KR20160085224A - 하이브리드 방식 led 전원장치 - Google Patents

하이브리드 방식 led 전원장치 Download PDF

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Abstract

풀브리지 컨버터와 LLC 공진 컨버터를 하이브리드로 구성한 대용량 LED전원장치가 개시된다. 이는 저부하시에 풀브리지 컨버터 및 LLC 공진 컨버터의 변압기에 발생되는 자화인덕턴스를 이용하여 소프트 스위칭을 수행함으로써 저부하의 효율을 상승시킬 수 있고, 스위칭 동작시 출력인덕터에 걸리는 전압이 감소되어, 작은 인덕턴스를 갖는 인덕터를 사용함으로써 전류리플을 감소시킬 수 있다. 또한, 단일 변압기를 사용함으로써 부하에 따른 전력분배의 문제점을 해결할 수 있다.

Description

하이브리드 방식 LED 전원장치{Hybride type LED Power Supply}
본 발명은 발광 다이오드 조명장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대용량 발광 다이오드를 구동하기 위한 하이브리드 방식의 조명장치에 관한 것이다.
일반적인 대용량 LED 전원장치의 경우, 상용 전원을 입력으로 사용하므로 90Vrms~265Vrms의 입력전압 범위에서 사용이 가능하여야 하며, 역률 개선이 가능해야 한다. 또한, 발광 다이오드의 사양에 따라 넓은 범위의 출력전압에 대한 대응이 가능해야 한다.
이러한 요구조건을 만족하기 위해 역률개선 기능을 담당하는 PFC(Power Factor Correction) 단과 DC/DC 단의 2단 구성의 전력변환기가 일반적으로 사용된다. 이중에서 DC/DC 단은 절연을 위해 절연형 변압기를 사용하고, 효율에 많은 영향을 미친다.
도 1은 종래의 위상 천이 풀 브리지 전원장치를 도시한 회로도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 위상 천이 풀 브리지 전원장치(100)는 입력전원(Vin), 스위칭부(110), 변압부(120), 정류부(130)를 포함한다.
입력전원(Vin)으로 동작상태로 되는 스위칭부(110)는 제1 내지 제4 스위치(M1, M2, M3, M4)를 포함하고, 제어부(미도시)의 제1 내지 제4 스위칭 신호에 따라 스위칭 동작하여 직류 전압은 펄스성 직류 전압으로 변환된다. 이후, 펄스성 직류 전압은 변압부(120)의 1차 코일(TF1) 및 2차 코일(TF2)의 권선비율에 따라 2차 교류 전압으로 변환된 후, 정류부(130)에 의해 직류 전압으로 정류된다.
이러한 종래 기술에 따른 풀 브리지 전원장치(100)는 누설인덕턴스에 흐르는 전류를 이용하여 소프트 스위칭 동작이 수행되는데, 저부하에서는 누설 인덕턴스에 흐르는 전류가 작으므로 소프트 스위칭이 어려워지고, 이에 따라 저부하 효율 저하가 발생된다. 또한, 정류부(130)의 다이오드(D1, D2, D3, D4)에 전류가 흐를 때, 전압강하가 발생하므로 변압기의 누설과 다이오드 접합 커패시턴스와의 공진으로 인해 과도한 서지 전압이 발생하여 이를 억제하기 위한 추가적인 스너버 회로가 요구된다.
일반적으로 고압의 다이오드의 경우, 큰 전압강하를 보이므로 도통 손실이 증가하고, 전압 제한을 위한 스너버 손실도 존재하므로 고효율의 DC/DC 컨버터 설계에 불리하며, 비용 상승의 일 요인이 된다.
한국특허 공개 10-2011-0029782
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 과도한 서지 전압을 방지하고, 작은 리플 전류를 구현하며, 부하에 따른 전력분배의 문제점을 해결할 수 있는 풀브리지 컨버터와 LLC 공진 컨버터를 이용한 하리브리드 전원장치를 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은 입력전원, 상기 입력전원의 양단에 접속되어 입력전압이 충전되는 입력단 커패시터부, 서로 직렬 접속된 제1스위치 및 제2스위치와, 제3스위치 및 제4스위치가 각각 상기 입력전원의 양단에 병렬로 접속되어, 스위칭 제어신호에 따라 스위칭하는 스위칭부, 상기 스위칭부에 병렬접속 된 1차측 권선의 에너지를 2차측 권선으로 유도하는 제1 변압부, 상기 입력단 커패시터와 상기 스위칭부에 병렬접속 된 1차측 권선의 에너지를 2차측 권선으로 유도하는 제2 변압부, 상기 스위칭부의 스위칭 동작에 따라 상기 제1 변압부의 1차측 권선의 에너지를 상기 제1 변압부의 2차측 권선으로 유도하는 풀브리지 컨버터부 및 상기 스위칭부의 상기 스위칭 동작에 따라 상기 제2 변압부의 1차측 권선의 에너지를 상기 제2 변압부의 2차측 권선으로 유도하는 LLC 공진 컨버터부를 포함한다.
