[논문]낮은 120Hz 출력 전류 리플을 갖는 역률개선 LED 구동 회로

박현서; 박재성; 오동성; 홍성수; 한상규

[국내논문] 낮은 120Hz 출력 전류 리플을 갖는 역률개선 LED 구동 회로
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박현서 (국민대학교 전력전자 연구소) , 박재성 (국민대학교 전력전자 연구소) , 오동성 (삼성전기) , 홍성수 (국민대학교 전력전자 연구소) , 한상규 (국민대학교 전력전자 연구소)

본 논문에서는 출력 LED 전류의 120Hz 저주파 리플 저감을 위한 새로운 방식의 역률개선 LED 구동 회로를 제안한다. 제안된 회로는 역률개선용 플라이백 컨버터의 출력이 LED 구동을 위한 부스트 컨버터의 입력이 되는 구조로 높은 역률 보상과 출력 LED 전류의 120Hz 리플 저감이 가능하고, 기존에 비해 저 내압 및 저 용량의 부피가 작은 링크 캐패시터를 사용 할 수 있는 장점이 있다. 또한 제안 회로는 전력평형 만족을 위해 하나의 PWM IC 만으로 플라이백 컨버터와 부스트 컨버터를 각각 DCM 및 BCM모드로 제어하여 스위치 및 다이오드의 전류 스트레스 저감이 가능한 장점이 있다. 최종적으로 시작품을 제작하여 고찰된 실험결과를 제시하여, 제안 회로의 우수성과 이론적 분석의 타당성을 검증한다.

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문제 정의

본 논문에서는 출력 전류 저주파 리플을 감소시키는 새로운 방식의 LED 구동회로를 제안하였다. 제안 회로는 역률 개선과 높은 효율을 달성하면서도 저주파 120Hz 출력 전류 리플을 획기적으로 저감시키며, 링크 캐패시터를 저 내압으로 사용하는 등의 저 내압소자의 사용을 가능하게 하는 장점이 있다.

가설 설정

그림 3은 제안 회로의 주요 동작 파형도이다. 해석의 편의를 위하여 회로는 정상상태에서 동작하며, 각 전압(V_in, V_link, V_o)은 일정하며, 트랜스포머의 누설인덕턴스(L_k)는 자화 인덕턴스(L_m)에 비해 매우 작다고 가정한다.

제안 방법

기존 single stage 컨버터와 마찬가지로 제안 회로 역시 입출력 전력평형을 위해 Flyback 과 Boost 컨버터가 모두 DCM으로 동작 시킬 경우 각 소자의 전류 스트레스가 증가하여 효율이 저감되는 문제가 있으며 DCM CCM으로 동작 시킬 경우 입출력 전력평형이 맞지 않아 정상적 동작이 어려운 문제가 있다. 따라서 제안 회로는 각 소자의 전류 스트레스를 저감시키면서 전력평형 문제가 없도록 하기 위해 flyback 컨버터는 DCM으로 동작시키고 Boost 컨버터를 BCM으로 제어한다.
다음은 제안회로의 우수성과 타당성 검증을 위하여 시작품을 제작하여 측정한 실험결과이다. 주요 소자의 파라미터로서 L_m은 75uH, turn ratio는 5, L_o는 16.7uH를 사용하였으며, C_link 와 C_o는 각각 680uF과 390uF을 2개씩 병렬 연결하였다.

성능/효과

그림 5 및 그림 6은 현재 일반적으로 적용되고 있는 역률개선 가능한 flyback 컨버터 한단만을 사용한 경우와 제안 회로를 사용한 경우 각각 출력 LED전류를 보이고 있다. 실험 결과 제안 회로의 120Hz 저주파 출력 전류 리플은 flyback 컨버터 한단만을 사용한 경우에 비해 약 1.9% 수준으로 제안 회로의 출력 전류 리플이 크게 감소하는 것을 확인할수 있다. 또한, 제안 회로는 약 86%의 높은 효율과 약 90%의 역률을 만족하였음을 확인하였다.
9% 수준으로 제안 회로의 출력 전류 리플이 크게 감소하는 것을 확인할수 있다. 또한, 제안 회로는 약 86%의 높은 효율과 약 90%의 역률을 만족하였음을 확인하였다.
본 논문에서는 출력 전류 저주파 리플을 감소시키는 새로운 방식의 LED 구동회로를 제안하였다. 제안 회로는 역률 개선과 높은 효율을 달성하면서도 저주파 120Hz 출력 전류 리플을 획기적으로 저감시키며, 링크 캐패시터를 저 내압으로 사용하는 등의 저 내압소자의 사용을 가능하게 하는 장점이 있다. 또한, DCM, BCM 제어를 하나의 PWM IC 만으로 구현이 가능하므로 저 가격화에 유리하고 높은 효율을 기대할 수 있으며, 최종적으로 실험을 통해 제안 회로의 우수성을 검증하였다.
제안 회로는 역률 개선과 높은 효율을 달성하면서도 저주파 120Hz 출력 전류 리플을 획기적으로 저감시키며, 링크 캐패시터를 저 내압으로 사용하는 등의 저 내압소자의 사용을 가능하게 하는 장점이 있다. 또한, DCM, BCM 제어를 하나의 PWM IC 만으로 구현이 가능하므로 저 가격화에 유리하고 높은 효율을 기대할 수 있으며, 최종적으로 실험을 통해 제안 회로의 우수성을 검증하였다.

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