KR20200030051A - 패시브 3 상 발광 다이오드 드라이버 - Google Patents

Abstract

3 상 LED 드라이버는 다음을 포함한다: 제 1 위상 전압(V_1), 제 2 위상 전압(V_2) 및 제 3 위상 전압(V_3)을 갖는 입력 전압(100); 입력 전압에 연결된 입력 인덕터(300); 입력 전압과 입력 인덕터 사이에 연결된 입력 커패시터(200); 입력 인덕터에 연결되고 제 1 단자(A) 및 제 2 단자(B)를 갖는 정류기(400); 정류기의 제 1 단자와 제 2 단자 사이에 연결된 제 1 커패시터(C1); 및 정류기의 제 1 단자에 연결된 필터(Lo).

Description

패시브 3 상 발광 다이오드 드라이버

본 발명은 패시브 3 상 발광 다이오드 드라이버에 관한 것이다.

대부분의 LED 드라이버는 전통적으로 스위칭 모드 파워 전자 기술을 기반으로 한다. 플라이 백, 포워드 또는 부스트 컨버터와 같은 파워 컨버터는 LED 부하를 구동하기 위한 제어 된 전류 소스로 사용되었다. 예를 들어 ST 마이크로 일렉트로닉스 LED 부스트 컨트롤러 7708은 LED 부하에 전원을 공급하기 위해 컨트롤러와 함께 부스트 파워 컨버터를 사용한다. 기존의 스위치 모드 파워 컨버터는 컨트롤 집적 회로, 전기 에너지 버퍼링을 위한 전해 커패시터 및 파워 모스펫 [1] 및 [2]와 같은 액티브 파워 스위치를 제어하기 위한 게이트 드라이브 회로와 같은 복잡한 회로가 필요하다. 전해 커패시터의 요구 사항은 전해 커패시터의 수명이 온도에 매우 민감하기 때문에 이러한 접근법의 신뢰성을 떨어뜨린다. 온도가 10 ℃증가할 때마다 전해 커패시터의 수명이 절반으로 줄어든다. 이것은 전해 커패시터를 필요로 하는 대부분의 전자 LED 드라이버가 일반적으로 실내용으로 3-5년이기 때문이다. 실외 애플리케이션 제품의 경우, 전자 LED 드라이버는 번개 및 광범위한 온도 변화에 대한 취약성으로 잘 알려져 있다.

본 발명의 실시예는 다이오드 정류기, 다이오드 정류기의 출력 전압 리플을 평활화하기 위한 비전해성 커패시터, 및 출력 전류 리플을 감소시키기 위한 출력 전류 필터를 포함하는 신규하고 유리한 패시브 3 상 LED 드라이버를 제공한다. 따라서, 본 발명의 실시예의 패시브 3 상 LED 드라이버는 능동적으로 제어되는 파워 스위치, 게이트 드라이브 회로, 전해 커패시터 및 컨트롤 집적 회로없이 동작한다.

본 발명의 일 실시예에서, 3 상 LED 드라이버에는 다음이 포함될 수 있다: 제 1 위상 전압, 제 2 위상 전압 및 제 3 위상 전압을 갖는 입력 전압; 입력 전압에 연결된 입력 인덕터; 입력 전압과 입력 인덕터 사이에 연결된 입력 커패시터; 입력 인덕터에 연결되고 제 1 단자 및 제 2 단자를 갖는 정류기; 정류기의 제 1 단자와 제 2 단자 사이에 연결된 제 1 커패시터; 및 정류기의 제 1 단자에 연결된 필터.

본 발명의 다른 실시예에서, 다상 수동 LED 드라이버에는 다음이 포함될 수 있다. 다상 전압을 갖는 입력 전압; 입력 전압에 연결된 입력 LCL 회로; 입력 LCL 회로에 연결되고 제 1 단자 및 제 2 단자를 갖는 정류기; 정류기에 제 1 단자 및 제 2 단자를 통해 병렬 연결된 제 1 커패시터; 및 정류기의 제 1 단자에 연결된 필터.

본 발명의 실시예에서, 단상 시스템의 입력 맥동 파워 문제는 균형잡힌 3 상 시스템을 사용하여 해결할 수 있다. 실시예는 적어도 하나의 LED 장치를 구동할 수 있는 3 상 패시브 LED 드라이버의 개략적인 예를 포함한다. 하이 파워 애플리케이션을 위해, 복수의 LED가 직렬로 연결되어 LED 스트링을 형성할 수 있다. 필요한 경우, 출력 부하 파워를 높이기 위해 여러 LED 스트링을 제안된 LED 드라이버의 출력 단자에 연결할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 3 상 패시브 LED 구동 시스템은 입력 ac 전류를 출력 dc 전류로 컨버팅하기 위한 3 상 다이오드 정류기; 입력 전류, 출력 전류 및 LED 부하에 대한 파워를 제한하고 입력 전류의 왜곡 계수를 개선하기 위해 입력 전류에서 고조파를 필터링하기 위해 각 위상마다 구비된 하나의 입력 인덕터; 다이오드 정류기의 출력 전압 리플을 평활화하기 위한 비전해성 커패시터; 출력 전류 리플 및 LED 부하의 깜박임을 감소시키기 위한 출력 전류 필터; LED 부하가 제거되는 경우 출력 전류를 위한 전도 경로를 제공하기 위한 작은 비전해성 커패시터; 및 3 상 패시브 LED 구동 시스템의 입력 역률을 보정하기 위한 복수의 비전해성 커패시터를 포함할 수 있다.

