KR20170131058A

KR20170131058A - 엘이디모듈의 에너지를 균형제어하는 엘이디장치

Info

Publication number: KR20170131058A
Application number: KR1020160062215A
Authority: KR
Inventors: 채수용; 정학근; 백종복; 박석인
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2016-05-20
Filing date: 2016-05-20
Publication date: 2017-11-29

Abstract

본 발명은, 엘이디모듈부, 정류부, 병렬스위칭소자부, 역률부 및 제어부를 포함하는 엘이디 장치를 제공한다. 엘이디모듈부는 서로 직렬로 연결되는 N(N은 2이상의 자연수)개의 엘이디모듈을 포함할 수 있다. 그리고, 정류부는 교류전압을 정류하여 엘이디모듈부로 공급할 수 있다. 병렬스위칭소자부는 엘이디모듈과 병렬로 연결되는 M(M은 2이상의 자연수)개의 병렬스위칭소자를 포함할 수 있다. 역률부는 엘이디모듈부로 공급되는 전류의 크기를 조절하여 역률제어를 수행할 수 있다. 그리고, 제어부는 교류전압의 크기 혹은 교류전압이 정류된 정류전압의 크기에 따라 각 병렬스위칭소자의 턴온 혹은 턴오프를 제어하고, 한 주기에서 각 엘이디모듈로 공급되는 전력량의 편차가 일정 범위 내로 제어되도록 각 병렬스위칭소자의 온(ON) 혹은 오프(OFF) 시간을 제어할 수 있다.

Description

엘이디모듈의 에너지를 균형제어하는 엘이디장치{LED APPARATUS FOR CONTROLLING THE ENERGY BALANCE OF LED MODULES}

본 발명은 엘이디장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 복수의 엘이디모듈의 에너지 균형을 제어하는 기술에 관한 것이다.

엘이디(LED)는 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)의 다른 표현으로 화합물(예를 들어, 갈륨비소)에 전류를 흘려 빛을 발산하는 반도체소자를 의미한다. 최근에는 유기발광다이오드(Organic Light Emitting Diode, OLED)라고 하여, 형광성 유기화합물에 전류가 흐르면 빛을 내는 전계 발광현상을 이용하는 반도체소자도 개발되었는데, 이러한 유기발광다이오드(OLED)도 엘이디(LED)의 일종으로 볼 수 있다.

엘이디(LED)는 전기에너지를 빛에너지로 전환하는 효율이 높기 때문에 최고 90%까지 에너지를 절감할 수 있다. 이에 따라, 에너지 효율이 5% 정도밖에 되지 않는 백열등ㆍ형광등을 대체할 수 있는 차세대 광원으로 주목되고 있다.

한편, 엘이디(LED)를 구동하기 위해서는 드라이버가 엘이디(LED)에 순방향전압(V_F: Forward Voltage) 이상의 전압을 공급해 주어야 하는데, 종래에는 이러한 전압을 직류(Direct Current, DC)로 공급했다.

이에 따라, 엘이디(LED) 구동장치에는 별도의 전력변환회로가 필요하게 되었다.

예를 들어, 교류 형태를 가지는 상용 전원으로부터 엘이디(LED) 구동을 위한 전압을 생성하는 종래의 엘이디(LED) 구동장치의 경우, PFC(Power Correction Circuit) 및 DC/DC 컨버터가 필수적으로 사용되었다.

여기서, PFC는 교류전압을 정류하는 기능과 역률을 일정한 범위 내로 유지하는 기능을 수행하고, DC/DC 컨버터는 PFC에서 생성되는 고압의 DC 전압을 엘이디(LED)에 적합한 전압으로 변환하는 기능을 수행하였다.

친환경적인 에너지 소비를 위해 종래의 백열등ㆍ형광등은 엘이디(LED) 장치로 대체되고 있다. 그런데, 종래의 엘이디(LED) 장치는 전술한 바와 같이 별도의 전력변환장치, 예를 들어, PFC 및 DC/DC 컨버터가 필요하여 비용적인 측면에서 문제가 되고 있다.

이러한 배경에서, 본 발명의 목적은, 부품 수를 줄이기 위해 교류 전압을 직접 사용하여 엘이디(LED)를 구동하는 장치에 관한 기술을 제공하는 것이다.

한편, 교류 전압을 직접 사용하여 엘이디(LED)를 구동하게 되면, 교류 전압의 파형에 따라 구동되는 엘이디모듈의 개수가 달라지게 되고, 이에 따라, 엘이디모듈 사이의 전력량 불균형이 발생할 수 있는데, 본 발명의 다른 목적은, 교류 직접 구동에 있어서, 엘이디모듈 사이의 전력량 편차를 최소화하여 엘이디장치의 수명을 증가시키는 기술을 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 일 측면에서, 본 발명은, 엘이디모듈부, 정류부, 병렬스위칭소자부, 역률부 및 제어부를 포함하는 엘이디 장치를 제공한다.

이러한 엘이디장치에서, 엘이디모듈부는 서로 직렬로 연결되는 N(N은 2이상의 자연수)개의 엘이디모듈을 포함할 수 있다.

그리고, 정류부는 교류전압을 정류하여 엘이디모듈부로 공급할 수 있다.

병렬스위칭소자부는 엘이디모듈과 병렬로 연결되는 M(M은 2이상의 자연수)개의 병렬스위칭소자를 포함할 수 있다.

역률부는 엘이디모듈부로 공급되는 전류의 크기를 조절하여 역률제어를 수행할 수 있다.

그리고, 제어부는 교류전압의 크기 혹은 교류전압이 정류된 정류전압의 크기에 따라 각 병렬스위칭소자의 턴온 혹은 턴오프를 제어하고, 한 주기에서 각 엘이디모듈로 공급되는 전력량의 편차가 일정 범위 내로 제어되도록 각 병렬스위칭소자의 온(ON) 혹은 오프(OFF) 시간을 제어할 수 있다.

다른 측면에서, 본 발명은, 서로 직렬로 연결되는 N(N은 2이상의 자연수)개의 엘이디모듈을 포함하는 엘이디모듈부, 교류전압을 정류하여 엘이디모듈부로 공급하는 정류부, 엘이디모듈과 병렬로 연결되는 M(M은 2이상의 자연수)개의 병렬스위칭소자를 포함하는 병렬스위칭소자부, 엘이디모듈부로 공급되는 전류의 크기를 조절하여 역률제어를 수행하는 역률부 및 교류전압의 크기 혹은 교류전압이 정류된 정류전압의 크기에 따라 각 병렬스위칭소자의 턴온 혹은 턴오프를 제어하는 제어부를 포함하는 엘이디 장치를 제공한다.

이러한 엘이디 장치에서, 한 주기에서 병렬스위칭소자부의 턴온구간은 2M+1개의 서브구간으로 구분되고, 제어부는 제1주기와 제2주기에서 각 서브구간에서 턴온되는 엘이디모듈을 다르게 제어하여 각 엘이디모듈로 공급되는 전력량의 평균 편차가 일정 범위 내로 제어되도록 할 수 있다.

