KR20190095733A - Asymmetric single-stage llc resonant converter for wide range dimming - Google Patents

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KR20190095733A
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Abstract

The present invention relates to an asymmetric single-stage LLC resonant converter for wide range dimming, capable of controlling dimming in a wide range to sufficiently exhibit high light efficiency and electric power. The single-stage LLC resonant converter includes: a power factor improving circuit unit; an LLC resonant circuit unit generating resonance output by being connected to the power factor improving circuit unit; an output circuit unit rectifying the output of the resonant circuit unit and supplying the rectified output to an LED; and a control unit individually applying a switching signal to a first switching element and second switching element. The power factor improving circuit unit includes: an inductor for correcting a power factor, installed in a rectifying output end of commercial power; the first switching element and second switching element, installed on an output side of the inductor for correcting a power factor; and a first bus capacitor and a second bus capacitor, which are individually connected to the first switching element and second switching element.

Description

넓은 범위 디밍을 위한 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터{ASYMMETRIC SINGLE-STAGE LLC RESONANT CONVERTER FOR WIDE RANGE DIMMING}Asymmetric SINGLE-STAGE LLC RESONANT CONVERTER FOR WIDE RANGE DIMMING for wide range dimming

본 발명은 LLC 공진 컨버터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 PFC 스테이지와 DC-DC 스테이지를 결합한 형태의 단일 스테이지 토폴로지와 LLC 공진회로를 사용하여 높은 효율을 갖도록 한 넓은 범위 디밍을 위한 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터에 관한 것이다.The present invention relates to an LLC resonant converter, and more particularly, to an asymmetric single stage LLC resonator for wide range dimming for high efficiency using a single stage topology and an LLC resonant circuit in which a PFC stage and a DC-DC stage are combined. Type converter.

화석연료 고갈 및 환경적인 문제가 크게 대두 되며 산업분야 전반에 걸쳐 전력 손실을 최소화하는 것이 주된 목표가 되었다. 전체 전력소비량의 약 19%를 차지하는 조명분야에서도 전력효율을 보다 높이기 위해 형광등 및 백열등을 대체하여 LED를 조명기구로 사용하는 것이 큰 이슈가 되고 있다. LED 조명기구는 식물 재배, 의료용, 기구조명 등 매우 광범위한 분야에서 범용성 있게 사용될 수 있는 장점이 있다.Depletion of fossil fuels and environmental issues are on the rise and minimizing power losses across the industry has been a major goal. In the lighting field, which occupies about 19% of the total power consumption, the use of LEDs as luminaires has become a big issue to replace fluorescent and incandescent lamps in order to increase power efficiency. LED lighting fixtures have the advantage that they can be used in a wide range of applications, such as plant cultivation, medical, lighting fixtures.

대한민국 등록특허 제10-1043476호는 LED용 PWM 디밍 구동회로를 제안하고 있다. 동 선행문헌을 참조하면, 역률 개선 회로(PFC: Power Factor Correction)에 DC-DC 컨버터와 LED 드라이버를 결합한 LED용 PWM 디밍 구동회로에 관한 것으로, LED 디밍 제어시 소프트 스타트 제어를 사용하지 않고 제어기의 빠른 응답특성을 이용한 제어 명령을 통해 하드 스위칭 문제를 해결하고 있다.Korean Patent No. 10-1043476 proposes a PWM dimming driving circuit for an LED. Referring to this prior document, the present invention relates to a PWM dimming driving circuit for combining a power factor correction (PFC) power supply with a DC-DC converter and an LED driver. The control command using fast response solves the hard switching problem.

하지만, PWM 제어 방식은 주파수를 높일수록 출력 이득을 조절할 수 있는 장점에 반해, 손실이 커지는 것을 방지하기 위해 주파수를 무한정 높일 수가 없다는 단점이 있으며, 이러한 단점에 의해 디밍 범위가 좁아지는(예컨대, 100% ~ 50%의 범위) 문제점이 있다.However, the PWM control method has a disadvantage in that the output gain can be adjusted as the frequency is increased, and the frequency cannot be increased indefinitely in order to prevent the loss from being increased. This disadvantage causes the dimming range to be narrowed (eg, 100). Range from% to 50%).

대한민국 등록특허 제10-1043476호Republic of Korea Patent No. 10-1043476

본 발명은 LED의 장점을 극대화하기 위하여 LED의 디밍 범위를 최대한 넓게 할 수 있는 LLC 공진형 컨버터를 제공하고자 하는 것으로서, 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터를 적용하여 스위칭소자의 개수를 줄이고 장치의 효율을 높이면서 버스 커패시터의 전압 스트레스를 줄일 수 있으며, PFC를 정상 범주에서 동작시키면서 스위칭 주파수 제어 영역, 스위칭 듀티비 제어 영역, 상단 스위칭소자의 ON/OFF 제어 영역을 결합하여 출력 이득을 조절함으로써 최대한 넓은 범위의 디밍 제어를 가능하게 하는 넓은 범위 디밍을 위한 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터를 제공함에 그 목적이 있다.The present invention is to provide an LLC resonant converter that can maximize the dimming range of the LED to maximize the advantages of the LED, by applying an asymmetric single stage LLC resonant converter to reduce the number of switching elements and improve the efficiency of the device It can increase the voltage stress of the bus capacitors while increasing the widest possible range by combining the switching frequency control area, switching duty ratio control area and the ON / OFF control area of the upper switching element while operating the PFC in the normal range. It is an object of the present invention to provide an asymmetric single stage LLC resonant converter for wide range dimming which enables dimming control.

본 발명의 일실시예에 따른 넓은 범위 디밍을 위한 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터는, 상용전원의 정류 출력단에 설치되는 역률 보정용 인덕터와, 상기 역률 보정용 인덕터의 출력측에 설치되는 제1 스위칭소자 및 제2 스위칭소자와, 상기 제1 스위칭소자 및 상기 제2 스위칭소자 각각에 연결되는 제1 버스 커패시터 및 제2 버스 커패시터를 포함하는 역률 개선 회로부; 상기 역률 개선 회로부에 연결되어 공진 출력을 발생시키는 LLC 공진 회로부; 상기 공진 회로부의 출력을 정류하여 LED에 공급하는 출력 회로부; 및 상기 제1 스위칭소자 및 상기 제2 스위칭소자에 개별적으로 스위칭신호를 인가하는 제어부를 포함하는 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터에 있어서, 상기 제어부는, (a) 상기 제1 스위칭소자 및 상기 제2 스위칭소자에 스위칭 주파수가 제어된 PWM 신호를 인가하여 LED 부하에 공급되는 전류를 제어하는 스위칭 주파수 제어모드와, (b) 상기 제1 스위칭소자의 턴 온 시간과 상기 제2 스위칭소자의 턴 온 시간의 비에 해당하는 스위칭 듀티비를 비대칭으로 제어하는 스위칭 듀티비 제어모드와, (c) 상기 제2 스위칭소자의 온/오프 듀티비를 고정시키고 상기 제1 스위칭소자의 온/오프 듀티비만을 제어하는 온/오프 제어모드를 포함하며, 상기 스위칭 주파수 제어모드, 상기 스위칭 듀티비 제어모드, 및 상기 온/오프 제어모드 중 어느 하나의 제어모드로 동작한다.An asymmetric single stage LLC resonant converter for wide range dimming according to an embodiment of the present invention includes a power factor correction inductor installed at a rectifying output stage of a commercial power supply, a first switching element installed at an output side of the power factor correction inductor, and a first switching element. A power factor correction circuit including a second switching element, a first bus capacitor and a second bus capacitor connected to each of the first switching element and the second switching element; An LLC resonant circuit portion coupled to the power factor correction circuit portion to generate a resonant output; An output circuit unit rectifying the output of the resonant circuit unit and supplying the LED to the LED; And a control unit for separately applying a switching signal to the first switching element and the second switching element, wherein the control unit comprises: (a) the first switching element and the second switching element; A switching frequency control mode for controlling a current supplied to the LED load by applying a PWM signal whose switching frequency is controlled to the device, and (b) a turn on time of the first switching device and a turn on time of the second switching device. A switching duty ratio control mode for asymmetrically controlling the switching duty ratio corresponding to the ratio; and (c) fixing the on / off duty ratio of the second switching element and controlling only the on / off duty ratio of the first switching element. And an on / off control mode, and operate in any one of the switching frequency control mode, the switching duty ratio control mode, and the on / off control mode.

본 발명의 다른 실시예에 따른 넓은 범위 디밍을 위한 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터는, 상기 제어부는 초기에는 상기 주파수 제어모드로 동작하며, 상기 스위칭 주파수가 상기 스위칭 주파수 상한값을 초과하는 경우 상기 스위칭 듀티비 제어모드로 전환한다.In the asymmetric single stage LLC resonant converter for wide range dimming according to another embodiment of the present invention, the control unit initially operates in the frequency control mode, and the switching duty when the switching frequency exceeds the upper limit of the switching frequency. Switch to non-control mode.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 넓은 범위 디밍을 위한 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터는, 상기 제어부는 상기 스위칭 듀티비 제어모드로 동작하는 중에, 상기 스위칭 듀티비가 미리 정해진 스위칭 듀티비 상한값 이상인 경우 상기 스위칭 듀티비 제어모드에서 상기 온/오프 듀티비 제어모드로 전환하며, 상기 스위칭 듀티비가 미리 정해진 스위칭 듀티비 하한값 미만인 경우 상기 스위칭 듀티비 제어모드에서 상기 스위칭 주파수 제어모드로 전환한다.In the asymmetric single stage LLC resonant converter for wide range dimming according to another embodiment of the present invention, the control unit operates in the switching duty ratio control mode, when the switching duty ratio is greater than or equal to a predetermined switching duty ratio upper limit. The switching duty ratio control mode is switched to the on / off duty ratio control mode, and when the switching duty ratio is less than a predetermined switching duty ratio lower limit, the switching duty ratio is switched to the switching frequency control mode.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 넓은 범위 디밍을 위한 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터는, 상기 스위칭 듀티비는 상기 제1 스위칭소자의 턴 온 시간이 상기 제2 스위칭소자의 턴 온 시간에 비해 상대적으로 더 길게 설정된다.In the asymmetric single stage LLC resonant converter for wide-range dimming according to another embodiment of the present invention, the switching duty ratio is a turn-on time of the first switching device relative to the turn-on time of the second switching device. Is set longer.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 넓은 범위 디밍을 위한 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터는, 상기 스위칭 듀티비 상한값은 상기 제1 스위칭소자의 턴 온 시간 대비 상기 제2 스위칭소자의 턴 온 시간이 '0.9:0.1'을 나태내는 값이며, 상기 스위칭 듀티비 하한값은 상기 제1 스위칭소자의 턴 온 시간 대비 상기 제2 스위칭소자의 턴 온 시간이 '0.8:0.2'를 나태내는 값이다.In the asymmetric single stage LLC resonant converter for wide-range dimming according to another embodiment of the present invention, the upper limit of the switching duty ratio is that the turn-on time of the second switching device is greater than the turn-on time of the first switching device. 0.9: 0.1 ', and the lower switching duty ratio is a value at which the turn-on time of the second switching device is' 0.8: 0.2' compared to the turn-on time of the first switching device.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 넓은 범위 디밍을 위한 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터는, 상기 제어부는 상기 온/오프 제어모드로 동작하는 중에, 상기 제1 스위칭소자의 온/오프 듀티비가 미리 정해진 온 듀티 상한값을 초과하는 경우 상기 스위칭 듀티비를 감소시킨 후에 상기 스위칭 듀티비 제어모드로 전환한다.In the asymmetric single stage LLC resonant converter for wide range dimming according to another embodiment of the present invention, while the control unit is operating in the on / off control mode, the on / off duty ratio of the first switching device is predetermined When the on duty upper limit value is exceeded, the switching duty ratio is reduced and then the switching duty ratio control mode is switched.

