The conventional half-bridge (HB) converter for dc/dc stage in wide-output-voltage ap-plications such as LED drivers is limited in achieving a high efficiency, because it is diffi-cult to be designed optimally. To overcome this limitation, a new asymmetrical half-bridge zeta (AHBZ) converter is proposed for a high efficiency in overall output voltage range. The proposed converter can be simply implemented by replacing a snubber diode with a switch. The proposed converter operates like the asymmetrical half-bridge (AHB) converter by turning off the switch in low output voltage region, which enables it to have small dc-offset current in transformer. In high output voltage region, the proposed converter operates like the half-bridge zeta (HBZ) converter by turning on the switch, which has small trans-former core loss. Therefore, the proposed converter can achieve a high efficiency over the entire output voltage range compared with the conventional converters such as half-bridge (HB) LLC converter, AHB converter, and HBZ converter. The validity of the proposed con-verter is confirmed by experimental results from a prototype with 400V input and 90-180W/3A output.
LED조명은 백열전구에 비해 오랜 수명과 낮은 CO2 배출량 그리고 높은 효율을 가지는 장점을 가지고 있다. 따라서 조명시장에서 LED조명이 차지하는 비중이 매년 증가하고 있으며 이에 따라 LED에 전원을 공급하는 LED 드라이버 시장 역시 매년 증가하고 있다. 70W이상의 LED조명 시스템에서 LED드라이버는 역률 보상회로와 DC/DC컨버터로 구성되어있다. 또한 LED 조명시스템에 높은 효율이 요구되는 현재의 추세에 따라 LED드라이버의 높은 효율 역시 주요 이슈가 되고 있다.
LED조명은 파워 용량이나 사용하는 용도에 따라 수 많은 제품들이 존재한다. 이런 상황 속에서 LED드라이버는 수 많은 조명기구에 높은 효율로 전원을 공급하기 위해 각각의 LED조명기구에 최적화되어 개별적으로 사용되고 있다. 하지만 이러한 방식은 LED드라이버의 생산비용 및 관리비용을 증가시켜 LED드라이버의 가격이 비싸지는 문제가 있다. 따라서 LED드라이버의 생산비용 및 관리비용을 줄이기 위해 하나의 LED드라이버로 여러 LED조명에 전원을 공급할 수 있는 단일 LED드라이버가 요구되고 있다.
단일 LED드라이버가 여러 LED조명에 전원을 공급하기 위해서는 우선 LED조명에 일정한 밝기를 제공하기 위한 일정한 출력전류를 제어할 수 있어야 한다. 또한 LED조명이 용도에 따라 다양한 LED셀을 사용하기 때문에 넓은 출력전압 범위 또한 제공되어야 한다. 따라서 일정한 출력전류 조건에 넓은 출력범위를 제공할 수 있는 높은 효율의 단일 LED드라이버가 중요하다.
하지만 기존에 사용하는 컨버터 중 하프-브릿지 LLC 공진형 컨버터는 넓은 ZVS범위를 통해 낮은 출력전압 범위에서 높은 효율을 가질 수 있지만, 높은 출력전압 범위에서 큰 코어 손실로 인해 낮은 효율을 갖는 한계점이 있다. 두 번째로 비대칭 하프-브릿지 컨버터의 경우 낮은 출력전압에서 작은 동작 시비율로 인한 트랜스포머의 오프셋 전류의 증가로 낮은 효율을 갖는 단점이 있다. 마지막으로 하프-브릿지 컨버터의 경우 큰 도통 손실로 인해 낮은 출력전압 범위에서 낮은 효율을 갖는 한계점을 갖고 있다. 따라서 본 연구에서는 기존 컨버터들의 한계점을 극복하여 넓은 출력전압 범위에서 높은 효율을 갖는 새로운 컨버터를 제안하고자 한다.
제안된 컨버터는 기존 컨버터들의 한계점을 극복하기 위해 기존 비대칭-하프 브릿지 컨버터의 2차측 스너버 다이오드 하나를 새로운 스위치로 변경하는 간단한 방법으로 하프-브릿지 제타 컨버터를 통합한 새로운 비대칭 하프-브릿지 제타 컨버터이다. 제안된 컨버터는 낮은 출력전압에서는 새로운 스위치를 끔으로써 비대칭 하프-브릿지 컨버터로 동작하고, 좁은 출력전압 범위에서 사용되므로 트랜스포머의 오프셋 전류를 줄여 높은 효율을 가질 수 있다. 반면 높은 출력 전압 범위에서는 새로운 스위치를 켬으로써 하프-브릿지 제타 컨버터로 동작할 수 있으며 이때는 작은 트랜스포머의 코어 손실로 높은 효율을 가질 수 있기 때문에 전 출력전압 범위에서 높은 효율을 획득 할 수 있다.
제안된 컨버터의 동작은 새로운 스위치의 ON/OFF에 따라 기존의 컨버터와 동일하게 동작하기 때문에 동작이 간단하다. 제안된 컨버터는 낮은 출력전압 범위에서는 비대칭-하프 브릿지 컨버터로 동작하며 좋은 ZVS능력과 낮은 1차측 RMS전류를 가져 높은 효율을 갖는다. 반면 높은 출력전압 범위에서는 하프-브릿지 제타 컨버터로 동작하며 1차측 RMS전류가 크더라도 트랜스포머의 자속 변화량을 줄여 기존 컨버터들과 비슷하거나 높은 효율을 가질 수 있다.
제안된 컨버터가 전 출력 전압 범위에서 높은 효율을 가지기 위해서는 하프-브릿지 제타 컨버터에서 비대칭 하프-브릿지 컨버터로 동작이 변화하는 경계전압을 설정하는 것이 제안된 회로에서 주요 포인트이다. 본 연구에서는 이를 위해 제안된 컨버터의 ZVS능력과 트랜스포머의 자속 변화량 그리고 1차측 RMS전류를 경계전압의 변화에 따라 계산하여 가장 작은 손실을 갖는 40V 출력전압을 경계전압으로 설정하였으며 이를 바탕으로 한 실험결과에서 기존 컨버터들에 비해 전 출력 전압 범위에서 높은 효율을 가질 수 있음을 검증하였다. 따라서, 제안된 컨버터는 LED드라이버의 가격을 감소시키기 위해 요구되는 넓은 출력전압 범위를 갖는 단일형 LED드라이버에 적합하다.