또 다른 측면에서, 본 발명은, 교류전압을 정류하여 제1노드로 정류전압을 공급하는 정류부, 서로 직렬로 연결되는 N(N은 2이상의 자연수)개의 엘이디모듈을 포함하고 일측은 제1노드와 연결되며 타측은 제2노드와 연결되는 제1엘이디모듈부, 일측은 제2노드와 연결되고 타측은 제3노드와 연결되는 제1스위치, 서로 직렬로 연결되는 N(N은 2이상의 자연수)개의 엘이디모듈을 포함하고 일측은 제3노드와 연결되며 타측은 제4노드와 연결되는 제2엘이디모듈부, 일측은 제1노드와 연결되고 타측은 제3노드와 연결되는 제2스위치, 일측은 제2노드와 연결되고 타측은 제4노드와 연결되는 제3스위치, 제1엘이디모듈부 혹은 제2엘이디모듈부로 공급되는 전류의 크기를 조절하여 역률제어를 수행하는 역률부 및 각 엘이디모듈로 공급되는 전력량의 편차가 일정 범위 내로 제어되도록 각 병렬스위칭소자의 온(ON) 혹은 오프(OFF) 시간을 제어하고, 교류전압의 피크가 제1전압일 때, 제1스위치를 턴온시키고, 교류전압의 피크가 제1전압보다 작은 제2전압일 때, 제1스위치를 턴오프하고 제2스위치 혹은 제3스위치를 턴온하는 제어부를 포함하는 엘이디 장치를 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 엘이디(LED) 구동을 위해 교류 전압을 직접 사용함으로써 부품 수를 줄이고 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 교류 직접 구동에서도 엘이디모듈 사이의 전력량 편차를 최소화하여 엘이디모듈의 수명을 증가시키는 효과가 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 엘이디장치의 구성을 나타낸다.
도 2는 일 실시예에 따른 엘이디모듈부 및 병렬스위칭소자부의 구성도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 엘이디모듈의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 엘이디모듈들을 점등 제어하는 방법의 흐름도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 점등 제어 방법에서 점등되는 엘이디모듈의 개수를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 제어부의 상세 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 하이사이드 게이트드라이버에 대한 상세 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 일 실시예에서 점등 제어 구간과 충전 제어 구간을 나타내는 도면이다.
도 9는 충전 제어 구간에서 스위칭소자들의 턴온 순서를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 충전 제어 구간의 정류전압에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 일 실시예에 따른 역률부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 12는 일 실시예에 따른 엘이디장치에서 정류전압의 파형과 엘이디구동전류의 파형을 나타내는 도면이다.
도 13은 일 실시예에 따른 제어부에 포함된 직렬스위칭소자에 대한 피드백제어회로의 예시를 나타내는 도면이다.
도 14는 서브구간에 대한 일 예시 도면이다.
도 15는 도 14의 서브구간에서 턴온되는 엘이디모듈의 일 예시를 나타내는 도면이다.
도 16은 도 14의 서브구간에서 턴온되는 엘이디모듈의 다른 예시를 나타내는 도면이다.
도 17은 다른 실시예에 따른 엘이디장치의 구성을 나타낸다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1은 일 실시예에 따른 엘이디장치의 구성을 나타낸다.

도 1을 참조하면, 엘이디장치(100)는 교류전원(110)과 연결되어 있다. 교류전원(110)은 상용전력망일 수 있으나 이로 제한되는 것은 아니며 교류 전압을 발생시키는 발전기일 수 있다.

엘이디장치(100)는 정류부(120), 제어부(130), 병렬스위칭소자부(140), 엘이디모듈부(150) 및 역률부(160) 등을 포함할 수 있다.

정류부(120)는 교류전원(110)으로부터 공급되는 교류 전압을 정류하여 정류전압(V_R)을 형성한다. 정류전압(V_R)은 엘이디모듈부(150)로 공급되고 엘이디(LED)에 대한 구동전력으로 사용된다.

정류부(120)는 다이오드를 이용하여 교류 전압을 정류할 수 있다. 이때, 정류부(120)가 하나의 다이오드를 포함하고 있는 경우 반주기에 해당되는 교류 전압이 정류전압(V_R)으로 형성되고, 나머지 반주기에서는 영전압(0V)이 정류전압(V_R)으로 형성된다. 그리고, 정류부(120)가 4개의 다이오드를 포함하고 있는 경우 반주기에 해당되는 교류 전압이 정류전압(V_R)으로 형성되는데, 나머지 반주기에도 같은 정류전압(V_R)이 반복된다.

엘이디모듈부(150)는 서로 직렬로 연결되는 N(N은 2이상의 자연수)개의 엘이디모듈을 포함할 수 있다. 그리고, 병렬스위칭소자부(140)는 엘이디모듈과 병렬로 연결되는 M(M은 2이상의 자연수)개의 병렬스위칭소자를 포함할 수 있다.

도 2는 일 실시예에 따른 엘이디모듈부 및 병렬스위칭소자부의 구성도이다.

도 2를 참조하면, 엘이디모듈부(150)는 서로 직렬로 연결되는 복수의 엘이디모듈들(LEDM_1, LEDM_2, ... , LEDM_n)을 포함할 수 있다.

아래에서는 설명의 편의를 위해 엘이디모듈부(150)는 N(N은 2이상의 자연수)개의 엘이디모듈들(LEDM_1, LEDM_2, ... , LEDM_n)을 포함하는 것으로 설명한다. 여기서, 엘이디모듈들(LEDM_1, LEDM_2, ... , LEDM_n)에 공통적으로 적용될 수 있는 예시를 설명할 때는 참조기호 LEDM을 사용하고, 각각의 엘이디모듈에 개별적으로 적용될 수 있는 예시를 설명할 때는 도 1에 도시된 각각의 참조기호를 사용하여 설명한다.

복수의 엘이디모듈들(LEDM_1, LEDM_2, ... , LEDM_n)은 서로 직렬로 연결되는데, 이 중 최상단에 위치하는 제N엘이디모듈(LEDM_n)은 일측이 정류부(도 1의 120 참조)의 고전압단(정류전압(V_R)을 형성하는 단)과 연결되고 다른 일측은 제N-1엘이디모듈(LEDM_n-1)과 연결된다. 또한, 엘이디모듈들(LEDM_1, LEDM_2, ... , LEDM_n) 중 최하단에 위치하는 제1엘이디모듈(LEDM_1)은 일측이 제2엘이디모듈(LEDM_2)과 연결되고, 다른 일측은 저전압부(예를 들어, 그라운드)와 연결된다.

엘이디모듈(LEDM)은 하나의 엘이디(LED) 혹은 복수의 엘이디(LED)를 포함하고, 이러한 복수의 엘이디(LED)는 서로 직렬 연결되거나 서로 병렬 연결될 수 있다.

엘이디모듈(LEDM)에 포함되는 엘이디(LED)의 구성을 살펴보기 위해 도 3을 참조한다.

도 3은 일 실시예에 따른 엘이디모듈의 구성을 나타내는 도면이다.

도 3의 (a)를 참조하면, 엘이디모듈(LEDM)은 하나의 엘이디(LED)만 포함할 수 있다. 이 경우, 엘이디모듈(LEDM)과 엘이디(LED)는 실질적으로 동일한 것으로 이해될 수 있다.

도 3의 (b)를 참조하면, 엘이디모듈(LEDM)은 서로 직렬로 연결되는 복수의 엘이디(LED)를 포함하고 있다.

도 3의 (c)를 참조하면, 엘이디모듈(LEDM)은 서로 병렬로 연결되는 복수의 엘이디(LED)를 포함하고 있다.

도 3을 참조하여 살펴본 바와 같이 엘이디모듈(LEDM)은 하나 혹은 복수의 엘이디(LED)가 서로 직렬 혹은 병렬로 연결될 수 있다. 또한, 도 3에 도시되지 않았지만, 복수의 엘이디(LED)는 서로 직렬 연결되기도 하고 서로 병렬 연결되기도 할 수 있다.

다시 도 1 및 도 2를 참조하여 엘이디장치의 다른 구성들에 대해 추가적으로 설명한다.

병렬스위칭소자(140)는 복수의 병렬스위칭소자들(PSW_1, PSW_2, ... , PSW_m)을 포함할 수 있다.

아래에서는 설명의 편의를 위해 병렬스위칭소자부(140)는 M(M은 2이상의 자연수)개의 병렬스위칭소자들(PSW_1, PSW_2, ... , PSW_m)을 포함하는 것으로 설명한다. 여기서, 병렬스위칭소자들(PSW_1, PSW_2, ... , PSW_m)에 공통적으로 적용될 수 있는 예시를 설명할 때는 참조기호 PSW를 사용하고, 각각의 병렬스위칭소자에 개별적으로 적용될 수 있는 예시를 설명할 때는 도 2에 도시된 각각의 참조기호를 사용하여 설명한다.

병렬스위칭소자(PSW)는 엘이디모듈(LEDM)과 병렬로 연결된다. 그리고, 병렬스위칭소자(PSW) 서로 간에는 직렬로 연결된다. 복수의 병렬스위칭소자들(PSW_1, PSW_2, ... , PSW_m) 중 최하단에 위치하는 제1병렬스위칭소자(PSW_1)는 일측이 제2병렬스위칭소자(PSW_2)와 연결되고, 다른 일측은 저전압부(예를 들어, 그라운드)와 연결된다.

한편, 도 1에서 병렬스위칭소자들(PSW_1, PSW_2, ... , PSW_m)은 모두 엘이디모듈들(LEDM_1, LEDM_2, ... , LEDM_n)과 일대일로 대응되는 것으로 도시되어 있다. 이 경우, 병렬스위칭소자들(PSW_1, PSW_2, ... , PSW_m)의 개수 M은 엘이디모듈들(LEDM_1, LEDM_2, ... , LEDM_n)의 개수 N과 같아진다. 그리고, 병렬스위칭소자들(PSW_1, PSW_2, ... , PSW_m) 중 최상단에 위치하는 제M병렬스위치소자(PSW_m)는 일측이 정류부(120)의 고전압단(정류전압(V_R)을 형성하는 단)과 연결되고 다른 일측은 제M-1병렬스위칭소자(PSW_m-1)와 연결된다.

