KR101723894B1 - 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치 - Google Patents

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KR101723894B1
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계명대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치로서, LED 조명등을 구동시키기 위한 직류 동작전원을 공급하는 전원부; 상기 전원부로부터 공급되는 직류 동작전원을 공급받아 점등되는 LED 조명등; 상기 LED 조명등에 인덕터1(L1)과 인덕터2(L2)가 커플링 되어 병렬 접속되는 인덕터부; 상기 인덕터부의 인덕터1(L1)과 인덕터2(L2)에 축적되는 인덕터 전류를 상기 LED 조명등으로 환류 시키는 다이오드1(D1) 및 다이오드2(D2)로 구성되는 다이오드부; 및 상호 보완적으로 온/오프(on/off) 스위칭 하는 Q1 스위치와 Q2 스위치를 직렬 접속하되, 상기 Q1 스위치는 상기 인덕터부의 인덕터1(L1)과 직렬 접속되고, 상기 Q2 스위치는 상기 Q1 스위치와 직렬 접속된 상태에서 상기 인덕터부의 인덕터2(L2)와 직렬 접속되는 스위칭부를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하고 있는 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치에 따르면, LED 조명등에 병렬 접속되는 인덕터부의 인덕터1과 인덕터2를 커플링 된 하나의 자성체 코어로 구성하고, 인덕터 전류를 LED 조명등으로 환류 시키는 다이오드부의 다이오드1 및 다이오드2를 통해 2개의 프리 휠링 패스를 형성하며, 상호 보완적으로 온/오프 스위칭 하는 Q1 스위치와 Q2 스위치를 직렬 접속하되, Q1 스위치는 인덕터1과 직렬 접속되고, Q2 스위치는 Q1 스위치와 직렬 접속된 상태에서 인덕터2와 직렬 접속되는 스위치부로 구성함으로써, 반도체 소자의 전압 스트레스의 저감 및 전력 손실이 감소되고, 그 결과로 고주파 구동이 가능해질 수 있도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 스위칭부의 Q1 스위치 및 Q2 스위치의 고주파 구동이 가능해짐으로써, LED 구동 장치의 수명에 영향을 주었던 전해 콘덴서를 제거하고, LED 구동 장치의 장수명을 보장할 수 있도록 하며, 고주파 구동으로 LED 플리커 문제가 제거되고, 디밍 해상도도 크게 개선될 수 있도록 할 수 있다.

Description

고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치{A DRIVER DEVICE HAVING HIGH EFFICIENCY AND LONG LIFE TIME FOR LIGHT EMITTING DIODE}
본 발명은 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 반도체 소자의 전압 스트레스를 기존 벅 컨버터 기반의 LED 조명 구동 장치 대비 크게 저감시킬 수 있도록 구성됨으로써, 발생되는 전력 손실이 개선되고, 그 결과로 고주파 구동이 가능해질 수 있도록 하는 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치에 관한 것이다.
2014년 세계의 LED 조명 시장은 전년대비 22.28% 성장된 것으로 보고되고 있다. 시장에서는 아시아태평양 지역이 큰 점유율을 차지하고 있으며, 국가별로 보면 최대 시장은 중국이고, 미국과 일본이 뒤를 잇고 있는 추세이다. 우리나라 정부는 이러한 추세에 발맞춰 2020년까지 공공부문 100%, 전체 60%의 LED 조명 보급률을 목표로 다양한 정책을 제시하고 있다. 이에 맞춰 공공기관 설치 의무화를 통해 2020년까지 100% 교체를 목표로 하고 있으며, 민간 부문의 경우 지하주차장 등 장시간 사용조명을 우선 의무화하고, 실내등을 포함한 전체조명 중 LED 조명 설치 비율 확대를 위해 에너지 성능지표 검토서 상 LED 적용비율을 20%에서 30%로 향상시키도록 하고 있다. 또한, 지하철, 공항, 도로 등 대규모 조명사용처의 경우 정책금융, 융자자금 등을 활용해 우선 교체한다는 입장을 취하고 있다. 이처럼 LED 조명 시장의 시장 규모 및 성장성은 확실히 보장되어 있고 미래 지향적인 분야임을 알 수 있다.
