[논문]통합변압기 적용 넓은 출력전압제어 LED 전원공급장치

강철하; 주종성; 김은수; 원종섭; 이영수; 김동희

doi:10.6113/tkpe.2015.20.5.437

통합변압기 적용 넓은 출력전압제어 LED 전원공급장치
An Integrated Transformer-based LED Power Supply with Wide-Output-Voltage Control 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.20 no.5, 2015년, pp.437 - 447

강철하 (Daewoo Electronic Components. Co.Ltd.) , 주종성 (Electrical & Electronics Engineering, Jeonju University) , 김은수 (Electrical & Electronics Engineering, Jeonju University) , 원종섭 (Mechanical and Automotive Engineering, Jeonju University) , 이영수 (LG Innotek Components R&D Center) , 김동희 (LG Innotek Components R&D Center)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, implementation of an integrated transformer applicable to power supply units (PSUs) for a 150-W LED with a wide range of output voltage is presented. The transformer is comprised of a PFC inductor and an LLC resonant transformer, each of which is placed and integrated on an E-I-E-type magnetic core. Integrated transformers with two different air gap topologies (i.e., the side and center gap topologies) are considered in the design phase to investigate their applicability. The design consideration on the LLC resonant converter used for the wide-output-voltage control ranges is described, and the overall performance of the proposed system is verified through realization of it onto a 150-W LED PSU board.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 입력역률개선을 위한 CRM PFC 컨버터의 인덕터와 절연 및 고효율을 위한 LLC 공진컨버터변압기를 하나의 코어로 통합하는 새로운 고집적 변압기를 제안하였고 어느 제품군에도 동작이 가능하도록 넓은 입력전원전압(V_in, 90V_AC~305_AC) 및 넓은 출력전압제어(V_out, 120VDC~280VDC) 범위에 대응할 수 있는 통합변압기 설계에 대해 기술하였으며 150W급 Outdoor용 LED 조명전원장치에 적용 실험하여 검증하였다.
1T(Tesla)정도로 낮춰서 통합변압기를 설계 및 제작해야 한다. 이는 LLC 공진컨버터가 높은 출력제어전압(V_out, 280V_DC)을 위해 이득특성을 높이고자 동작스위칭 주파수를 공진주파수(f_r)보다도 훨씬 낮은 주파수로 이동하여 동작하기 때문에 자화전류증가에 따른 코어포화를 억제하기 위해 설정하였다. 그림 10은 통합변압기에서 LLC공진컨버터의 부하와 출력전압제어범위에 따른 시뮬레이션 이득특성이며, 최저 출력제어전압(120V_DC) 및 부하변화(10%~100%) 동작 중에도 Burst Mode로 동작하지 않는 안정된 이득특성을 갖도록 설계하였다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 그림 2(a)와 같이 LLC 공진컨버터의 2차 측에 직렬로 DC Blocking 커패시터(CB)를 추가 연결하여 LLC 공진변압기 2차측단에 DC offset된 편향(Bias) 부분을 저감할 수 있도록 회로를 구성하였고, CRM PFC단 및 LLC단 상호자속커플링을 최소화 할 수 있는 통합변압기 공극 적용방식과 설계에 대해 검토하였다.

