[논문]높은 역률을 가지는 단순 구조 LED 구동 전력컨버터

정강률

doi:10.7471/ikeee.2018.22.3.767

높은 역률을 가지는 단순 구조 LED 구동 전력컨버터
Simple Structure LED-Driving Power Converter with High Power Factor 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.22 no.3, 2018년, pp.767 - 773

정강률 (Dept. of Electronic Information Engineering, Soonchunhyang University)

초록
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본 논문에서는 높은 역률을 가지는 단순 구조 LED 구동 직류 전력컨버터를 제안한다. 제안한 전력컨버터는 PFC 부스트 컨버터와 전통적인 플라이백 컨버터를 오직 하나의 전력변환 회로로 병합함으로써 LED 구동 전력컨버터의 구조를 단순화한다. 그리하여 제안한 컨버터는 오직 하나의 PWM 제어기 IC를 이용하여 제어되고 높은 역률과 정출력 전압/전류 및 제작비용의 효율성을 달성한다. 따라서 제안한 컨버터는 LED 조명시스템의 산업 생산과 이용에 적합하다. 본 논문에서는 제안한 컨버터의 동작분석과 설계예시를 간단하게 설명한다. 또한 설계된 회로파라미터들에 근거하여 제작된 프로토타입의 실험결과를 통하여 제안한 컨버터의 동작특성을 입증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes the simple structure LED-driving power converter with high power factor. As the proposed power converter combines the PFC boost converter and the conventional flyback converter into only one power conversion circuit, it simplifies the structure of LED-driving power converter. Thus the proposed converter is controlled using only one PWM controller IC, and it achieves high power factor, constant output voltage/current and cost-effectiveness. Therefore the proposed converter is suitable for the industry production and utilization of LED-light-system. In this paper, the operation analysis and design example of the proposed converter are explained, briefly. Also experimental results of the prototype that is implemented based on the designed circuit parameters are shown to validate operation characteristics of the proposed converter.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 2단 전력구조 LED 구동전력컨버터의 단점을 극복하고 높은 역률을 가지는 단순 구조 LED 구동 전력컨버터를 제안하고자 한다. 제안한 컨버터의 전력회로는 PFC 부스트 컨버터단과 DC-DC 컨버터단을 병합한 1단 전력구조회로로 구현되고 높은 역률과 정출력 전압/전류의 특성을 가진다.
본 논문에서는 높은 역률을 가지는 단순 구조LED 구동 전력컨버터가 제안되었다. 제안한 컨버터는 PFC 부스트 컨버터단과 DC-DC 플라이백 컨버터단을 병합한 1단 전력구조를 이용하여 전력회로 구조를 간략히 하였다.

제안 방법

본 절에서는 제안한 컨버터의 성능을 입증하기 위하여, Ⅲ절에서 선정한 각 회로파라미터에 의하여 프로토타입을 제작하고 정격조건에서 실험한 결과를 제시한다.
본 논문에서는 높은 역률을 가지는 단순 구조LED 구동 전력컨버터가 제안되었다. 제안한 컨버터는 PFC 부스트 컨버터단과 DC-DC 플라이백 컨버터단을 병합한 1단 전력구조를 이용하여 전력회로 구조를 간략히 하였다. 제안한 컨버터는 BCM제어기법에 의해 제어된다.
그림 2는 제안한 LED 구동 전력컨버터의 전력회로도 및 제어 개념도를 보인다. 제안한 컨버터는 그림 1의 2단 전력구조 LED 구동 전력컨버터의PFC 부스트 컨버터단과 DC-DC 컨버터단으로써의 플라이백 컨버터를 병합함으로써 단일 스위치로 동작하는 1단 전력구조 AC-DC 컨버터이다. 이 회로에서 변압기는 영전류 검출권선(ZCDW; Zero Current Detection Winding)을 포함하고 권선비가n=N_s/N_p인 이상변압기 T와 자화인덕턴스 L_m으로모델링된다.

대상 데이터

그리하여 자화인덕턴스 Lm을 415μH로 선정한다. 변압기의 1차권선수 N_p는 물리적 인덕턴스 식에 의해 다음과 같이 계산된다.
따라서 제안한 컨버터는 다른 부가적인 스너버 회로가 없이 영전압스위칭이 가능하며 AC 입력전류의 낮은 THD 및 낮은 턴오프스위칭 손실, 그리고 낮은 인덕터 피크전류에 따른 낮은 도통손실 등의 장점을 가진다[10]. 이를 위하여 제안한 컨버터는 주제어기로 부품시장에서 쉽게 구입할 수 있는 BCM 방식의 PWM 제어기 IC를 이용한다.

이론/모형

제안한 컨버터는 PFC 부스트 컨버터단과 DC-DC 플라이백 컨버터단을 병합한 1단 전력구조를 이용하여 전력회로 구조를 간략히 하였다. 제안한 컨버터는 BCM제어기법에 의해 제어된다. 제안한 컨버터는 LED 조명장치 드라이브용으로써 효과적이며, 이를 본 논문의 실험결과를 통하여 입증하였다.

