LEDs are rapidly becoming a popular lighting solution for offline application due to their high lighting ef-ficacy and environmental friendliness. This thesis focuses on high-efficiency offline LED drivers.
In Chapter II, a high-efficiency offline isolated LED driver based on a flyback converter is presented.
Among the various isolated topologies, the single-stage flyback converter is widely used for residential lighting applications due to its simplicity and low cost. A well-known problem associated with flyback con-verters is that the leakage inductance energy of the transformer leads to high voltage stress at turn-off. Ac-cordingly, a snubber network is usually adopted in a flyback converter to protect the power switch. The pas-sive RCD snubber is widely used owing to its simplicity. However, the leakage inductance energy is dissipative and the turn-off switching of the power switch involves hard switching, which limit the efficiency. On the oth-er hand, the leakage inductance energy is recycled and the turn-off ZVS operation is fully performed with LC snubber with an intermediate voltage source. In spite of its good performance, additional components hinder the adoption of LED drivers. Accordingly, a novel passive turn-off snubber with a simple structure which supports the soft-switching of the power switch as well as the recovery of the leakage inductance energy is proposed. It is termed a transformer coupled recycle snubber.
With the current state of converter topology, control schemes have emerged as another important issue. In order to reduce the complexity and cost, primary-side regulation schemes have been reported. The average LED current is calculated and predicted at the primary side, and the regulation is performed without a direct connection to the secondary side. Conventional PSR flyback-type LED drivers regulate the LED current so as to stabilize the luminance against variations of the forward voltage drop of the LEDs. Regulating the LED power, on the other hand, has the additional advantage of offsetting the LED from the effects of tempera-ture modulation and LED aging. Accordingly, a primary-side power regulating control scheme is proposed for isolated LED drivers as well.
Test results of the proposed LED driver show an efficiency level that exceeds 83% (up to 90%) in an out-put range of 5 W to 10 W with an input range of $85 V_{AC}$ to $265 V_{AC}$.
In Chapter III, a high-efficiency offline non-isolated LED driver based on a buck type converter is pre-sented.
Non-isolated LED drivers have been studied in recent years, and they are mainly categorized by two types: current source type and switched-mode power supply type. In the current source type LED driver, it has a simple structure and simple operation principle. However, this type of LED driver is hard to use for a wide range of input source voltages. On the other hand, switched-mode power supply type needs some dis-crete components, including an inductor, it maintains high efficiency for a wide input voltage range. Accord-ingly, to achieve high efficiency for a wide input range, a buck type converter is used for the proposed LED driver.
In a buck type converter, if no auxiliary circuits are adopted to maintain the simplicity, then the power switch operates on hard switching, which lowers the efficiency. On the other hand, for the soft-switching op-eration, an additional snubber inductor (in passive type) or an additional power switch with relative control blocks (in active type) is necessary, which increases the complexity of the LED driver. Accordingly, in order to enhance the reliability as well as the power efficiency further, the transformer coupled recycle snubber is properly adopted for the soft-switching operation of the power switch.
Test results of the proposed LED driver show the efficiency of over 85% (up to 93%) in the output range from 5 W to 10 W with the input range from $85 V_{AC}$ to $265 V_{AC}$.
LED는 높은 광 효율과 오랜 수명, 그리고 환경에 친화적인 특성으로 인해 관심을 받기 시작하였다. LED 소자의 발전으로 인해 High Power LED가 나타나게 되었고, 이는 기존의 백열등이나 형광등을 대체할 수 있게 되어 LED를 조명으로 사용할 수 있게 되었다. 따라서, 본 학위논문에서는 새로운 형태의 고효율 조명용 LED 구동회로를 제안하였다.
2장에서는 절연 형태의 LED 구동회로를 제안한다.
