KR101424420B1

KR101424420B1 - Ａｃ 초퍼와 밸런싱 변압기를 이용한 ｌｅｄ 구동 장치

Info

Publication number: KR101424420B1
Application number: KR1020140048617A
Authority: KR
Inventors: 박종연; 유진완; 김진구
Original assignee: 강원대학교산학협력단
Priority date: 2014-04-23
Filing date: 2014-04-23
Publication date: 2014-07-28

Abstract

본 발명은 LED 구동 장치에 관한 것으로서, 본 발명은 LED(Light Emitting Diode)를 구동하기 위한 LED 구동 장치에 있어서, 하나 이상의 LED를 포함하는 제1 LED 열, 하나 이상의 LED를 포함하며, 상기 제1 LED 열과 병렬로 연결되어 있는 제2 LED 열, 하나 이상의 LED를 포함하며, 상기 제1 LED 열 및 제2 LED 열과 병렬로 연결되어 있는 제3 LED 열, 상기 LED 구동 장치에 AC 전원을 공급하기 위한 입력 전원, 상기 AC 전원을 전파 정류하기 위한 전파 정류부, 상기 전파 정류부에서 나오는 DC 전압이 인가되고, 하프 브릿지(Half bridge) 구조의 AC-초퍼(AC-Chopper) 방식으로 상기 제1 LED 열 내지 제3 LED 열을 구동시키는 하프 브릿지 구동 IC(Half bridge driver IC), 상기 제1 LED 열, 상기 제2 LED 열 및 상기 제3 LED 열의 각 열에 흐르는 전류를 균일하게 하기 위한 밸런싱 변압기, 상기 하프 브릿지 구동 IC에 의해 스위칭되는 제1 스위치 및 상기 하프 브릿지 구동 IC에 의해 스위칭되는 제2 스위치를 포함하고, 상기 제1 스위치 및 제2 스위치는 상기 하프 브릿지 구동 IC에 의해 미리 정해진 데드 타임(dead time)을 갖고 번갈아가면서 스위칭되며, 상기 제1 스위치가 온(on) 되면, 상기 제1 LED 열 내지 상기 제3 LED 열에 제1 방향의 전류가 흐르고, 상기 제2 스위치가 온 되면, 상기 제1 LED 열 내지 상기 제3 LED 열에 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향의 전류가 흐른다.

Description

ＡＣ 초퍼와 밸런싱 변압기를 이용한 ＬＥＤ 구동 장치 {Operating apparatus for LED using AC chopper and balancing transformer}

본 발명은 LED 구동 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 AC 초퍼(AC chopper)와 밸런싱 변압기(balancing transformer)를 이용한 LED 구동 장치에 관한 것이다.

일상 생활에서 상용 교류 전원을 이용한 형광등 및 백열전구는 일반적으로 가장 많이 사용되고 있다. 특히, 전력 효율이 우수하고 그 조도가 더 많이 확보되는 형광등이 더 많이 사용되고 있다.

조명기구의 경우, 전원이 공급되고 조명 설치가 용이한 장소에 필요한 경우 어떠한 곳에라도 설치가 가능하다. 시간이 지날수록 조명에 대한 수요가 많아지고 그 적용분야가 많아짐에 따라, 전체적인 소비전력에 따른 부하는 나날이 늘어가고 있는 실정에 있으므로 전력소비를 감소시키기 위한 노력이 다각적으로 행해지고 있다.

LED(Light Emitting Diode)는 일정 조건의 전류를 흘려 주면 즉시 발광하는 성질을 지니고 있는 반도체이다. 진공관이 트랜지스터, 고집적회로(LSI)로 진화된 것처럼, 조명등도 2세대 광원인 백열등, 3세대 광원인 형광등에서 4세대 광원으로 일컬어지는 반도체 광원인 LED로 급속히 진화될 것으로 예상되고 있다.