LED 조명 장치에 사용되는 발광 다이오드(Light Emitting Diode)는 화합물 반도체(compound semiconductor)의 일종으로, 우수한 단색성 피크 파장을 가지며 광 효율성이 우수하고 소형화가 가능하다는 장점과 친환경, 저소비전력 등의 이유로 TV, 컴퓨터, 조명, 자동차 등 여러 분야에서 널리 사용되고 있으며, 점차적으로 활용분야를 넓혀 나가고 있다. 이러한 발광 다이오드는 주로 LCD 백라이트, 옥내외 디스플레이와 조명기구 분야에 적용되고 있는 특성상, 발광다이오드 밝기의 정밀한 제어와 입력전력 대비 발광다이오드로 출력되는 전력의 비율, 즉 전력효율은 매우 중요하다. 이때, 발광다이오드에서 출력되는 빛의 밝기, 즉 광속은 전류에 가장 직접적인 영향을 받으며, 다이오드에 걸리는 전압의 미세한 전압 변동에도 전류가 크게 변하기 때문에 발광 다이오드 전원장치에 있어서는 전류의 정밀한 제어가 필수적이다.
도 1은 종래의 벅 컨버터(Buck converter)형 발광 다이오드 구동 장치의 회로 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 종래의 벅 컨버터형 발광 다이오드 구동 장치의 다른 회로 구성을 도시한 도면이며, 도 3 및 도 4는 도 2에 따른 종래의 벅 컨버터형 발광 다이오드 구동 장치의 스위칭 스트레스 및 리플 측정을 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 벅 컨버터형 발광 다이오드 구동장치는, 정류된 직류전원을 출력하는 전원부(Vs)와, 전원부(Vs)로부터의 전원을 평활하는 평활용 콘덴서(C)와, 스위치(SW) 온 시간 동안에 흐르는 전류를 이용하여 에너지를 축적하고 스위치(SW)가 오프되면 앞서 축적된 에너지를 이용하여 에너지가 소진될 때까지 전류를 흐르게 하는 인덕터(L)와, 스위치(SW) 오프 시 인덕터(L)에 축적된 에너지에 의해서 흐르게 되는 전류를 LED 소자 앞으로 환류 시키는 환류 다이오드(D)와, 복수의 LED를 포함하는 LED 소자 및 인덕터(L)에 흐르는 전류의 경로를 온/오프하는 스위치(SW), 및 스위치(SW)의 온/오프 동작을 제어하는 스위치 제어부로 구성되어 있다. 이러한 종래의 벅 컨버터형 발광 다이오드 구동 장치는 입력 전압이 다이오드 동작 전압 이하 구간에서는 전류가 흐르지 않아서 저류 파형이 입력파형과 일치하지 않게 동작하기 때문에 역율이 낮은 문제가 있으며, 이러한 낮은 역율을 개선하기 위해서는 별도의 역율 제어회로가 구비되고, 전류의 안정적인 제어를 위해 고전압 대용량의 콘덴서를 사용해야 하는 문제가 있다. 도 2는 종래의 벅 컨버터형 발광 다이오드 구동 장치의 다른 회로 구성을 나타내며, 전원부(Vs)에 병렬 접속된 2개의 스위치(Q1, Q2)와, 2개의 스위치(Q1, Q2)에 각각 접속되어 병렬 배치되는 인덕터(L1, L2)와, LED 조명등, 디밍 회로부, 2개의 환류 다이오드(D1, D2), 및 콘덴서(Co)의 회로로 구성되어 있다. 상기와 같은 종래의 벅 컨버터형 발광 다이오드 구동 장치들은, 하드 스위칭(hard switching) 동작에 의한 효율 악화로 고주파 구동이 불가하였고, 플리커(flicker)를 발생시키는 문제가 있었다. 대한민국 등록특허공보 제10-1451498호 및 대한민국 등록특허공보 제10-1280807호는 발광 소자 구동 장치를 선행기술 문헌으로 개시하고 있다.