그런데, 병렬스위칭소자들(PSW_1, PSW_2, ... , PSW_m)의 개수 M과 엘이디모듈들(LEDM_1, LEDM_2, ... , LEDM_n)의 개수 N은 항상 같은 것은 아니며, 실시예에 따라, M과 N은 다른 값을 가질 수 있다.

예를 들어, M=N-1로서 M이 N보다 하나 작을 수 있다. 이때, 병렬스위칭소자부(140)는 정류부(120)의 고전압단(V_R)과 연결되는 제N엘이디모듈(LEDM_n)과 병렬로 연결되는 스위칭소자를 포함하지 않을 수 있다.

병렬스위칭소자(PSW)는 BJT(Bipolar Junction Transistor)일 수 있다.

한편, 병렬스위칭소자(PSW)는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)일 수 있는데, 병렬스위칭소자(PSW)가 MOSFET인 경우 큰 전력의 엘이디(LED)를 구동할 수 있게 된다. 아래에서는 설명의 편의를 위해 병렬스위칭소자(PSW)가 MOSFET인 실시예를 설명한다. 하지만, 본 발명이 이로 제한되는 것은 아니며, 병렬스위칭소자(PSW)로는 온오프 제어가 가능한 반도체소자가 모두 적용될 수 있다.

제어부(130)는 병렬스위칭소자(PSW)를 턴온 혹은 턴오프 제어함으로써 병렬스위칭소자(PSW)와 병렬로 연결된 엘이디모듈(LEDM)을 온오프 제어한다. 병렬스위칭소자(PSW)와 엘이디모듈(LEDM)은 서로 병렬 연결되어 있음으로, 제어부(130)가 병렬스위칭소자(PSW)를 턴온 제어하는 경우, 엘이디모듈(LEDM)로는 전력이 공급되지 않아 해당 엘이디모듈(LEDM)은 오프된다. 반면에, 제어부(130)가 병렬스위칭소자(PSW)를 턴오프 제어하는 경우, 엘이디모듈(LEDM) 양단에는 구동전압이 공급되어 해당 엘이디모듈(LEDM)이 온된다. 물론, 이 경우, 엘이디모듈(LEDM) 양단에 공급되는 구동전압의 크기는 엘이디모듈(LEDM)의 순방향전압(V_F)보다 커야한다.

제어부(130)는 교류전압의 크기 혹은 교류전압이 정류된 정류전압(V_R)의 크기에 따라 각 병렬스위칭소자(PSW)의 턴온 혹은 턴오프를 제어한다.

일 예로서, 제어부(130)는 정류전압(V_R)의 크기에 따라 엘이디모듈들(LEDM_1, LEDM_2, ... , LEDM_n) 중 비점등 엘이디모듈을 선택하고 이러한 비점등 엘이디모듈과 병렬로 연결된 병렬스위칭소자를 턴온할 수 있다. 혹은, 제어부(130)는 정류전압(V_R)의 크기에 따라 엘이디모듈들(LEDM_1, LEDM_2, ... , LEDM_n) 중 점등 엘이디모듈을 선택하고 이러한 점등 엘이디모듈과 병렬로 연결된 병렬스위칭소자를 턴오프시킬 수 있다.

도 4는 일 실시예에 따른 엘이디모듈들을 점등 제어하는 방법의 흐름도이다.

제어부(130)는 먼저 정류전압(V_R)을 측정한다(S410). 이때, 제어부(130)는 정류전압(V_R)을 측정하기 위해 정류부(120)의 고전압단 혹은 제N엘이디모듈(LEDM_n)의 고압측 전압을 센싱하는 센싱 라인을 더 포함할 수 있다.

그리고, 제어부(130)는 정류전압(V_R)의 크기에 따라 엘이디모듈들(LEDM_1, LEDM_2, ... , LEDM_n) 중 비점등 엘이디모듈의 개수를 결정하고 또한, 비점등 엘이디모듈도 선택한다(S420). 비점등 엘이디모듈의 개수를 결정한다는 것은 점등 엘이디모듈의 개수를 결정한다는 것과 같은 것으로 이해할 수 있다. 이에 따라 아래에서는 제어부(130)가 비점등 엘이디모듈의 개수를 결정하거나 점등 엘이디모듈의 개수를 결정하는 것을 혼용해서 설명할 수 있는데, 이러한 두 가지는 같은 것으로 이해하면 된다.

제어부(130)는 정류전압(V_R)이 높을수록 점등 엘이디모듈의 개수를 증가시키고 비점등 엘이디모듈의 개수는 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 제어부(130)는 정류전압(V_R)이 최대의 크기를 나타낼 때 엘이디모듈들(LEDM_1, LEDM_2, ... , LEDM_n) 전부가 점등되도록 제어하고 정류전압(V_R)이 최대의 크기에서 점점 작아질수록 점등되는 엘이디모듈의 개수가 작아지도록 제어할 수 있다.

이렇게 제어부(130)가 정류전압(V_R)이 높을수록 점등 엘이디모듈의 개수를 증가시키면 높은 정류전압(V_R)에서 높은 전력이 소비되어 역률이 개선되는 효과가 발생한다. 따라서, 엘이디장치(100)가 이러한 방식의 제어방법을 이용하면 PFC없이도 역률을 일정한 값 이상으로 유지할 수 있게 된다.

제어부(130)는 정류전압(V_R)을 양자화하고 각각의 양자화구간에 따라 점등되는 엘이디모듈의 개수를 다르게 제어할 수 있다.

도 5는 일 실시예에 따른 점등 제어 방법에서 점등되는 엘이디모듈의 개수를 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참조하면, 제어부(130)는 t_k에서 t_k+1까지의 구간[t_k t_k+1]에서 j개의 엘이디모듈을 점등 제어하고 t_k+1에서 t_k+2까지의 구간[t_k+1 t_k+2]에서 j+1개의 엘이디모듈을 점등 제어하고 있다.

이때, t_k에서의 정류전압(V_R)과 t_k+1에서의 정류전압(V_R)의 차이는 엘이디모듈(LEDM) 하나의 순방향전압(V_F)과 같을 수 있다.

한편, 점등되는 엘이디모듈의 개수가 결정되면 비점등되는 엘이디모듈도 결정되는 것으로서, 제어부(130)는 전술한 과정을 통해 비점등 엘이디모듈의 개수를 결정하고, 또한 비점등 엘이디모듈도 선택한다. 엘이디(LED)의 수명은 점등되는 시간에 비례할 수 있는데, 이에 따라, 제어부(130)는 점등되는 시간이 비슷하게 유지되도록 비점등 엘이디모듈을 선택할 수 있다.

다시 도 5를 참조하면, 제어부(130)는 비점등 엘이디모듈을 선택한 후 해당 엘이디모듈과 병렬로 연결된 병렬스위칭소자를 턴온 제어한다(S430).

여기서, 제어부(130)는 병렬스위칭소자들(PSW_1, PSW_2, ... , PSW_m)을 각각 제어하기 위해 복수의 게이트드라이버를 포함할 수 있다.

도 6은 일 실시예에 따른 제어부의 상세 구성을 설명하기 위한 도면이다.

도 6을 참조하면, 제어부(130)는 각각의 스위칭소자들(PSW_1, PSW_2, ... , PSW_m)에 대응되는 M개의 게이트드라이버 및 이러한 M개의 게이트드라이버로 제어신호를 전송하는 제어기(610)를 포함할 수 있다.

M개의 게이트드라이버 중 제1병렬스위칭소자(PSW_1)와 연결되는 게이트드라이버는 로우사이드 게이트드라이버(Low Side Gate Driver)이고, 제2병렬스위칭소자(PSW_2) 내지 제M병렬스위칭소자(PSW_m)와 연결되는 게이트드라이버들은 하이사이드 게이트드라이버(High Side Gate Driver)일 수 있다.