LED 부하로서 적어도 하나의 LED를 더 포함할 수 있다.

LED 부하는 3 상 패시브 LED 드라이버의 출력 단자에 연결되고, 직렬로 연결된 다수의 LED를 포함하는 단일 스트링 형태로, 또는 병렬로 연결된 다수의 LED 스트링 형태로 배열될 수 있다.

병렬 LED 스트링 사이의 전류 불균형을 감소시키기 위해 병렬 LED 스트링에 연결된 전류 밸런싱 회로를 더 포함할 수 있다.

입력 인덕터 및 복수의 비전해성 커패시터에 연결된 복수의 프리 인덕터를 더 포함할 수 있다.

3 상 패시브 LED 구동 시스템은 3 상 파워 소스중 하나의 위상 전압이 끊길 경우 LED 부하에 파워를 공급하는 기능을 할 수 있다.

3 상 패시브 LED 구동 시스템은 능동적으로 제어되는 파워 스위치(actively　controlled　power　switch)없이 기능할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 3 상 발광 다이오드(LED) 드라이버는 제 1 위상 전압, 제 2 위상 전압 및 제 3 위상 전압을 갖는 입력 전압; 입력 전압에 연결된 입력 인덕터; 입력 전압과 입력 인덕터 사이에 연결된 입력 커패시터; 입력 인덕터에 연결되고 제 1 단자 및 제 2 단자를 갖는 정류기; 정류기의 제 1 단자와 제 2 단자 사이에 연결된 제 1 커패시터; 및 정류기의 제 1 단자에 연결된 필터를 포함할 수 있다.

제 1 커패시터는 비전해성 커패시터일 수 있다.

입력 인덕터는 제 1 위상 전압에 연결된 제 1 입력 인덕터, 제 2 위상 전압에 연결된 제 2 입력 인덕터, 및 제 3 위상 전압에 연결된 제 3 입력 인덕터를 포함할 수 있다.

정류기는 제 1 입력 인덕터에 연결된 제 1 정류기, 제 2 입력 인덕터에 연결된 제 2 정류기, 및 제 3 입력 인덕터에 연결된 제 3 정류기를 포함할 수 있다.

제 1 정류기, 제 2 정류기 및 제 3 정류기는 제 1 단자와 제 2 단자 사이에서 병렬로 연결될 수 있다.

입력 커패시터는 제 1 입력 인덕터와 제 2 입력 인덕터 사이에 연결된 제 1 입력 커패시터, 제 2 입력 인덕터와 제 3 입력 인덕터 사이에 연결된 제 2 입력 커패시터, 및 제 3 입력 인덕터와 제 1 입력 인덕터 사이에 연결된 제 3 입력 커패시터를 포함할 수 있다.

제 1 입력 커패시터, 제 2 입력 커패시터 및 제 3 입력 커패시터는 비전해성 커패시터일 수 있다.

입력 커패시터는 제 1 위상 전압과 제 2 위상 전압 사이에 연결된 제 1 입력 커패시터, 제 2 위상 전압과 제 3 위상 전압 사이에 연결된 제 2 입력 커패시터, 및 제 3 위상 전압과 제 1 위상 전압 사이에 연결된 제 3 입력 커패시터를 포함할 수 있다.

제 1 정류기는 제 1 입력 인덕터와 제 1 단자 사이에 연결된 제 1 다이오드 및 제 1 입력 인덕터와 제 2 단자 사이에 연결된 제 2 다이오드를 포함하고, 제 2 정류기는 제 2 입력 인덕터와 제 1 단자 사이에 연결된 제 3 다이오드 및 제 2 입력 인덕터와 제 2 단자 사이에 연결된 제 4 다이오드를 포함하며, 그리고 제 3 정류기는 제 3 입력 인덕터와 제 1 단자 사이에 연결된 제 5 다이오드 및 제 3 입력 인덕터와 제 2 단자 사이에 연결된 제 6 다이오드를 포함할 수 있다.

제 3 단자를 통해 필터에 연결되고 제 2 단자에 연결된 제 2 커패시터를 더 포함할 수 있다.

제 2 커패시터는 비전해성 커패시터일 수 있다.

제 3 단자와 제 2 단자 사이의 부하를 더 포함하고, 부하와 제 2 커패시터는 서로 병렬로 연결될 수 있다.

부하에 직렬 연결된 저항을 더 포함할 수 있다.

입력 전압과 입력 커패시터 사이에 연결된 프리 인덕터(pre　inductor)를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 다상 패시브 발광 다이오드(LED) 드라이버는 다상 전압을 갖는 입력 전압; 입력 전압에 연결된 입력 LCL 회로; 입력 LCL 회로에 연결되고 제 1 단자 및 제 2 단자를 갖는 정류기; 정류기에 제 1 단자 및 제 2 단자를 통해 병렬 연결된 제 1 커패시터; 및 정류기의 제 1 단자에 연결된 필터를 포함할 수 있다.