본 발명은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, LED 조명등에 병렬 접속되는 인덕터부의 인덕터1과 인덕터2를 커플링 된 하나의 자성체 코어로 구성하고, 인덕터 전류를 LED 조명등으로 환류 시키는 다이오드부의 다이오드1 및 다이오드2를 통해 2개의 프리 휠링 패스를 형성하며, 상호 보완적으로 온/오프 스위칭 하는 Q1 스위치와 Q2 스위치를 직렬 접속하되, Q1 스위치는 인덕터1과 직렬 접속되고, Q2 스위치는 Q1 스위치와 직렬 접속된 상태에서 인덕터2와 직렬 접속되는 스위치부로 구성함으로써, 반도체 소자의 전압 스트레스의 저감 및 전력 손실이 감소되고, 그 결과로 고주파 구동이 가능해질 수 있도록 하는, 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 스위칭부의 Q1 스위치 및 Q2 스위치의 고주파 구동이 가능해짐으로써, LED 구동 장치의 수명에 영향을 주었던 전해 콘덴서를 제거하고, LED 구동 장치의 장수명을 보장할 수 있도록 하며, 고주파 구동으로 LED 플리커 문제가 제거되고, 디밍 해상도도 크게 개선될 수 있도록 하는, 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치는,
고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치로서,
LED 조명등을 구동시키기 위한 직류 동작전원을 공급하는 전원부;
상기 전원부로부터 공급되는 직류 동작전원을 공급받아 점등되는 LED 조명등;
상기 LED 조명등에 인덕터1(L1)과 인덕터2(L2)가 커플링 되어 병렬 접속되는 인덕터부;
상기 인덕터부의 인덕터1(L1)과 인덕터2(L2)에 축적되는 인덕터 전류를 상기 LED 조명등으로 환류 시키는 다이오드1(D1) 및 다이오드2(D2)로 구성되는 다이오드부; 및
상호 보완적으로 온/오프(on/off) 스위칭 하는 Q1 스위치와 Q2 스위치를 직렬 접속하되, 상기 Q1 스위치는 상기 인덕터부의 인덕터1(L1)과 직렬 접속되고, 상기 Q2 스위치는 상기 Q1 스위치와 직렬 접속된 상태에서 상기 인덕터부의 인덕터2(L2)와 직렬 접속되는 스위칭부를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 LED 조명등은,
적어도 하나 이상의 LED 소자를 포함하여 구성할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 LED 조명등은,
복수의 LED 소자를 포함하되, 복수의 LED 소자들이 서로 전기적으로 직렬 접속되는 스트링 배열로 구성될 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 LED 조명등은,
복수의 LED 소자를 포함하되, 복수의 LED 소자를 갖는 직렬 스트링 배열이 둘 이상 병렬로 연결되도록 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 인덕터부는,
상기 인덕터1(L1)과 인덕터2(L2)가 커플링 된 하나의 자성체 코어로 제작 구성될 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 인덕터부는,
상기 인덕터1(L1)과 인덕터2(L2)가 회로 기능적으로 분리되는 하나의 부품 소자로 구성될 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 다이오드부는,
상기 다이오드1(D1)과 다이오드2(D2)를 통해 상기 인덕터부의 인덕터1(L1)과 인덕터2(L2)에 축적된 에너지에 의해 흐르게 되는 인덕터 전류의 프리 휘링 패스(freewheeling path)를 각각 형성할 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 다이오드부는,
상기 스위칭부의 Q1 스위치 및 Q2 스위치의 상호 보완적인 스위칭 동작에 대응한 2개의 프리 휠링 패스를 형성하되, 상기 Q1 스위치가 오프일 때 다이오드1(D1)의 프리 휠링 패스가 활성화로 선택되고, 상기 Q2 스위치가 오프일 때 다이오드2(D2)의 프리 휠링 패스가 활성화로 선택되도록 할 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 다이오드1(D1)과 다이오드2(D2)는,
전력 손실을 최소화시키고 효율을 높이기 위해 전류를 회생시키는 스위치 회로 기능을 갖는 프리휠 다이오드이다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 Q1 스위치 및 Q2 스위치는,
상호 보완적으로 온/오프(on/off) 스위칭 하도록 직렬 접속하되, 고주파 구동으로 스위칭 제어될 수 있다.
더더욱 바람직하게는, 상기 Q1 스위치 및 Q2 스위치는,
고주파 구동의 고속으로 안정적인 스위칭 제어되는 FET(Field Effect Transistor)로 구성될 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 스위칭부는,
상기 Q1 스위치와 Q2 스위치의 직렬 연결되는 접점과 상기 인덕터1(L1) 사이에 콘덴서(Cb)를 더 포함하여 구성할 수 있다.