로우사이드 게이트드라이버(이하, LSGD)는 연결되는 스위칭소자의 소스단이 그라운드와 연결되어 있다. 이에 따라, LSGD는 LSGD로 연결되는 직류전원전압(VDD)을 직접 이용하여 스위칭소자를 구동시킬 수 있다. 여기서, 직류전원전압(VDD)은 제어부(130)의 작동을 위해 사용되는 직류 전압으로서 외부에서 공급될 수도 있고, 자체에서 생성될 수도 있다. 직류전원전압(VDD)을 자체에서 생성하기 위해 제어부(130)는 정류부(120)의 고전압단과 연결되는 라인을 포함하고 이러한 라인을 통해 공급되는 정류전압(V_R)을 이용하여 직류전원전압(VDD)을 생성하는 전력변환회로(예를 들어, DC/DC 컨버터 혹은 레귤레이터 회로)를 더 포함할 수 있다.

한편, 하이사이드 게이트드라이버(이하, HSGD)는 연결되는 스위칭소자의 소스단이 그라운드단과 직접 연결되어 있지 않다. 이에 따라, HSGD는 플로팅 상태에서 스위칭소자로 게이트 구동전압을 공급하도록 캐패시터에 일정 전기 에너지를 저장할 수 있다.

도 7은 일 실시예에 따른 하이사이드 게이트드라이버에 대한 상세 구성을 설명하기 위한 도면이다.

도 7을 참조하면, HSGD는 구동회로(710), 캐패시터(720) 및 다이오드(730)를 포함할 수 있다.

구동회로(710)의 1번 핀은 직류전원전압(VDD)과 연결되고 2번 핀은 그라운드와 연결되다. 또한, 3번핀으로는 캐패시터(720)의 일측이 연결되고, 4번핀으로는 병렬스위칭소자(PSW)의 게이트단이 연결되며, 5번핀으로는 캐패시터(720)의 다른 일측 및 병렬스위칭소자(PSW)의 소스단이 연결된다.

구동회로(710)는 제어기(610)와 연결되는 신호핀(미도시)을 더 포함할 수 있는데, 구동회로(710)는 직류전원전압(VDD)을 이용하여 신호핀(미도시)으로 수신되는 신호를 처리하고 이러한 처리 결과에 따라 병렬스위칭소자(PSW)의 게이트단으로 게이트 구동전압을 출력하게 된다.

다이오드(730)는 직류전원전압(VDD) 라인과 캐패시터(720)의 일측과 연결되는데, 이때, 직류전원전압(VDD)이 캐패시터(720)의 일측 전압(VC1)보다 크면 다이오드(730)가 도통되어 직류전원전압(VDD)이 캐패시터(720)를 충전하게 된다.

캐패시터(720)의 일측 전압(V_C1)은 캐패시터의 다른 일측 전압(V_C2)과 캐패시터(720)의 충전 전압(V_C)의 합으로 결정된다. V_C1 = V_C2 + V_C. 이때, V_C2 전압이 플로팅되어 있거나 높은 전압을 형성하고 있는 경우, VDD가 V_C1보다 작게 되어 캐패시터(720)가 충전되지 않게 된다.

실질적으로 V_C2가 그라운드와 연결될 때, 캐패시터(720)가 충전될 수 있다. V_C2는 스위칭소자(SW)의 소스 전압(VS)와 동일함으로 실질적으로 HSGD의 캐패시터(720)를 충전하기 위해서는 스위칭소자(SW)의 소스단을 그라운드와 일정 시간동안(예를 들어, 캐패시터(720)의 충전 시간동안) 연결시켜 주는 것이 필요하다.

한편, 일 실시예와 같이 정류부(120)에 의해 정류된 교류 전압을 직접 이용하게 되면 교류 전압의 특성상 일부 구간에서는 전압이 낮아 엘이디(LED)를 구동할 수 없거나 실질적으로 하나의 엘이디(LED)만 구동할 수 있게 된다. 일 실시예에 따른 제어부(130)는 이러한 구간에서 HSGD의 캐패시터(720)를 충전하는 제어를 실시할 수 있다.

이에 따라, 제어부(130)는 엘이디모듈들(LEDM_1, LEDM_2, ... , LEDM_n)을 점등 제어하는 구간(제1구간)과 HSGD를 충전 제어하는 구간(제2구간)을 구분하여 제어한다.

도 8은 일 실시예에서 점등 제어 구간과 충전 제어 구간을 나타내는 도면이다.

도 8을 참조하면, 제어부(130)는 교류전압의 반주기 구간에서 정류전압(V_R)의 크기가 기준 전압(V_A) 이상인 구간을 점등 제어를 위한 제1구간으로 설정하고 반주기 구간에서 정류전압(V_R)의 크기가 기준 전압(V_A) 보다 작은 구간을 충전 제어를 위한 제2구간으로 설정할 수 있다.

하나의 반주기 구간에서 정류전압(V_R)의 크기가 기준 전압(V_A) 보다 작은 구간은 두 번 나타날 수 있는데, 도 8에 도시된 것과 같이 제어부(130)는 이 두 구간을 모두 제2구간으로 설정할 수도 있고, 어느 일측 구간, 예를 들어, 정류전압(V_R)이 하강하는 구간만 제2구간으로 설정할 수도 있다.

이러한 제2구간에서, 제어부(130)는 그라운드와 연결된 제1병렬스위칭소자(PSW_1)부터 순차적으로 병렬스위칭소자들(PSW_1, PSW_2, ... , PSW_m) 중 일부 혹은 전부를 턴온할 수 있다. 예를 들어, 병렬스위칭소자들(PSW_1, PSW_2, ... , PSW_m)의 개수 M과 엘이디모듈들(LEDM_1, LEDM_2, ... , LEDM_n)의 개수 N이 같은 경우, 제어부(130)는 제M병렬스위칭소자(PSW_m)을 제외하고 나머지 병렬스위칭소자들에 대하여 제1병렬스위칭소자(PSW_1)부터 순차적으로 턴온제어할 수 있다. 다른 예로서, 병렬스위칭소자들(PSW_1, PSW_2, ... , PSW_m)의 개수 M이 엘이디모듈들(LEDM_1, LEDM_2, ... , LEDM_n)의 개수 N보다 작은 경우, 제어부(130)는 전부의 병렬스위칭소자들(PSW_1, PSW_2, ... , PSW_m)에 대하여 제1병렬스위칭소자(PSW_1)부터 순차적으로 턴온제어할 수 있다.

도 9는 충전 제어 구간에서 스위칭소자들의 턴온 순서를 설명하기 위한 도면이다.

도 9를 참조하면, 제어부(130)는 제2구간에서 제일 먼저, 그라운드와 연결된 제1병렬스위칭소자(PSW_1)를 턴온 제어한다. 이렇게 제1병렬스위칭소자(PSW_1)를 턴온시키면 제1병렬스위칭소자(PSW_1)와 연결된 제2병렬스위칭소자(PSW_2)의 소스 전압(VS_2)은 그라운드 전압이 된다. 이때, 제2병렬스위칭소자(PSW_2)의 소스 전압(VS_2)은 그라운드 전압이 되기 때문에 제2병렬스위칭소자(PSW_2)와 연결된 HSGD의 캐패시터(720)가 충전되게 된다.

제어부(130)는 도 9에 도시된 ON 방향에 따라 순차적으로 상위단에 위치하는 스위칭소자를 턴온하게 되는데, 예를 들어, K번째 병렬스위칭소자(PSW_k)를 턴온한 후에는 다음 차례로 K+1번째 병렬스위칭소자(PSW_k+1)를 턴온하게 된다.

이때, K번째 병렬스위칭소자(PSW_k)를 턴온할 때, K-1번째 이하의 병렬스위칭소자는 모두 턴온 상태에 있지만 K+1번째 이상의 병렬스위칭소자 중 일부는 턴오프 상태에 있다.

순차적 턴온에 따라 M-1번째 병렬스위칭소자(PSW_m-1)가 턴온된 후에는 M번째 병렬스위칭소자(PSW_m)는 턴온할 수도 있고, 턴온하지 않을 수도 있다. M-1번째 병렬스위칭소자(PSW_m-1)의 턴온에 따라 M번째 병렬스위칭소자(PSW_m)의 소스 전압(VS_m)은 그라운드 전압이 되기 때문에 M번째 병렬스위칭소자(PSW_m)는 턴온시킬 필요는 없다.

한편, HSGD에서 캐패시터(720)는 직류전원전압(VDD)이 V_C1보다 커야 충전을 시작하게 되는데, 이때, 직류전원전압(VDD)이 외부 전원으로부터 공급되지 않고 정류전압(V_R)을 이용하여 생성되는 것일 경우, 제2구간에서의 정류전압(V_R)은 일정 크기 이상을 유지할 필요가 있다.

도 10은 충전 제어 구간의 정류전압에 대해 설명하기 위한 도면이다.