일반적으로 램프 타입의 LED는 전기 에너지를 광 방사(optical radiation)로 변환하는 반도체 소자로서, 사용 목적 또는 형태에 따라, 칩 발광다이오드를 선택적으로 박막 패턴이 형성된 인쇄 회로 기판 또는 리드 단자의 상부 면에 실장한 후, 칩과 기판 또는 리드 단자를 전기적으로 연결하고, 그 상부에 에폭시 등을 사용하여 몰드 성형부를 형성함으로써 구현된다. 이 때, 발광다이오드에서 발광되는 색에 따라 칩의 구조, 성장 방법 및 재료가 달라진다는 것은 잘 알려져 있다. 이와 같은 램프 타입의 발광 다이오드를 사용하여 전구를 제조할 수 있다.

또한, LED 광원은 기존 광원에 비해 수명이 길고, 고효율이며 소형 및 경량이고 수은을 사용하지 않아 환경친화적인 점 등 많은 장점이 있어 기존 광원을 급속히 대체해 나가고 있다.

LED 구동회로의 목적은 다수의 열로 이루어지는 LED 모듈에서 모든 LED 열에 일정한 전류를 흐르도록 제어하는 것이다. DSP(digital signal processor)를 이용하는 LED 구동회로의 경우, 여러 열의 LED에 대한 제어를 하게 되는데, 일반적으로 LED 1열당 하나의 구동회로가 구현되며, 이때 DSP는 다수의 구동회로를 제어하게 된다. 하지만 구동회로를 구성하는 소자의 오차 값에 의해 각각의 LED 모듈 간 완전하게 동일한 전류가 흐르도록 제어하는 것은 매우 어렵다.

LED 구동 장치는 입력된 AC 전압을 DC 전압으로 변경하는 정류기와, 원하는 크기의 DC 전압으로 변경하고 LED에 정 전류를 흘려주기 위한 DC-DC 컨버터 구조의 LED 구동회로를 포함하는 DC-LED 구동 장치와, DC-DC 컨버터가 생략된 구조의 AC-LED 구동 장치로 구분할 수 있다.

AC-LED 구동 장치는 플리커 현상이 발생하는 단점이 있지만 구조적으로 단순하여 상용화하는데 큰 장점을 가지고 있다.

기존의 AC-LED 구동 장치는 디밍(dimming)을 위하여 위상 제어 방식을 사용한다.

도 1은 트라이액(Triac)을 이용한 위상 제어 방법을 설명하기 위한 파형도이다.

도 1을 참조하면, 트라이액을 이용한 위상 제어 방법은 입력전원이 들어오면 트라이액(Triac)에 원하는 점호각에 점호신호를 주어서 스위치를 On/Off 제어하여 출력 전압의 크기를 제어할 수 있다. 여기서 트라이액(Triac)은 양방향 스위치이기 때문에 역방향 전압이 걸릴 때에도 도통될 수 있다.

예를 들어, AC전원의 위상검출 회로를 통하여 원하는 점호각에 점호신호를 줄 수 있다. 점호신호를 주기 전까지는 스위치가 Off 상태인데 점호신호를 주면 스위치가 On 되어서 입력전압이 출력으로 전달된다. 그리고 입력전압의 크기가 0이되면 트라이액의 특성대로 스위치가 오프된다. 역전압일 때에도 이를 만족한다. 이는 점호각의 크기를 조절함으로써 출력전압의 크기를 조절할 수 있음을 의미한다. 점호각의 크기는 0도에서 360도까지 정해줄 수 있다. 점호각의 크기가 커질수록 출력으로 전달되는 전압의 크기는 작아진다.