상기 풀브리지 컨버터부는, 상기 스위칭부의 상기 제1스위치 내지 상기 제4스위치와 상기 제1 변압부를 포함하고, 상기 제1 변압부에서 출력되는 전압을 정류하는 제1정류부 및 상기 제1정류부와 접속되는 출력인덕터를 포함할 수 있다.
상기 LLC 공진 컨버터부는, 상기 스위칭부의 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치와 상기 제2 변압부를 포함하고, 상기 제2 변압부에서 출력되는 전압을 정류하는 제2정류부, 상기 제2정류부와 접속되고, 공진 인덕터와 공진 커패시터를 이용하여 공진을 수행하는 공진부 및 상기 제2정류부에 의해 정류된 전압을 평활하여 출력하는 평활 커패시터를 포함할 수 있다.
상기 풀브리지 컨버터부는, 상기 제1 변압부의 포화를 방지하기 위한 블록킹 커패시터를 더 포함할 수 있다.
상기 풀브리지 컨버터부는, 상기 풀브리지 컨버터부와 상기 공진 컨버터부를 병렬 구동하기 위한 출력다이오드를 더 포함할 수 있다.
상기 제1정류부의 다이오드들은 프리휠링(Freewheeling)시 차단 상태를 유지할 수 있다.
상기 풀브리지 컨버터부는, 상기 제1 변압기의 자화인덕턴스를 이용하여 낮은 부하에서 상기 제3스위치 및 상기 제4스위치의 소프트 스위칭을 수행할 수 있다.
상기 LLC 공진 컨버터부는, 상기 제2 변압기의 자화인덕턴스를 이용하여 낮은 부하에서 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치의 소프트 스위칭을 수행할 수 있다.
상기 출력인덕터는 프리휠링(Freewheeling)시 상기 출력인덕터에 흐르는 전류의 하강기울기가 감소됨에 따라 낮은 인덕턴스를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 방식의 LED전원장치는 풀브리지 컨버터부와 LLC 공진 컨버터부를 하이브리드로 구성한 LED전원장치로써, 풀브리지 컨버터부는 프리휠링구간에서 제1정류부의 다이오드들이 차단상태를 유지하므로 제1 변압부의 자화 인덕턴스를 이용하여 낮은 부하에서 제3스위치 및 제4스위치의 소프트 스위칭을 수행할 수 있고, LLC 공진 컨버터부는 부하에 상관없이 고정시비율로 동작하므로 낮은 부하에서도 제2 변압부의 자화 인덕턴스를 이용하여 제1스위치 및 제2스위치의 소프트 스위칭을 수행할 수 있다.
또한, 풀브리지 컨버터부와 LLC 공진 컨버터부에 병렬로 접속된 출력다이오드를 통해 프리휠링시 풀브리지의 다이오드 대신 출력다이오드를 통하여 전류가 흐르므로 풀브리지의 다이오드의 전압서지를 저감할 수 있다.
더 나아가, 스위칭 동작시 출력인덕터에 인가되는 전압을 감소시킴으로써 작은 인덕턴스를 갖는 인덕터를 사용하여 전류리플를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 위상 천이 풀 브리지 전원장치를 도시한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 풀 브리지 컨버터와 LLC 공진 컨버터를 사용한 하이브리드 방식의 전원장치를 도시한 회로도이다.
도 3은 도 2에 도시된 회로의 동작파형을 도시한 타이밍도이다.
도 4 내지 도 11은 도 2에 도시된 회로의 동작모드를 도시한 회로도들이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 출력인덕터 양단전압과 출력인덕터 전류를 도시한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실험예에 따른 회로도이다.
도 14 내지 도 17은 본 발명의 실험예에 따른 각 부의 파형을 측정한 그래프이다.
본 발명은 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
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 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 실시 예들을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
실시예
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 풀 브리지 컨버터와 LLC 공진 컨버터를 사용한 하이브리드 방식의 전원장치를 도시한 회로도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 하이브리드 방식의 LED전원장치(200)는 입력전원(Vin), 입력단 커패시터부(201), 스위칭부(202), 제1 변압부(TF1), 제2 변압부(TF2), 풀브리지 컨버터부(210) 및 LLC 공진 컨버터부(220)를 포함한다.