제 3 단자를 통해 필터에 연결되고 제 2 단자에 연결된 제 2 커패시터를 더 포함할 수 있다.

제 3 단자 및 제 2 단자는 LED 부하에 연결되도록 구성될 수 있다.

LED 부하는 복수의 병렬 LED 스트링일 수 있다.

복수의 병렬 LED 스트링과 제 2 단자 사이의 전류 밸런싱 회로를 더 포함할 수 있다.

전류 밸런싱 회로는 저항을 포함할 수 있다.

입력 LCL 회로는 입력 전압에 연결된 프리 인덕터(pre　inductor), 프리 인덕터에 연결된 입력 커패시터, 및 입력 커패시터와 정류기 사이에 연결된 입력 인덕터를 포함할 수 있다.

프리 인덕터는 입력 전압의 제 1 위상에 연결된 제 1 프리 인덕터, 입력 전압의 제 2 위상에 연결된 제 2 프리 인덕터, 및 입력 전압의 제 3 위상에 연결된 제 3 프리 인덕터를 포함할 수 있다.

입력 커패시터는 제 1 프리 인덕터와 제 2 프리 인덕터 사이에 연결된 제 1 입력 커패시터, 제 2 프리 인덕터와 제 3 프리 인덕터 사이에 연결된 제 2 입력 커패시터, 및 제 3 프리 인덕터와 제 1 프리 인덕터 사이에 연결된 제 3 입력 커패시터를 포함할 수 있다.

입력 인덕터는 제 1 프리 인덕터에 연결된 제 1 입력 인덕터, 제 2 프리 인덕터에 연결된 제 2 입력 인덕터, 및 제 3 프리 인덕터에 연결된 제 3 입력 인덕터를 포함할 수 있다.

도 1은 패시브 LED 구동 시스템을 도시한다.
도 2는 도 1의 패시브 LED 구동 시스템의 입력 전압(Vs), 입력 전류(Is), 입력 전력(Vs * Is) 및 출력 전류(Io)의 파형을 도시한다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 LED 시스템용 3 상 패시브 LED 드라이버를 도시한다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 3 상 패시브 LED 드라이버를 도시한다.
도 5(a)는 1 상 전압이 차단된 경우 3 상 패시브 LED 드라이버를 도시한다.
도 5(b)는 도 5(a)의 등가 회로를 도시한다.
도 6은 도 3의 3 상 패시브 LED 드라이버의 입력 위상 파워, 총 입력 파워 및 출력 전류 리플의 시뮬레이션 파형을 도시한다.

본 발명의 실시예는 다이오드 정류기, 다이오드 정류기의 출력 전압 리플을 평활화하기 위한 비전해성 커패시터, 및 출력 전류 리플을 감소시키기 위한 출력 전류 필터를 포함하는 신규하고 유리한 패시브 3 상 LED 드라이버를 제공한다.

패시브 LED 드라이버는 본 발명자에 의해 “패시브 LED 조명 장비의 동작 장치 및 방법”에서 이전에 제안된 바 있고[3], 그리고 도 1은 패시브 LED 구동 시스템을 도시한다. 도 1을 참조하면, 패시브 LED 구동 시스템은 단상 입력 전압을 사용하므로, 입력 파워가 0.9보다 높은 큰 파워 팩터(역률)(규제 요구 사항)를 갖는 경우 입력 파워가 맥동한다. 전기 에너지를 버퍼링하기 위해 전해 커패시터를 사용하지 않고, 단상 패시브 LED 구동 시스템은 출력 전류 리플 및 LED의 깜박임(flickering) 효과를 감소시키기 위해 비교적 큰 교류(ac) 입력 인덕터(Ls) 및 비교적 큰 직류(dc) 출력 인덕터(Lo)를 필요로 한다.

도 1의 140W 단상 패시브 LED 구동 시스템의 예는 230V, 50Hz 파워 시스템을 위해 설계될 수 있다. 도 2는 도 1의 단상 패시브 LED 구동 시스템의 전형적인 입력 전압, 입력 전류, 입력 맥동 파워 및 출력 전류 리플을 도시한다. 도 2를 참조하면, 입력 파워가 맥동하고 있다. 깜박임이 없는 경우 이상적으로 일정한 파워를 소비하는 출력 LED 부하의 경우 입력 맥동 파워와 일정한 부하 파워 간의 순간 파워 차이를 버퍼링하기 위해 에너지 저장 요소가 필요하다. 이것이 단상 LED 구동 시스템에서 300mH의 큰 입력 인덕터(Ls) 및 300mH의 큰 출력 인덕터(Lo)가 사용되는 이유이다. 출력 전류에는 dc 구성 요소와 ac 리플이 있다. 이 예에서, 평균 dc 전류는 약 0.87A이고 출력 전류 리플은 약 0.2A이다.

일반적인 거리 조명 시스템의 경우, 평균 dc 전류와 비교하여 전류 리플이 작을 때 사람의 눈이 깜박임을 알 수 없기 때문에 작은 전류 리플이 허용될 수 있다. 그러나 스포츠 경기장 및 공항에서 사용되는 조명 시스템과 관련하여 라이브 방송 카메라 및 모니터링 카메라가 깜박임을 감지할 수 있기 때문에 깜박임이 훨씬 줄어들거나 제거되어야 한다. 따라서, 패시브 LED 시스템에서 깜박임을 더 줄이기 위해 패시브 LED 드라이버 개념을 추가로 확장할 필요가 있다.