더더욱 바람직하게는, 상기 콘덴서(Cb)는,
장수명을 특징으로 갖는 필름 콘덴서로 구성할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예의 특징에 따른 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치는,
고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치로서,
LED 조명등을 구동시키기 위한 직류 동작전원을 공급하는 전원부;
상기 전원부로부터 공급되는 직류 동작전원을 공급받아 점등되는 LED 조명등;
상기 LED 조명등에 인덕터1(L1)과 인덕터2(L2)가 커플링 되어 병렬 접속되는 인덕터부;
상기 인덕터부의 인덕터1(L1)과 인덕터2(L2)에 축적되는 인덕터 전류를 상기 LED 조명등으로 환류 시키는 다이오드1(D1) 및 다이오드2(D2)로 구성되는 다이오드부;
상호 보완적으로 온/오프(on/off) 스위칭 하는 Q1 스위치와 Q2 스위치를 직렬 접속하되, 상기 Q1 스위치는 상기 인덕터부의 인덕터1(L1)과 콘덴서(Cb)를 매개로 직렬 접속되고, 상기 Q2 스위치는 상기 Q1 스위치와 직렬 접속된 상태에서 상기 인덕터부의 인덕터2(L2)와 직렬 접속되는 스위칭부; 및
상기 LED 조명등의 밝기를 조정하기 위해 일단이 상기 LED 조명등과 직렬 접속되고 타단이 상기 전원부와 접속되며, 상기 LED 조명등과 병렬 접속되는 콘덴서(Co)를 구비하는 디밍(Dimming) 회로부를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 LED 조명등은,
적어도 하나 이상의 LED 소자를 포함하되, 복수의 LED 소자들이 서로 전기적으로 직렬 접속되는 스트링 배열로 구성될 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 LED 조명등은,
복수의 LED 소자를 포함하되, 복수의 LED 소자를 갖는 직렬 스트링 배열이 둘 이상 병렬로 연결되도록 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 인덕터부는,
상기 인덕터1(L1)과 인덕터2(L2)가 커플링 된 하나의 자성체 코어로 제작하되, 상기 인덕터1(L1)과 인덕터2(L2)가 회로 기능적으로 분리되는 하나의 부품 소자로 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 다이오드부는,
상기 다이오드1(D1)과 다이오드2(D2)를 통해 상기 인덕터부의 인덕터1(L1)과 인덕터2(L2)에 축적된 에너지에 의해 흐르게 되는 인덕터 전류의 프리 휘링 패스(freewheeling path)를 각각 형성할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 다이오드부는,
상기 스위칭부의 Q1 스위치 및 Q2 스위치의 상호 보완적인 스위칭 동작에 대응한 2개의 프리 휠링 패스를 형성하되, 상기 Q1 스위치가 오프일 때 다이오드1(D1)의 프리 휠링 패스가 활성화로 선택되고, 상기 Q2 스위치가 오프일 때 다이오드2(D2)의 프리 휠링 패스가 활성화로 선택되도록 할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 다이오드1(D1)과 다이오드2(D2)는,
전력 손실을 최소화시키고 효율을 높이기 위해 전류를 회생시키는 스위치 회로 기능을 갖는 프리휠 다이오드이다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 Q1 스위치 및 Q2 스위치는,
상호 보완적으로 온/오프(on/off) 스위칭 하도록 직렬 접속하되, 고주파 구동으로 스위칭 제어되는 FET(Field Effect Transistor)로 구성될 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 콘덴서(Cb)와 상기 콘덴서(Co)는,
장수명을 특징으로 갖는 필름 콘덴서로 구성할 수 있다.
본 발명에서 제안하고 있는 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치에 따르면, LED 조명등에 병렬 접속되는 인덕터부의 인덕터1과 인덕터2를 커플링 된 하나의 자성체 코어로 구성하고, 인덕터 전류를 LED 조명등으로 환류 시키는 다이오드부의 다이오드1 및 다이오드2를 통해 2개의 프리 휠링 패스를 형성하며, 상호 보완적으로 온/오프 스위칭 하는 Q1 스위치와 Q2 스위치를 직렬 접속하되, Q1 스위치는 인덕터1과 직렬 접속되고, Q2 스위치는 Q1 스위치와 직렬 접속된 상태에서 인덕터2와 직렬 접속되는 스위치부로 구성함으로써, 반도체 소자의 전압 스트레스의 저감 및 전력 손실이 감소되고, 그 결과로 고주파 구동이 가능해질 수 있도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 스위칭부의 Q1 스위치 및 Q2 스위치의 고주파 구동이 가능해짐으로써, LED 구동 장치의 수명에 영향을 주었던 전해 콘덴서를 제거하고, LED 구동 장치의 장수명을 보장할 수 있도록 하며, 고주파 구동으로 LED 플리커 문제가 제거되고, 디밍 해상도도 크게 개선될 수 있도록 할 수 있다.
도 1은 종래의 벅 컨버터(Buck converter)형 발광 다이오드 구동 장치의 회로 구성을 도시한 도면.
도 2는 종래의 벅 컨버터형 발광 다이오드 구동 장치의 다른 회로 구성을 도시한 도면.
