Universal LED drivers for high efficient and long life-time operations, variable switched capacitance based inductive power transfer (IPT) technology for load power control, and wide-range ubiquitous IPT technologies are widely researched throughout this dissertation. The variable switched capacitance, which can modulate the resonant frequency of an LC resonant tank by controlling the switching duty cycle, is introduced and utilized to various LED drivers and IPT technology. Versatile LED drivers compatible with various electronic ballasts by the variable switched capacitance are newly proposed and verified for high efficiency, versatile compatibility without malfunctions, and load power regulation. For LED dimming control and load power regulation with high efficient and long lifetime operations of LED drivers, TRIAC dimming LED drivers, which adopt the variable switched capacitance by TRIAC and DIAC devices, are newly proposed. Besides the LED drivers utilizing the variable switched capacitance, two passive-type LED drivers are also introduced, which are contrary to conventional LED drivers adopting pulse-width-modulation (PWM) switching techniques; hence, high efficient and long lifetime operations can be realized without high switching frequency operation devices. On the other hands, the variable switched capacitance is utilized to a 100W IPT system for load power regulation under wide-range distance variation between the transmitter (Tx) and receiver (Rx). Wide-range ubiquitous IPT technologies, i.e.,Wi-power zone, where any electric devices can be charged by 3D-omnidirectional wireless charging, are newly proposed for the next wireless power generation.
In Chapter 1, versatile LED drivers compatible with various electronic ballasts are proposed, which adopt the variable switched capacitance by controlling the switching duty cycle for LED power regulation. By controlling the switching duty cycle, the resonant frequency of an LC resonant tank of electronic ballasts can be controlled, and the LED power can be appropriately modulated. This resonant-frequency-adjustment characteristic makes the proposed LED driver versatile for most electronic ballasts available in markets. The validity of the proposed LED driver is verified by experiments, showing fair compatibility with three types of eight conventional electronic ballasts in markets and a successful LED power over a wide range of source voltage variation.
In Chapters 2-3, TRIAC dimming LED drivers that can control the brightness of LED arrays for a wide range of source voltage variation are proposed. Unlike conventional PWM LED drivers, the proposed TRIAC dimming LED drivers adopt a TRIAC switch, which inherently guarantees zero current switching and has been proven to be quite reliable over its long lifetime. Different from conventional TRIAC LED drivers, the proposed LED drivers utilize the variable switched capacitance, which is modulated by the TRIAC turn-on timing. Thus, the LED power regulation and the dimming control, which can be implemented by a volume resistor in the same way as the conventional TRIAC dimmers of lamps, can be simultaneously performed by a TRIAC control circuit.
In Chapter 4, static regulated multi-stage semi-active LED drivers with high power efficiency that regulate the LED power statically against source voltage variation, are proposed. Multi-stage switching circuits are adopted to select the number of operating LED strings in series so that the LED power is appropriately controlled for static LED power regulation. Contrary to the switch-mode-power-supply (SMPS) LED drivers, the proposed LED drivers use switching devices in the multi-stage switching circuits for slow turn-on operation of LED lamps; hence, degradation of the lifetime of switching devices in the proposed LED drivers thus can be mitigated by a non-PWM technique. The validity of the proposed LED drivers was verified by experiments, which show successful static LED power regulation with high power efficiency, meeting PF and THD standards over a wide range of source voltage.
In Chapter 5, compact passive LC3 LED drivers that achieve low THD and high PF by using LC parallel resonance are proposed. An optimum number of LED array in series is appropriately selected such that the LED power becomes temperature-robust. The proposed LED drivers are analyzed by the powerful phasor transformation techniques, which are applied to the non-linear switching case for the first time in this chapter. Experimental verification of the phasor transformation for the proposed LED drivers showed good agreements with simulations and designs.
In Chapter 6, an adaptively controlled variable switched capacitance is firstly applied to a dipole-coil-based loosely-coupled IPT system with a Tx reflector, which can regulate load power under wide-range distance variation. The equivalent circuit of the proposed IPT can be represented as an LC parallel resonant circuit, and the equivalent capacitance of the variable switched capacitance can be appropriately modulated; hence, the resonant frequency of the LC tank in the Rx circuit is controlled and the load power is regulated. The validity of the proposed IPT is verified by simulations and experiments, showing a complete load power regulation over the wide-range distance variation.