본 발명의 실시예에서, 깜박임은 3 상 입력 전압을 사용함으로써 해결될 수 있다. 또한, 본 발명의 3 상 패시브 LED 드라이버는 낙뢰 및 온도 변화에 강하고 높은 에너지 효율을 제공한다. 도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 LED 시스템용 3 상 패시브 LED 드라이버를 도시한다. 도 3을 참조하면, 3 상 패시브 LED 드라이버는 입력 전압(100), 입력 전압(100)에 연결된 입력 인덕터(300), 입력 전압(100)과 입력 인덕터(300) 사이에 연결된 입력 커패시터(200), 입력 인덕터(300)에 연결되고 제 1 단자 A 및 제 2 단자 B를 갖는 정류기(400), 정류기(400)의 제 1 단자(A)와 제 2 단자(B) 사이에 연결된 제 1 커패시터(C1), 정류기(400)의 제 1 단자(A)에 연결된 필터(Lo)를 포함할 수 있다.

입력 전압(100)은 제 1 위상 전압(V_1), 제 2 위상 전압(V_2) 및 제 3 위상 전압(V_3)을 포함할 수 있다. 즉, 입력 전압(100)은 3 상 입력 전압을 제공하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

입력 인덕터(300)는 제 1 위상 전압(V_1)에 연결된 제 1 입력 인덕터(L1), 제 2 위상 전압(V_2)에 연결된 제 2 입력 인덕터(L2) 및 제 3 위상 전압(V_3)에 연결된 제 3 입력 인덕터(L3)를 포함할 수 있다. 제 1 내지 3 입력 인덕터(V_1-V_3)는 정류기(400)의 입력 전류를 제한하여 정류기(400)의 출력 전류 및 제 3 단자(C)를 통해 필터(Lo)에 연결되도록 구성된 LED 부하(500)의 파워를 제한한다. 게다가, 제 1 내지 3 개의 입력 인덕터(L1-L3)는 정류기(400)의 입력 전류에서 고조파를 필터링하여 입력 전류의 왜곡 계수(distortion　factor)를 향상시킨다.

입력 커패시터(200)는 제 1 입력 인덕터(L1)와 제 2 입력 인덕터(L2) 사이에 연결된 제 1 입력 커패시터(Cp1), 제 2 입력 인덕터(L2)와 제 3 입력 인덕터(L3) 사이에 연결된 제 2 입력 커패시터(Cp2) 및 제 3 입력 인덕터(L3)와 제 1 입력 인덕터(L1) 사이에 연결된 제 3 입력 커패시터(Cp3)를 포함할 수 있다. 또한, 제 1 입력 커패시터(Cp1)는 제 1 위상 전압(V_1)과 제 2 위상 전압(V_2) 사이에 연결되고, 제 2 입력 커패시터(Cp2)는 제 2 위상 전압(V_2)과 제 3 위상 전압(V_3) 사이에 연결되고, 제 3 입력 커패시터(Cp3)는 제 3 위상 전압(V_3)과 제 1 위상 전압(V_1) 사이에 연결된다. 제 1 내지 제 3 입력 커패시터(Cp1-Cp3)는 비전해 커패시터이며, 3 상 패시브 LED 드라이버의 입력 역률(input　power　factor)을 보정한다.

정류기(400)는 제 1 입력 인덕터(L1)에 연결된 제 1 정류기(420), 제 2 입력 인덕터(L2)에 연결된 제 2 정류기(440) 및 제 3 입력 인덕터(L3)에 연결된 제 3 정류기(460)를 포함할 수 있다. 제 1 내지 제 3 정류기(420, 440, 460)는 제 1 단자(A)와 제 2 단자(B) 사이에 병렬 연결되어있다. 따라서, 정류기(400)는 ac 전류인 입력 전류를 dc 전류인 출력 전류로 컨버팅한다. 즉, 정류기(400)는 제 1 단자(A)를 통해 dc 출력 전압(Vdc) 및 dc 출력 전류(Idc)를 제공한다.

특히, 제 1 정류기(420)는 제 1 입력 인덕터(L1)와 제 1 단자(A) 사이에 연결된 제 1 다이오드(421) 및 제 1 인덕터(L1)와 제 2 단자(B) 사이에 연결된 제 2 다이오드(423)를 포함한다. 제 1 다이오드(421)의 애노드는 제 1 입력 인덕터(L1)에 연결되고, 제 1 다이오드(421)의 캐소드는 제 1 단자(A)에 연결된다. 제 2 다이오드(423)의 캐소드는 제 1 입력 인덕터(L1)에 연결되고, 제 2 다이오드(423)의 애노드는 제 2 단자(B)에 연결된다. 제 2 정류기(440)는 유사하게 애노드가 제 2 입력 인덕터(L2)에 연결되고 캐소드가 제 1 단자(A)에 연결되는 제 3 다이오드(441) 및 캐소드가 제 2 입력 인덕터(L2)에 연결되고 애노드가 제 2 단자 B에 연결되는 제 4 다이오드(443)를 포함한다. 제 3 정류기(460)는 제 3 입력 인덕터(L3)와 제 1 단자(A) 사이에 연결된 제 5 다이오드(461) 및 제 3 입력 인덕터(L3)와 제 2 단자(B) 사이에 연결된 제 6 다이오드(463)를 포함한다.