본 발명의 넓은 범위의 디밍을 위한 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터에 따르면, 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터를 적용하여 스위칭소자의 개수를 줄이고 장치의 효율을 높이면서 버스 커패시터의 전압 스트레스를 줄일 수 있으며, PFC를 정상 범주에서 동작시키면서 스위칭 주파수 제어 영역, 스위칭 듀티비 제어 영역, 상단 스위칭소자의 ON/OFF 제어 영역을 결합하여 출력 이득을 조절함으로써 최대한 넓은 범위의 디밍 제어를 가능하게 함으로써, LED의 장점을 극대화 할 수 있고 LED의 디밍 범위를 최대한 넓게 할 수 있는 효과가 있다.According to the asymmetric single stage LLC resonant converter for a wide range of dimming of the present invention, by applying the asymmetric single stage LLC resonant converter, the voltage stress of the bus capacitor can be reduced while reducing the number of switching elements and increasing the efficiency of the device. The advantages of LEDs are as much as possible by controlling the output gain by combining the switching frequency control area, switching duty ratio control area and the ON / OFF control area of the upper switching element while operating the PFC in the normal range. The maximum dimming range of the LED can be maximized.

도 1은 2 스테이지 LLC 공진 컨버터를 예시한 회로도로서, LED 디밍 제어를 위해 범용적으로 사용되는 회로도,
도 2는 본 발명이 적용되는 단일 스테이지 LLC 공진 컨버터를 예시한 회로도,
도 3은 본 발명에 따라 넓은 범위 디밍을 위한 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터를 동작시키는 방법을 예시한 흐름도,
도 4는 본 발명에서 온/오프 제어모드에 따른 동작 파형을 예시한 파형도,
도 5는 스위칭 주파수 제어모드에서의 컨버터 동작 파형을 나타낸 파형도,
도 6은 스위칭 듀티비 제어모드에서의 컨버터 동작 파형을 나타낸 파형도,
도 7은 온/오프 제어모드에서의 컨버터 동작 파형을 나타낸 파형도,
도 8은 본 발명을 실험하는데 사용된 LED 부하를 예시한 도면,
도 9는 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터의 프로토 타입을 예시한 도면,
도 10은 스위칭 주파수 제어모드에서 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터의 실험 파형을 나타낸 파형도,
도 11은 스위칭 듀티비 제어모드에서 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터를 실헌한 파형을 나타내는 파형도,
도 12는 온/오프 제어모드에서 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터의 실험 파형을 나타낸 파형도,
도 13은 본 발명에 의해 넓은 디밍 범위를 갖는 LED 조명용 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터의 각 제어영역별 동작 파형을 나타내는 파형도, 및
도 14는 본 발명에 의해 넓은 디밍 범위를 갖는 LED 조명용 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터의 부하 변동에 따른 동작 특성을 나타내는 도면이다.
1 is a circuit diagram illustrating a two-stage LLC resonant converter, which is a general-purpose circuit for LED dimming control.
2 is a circuit diagram illustrating a single stage LLC resonant converter to which the present invention is applied;
3 is a flow chart illustrating a method of operating an asymmetric single stage LLC resonant converter for wide range dimming in accordance with the present invention;
4 is a waveform diagram illustrating an operation waveform according to an on / off control mode in the present invention;
5 is a waveform diagram showing a waveform of a converter operation in a switching frequency control mode;
6 is a waveform diagram showing a converter operation waveform in a switching duty ratio control mode;
7 is a waveform diagram showing a waveform of a converter operation in an on / off control mode;
8 illustrates an LED load used to experiment the present invention;
9 illustrates a prototype of an asymmetric single stage LLC resonant converter;
10 is a waveform diagram showing an experimental waveform of an asymmetric single stage LLC resonant converter in switching frequency control mode.
FIG. 11 is a waveform diagram illustrating a waveform representing a single stage LLC resonant converter in a switching duty ratio control mode. FIG.
12 is a waveform diagram illustrating an experimental waveform of an asymmetric single stage LLC resonant converter in an on / off control mode.
FIG. 13 is a waveform diagram showing an operation waveform of each control region of an asymmetric single stage LLC resonant converter for LED lighting having a wide dimming range according to the present invention; and
14 is a view showing the operating characteristics according to the load variation of the asymmetric single stage LLC resonant converter for LED lighting having a wide dimming range according to the present invention.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구체적인 실시예가 설명된다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대하여 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a specific embodiment according to the present invention. However, this is not intended to limit the present invention to the specific embodiments, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

명세서 전체에 걸쳐 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 그리고 본 발명에 첨부된 도면은 설명의 편의를 위한 것으로서, 그 형상과 상대적인 척도는 과장되거나 생략될 수 있다.The same reference numerals are used for parts having similar configurations and operations throughout the specification. And the drawings attached to the present invention is for convenience of description, the shape and relative measures may be exaggerated or omitted.

실시예를 구체적으로 설명함에 있어서, 중복되는 설명이나 당해 분야에서 자명한 기술에 대한 설명은 생략되었다. 또한, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 기재된 구성요소 외에 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In describing the embodiments in detail, overlapping descriptions or descriptions of obvious technology in the art are omitted. In addition, in the following description, when a portion "includes" another component, it means that the component can be further included in addition to the described component unless otherwise stated.

또한, 명세서에 기재된 "~부", "~기", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 전기적으로 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 구성을 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다. In addition, the terms "~", "~", "~ module" described in the specification means a unit for processing at least one function or operation, which may be implemented by hardware or software or a combination of hardware and software. Can be. In addition, when a part is electrically connected to another part, this includes not only the case where it is directly connected, but also the case where it is connected through the other structure in the middle.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.Terms including ordinal numbers such as first and second may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the second component may be referred to as the first component, and similarly, the first component may also be referred to as the second component.

도 1은 2 스테이지 LLC 공진 컨버터를 예시한 회로도로서, LED 디밍 제어를 위해 범용적으로 사용되는 회로도를 예시한 것이다.FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a two stage LLC resonant converter, and illustrates a circuit diagram generally used for LED dimming control.

도 1을 참조하면, 2 스테이지(Two-Stage) LLC 공진 컨버터는 상용전원(110)을 공급받아 작동하며, 필터 회로부(120)와, 입력단 정류 회로부(130)와, 역률 개선 회로부(140)와, LLC 공진 회로부(150)와, 출력단 정류 회로부(170)로 구성된다.Referring to FIG. 1, a two-stage LLC resonant converter operates by being supplied with a commercial power supply 110, and includes a filter circuit unit 120, an input stage rectifier circuit unit 130, and a power factor correction circuit unit 140. And an LLC resonant circuit unit 150 and an output stage rectifier circuit unit 170.

필터 회로부(120)는 전원 입력단 일측에 설치되는 필터 인덕터(Lf)와, 이 필터 인덕터(Lf)에 병렬 접속되는 필터 커패시터(Cf)로 구성된다. 필터 회로부(120)는 후술하는 역률 보정용 인덕터(Lin)에 의해 발생되는 전류에 대하여 고조파 성분을 제거하고 필터링하는 회로이다.The filter circuit unit 120 includes a filter inductor Lf provided at one side of the power input terminal and a filter capacitor Cf connected in parallel to the filter inductor Lf. The filter circuit 120 is a circuit for removing and filtering harmonic components with respect to the current generated by the power factor correction inductor Lin, which will be described later.

입력단 정류회로부(130)는 교류 입력전원을 정류하여 직류 성분으로 변환하는 구성으로, 예를 들어 교류 입력을 전파 정류하는 풀-브리지 다이오드(Full Bridge Diode)로 구성될 수 있다.The input stage rectifier circuit 130 may be configured to rectify AC input power and convert the AC input power into a DC component. For example, the input stage rectifier circuit 130 may be configured as a full bridge diode for full-wave rectifying the AC input.

역률 개선 회로부(140)는 직류 입력단의 일측에 설치되는 역률 보정용 인덕터(Lin)와, 역률 보정용 인덕터(Lin)의 출력측에 접속되는 3개의 스위칭소자(Q1, Q2, Q3)와, 스위칭소자 Q1에 병렬 연결되는 버스 커패시터(Cbus)로 구성된다.The power factor correction circuit unit 140 is connected to a power factor correcting inductor Lin installed at one side of the DC input terminal, three switching elements Q1, Q2, and Q3 connected to the output side of the power factor correcting inductor Lin, and the switching element Q1. It consists of a bus capacitor (Cbus) connected in parallel.

제어부(도시 안됨)는 3개의 스위칭소자(Q1, Q2, Q3) 각각에 트리거 신호를 인가하여 역률 개선 회로부(140)의 출력 전류를 제어한다.The controller (not shown) applies a trigger signal to each of the three switching elements Q1, Q2, and Q3 to control the output current of the power factor correction circuit 140.