성능/효과

2단 전력구조 LED 구동 전력컨버터는 그림 1과 같이, PFC를 위한 부스트 컨버터단과 출력전압/전류의 조정을 위한 DC-DC 컨버터단으로 구성된다. 2단 전력구조 컨버터는 높은 역률을 쉽게 얻을 수 있고 낮은 고조파왜율(THD;Total Harmonic Distortion)을 가질 뿐만 아니라,에너지 축적시간의 충분한 확보를 위한 최적 회로설계가 용이한 장점을 가진다. 하지만 2단 전력구조 컨버터는 각 전력단에 별도의 제어기를 각각 사용하므로, 그 제어회로가 복잡하고 제작비용이 높으며 2단 전력처리로 인하여 컨버터의 전체 효율이 저하되는 등의 단점을 가진다[7]-[9].
그림 5～7로부터 제안한 컨버터의 각 실험파형이 그림 3의 이론적 동작파형과 거의 일치하므로, 본논문의 이론적 해석과 프로토타입의 설계가 타당하고 제안한 컨버터가 LED 구동 전력컨버터로써 양호하게 동작함을 확인할 수 있다.
하지만 제안한 컨버터는 ZCDW를 이용하여 자화전류 i_Lm이 0이 될 때 전력반도스위치 MOSFET S를 턴온하고 1차전류 i_L(=i_Lm)이 스케일링된 정류전압 V_DC의 피크치에 도달할 때 스위치 S를 턴오프하는 임계도통모드(BCM; Boundary Conduction Mode)로 동작한다. 따라서 제안한 컨버터는 다른 부가적인 스너버 회로가 없이 영전압스위칭이 가능하며 AC 입력전류의 낮은 THD 및 낮은 턴오프스위칭 손실, 그리고 낮은 인덕터 피크전류에 따른 낮은 도통손실 등의 장점을 가진다[10]. 이를 위하여 제안한 컨버터는 주제어기로 부품시장에서 쉽게 구입할 수 있는 BCM 방식의 PWM 제어기 IC를 이용한다.
제안한 컨버터의 전력회로는 PFC 부스트 컨버터단과 DC-DC 컨버터단을 병합한 1단 전력구조회로로 구현되고 높은 역률과 정출력 전압/전류의 특성을 가진다. 또한 제안한 컨버터는 오직 하나의 PWM 제어기 IC만을 주제어기로 이용하므로, 제어회로가 간단하고 구현이 용이하며 제작비용이 경제적인 장점을 가진다.
또한 그림 8은 제안한 컨버터의 프로토타입의 실물(a)과 동작모습(b)을 보이는 사진이다. 이 사진으로부터 제안한 컨버터의 인쇄회로기판(PCB)이 실제 판매용 제품의 적합한 크기로 잘 설계되어 제작되었으며 제안한 컨버터가 양호하게 잘 동작함을 실제 동작모습으로도 확인할 수 있다.
그림 7은 제안한 컨버터의 AC 입력단의 전압과 전류, 그리고 DC 출력단의 전압과 전류의 실험파형을 각각 보인다. 이 파형에서 제안한 컨버터가 거의 단위역률(PF≒1)로 동작하고 있음을 확인할 수 있으며, 제안한 컨버터가 LED의 일정한 밝기유지를 위해 출력전압과 전류를 양호하게 제어함을 확인할 수 있다.
그림 5는 AC 전원주파수 스케일에서 제안한 컨버터의 정류전압과 스위치 전압의 실험파형을 보인다. 이 파형에서 제안한 컨버터의 전력반도체 스위치 MOSFET S가 적용된 PWM 제어기 IC에 의해 정류전압 V_DC를 정확하게 모듈레이션함을 확인할 수 있다.
그림 6은 스위칭주파수 스케일에서의 제안한 컨버터의 1차전압과 스위치전압, 그리고 PWM 제어기 IC의 PWM 출력신호(스위치 구동신호) 및 1차전류의 실험파형을 보인다. 이 파형으로부터 제안한 컨버터가 적용된 PWM 제어기 IC에 의해 정확히 제어되고 양호하게 동작함을 확인할 수 있다.
제안한 컨버터는 BCM제어기법에 의해 제어된다. 제안한 컨버터는 LED 조명장치 드라이브용으로써 효과적이며, 이를 본 논문의 실험결과를 통하여 입증하였다. 제안한 컨버터의 프로토타입의 효율과 역률은 정격조건에서 설계치에 거의 근사하게 각각 84%와 0.
따라서 본 논문에서는 2단 전력구조 LED 구동전력컨버터의 단점을 극복하고 높은 역률을 가지는 단순 구조 LED 구동 전력컨버터를 제안하고자 한다. 제안한 컨버터의 전력회로는 PFC 부스트 컨버터단과 DC-DC 컨버터단을 병합한 1단 전력구조회로로 구현되고 높은 역률과 정출력 전압/전류의 특성을 가진다. 또한 제안한 컨버터는 오직 하나의 PWM 제어기 IC만을 주제어기로 이용하므로, 제어회로가 간단하고 구현이 용이하며 제작비용이 경제적인 장점을 가진다.
제안한 컨버터는 LED 조명장치 드라이브용으로써 효과적이며, 이를 본 논문의 실험결과를 통하여 입증하였다. 제안한 컨버터의 프로토타입의 효율과 역률은 정격조건에서 설계치에 거의 근사하게 각각 84%와 0.99를 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전력컨버터의 어떻게 구성되어 있는가?	본 논문에서는 높은 역률을 가지는 단순 구조 LED 구동 직류 전력컨버터를 제안한다. 제안한 전력컨버터는 PFC 부스트 컨버터와 전통적인 플라이백 컨버터를 오직 하나의 전력변환 회로로 병합함으로써 LED 구동 전력컨버터의 구조를 단순화한다. 그리하여 제안한 컨버터는 오직 하나의 PWM 제어기 IC를 이용하여 제어되고 높은 역률과 정출력 전압/전류 및 제작비용의 효율성을 달성한다.
	AC-DC 전력컨버터가 역률개선 회로를 포함해야 하는 이유는?	이는 LED가 백열등이나 형광등과 같은 전통적인 광원에 비해 고광효율, 내구성, 친환경성, 휘도조절 유연성, 소형화 및 안전성 등과 같은 유용한 장점들이 매우 많기 때문이다[1]-[6]. 그러나 LED조명장치의 전원공급회로인 AC-DC 전력컨버터는IEC-61000-3-2와 같은 국제 표준규격을 만족해야하므로 역률개선(PFC; Power Factor Correction)회로를 반드시 포함한다[4]-[6].
	발광다이오드가 최근 널리 이용되고 있는 이유는 무엇인가?	발광다이오드(LED：Light Emitting Diode)가 최근 산업계의 일반 조명응용에서 널리 이용되고 있다. 이는 LED가 백열등이나 형광등과 같은 전통적인 광원에 비해 고광효율, 내구성, 친환경성, 휘도조절 유연성, 소형화 및 안전성 등과 같은 유용한 장점들이 매우 많기 때문이다[1]-[6]. 그러나 LED조명장치의 전원공급회로인 AC-DC 전력컨버터는IEC-61000-3-2와 같은 국제 표준규격을 만족해야하므로 역률개선(PFC; Power Factor Correction)회로를 반드시 포함한다[4]-[6].