제 1 커패시터(C1)는 제 1 단자(A)와 제 2 단자(B) 사이에 연결된다. 즉, 제 1 커패시터(C1)는 정류기(400)에 병렬 연결되어 정류기(400)의 dc 출력 전압(Vdc)의 출력 전압 리플을 평활화한다. 제 1 커패시터(C1)는 비전해 커패시터로서, 긴 수명 및 온도에 대한 견고성을 제공한다.

필터(Lo)는 정류기(400)의 제 1 단자(A)에 연결되어, dc 출력 전류(Idc)의 출력 전류 리플 및 LED 부하(500)의 깜박임을 감소시킨다. 필터(Lo)는 출력 인덕터로 구성된다.

3 상 패시브 LED 드라이버는 제 3 단자 C와 제 2 단자 B 사이에 연결된 제 2 커패시터 C2를 더 포함할 수 있다. 제 2 커패시터(C2)는 또한 LED 부하(500)에 병렬로 연결되어, LED 부하(500)가 제거되는 경우에 dc 출력 전류(Idc)를 위한 전도 경로를 제공한다.

일반적으로, 3 상 다이오드 정류기의 출력에서 평균 dc 출력 전압 Vdc는 다음과 같이 표현될 수 있다.

여기서 V_LL은 3 상 전압 공급원의 라인 간 전압, ω는 각 주파수(즉, 2π 및 f는 주 주파수), L은 입력 인덕터의 인덕턴스, Idc는 3 상 다이오드 정류기의 dc의 출력 전류이다. 각 위상의 입력 인덕터는 전압 소스 리액턴스가 아니라는 점에 유의해야 한다. 이는 전류를 제한하여 LED 부하로의 파워를 제한하도록 의도적으로 설계된 물리적 인덕터이다.

dc 출력 전압 Vdc는 LED 부하에 걸친 온 스테이지 전압으로부터 결정된다. 전도성 LED 패키지의 전압이 Vd이고 LED 스트링을 형성하기 위해 직렬로 연결된 N 개의 동일한 LED 패키지가 있는 경우, 이 LED 스트링의 전체 전압은 적절하게 아래와 같다:

예를 들어, 각 LED 패키지의 전압이 6V이고 LED 스트링을 형성하기 위해 직렬로 연결된 20 개의 LED 패키지가 있는 경우, 이 LED 스트링의 총 전압은 120V이다. M개의 병렬 LED 스트링이 있고 각 LED 스트링의 전류가 Id 인 경우, 필요한 총 전류(Idc)는 다음과 같다:

총 LED 부하 파워 Pdc이다:

각 위상의 입력 인덕터는 다음과 같이 방정식(1)을 다시 정렬하여 결정할 수 있다:

Cp1 ＝ Cp2 ＝ Cp3 ＝ 20uF, L1 ＝ L2 ＝ L3 ＝ 300mH, C1 ＝ 100uF, Lo ＝ 100mH 및 C2 ＝ 1uF 파라미터를 사용하여, 3 개의 LED 스트링(167V의 동일 스트링 포함)을 갖는 250W 패시브 LED 시스템에 대해 시뮬레이션이 수행되었다. 출력 인덕터는 이제 100mH이며, 이는 도 1의 단상 LED 시스템의 1/3에 불과하다.

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 3 상 패시브 LED 드라이버를 도시한다. 도 4를 참조하면, 3 상 패시브 LED 드라이버의 입력 측은 각 위상의 입력 인덕터가 2개로 분할되고 역률 보정 커패시터를 포함하는 입력 LCL 회로(170)로 변형될 수 있다. 입력 LCL 회로(170)는 입력 전압(100)에 연결된 프리 인덕터(pre　inductor)(150), 프리 인덕터(150)에 연결된 입력 커패시터(200) 및 입력 커패시터(200)와 정류기(400) 사이에 연결된 입력 인덕터를 포함한다. 이러한 구성에서, 입력 LCL 회로(170)는 (1) 입력 필터, (2) 역률 보정 회로 및 (3) LED 부하(500)에 대한 전류 및 전력 제한 회로로서 작용한다. LED 부하(500)는 적어도 하나의 LED를 포함하고 하나 이상의 LED 스트링으로 구성될 수 있다. 일반적으로, 병렬 LED 스트링이 사용되는 경우 전류 밸런싱 회로(600)가 추가될 수 있다. 도 4의 실시예에서, 작은 직렬 저항(R1)이 제 1 LED 스트링에 배치된다. 이러한 소형 직렬 저항은 병렬 LED 스트링 간의 전류 불균형을 줄일 수 있다.

도 5(a)는 단상 전압이 분리된 경우 3 상 패시브 LED 드라이버를 도시하고, 도 5(b)는 도 5(a)의 등가 회로를 도시한다. 도 5(a) 및 5(b)에 도시된 것처럼 단상 전압이 제안된 3 상 회로에서 분리된 경우에도 LED 드라이버는 3 상 파워 소스의 라인 간 전압에 의해 공급되는 단상 회로처럼 작동할 수 있다.