입력전원(Vin)은 상기 풀브리지 컨버터부(210)와 LLC 공진 컨버터부(220)에 직류 전압을 공급한다.
입력단 커패시터부(201)는 입력전원(Vin)의 양단에 접속될 수 있으며, 서로 직렬로 연결된 제1 입력커패시터(Ci1) 및 제2 입력커패시터(Ci2)를 포함할 수 있다. 제1 입력커패시터(Ci1) 및 제2 입력커패시터(Ci2)는 동일한 커패시턴스 값을 가지며, 각각에는 Vin/2의 전압이 인가될 수 있다.
스위칭부(201)는 풀브리지 타입의 제1 내지 제4스위치(M1, M2, M3, M4)를 포함하고, 서로 직렬 접속된 제1스위치(M1) 및 제2스위치(M2), 제3스위치(M3) 및 제4스위치(M4)는 상기 입력전원(Vin)의 양단에 각각 병렬로 접속되며, 제어부(미도시)의 스위칭 제어에 따라 스위칭되도록 이루어진다.
제1 변압부(TF1)는 상기 스위칭부(201)의 제1 및 제2스위치(M1, M2)의 접속노드와 상기 제3 및 제4스위치(M3, M4)의 접속노드 사이에 연결된 1차측 권선(TF1a), 제1 정류부(211)에 접속된 2차측 권선(TF1b)을 포함하고, 1차측 권선(TF1a) 및 2차측 권선(TF1b)의 권선비율에 따라 1차측 권선(TF1a)에 의한 에너지를 2차측 권선(TF1b)으로 유도한다.
제2 변압부(TF2)는 상기 입력단 커패시터부(201)의 제1 입력커패시터(Ci1) 및 제2 입력커패시터(Ci2)의 접속노드와 제1 및 제2스위치(M1, M2)의 접속노드에 연결된 1차측 권선(TF2a), 제2 정류부(211)에 접속된 2차측 권선(TF2b)을 포함하고, 제1 변압부(TF1)와 동일하게 1차측 권선(TF2a) 및 2차측 권선(TF2b)의 권선비율에 따라 1차측 권선(TF2a)에 의한 에너지를 2차측 권선(TF2b)으로 유도한다.
제1 변압부(TF1) 및 제2 변압부(TF2)는 전원장치의 전체 전력용량의 대략 절반에 해당하는 전력용량을 각각 담당할 수 있다.
풀브리지 컨버터부(210)는 상기 스위칭부(202)의 제1스위치 내지 제4스위치(M1, M2, M3, M4)와 상기 제1 변압부(TF1)를 포함하고, 제1정류부(211), 출력다이오드(D9), 출력인덕터(Lo) 및 블록킹 커패시터(CB)를 포함할 수 있다.
상기 제1정류부(211)는 상기 제1 변압부(TF1)에서 출력되는 전압을 정류하도록 제1다이오드 내지 제4다이오드(D1, D2, D3, D4)를 포함하는 브리지 다이오드로 이루어질 수 있다.
출력다이오드(D9)는 풀브리지 컨버터부(210)와 LLC 공진 컨버터부(220)를 병렬 구동하기 위해 출력다이오드(D9)의 캐소드(cathode)가 풀브리지 컨버터부(210)의 제1정류부(211)와 연결되고, 애노드(anode)가 LLC 공진 컨버터부(220)의 제2정류부(221)와 연결된다. 또한, 프리휠링(Freewheeling)시에 제1정류부(211)의 다이오드(D1, D2, D3, D4) 대신 출력다이오드(D9)를 통하여 전류가 흐르므로 제1정류부(211)의 다이오드(D1, D2, D3, D4)에 대한 전압서지를 저감할 수 있다.
출력인덕터(Lo)는 일단이 상기 제1정류부(211)와 연결되고, 타단이 출력전원(Vo)에 연결된다. 본 발명에 따른 풀브리지 컨버터부(210)는 스위칭부(202)의 스위칭 동작시 출력인덕터(Lo)에 인가되는 전압을 감소시킴으로써, 작은 인덕턴스를 갖는 인덕터를 이용하여 전류리플를 감소시킬 수 있다. 즉, 도 1에서와 같이 종래의 풀브리지 컨버터(100)의 경우 프리휠링시 출력인덕터(Lo)에 -Vo의 전압이 인가되어 출력인덕터(Lo)에 인가되는 전압의 기울기가 커지기 때문에 동일한 리플을 얻기 위해서는 큰 인덕턴스를 갖는 인덕터가 필요하다. 하지만 본 발명에 따른 하이브리드 방식의 LED전원장치(200)는 프리휠링시 출력인덕터(Lo)에 Vo1-Vo의 전압이 인가되기 때문에, 출력인덕터(Lo)에 흐르는 전류의 하강기울기가 감소됨에 따라, 작은 인덕턴스를 갖는 인덕터로도 종래의 풀브리지 컨버터와 동일한 리플전류를 얻을 수 있다.