참고문헌 (10)

H. -J. Chiu and H. -M. Huang, etc, "An Improved Single-Stage Flyback PFC Convertr for High-Luminance Lighting LED Lamps," International Journal of Circuit Theory and Application, vol.36, pp. 305-201, 2008. DOI:10.1002/cta.404

상세보기
Z. Ye, F. Greenfeld, and Z. Liang, "Sing-Stage Offline SEPIC Converter with Power Factor Correction to Drive High Brightness LEDs," in Proceeding of the IEEE APEC'09, pp. 546-553, 2009. DOI:10.1109/APEC.2009.4802711
D. Gacio, J. M. Alonso, A. J. Calleja, J. Garcia and M. Rico-Secades, "A Universal-Input Single-Stage High-Power-Factor Power Supply for HB-LEDs Based on Integrated Buck-Flyback Converter," in Proceeding of the IEEE APEC'09, pp. 570-576, 2009. DOI: 10.1109/TIE.2010.2046578
K. Yao, M. Xu, X. Ruan and L. Gu, "Boost-Flyback Single-Stage PFC Converter with Large DC Bus Voltage Ripple," in Proceedings of the IEEE APEC'09, pp. 1867-1871, 15-19 2009. DOI:10.1109/APEC.2009.4802925
L. Gu, X. Ruan, M. Xu, and K. Yao, "Means of eliminating electrolytic capacitor in AC/DC Power Supplies for LED Lightings," IEEE Trans. on Power Electronics, vol.24, no.5, pp. 1199-1408, 2009. DOI:10.1109/TPEL.2009.2016662

상세보기
H.-J. Chiu, Y.-K. Lo, J.-T. Chen, S.-J. Chang, C.-Y. Lin, and S.-C. Mou, "A High Efficiency Dimmable LED Driver for Low-Power Lighting Applications," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol.57, pp. 735-743, 2010. DOI:10.1109/TIE.2009.2027251

상세보기
M. Madigan, R. Erickson, and E. Ismail, "Integrated High Quality Rectifier-Regulators," in Proceeding of the PESC'92, pp. 1043-1051, 1992. DOI:10.1109/41.778229
K. Schenk and S. Cuk, "A Single-Switch Single-Stage Active Power Factor Corrector with High Quality Input and Output," in Proceeding of the IEEE PESC'97, pp. 385-391, 1997. DOI:10.1109/PESC.1997.616753
W. Yu, J. -S. Lai, and G. Lisi, etc., "High Efficiency DC-DC Converter with Twin-Bus for Dimmable LED Lighting," in Proceeding of the 2010 IEEE ECCE, pp. 457-462, 2010. DOI:10.1109/TPEL.2011.2104368
K. H. Liu and Y. L. Lin, "Current Waveform Distortion in Power Factor Correction Circuits Employing Discontinuous-Mode Boost Converters," in Proceeding of the IEEE PESC'89, pp. 825-829, 1989. DOI:10.1109/PESC.1989.48565

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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