In Chapters 7-8, wide-range ubiquitous IPT technologies, i.e., Wi-power zone, which can provide an evenly distributed magnetic field over 3D space, are newly proposed. In this ubiquitous IPT zone, any electric devices can be freely charged with 3D omnidirectional wireless charging, i.e., so called six degrees of freedom (6-DoF), anytime and anywhere. Direct and quadrature (DQ) Tx coils having orthogonal phase difference of DQ currents are adopted to generate a DQ rotating magnetic field; hence, a plane Rx coil including vertical and horizontal coil windings is able to receive load power from either vertical or horizontal Rx coil winding. One of ubiquitous IPT can be installed in the ceiling of room by copper wire-type DQ Tx coils, whereas the other one can be installed in the bottom of room by modularized DQ Tx coils. Optimum baseline design procedures of the proposed ubiquitous IPT are established and verified by experimental prototypes for high magnetic field uniformity, 6-DoF characteristic, and simultaneous wireless charging of multiple Rx coils.
본 논문은 다목적 LED 구동회로 (Chapters 1 ~ 5)와 광역범위 자기유도 무선전력전송 시스템 (Chapters 6 ~ 8)에 대한 연구를 다루고 있다. LED 구동회로는 대표적으로 기존 천장에 설치되어 있는 전자식 안정기와 호환되어 사용될 수 있는 1) 전자식 안정기 호환형 LED 구동회로와 기존 안정기를 제거하고 Utility Line 에 직접 연결하여 사용하는 2) AC 직결형 LED 구동회로가 있다. Chapter 1 에서는 가변 스위치 커패시턴스 기술을 이용하여 조명시장에 존재하는 대부분의 전자식 안정기와 호환하여 사용할 수 있는 LED 구동회로를 소개하였다. Chapters 2 ~ 5 에서는 장시간 조명을 구동해야 하는 산업용 조명 설계를 목표로, 고주파 동작 스위치의 Pulse-Width-Modulation (PWM) 기술 적용으로 인한 저효율 (<94%) 및 단수명 (<5,000 h)의 단점을 극복하고자, 가변 스위치 커패시턴스 기술을 포함한 여러 회로 기술을 적용한 고효율(>94%) 및 장수명 (>5,000h) LED 구동회로에 대해 소개하였다. Chapter 6 에서는 송수신부 사이 거리 변화시 발생하는 출력전력 변동문제를 해결하고자, 가변스위치 커패시턴스 기술을 수신부에 적용하여 송수신부간 광역범위내 거리 변동에도 출력전력을 일정하게 유지할 수 있는 제어 기술을 소개하였다. Chapters 7 ~ 8 에서는 사용자가 전자기기를 언제 어디서나 자유로이 사용과 동시에 충전을 할 수 있는 광역범위 유비쿼터스 무선전력 (또는 Ubiquitous Wi-power zone) 기술을 소개하였다.
1 장에서는 조명시장에 존재하는 다양한 전자식 안정기에 호환되어 사용할 수 있는 전자식 안정기 호환형 LED 구동회로를 제안하였다. 전자식 안정기에 사용되는 LC 공진탱크의 LC 공진 주파수를 전자적으로 제어하기 위해 가변 스위치 커패시턴스 기술을 적용하였고, 이를 통해 기존 32W 급 형광등 조명을 동일한 밝기로 점등하는 16W 급 LED 조명으로 점등하도록 Zero crossing voltage detection 회로, LED power sensing 회로 제어 기술 등을 구현하였다. 가변 스위치 커패시턴스 기술을 적용한 제안하는 LED 구동회로는 180V ~ 260V 의 넓은 입력전압 변동에도 16W 정출력전력 제어, 고효율 (>94%), 역률 (>0.9) 및 총 고조파 왜율 (<27%) 기준을 만족하였다.
2 ~ 3 장에서는 가변 스위치 커패시턴스 기술을 AC 직결형 LED 구동회로에 적용한 고효율 (>94%) 및 장수명 (>5,000h) LED 구동회로를 제안하였다. 5,000 h 이하의 짧은 LED 구동회로의 단수명의 주요 원인인 수십 kHz 이상 동작 고주파 PWM 방식 대신, 120Hz 저주파로 동작하는 TRIAC 및 DIAC 소자를 이용하여 기존 LED 구동회로의 저수명 문제를 근본적으로 해결하였다. 입력전압 변동시 정출력전력 제어 및 조명 밝기조절을 위한 LED 디밍제어를 위해, 가변 스위치 커패시턴스 회로를 포함하여 전류미러를 이용한 피드백 제어 회로, 커패시티브 변압 방식의 DC power supply 회로를 제안하였다. 60W 및 80W 급 산업용 LED 조명을 목표로 LED 구동회로를 설계 및 구현하였으며, 190V ~ 250V 의 넓은 입력전압 변동에도 정출력전력 제어, 역률 및 총 고조파 왜율 기준을 만족하였다.