LLC 공진 회로부(150)는 공진 커패시터(Cr)와, 공진 인덕터(Lr)와, 자화 인덕터(Lm)와, 변압기(160)로 구성된다. 공진 커패시터(Cr)와 공진 인덕터(Lr)는 역률 개선 회로부(140)에서 출력된 전류의 주파수를 공진시킨다. 변압기(160)는 공진 주파수의 출력과 부하 측 사이에 절연 상태를 유지하면서, 출력을 부하에 공급한다. 변압기(160)는 공진 인덕터(Lr) 및 자화 인덕터(Lm)을 포함하여 설계될 수 있다.The LLC resonant circuit unit 150 includes a resonant capacitor Cr, a resonant inductor Lr, a magnetized inductor Lm, and a transformer 160. The resonant capacitor Cr and the resonant inductor Lr resonate the frequency of the current output from the power factor correction circuit 140. The transformer 160 supplies the output to the load while maintaining an insulation state between the output of the resonant frequency and the load side. Transformer 160 may be designed to include a resonant inductor (Lr) and a magnetized inductor (Lm).

출력단 정류 회로부(170)는 반파 또는 전파 정류 회로로 구성되며, 출력단 정류 회로부(170)에 병렬로 출력 커패시터(Co)가 설치되어 출력 전류를 평활하여 LED 어레이(180)에 제공한다.The output stage rectifier circuit unit 170 is composed of a half wave or full wave rectifier circuit, and an output capacitor Co is installed in parallel to the output stage rectifier circuit unit 170 to smooth the output current to provide the LED array 180.

도 1에 도시된 2 스테이지 LLC 공진 컨버터는 3개의 스위칭소자(Q1~Q3)를 제어함으로써 역률 개선 성능이 뛰어나지만, 구동회로의 부피가 커지고 스위칭소자의 수가 많아 불필요한 스위칭 손실이 발생하는 문제가 있다. 한편, 단일 스테이지 LLC 공진 컨버터는 2 스테이지 LLC 공진 컨버터에 비해 스위칭소자를 줄임으로써 LED의 장점인 장수명성과 고효율 특성을 발휘하는데 더 적합하다. 다만, 스위칭소자 및 버스 커패시터에 걸리는 전압 스트레스가 문제시 될 수 있다.The two stage LLC resonant converter shown in FIG. 1 has excellent power factor improvement performance by controlling three switching elements Q1 to Q3, but there is a problem that unnecessary switching loss occurs due to a large volume of the driving circuit and a large number of switching elements. . On the other hand, the single stage LLC resonant converter is more suitable for showing the long life and high efficiency characteristics of the LED by reducing the switching elements compared to the two stage LLC resonant converter. However, the voltage stress on the switching device and the bus capacitor may be a problem.

본 발명은 위와 같은 문제를 비대칭 동작으로 해결하고, 단일 스테이지 LLC 공진 컨버터를 3가지 제어모드로 동작시켜 디밍 범위를 최대한 넓게 할 수 있는 컨버터 및 그 동작방법을 제안한다.The present invention solves the above problem by asymmetrical operation, and proposes a converter and a method of operating the single-stage LLC resonant converter in three control modes to maximize the dimming range.

도 2는 본 발명이 적용되는 단일 스테이지 LLC 공진 컨버터를 예시한 회로도이다.2 is a circuit diagram illustrating a single stage LLC resonant converter to which the present invention is applied.

도 2를 참조하면, 단일 스테이지(Single-Stage) LLC 공진 컨버터는 앞서 설명한 바와 마찬가지로 상용전원(210)을 공급받아 작동하며, 필터 회로부(220)와, 입력단 정류 회로부(230)와, 역률 개선 회로부(240)와, LLC 공진 회로부(250)와, 출력단 정류 회로부(270)로 구성되며, LED 어레이(280)를 구동시킨다.Referring to FIG. 2, the single-stage LLC resonant converter operates by receiving commercial power 210 as described above, and includes a filter circuit 220, an input stage rectifier circuit 230, and a power factor correction circuit. 240, an LLC resonant circuit 250, and an output stage rectifier circuit 270 to drive the LED array 280.

다른 회로 구성들은 앞서 설명한 2 스테이지 LLC 공진 컨버터와 동일하지만, 역률 개선 회로부(240)는 단일 스테이지로 구성된다.Other circuit configurations are the same as the two stage LLC resonant converter described above, but the power factor correction circuitry 240 consists of a single stage.

도 2를 참조하면, 역률 개선 회로부(240)는 역률 보정용 인덕터(Lin)와, 제1 스위칭소자(Q1)와, 제2 스위칭소자(Q2)와, 제1 버스 커패시터(Cbus1)와, 제2 버스 커패시터(Cbus2)로 구성된다.Referring to FIG. 2, the power factor correction circuit 240 includes a power factor correcting inductor Lin, a first switching element Q1, a second switching element Q2, a first bus capacitor Cbus1, and a second power factor correction circuit 240. It consists of a bus capacitor Cbus2.

제1 스위칭소자(Q1)는 역률 보정용 인덕터(Lin)의 출력측(플러스 단)과 입력단 정류 회로부(230)의 마이너스 단 사이에 연결되며, 제2 스위칭소자(Q2)는 제1 스위칭소자(Q1)의 마이너스 단과 플러스 단 사이에 연결된다. 제1 버스 커패시터(Cbus1)는 플러스 단과 마이너스 단 사이에서 제1 스위칭소자(Q1)와 병렬 연결되며, 제2 버스 커패시터(Cbus2)는 마이너스 단과 플러스 단 사이에서 제2 스위칭소자(Q2)와 병렬 연결된다.The first switching element Q1 is connected between the output side (plus end) of the power factor correction inductor Lin and the negative end of the input stage rectifying circuit unit 230, and the second switching element Q2 is connected to the first switching element Q1. Is connected between the minus and plus ends of the. The first bus capacitor Cbus1 is connected in parallel with the first switching element Q1 between the positive and negative ends, and the second bus capacitor Cbus2 is connected in parallel with the second switching element Q2 between the negative and positive ends. do.

제어부(도시 안됨)는 제1 스위칭소자(Q1)에 대하여 제1 트리거 신호를 전달하여 턴 온/오프 제어하며, 제2 스위칭소자(Q2)에 대하여 제2 트리거 신호를 전달하여 턴 온/오프 제어한다. 제1 트리거 신호와 제2 트리거 신호는 동시에 인가되지 않는다.The controller (not shown) controls the turn on / off by transmitting the first trigger signal to the first switching device Q1, and controls the turn on / off by transferring the second trigger signal to the second switching device Q2. do. The first trigger signal and the second trigger signal are not simultaneously applied.

역률 보정용 인덕터(Lin)는 입력단 정류 회로부(230)에서 정류된 전압을 수신하고, 제1 스위칭소자(Q1)가 턴 온 될 때 전류 흐름에 의한 자기를 충전하고, 제2 스위칭소자(Q2)가 턴 온 될 때 충전된 자기에 따라 전류를 출력할 수 있다.The power factor correction inductor Lin receives the voltage rectified by the input rectifier circuit unit 230, charges the magnetism by the current flow when the first switching element Q1 is turned on, and the second switching element Q2 is When turned on, the current can be output according to the charged magnetism.

바람직하게는, 제1 스위칭소자(Q1) 및 제2 스위칭소자(Q2)는 온/오프 시에 발할 수 있는 손실을 줄이기 위해 영전압 스위칭(ZVS: Zero Voltage Switching) 된다. ZVS는 스위칭 손실을 줄이는 동시에 스위칭 주파수에 영향을 받는 소자들을 소형화 할 수 있도록 한다.Preferably, the first switching element Q1 and the second switching element Q2 are zero voltage switched (ZVS) in order to reduce a loss that may occur in on / off. ZVS reduces switching losses while minimizing the components affected by the switching frequency.

제1 버스 커패시터(Cbus1) 및 제2 버스 커패시터(Cbus2)는 제2 스위칭소자(Q2)가 턴 온 될 경우, 커패시터 양단에 출력되는 전류의 전압을 인가받는다. 이때 인가되는 전압은 제1 스위칭소자(Q1)에 인가되는 내압일 수 있다.When the second switching device Q2 is turned on, the first bus capacitor Cbus1 and the second bus capacitor Cbus2 receive a voltage of a current output across the capacitor. In this case, the voltage applied may be a breakdown voltage applied to the first switching element Q1.

도 3은 본 발명에 따라 넓은 범위 디밍을 위한 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터를 동작시키는 방법을 예시한 흐름도이다.3 is a flow chart illustrating a method of operating an asymmetric single stage LLC resonant converter for wide range dimming in accordance with the present invention.

본 발명은 LED의 장점인 긴 수명성과 전력 및 광 효율이 높은 점을 충분히 발휘할 수 있도록 도 2에 예시된 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터를 채용하였다. 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터는 스위칭소자의 개수를 줄여 스위칭소자에서의 손실을 최소화 할 수 있고, 장치의 경박단소화를 가능하게 하는 이점이 있다.The present invention employs the single stage LLC resonant converter illustrated in FIG. 2 to fully exhibit the advantages of LEDs, such as long lifespan and high power and light efficiency. Single stage LLC resonant converter can reduce the number of switching elements to minimize the loss in the switching element, and has the advantage of making the device thin and light.

단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터에서 스위칭소자에 걸리는 전압 스트레스는 ZVS 동작을 통해 해소할 수 있다. 또한, ZVS는 스위칭 주파수에 영향을 받는 소자들의 소형 설계를 가능하게 한다.In a single stage LLC resonant converter, the voltage stress on the switching element can be relieved by ZVS operation. In addition, ZVS enables the compact design of devices that are affected by the switching frequency.

나아가, 본 발명은 LED 구동회로에서 전 범위에 걸친 디밍 제어를 가능하게 하기 위하여, PFC를 정상 범주에서 동작시키면서 스위칭 주파수 제어모드(ST100), 스위칭 듀티비 제어모드(ST200), 제1 스위칭소자(Q1)의 ON/OFF 제어모드(ST300)를 결합한 3가지 동작 모드로 제어부를 동작시키는 방법을 제안한다. 이하에서는 도 2의 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터가 비대칭 동작 및 위의 3가지 동작 모드로 동작하는 과정에 대하여 설명한다.In addition, the present invention provides a switching frequency control mode (ST100), switching duty ratio control mode (ST200), the first switching device (PFC) while operating in the normal range in order to enable dimming control over the entire range in the LED drive circuit A method of operating the control unit in three operation modes combining the ON / OFF control mode (ST300) of Q1) is proposed. Hereinafter, a process of operating the single stage LLC resonant converter of FIG. 2 in asymmetric operation and the above three operating modes will be described.