제안 방법

이는 LLC 공진컨버터가 높은 출력제어전압(V_out, 280V_DC)을 위해 이득특성을 높이고자 동작스위칭 주파수를 공진주파수(f_r)보다도 훨씬 낮은 주파수로 이동하여 동작하기 때문에 자화전류증가에 따른 코어포화를 억제하기 위해 설정하였다. 그림 10은 통합변압기에서 LLC공진컨버터의 부하와 출력전압제어범위에 따른 시뮬레이션 이득특성이며, 최저 출력제어전압(120V_DC) 및 부하변화(10%~100%) 동작 중에도 Burst Mode로 동작하지 않는 안정된 이득특성을 갖도록 설계하였다.
따라서 본 실험에서는 출력전압(V_o)/전류(I_o) 280V_DC/0.535A(150W)와 214V_DC/0.7A(150W), 120V_DC/0.7A(84W)로 각각 나눠서 실험하였다. 표 2는 측정된 변압기 파라미터이며, 표 3은 적용된 LED 조명전원장치의 주요정격이다.
또한 84W~150W까지 다양한 출력용량을 제어하기 위해 기존 아날로그 제어회로와 별도로 그림 11과 같이 저가형 8Bit MCU(Micro Controller Unit)을 추가하였다. 그림 11은 제안된 통합변압기를 적용한 넓은 출력전압 제어범위를 갖는 150W급 Outdoor용 LLP(LED Lighting Power)보드의 제어 개념도를 나타낸다.
통합변압기의 형상은 E자형코어 2개와 I자형 코어 1개로 구성되어 CRM PFC 인덕터와 LLC 공진변압기를 하나로 통합한 것이 특징이다. 또한, 제안된 통합변압기 중간자로의 I자형 코어는 PFC인덕터와 LLC 공진변압기에서 생성된 자속이 통과하는 부분으로써 I자형 자로면적을 외각자로 면적의 2배로 하여 자속밀도를 낮추어 코어손실 증가와 포화(Saturation)를 방지하고자 하였다.
본 논문에서는 기존 CRM PFC 컨버터와 LLC 공진컨버터 각각에 적용되었던 인덕터와 변압기를 EIE형태의 코어를 적용하여 통합변압기를 제작, 적용함으로써 150W LED PSU의 집적화(변압기 Volume 30% 저감) 및 단가저감(30% 저감, $1.61⇨$1.08)을 하였으며 이 경우 통합변압기 PFC 인덕터 단과 LLC 공진변압기 단의 동작스위칭주파수가 근접해 있어 생길 수 있는 상호자 속커플링 간섭에 따른 불안정한 동작특성에 대응하기 위해 Center gap과 LLC공진변압기 2차측권선에 DC-Blocking 커패시터(C_B)를 적용하여 해결하였고 온도 특성과 효율 등 실험을 통해 적용 가능성을 검증하였다.
본 논문에서는 넓은 출력전압(V_out, 120V_DC~280V_DC)제어가 가능한 150W 정격출력용량을 가지는 LED PSU에 통합변압기를 제작, 적용 실험하였다. 통합변압기 PFC단의 경우 입력전원전압(90V_AC~305V_AC)범위 내에서 CRM PFC컨버터는 일정 출력전압(432V_DC)을 제어하며, LLC 단의 경우 넓은 출력전압제어범위(Vo, 120V_DC~280V_DC)에서 동작 가능하도록 설계하였다.
그림 11은 제안된 통합변압기를 적용한 넓은 출력전압 제어범위를 갖는 150W급 Outdoor용 LLP(LED Lighting Power)보드의 제어 개념도를 나타낸다. 크게 AC를 DC로 정류해주는 정류부(Rectifier), 입력역률을 만족시키며 AC 입력전압변화(90V_AC~305V_AC)에 상관없이 일정한 PFC 출력전압(432V_DC)를 제어하는 CRM PFC 컨버터, 절연 및 높은 효율을 위한 LLC 공진컨버터, 마지막으로 LED Array의 형태로 이루어져 있으며, LLC 공진컨버터의 출력에서 전압 및 전류를 센싱 받아서 외부 조광제어(Dimming Control) 신호로 전류레퍼런스 값을 조절하여 부하전류가 전류레퍼런스 값을 추종하여 LED 광량을 조절할 수 있도록 하였다.
)제어가 가능한 150W 정격출력용량을 가지는 LED PSU에 통합변압기를 제작, 적용 실험하였다. 통합변압기 PFC단의 경우 입력전원전압(90V_AC~305V_AC)범위 내에서 CRM PFC컨버터는 일정 출력전압(432V_DC)을 제어하며, LLC 단의 경우 넓은 출력전압제어범위(Vo, 120V_DC~280V_DC)에서 동작 가능하도록 설계하였다. 특히 높은 출력제어전압(Vo: 280V_DC)의 경우 최대 정격인 150W를 넘지 않기 위해 8Bit MCU를 통해서 전류레퍼런스 값을 조정하도록 제한하였다.
통합변압기 PFC단의 경우 입력전원전압(90V_AC~305V_AC)범위 내에서 CRM PFC컨버터는 일정 출력전압(432V_DC)을 제어하며, LLC 단의 경우 넓은 출력전압제어범위(Vo, 120V_DC~280V_DC)에서 동작 가능하도록 설계하였다. 특히 높은 출력제어전압(Vo: 280V_DC)의 경우 최대 정격인 150W를 넘지 않기 위해 8Bit MCU를 통해서 전류레퍼런스 값을 조정하도록 제한하였다.