도 3 및 도 4는 도 2에 따른 종래의 벅 컨버터형 발광 다이오드 구동 장치의 스위칭 스트레스 및 리플 측정을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치의 회로 구성을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치의 다른 일례의 회로 구성을 도시한 도면.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치의 스위칭 스트레스 및 리플 측정을 도시한 도면.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치에 대한 성능 평가를 도시한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’ 되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’ 되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 ‘간접적으로 연결’ 되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 ‘포함’ 한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치의 회로 구성을 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치의 다른 일례의 회로 구성을 도시한 도면이며, 도 7 및 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치의 스위칭 스트레스 및 리플 측정을 도시한 도면이고, 도 9 및 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치에 대한 성능 평가를 도시한 도면이다. 도 5 및 도 6에 각각 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치(100)는, 전원부(110), LED 조명등(120), 인덕터부(130), 다이오드부(140), 및 스위칭부(150)를 포함하여 구성될 수 있으며, 디밍 회로부(160)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
전원부(110)는, LED 조명등(120)을 구동시키기 위한 직류 동작전원을 공급하는 전원장치의 구성이다. 이러한 전원부(110)는 LED 조명 구동 장치에 일반적으로 사용되는 구성에 해당하므로 불필요한 설명은 생략하기로 한다.
LED 조명등(120)은, 전원부(110)로부터 공급되는 직류 동작전원을 공급받아 점등되는 구성이다. 이러한 LED 조명등(120)은 내부 구성으로 적어도 하나 이상의 LED 소자를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, LED 조명등(120)은 내부 구성으로 이루어지는 복수의 LED 소자를 포함하되, 복수의 LED 소자들이 서로 전기적으로 직렬 접속되는 스트링(string) 배열로 구성될 수 있다. 또한, LED 조명등(120)은 내부 구성으로 복수의 LED 소자를 포함하되, 복수의 LED 소자를 갖는 직렬 스트링 배열이 둘 이상 병렬로 연결되도록 구성될 수도 있다.
인덕터부(130)는, LED 조명등(120)에 인덕터1(L1)과 인덕터2(L2)가 커플링 되어 병렬 접속되는 구성이다. 이러한 인덕터부(130)는 인덕터1(L1)과 인덕터2(L2)가 커플링 된 하나의 자성체 코어로 제작 구성될 수 있다. 즉, 인덕터부(130)는 커플링 되어 하나의 자성체 코어로 구성되는 인덕터1(L1)과 인덕터2(L2)가 회로 기능적으로는 분리되고 있으나, 실제로는 자성체 코어로 이루어지는 하나의 부품 소자로 구성된다. 여기서, 인덕터부(130)의 인덕터1(L1)과 인덕터(L2)는 후술하게 될 스위칭부(150)의 Q1 스위치와 Q2 스위치의 온(On) 시간 동안에 흐르는 전류를 이용하여 에너지를 축적하고, Q1 스위치와 Q2 스위치가 오프(Off)되면 앞서 축적된 에너지가 소진될 때 까지 전류를 흐르게 하는 기능을 한다.
다이오드부(140)는, 인덕터부(130)의 인덕터1(L1)과 인덕터2(L2)에 축적되는 인덕터 전류를 LED 조명등(120)으로 환류 시키는 다이오드1(D1) 및 다이오드2(D2)로 구성되는 구성이다. 이러한 다이오드부(140)는 다이오드1(D1)과 다이오드2(D2)를 통해 인덕터부(130)의 인덕터1(L1)과 인덕터2(L2)에 축적된 에너지에 의해 흐르게 되는 인덕터 전류의 프리 휘링 패스(freewheeling path)를 각각 형성하게 된다. 여기서, 다이오드부(140)는 스위칭부(150)의 Q1 스위치 및 Q2 스위치의 상호 보완적인 스위칭 동작에 대응한 2개의 프리 휠링 패스를 형성하되, Q1 스위치가 오프일 때 다이오드1(D1)의 프리 휠링 패스가 활성화로 선택되고, Q2 스위치가 오프일 때 다이오드2(D2)의 프리 휠링 패스가 활성화로 선택되어 인덕터 전류를 LED 조명부(120)로 환류 시키게 된다. 또한, 다이오드부(140)의 다이오드1(D1)과 다이오드2(D2)는 전력 손실을 최소화시키고 효율을 높이기 위해 전류를 회생시키는 스위치 회로 기능을 갖는 프리휠 다이오드로 구성된다.