도 3을 참조하면, 제어부는 초기에 스위칭 주파수 제어모드로 동작을 개시한다(ST110). 스위칭 주파수 제어모드에서, 제어부는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 통해 제1 스위칭소자(Q1) 및 제2 스위칭소자(Q2)에 트리거 신호를 인가한다. 스위칭 주파수 제어모드에서의 동작 과정은 다음과 같다.Referring to FIG. 3, the controller initially starts operation in the switching frequency control mode (ST110). In the switching frequency control mode, the controller applies a trigger signal to the first switching element Q1 and the second switching element Q2 through a pulse width modulation (PWM) signal. The operation process in the switching frequency control mode is as follows.

미리 설정된 기준 전류(I_ref)와 출력 커패시터(Co)에서 측정되는 출력 전류(I_out)를 비교하여 출력 전류(I_out)가 기준 전류(I_ref) 이상인지를 판단한다(ST120). 만약 '아니오'일 경우 단계 ST130으로 진행하여 각 스위칭소자(Q1, Q2)에 인가되는 PWM 신호의 스위칭 주파수(Fs)를 감소시킨다(ST130). 만약 '예'일 경우 단계 ST140으로 진행하여 스위칭 주파수(Fs)를 증가시킨다(ST140).It is determined whether the output current I_out is greater than or equal to the reference current I_ref by comparing the preset reference current I_ref and the output current I_out measured by the output capacitor Co (ST120). If no, the process proceeds to step ST130 to decrease the switching frequency Fs of the PWM signal applied to each of the switching elements Q1 and Q2 (ST130). If YES, the flow proceeds to step ST140 to increase the switching frequency Fs (ST140).

단계 ST130 또는 ST140을 수행한 이후에는, 스위칭 주파수(Fs)가 미리 정해진 스위칭 주파수 상한값(Fs_MAX)을 초과하는지를 판단한다(ST150). PWM 디밍 제어는 스위칭 주파수(Fs)를 높일수록 출력 이득을 조절할 수 있는 장점이 있지만, 손실 등의 이유로 스위칭 주파수(Fs)를 무한정 높일 수 없다. 따라서 손실을 최소화 하기 위하여 스위칭 주파수(Fs)에 제한을 두어야 한다. 이와 같은 제한은 LED 구동회로에서 디밍 범위를 좁아지게 하는 원인이 된다. 스위칭 주파수 상한값(Fs_MAX)은 손실을 최소화 하면서 출력 이득을 조절할 수 있는 제한값으로 정해질 수 있다.After performing step ST130 or ST140, it is determined whether the switching frequency Fs exceeds a predetermined switching frequency upper limit value Fs_MAX (ST150). PWM dimming control has the advantage of adjusting the output gain as the switching frequency (Fs) is increased, but the switching frequency (Fs) cannot be increased indefinitely because of loss. Therefore, limit the switching frequency (Fs) to minimize losses. Such a limitation causes the dimming range to be narrowed in the LED driving circuit. The switching frequency upper limit (Fs_MAX) can be set as a limit to adjust the output gain with minimal loss.

단계 ST150에서 '아니오'로 판단된 경우, 즉, 스위칭 주파수(Fs)가 스위칭 주파수 상한값(Fs_MAX)을 초과하지 않는다면, 단계 ST110으로 복귀하여 스위칭 주파수 제어모드를 계속하여 수행한다. 만약, 단계 ST150에서 '예'로 판단되면 단계 ST210으로 진행하여 스위칭 듀티비 제어모드로 전환한다.If NO is determined in step ST150, that is, if the switching frequency Fs does not exceed the switching frequency upper limit value Fs_MAX, the process returns to step ST110 to continue the switching frequency control mode. If it is determined as YES in step ST150, the process proceeds to step ST210 to switch to the switching duty ratio control mode.

단계 ST210에서 스위칭 듀티비 제어모드가 개시된다(ST210). 스위칭 듀티비는 상단 스위칭소자인 제1 스위칭소자(Q1)의 턴 온 시간과 하단 스위칭소자인 제2 스위칭소자(Q2)의 턴 온 시간의 비로 결정된다. 이때, 스위칭 듀티비는 제1 스위칭소자(Q1)의 턴 온 시간이 상대적으로 더 긴 비대칭 방식으로 결정된다. 예를 들어, 스위칭 듀티비는 '0.8:0.2'에서 '0.9:0.1'까지 유동적으로 변경된다.In step ST210, the switching duty ratio control mode is started (ST210). The switching duty ratio is determined by a ratio of the turn on time of the first switching device Q1 which is the upper switching device and the turn on time of the second switching device Q2 which is the lower switching device. In this case, the switching duty ratio is determined in an asymmetric manner in which the turn-on time of the first switching device Q1 is relatively longer. For example, the switching duty ratio varies fluidly from '0.8: 0.2' to '0.9: 0.1'.

단계 ST220에서 스위칭 듀티비(Duty_s)가 미리 정해진 스위칭 듀티비 상한값(Duty_MAX) 미만인지를 판단한다(ST220). 스위칭 듀티비 상한값(Duty_MAX)은 예컨대, '0.9:0.1'의 듀티비를 나타내는 값이다. 이와 같이 스위칭 듀티비 상한값(Duty_MAX)을 규정하여 제한하는 것은 스위칭 듀티비(Duty_s)가 극단적으로 커지면, 즉, 상/하단 스위칭 듀티의 차이가 극단적으로 커지면 PFC 동작이 정상적으로 수행되지 못하는 문제가 발생되기 때문이다. 이는 단일 스테이지 컨버터 토폴로지가 PFC 동작과 컨버터 동작을 같이 수행하기 때문에 발생되는 문제로서, 이와 같은 제한에 기인하여 스위칭 듀티비 제어에서 디밍 범위에 대한 제약이 발생한다.In operation ST220, it is determined whether the switching duty ratio Duty_s is less than the predetermined switching duty ratio upper limit Duty_MAX (ST220). The switching duty ratio upper limit Duty_MAX is, for example, a value representing a duty ratio of '0.9: 0.1'. The limit of the switching duty ratio upper limit (Duty_MAX) is defined as such that when the switching duty ratio (Duty_s) becomes extremely large, that is, when the difference between the upper and lower switching duty becomes extremely large, the PFC operation may not be performed normally. Because. This problem occurs because the single stage converter topology performs the PFC operation and the converter operation together. Due to this limitation, there is a limitation on the dimming range in the switching duty ratio control.

단계 ST220의 판단 결과, '아니오'로 판단되면 단계 ST310으로 진행하여 ON/OFF 제어모드로 전환한다. ON/OFF 제어모드에 관한 구체적인 설명은 후술한다. 단계 ST220에서 만약 '예'로 판단되면 단계 ST230으로 진행한다.If it is determined as NO in the determination of step ST220, the flow advances to step ST310 to switch to the ON / OFF control mode. A detailed description of the ON / OFF control mode will be described later. If it is determined in step ST220 that YES, the flow proceeds to step ST230.

단계 ST230에서 기준 전류(I_ref)와 출력 전류(I_out)를 비교하여 출력 전류(I_out)가 기준 전류(I_ref) 이상인지를 판단한다(ST230). 만약 '아니오'일 경우 단계 ST240으로 진행하여 스위칭 듀티비(Duty_s)를 감소시킨다(ST240). 만약 '예'일 경우 단계 ST250으로 진행하여 스위칭 듀티비(Duty_s)를 증가시킨다(ST250).In operation ST230, the reference current I_ref and the output current I_out are compared to determine whether the output current I_out is greater than or equal to the reference current I_ref (ST230). If no, the process proceeds to step ST240 to reduce the switching duty ratio Duty_s (ST240). If YES, the flow proceeds to step ST250 to increase the switching duty ratio Duty_s (ST250).

단계 ST240 또는 ST250을 수행한 다음에는 스위칭 듀티비(Duty_s)가 미리 정해진 스위칭 듀티비 하한값(Duty_MIN) 미만인지를 판단한다(ST260). 스위칭 듀티비 하한값(Duty_MIN)은 예컨대, '0.8:0.2'의 듀티비를 나타내는 값이다. 스위칭 듀티비(Duty_MIN)가 하한값보다 낮아지는 경우 버스 커패시터(Cbus1, Cbus2)에 걸리는 전압이 높아지고 스위칭소자(Q1, Q2)의 전압 스트레스가 증가할 수 있다. 스위칭 듀티비 하한값(Duty_MIN)은 스위칭소자(Q1, Q2)의 전압 스트레스 증가를 방지하기 위해 제1 스위칭소자(Q1)의 턴 온 시간이 충분히 유지될 수 있도록 결정될 수 있다.After performing step ST240 or ST250, it is determined whether the switching duty ratio Duty_s is less than the predetermined switching duty ratio lower limit Duty_MIN (ST260). The switching duty ratio lower limit Duty_MIN is, for example, a value representing a duty ratio of '0.8: 0.2'. When the switching duty ratio Duty_MIN is lower than the lower limit, the voltage across the bus capacitors Cbus1 and Cbus2 may increase and the voltage stress of the switching elements Q1 and Q2 may increase. The switching duty ratio lower limit Duty_MIN may be determined such that the turn-on time of the first switching device Q1 is sufficiently maintained to prevent an increase in voltage stress of the switching devices Q1 and Q2.

단계 ST260에서 '아니오'로 판단되면, 스위칭 듀티비(Duty_s)가 설정된 범위 내에 있음을 의미하므로, 단계 ST220으로 복귀하여 스위칭 듀티비 제어모드를 반복한다. 만약 단계 ST260에서 '예'로 판단되면 단계 ST110으로 진행되어 상술한 스위칭 주파수 제어모드로 전환된다.If NO is determined in step ST260, it means that the switching duty ratio Duty_s is within the set range, and the flow returns to step ST220 to repeat the switching duty ratio control mode. If it is determined as YES in step ST260, the flow advances to step ST110 to switch to the switching frequency control mode described above.

앞서 설명한 바와 같이, 스위칭 듀티비(Duty_s)가 스위칭 듀티비 상한값(Duty_MAX) 이상으로 올라가면, 온/오프 제어모드로 전환된다. 단계 ST310에서 온/오프 제어모드가 개시된다(ST310).As described above, when the switching duty ratio Duty_s rises above the switching duty ratio upper limit Duty_MAX, the switching duty mode is switched to the on / off control mode. The on / off control mode is started in step ST310 (ST310).