동작은 시스템의 입력 전압이 라인간 전압이라는 점을 제외하고 단상 패시브 LED 드라이버 [3]와 유사하다.

3 상 파워 소스와 2 상 파워 소스에서 공급되는 제안된 3 상 LED 드라이버의 차이점은 LED 부하의 전류 리플에 있다. 3 상 파워 소스에 의해 공급되는 경우 LED 전류 리플이 매우 작아서 깜박임 효과가 무시된다. 2 상 파워 소스에 의해 공급되는 경우 더 큰 입력 인덕터(L1, L2 및 L3)를 사용하지 않으면 LED 전류 리플이 증가한다.

재료 및 방법

여기에서 언급되거나 인용된 모든 특허, 특허 출원, 가출원 및 공보는 본 명세서의 명백한 교시와 일치하지 않는 한, 모든 도면 및 표를 포함하여 그 전문이 참조로 포함된다.

다음은 본 발명을 실시하기 위한 절차를 설명하는 예이다. 이들 예는 제한적인 것으로 해석되어서는 안 된다. 달리 언급되지 않는 한, 모든 백분율은 중량 기준이고 모든 용매 혼합물 비율은 부피 기준이다.

예 1 - 3 상 LED 드라이버

3 상 LED 드라이버는 다음을 포함할 수 있다: 제 1 상 전압, 제 2 상 전압 및 제 3 상 전압을 갖는 입력 전압; 입력 전압에 연결된 입력 인덕터; 입력 전압과 입력 인덕터 사이에 연결된 입력 커패시터; 입력 인덕터에 연결되고 제 1 단자 및 제 2 단자를 갖는 정류기; 정류기의 제 1 단자와 제 2 단자 사이에 연결된 제 1 커패시터; 및 정류기의 제 1 단자에 연결된 필터.

Cp1 ＝ Cp2 ＝ Cp3 ＝ 20uF, L1 ＝ L2 ＝ L3 ＝ 300mH, C1 ＝ 100uF, Lo ＝ 100mH 및 C2 = 1uF의 파라미터를 사용하여 3 개의 LED 스트링(167V의 동일 스트링 전압으로)을 가진 250W 패시브 LED 시스템에 대한 시뮬레이션이 수행되었다. 도 6은 도 3의 3 상 패시브 LED 드라이버의 입력 위상 파워, 총 입력 파워 및 출력 전류 리플의 시뮬레이션 파형을 도시한다. 출력 인덕터 Lo는 이제 100mH이며, 이는 도 1의 단상 LED 시스템의 1/3에 불과하다.

단상 패시브 LED 드라이버를 시뮬레이션하는 도 2와 3 상 패시브 LED 드라이버를 시뮬레이션하는 도 6을 참조하면, 단상 시스템의 입력 파워 리플은 270W이고 3 상 시스템의 입력 파워 리플은 실질적으로 35W로 감소한다. 이러한 입력 파워 리플 감소는 120도 변위를 갖는 3 개의 단상 파워를 사용하기 때문이다. 또한 입력 파워 리플을 크게 줄이면 출력 인덕터의 크기를 줄일 수 있다(출력 전류에 대한 필터 역할). 3 상 시스템의 출력 인덕터 Lo는 단 100mH 인 반면 단상 시스템의 출력 인덕터 Lo는 300mH이다. 또한 단상 시스템의 출력 전류 리플은 0.87A의 평균 dc 전류(즉, 0.23의 리플 대 dc 전류 비율)의 경우 204mA이며, 3 상 시스템의 출력 전류 리플은 1.47A의 평균 dc 전류(즉, 0.003의 리플 대 dc 전류 비율)는 단지 5mA이다. 깜박임 효과는 리플 대 dc 전류 비율에 비례하기 때문에, 3 상 패시브 LED 드라이버를 사용하면 LED 전류 리플 및 깜박임 효과를 무시할 수 있는 수준으로 줄일 수 있다.

이전에 개발된 단상 패시브 LED 드라이버와 비교하여, 본 발명의 3 상 패시브 LED 드라이버는 다음과 같은 장점을 갖는다: 하이파워 애플리케이션에 적합(예 :> 1000W); 훨씬 더 작은 입력 파워 변화와 더 작은 에너지 저장 요구 사항; 훨씬 작은 출력 전류 리플 및 무시할만한 깜박임; 및 다이오드 정류기의 출력에 더 작은 필터 인덕터.

여기에 기술된 예 및 실시예는 단지 예시를 위한 것이며, 그에 대한 다양한 수정 또는 변경이 당업자에게 제안될 것이며 본 출원의 사상 및 범위 및 첨부된 청구 범위 내에 포함되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 여기에 개시된 임의의 발명 또는 그의 실시 양태의 임의의 요소 또는 제한은(개별적으로 또는 임의의 조합으로) 또는 본원에 개시된 임의의 다른 발명 또는 그의 실시 양태와 조합될 수 있고, 이러한 모든 조합은 본 발명의 범위를 제한없이 고려한다.

참조

[1] 중국 특허 출원 번호 201110062099 “다 채널 다상 구동 LED 전원 공급 장치”

[2] John C.W. Lam, Praveen K. Jain, “고주파 펄스 출력 전류를 갖는 고 역률, 전해 커패시터가 없는 AC 입력 LED 드라이버 토폴로지”, 전력 전자의 IEEE 트랜잭션, 제 30 권, 2 호, 2015 년 2 월.