이와 같은 종래 AC-LED 구동 장치에서의 위상 제어 방식에서 부하에 병렬로 연결된 LED의 각 열에 정 전류를 흘려주기 위하여 밸런싱 변압기를 이용하게 되면, 변압기의 코어 크기가 상당히 커지게 되는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허 제10-1026392호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 하프 브릿지 구조의 AC-초퍼 방식을 이용하여 입력 전압을 높은 주파수로 변환하는 방법으로 LED의 디밍(dimming)을 수행할 수 있으며, 이와 함께 밸런싱 변압기의 코어 크기를 줄일 수 있는 LED 구동 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 LED(Light Emitting Diode)를 구동하기 위한 LED 구동 장치에 있어서, 하나 이상의 LED를 포함하는 제1 LED 열, 하나 이상의 LED를 포함하며, 상기 제1 LED 열과 병렬로 연결되어 있는 제2 LED 열, 하나 이상의 LED를 포함하며, 상기 제1 LED 열 및 제2 LED 열과 병렬로 연결되어 있는 제3 LED 열, 상기 LED 구동 장치에 AC 전원을 공급하기 위한 입력 전원, 상기 AC 전원을 전파 정류하기 위한 전파 정류부, 상기 전파 정류부에서 나오는 DC 전압이 인가되고, 하프 브릿지(Half bridge) 구조의 AC-초퍼(AC-Chopper) 방식으로 상기 제1 LED 열 내지 제3 LED 열을 구동시키는 하프 브릿지 구동 IC(Half bridge driver IC), 상기 제1 LED 열, 상기 제2 LED 열 및 상기 제3 LED 열의 각 열에 흐르는 전류를 균일하게 하기 위한 밸런싱 변압기, 상기 하프 브릿지 구동 IC에 의해 스위칭되는 제1 스위치 및 상기 하프 브릿지 구동 IC에 의해 스위칭되는 제2 스위치를 포함하고, 상기 제1 스위치 및 제2 스위치는 상기 하프 브릿지 구동 IC에 의해 미리 정해진 데드 타임(dead time)을 갖고 번갈아가면서 스위칭되며, 상기 제1 스위치가 온(on) 되면, 상기 제1 LED 열 내지 상기 제3 LED 열에 제1 방향의 전류가 흐르고, 상기 제2 스위치가 온 되면, 상기 제1 LED 열 내지 상기 제3 LED 열에 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향의 전류가 흐른다.

상기 LED 구동 장치는 상기 하프 브릿지 구동 IC와 상기 밸런싱 변압기 사이에 연결되는 제1 캐패시터(capacitor) 및 상기 하프 브릿지 구동 IC와 상기 밸런싱 변압기 사이에 연결되며 상기 제1 캐패시터와 병렬로 연결되는 제2 캐패시터를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 스위치는 일측이 상기 하프 브릿지 구동 IC와 상기 제1 캐패시터 사이에 연결되고, 타측이 상기 제1 LED 열 내지 상기 제3 LED 열에 연결되고, 상기 제2 스위치는 일측이 상기 제1 스위치의 타측에 연결되고, 타측이 상기 하프 브릿지 구동 IC와 상기 제2 캐패시터 사이에 연결될 수 있다.

상기 밸런싱 변압기는 Y자 형태로 상기 제1 LED 열 내지 상기 제3 LED 열에 각각 연결되어 각 열에 흐르는 전류를 균일하게 하는 Y형 밸런싱 변압기로 구현될 수 있다.

본 발명에 의하면 하프 브릿지 구조의 AC-초퍼(chopper) 방식을 이용하여 입력 전압을 높은 주파수로 변환하는 방식으로 LED 디밍(dimming)을 수행할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 의하면 밸런싱 변압기의 코어 크기를 줄일 수 있다. 이를 통해 본 발명에서는 비용을 절감할 수 있고, 코어 크기 감소로 인한 전체 시스템의 간소화를 구현할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 트라이액(Triac)을 이용한 위상 제어 방법을 설명하기 위한 파형도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하프 브릿지 구조의 AC-초퍼 방식이 적용된 LED 구동 장치의 회로도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 장치에서의 구동 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 장치에서 LED 열에 걸리는 전압 파형도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 LED(Light Emitting Diode)를 구동하기 위한 LED 구동 장치에 관한 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하프 브릿지 구조의 AC-초퍼 방식이 적용된 LED 구동 장치의 회로도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 LED 구동 장치는 입력전원, 전파 정류부, 하프 브릿지 구동 IC(Half bridge driver IC)(210), 밸런싱 변압기(100), 제1 스위치(S1), 제2 스위치(S2)를 포함하여 이루어진다.