스위칭부(150)는, 상호 보완적으로 온/오프(on/off) 스위칭 하는 Q1 스위치와 Q2 스위치를 직렬 접속하되, Q1 스위치는 인덕터부(130)의 인덕터1(L1)과 직렬 접속되고, Q2 스위치는 Q1 스위치와 직렬 접속된 상태에서 인덕터부(130)의 인덕터2(L2)와 직렬 접속되는 스위칭 구성이다. 이러한 스위칭부(150)의 Q1 스위치 및 Q2 스위치는 상호 보완적으로 온/오프(on/off) 스위칭 하도록 직렬 접속하되, 고주파 구동으로 스위칭 제어될 수 있다. 여기서, Q1 스위치 및 Q2 스위치는 고주파 구동의 고속으로 안정적인 스위칭 제어되는 FET(Field Effect Transistor)로 구성됨이 바람직하다. 또한, 스위칭부(150)는 Q1 스위치와 Q2 스위치의 직렬 연결되는 접점과 인덕터1(L1) 사이에 콘덴서(Cb)를 더 포함하여 구성할 수 있으며, 이때 콘덴서(Cb)는 장수명을 특징으로 갖는 필름 콘덴서로 구성할 수 있다.
디밍 회로부(160)는, LED 조명등(120)의 밝기를 조정하기 위해 일단이 LED 조명등(120)과 직렬 접속되고 타단이 전원부(110)와 접속되는 구성이다. 이러한 디밍 회로부(160)는 도 6에 도시된 바와 같이, LED 조명등(120)과 병렬 접속되는 콘덴서(Co)를 구비할 수 있으며, 여기서 콘덴서(Co)는 장수명을 특징으로 갖는 필름 콘덴서로 구성될 수 있다. 즉, 디밍 회로부(160)는 본 발명의 일실시예에 따른 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치(100)에서 옵션(option)이 될 수 있으며, 디밍(dimming) 기능이 요구되지 않는 LED 구동 장치에서는 디밍 회로부(150)와 콘덴서(Co)가 제거되는 회로로 구성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치(100)에서 디밍 기능이 요구되지 않는 구동회로로서, 디밍 회로부(160)와 콘덴서(Co)가 제거된 LED 구동회로를 나타낸다. 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치(100)에서 디밍 기능이 요구되는 구동회로로서, 디밍 회로부(160)와 콘덴서(Co)가 더 부가된 LED 구동회로를 나타낸다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 발광 다이오드 구동 장치(100)는 전원부(110)와, LED 조명등(120)과, 인덕터부(130)와, 다이오드부(140), 및 스위칭부(150)를 공통되는 구성으로 포함하고, 디밍 기능의 구현에 따른 디밍 회로부(160)와 콘덴서(Co)가 삭제되거나 추가되는 구성의 차이와, 일부 구성의 배치 구조에 차이가 있을 뿐 동일한 원리로 작동될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 고효율 장수명 발광 다이오드 장치의 구동에 따른 스위칭 스트레스의 측정을 나타내고, 도 8은 본 발명에 따른 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치의 구동에 따른 저감된 LED 전류의 리플 측정을 나타낸다. 도 7은 본 발명의 전압 스트레스가 도 3에 도시된 기존의 높은 전압 스트레스에 비해 50% 절감되고, 전력 손실이 대폭 감소된 측정 데이터를 나타낸다. 즉, 전압 스트레스가 기존 대비 50% 저감시킴에 따라 발생되는 전력 손실이 개선됨으로써, 고주파 구동이 가능해지게 되고, LED 구동 장치의 수명에 영향을 주었던 전해 콘덴서를 제거함에 따라 반도체 가격 절감이 이루어지고, 높은 수준의 쿨링 시스템이 불필요하게 되어 저렴한 비용으로 쿨링 시스템의 구현이 가능하며, 1개의 인덕터 구성으로 재료비가 절감될 수 있도록 할 수 있다. 도 8은 저감된 LED 전류의 리플(ripple) 감소된 측정 데이터를 나타낸다. 즉, 전력 손실 개선에 따른 스위칭 주파수 상승으로 완전 제거가 가능하고, 저감된 LED 전류의 리플에 따른 플리커(flicker)에 덜 민감하게 되며, 도 4에 도시된 기존의 전해 콘덴서의 제거가 가능해져 LED의 장수명이 보장될 수 있게 된다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치에 대한 성능 평가를 나타낸다. 즉, 도 9는 종래의 발광 다이오드 구동 장치(도 2 참조)와 본 발명에 따른 발광 다이오드 구동 장치(도 5 및 도 6 참조)에 대한 Q1 스위치 및 Q2 스위치의 스위칭 손실과, 커패시터 방전 손실과 함께 전체 성능을 그래프로 도식화하여 나타내고 있다. 도 10은 종래의 발광 다이오드 구동 장치(도 2 참조)와 본 발명에 따른 발광 다이오드 구동 장치(도 5 및 도 6 참조)에 대한 출력 부하에 따른 효율을 나타낸다.