여기서, 온/오프 제어모드라 함은 제2 스위칭소자(Q2)에 대한 온/오프 듀티비를 고정시켜 지속적인 부스트 및 PFC 동작을 수행하도록 함으로써 정상적인 PFC 기능을 유지하도록 하고, 제1 스위칭소자(Q1)만을 가변되는 온/오프 듀티비(Duty_onoff)로 제어하여 출력이득을 조절하는 모드를 의미한다. 이와 같은 온/오프 제어모드를 부가함으로써, LED 구동회로에 적용될 경우 LED를 가능한 최대 폭으로 디밍 제어할 수 있게 된다.Here, the on / off control mode is to maintain the normal PFC function by fixing the on / off duty ratio for the second switching device (Q2) to perform a continuous boost and PFC operation, the first switching device (Q1) ) Is a mode of controlling the output gain by controlling only the variable on / off duty ratio (Duty_onoff). By adding such an on / off control mode, it is possible to control the LED dimming to the maximum possible width when applied to the LED driving circuit.

단계 ST320에서 기준 전류(I_ref)와 출력 전류(I_out)를 비교하여 출력 전류(I_out)가 기준 전류(I_ref) 이상인지를 판단한다(ST320). 만약 '아니오'일 경우 단계 ST330으로 진행하여 제1 스위칭소자(Q1)에 대한 온/오프 듀티비(Duty_onoff)를 증가시킨다(ST330). 만약 '예'일 경우 단계 ST340으로 진행하여 제1 스위칭소자(Q1)에 대한 온/오프 듀티비(Duty_s)를 감소시킨다(ST340).In operation ST320, the reference current I_ref and the output current I_out are compared to determine whether the output current I_out is greater than or equal to the reference current I_ref (ST320). If no, the process proceeds to step ST330 to increase the on / off duty ratio Duty_onoff for the first switching device Q1 (ST330). If YES, the flow proceeds to step ST340 to reduce the on / off duty ratio Duty_s for the first switching device Q1 (ST340).

단계 ST330 또는 단계 ST340을 수행한 이후에는 제1 스위칭소자(Q1)에 대한 온/오프 듀티비(Duty_onoff)가 온 듀티 상한값(OnDuty_MAX)을 초과하는지를 판단한다(ST350). 만약, 온 듀티 상한값(OnDuty_MAX)을 초과하지 않는다면 단계 ST320으로 복귀하여 온/오프 제어모드를 반복한다.After performing step ST330 or step ST340, it is determined whether the on / off duty ratio Duty_onoff for the first switching element Q1 exceeds the on duty upper limit value OnDuty_MAX (ST350). If the on duty upper limit value OnDuty_MAX is not exceeded, the process returns to step ST320 and the on / off control mode is repeated.

만약, 제1 스위칭소자(Q1)에 대한 온/오프 듀티비(Duty_onoff)가 온 듀티 상한값(OnDuty_MAX)을 초과한다면, 스위칭 듀티비(Duty_s)를 감소시키고(ST360), 단계 ST210으로 진행하여 스위칭 듀티비 제어모드로 전환함으로써 출력 이득을 조절한다.If the on / off duty ratio Duty_onoff for the first switching element Q1 exceeds the on duty upper limit OnDuty_MAX, the switching duty ratio Duty_s is reduced (ST360), and the flow proceeds to step ST210 to the switching duty. Adjust the output gain by switching to non-control mode.

도 4는 본 발명에서 온/오프 제어모드에 따른 동작 파형을 예시한 파형도이다.4 is a waveform diagram illustrating an operating waveform according to the on / off control mode in the present invention.

도 4를 참조하면, 제1 스위칭소자(Q1)에 대한 온/오프 듀티비가 '0.5:0.5'를 예시한 것으로, 파형도 상단의 온/오프 주기 오프 구간에서는 제1 스위칭소자(Q1)가 온 되지 아니한다. 온/오프 주기 온 구간에서는 제1 스위칭소자(Q1) 및 제2 스위칭소자(Q2)가 스위칭 듀티비(Duty_s)에 의해 교호로 턴 온 된다.Referring to FIG. 4, the on / off duty ratio for the first switching device Q1 is exemplified as '0.5: 0.5', and the first switching device Q1 is turned on in the on / off period off period at the top of the waveform diagram. Not. In the on / off period on period, the first switching element Q1 and the second switching element Q2 are alternately turned on by the switching duty ratio Duty_s.

본 발명에 따른 넓은 범위 디밍을 위한 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터 및 그 동작방법을 시뮬레이션하고 실험하기 위해 아래의 <표1>과 같은 파라미터가 사용되었다. 입력전원은 상용전원(210)의 절반에 해당하는 110V를 인가하였으며, 스위칭 주파수의 범위는 40kHz 내지 100kHz 까지의 영역으로, 온/오프 주파수의 주기는 500Hz로 설정하였다. 시뮬레이션 및 실험에 사용된 버스 커패시터(Cbus1, Cbus2)와 출력 커패시터(Co)는 충분히 큰 값을 사용하여 전압 리플의 영향이 작도록 하였다. 실험에 사용된 변압기(260)는 누설 인덕턴스와 자화 인덕턴스로 모델링한 결과를 토대로 사용하였으며 이에 따라 시뮬레이션 및 실험을 진행하였다.In order to simulate and experiment asymmetric single stage LLC resonant converter and its operation method for wide range dimming according to the present invention, the following parameters are used. The input power was applied to 110V corresponding to half of the commercial power 210, the range of the switching frequency is 40kHz to 100kHz, the period of the on / off frequency is set to 500Hz. The bus capacitors (Cbus1, Cbus2) and output capacitors (Co) used in the simulations and experiments were sufficiently large so that the effects of voltage ripple were small. The transformer 260 used in the experiment was used based on the results of modeling the leakage inductance and the magnetizing inductance, and the simulation and the experiment were performed accordingly.

단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터 설계 조건 Single Stage LLC Resonant Converter Design Conditions ParameterParameter ValueValue Switching frequency,

Figure pat00001
Switching frequency,
Figure pat00001
40~100 [kHz]40 to 100 [kHz] Resonant frequency,
Figure pat00002
Resonant frequency,
Figure pat00002
60 [kHz]60 [kHz]
Boost Inductance,
Figure pat00003
Boost Inductance,
Figure pat00003
34.8 [uH]34.8 [uH]
Resonant Inductance,
Figure pat00004
Resonant Inductance,
Figure pat00004
7.16 [uH]7.16 [uH]
Magnetizing Inductance,
Figure pat00005
Magnetizing inductance,
Figure pat00005
1.05 [mH]1.05 [mH]
Resonant Capacitance,
Figure pat00006
Resonant Capacitance,
Figure pat00006
33 [nF]33 [nF]
Bus Capacitance,
Figure pat00007
Bus Capacitance,
Figure pat00007
820 [uF]820 [uF]
Output Capacitance,
Figure pat00008
Output Capacitance,
Figure pat00008
470 [uF]470 [uF]
Input Voltage,
Figure pat00009
Input Voltage,
Figure pat00009
110 [Vrms]110 [Vrms]
Output Voltage,
Figure pat00010
Output Voltage,
Figure pat00010
180 [V]180 [V]
Output Cuttent,
Figure pat00011
Output Cuttent,
Figure pat00011
0.7 [A]0.7 [A]

시뮬레이션은 PSIM 의 DLL 기능을 사용하여 스위칭 주파수와, 스위칭 듀티비와, ON/OFF 주기의 듀티를 통해 출력 이득을 조절할 수 있게 설정하였다. 각각의 제어모드에서 설정한 하한값 및 상한값 조건에 해당할 경우 제어모드를 변경해가며 비대칭으로 동작하는 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터의 동작과 출력 이득의 변화를 확인하였다.The simulation uses PSIM's DLL feature to control the output gain through switching frequency, switching duty ratio, and duty cycle between ON / OFF periods. When the lower and upper limit conditions were set in each control mode, the control mode was changed and the operation and output gain of the single stage LLC resonant converter operating asymmetrically were checked.

도 5는 스위칭 주파수 제어모드에서의 컨버터 동작 파형을 나타낸 파형도로서, 도 5의 (a)는 스위칭 주파수가 40kHz인 경우, (b)는 스위칭 주파수가 100kHz인 경우의 동작 파형을 나타낸다.FIG. 5 is a waveform diagram illustrating an operation waveform of a converter in a switching frequency control mode. FIG. 5A illustrates an operation waveform when the switching frequency is 40 kHz, and FIG. 5B illustrates an operation waveform when the switching frequency is 100 kHz.

스위칭 주파수 제어모드에서, 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터의 스위칭 주파수가 점차적으로 높아질수록 출력 이득이 낮아지므로 기존의 LLC 공진형 컨버터의 이득 특성에 맞게 컨버터가 정상적으로 동작한다. 도 5의 파형도를 통해 40kHz 내지 100kHz 까지로 설정한 스위칭 주파수 범위 내에서 스위칭 주파수 제어를 통해 디밍이 가능함을 알 수 있다.In the switching frequency control mode, the output gain decreases as the switching frequency of the asymmetric single stage LLC resonant converter gradually increases, so that the converter operates normally in accordance with the gain characteristics of the conventional LLC resonant converter. It can be seen from the waveform diagram of FIG. 5 that dimming is possible through switching frequency control within a switching frequency range set to 40 kHz to 100 kHz.

도 6은 스위칭 듀티비 제어모드에서의 컨버터 동작 파형을 나타낸 파형도로서, 앞서 설정한 스위칭 주파수보다 높은 100kHz 이상의 주파수로 상승하는 경우 주파수 제한을 두어, 스위칭 주파수를 100kHz로 고정시키고 스위칭 듀티비 제어를 통해 동작시킨 파형을 나타낸다.FIG. 6 is a waveform diagram illustrating an operation waveform of a converter in a switching duty ratio control mode. In case of rising to a frequency above 100 kHz higher than the previously set switching frequency, the frequency limit is set so that the switching frequency is fixed to 100 kHz and the switching duty ratio control is performed. Indicates the waveform operated through

도 6의 (a)는 제1 스위칭소자(Q1)와 제2 스위칭소자(Q2) 각각에 대한 턴 온 비를 나타내는 스위칭 듀티비가 '0.9:0.1'일 때의 동작 파형이고, (b)는 스위칭 듀티비가 '0.9:0.1'이상으로 동작시켰을 경우의 PFC 파형을 나타낸다.FIG. 6A is an operating waveform when the switching duty ratio indicating the turn on ratio for each of the first switching element Q1 and the second switching element Q2 is '0.9: 0.1', and (b) is switching The PFC waveform is displayed when the duty ratio is operated at '0.9: 0.1' or higher.