블록킹 커패시터(CB)는 풀브리지 컨버터부(210)의 제1 변압부(TF1)의 포화를 방지하기 위한 커패시터로써, 제1 및 제2스위치(M1, M2)의 접속노드와 제1 변압부(TF1) 사이에 연결될 수 있다.
LLC 공진 컨버터부(220)는 상기 스위칭부(202)의 제1스위치(M1) 및 제2스위치(M2)와 상기 제2 변압부(TF2)를 포함하고, 제2정류부(221), 공진부(222) 및 평활커패시터(Co)를 포함할 수 있다.
상기 제2정류부(221)는 상기 제2 변압부(TF2)에서 출력되는 전압을 정류하도록 제5다이오드 내지 제8다이오드(D5, D6, D7, D8)를 포함하는 브리지 다이오드로 이루어질 수 있다.
공진부(222)는 상기 제2 변압부(TF2)의 2차측 권선(TF2b)에 직렬로 연결되며, 공진 인덕터(Lr) 및 공진 커패시턴스(Cr)를 이용하여 LLC 공진을 수행한다.
동작모드
도 3은 도 2에 도시된 회로의 동작파형을 도시한 타이밍도이고, 도 4 내지 도 11은 도 2에 도시된 회로의 동작모드를 도시한 회로도들이다.
도 3 및 도 4 내지 도11을 참조하여 본 발명의 하이브리드 방식의 LED전원장치의 동작모드를 아래에 상세히 설명한다.
도 4는 모드 1에 대한 전류흐름도이다. 도 3과 도 4를 참조하면, 제1스위치(M1)가 도통되어 있는 상태에서 제4스위치(M4)가 차단되고, 제3스위치(M3)가 도통된다. 제1스위치(M1)와 제3스위치(M3)가 도통됨으로써, 풀브리지 컨버터부(210)의 1차측 전류경로는 입력전원(Vin), 제1스위치(M1), 블록킹 커패시터(CB), 제1 변압부(TF1)의 1차측 권선(TF1a) 및 제3스위치(M3)의 전류경로가 형성되고, 풀브리지 컨버터부(210)의 2차측에서는 2차측 권선(TF1b)에 의해 제1다이오드(D1), 출력인덕터(Lo), 출력전원(Vo) 및 제3다이오드(D3)의 전류경로가 형성된다. 또한, LLC 공진 컨버터부(220)의 1차측 전류경로는 제1스위치(M1), 제2 변압부(TF2)의 1차측 권선(TF2a), 제1 입력커패시터(Ci1)의 전류가 흐르고, 이러한 공진전류는 제2 변압부(TF2)의 2차측 권선(TF2b)에 의해 제5다이오드(D5) 및 제7다이오드(D7)를 통해 평활커패시터(Co)로 전달된다.
도 3에서와 같이 모드 1에서는 변압기의 누설인덕턴스로 인해 풀브리지 컨버터부(210)의 1차측 전류(ip)는 기울기를 가지고 증가하고, 이에 따라 제1다이오드(D1) 및 제3다이오드(D3)에 흐르는 전류(iD1,iD3)도 기울기를 가지고 증가한다. 출력인덕터 전류(Io)는 제1다이오드(D1)와 제3다이오드(D3)를 통해 흐르는 전류(iD1,iD3)와 출력다이오드(D9)에 흐르는 전류(iD9)의 합이므로, 출력인덕터 전류(Io)는 출력인덕터(Lo), 출력전원(Vo) 및 평활커패시터(Co)의 경로로 서서히 감소한다. 또한, 모드 1 동안에는 출력다이오드(D9)가 도통되어 있으므로 출력전압(Vo)은 LLC 공진 컨버터부(220)의 출력전압(Vo1)과 같다.
도 5는 모드 2에 대한 전류흐름도이다. 도 3과 도 5를 참조하면, 제1다이오드(D1)와 제3다이오드(D3)를 통해 흐르는 전류(iD1,iD3)가 출력인덕터(Lo)의 전류(Io)와 같아지는 순간 출력다이오드(D9)는 차단되고 출력전압(Vo)에는 Vin/n1의 전압이 인가되어 출력인덕터 전류(Io)는 Vin/n1-Vo의 기울기로 상승한다. 여기서 제3스위치(M3)에는 Io/n1의 전류가 흐르고 제1스위치(M1)에는 Io/n1+공진전류의 전류가 흐른다. 모드 2의 전류경로는 도 5에서와 같이 모드 1과 동일하며, 단지 출력다이오드(D9)가 차단된 상태이다.