도 10을 참조하면, 제어부(130)는 충전 제어 구간으로서의 제2구간을 정류전압(V_R)이 제1정류전압(V_B1) 보다 작고 제2정류전압(V_B2) 보다 큰 범위 내에 있는 구간으로 한정하고 있다.

이때, 제2정류전압(V_B2)은 직류전원전압(VDD)의 크기보다 클 수 있다. 전술한 바와 같이 제어부(130)가 정류전압(V_R)을 이용하여 직류전원전압(VDD)을 생성하는 경우, 정류전압(V_R)이 직류전원전압(VDD)보다 커야 제어부(130)가 정상적으로 직류전원전압(VDD)을 생성할 수 있게 된다. 이렇게 직류전원전압(VDD)이 정상적으로 생성되어야 또한, 충전 제어 구간에서 HSGD의 캐패시터(720)가 정상적으로 충전될 수 있다.

한편, 캐패시터(720)에 대한 충전 제어는 한 개의 엘이디모듈(LEDM)도 켜지지 않는 구간에서만 수행될 수 있다. 이에 따라, 제어부(130)는 제2구간에서의 정류전압의 최고 전압(V_B1)은 한 개의 엘이디모듈에 대한 순방향전압(V_F)보다 작고, 직류전원전압(VDD)보다는 클 수 있다.

엘이디모듈(LEDM)이 하나의 엘이디 혹은 직렬 연결된 복수의 엘이디를 포함하는 경우, 제2구간에서의 정류전압의 최고 전압(V_B1)은 엘이디(LED)의 문턱전압 혹은 직렬 연결된 복수의 엘이디(LED)의 문턱전압의 합보다 작고 직류전원전압(VDD)보다 클 수 있다.

다른 한편, 캐패시터(620)에 대한 충전 제어 구간(제2구간)은 하나의 엘이디모듈(LEDM)이 온되는 구간을 포함할 수 있는데, 이때, 제2구간에서의 정류전압의 최고 전압(V_B1)은 한 개의 엘이디모듈에 대한 순방향전압(V_F)보다 크고 두 개의 엘이디모듈의 순방향전압(2ㅇV_F)보다 작을 수 있다.

도 11은 일 실시예에 따른 역률부의 구성을 나타내는 도면이다.

역률부(160)는 엘이디모듈부(150)로 공급되는 전류의 크기를 조절하여 역률제어를 수행한다.

일 예로서, 도 11을 참조하면, 역률부(160)는 엘이디모듈부(150)와 직렬로 연결되는 직렬스위칭소자(SSW)를 포함할 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 이러한 직렬스위칭소자(SSW)를 제어하여 엘이디모듈부(150)로 공급되는 전류의 크기를 조절할 수 있다.

제어부(130)는 직렬스위칭소자(SSW)를 PWM(Pulse Width Modulation)제어할 수 있다.

예를 들어, 제어부(130)는 교류전압의 절대값 크기 혹은 정류전압의 크기가 클수록 PWM 듀티를 길게 할 수 있다. 직렬스위칭소자(SSW)의 PWM 듀티가 길수록 엘이디모듈부(150)로 공급되는 전류의 크기가 증가하는데, 제어부(130)는 이를 이용하여 교류전압의 파형과 유사하게 전류의 파형을 형성할 수 있다.

한편, 제어부(130)는 직렬스위칭소자(SSW)의 게이트전압을 제어하여 엘이디모듈부(150)로 공급되는 전류의 크기를 조절할 수 있다.

제어부(130)는 정류전압(V_R)의 크기에 따라 직렬스위칭소자(SSW)로 흐르는 전류(이하 '엘이디구동전류'라 함)의 크기를 제어할 수 있다.

엘이디장치(100)는 직렬스위칭소자(SSW)로 흐르는 엘이디구동전류를 센싱하기 위해 전류센서를 더 포함할 수 있다.

제어부(130)는 전류센서를 통한 엘이디구동전류의 센싱값과 정류전압(V_R)의 센싱값를 이용하여 직렬스위칭소자(SSW)를 제어할 수 있다. 좀더 구체적인 예로서, 제어부(130)는 전류센서를 통한 엘이디구동전류의 센싱값이 정류전압(V_R)의 센싱값을 추종하도록 직렬스위칭소자(SSW)를 제어할 수 있다. 다른 측면에서 보면, 제어부(130)는 엘이디구동전류의 파형이 정류전압(V_R)의 파형을 따라가도록 직렬스위칭소자(SSW)를 제어할 수 있다.

도 12는 일 실시예에 따른 엘이디장치에서 정류전압의 파형과 엘이디구동전류의 파형을 나타내는 도면이다.

도 12를 참조하면, 제어부(130)는 엘이디구동전류(Idrv)의 파형이 정류전압(V_R)의 파형을 따라가도록 직렬스위칭소자(SSW)를 제어한다.

직렬스위칭소자(SSW)-예를 들어, BJT, MOSFET 등-는 게이트전압 혹은 베이스전류에 따라 흐르는 전류량이 조절될 수 있는데, 제어부(130)는 직렬스위칭소자(SSW)의 게이트전압 혹은 베이스전류를 제어하여 직렬스위칭소자(SSW)를 통해 흐르는 엘이디구동전류(Idrv)를 제어할 수 있다.

엘이디구동전류(Idrv)는 엘이디장치(100)로 입력되는 전류와 실질적으로 동일할 수 있는데, 이러한 측면에서, 엘이디구동전류(Idrv)와 정류전압(V_R)의 파형이 유사하게 형성된다는 것은 엘이디장치(100)의 역률(Power Factor)이 높게 제어된다는 것을 의미하게 된다.

엘이디장치(100)는 직렬스위칭소자(SSW)를 통해 엘이디구동전류(Idrv)가 정류전압(V_R)의 파형을 따라가게 제어함으로써 역률(Power Factor)을 개선할 수 있다.

엘이디장치(100)는 정류전압(V_R)에 따라 병렬스위칭소자들(PSW_1, PSW_2, …, PSW_m)의 턴온/턴오프를 제어함으로써 역률 제어를 1차적으로 수행하게 된다. 그리고, 엘이디장치(100)는 전술한 것과 같이 직렬스위칭소자(SSW)를 제어함으로써 역률 제어를 2차적으로 수행할 수 있게 된다.

한편, 정류전압(V_R)이 일정 전압보다 낮아지면, 엘이디모듈(LEDM)을 턴온시킬 수 없게 되는데, 이러한 구간에서 제어부(130)는 병렬스위칭소자들(PSW_1, PSW_2, …, PSW_m)의 게이트드라이버를 충전하기 위한 작업을 수행할 수 있다.

도 13은 일 실시예에 따른 제어부에 포함된 직렬스위칭소자에 대한 피드백제어회로의 예시를 나타내는 도면이다.

도 13을 참조하면, 피드백제어회로(1330)는 전압분배기(1340), 앰프(1350) 등을 포함할 수 있다.

피드백제어회로(1330)는 전압분배기(1340)를 이용하여 정류전압(V_R)에 대한 센싱값을 파지티브피드백으로 입력받고-앰프(1350)의 플러스단자로 입력받고, 전류센서(Rs)를 이용하여 엘이디구동전류(Idrv)의 센싱값을 네거티브피드백으로 입력받을 수 있다.

그리고, 피드백제어회로(1330)는 이러한 정류전압(V_R)에 대한 센싱값 및 엘이디구동전류(Idrv)의 센싱값을 이용하여 직렬스위칭소자(SWC)를 제어-예를 들어, 직렬스위칭소자(SWC)의 게이트전압을 제어-할 수 있다.

피드백루프에서 네거티브피드백 값은 파지티브피드백 값을 추종하게 됨으로, 피드백제어회로(1330)와 같은 구성을 적용하게 되면, 엘이디구동전류(Idrv)의 파형이 정류전압(V_R)의 파형을 따라가게 된다.

한편, 피드백제어회로(1330)는 디밍신호에 따라 정류전압(V_R)에 대한 센싱값을 조정하여 엘이디구동전류(Idrv)를 조정할 수 있다.

구체적인 예로서, 전압분배기(1340)에는 두 개 이상의 저항(R1, R2)이 위치하고 이중 적어도 하나의 저항(R2)은 프로그래머블 저항 혹은 가변저항으로써 제어신호(Cdim)에 의해 크기가 조정될 수 있다. 전압분배기(1340)에서 일 저항값이 변하면 센싱되는 값도 변하게 되는데, 피드백제어회로(1330)는 이러한 원리를 이용하여 디밍신호에 따라 정류전압(V_R)에 대한 센싱값을 조정할 수 있다. 그리고, 이러한 정류전압(V_R)에 대한 센싱값의 조정에 따라 엘이디구동전류(Idrv)가 조정될 수 있다.