상술한 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치에 따르면, 반도체 소자의 전압 스트레스를 기존 벅 컨버터형 구동 장치 대비 50% 이상 저감시킬 수 있도록 구성됨으로써, 발생되는 전력 손실을 크게 개선하고, 그 결과로 인해 고주파 구동이 가능해져 LED 구동 장치의 수명에 영향을 주었던 전해 콘덴서를 제거할 수 있어 LED 구동장치의 장수명을 보장할 수 있도록 할 수 있습니다. 또한, 고주파 구동으로 LED 플리커 문제가 제거 되었으며, 디밍 해상도가 크게 개선되었으며, LED 조명 구동 장치 이외에도 컴퓨터 CPU 전력변환장치 등으로 확장 구현이 가능하도록 할 수 있습니다.
이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 본 발명의 일실시예에 따른 발광 다이오드 구동 장치
110: 전원부 120: LED 조명등
130: 인덕터부 140: 다이오드부
150: 스위칭부 160: 디밍 회로부
L1, L2: 인덕터 D1, D2: 다이오드
Cb, Co: 콘덴서

Claims (22)

  1. 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치로서,
    LED 조명등(120)을 구동시키기 위한 직류 동작전원을 공급하는 전원부(110);
    상기 전원부(110)로부터 공급되는 직류 동작전원을 공급받아 점등되는 LED 조명등(120);
    상기 LED 조명등(120)에 인덕터1(L1)과 인덕터2(L2)가 커플링 되어 병렬 접속되는 인덕터부(130);
    상기 인덕터부(130)의 인덕터1(L1)과 인덕터2(L2)에 축적되는 인덕터 전류를 상기 LED 조명등(120)으로 환류 시키는 다이오드1(D1) 및 다이오드2(D2)로 구성되는 다이오드부(140); 및
    상호 보완적으로 온/오프(on/off) 스위칭 하는 Q1 스위치와 Q2 스위치를 직렬 접속하되, 상기 Q1 스위치는 상기 인덕터부(130)의 인덕터1(L1)과 직렬 접속되고, 상기 Q2 스위치는 상기 Q1 스위치와 직렬 접속된 상태에서 상기 인덕터부(130)의 인덕터2(L2)와 직렬 접속되는 스위칭부(150)를 포함하되,
    상기 LED 조명등(120)은,
    복수의 LED 소자를 포함하고, 복수의 LED 소자들이 서로 전기적으로 직렬 접속되는 스트링 배열로 구성되되, 복수의 LED 소자를 갖는 직렬 스트링 배열이 둘 이상 병렬로 연결되도록 구성되며,
    상기 다이오드부(140)는,
    상기 스위칭부(150)의 Q1 스위치 및 Q2 스위치의 상호 보완적인 스위칭 동작에 대응한 2개의 프리 휠링 패스를 형성하되, 상기 Q1 스위치가 오프일 때 다이오드1(D1)의 프리 휠링 패스가 활성화로 선택되고, 상기 Q2 스위치가 오프일 때 다이오드2(D2)의 프리 휠링 패스가 활성화로 선택되도록 구성하며,
    상기 Q1 스위치 및 Q2 스위치는,
    상호 보완적으로 온/오프(on/off) 스위칭 하도록 직렬 접속하되, 고주파 구동으로 스위칭 제어되고,
    상기 스위칭부(150)는,
    상기 Q1 스위치와 Q2 스위치의 직렬 연결되는 접점과 상기 인덕터1(L1) 사이에 콘덴서(Cb)를 더 포함하여 구성하고, 상기 콘덴서(Cb)는 장수명을 특징으로 갖는 필름 콘덴서로 구성하는 것을 특징으로 하는, 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 인덕터부(130)는,
    상기 인덕터1(L1)과 인덕터2(L2)가 커플링 된 하나의 자성체 코어로 제작 구성되는 것을 특징으로 하는, 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 인덕터부(130)는,
    상기 인덕터1(L1)과 인덕터2(L2)가 회로 기능적으로 분리되는 하나의 부품 소자로 구성되는 것을 특징으로 하는, 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 다이오드부(140)는,
    상기 다이오드1(D1)과 다이오드2(D2)를 통해 상기 인덕터부(130)의 인덕터1(L1)과 인덕터2(L2)에 축적된 에너지에 의해 흐르게 되는 인덕터 전류의 프리 휘링 패스(freewheeling path)를 각각 형성하는 것을 특징으로 하는, 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서, 상기 다이오드1(D1)과 다이오드2(D2)는,
    전력 손실을 최소화시키고 효율을 높이기 위해 전류를 회생시키는 스위치 회로 기능을 갖는 프리휠 다이오드인 것을 특징으로 하는, 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치.