이론/모형

시뮬레이션 및 측정 결과를 토대로 Side gap을 적용한 통합변압기보다 Center gap이 적용된 통합변압기가 20배 이상 더 낮은 상호결합계수(k)를 갖는다는 것을 알 수 있었다. 따라서 본 논문에서 통합변압기의 공극은 Center gap을 적용하였다.

성능/효과

이때 LED PSU에 있어서 LLC공진컨버터는 AC입력전원전압(V_in)에 상관없이 CRM PFC 컨버터의 일정출력전압(VLINK, 432V_DC)에서 동작되기 때문에 AC입력전원전압(V_in) 조건에 따른 효율특성에는 큰 영향을 주지 않는다. 다만 CRM PFC 컨버터의 경우 AC입력전원전압(V_in)이 높을수록 CRM PFC 컨버터 동작전류(I_T1)가 저감되기 때문에 그림 19(b)와 그림 19(c)각각에 나타낸바와 같이 90W이상 중부하에서 효율특성이 1%정도 개선된다. 하지만 부하가 90W이하로 저감될 때 CRM PFC 컨버터의 동작전류(I_T1)가 크게 영향을 주지 않아 효율특성에 차이가 나타나지 않음을 볼 수 있다.
그림 19(b)와 그림 19(c)에서 동일 AC입력전원전압(V_in) 조건에서 출력전압제어범위(V_out, 214V_DC, 280V_DC)에 따른 효율특성을 보면 출력제어전압(V_out)이 낮을 경우 그림 10의 시뮬레이션 이득특성에 나타낸 바와 같이 동작주파수가 공진주파수 부근으로 이동하여 스위칭 동작되기 때문에 불연속구간 동안 흐르는 변압기여자전류저감에 따라 90W이하에서는 효율특성(1~4%)이 개선됨을 확인 할 수 있었다.
표 1은 통합변압기에 있어서 공극 적용방식에 따른 PFC 인덕터와 LLC 공진변압기와의 상호결합계수(k)를 Maxwell 3D 시뮬레이션 결과 값과 통합변압기를 제작하여 계측기(PSM1735, Impedance Analyzer)를 통해 측정한 값을 비교한 데이터이다. 시뮬레이션 및 측정 결과를 토대로 Side gap을 적용한 통합변압기보다 Center gap이 적용된 통합변압기가 20배 이상 더 낮은 상호결합계수(k)를 갖는다는 것을 알 수 있었다. 따라서 본 논문에서 통합변압기의 공극은 Center gap을 적용하였다.
그림 13과 그림 14, 그림 15에는 최소부하인 10%와 최대부하인 100%에서 각각 CRM PFC 컨버터단의 스위칭소자 양단전압(V_Q1), 인덕터 전류(I_T1)와 LLC공진 컨버터 스위칭소자(Q₃) 양단전압(V_Q3), 공진전류(I_T2)를 측정한 파형이다. 실험결과 CRM PFC 컨버터는 모든 부하조건에서 인덕터전류(I_T1)가 0으로 리셋 되었을 때 다시 턴-온 되어 연속과 불연속모드 경계점인 CRM 모드로 동작됨을 볼 수 있으며, LLC 공진컨버터 또한 모든 부하조건에서 공진전류(I_T2)는 단자전압(V_Q3)에 대해 항상 지상전류(Lagging current)가 흐르기 때문에 1차측의 스위칭소자가 영전압스위칭(ZVS) 동작됨을 확인 할 수 있었다. 