제1 LED 열(LED1), 제2 LED 열(LED2), 제3 LED 열(LED3)은 각각 하나 이상의 LED를 포함하고 있으며, 각 열은 병렬로 연결되어 있는 구조이다.

입력 전원은 LED 구동 장치에 AC 전원을 공급한다.

전파 정류부는 AC 전원을 전파 정류하는 역할을 한다. 도 2에서 전파 정류부는 4개의 다이오드(diode)로 구현되어 있다. 예를 들어, AC 220V, 60Hz의 AC 전원이 전파 정류부를 통과하면 DC 311V가 된다.

하프 브릿지 구동 IC(210)는 전파 정류부에서 나오는 DC 전압이 인가되고, 하프 브릿지(Half bridge) 구조의 AC-초퍼(AC-Chopper) 방식으로 제1 LED 열(LED1) 내지 제3 LED 열(LED3)을 구동시킨다.

밸런싱 변압기(100)는 제1 LED 열(LED1), 제2 LED 열(LED2) 및 제3 LED 열(LED3)의 각 열에 흐르는 전류를 균일하게 하는 변압기이다. 본 발명에서 밸런싱 변압기(100)는 Y자 형태로 제1 LED 열(LED1) 내지 제3 LED 열(LED3)에 각각 연결되어 각 열에 흐르는 전류를 균일하게 하는 Y형 밸런싱 변압기로 구현될 수 있다. 이에 직렬로 연결된 커패시터(C1)는 결합도가 떨어져서 발생한 Y형 밸런싱 변압기의 리액턴스성분을 상쇄해주는 역할을 한다.

제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)는 하프 브릿지 구동 IC(210)에 의해 스위칭된다.

제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)는 하프 브릿지 구동 IC(210)에 의해 미리 정해진 데드 타임(dead time)을 갖고 번갈아가면서 스위칭된다.

제1 캐패시터(capacitor)는 하프 브릿지 구동 IC(210)와 밸런싱 변압기(100) 사이에 연결된다.

제2 캐패시터는 하프 브릿지 구동 IC(210)와 밸런싱 변압기(100) 사이에 연결되며 제1 캐패시터와 병렬로 연결되어 있다.

제1 스위치(S1)는 일측이 하프 브릿지 구동 IC(210)와 제1 캐패시터 사이에 연결되고, 타측이 제1 LED 열(LED1) 내지 제3 LED 열(LED3)에 연결된다.

제2 스위치(S2)는 일측이 제1 스위치(S1)의 타측에 연결되고, 타측이 하프 브릿지 구동 IC(210)와 제2 캐패시터 사이에 연결된다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 장치에서의 구동 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 3은 제1 스위치(S1)가 턴 온(turn on)되고, 제2 스위치(S2)가 턴 오프(turn off)되는 경우이다.

도 3에서 보는 바와 같이, 제1 LED 열 내지 제3 LED 열에 붉은 화살표 방향의 제1 방향의 전류가 흐르게 된다.

도 4는 제2 스위치(S2)가 턴 온(turn on)되고, 제1 스위치(S1)가 턴 오프(turn off)되는 경우이다.

도 4에서 보는 바와 같이, 제1 LED 열(LED1) 내지 제3 LED 열(LED3)에 제1 방향과 반대 방향인 붉은 화살표 방향의 제2 방향의 전류가 흐르게 된다.