4 장에서는 입력전압 변동시 LED 출력전력을 제어하는 방식으로서, 저효율 및 저수명의 주요 원인인 고주파 스위칭 동작 PWM 방식 대신, 입력전압 변동시에만 출력전력을 일정 범위내로 제어하도록 스위칭 동작하는 Multi-stage LED 구동회로를 제안하였다. 100W 급 산업용 LED 구동회로를 목표로 구현하였으며, 200V ~ 260V 의 넓은 입력전압에도 LED 전력이 90W ~ 110W 이내로 구동하도록 설계 및 실험적으로 증명하였다.
5 장에서는 고효율 및 장수명 특성 구현을 위해, 단순 수동소자만을 이용한 새로운 형태의 Passive-type LED 구동회로를 제안하였다. 비선형 스위칭 소자를 고려한 페이저 변환 기법을 적용한 회로 해석을 통해 60W 급 LED 구동회로를 설계하였고, 이를 통해 LED 구동시 LED 발열로 인한 LED 전력변화가 최소가 되는 최적 Temperature-robust 동작점을 제시하였다. 전 세계의 다목적 사용이 가능하도록, 50Hz/60Hz 주파수 호환 설계방법을 제시하였으며, 단순 수동소자만을 사용함에도 역률 및 총 고조파 왜율 기준을 만족하였다.
6 장에서는 70cm 급 장거리 무선전력전송을 위해 다이폴 송수신부 코일 구조에 자기 차폐판을 적용한 100W 급 자기유도 무선전력전송 (Inductive Power Transfer, IPT) 기술을 제안하였다. 자이레이터 모델링을 통해 본 IPT 등가회로를 분석하였고, 송수신부간 넓은 거리 변동에도 출력전력을 일정하게 유지하기 위해 수신부 정류회로에 가변 스위치 커패시턴스 기술을 적용하였다. 제안하는 가변 스위치 커패시턴스 적용 IPT 기술을 통해 20 ~ 70cm 의 넓은 송수신부간 거리변동에도 불구하고 100W 급 정출력전력 제어가 가능함을 실험적으로 증명하였다.
7 ~ 8 장에서는 3 차원 공간내 다수의 전자기기가 임의의 위치 및 방향에 상관없이 언제 어디서든 사용과 동시에 무선전력 수신이 가능한 유비쿼터스 Wi-power zone 을 구현하였다. 제안하는 유비쿼터스 IPT 기술 구현을 위해, 송신부에서는 2 차원 공간상 회전하는 DQ 회전 자기장을 생성함으로써 송수신부 코일 모두 평면형 구조임에도 3D 무지향성 무선전력 특성을 구현하였다. 7 장에서는 천장에 설치가 용이한 6.78MHz 고주파 동작 Wire-type IPT 기술을 적용하였고, xy 평면상 78%의 자기장 균등도, 수신부의 6-자유도 특성, 6.0 m × 5.5 m × 3.3 m 공간상 200 개 수신부의 동시 무선전력전송 등을 실험적으로 증명하였다. 8 장에서는 3 차원 공간의 바닥에 설치가 용이한 송신코일의 모듈화 가능한 유비쿼터스 Wi-Power zone 기술을 제안하였다. 제안하는 모듈화된 송신코일을 직렬로 연결 및 확장하여 어떤 3 차원 공간이라 할지라도 사용자가 용이하게 유비쿼터스 Wi-power zone 을 설치 및 적용할 수 있도록 설계하였다. 1.0 m × 1.0 m 너비의 유비쿼터스 Wi-power zone 구현을 목표로 여러 조건을 고려한 최적 설계방법을 제시하였으며, 3 차원 공간상 자기장 균등도, 수신부 6-자유도 특성, 9 개 수신부 동시 무선전력전송 등을 실험적으로 증명하였다.