또한 그림 13을 보면, 그림 10의 이득특성에서처럼 입력전원전압(V_in) 120V_AC에서 가장 낮은 출력 제어전압(V_out)인 120V_DC와 중부하 및 경부하 조건에서의 동작실험파형으로 LLC 공진컨버터는 공진주파수(f_r: 174kHz) 부근 156kHz~191kHz에서 동작됨을 볼 수 있고, CRM PFC 컨버터의 경우 경부하 및 중부하에서 160kHz~500kHz 스위칭주파수에서 동작되고 있기 때문에 중부하(84W)에서는 각각의 동작주파수가 서로 겹쳐지는 부분이 없어 상호자속커플링에 따른 간섭 영향이 나타나지 않고 안정된 동작특성을 보여준다.
하지만 그림 17(c)와 그림 17(d)에 나타낸 것처럼 출력전압(V_out) 214V_DC 제어상태에서 중부하(150W)실험파형을 보면 CRM PFC컨버터 동작스위칭주파수는 85kHz이고, LLC 공진컨버터는 83kHz 범위에서 스위칭 동작되어 상호자속커플링에 따른 간섭영향을 받을 수 있다. 하지만 앞서 서술한 것처럼 통합변압기 Center gap 적용과 LLC단 공진변압기 2차측권선에 DC-Blocking 커패시터(CB)를 접목함에 따라 상호자속커플링 간섭영향 및 LLC단 1차측전류 불평형 문제를 억제할 수 있으므로 안정된 LED 조명전원으로 사용가능한 동작특성을 얻을 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	IM기술에서 인덕터와 변압기를 하나로 통합한 경우에는 어떠한 이점이 있는가?	변압기 및 인덕터를 집적화하기 위한 IM(Integrated Magnetic)기술은 인덕터와 인덕터, 변압기와 변압기, 인덕터와 변압기를 하나로 통합하는 방법이 연구되고 있다[7]-[14]. 최근 발표된 논문[7][8]에서처럼 인덕터와 변압기를 통합한 경우에는 인덕터자속과 변압기자속이 서로 상쇄되는 방향으로 인덕터와 변압기의 권선을 감고, 또한 인덕터와 변압기 동작주파수를 동기시켜 상호자속커플링에 따른 간섭영향을 방지시켜주었다.
	LED의 장점은?	최근 조명분야에서 LED(Light-Emitting Diode)는 기존 광원들에 비하여 낮은 전력 소모량과 긴 수명, 작은 크기, 다양한 색 표현력, 친환경등의 장점으로 미래의 차세대 광원으로 주목받고 있으며, 세계 각국에서도 형광등이나 백열등 등 모든 광원을 LED로 대체하는 정책을 내세울 정도로 LED 조명시장은 높은 성장세를 보이고 있다.[1]-[3] 또한, LED는 Array의 구조에 따라 LED조명전원공급 장치의 출력전압 사양이 바뀌게 되는데, 이러한 특징에 맞춰 LED조명수요가 가장 많은 Outdoor용 조명시장에서는 다양한 제품군을 만족시키기 위해 하나의 LED조명전원장치를 사용하더라도 안정되게 동작시킬 수 있는 넓은 출력전압범위(120VDC~280VDC)를 갖는 LED조명전원장치가 개발되고 있다.
	LED 조명전원장치는 25W 이상의 모든제품에 몇 이상의 입력역률을 요구하는가?	LED 조명전원장치는 25W 이상의 모든 제품에 입력역률(Power Factor) 0.9 이상을 요구하고 있다. 따라서 입력역률개선을 위해 다이오드 정류기 대신에 입력역률보상회로(CRM PFC Converter)가 필요하고 절연 및 효율 개선을 위해 LLC 공진컨버터를 사용한다.