시뮬레이션의 결과 부스트 동작에 기여하는 제2 스위칭소자(Q2)의 듀티비가 줄어들수록 출력 이득이 감소하며 변경됨을 확인 할 수 있다. 즉, 제1 스위칭소자(Q1)의 듀티비가 커질수록 넓은 범위의 디밍 동작이 가능하다. 하지만, 디밍을 위해 스위칭 듀티비 제어를 지속하다보면 일정 영역에서 도 6의 (b)처럼 PFC 동작이 정상적으로 수행되지 않는 문제가 발생한다는 것을 확인할 수 있다. 이는 단일 스테이지의 컨버터 토폴로지에서 PFC와 DC/DC 컨버터의 역할을 동시에 수행하기 때문에 발생하는 문제점이다. 따라서 이와 같은 문제점을 해결하면서 보다 넓은 디밍이 가능하도록 하기 위해 스위칭 듀티비 제어모드로 정상동작을 하다가, PFC가 정상 동작을 하지 못하는 영역에서는 스위칭 듀티비를 상한값으로 고정시키고 제1 스위칭소자(Q1)만의 온/오프 제어를 통해 PFC 동작은 정상적으로 수행하면서 동시에 디밍이 가능하도록 하였다.As a result of the simulation, as the duty ratio of the second switching device Q2 contributing to the boost operation decreases, the output gain decreases and changes. That is, as the duty ratio of the first switching element Q1 increases, a wide range of dimming operation is possible. However, when the switching duty ratio control is continued for dimming, it can be seen that a problem occurs in which the PFC operation is not normally performed as shown in FIG. This is a problem caused by simultaneously acting as a PFC and a DC / DC converter in a single stage converter topology. Therefore, in order to solve such a problem and to enable a wider dimming, the normal operation in the switching duty ratio control mode, the switching duty ratio is fixed to the upper limit in the region where the PFC does not operate normally, the first switching device (Q1) Only on / off control allows the PFC operation to perform normally while simultaneously dimming.

도 7은 온/오프 제어모드에서의 컨버터 동작 파형을 나타낸 파형도로서, 도 7의 (a)는 제1 스위칭소자(Q1)의 온/오프 듀티가 0.8인 경우의 동작 파형을 나타내며, (b)는 본 발명의 온/오프 제어모드에서의 PFC 파형을 나타낸다. 도 7의 시뮬레이션 결과에서 제1 스위칭소자(Q1)의 온/오프 주기는 500Hz로 하였다.FIG. 7 is a waveform diagram illustrating an operation waveform of a converter in an on / off control mode. FIG. 7A illustrates an operation waveform when the on / off duty of the first switching element Q1 is 0.8. Denotes a PFC waveform in the on / off control mode of the present invention. In the simulation result of FIG. 7, the on / off period of the first switching device Q1 is set to 500 Hz.

도 7을 참조하면, 앞서의 스위칭 듀티비 제어모드의 문제점이었던 PFC의 정상 동작 불능의 문제가 해결되는 것을 확인할 수 있다. 도 7의 (b)에 도시된 파형에서와 같이 온/오프 구간으로 인해 리플이 다소 발생하지만 PFC의 동작은 정상적으로 이루어진다.Referring to FIG. 7, it can be seen that the problem of the inoperability of the PFC, which was the problem of the switching duty ratio control mode described above, is solved. Although the ripple occurs somewhat due to the on / off period as in the waveform shown in FIG. 7B, the PFC operates normally.

즉, 스위칭 듀티비 제어모드에서 정상 동작을 하다가 PFC의 동작이 불안정해지는 영역에서는 스위칭 듀티비를 상한값으로 고정시키고, 제1 스위칭소자(Q1)만 온/오프 제어를 함으로써, PFC의 정상 동작을 가능하게 하면서 보다 넓은 디밍을 가능하게 하였다.That is, the PFC can be normally operated by fixing the switching duty ratio to an upper limit in the region in which the PFC operation becomes unstable while operating in the switching duty ratio control mode and controlling ON / OFF only the first switching element Q1. This allows for wider dimming.

또한 도 7의 (a)를 통해 출력 이득이 이전의 스위칭 듀티비 제어모드보다 낮아지게 변경되는 것을 확인할 수 있다. 온/오프 제어모드에서 제1 스위칭소자(Q1)가 온 되는 구간의 비율을 줄일수록 출력 이득이 작아지는 것을 확인하였으며, 이를 통해 보다 넓은 범위에서의 디밍이 가능하다는 것을 알 수 있다.In addition, it can be seen from FIG. 7A that the output gain is changed to be lower than the previous switching duty ratio control mode. In the on / off control mode, it was confirmed that the output gain decreases as the ratio of the section in which the first switching element Q1 is turned on decreases, and thus, dimming in a wider range is possible.

도 8은 본 발명을 실험하는데 사용된 LED 부하를 예시한 도면이며, 도 9는 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터의 프로토 타입을 예시한 도면이다.FIG. 8 is a diagram illustrating an LED load used to experiment the present invention, and FIG. 9 is a diagram illustrating a prototype of an asymmetric single stage LLC resonant converter.

프로토 타입의 제어에는 150M 클럭을 갖는 TI 사의 'TMS320F28335'를 적용한 제어보드가 사용되었다. AD 보드를 통해 입력 전압 Vac와 입력 전류 Iac, 공진 전류 Lr에 흐르는 전류를 측정하였다.The prototype used a control board with TI's TMS320F28335 with a 150M clock. Through the AD board, the current flowing through the input voltage Vac, input current Iac, and resonant current Lr was measured.

도 9에 예시된 컨버터의 프로토 타입에 적용된 스위칭소자는 열방출에 대해 우수한 특성을 갖는 CREE 사의 'KIT8020-CRD-8FF1217P-1'(SiC MOSFET Module)로 같은 CREE 사의 SiC MOSFET인 'C2M0080120D' 와 SiC Schottky Diode인 'C4D20120D'가 소자로 내장되어 있다. 실험에 사용된 LED 부하는 도 8과 같은 LG이노텍 사의 LED 모듈로서, 정격이 30[V], 0.7[A], 2.5[W], 60[Hz], 2465[lm] 이고 색온도 5700K, 최대 동작온도 Tc 80인 제품 6개를 직렬로 연결해서 사용하였다.The switching element applied to the converter prototype illustrated in FIG. 9 is CREE's 'KIT8020-CRD-8FF1217P-1' (SiC MOSFET Module) having excellent characteristics of heat dissipation, and the same CREE SiC MOSFETs 'C2M0080120D' and SiC. Schottky Diode 'C4D20120D' is embedded as a device. The LED load used in the experiment is the LED module of LG Innotek Co., Ltd. as shown in FIG. 8, and is rated at 30 [V], 0.7 [A], 2.5 [W], 60 [Hz], 2465 [lm], and color temperature of 5700 K, maximum operation. Six products of temperature Tc 80 were used in series.

도 10은 스위칭 주파수 제어모드에서 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터의 실험 파형을 나타낸 도면으로, 도 10의 (a)는 주파수 제어모드에서의 실험 파형을, (b)는 대칭형으로 동작했을 경우의 실험 파형을, (c)는 비대칭으로 동작했을 경우의 실험 파형을 각각 나타낸다.10 is a diagram illustrating an experimental waveform of an asymmetric single stage LLC resonant converter in a switching frequency control mode, in which (a) is an experimental waveform in a frequency control mode, and (b) is an symmetrical experiment. Waveforms (c) show experimental waveforms when operated asymmetrically, respectively.

본격적인 실험에 앞서 먼저 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터로 구성된 실험 세트의 이득특성 및 정상적인 동작을 확인하기 위해 공진 주파수를 60kHz로 갖는 본 토폴로지에서 도 10의 (a)와 같이 스위칭 주파수를 40kHz 이상에서 100kHz까지로 설정하고 이를 스윕(Sweep)시켜 이에 따른 출력의 양상을 확인하였다. 실험의 결과 스위칭 주파수가 낮아질수록 출력 이득이 상승하게 되므로 기존의 LLC 공진형 컨버터의 특성에 맞게 정상 동작되는 것을 확인하였다. 이를 통해 스위칭 주파수 제어를 이용하여 설정한 40kHz에서 100kHz까지 주파수 범위에서 디밍이 가능함을 확인하였다.Prior to full-scale experiments, in order to verify the gain characteristics and normal operation of the experimental set consisting of a single stage LLC resonant converter, the switching frequency is set from 40 kHz to 100 kHz as shown in FIG. Set to and sweep to see the resulting output. As a result of the experiment, the lower the switching frequency, the higher the output gain. Therefore, it was confirmed that it operates normally in accordance with the characteristics of the conventional LLC resonant converter. Through this, it was confirmed that dimming is possible in the frequency range from 40kHz to 100kHz set using switching frequency control.

다음으로 도 10의 (b)는 스위칭 듀티비를 '0.5:0.5'로 주어 대칭형으로 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터를 동작시켰을 때 파형이고, (c)는 스위칭 듀티비를 '0.8:0.2' 로 주어 비대칭형으로 동작시켰을 때 파형이다. CH1의 제1 스위칭소자(Q1) 게이트 파형과 CH2의 공진 전류를 찍은 파형을 비교해 보면, 제1 스위칭소자(Q1)의 바디 다이오드를 통해 전류가 역으로 흐를 때 제1 스위칭소자(Q1)가 턴 온 되며 ZVS 동작을 한다는 것을 대칭형 동작과 비대칭 동작 모두에서 확인할 수 있다. 또한 CH3 의 버스 커패시터 전압과 CH4의 제1 스위칭소자(Q1) 양단 전압을 비교해 보았을 때 대칭형으로 구동시켰을 때보다 비대칭형으로 구동시켰을 때 부스트 동작을 통한 버스 커패시터 양단을 충전시키는 시간이 감소하기 때문에, 버스 커패시터 전압 및 제1 스위칭소자(Q1)에 인가되는 전압의 크기가 줄어든다는 것을 확인할 수 있었다. 전압 스트레스는 곧 버스 커패시터 전압 및 스위칭소자에 인가되는 전압의 크기로 생각할 수 있으므로 비대칭형으로 구동시켰을 때 전압 스트레스가 감소한다고 볼 수 있다.Next, FIG. 10 (b) shows a waveform when the single-stage LLC resonant converter is operated symmetrically with a switching duty ratio of '0.5: 0.5', and (c) shows a switching duty ratio of '0.8: 0.2'. Waveform when operated asymmetrically. Comparing the waveform of the gate waveform of the first switching element Q1 of CH1 with the resonant current of CH2, the first switching element Q1 turns when the current flows in reverse through the body diode of the first switching element Q1. You can see that ZVS is on and in both symmetric and asymmetric behavior. In addition, when comparing the bus capacitor voltage of CH3 and the voltage across the first switching element Q1 of CH4, the time required to charge the bus capacitor through the boost operation is reduced when driving asymmetrically than when driving the symmetrically, It was confirmed that the magnitudes of the bus capacitor voltage and the voltage applied to the first switching device Q1 are reduced. Since the voltage stress can be thought of as the magnitude of the bus capacitor voltage and the voltage applied to the switching device, it can be said that the voltage stress is reduced when driven asymmetrically.