도 13에서 전압분배기(1340)가 저항으로 이루어진 예를 설명하였으나, 전압분배기(1340)는 캐패시터로 이루어질 수 있고, 그 중의 일부 캐패시터는 가변캐패시터로서 제어신호(Cdim)에 의해 크기가 조정될 수 있다.

한편, 제어부(130)는 교류전압(정류전압(V_R))의 반주기 구간 중 일정 구간 동안 직렬스위칭소자(SSW)를 완전히 턴온(fully turn-on)시켜 하이사이드 게이트드라이버들의 구동전압을 충전시킬 수 있다. 그리고, 이러한 제어부(130)의 기능은 다이오드(D1) 블록과 같이 구현될 수 있다.

도 13을 참조하면, 파지티브피드백-앰프(1350)의 플러스단자-으로 다이오드(D1)가 연결되고 제어부(130)는 이러한 다이오드(D1)를 통해 턴온제어전압(Vctl)을 제공할 수 있다.

턴온제어전압(Vctl)은 도 12에서 설명한 제1구간에서 정류전압(V_R)에 대한 센싱값보다 작게 형성될 수 있다. 이렇게 되면, 파지티브피드백으로는 정류전압(V_R)에 대한 센싱값이 전달되게 된다.

그리고, 턴온제어전압(Vctl)은 도 12에서 설명한 제2구간에서 정류전압(V_R)에 대한 센싱값보다 높은 전압일 수 있다. 이렇게 되면, 파지티브피드백으로는 턴온제어전압(Vctl)이 제공되게 된다.

턴온제어전압(Vctl)이 일정 정도 높은 전압으로 유지되면 앰프(1350)에서 충분한 전력이 직렬스위칭소자(SSW)의 게이트로 전달되어 직렬스위칭소자(SSW)를 완전히 턴온시키게 된다. 물론, 직렬스위칭소자(SSW)가 완전히 턴온되는 것으로 설명하였으나, 실제 구현에 있어서는 완전히 턴온되지 않을 수도 있다. 직렬스위칭소자(SSW)의 드레인-소스 전압이 최소화되는 것이 바람직하나 구현하는 어플리케이션의 제약에 따라 직렬스위칭소자(SSW)가 완전히 턴온되지 않을 수도 있다.

한편, 엘이디장치가 역률제어를 수행하게 되면, 한 주기 내에서 엘이디모듈부로 공급되는 전류의 크기가 변하게 되는데, 이때, 전류의 크기가 큰 시점에서 턴온되는 엘이디모듈과 전류의 크기가 작은 시점에서 턴온되는 엘이디모듈 사이에 전력량의 불균형이 발생할 수 있다.

여기서, 한 주기는 엘이디장치의 제어주기이다. 엘이디장치는 일정한 주기마다 유사 혹은 동일한 패턴으로 엘이디모듈부를 구동하게 되는데, 전술한 한 주기는 이러한 일정한 주기를 의미한다.

한 주기는 교류전압의 주기와 같거나 교류전압의 반주기와 같을 수 있다. 예를 들어, 교류전압이 60Hz일 때, 한 주기는 교류전압의 주기인 16.6ms일 수 있고, 반주기인, 8.3ms일 수 있다. 아래에서는 엘이디장치가 교류전압의 반주기를 제어주기로 하는 실시예에 대해 설명한다.

엘이디장치는 한 주기에서 엘이디모듈부가 턴온되는 구간을 2M+1개의 서브구간으로 구분하고, 각 서브구간에서 턴온되는 엘이디모듈 개수를 다르게 제어할 수 있다.

도 14는 서브구간에 대한 일 예시 도면이다.

도 14를 참조하면, 턴온구간은 총 7개의 서브구간(SD1 ~ SD7)으로 구분된다.

도 14는 엘이디모듈부에 포함된 엘이디모듈이 총 4개인 경우에 대한 예시로서, 일반적으로 한 주기에서 턴온구간은 2M+1개의 서브구간으로 구분될 수 있다.

엘이디장치(예를 들어, 제어부)는 제1서브구간(SD1)에서 하나의 엘이디모듈을 턴온시키고 순차적으로 턴온되는 엘이디모듈의 개수를 증가시켜 제M서브구간에서 N개의 엘이디모듈을 턴온시킬 수 있다.

도 14의 예시에서, 엘이디장치는 제1서브구간(SD1)에서 하나의 엘이디모듈을 턴온시키고, 제2서브구간(SD2)에서 두 개의 엘이디모듈을 턴온시키며, 제3서브구간(SD3)에서 세 개의 엘이디모듈을 턴온시키고, 제4서브구간(SD4)에서 네 개의 엘이디모듈을 턴온시킬 수 있다.

엘이디장치는 제M서브구간에서 N개의 엘이디모듈을 모두 턴온시킨 후에, 다시 순차적으로 턴온되는 엘이디모듈의 개수를 줄여나갈 수 있다. 도 14의 예시에서, 엘이디장치는 제5서브구간(SD5)에서 세 개의 엘이디모듈을 턴온시키고, 제6서브구간(SD6)에서 두 개의 엘이디모듈을 턴온시키며, 제7서브구간(SD7)에서 하나의 엘이디모듈을 턴온시킬 수 있다.

엘이디장치(예를 들어, 제어부)는 턴온되는 엘이디모듈의 순방향전압(forward voltage)의 합이 정류전압보다 작거나 같아지도록 병렬스위칭소자부를 제어할 수 있다.

엘이디장치가 엘이디모듈의 순방향전압(forward voltage)의 합과 정류전압이 같아지도록 제어하는 경우, 각 서브구간의 시작시점은 정류전압의 파형에 의해 결정될 수 있다.

예를 들어, 제1서브구간(SD1)은 하나의 엘이디모듈의 순방향전압(forward voltage)과 정류전압이 같아지는 시점에서 시작될 수 있다. 다른 예로서, 제M서브구간은 N개의 엘이디모듈의 순방향전압의 합과 정류전압이 같아지는 시점에서 시작될 수 있다. 각각의 시작시점은 제어부가 병렬스위칭소자부를 제어함으로써 시작될 수 있다.

이렇게 엘이디장치가 엘이디모듈의 순방향전압(forward voltage)의 합과 정류전압이 같아지도록 제어하는 경우, 역률부의 역률제어에 의해 각 서브구간에서 흐르는 전류의 크기가 달라 일부 엘이디모듈 사이에 소모되는 전력량의 편차가 일정 범위를 벗어날 수 있다.

도 15는 도 14의 서브구간에서 턴온되는 엘이디모듈의 일 예시를 나타내는 도면이다.

엘이디장치는 각 구간에서 턴온되는 엘이디모듈을 도 15와 같이 제어할 수 있다.

이때, 각각의 엘이디모듈이 턴온되는 서브구간의 개수는 동일하다. 예를 들어, 제1엘이디모듈(LEDM_1)은 제1서브구간(SD1)부터 제4서브구간(SD4)까지 총 4개의 서브구간에서 턴온되고, 제2엘이디모듈(LEDM_2)은 제2서브구간(SD2)부터 제5서브구간(SD5)까지 총 4개의 서브구간에서 턴온되어, 각각의 엘이디모듈이 턴온되는 서브구간의 개수는 동일하다.

하지만, 역률제어에 의해, 각각의 서브구간에서 엘이디모듈로 제공되는 전류의 크기는 동일하지 않다. 예를 들어, 제5서브구간(SD5)에서 제2엘이디모듈(LEDM_2)로 흐르는 전류가 제1서브구간(SD1)에서 제1엘이디모듈(LEDM_1)로 흐르는 전류보다 크다.

이러한 상황에서, 제5서브구간(SD5)의 길이가 제1서브구간(SD1)의 길이와 같다면, 제2엘이디모듈(LEDM_2)이 한 주기에서 소모하는 전력량의 크기가 제1엘이디모듈(LEDM_1)이 소모하는 전력량보다 커지게 된다.

엘이디장치(예를 들어, 제어부)는 각 엘이디모듈로 공급되는 전력량의 편차가 일정 범위 내로 제어되도록 각 병렬스위칭소자의 온(ON) 혹은 오프(OFF) 시간을 제어할 수 있다.