[3] Ron Shu Yuen Hui, “패시브 LED 조명 장비의 작동 장치 및 방법” 미국 특허 번호 8,482,214.

Claims (31)

1. 3 상 패시브 LED 구동 시스템에 있어서,
   입력 ac 전류를 출력 dc 전류로 컨버팅하기 위한 3 상 다이오드 정류기;
   입력 전류, 출력 전류 및 LED 부하에 대한 파워를 제한하고 입력 전류의 왜곡 계수를 개선하기 위해 입력 전류에서 고조파를 필터링하기 위해 각 위상마다 구비된 하나의 입력 인덕터;
   다이오드 정류기의 출력 전압 리플을 평활화하기 위한 비전해성 커패시터;
   출력 전류 리플 및 LED 부하의 깜박임을 감소시키기 위한 출력 전류 필터;
   LED 부하가 제거되는 경우 출력 전류를 위한 전도 경로를 제공하기 위한 작은 비전해성 커패시터; 및
   3 상 패시브 LED 구동 시스템의 입력 역률을 보정하기 위한 복수의 비전해성 커패시터를 포함하는, 3 상 패시브 LED 구동 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   LED 부하로서 적어도 하나의 LED를 더 포함하는, 3 상 패시브 LED 구동 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,
   LED 부하는 3 상 패시브 LED 드라이버의 출력 단자에 연결되고, 직렬로 연결된 다수의 LED를 포함하는 단일 스트링 형태로, 또는 병렬로 연결된 다수의 LED 스트링 형태로 배열되는, 3 상 패시브 LED 구동 시스템.
4. 제 3 항에 있어서,
   병렬 LED 스트링 사이의 전류 불균형을 감소시키기 위해 병렬 LED 스트링에 연결된 전류 밸런싱 회로를 더 포함하는, 3 상 패시브 LED 구동 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,
   입력 인덕터 및 복수의 비전해성 커패시터에 연결된 복수의 프리 인덕터를 더 포함하는, 3 상 패시브 LED 구동 시스템.
6. 제 1 항에 있어서,
   3 상 패시브 LED 구동 시스템은 3 상 파워 소스중 하나의 위상 전압이 끊길 경우 LED 부하에 파워를 공급하는 기능을 하는, 3 상 패시브 LED 구동 시스템.
7. 제 1 항에 있어서,
   3 상 패시브 LED 구동 시스템은 능동적으로 제어되는 파워 스위치(actively　controlled　power　switch)없이 기능하는, 3 상 패시브 LED 구동 시스템.
8. 3 상 발광 다이오드(LED) 드라이버에 있어서,
   제 1 위상 전압, 제 2 위상 전압 및 제 3 위상 전압을 갖는 입력 전압;
   입력 전압에 연결된 입력 인덕터;
   입력 전압과 입력 인덕터 사이에 연결된 입력 커패시터;
   입력 인덕터에 연결되고 제 1 단자 및 제 2 단자를 갖는 정류기;
   정류기의 제 1 단자와 제 2 단자 사이에 연결된 제 1 커패시터; 및
   정류기의 제 1 단자에 연결된 필터를 포함하는, 3 상 발광 다이오드(LED) 드라이버.
9. 제 8 항에 있어서,
   제 1 커패시터는 비전해성 커패시터인, 3 상 발광 다이오드(LED) 드라이버.
10. 제 9 항에 있어서,
    입력 인덕터는 제 1 위상 전압에 연결된 제 1 입력 인덕터, 제 2 위상 전압에 연결된 제 2 입력 인덕터, 및 제 3 위상 전압에 연결된 제 3 입력 인덕터를 포함하는, 3 상 발광 다이오드(LED) 드라이버.
11. 제 10 항에 있어서,
    정류기는 제 1 입력 인덕터에 연결된 제 1 정류기, 제 2 입력 인덕터에 연결된 제 2 정류기, 및 제 3 입력 인덕터에 연결된 제 3 정류기를 포함하는, 3 상 발광 다이오드(LED) 드라이버.
12. 제 11 항에 있어서,
    제 1 정류기, 제 2 정류기 및 제 3 정류기는 제 1 단자와 제 2 단자 사이에서 병렬로 연결된, 3 상 발광 다이오드(LED) 드라이버.
13. 제 12 항에 있어서,
    입력 커패시터는 제 1 입력 인덕터와 제 2 입력 인덕터 사이에 연결된 제 1 입력 커패시터, 제 2 입력 인덕터와 제 3 입력 인덕터 사이에 연결된 제 2 입력 커패시터, 및 제 3 입력 인덕터와 제 1 입력 인덕터 사이에 연결된 제 3 입력 커패시터를 포함하는, 3 상 발광 다이오드(LED) 드라이버.
14. 제 13 항에 있어서,
    제 1 입력 커패시터, 제 2 입력 커패시터 및 제 3 입력 커패시터는 비전해성 커패시터인, 3 상 발광 다이오드(LED) 드라이버.
15. 제 12 항에 있어서,