도 6은 모드 3에 대한 전류흐름도이다. 도 3과 도 6을 참조하면, 제1스위치(M1)가 도통되어 있는 상태에서 제1스위치(M1)가 차단되고 제2스위치(M2)가 도통된다. 제2스위치(M2)와 제3스위치(M3)가 도통됨으로써, 풀브리지 컨버터부(210)의 1차측 전류경로는 제2스위치(M2), 블록킹 커패시터(CB), 제1 변압부(TF1)의 1차측 권선(TF1a) 및 제3스위치(M3)의 전류경로가 형성되고, 변압기의 누설 인덕턴스에 의해 1차측 권선(TF1)에 흐르는 전류(ip)는 기울기를 가지고 감소하므로, 2차측에서는 제1다이오드(D1), 출력인덕터(Lo), 출력전원(Vo) 및 제3다이오드(D3)의 전류경로가 유지된다. 또한, LLC 공진 컨버터부(220)의 1차측 전류경로는 제2스위치(M2), 제2 변압부(TF2)의 1차측 권선(TF2a), 제2 입력커패시터(Ci2)의 전류가 흐르고, 이러한 공진전류는 제2 변압부(TF2)의 2차측 권선(TF2b)에 의해 제6다이오드(D6) 및 제8다이오드(D8)를 통해 평활커패시터(Co)로 전달된다.
도 3에서와 같이 모드 3에서는 변압기의 누설인덕턴스로 인해 풀브리지 컨버터부(210)의 1차측 전류(ip)는 기울기를 가지고 감소하고, 이에 따라 제1다이오드(D1) 및 제3다이오드(D3)에 흐르는 전류(iD1,iD3)도 기울기를 가지고 감소한다. 출력인덕터 전류(Io)는 제1다이오드(D1)와 제3다이오드(D3)를 통해 흐르는 전류(iD1,iD3)와 출력다이오드(D9)에 흐르는 전류(iD9)의 합이므로, 출력인덕터 전류(Io)는 출력인덕터(Lo), 출력전원(Vo) 및 평활커패시터(Co)의 경로로 Vo1-Vo의 기울기를 가지고 서서히 감소한다. 또한, 모드 3 동안에는 출력다이오드(D9)가 도통되어 있으므로 출력전압(Vo)은 LLC 공진 컨버터부(220)의 출력전압(Vo1)과 같다.
도 7은 모드 4에 대한 전류흐름도이다. 도 3과 도 7을 참조하면, 제1다이오드(D1)와 제3다이오드(D3)를 통해 흐르는 전류(iD1,iD3)가 0이 되는 순간 제1다이오드(D1)와 제3다이오드(D3)는 차단되고, 출력전압(Vo)은 Vo1을 유지하며, 출력인덕터 전류(Io)는 제4스위치(M4)가 도통되기 전까지 Vo2-Vo의 기울기로 감소하는 상태를 유지한다.
도 8은 모드 5에 대한 전류흐름도이다. 도 3과 도 8을 참조하면, 제2스위치(M2)가 도통되어 있는 상태에서 제3스위치(M3)가 차단되고, 제4스위치(M4)가 도통된다. 제2스위치(M2)와 제4스위치(M4)가 도통됨으로써, 풀브리지 컨버터부(210)의 1차측 전류경로는 입력전원(Vin), 제4스위치(M4), 제1 변압부(TF1)의 1차측 권선(TF1a), 블록킹 커패시터(CB) 및 제2스위치(M2)의 전류경로가 형성되고, 풀브리지 컨버터부(210)의 2차측에서는 2차측 권선(TF1b)에 의해 제2다이오드(D2), 제4다이오드(D4), 출력인덕터(Lo) 및 출력전원(Vo)의 전류경로가 형성된다. 또한, LLC 공진 컨버터부(220)의 1차측 전류경로는 제2스위치(M2), 제2 변압부(TF2)의 1차측 권선(TF2a), 제2 입력커패시터(Ci2)의 전류가 흐르고, 이 공진전류는 제2 변압부(TF2)의 2차측 권선(TF2b)에 의해 제6다이오드(D6) 및 제8다이오드(D8)를 통해 평활커패시터(Co)로 전달된다.