  10. 삭제
  11. 제7항에 있어서, 상기 Q1 스위치 및 Q2 스위치는,
    고주파 구동의 고속으로 안정적인 스위칭 제어되는 FET(Field Effect Transistor)인 것을 특징으로 하는, 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치로서,
    LED 조명등(120)을 구동시키기 위한 직류 동작전원을 공급하는 전원부(110);
    상기 전원부(110)로부터 공급되는 직류 동작전원을 공급받아 점등되는 LED 조명등(120);
    상기 LED 조명등(120)에 인덕터1(L1)과 인덕터2(L2)가 커플링 되어 병렬 접속되는 인덕터부(130);
    상기 인덕터부(130)의 인덕터1(L1)과 인덕터2(L2)에 축적되는 인덕터 전류를 상기 LED 조명등(120)으로 환류 시키는 다이오드1(D1) 및 다이오드2(D2)로 구성되는 다이오드부(140);
    상호 보완적으로 온/오프(on/off) 스위칭 하는 Q1 스위치와 Q2 스위치를 직렬 접속하되, 상기 Q1 스위치는 상기 인덕터부(130)의 인덕터1(L1)과 콘덴서(Cb)를 매개로 직렬 접속되고, 상기 Q2 스위치는 상기 Q1 스위치와 직렬 접속된 상태에서 상기 인덕터부(130)의 인덕터2(L2)와 직렬 접속되는 스위칭부(150); 및
    상기 LED 조명등(120)의 밝기를 조정하기 위해 일단이 상기 LED 조명등(120)과 직렬 접속되고 타단이 상기 전원부(110)와 접속되며, 상기 LED 조명등(120)과 병렬 접속되는 콘덴서(Co)를 구비하는 디밍(Dimming) 회로부(160)를 포함하되,
    상기 LED 조명등(120)은,
    복수의 LED 소자를 포함하고, 복수의 LED 소자들이 서로 전기적으로 직렬 접속되는 스트링 배열로 구성되되, 복수의 LED 소자를 갖는 직렬 스트링 배열이 둘 이상 병렬로 연결되도록 구성되며,
    상기 다이오드부(140)는,
    상기 스위칭부(150)의 Q1 스위치 및 Q2 스위치의 상호 보완적인 스위칭 동작에 대응한 2개의 프리 휠링 패스를 형성하되, 상기 Q1 스위치가 오프일 때 다이오드1(D1)의 프리 휠링 패스가 활성화로 선택되고, 상기 Q2 스위치가 오프일 때 다이오드2(D2)의 프리 휠링 패스가 활성화로 선택되도록 구성하며,
    상기 Q1 스위치 및 Q2 스위치는,
    상호 보완적으로 온/오프(on/off) 스위칭 하도록 직렬 접속하되, 고주파 구동으로 스위칭 제어되고,
    상기 콘덴서(Cb)와 상기 콘덴서(Co)는,
    장수명을 특징으로 갖는 필름 콘덴서로 구성하는 것을 특징으로 하는, 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제14항에 있어서, 상기 인덕터부(130)는,
    상기 인덕터1(L1)과 인덕터2(L2)가 커플링 된 하나의 자성체 코어로 제작하되, 상기 인덕터1(L1)과 인덕터2(L2)가 회로 기능적으로 분리되는 하나의 부품 소자로 구성되는 것을 특징으로 하는, 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 다이오드부(140)는,
    상기 다이오드1(D1)과 다이오드2(D2)를 통해 상기 인덕터부(130)의 인덕터1(L1)과 인덕터2(L2)에 축적된 에너지에 의해 흐르게 되는 인덕터 전류의 프리 휘링 패스(freewheeling path)를 각각 형성하는 것을 특징으로 하는, 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치.
  19. 삭제
  20. 제18항에 있어서, 상기 다이오드1(D1)과 다이오드2(D2)는,
    전력 손실을 최소화시키고 효율을 높이기 위해 전류를 회생시키는 스위치 회로 기능을 갖는 프리휠 다이오드인 것을 특징으로 하는, 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치.
  21. 제14항에 있어서, 상기 Q1 스위치 및 Q2 스위치는,
    고주파 구동으로 스위칭 제어되는 FET(Field Effect Transistor)인 것을 특징으로 하는, 고효율 장수명 발광 다이오드 구동 장치.
  22. 삭제
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