전력량은 전류, 전압 및 시간의 곱으로 계산되는데, 엘이디모듈에 형성되는 전압이 순방향전압(forward voltage)으로 동일한 경우, 엘이디모듈에서 소모되는 전력량은 전류와 시간에 의해 결정되게 된다. 이때, 전류가 역률과 관련되어 있는 변수이기 때문에, 엘이디장치는 엘이디모듈이 턴온되는 시간을 제어하여 각 엘이디모듈의 전력량 편차를 조정하게 된다.

병렬스위칭소자의 개수 M이 4인 경우, 제1엘이디모듈(LEDM_1)과 제2엘이디모듈(LEDM_2)의 전력량 편차를 조절하기 위해서는 제1서브구간(SD1)의 시간을 조절하거나 제5서브구간(SD5)의 시간을 조절해야 한다.

먼저, 엘이디장치는 제1서브구간(SD1)의 시간이 길어지도록 제어할 수 있다. 이때, 제1서브구간(SD1)이 시작되는 시점이 정류전압과 제1엘이디모듈(LEDM_1)의 순방향전압이 같아지는 시점으로 고정되어 있다면, 엘이디장치는 제2서브구간(SD2)이 도통되는 엘이디모듈의 순방향전압의 합과 정류전압이 같아지는 시점보다 늦게 시작하도록 제어할 수 있다. 그리고, 엘이디장치는 제1서브구간(SD1), 제3서브구간(SD3) 및 제4서브구간(SD4)의 시작시점은 도통되는 엘이디모듈의 순방향전압의 합과 정류전압이 같아지는 시점으로 제어할 수 있다. 이러한 방식에 의해 엘이디장치는 하나의 서브구간만 조절하여 엘이디모듈의 편차를 조절할 수 있다.

이렇게 반주기(제1서브구간부터 제M서브구간까지)에 대한 제어가 결정되면, 엘이디장치는 나머지 반주기를 앞의 반주기와 대칭적으로 제어할 수 있다. 예를 들어, 전술한 예시에서 제7서브구간(SD7)의 시간은 제1서브구간(SD1)의 시간과 같게 하고, 제6서브구간(SD6)의 시간은 제2서브구간(SD2)의 시간과 같게 할 수 있다.

M이 4보다 큰 일반적인 경우로 확대해 보면, 엘이디장치는 제1서브구간 및 제M서브구간을 제외한 나머지 서브구간 중 일부 서브구간의 시간을 조정하여 한 주기에서 각 엘이디모듈로 공급되는 전력량의 편차를 일정 범위 내로 제어할 수 있다.

전술한 실시예와 같이 한 주기의 전반부와 후반부가 대칭되도록 제어하게 되면, 제K(K는 M보다 작은 자연수)엘이디모듈은 제(M-K+1)엘이디모듈과 소모되는 전력량이 같아지게 된다. 예를 들어, 제2엘이디모듈이 소모하는 전력량은 제3엘이디모듈이 소모하는 전력량과 같아지게 된다.

이에 따라, 엘이디장치는 제M/2서브구간 이후부터 제M서브구간까지는 고정시켜놓고, 제2서브구간부터 제M/2서브구간까지만 시간을 조정하여 전체 엘이디모듈의 전력량 편차을 조정할 수 있다.

한편, 엘이디모듈에 대한 온/오프가 시각적으로 인식되지 않도록 하기 위해 전술한 것과 같이 한 주기에서의 편차를 일정하게 유지하고 매주기 각 엘이디모듈의 온/오프 패턴을 동일하게 유지하는 것이 바람직하다. 그러나, 패턴의 변화가 작은 한도에서 각 주기에서의 엘이디모듈의 온/오프 패턴을 변경하여 엘이디모듈 사이의 전력량 편차를 조절할 수 있다.

도 16은 도 14의 서브구간에서 턴온되는 엘이디모듈의 다른 예시를 나타내는 도면이다.

엘이디장치는 제1주기와 제2주기에서 각 서브구간에서 턴온되는 엘이디모듈을 다르게 제어하여 각 엘이디모듈로 공급되는 전력량의 평균 편차가 일정 범위 내로 제어되도록 할 수 있다.

예를 들어, 엘이디장치는 제1주기의 제J(J는 M보다 작은 자연수)서브구간에서 제J엘이디모듈을 턴온시키고 제K(K는 M보다 작고 J보다 큰 자연수)서브구간에서 제K엘이디모듈을 턴온시키며, 제2주기의 제J서브구간에서 제K엘이디모듈을 턴온시키고 제K서브구간에서 제J엘이디모듈을 턴온시킬 수 있다.

도 16의 예시를 참조하면, 엘이디장치(예를 들어, 제어부)는 제1주기의 제1서브구간(SD1)에서 제1엘이디모듈(LEDM_1)을 턴온시키고, 제2서브구간(SD2)에서 제2엘이디모듈(LEDM_2)을 턴온시킨다. 그리고, 엘이디장치는 제2주기의 제1서브구간(SD1)에서 제2엘이디모듈(LEDM_2)을 턴온시키고, 제2서브구간(SD2)에서 제1엘이디모듈(LEDM_1)을 턴온시킨다.

이러한 방식에서 엘이디장치(예를 들어, 제어부)는 각 서브구간의 시간을 조정하지 않고, 도통되는 엘이디모듈의 순방향전압(forward voltage)의 합과 정류전압이 같아지는 시점에서 각 서브구간이 시작되도록 병렬스위칭소자부를 제어한다.

한편, 실시예에 따라, 엘이디장치는 피크치가 다른 교류전압에 연결될 수도 있다. 일 예로서, 엘이디장치는 110V 교류전압에 연결될 수도 있고, 220V 교류전압에 연결될 수도 있다. 아래에서는 서로 다른 피크치를 가지는 교류전압에 대해서도 엘이디모듈 사이의 전력량 편차를 일정한 범위 이내로 제어하는 실시예를 설명한다.

도 17은 다른 실시예에 따른 엘이디장치의 구성을 나타낸다.

도 17을 참조하면, 엘이디장치(1700)는 정류부(120), 제어부(1730), 제1병렬스위칭소자부(1741), 제2병렬스위칭소자부(1742), 제1엘이디모듈부(1751), 제2엘이디모듈부(1752), 역률부(160), 제1스위치(Ms), 제2스위치(Mh), 제3스위치(Ml) 등을 포함할 수 있다.

정류부(120)는 교류전압을 정류하여 제1노드(N1)로 정류전압을 공급한다.

제1엘이디모듈부(1751)는 서로 직렬로 연결되는 N(N은 2이상의 자연수)개의 엘이디모듈을 포함하고 일측은 제1노드(N1)와 연결되며 타측은 제2노드(N2)와 연결된다.

제1스위치(Mh)는 일측이 제2노드(N2)와 연결되고, 타측은 제3노드(N3)와 연결된다.

제2엘이디모듈부(1752)는 서로 직렬로 연결되는 N(N은 2이상의 자연수)개의 엘이디모듈을 포함하고 일측은 제3노드(N3)와 연결되며 타측은 제4노드(N4)와 연결된다.

제2스위치(Ms)는 일측이 제1노드(N1)와 연결되고 타측은 제3노드(N3)와 연결된다.

제3스위치(Ml)는 일측이 제2노드(N2)와 연결되고 타측은 제4노드(N4)와 연결된다.

역률부(1760)는 제1엘이디모듈부(1751) 혹은 제2엘이디모듈부(1752)로 공급되는 전류의 크기를 조절하여 역률제어를 수행한다.

제어부(1730)는 각 엘이디모듈로 공급되는 전력량의 편차가 일정 범위 내로 제어되도록 각 병렬스위칭소자의 온(ON) 혹은 오프(OFF) 시간을 제어하고, 상기 교류전압의 피크가 제1전압(예를 들어, 220V의 루트2배)일 때, 제1스위치(Ms)를 턴온시키고, 교류전압의 피크가 제1전압보다 작은 제2전압(예를 들어, 110V의 루트2배)일 때, 제1스위치(Ms)를 턴오프하고 제2스위치(Mh) 혹은 제3스위치(Ml)를 턴온한다.

한편, 제어부(1730)가 제2스위치(Mh)를 턴오프하고 제3스위치(Ml)를 턴온하면, 제1엘이디모듈부(1751)가 구동되고, 제2스위치(Mh)를 턴온하고 제3스위치(Ml)를 턴오프하면 제2엘이디모듈부(1752)가 구동된다.