도 3에서와 같이 모드 5에서는 변압기의 누설인덕턴스로 인해 풀브리지 컨버터부(210)의 1차측 전류(ip)는 기울기를 가지고 감소하고, 이에 따라 제2다이오드(D2) 및 제4다이오드(D4)에 흐르는 전류(iD2,iD4)는 기울기를 가지고 증가한다. 출력인덕터 전류(Io)는 제2다이오드(D2)와 제4다이오드(D4)를 통해 흐르는 전류(iD2,iD4)와 출력다이오드(D9)에 흐르는 전류(iD9)의 합이므로, 출력인덕터 전류(Io)는 출력인덕터(Lo), 출력전원(Vo) 및 평활커패시터(Co)의 경로로 서서히 감소한다. 또한, 모드 5 기간 동안에는 출력다이오드(D9)가 도통되어 있으므로 출력전압(Vo)은 LLC 공진 컨버터부(220)의 출력전압(Vo1)과 같다.
도 9는 모드 6에 대한 전류흐름도이다. 도 3과 도 9를 참조하면, 제2다이오드(D2)와 제4다이오드(D4)를 통해 흐르는 전류(iD2,iD4)가 출력인덕터(Lo)의 전류(Io)와 같아지는 순간 모드 2와 동일하게 출력다이오드(D9)는 차단되고 출력전압(Vo)에는 Vin/n1의 전압이 인가되어 출력인덕터 전류(Io)는 Vin/n1-Vo의 기울기로 상승한다. 여기서 제4스위치(M4)에는 Io/n1의 전류가 흐르고 제2스위치(M2)에는 Io/n1+공진전류의 전류가 흐른다. 모드 6의 전류경로는 도 9에서와 같이 모드 5와 동일하며, 단지 출력다이오드(D9)가 차단된 상태이다.
도 10은 모드 7에 대한 전류흐름도이다. 도 3과 도 10을 참조하면, 제4스위치(M4)가 도통되어 있는 상태에서 제2스위치(M2)가 차단되고 제1스위치(M1)가 도통된다. 제1스위치(M1)와 제4스위치(M4)가 도통됨으로써, 풀브리지 컨버터부(210)의 1차측 전류경로는 제1스위치(M1), 제4스위치(M4), 제1 변압부(TF1)의 1차측 권선(TF1a) 및 블록킹 커패시터(CB)의 전류경로가 형성되고, 변압기의 누설 인덕턴스에 의해 1차측 권선(TF1)에 흐르는 전류(ip)는 기울기를 가지고 증가하므로, 2차측에서는 제2다이오드(D2), 제4다이오드(D4), 출력인덕터(Lo) 및 출력전원(Vo)의 전류경로가 유지된다. 또한, LLC 공진 컨버터부(220)의 1차측 전류경로는 제1스위치(M1), 제2 변압부(TF2)의 1차측 권선(TF2a), 제1 입력커패시터(Ci1)의 전류가 흐르고, 이 공진전류는 제2 변압부(TF2)의 2차측 권선(TF2b)에 의해 제5다이오드(D5) 및 제7다이오드(D7)를 통해 평활커패시터(Co)로 전달된다.
도 3에서와 같이 모드 3에서는 변압기의 누설인덕턴스로 인해 풀브리지 컨버터부(210)의 1차측 전류(ip)는 기울기를 가지고 증가하고, 이에 따라 제2다이오드(D2) 및 제4다이오드(D4)에 흐르는 전류(iD2,iD4)는 기울기를 가지고 감소한다. 출력인덕터 전류(Io)는 제2다이오드(D2)와 제4다이오드(D4)를 통해 흐르는 전류(iD2,iD4)와 출력다이오드(D9)에 흐르는 전류(iD9)의 합이므로, 출력인덕터 전류(Io)는 출력인덕터(Lo), 출력전원(Vo) 및 평활커패시터(Co)의 경로로 Vo1-Vo의 기울기를 가지고 서서히 감소한다. 또한, 모드 7 동안에는 출력다이오드(D9)가 도통되어 있으므로 출력전압(Vo)은 LLC 공진 컨버터부(220)의 출력전압(Vo1)과 같다.
도 11은 모드 8에 대한 전류흐름도이다. 도 3과 도 11을 참조하면, 제2다이오드(D2)와 제4다이오드(D4)를 통해 흐르는 전류(iD2,iD4)가 0이 되는 순간 제2다이오드(D2)와 제4다이오드(D4)는 차단되고, 출력전압(Vo)은 Vo1을 유지하며, 출력인덕터 전류(Io)는 제3스위치(M3)가 도통되기 전까지 Vo2-Vo의 기울기로 감소하는 상태를 유지한다.
입출력 이득 및 인덕터 전류리플
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 출력인덕터 양단전압과 출력인덕터 전류를 도시한 그래프이다. 도 12를 참조하여 입출력 이득과 인덕터 전류리플에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 컨버터의 입력과 출력전압 이득은 출력인덕터 양단 전압(VL)의 전압시간 평형곱으로 구할 수 있다. 누설인덕턴스가 없는 이상적인 경우에는 모드 1,3,5,7구간이 존재하지 않으므로 출력인덕터 양단전압(VL)과 출력인덕터 전류(Io)를 도 12와 같이 간략히 도시할 수 있다.