참고문헌 (15)

M. Wend, tAndriesse, J. W. Andriesse., "LEDs in real lighting applications: from niche Markets to general lighting," Industry Applications Conference, 2006. 41st IAS Annual Meeting. Conference Record of the 2006 IEEE, Vol. 5, pp. 2601-2603, Oct. 2006.
Heinz van der Broeck, Georg Sauerlander, Matthias Wendt, "Power driver topologies and control schemes for LEDs," Applied Power Electronics Conference, APEC 2007 - Twenty Second Annual IEEE, pp. 1319-1325, Feb. 2007.
C. B. Park, B. H. Hwan, J. P. Cheon, and C. T. Rim, "Robust active LED driver with high power factor and low total harmonic distortion compatible with a rapid-start ballast," Journal of Power Electronics, Vol. 14, No. 2, pp. 226-236, Mar. 2014.

원문보기 상세보기
H. P. Park and J. H. Jung, "Design and implementation of 500 kHz high frequency LLC resonant converter for high power density," Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 20, No. 1, pp. 51-58, Feb. 2015.

원문보기 상세보기
S. H. Cho, S. K. Han, S. S. Hong, S. C. Sakong, G. H. Kwon, H. B. Lee, and Chung-Wook Roh, "Design and application of CCFL drive inverter transformer for LCD backlight," Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 13, No. 2, pp. 96-102, Apr. 2008.
D. S. Shin, Y. J. Jung, S. S. Hong, S. K. Han, B. J. Jang, J. H. Kim, I. O. Lee, and C. W. Roh, "A high efficiency LED driver circuit using LLC resonant converter," Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 15, No. 1, pp. 35-42, Feb. 2010.

원문보기 상세보기
S. Zhao, J. Zhang, and Y. Shi, "A low cost low power flyback converter with a simple transformer," IPEMC 2012 7th International, Vol. 2, pp. 1336-1342, Jun. 2012.
G. E. Bloom "Multi-chambered planar magnetics design techniques," IEEE 2000 Power Electronics Specialists Conference Record, Vol. 1, pp. 295-301, Jun. 2000.
K. J. Hartnett, J. G. Hayes, M. G. Egan, M. S. Rylko,. "Novel CCTT-core split-winding integrated magnetic for high-power DC-DC converters," Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), IEEE 2011, pp. 598-605, Sep. 2011.
W. Chen, F. C. Lee, X. Zhou, and P. Xu, "Integrated planar inductor scheme for multi-module interleaved quasi square-wave DC/DC converter," Power Electronics Specialists Conference, 1999. PESC 99. 30th Annual IEEE, Vol. 2, pp. 759-762, Jun. 1999.
M. Taheri, J. Milimonfared, H. Bayat, S. H. Fathi, "Analysis, design and implementation of a new zero voltage-switching interleaved asymmetrical half bridge converter using an integrated transformer," IET Power Electronics, 2012, Vol. 5, No. 9, pp. 1912-1922.

상세보기
R.-T. Chen and Y.-Y. Chen. "Synthesis and design of integrated-magnetic-circuit transformer for VRM application," Electric Power Applications, IEE Proceedings, Vol. 153, No. 3, pp. 369-378, May 2006.

상세보기
K. Cho, Y. Kim, I. Cho, and G. Moon, "Transformer integrated with additional resonant inductor for phase-shift full-bridge converter with primary clamping diodes," IEEE Trans. Power Electronics., Vol. 27, No. 5, pp. 2405-2414, May 2012.

상세보기
Y. Choi, T.S Ko, S.K Han, S.S Hong, K.H Yoon, J.K Yoo, C.W Roh, "Integrated Magnetic Transformer for LLC converter to slim SMPS", 2015 Power Electronics Annual Conference, pp. 263-264, Jul. 2010.
C. H. Kang, Y. J. Noh, J. I. Kwon, and E. S. Kim, "Implementation of a 2-in-1 transformer combined with a PFC inductor and an LLC trasnformer for PSUs," Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2014 Twenty-Ninth Annual IEEE, pp. 3385-3391, Mar. 2014.

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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