제어부(1730)는 교류전압의 피크가 제2전압일 때, 제1엘이디모듈부(1751)와 제2엘이디모듈부(1752)를 균형있게 제어하기 위해, 제1시구간에서는 제2스위치(Mh)를 턴온하고 제1시구간과 동일한 크기의 제2시구간에서 제2스위치(Mh)를 턴온프하고 제3스위치(Ml)를 턴온할 수 있다.

한편, 엘이디장치(1700)는 정류전압의 크기가 하나의 엘이디모듈의 순방향전압(forward voltage)보다 작아질 때, 제2스위치(Mh)와 제3스위치(Ml)의 온오프상태를 변경할 수 있다. 이렇게 제어하면, 제2스위치(Mh)와 제3스위치(Ml)의 온오프상태 변경이 엘이디모듈에 흐르는 전류를 단절시키는 문제를 방지할 수 있다.

이상에서 설명한 실시예들에 의하면, 엘이디(LED) 구동을 위해 교류 전압을 직접 사용함으로써 부품 수를 줄이고 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다. 또한, 교류 직접 구동에서도 엘이디모듈 사이의 전력량 편차를 최소화하여 엘이디모듈의 수명을 증가시키는 효과가 있다.

이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

서로 직렬로 연결되는 N(N은 2이상의 자연수)개의 엘이디모듈을 포함하는 엘이디모듈부;
교류전압을 정류하여 상기 엘이디모듈부로 공급하는 정류부;
엘이디모듈과 병렬로 연결되는 M(M은 2이상의 자연수)개의 병렬스위칭소자를 포함하는 병렬스위칭소자부;
상기 엘이디모듈부로 공급되는 전류의 크기를 조절하여 역률제어를 수행하는 역률부; 및
상기 교류전압의 크기 혹은 상기 교류전압이 정류된 정류전압의 크기에 따라 각 병렬스위칭소자의 턴온 혹은 턴오프를 제어하고, 한 주기에서 각 엘이디모듈로 공급되는 전력량의 편차가 일정 범위 내로 제어되도록 각 병렬스위칭소자의 온(ON) 혹은 오프(OFF) 시간을 제어하는 제어부
를 포함하는 엘이디장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
턴온되는 엘이디모듈의 순방향전압(forward voltage)의 합이 상기 정류전압보다 작거나 같아지도록 상기 병렬스위칭소자부를 제어하는 엘이디장치.
제2항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 정류전압과 제1엘이디모듈의 순방향전압과 같아지는 시점에서 상기 제1엘이디모듈과 병렬로 연결되는 제1병렬스위칭소자를 턴오프시키는 엘이디장치.
제1항에 있어서,
한 주기에서 턴온구간은 2M+1개의 서브구간으로 구분되고,
상기 제어부는,
제1서브구간에서 하나의 엘이디모듈을 턴온시키고 순차적으로 턴온되는 개수를 증가시켜 제M서브구간에서 N개의 엘이디모듈을 턴온시키는 엘이디장치.
제4항에 있어서,
상기 제어부는,
제1엘이디모듈의 순방향전압(forward voltage)과 상기 정류전압이 같아지는 시점에서 상기 제1서브구간이 시작되고, N개의 엘이디모듈의 순방향전압의 합과 상기 정류전압이 같아지는 시점에서 상기 제M서브구간이 시작되도록 상기 병렬스위칭소자부를 제어하는 엘이디장치.
제5항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제1서브구간 및 상기 제M서브구간을 제외한 나머지 서브구간 중 일부 서브구간의 시간을 조정하여 한 주기에서 각 엘이디모듈로 공급되는 전력량의 편차를 일정 범위 내로 제어하는 엘이디장치.
제5항에 있어서,
상기 M은 4이고,
상기 제1서브구간, 제3서브구간 및 제4서브구간은 도통되는 엘이디모듈의 순방향전압의 합과 상기 정류전압이 같아지는 시점에서 시작되고,
제2서브구간은 도통되는 엘이디모듈의 순방향전압의 합과 상기 정류전압이 같아지는 시점보다 늦게 시작되는 엘이디장치.
제1항에 있어서,
상기 역률부는,
상기 엘이디모듈부와 직렬로 연결되는 직렬스위칭소자를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 직렬스위칭소자의 게이트전압을 제어하여 상기 엘이디모듈부로 공급되는 전류의 크기를 조절하는 엘이디장치.
서로 직렬로 연결되는 N(N은 2이상의 자연수)개의 엘이디모듈을 포함하는 엘이디모듈부;
교류전압을 정류하여 상기 엘이디모듈부로 공급하는 정류부;
엘이디모듈과 병렬로 연결되는 M(M은 2이상의 자연수)개의 병렬스위칭소자를 포함하는 병렬스위칭소자부;
상기 엘이디모듈부로 공급되는 전류의 크기를 조절하여 역률제어를 수행하는 역률부; 및
상기 교류전압의 크기 혹은 상기 교류전압이 정류된 정류전압의 크기에 따라 각 병렬스위칭소자의 턴온 혹은 턴오프를 제어하는 제어부
를 포함하고,
한 주기에서 상기 병렬스위칭소자부의 턴온구간은 2M+1개의 서브구간으로 구분되고,
상기 제어부는,
제1주기와 제2주기에서 각 서브구간에서 턴온되는 엘이디모듈을 다르게 제어하여 각 엘이디모듈로 공급되는 전력량의 평균 편차가 일정 범위 내로 제어되도록 하는 엘이디장치.
제9항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제1주기의 제J(J는 M보다 작은 자연수)서브구간에서 제J엘이디모듈을 턴온시키고 제K(K는 M보다 작고 J보다 큰 자연수)서브구간에서 제K엘이디모듈을 턴온시키며,
상기 제2주기의 제J서브구간에서 상기 제K엘이디모듈을 턴온시키고 제K서브구간에서 상기 제J엘이디모듈을 턴온시키는 엘이디장치.
제9항에 있어서
상기 M은 4이고,
상기 제어부는,
상기 제1주기의 제1서브구간에서 제1엘이디모듈을 턴온시키고, 제2서브구간에서 제2엘이디모듈을 턴온시키며,
상기 제2주기의 제1서브구간에서 상기 제2엘이디모듈을 턴온시키고, 제2서브구간에서 상기 제1엘이디모듈을 턴온시키는 엘이디장치.
제9항에 있어서
상기 제어부는,
도통되는 엘이디모듈의 순방향전압(forward voltage)의 합과 상기 정류전압이 같아지는 시점에서 각 서브구간이 시작되도록 상기 병렬스위칭소자부를 제어하는 엘이디장치.
교류전압을 정류하여 제1노드로 정류전압을 공급하는 정류부;
서로 직렬로 연결되는 N(N은 2이상의 자연수)개의 엘이디모듈을 포함하고 일측은 상기 제1노드와 연결되며 타측은 제2노드와 연결되는 제1엘이디모듈부;
일측은 상기 제2노드와 연결되고 타측은 제3노드와 연결되는 제1스위치;
서로 직렬로 연결되는 N(N은 2이상의 자연수)개의 엘이디모듈을 포함하고 일측은 상기 제3노드와 연결되며 타측은 제4노드와 연결되는 제2엘이디모듈부;
일측은 상기 제1노드와 연결되고 타측은 상기 제3노드와 연결되는 제2스위치;
일측은 상기 제2노드와 연결되고 타측은 상기 제4노드와 연결되는 제3스위치;
상기 제1엘이디모듈부 혹은 상기 제2엘이디모듈부로 공급되는 전류의 크기를 조절하여 역률제어를 수행하는 역률부; 및
각 엘이디모듈로 공급되는 전력량의 편차가 일정 범위 내로 제어되도록 각 병렬스위칭소자의 온(ON) 혹은 오프(OFF) 시간을 제어하고, 상기 교류전압의 피크가 제1전압일 때, 상기 제1스위치를 턴온시키고, 상기 교류전압의 피크가 상기 제1전압보다 작은 제2전압일 때, 상기 제1스위치를 턴오프하고 상기 제2스위치 혹은 상기 제3스위치를 턴온하는 제어부
를 포함하는 엘이디장치.
제13항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 교류전압이 피크가 제2전압일 때, 제1시구간에서는 상기 제2스위치를 턴온하고 상기 제1시구간과 동일한 크기의 제2시구간에서 상기 제2스위치를 턴오프하고 상기 제3스위치를 턴온하는 엘이디장치.
제14항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 정류전압의 크기가 하나의 엘이디모듈의 순방향전압(forward voltage)보다 작아질 때, 상기 제2스위치와 상기 제3스위치의 온오프상태를 변경하는 엘이디장치.