도 12를 참조하면, 스위칭 동작에 따라 파워링시(powering)(DTs구간) 출력인덕터 양단전압(VL)은 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
여기서, Vin은 입력전원, n1은 제1 변압부(TF1)의 권선수, Vo는 출력전원을 나타낸다.
또한, 프리휠링시((Ts/2-DTs)구간)에서 출력인덕터 양단전압(VL)은 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
여기서, n2는 제2 변압부(TF2)의 권선수를 나타낸다.
출력인덕터 양단전압(VL)은 Ts/2동안 평균이 0이어야 하므로 입출력 이득은 하기 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
여기서, Vin은 입력전원, n1은 제1 변압부(TF1)의 권선수, n2는 제2 변압부(TF2)의 권선수, D는 시비율을 나타낸다.
또한, 종래의 풀브리지 컨버터의 출력인덕터(Lo) 전류리플은 하기 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00004
하지만, 본 발명에 따른 컨버터에 대한 출력인덕터(Lo) 전류리플은 하기 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00005
종래 컨버터의 출력인덕터(Lo) 전류리플인 수학식 4와 본 발명에 따른 컨버터의 출력인덕터(Lo) 전류리플인 수학식 5를 비교했을 때, 종래의 컨버터와 본 발명에 따른 컨버터가 동일한 출력인덕터(Lo)의 인덕턴스 값을 갖는다고 가정했을 때, 수학식 5에서와 같이 본 발명에 따른 컨버터의 전류리플이 종래의 수학식 4에 비해 작음을 확인할 수 있다.
실험예
본 발명에 따른 하이브리드 방식의 LED전원장치의 성능을 평가하기 위하여, LED 전원장치를 회로로 구성하여 실험을 실시하였다.
도 13은 본 발명의 실험예에 따른 회로도이고, 도 14 내지 도 17은 본 발명의 실험예에 따른 각 부의 파형을 측정한 그래프이다.
도 13 내지 도 17을 참조하면, 도 13에서와 같이 도 2의 풀 브리지 컨버터부(210)와 LLC 공진 컨버터부(220)를 사용한 하이브리드 방식의 전원장치를 회로로 구성하고, 실험 조건은 입력전원(Vin)을 400V, 출력전원(Vo)을 430V, 제1 변압부(TF1)의 권선수(n1)를 1.2, 제2 변압부(TF2)의 권선수(n2)를 2로 설정하여 LLC 공진 컨버터부(220)의 출력전압(Vo2)이 400V가 되도록 하였으며, 스위칭 주파수는 50kHz로 설정하였다.
실험결과 도 14를 참조하면, 제1 변압기(TF1)의 1차측 전류로서 풀브리지 컨버터부(210)는 PWM(Pulse Width Modulation)동작을 하고 있고, LLC 공진 컨버터부(220)는 0.5의 고정시비율로 동작하여 50kHz의 공진전류가 흐르는 것을 확인할 수 있다.
도 15를 참조하면, 제1스위치(M1) 및 제2스위치(M2)에는 풀브리지 컨버터부(210)와 LLC 공진 컨버터부(220)의 전류가 동시에 흐르고, 제3스위치(M3) 및 제4스위치(M4)에는 풀브리지 컨버터부(210)의 전류만 흐르는 하이브리드 동작을 확인 할 수 있다. 또한 모든 스위치가 영전압 스위칭을 수행함을 확인할 수 있다.
도 16을 참조하면, 도 16은 풀브리지 컨버터부(210)의 다이오드 전류로서, 프리휠링 구간에는 다이오드 전류가 흐르지 않아 다이오드 차단시 영전류 스위칭이 되고 있음을 확인 할 수 있다.
도 17을 참조하면, 도 17은 출력인덕터 전류(Io)와 출력인덕터(Lo)의 앞단 전압(Vo1)을 측정한 것으로 종래의 풀브리지 컨버터와 달리 프리휠링시 공진 컨버터부(220)의 전압이 발생되어 출력인덕터 전류(Io)의 하강기울기를 감소시킴을 확인 할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 하이브리드 방식의 LED전원장치(200)는 풀브리지 컨버터부(210)와 LLC 공진 컨버터부(220)를 하이브리드로 구성한 LED전원장치로써, 풀브리지 컨버터부(210)는 프리휠링구간에서 제1정류부(211)의 다이오드들이 차단상태를 유지하므로 제1 변압부(TF1)의 자화 인덕턴스를 이용하여 낮은 부하에서 제3스위치(M3) 및 제4스위치(M4)의 소프트 스위칭을 수행할 수 있고, LLC 공진 컨버터부(220)는 부하에 상관없이 고정 시비율로 동작하므로 낮은 부하에서도 제2 변압부(TF2)의 자화 인덕턴스를 이용하여 제1스위치(M1) 및 제2스위치(M2)의 소프트 스위칭을 수행할 수 있다.