이처럼 병렬로 연결된 제1 LED 열(LED1), 제2 LED 열(LED2), 제3 LED 열(LED3)에 걸리는 전압, 전류의 +와 -가 번갈아가면서 나타나게 된다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 장치에서 LED 열에 걸리는 전압 파형도이다.

도 5를 참조하면, 제1 LED 열(LED1), 제2 LED 열(LED2), 제3 LED 열(LED3)의 양단에 걸리는 전압 파형을 의미한다.

도 5에서 확대한 그림과 같이 입력전압의 절반의 크기가 걸리고, 제1 스위치(S1)가 온(On)되는 구간에는 +전압이 나타나고, 제2 스위치(S2)가 온(On)되는 구간에는 -전압이 걸리는 것을 볼 수 있다. 그리고 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)가 모두 오프(Off)되는 데드 타임(dead time)구간에는 전압이 0이 된다.

이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.

100 밸런싱 변압기 210 하프 브릿지 구동 IC
S1 제1 스위치 S2 제2 스위치
LED1 제1 LED 열 LED2 제2 LED 열
LED3 제3 LED 열

Claims

LED(Light Emitting Diode)를 구동하기 위한 LED 구동 장치에 있어서,
하나 이상의 LED를 포함하는 제1 LED 열;
하나 이상의 LED를 포함하며, 상기 제1 LED 열과 병렬로 연결되어 있는 제2 LED 열;
하나 이상의 LED를 포함하며, 상기 제1 LED 열 및 제2 LED 열과 병렬로 연결되어 있는 제3 LED 열;
상기 LED 구동 장치에 AC 전원을 공급하기 위한 입력 전원;
상기 AC 전원을 전파 정류하기 위한 전파 정류부;
상기 전파 정류부에서 나오는 DC 전압이 인가되고, 하프 브릿지(Half bridge) 구조의 AC-초퍼(AC-Chopper) 방식으로 상기 제1 LED 열 내지 제3 LED 열을 구동시키는 하프 브릿지 구동 IC(Half bridge driver IC);
상기 제1 LED 열, 상기 제2 LED 열 및 상기 제3 LED 열의 각 열에 흐르는 전류를 균일하게 하기 위한 밸런싱 변압기;
상기 하프 브릿지 구동 IC에 의해 스위칭되는 제1 스위치; 및
상기 하프 브릿지 구동 IC에 의해 스위칭되는 제2 스위치를 포함하고,
상기 제1 스위치 및 제2 스위치는 상기 하프 브릿지 구동 IC에 의해 미리 정해진 데드 타임(dead time)을 갖고 번갈아가면서 스위칭되며, 상기 제1 스위치가 온(on) 되면, 상기 제1 LED 열 내지 상기 제3 LED 열에 제1 방향의 전류가 흐르고, 상기 제2 스위치가 온 되면, 상기 제1 LED 열 내지 상기 제3 LED 열에 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향의 전류가 흐르는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 LED 구동 장치는,
상기 하프 브릿지 구동 IC와 상기 밸런싱 변압기 사이에 연결되는 제1 캐패시터(capacitor); 및
상기 하프 브릿지 구동 IC와 상기 밸런싱 변압기 사이에 연결되며 상기 제1 캐패시터와 병렬로 연결되는 제2 캐패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 제1 스위치는 일측이 상기 하프 브릿지 구동 IC와 상기 제1 캐패시터 사이에 연결되고, 타측이 상기 제1 LED 열 내지 상기 제3 LED 열에 연결되고,
상기 제2 스위치는 일측이 상기 제1 스위치의 타측에 연결되고, 타측이 상기 하프 브릿지 구동 IC와 상기 제2 캐패시터 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 밸런싱 변압기는 Y자 형태로 상기 제1 LED 열 내지 상기 제3 LED 열에 각각 연결되어 각 열에 흐르는 전류를 균일하게 하는 Y형 밸런싱 변압기인 것임을 특징으로 하는 LED 구동 장치.