도 11은 스위칭 듀티비 제어모드에서 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터를 실헌한 파형을 나타내는 파형도로서, 도 11의 (a)는 스위칭 듀티비가 '0.8:0.2'인 경우를, (b)는 스위칭 듀티비가 '0.9:0.1'인 경우를 각각 나타낸다.FIG. 11 is a waveform diagram illustrating a waveform representing a single stage LLC resonant converter in a switching duty ratio control mode, in which FIG. 11A illustrates a case where the switching duty ratio is 0.8: 0.2, and FIG. The cases where the ratio is '0.9: 0.1' are shown, respectively.

앞서 도 10의 실험 결과를 통해 설정한 주파수 범위 내에서 스위칭 주파수 제어를 수행할 때 디밍이 가능함을 확인할 수 있었으나, 더 넓은 범위의 디밍을 위해 출력 이득을 계속 낮추게 되면 이에 반해 스위칭 주파수가 계속 상승하게 되므로 손실 및 부가적으로 발생하는 문제점들에 의해 주파수가 제한되게 된다.Although the dimming is possible when the switching frequency control is performed within the set frequency range through the experimental results of FIG. 10, the switching frequency is continuously increased when the output gain is continuously lowered for a wider dimming range. Therefore, the frequency is limited by the loss and additional problems.

따라서 본 발명은 스위칭 주파수가 제한되는 영역에서는 스위칭 주파수를 고정시키고 제1 스위칭소자(Q1) 및 제2 스위칭소자(Q2)의 스위칭 듀티비를'0.8:0.2'의 시비율로 동작시키는 비대칭 동작에서 스위칭 시비율을 '0.9:0.1' 까지 변경시켜 출력 이득을 낮춤으로써 디밍이 가능하도록 하였다.Accordingly, the present invention provides an asymmetric operation in which the switching frequency is fixed and the switching duty ratio of the first switching element Q1 and the second switching element Q2 is operated at a ratio of 0.8: 0.2 in the region where the switching frequency is limited. By changing the switching ratio to '0.9: 0.1', the output gain is reduced to enable dimming.

도 11을 참조하면, 각 파형의 CH1과 2는 각각 제1 스위칭소자(Q1)와 제2 스위칭소자(Q2)의 게이트 신호를 나타내며, CH3과 4는 공진 전류와 출력 전류를 나타낸다. 주파수 제한이 걸리는 영역에서는 스위칭 듀티비 제어를 통해 출력 이득이 점차 줄어들며 조금 더 넓은 범위에서 디밍이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 11, CH1 and 2 of each waveform represent gate signals of the first switching element Q1 and the second switching element Q2, respectively, and CH3 and 4 represent the resonance current and the output current. In the frequency-limited region, the switching duty ratio control shows that the output gain gradually decreases, allowing dimming over a wider range.

도 12 및 13은 앞서 한 번 설명한 바와 같이 PFC 동작이 비정상적으로 동작하는 문제를 해결하기 위해 스위칭 듀티비를 제한한 상태에서 제1 스위칭소자(Q1)만을 온/오프 제어하여 PFC 동작은 정상적으로 이루어지며 좀 더 넓은 범위에서 디밍이 가능하다는 것을 확인하는 파형이다. 이때, 제2 스위칭소자(Q2)의 경우 부스트 동작 및 PFC에 기여하게 되므로 도 4에 예시된 온/오프 파형에 관계없이 정상적인 듀티에 의해 턴 온/오프 동작되도록 한다.12 and 13 illustrate that the PFC operation is normally performed by controlling ON / OFF only the first switching element Q1 in a state in which the switching duty ratio is limited to solve the problem in which the PFC operation is abnormally operated as described above. This waveform confirms that dimming is possible over a wider range. In this case, since the second switching element Q2 contributes to the boost operation and the PFC, the second switching element Q2 is turned on / off by a normal duty regardless of the on / off waveform illustrated in FIG. 4.

도 12는 온/오프 제어모드에서 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터의 실험 파형을 나타낸 파형도로서, 도 12의 (a)는 제1 스위칭소자(Q1)에 대한 온/오프 주기의 시비율이 0.8인 경우를, (b)는 온/오프 주기의 시비율이 0.3인 경우를 각각 나타낸다.FIG. 12 is a waveform diagram illustrating an experimental waveform of an asymmetric single stage LLC resonant converter in an on / off control mode. FIG. 12A illustrates a ratio of an on / off period of 0.8 to a first switching device Q1. (B) shows the case where the application ratio of the on / off period is 0.3, respectively.

각 파형의 CH1 과 2는 제1 스위칭소자(Q1) 및 제2 스위칭소자(Q2)의 게이트 신호를 나타내며, CH3과 4는 공진 전류와 출력 전류를 나타낸다. 실험 결과 파형을 통해 제1 스위칭소자(Q1)가 오프 되는 구간이 늘어날수록 출력 전류가 감소함을 확인할 수 있다. 이 결과에 따라 온/오프 주기의 듀티 변화에 따라 기존 범위보다 넓게 디밍이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.CH1 and 2 of each waveform represent gate signals of the first switching element Q1 and the second switching element Q2, and CH3 and 4 represent resonance current and output current. As a result of the experiment, the output current decreases as the section in which the first switching device Q1 is turned off increases. According to this result, it can be confirmed that dimming is wider than the existing range according to the duty cycle of the on / off period.

도 13은 본 발명에 의해 넓은 디밍 범위를 갖는 LED 조명용 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터의 각 제어영역별 동작 파형을 나타내는 파형도로서, 도 13의 (a)는 스위칭 주파수 제어모드의 동작 파형을, (b)는 스위칭 듀티비 제어모드의 동작 파형을, (c)는 온/오프 제어모드의 동작 파형을 각각 나타낸다.FIG. 13 is a waveform diagram illustrating an operation waveform of each control region of an asymmetric single stage LLC resonant converter for LED lighting having a wide dimming range according to the present invention. FIG. 13A illustrates an operation waveform of a switching frequency control mode. (b) shows an operating waveform of the switching duty ratio control mode, and (c) shows an operating waveform of the on / off control mode.

각 모드별 파형의 CH1과 2의 입력 전압과 전류의 위상이 일치함에 따라 PFC 동작이 정상적으로 이루어지고 있음을 확인할 수 있으며, CH3의 출력 전류의 감소에 따라 LED의 밝기가 감소하고 이를 통해 디밍이 가능함을 확인할 수 있다. 각 제어모드에 따른 디밍의 범위 및 PF, THD 분석 그리고 버스 커패시터의 전압은 다음의 도 14를 통해 확인할 수 있다.As the phase of CH1 and 2 of the waveform of each mode coincides with the phase of the current, it can be confirmed that PFC is operating normally. As the output current of CH3 decreases, the brightness of LED decreases and dimming is possible. can confirm. The dimming range, PF, THD analysis, and voltage of the bus capacitor according to each control mode can be checked in FIG. 14.

도 14는 본 발명에 의해 넓은 디밍 범위를 갖는 LED 조명용 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터의 부하 변동에 따른 동작 특성을 나타내는 도면으로, 도 14의 (a)는 부하 저항이 100옴인 경우를, (b)는 LED 부하인 경우를 각각 나타낸다.14 is a view showing the operating characteristics according to the load variation of the asymmetric single stage LLC resonant converter for LED lighting having a wide dimming range according to the present invention, Figure 14 (a) is a case where the load resistance is 100 Ohm, (b ) Indicate the case of LED load, respectively.

도 14를 참조하면, 부하 변동에 따른 PF 및 THD 동작을 분석해본 결과 모든 동작범위에서 역률(PF)은 최소 0.95%에서 최대 0.99%로 국제적인 규격인 90% 이상을 유지하며 THD는 약 6 ~ 11%를 유지하였다. 스위치의 스트레스로 직결되는 버스 커패시터 전압의 총량은 최소 260V에서 최대 480V로 나오는 것을 확인하였다. 그리고 LED 부하에서 디밍의 범위는 다음과 같이 50% 이상일 때는 스위칭 주파수 제어영역, 10% 이상에서는 스위칭 듀티비 제어영역, 10% 미만에서는 온/오프 제어영역으로 동작함을 확인하였다. 이 결과를 통해 기존의 디밍 방식보다 넓은 범위(대략, 전 범위에 걸친) 디밍이 가능함을 검증하였다.Referring to FIG. 14, as a result of analyzing the PF and THD operation according to the load variation, the power factor (PF) in all the operating ranges is maintained at 90% or more, which is the international standard, from 0.95% to 0.99%, and the THD is about 6-11. % Was maintained. The total amount of bus capacitor voltage directly connected to the stress of the switch was confirmed to be from 260V minimum to 480V maximum. The dimming range of LED load is 50% or more as switching frequency control area, 10% or more switching duty ratio control area, and less than 10% as on / off control area. This result proved that the dimming range is wider than the conventional dimming method.