또한, 풀브리지 컨버터부(210)와 LLC 공진 컨버터부(220)에 병렬로 접속된 출력다이오드(D9)를 통해 프리휠링시 풀브리지의 다이오드 대신 출력다이오드(D9)를 통하여 전류가 흐르므로 풀브리지의 다이오드의 전압서지를 저감할 수 있고, 스위칭 동작시 출력인덕터(Lo)에 인가되는 전압을 감소시킴으로써 작은 인덕턴스를 갖는 인덕터를 사용하여 전류리플를 감소시킬 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
201 : 입력단 커패시터부 202 : 스위칭부
210 : 풀브리지 컨버터부 211 : 제1정류부
TF1 : 제1 변압부 220 : LLC 공진 컨버터부
221 : 제2정류부 222 : 공진부
TF2 : 제2 변압부

Claims (9)

  1. 입력전원;
    상기 입력전원의 양단에 접속되어 입력전압이 충전되는 입력단 커패시터부;
    서로 직렬 접속된 제1스위치 및 제2스위치와, 제3스위치 및 제4스위치가 각각 상기 입력전원의 양단에 병렬로 접속되어, 스위칭 제어신호에 따라 스위칭하는 스위칭부;
    상기 스위칭부에 병렬접속 된 1차측 권선의 에너지를 2차측 권선으로 유도하는 제1 변압부;
    상기 입력단 커패시터와 상기 스위칭부에 병렬접속 된 1차측 권선의 에너지를 2차측 권선으로 유도하는 제2 변압부;
    상기 스위칭부의 스위칭 동작에 따라 상기 제1 변압부의 1차측 권선의 에너지를 상기 제1 변압부의 2차측 권선으로 유도하는 풀브리지 컨버터부; 및
    상기 스위칭부의 상기 스위칭 동작에 따라 상기 제2 변압부의 1차측 권선의 에너지를 상기 제2 변압부의 2차측 권선으로 유도하는 LLC 공진 컨버터부를 포함하는 하이브리드 방식 LED 전원장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 풀브리지 컨버터부는,
    상기 스위칭부의 상기 제1스위치 내지 상기 제4스위치와 상기 제1 변압부를 포함하고,
    상기 제1 변압부에서 출력되는 전압을 정류하는 제1정류부; 및
    상기 제1정류부와 접속되는 출력인덕터를 포함하는 것인 하이브리드 방식 LED 전원장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 LLC 공진 컨버터부는,
    상기 스위칭부의 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치와 상기 제2 변압부를 포함하고,
    상기 제2 변압부에서 출력되는 전압을 정류하는 제2정류부;
    상기 제2정류부와 접속되고, 공진 인덕터와 공진 커패시터를 이용하여 공진을 수행하는 공진부; 및
    상기 제2정류부에 의해 정류된 전압을 평활하여 출력하는 평활 커패시터를 포함하는 것인 하이브리드 방식 LED 전원장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 풀브리지 컨버터부는,
    상기 제1 변압부의 포화를 방지하기 위한 블록킹 커패시터를 더 포함하는 것인 하이브리드 방식 LED 전원장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 풀브리지 컨버터부는,
    상기 풀브리지 컨버터부와 상기 공진 컨버터부를 병렬 구동하기 위한 출력다이오드를 더 포함하는 것인 하이브리드 방식 LED 전원장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1정류부의 다이오드들은 프리휠링(Freewheeling)시 차단 상태를 유지하는 것인 하이브리드 방식 LED 전원장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 풀브리지 컨버터부는,
    상기 제1 변압기의 자화인덕턴스를 이용하여 낮은 부하에서 상기 제3스위치 및 상기 제4스위치의 소프트 스위칭을 수행하는 것인 하이브리드 방식 LED 전원장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 LLC 공진 컨버터부는,
    상기 제2 변압기의 자화인덕턴스를 이용하여 낮은 부하에서 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치의 소프트 스위칭을 수행하는 것인 하이브리드 방식 LED 전원장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 출력인덕터는 프리휠링(Freewheeling)시 상기 출력인덕터에 흐르는 전류의 하강기울기가 감소됨에 따라 낮은 인덕턴스를 갖는 것인 하이브리드 방식 LED 전원장치.
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