    입력 커패시터는 제 1 위상 전압과 제 2 위상 전압 사이에 연결된 제 1 입력 커패시터, 제 2 위상 전압과 제 3 위상 전압 사이에 연결된 제 2 입력 커패시터, 및 제 3 위상 전압과 제 1 위상 전압 사이에 연결된 제 3 입력 커패시터를 포함하는, 3 상 발광 다이오드(LED) 드라이버.
16. 제 12 항에 있어서,
    제 1 정류기는 제 1 입력 인덕터와 제 1 단자 사이에 연결된 제 1 다이오드 및 제 1 입력 인덕터와 제 2 단자 사이에 연결된 제 2 다이오드를 포함하고, 제 2 정류기는 제 2 입력 인덕터와 제 1 단자 사이에 연결된 제 3 다이오드 및 제 2 입력 인덕터와 제 2 단자 사이에 연결된 제 4 다이오드를 포함하며, 그리고 제 3 정류기는 제 3 입력 인덕터와 제 1 단자 사이에 연결된 제 5 다이오드 및 제 3 입력 인덕터와 제 2 단자 사이에 연결된 제 6 다이오드를 포함하는, 3 상 발광 다이오드(LED) 드라이버.
17. 제 8 항에 있어서,
    제 3 단자를 통해 필터에 연결되고 제 2 단자에 연결된 제 2 커패시터를 더 포함하는, 3 상 발광 다이오드(LED) 드라이버.
18. 제 17 항에 있어서,
    제 2 커패시터는 비전해성 커패시터인, 3 상 발광 다이오드(LED) 드라이버.
19. 제 17 항에 있어서,
    제 3 단자와 제 2 단자 사이의 부하를 더 포함하고, 부하와 제 2 커패시터는 서로 병렬로 연결된, 3 상 발광 다이오드(LED) 드라이버.
20. 제 19 항에 있어서,
    부하에 직렬 연결된 저항을 더 포함하는, 3 상 발광 다이오드(LED) 드라이버.
21. 제 17 항에 있어서,
    입력 전압과 입력 커패시터 사이에 연결된 프리 인덕터(pre　inductor)를 더 포함하는, 3 상 발광 다이오드(LED) 드라이버.
22. 다상 패시브 발광 다이오드(LED) 드라이버에 있어서,
    다상 전압을 갖는 입력 전압;
    입력 전압에 연결된 입력 LCL 회로;
    입력 LCL 회로에 연결되고 제 1 단자 및 제 2 단자를 갖는 정류기;
    정류기에 제 1 단자 및 제 2 단자를 통해 병렬 연결된 제 1 커패시터; 및
    정류기의 제 1 단자에 연결된 필터를 포함하는, 다상 패시브 발광 다이오드(LED) 드라이버.
23. 제 22 항에 있어서,
    제 3 단자를 통해 필터에 연결되고 제 2 단자에 연결된 제 2 커패시터를 더 포함하는, 다상 패시브 발광 다이오드(LED) 드라이버.
24. 제 23 항에 있어서,
    제 3 단자 및 제 2 단자는 LED 부하에 연결되도록 구성되는, 다상 패시브 발광 다이오드(LED) 드라이버.
25. 제 24 항에 있어서,
    LED 부하는 복수의 병렬 LED 스트링인, 다상 패시브 발광 다이오드(LED) 드라이버.
26. 제 25 항에 있어서,
    복수의 병렬 LED 스트링과 제 2 단자 사이의 전류 밸런싱 회로를 더 포함하는, 다상 패시브 발광 다이오드(LED) 드라이버.
27. 제 26 항에 있어서,
    전류 밸런싱 회로는 저항을 포함하는, 다상 패시브 발광 다이오드(LED) 드라이버.
28. 제 24 항에 있어서,
    입력 LCL 회로는 입력 전압에 연결된 프리 인덕터(pre　inductor), 프리 인덕터에 연결된 입력 커패시터, 및 입력 커패시터와 정류기 사이에 연결된 입력 인덕터를 포함하는, 다상 패시브 발광 다이오드(LED) 드라이버.
29. 제 28 항에 있어서,
    프리 인덕터는 입력 전압의 제 1 위상에 연결된 제 1 프리 인덕터, 입력 전압의 제 2 위상에 연결된 제 2 프리 인덕터, 및 입력 전압의 제 3 위상에 연결된 제 3 프리 인덕터를 포함하는, 다상 패시브 발광 다이오드(LED) 드라이버.
30. 제 29 항에 있어서,
    입력 커패시터는 제 1 프리 인덕터와 제 2 프리 인덕터 사이에 연결된 제 1 입력 커패시터, 제 2 프리 인덕터와 제 3 프리 인덕터 사이에 연결된 제 2 입력 커패시터, 및 제 3 프리 인덕터와 제 1 프리 인덕터 사이에 연결된 제 3 입력 커패시터를 포함하는, 다상 패시브 발광 다이오드(LED) 드라이버.
31. 제 30 항에 있어서,
    입력 인덕터는 제 1 프리 인덕터에 연결된 제 1 입력 인덕터, 제 2 프리 인덕터에 연결된 제 2 입력 인덕터, 및 제 3 프리 인덕터에 연결된 제 3 입력 인덕터를 포함하는, 다상 패시브 발광 다이오드(LED) 드라이버.

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