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Researches on highly reliable and efficient LC LED drivers with novel Non-PWM switching techniques = Non-PWM 스위칭 기술을 이용한 고신뢰 및 고효율 LC LED 구동회로 연구
서명 / 저자 Researches on highly reliable and efficient LC LED drivers with novel Non-PWM switching techniques = Non-PWM 스위칭 기술을 이용한 고신뢰 및 고효율 LC LED 구동회로 연구 / Eun-Soo Lee.
저자명 Lee, Eun-Soo ; 이은수
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2014].
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초록정보

Several researches on novel passive LED driver which does not use pulse width modulation (PWM) switch-ing technique were presented in this paper. In chapter 1, A new type of passive LED driver that can reduce total harmonic distortion (THD) significant-ly by LC parallel resonance is presented. Using just one inductor and three capacitors called LC3 for LED driver, high efficiency and power factor (PF) are also achieved. The proposed LED driver has a temperature-robust characteristic because its power is a function of the number of LED ns and the operating point is so selected that the power variation is zero. This robustness is requisite for the long-time operation of the pro-posed LED driver, which has inherently very long lifetime because it is composed of passive elements only. For wide use of its LED driver in various countries that has different source voltage Vs or source frequency fs, it can be applicable to 110 V / 220 V condition or 50 Hz / 60 Hz condition. This compatibility can make it universal LED driver regardless of Vs and fs. For analyzing LED power and PF of the LED driver, phasor transformation technique is used. The proposed circuit for LED driver is the first application of it to non-linear switching case, which results in quite good agreement with simulation and experiment results. It is experimen-tally verified that the LED driver has achieved 94.8 % and 94.0 % of high efficiency in L1 = 1.0 H and 2.0 H, respectively. Furthermore, it meets PF and THD regulations when source voltage variation is applied to ± 6 % of 220 V, though using reasonably small filter size In chapter 2, static power regulation LED driver that can regulate LED power statically by using multi-stage switching circuit is newly proposed in this paper. Passive type LED driver using just passive components cannot regulate LED power since it doesn’t have active components to control. Static LED power regulation is realized by changing the number of LED, which concept is different from SMPS LED driver that regulates LED power dynamically. By using proposed LED driver, LED can be operated in limited LED power variation range under limited source voltage variation. It is found that only a few passive components, one switch and one comparator are needed for each stage and LED power variation range can be set by design procedure. It is experimentally verified that LED power variation is observed to 10.0 W for 40 W LED under 35 V of source voltage variation, which result is twice less than the case without multi-stage switching circuit that has 25.0 W of LED power variations. In this paper, two stage switching circuit is introduced and the number of stage can be increased more for a wide range of power regulation. In chapter 3, A novel TRIAC dimming LED driver with feedback control circuit is newly proposed. Contra-ry to LED driver compatible with TRIAC dimmer that has been already installed at ceiling for fluorescent light dimming, proposed LED driver uses TRIAC and DIAC for the major components to operate LED inde-pendently. Proposed LED driver can control the brightness of LED by changing variable resistor mechanically, which is same function of previous fluorescent light having TRIAC dimmer. In addition, LED power regu-lation under source voltage variation can be implemented dynamically by feedback control circuit. These functions can be realized by TRIAC, DIAC and current mirror, not by PWM technique. It has introduced de-sign procedure of proposed LED driver and it is verified by simulation and experiment, which concluded that LED power variation has achieved 2.0 W when 190 V < Vs < 250 V.

