의 문제점을 보완하기 위해 그림 2와 같이 단일단의 플라이백 컨버터만으로 역률 보정 기능과 LED 점등 제어를 동시에 수행하는 방법이 있다. 그러나, PFC 동작으로 인한 120[Hz] 성분의 전류가 출력단에 직접적으로 전달되므로, 단일단 플라이백 LED 구동회로는 구조적으로 120[Hz] 저주파 리플을 제거하는 것이 매우 어려우며, 이를 감쇄하기 위해서 출력 캐패시터의 용량 및 부피가 과도하게 커지는 단점이 있다[5][6].
LED 조명은 어떤 장점이 있는가?
전기발광효과(Electro-luminescence)를 이용한 반도체소자인 LED는 에너지 저감에 유리하고 탄소배출을 획기적으로 줄일 수 있는 친환경 소재이다. LED 조명은 형광등과 달리 환경오염물질인 수은, 납 등의 중금속을 함유하고 있지 않아 친 환경적이며, 5만 시간 이상의 긴 수명과, 높은 조명효율(lm/W)특성을 갖는 장점이 있다. 따라서 LED 조명 관련 산업은 가전기기, 자동차, 건축, 의료기기, 디스플레이 장치 등 거의 모든 분야에서의 성장이 예견되며, 특히 가정용 및 사무용조명 등 일반 조명까지 대체함으로써 거대한 반제품시장을 형성할 것으로 예상된다[1][2].
참고문헌 (7)
K. Zhou, J. G. Zhang, S. Yuvarajan, "Quasi-Active Power Factor Correction Circuit for HB LED Driver," IEEE Trans. On power electronics, Vol. 23, No. 3, May. 2008.
J.Y. Tsao, "Solid-state lighting: lamps, chips and materials for tomorrow," IEEE Circuits Devices Mag., Vol. 20, No. 3, pp. 28-7, 2004.
Electromagnetic Compatibility (EMC), Part 3-2 : Limits - Limits for harmonic current emissions, International Standard IEC61000-3-2, 2001.
T. Komine and M. Nakagawa, "Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights," IEEE Trans. on Consumer Electronics, Vol. 50, No. 1, pp. 100-107, Feb. 2004.
T. F. Pan, H. J. Chiu, S. J. Cheng, and S. Y. Chyng, "An I,proved single-stage Flyback PFC converter for high-luminance lighting LED lamps," The 8th International Conference on Electronic Measurement and Instruments, Vol. 4, pp.212-215. Aug. 2007.
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