본 발명에서는 최근 각광 받고 있는 LED의 장점을 극대화하기 위하여 휘도 조절 기능을 포함하는 고효율의 구동회로를 제안하고, 시뮬레이션 및 실험을 통해 제안된 발명을 분석하였다. 이에 따라 기존의 2 스테이지(Two-Stage) 컨버터 토폴로지보다 소자의 개수를 줄임으로써, 보다 효율이 높은 단일 스테이지(Single-Stage)의 LLC 공진형 컨버터를 비대칭으로 동작시켜 스위치에 걸리는 전압 스트레스를 줄이고 ZVS 동작이 가능하도록 설계하였다. 그리고 이 토폴로지에서 PFC 동작을 정상범주로 동작하도록 유지하면서 보다 넓은 디밍 범위를 갖도록 스위칭 주파수 제어영역, 스위칭 듀티비 제어영역, 온/오프 제어영역을 결합하여 출력이득을 조절함으로서 LED 의 밝기를 조절하는 방법을 제안하였다.In the present invention, in order to maximize the advantages of the LED which is in the spotlight recently, a high efficiency driving circuit including a brightness control function is proposed, and the proposed invention is analyzed through simulation and experiment. This reduces the number of devices compared to conventional two-stage converter topologies, resulting in asymmetrical operation of more efficient single-stage LLC resonant converters to reduce voltage stress on the switch and reduce ZVS. Designed to allow operation. In this topology, LED brightness is controlled by adjusting the output gain by combining switching frequency control area, switching duty ratio control area, and on / off control area to have a wider dimming range while maintaining PFC operation in a normal range. The method was proposed.

기존의 PWM 제어 방식에서는 스위칭 주파수의 제한에 따라 본 실험 세트 기준으로 100% 내지 50% 가량의 범위에서만 디밍이 가능했다면, 스위칭 듀티비 제어영역을 부가하여 50% 내지 10% 범위의 디밍을 가능하게 하였고, 온/오프 제어영역을 부가하여 10% 이하의 디밍을 가능하게 하였다는 것을 확인하였다. 결국 기존의 2 스테이지 컨버터보다 높은 효율 조건을 가지며 넓은 범위의 디밍이 가낭한 LED 조명용 구동회로를 제공할 수 있으며, 향후 세밀한 휘도조절이 필요한 분야 및 기타 부가적인 분야에서도 폭 넓게 이용 가능할 것으로 예상된다. In the conventional PWM control method, if dimming was possible only in the range of 100% to 50% based on the limit of the switching frequency, the dimming in the range of 50% to 10% is possible by adding the switching duty ratio control area. It was confirmed that dimming of 10% or less was enabled by adding an on / off control region. As a result, it is possible to provide a driving circuit for LED lighting having a higher efficiency condition and a wider range of dimming than conventional two-stage converters, and is expected to be widely used in fields requiring detailed brightness control and other additional fields.

위에서 개시된 발명은 기본적인 사상을 훼손하지 않는 범위 내에서 다양한 변형예가 가능하다. 즉, 위의 실시예들은 모두 예시적으로 해석되어야 하며, 한정적으로 해석되지 않는다. 따라서 본 발명의 보호범위는 상술한 실시예가 아니라 첨부된 청구항에 따라 정해져야 하며, 첨부된 청구항에 한정된 구성요소를 균등물로 치환한 경우 이는 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 보아야 한다.Various modifications are possible in the invention disclosed above without departing from the basic idea. That is, the above embodiments should all be interpreted as illustrative and not restrictive. Therefore, the protection scope of the present invention should be determined according to the appended claims rather than the above-described embodiments, and if the components defined in the appended claims are replaced by equivalents, they should be regarded as belonging to the protection scope of the present invention.

110 : 상용전원 120 : 필터 회로부
130 : 입력단 정류 회로부 140 : 역률 개선 회로부
150 : LLC 공진 회로부 160 : 변압기
170 : 출력단 정류 회로부 180 : LED 어레이
210 : 상용전원 220 : 필터 회로부
230 : 입력단 정류 회로부 240 : 역률 개선 회로부
250 : LLC 공진 회로부 260 : 변압기
270 : 출력단 정류 회로부 280 : LED 어레이
110: commercial power supply 120: filter circuit
130 input rectifier circuit portion 140 power factor correction circuit portion
150: LLC resonant circuit portion 160: transformer
170: output stage rectifier circuit 180: LED array
210: commercial power 220: filter circuit
230: input stage rectifier circuit portion 240: power factor correction circuit portion
250: LLC resonant circuit portion 260: transformer
270: output stage rectifier circuit portion 280: LED array

Claims (6)

상용전원의 정류 출력단에 설치되는 역률 보정용 인덕터와, 상기 역률 보정용 인덕터의 출력측에 설치되는 제1 스위칭소자 및 제2 스위칭소자와, 상기 제1 스위칭소자 및 상기 제2 스위칭소자 각각에 연결되는 제1 버스 커패시터 및 제2 버스 커패시터를 포함하는 역률 개선 회로부; 상기 역률 개선 회로부에 연결되어 공진 출력을 발생시키는 LLC 공진 회로부; 상기 공진 회로부의 출력을 정류하여 LED에 공급하는 출력 회로부; 및 상기 제1 스위칭소자 및 상기 제2 스위칭소자에 개별적으로 스위칭신호를 인가하는 제어부를 포함하는 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터에 있어서,
상기 제어부는,
(a) 상기 제1 스위칭소자 및 상기 제2 스위칭소자에 스위칭 주파수가 제어된 PWM 신호를 인가하여 LED 부하에 공급되는 전류를 제어하는 스위칭 주파수 제어모드와,
(b) 상기 제1 스위칭소자의 턴 온 시간과 상기 제2 스위칭소자의 턴 온 시간의 비에 해당하는 스위칭 듀티비를 비대칭으로 제어하는 스위칭 듀티비 제어모드와,
(c) 상기 제2 스위칭소자의 온/오프 듀티비를 고정시키고 상기 제1 스위칭소자의 온/오프 듀티비만을 제어하는 온/오프 제어모드를 포함하며,
상기 스위칭 주파수 제어모드, 상기 스위칭 듀티비 제어모드, 및 상기 온/오프 제어모드 중 어느 하나의 제어모드로 동작하는
넓은 범위 디밍을 위한 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터.
A power factor correcting inductor installed at the rectifying output stage of the commercial power supply, a first switching element and a second switching element installed at an output side of the power factor correcting inductor, and a first first connected to each of the first switching element and the second switching element. A power factor correction circuit unit including a bus capacitor and a second bus capacitor; An LLC resonant circuit portion coupled to the power factor correction circuit portion to generate a resonant output; An output circuit unit rectifying an output of the resonance circuit unit and supplying the LED to the LED; And a control unit for separately applying a switching signal to the first switching element and the second switching element.
The control unit,
(a) a switching frequency control mode for controlling a current supplied to an LED load by applying a PWM signal whose switching frequency is controlled to the first switching element and the second switching element;
(b) a switching duty ratio control mode for asymmetrically controlling a switching duty ratio corresponding to a ratio of a turn on time of the first switching element to a turn on time of the second switching element;
(c) an on / off control mode for fixing the on / off duty ratio of the second switching element and controlling only the on / off duty ratio of the first switching element;
Operating in any one of the switching frequency control mode, the switching duty ratio control mode, and the on / off control mode.
Asymmetric single stage LLC resonant converter for wide range dimming.
제1항에 있어서,
상기 제어부는 초기에는 상기 주파수 제어모드로 동작하며, 상기 스위칭 주파수가 상기 스위칭 주파수 상한값을 초과하는 경우 상기 스위칭 듀티비 제어모드로 전환하는 넓은 범위 디밍을 위한 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터.
The method of claim 1,
And the control unit initially operates in the frequency control mode, and switches to the switching duty ratio control mode when the switching frequency exceeds the upper limit of the switching frequency.
제2항에 있어서,
상기 제어부는 상기 스위칭 듀티비 제어모드로 동작하는 중에, 상기 스위칭 듀티비가 미리 정해진 스위칭 듀티비 상한값 이상인 경우 상기 스위칭 듀티비 제어모드에서 상기 온/오프 듀티비 제어모드로 전환하며, 상기 스위칭 듀티비가 미리 정해진 스위칭 듀티비 하한값 미만인 경우 상기 스위칭 듀티비 제어모드에서 상기 스위칭 주파수 제어모드로 전환하는 넓은 범위 디밍을 위한 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터.
The method of claim 2,
The control unit switches to the on / off duty ratio control mode from the switching duty ratio control mode when the switching duty ratio is equal to or greater than a predetermined switching duty ratio upper limit while operating in the switching duty ratio control mode, and the switching duty ratio is previously set. An asymmetric single stage LLC resonant converter for wide range dimming from the switching duty ratio control mode to the switching frequency control mode when less than a predetermined switching duty ratio lower limit.
제3항에 있어서,
상기 스위칭 듀티비는 상기 제1 스위칭소자의 턴 온 시간이 상기 제2 스위칭소자의 턴 온 시간에 비해 상대적으로 더 길게 설정되는 넓은 범위 디밍을 위한 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터.
The method of claim 3,
The switching duty ratio is an asymmetric single stage LLC resonant converter for wide range dimming wherein the turn on time of the first switching element is set relatively longer than the turn on time of the second switching element.
제4항에 있어서,
상기 스위칭 듀티비 상한값은 상기 제1 스위칭소자의 턴 온 시간 대비 상기 제2 스위칭소자의 턴 온 시간이 '0.9:0.1'을 나태내는 값이며,
상기 스위칭 듀티비 하한값은 상기 제1 스위칭소자의 턴 온 시간 대비 상기 제2 스위칭소자의 턴 온 시간이 '0.8:0.2'를 나태내는 값인 넓은 범위 디밍을 위한 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터.
The method of claim 4, wherein
The switching duty ratio upper limit value is a value in which the turn on time of the second switching device is '0.9: 0.1' relative to the turn on time of the first switching device.
And the switching duty ratio lower limit is a value in which the turn-on time of the second switching device is '0.8: 0.2' relative to the turn-on time of the first switching device.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 온/오프 제어모드로 동작하는 중에, 상기 제1 스위칭소자의 온/오프 듀티비가 미리 정해진 온 듀티 상한값을 초과하는 경우 상기 스위칭 듀티비를 감소시킨 후에 상기 스위칭 듀티비 제어모드로 전환하는 넓은 범위 디밍을 위한 비대칭 단일 스테이지 LLC 공진형 컨버터.
The method according to any one of claims 1 to 5,
The control unit switches to the switching duty ratio control mode after reducing the switching duty ratio when the on / off duty ratio of the first switching element exceeds a predetermined on duty upper limit value while operating in the on / off control mode. Single stage LLC resonant converter for wide range dimming.
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