본 논문에서는 종래의 LED 구동회로에서 자주 사용되는 Pulse Width Modulation (PWM) 스위칭 기술을 사용하지 않고 단순히 인덕터, 캐패시터, 다이오드 등의 수동소자로만 구성된 LED 구동회로를 제안하였다. 또한, 수동소자 타입의 LED 구동회로는 피드백 제어회로가 없어 입력전압과 같은 외부환경 변동시 LED를 안정하게 동작시킬 수 없다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 PWM 기술을 사용하지 않고 동적 및 정적으로 LED 전력을 일정하게 유지할 수 있는 LED 구동회로를 추가적으로 제안하였다. 1 장에서는 LED 구동회로 설계시 준수해야 할 총 고조파 왜율 (THD) 조건을 만족하기 위해 LC 병렬공진을 이용한 새로운 형태의 수동소자 타입 LED 구동회로를 제안하였다. 제안하는 LC3 LED 구동회로에는 1개의 인덕터와 3개의 캐패시터만을 사용하여 역률 (PF) 기준을 만족함과 동시에 높은 동작효율을 달성하였다. 또한, 제안하는 회로는 LED를 온도가 가장 둔감한 지점에서 동작시킴으로써, 외부 온도환경 변화시에도 LED 특성이 변하지 않고 장시간 LED를 구동시킬 수 있어 초장수명의 장점을 가진다. 제안하는 회로의 특성을 분석하기 위해 전력전자에서 가장 유용하게 사용되고 있는 페이저 변환 기법을 이용하였으며, 1장에서는 비선형 스위칭 특성을 가지는 본 회로에 처음으로 페이저 변환 기법을 적용하여 해석하였다. LC3 회로를 이용하여 94.8 %의 고효율을 달성함과 동시에 PF, THD의 규정을 만족함을 확인하였다. 2 장에서는 1장에서 제안한 LC3 LED 구동회로의 단점인 출력전력 일정제어 기능을 보완하고자, 정적으로 LED 전력을 제어할 수 있는 새로운 형태의 LED 구동회로를 제안하였다. LC3 LED 구동회로는 단순 수동소자만으로 구성되어 있어 외부 환경 변동에 따라 능동적으로 LED를 제어할 수 없다는 단점을 가진다. 이러한 단점을 극복하고자, 2장에서는 입력전압 변동시 LED 개수를 조절함으로써, 출력전력을 정적으로 제어할 수 있도록 멀티 스테이지 스위칭 회로를 사용한 LED 구동회로를 제안하였다. 제안하는 회로를 이용하여 일정한 입력전압 범위안에서 출력전력도 일정범위안에 동작하도록 설계함으로써 LED 전력을 정적으로 제어할 수 있으며, 이는 종래의 PWM과는 다른 새로운 형태의 LED 구동회로이다. 2장에서는 두 개의 스위칭 단을 사용한 예를 적용하였으며, 40 W 동작의 LED를 설계한 결과 35 V의 입력전압 범위에서 10.0 W 의 정적 제어범위를 달성하였다. 3 장에서는 TRIAC을 이용하여 디밍 제어 (조명의 밝기 조절)를 할 수 있을 뿐만 아니라, 피드백 제어회로를 이용하여 입력전압 변동에도 동적으로 LED 전력을 일정하게 제어할 수 있는 TRIAC 디밍 제어 회로를 제안하였다. 기존의 형광등 조명 밝기 조절을 위해 이미 천장에 설치되어 있는 TRIAC 디머와 호환하기 위한 LED 구동회로와는 달리, 제안하는 회로는 디밍 제어 및 동적 LED 전력 제어구현을 위해 TRIAC과 DIAC을 사용하였다. 제안하는 회로는 저항을 물리적으로 직접 가변하여 LED 밝기를 조절할 수 있으며, 이는 종래의 형광등용 TRIAC 디머와 동일한 효과를 가진다. 또한 입력전압 변동시 피드백 제어회로를 이용하여 동적으로 LED 전력을 일정하게 구동할 수 있으며, 이는 PWM 기술을 사용하지 않고도 TRIAC, DIAC, 전류 미러를 통해 이를 구현하였다. 3장에서는 80 W 동작의 LED 구동회로를 설계하였고, 입력전압이 190 V ~ 250 V 변동시 2.0 W의 동적 제어범위를 달성하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MNE 14006
형태사항 iv, 60 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 이은수
지도교수의 영문표기 : Chun-Taek Rim
지도교수의 한글표기 : 임춘택
수록잡지명 : "The design of long-life and high-efficiency passive LED drivers using LC parallel resonance". The Tran. of the Korean Institute of Power Electronics, v. 18 no.4, pp.397-402(2013)
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 원자력및양자공학과,
서지주기 References : p. 51-54
주제 passive type LED driver
static LED power regulation
dynamic LED power regulation
Multi-stage switching circuit
TRIAC
LED dimming control
수동소자 타입 LED 구동회로
정적 LED 전력 제어
동적 LED 전력 제어
멀티 스테이지 스위칭 회로
TRIAC
LED 디밍 제어
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