절연 형태의 LED 구동회로의 경우 소자수가 가장 적어 가격적 측면에서 유리한 플라이백 컨버터가 많이 사용되고 있다. 플라이백 컨버터의 경우 파워 스위치가 꺼질 때 생기는 피크 전압을 줄여주기 위해 스너버 회로가 필요하다. 기존에 사용되는 RCD 스너버의 경우 간단하지만 에너지를 소모해 버리게 되어 효율을 증가시키기 어려운 점이 있다. 반면 전압원이 추가된 LC 스너버의 경우 에너지가 소모되지 않고, 영전압 스위칭이 가능하지만 필요한 소자가 많아서 복잡해 진다는 단점이 있다. 따라서 소자 수를 제한하면서도 에너지가 소모되지 않고, 소프트 스위칭이 가능한 트랜스포머 결합 에너지 회생 스너버를 제안하였다. 제안된 스너버의 경우 트랜스포머에 3차 권선을 추가하여, 기존 전압원을 사용한 LC 스너버의 전압원은 3차 권선의 반사전압으로 대신하였고, 추가되는 인덕터는 3차 권선의 누설 인덕턴스가 대신하게 된다. 따라서 제안된 스너버의 동작은 전압원이 추가된 LC 스너버와 동일하면서도 필요한 소자 수는 적다.
절연 형태의 LED 구동회로에서는 가격적 측면에서 유리한 1차측 제어 방법이 많이 사용된다. 현재 대부분의 1차측 제어 방법은 2차측 전류를 예측하여 제어하는 방법으로 진행되고 있다. 먼저, LED를 전압으로 제어할 경우 LED의 순방향 전압 차이에 의해 빛이 달라질 수 있고, 온도의 증가에 따라 LED에 인가되는 전력이 증가하여 빛이 점점 증가하게 된다. 반대로 LED를 전류로 제어할 경우 LED의 순방향 전압 차이는 무시되지만, 온도의 증가에 따라 LED에 인가되는 전력이 감소하여 빛이 점점 감소하는 현상을 나타낸다. 더 나아가서 LED의 전력을 제어할 경우 LED의 순방향 전압 차이 및 온도의 변화에 의한 LED의 순방향 전압 변화를 보상해 줄 수 있다. 따라서 1차측 제어 및 LED의 전력을 제어하는, 1차측 전력 제어 방법을 제안하였다.
절연 형태의 LED 구동회로에 대한 실험 결과, $85 V_{AC}$ 에서 $265 V_{AC}$ 까지의 입력 전압과 5 W에서 10 W까지의 출력 LED 전력에서, 전체적인 효율이 83% 이상으로 측정되었고, 최대 90%로 측정되었다.
3장에서는 비 절연 형태의 LED 구동회로를 제안한다.
기존의 비 절연 형태의 LED 구동회로는 크게 전류원 방식과 SMPS 방식으로 나눌 수 있다. 먼저 전류원 방식의 경우 소자 수가 적고 동작이 간단하다는 장점이 있지만, 구조적인 문제점으로 인하여 입력 전압을 넓게 가져가기 힘들다는 단점이 있다. 반면 SMPS 방식의 경우 몇 가지 소자가 추가 되지만 입력 전압을 넓게 가져 갈 수 있다. 따라서 입력 전압을 넓게 가져가기 위해 SMPS 방식을 채택 하였다.
벅 컨버터의 경우 소자 수를 줄이기 위해 그대로 사용할 경우 파워 스위치가 하드 스위칭을 하게 되어 스위칭 손실이 존재한다. 반대로 소프트 스위칭을 위해서는 인덕터 등 추가적인 소자가 필요하다. 따라서 필요한 소자 수를 제한하면서도, 소프트 스위칭이 가능하여 높은 효율이 가능하도록, 트랜스포머 결합 에너지 회생 스너버를 벅 컨버터에 적용하였다.
비 절연 형태의 LED 구동회로의 실험 결과, $85 V_{AC}$ 에서 265 $V_{AC}$ 까지의 입력 전압과 5 W에서 10 W까지의 출력 LED 전력에서, 전체적인 효율이 85% 이상으로 측정되었고, 최대 93%로 측정되었다.