고효율 및 고역률 LED 구동회로를 위한 Balanced Forward-Flyback 컨버터 :Balanced Forward-Flyback Converter for High Efficiency and High Power Factor LED driver

황민하

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자료유형: 학위논문

저자정보: 황민하 (국민대학교, 國民大學校大學院)

지도교수: 韓翔圭

발행연도: 2013

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2013

고효율 및 고역률 LED 구동회로 위한 Balanced Forward-Flyback 컨버터

황민하 , 강정일 , 한상규 전력전자학회논문지 2013.10 학술저널

고효율 및 고역률 LED 구동회로를 위한 Balanced Forward-Flyback 컨버터

황민하 電子工學科 2013.01 학위논문

2012

고효율 LED 구동을 위한 Balanced Forward-Flyback 컨버터

황민하 , 최윤 , 정영진 외 2명 전력전자학회 학술대회 논문집 2012.07 학술대회자료

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본 논문은 Forward 컨버터와 Flyback 컨버터를 이용한 고효율 및 고역률 동작이 용이한 Balanced Forward-Flyback 컨버터를 제안한다. 기존의 AC/DC Flyback 컨버터의 경우 Buck-boost 컨버터 동작을 통해 고역률 획득이 가능하였지만, 높은 자화 인덕터(Lm)의 offset 전류로 인해 Transformer의 크기 증가 및 낮은 전력 변환효율이 단점 이었다. 또한 기존의 Forward 컨버터의 경우 자화 인덕터의 offset 전류가 작아 고효율 동작에 유리하지만, 입력전류의 Dead zone 문제로 인하여 AC 입력 전압에 대해 고역률 동작이 불가능하다는 단점이 있다. 반면, 제안된 회로의 경우 스위치 턴-온 시에는 Forward 컨버터, 스위치 턴-오프 시에는 Flyback 컨버터로 동작함으로써 스위칭 전 주기내에서 전력전달이 가능할 뿐만 아니라 Flyback 컨버터 동작을 통해 고역률 획득이 가능하다. 또한 제안회로의 2차측에 삽입된 전류 평형 캐패시터는 AC 입력전압의 크기에 관계없이 자화 인덕터(Lm)의 offset 전류를 최소화 시켜주기 때문에, core 손실 저감 및 트랜스포머의 크기를 최소화 할 수 있다. 따라서 제안회로는 고역률 및 고효율 동작 특성을 갖게 된다. 본 논문에서는 기존 컨버터의 특성을 분석하고, 이를 통해 개선된 제안회로의 이론적 해석 및 모의실험을 수행한다. 또한 24W급, 50W급 조명용 LED 구동회로 Prototype sample을 제작 및 실험 결과를 통해 제안회로의 타당성을 검증하였다.

Ⅰ. 서 론
1.1 연구 배경 1
1.2 조명용 LED 구동회로를 위한 고려사항 2
1.3 기존의 LED 구동회로 4
1.3.1 Two-stage 구동회로 4
1.3.2 Single-stage 구동회로 5
1.4 기존 PFC Flyback 컨버터의 손실분석 6
1.4.1 실제 측정 효율과 예상 효율 데이터 비교 6
1.4.2 MATLAB Simulator를 이용한 손실 분석 및 개선방안 연구 8
1.5 기존 Flyback 컨버터와 Forward 컨버터의 비교분석 14
1.5.1 자화 인덕터(Lm)의 평균 전류 관점 14
1.5.2 역률 (Power Factor) 관점 17
Ⅱ. 고효율 및 고역률 동작을 위한 제안 Balanced Forward-Flyback 컨버터 18
2.1 제안회로의 동작원리 20
2.1.1 캐패시터의 전류-시간 곱 평형 (Current-second Balance) 22
2.1.2 Forward-Flyback 컨버터 23
2.1.3 제안 Balanced Forward-Flyback 컨버터 24
2.2 제안회로의 상세 모드해석 25
2.3 제안회로와 기존회로의 비교 분석 30
2.3.1 입/출력 전압 변환 비 (Voltage Conversion Ratio) 30
2.3.2 스위치 및 다이오드의 전압 스트레스 32
2.3.3 자화 인덕터(Lm)의 오프셋 전류 34
2.4 제안회로의 모의실험 36
2.4.1 DC 블러킹 캐패시터(Cb) 유무에 따른 모의실험 결과 40
2.5 제안회로의 Prototype 제작 및 실험결과 43
2.5.1 제안회로의 주요파형 측정 44
2.5.2 제안회로의 효율 및 역률 측정 47
Ⅲ. 고효율 및 고역률 동작을 위한 제안 Z-Balanced Forward-Flyback 컨버터 49
3.1 제안회로의 연구배경 49
3.2 제안회로의 동작 원리 52
3.3 제안회로의 상세 모드 해석 55
3.4 제안회로의 비교 분석 59
3.4.1 입/출력 전압 변환 비 (Voltage Conversion Ratio) 59
3.4.2 스위치 및 다이오드의 전압 스트레스 61
3.4.3 자화 인덕터(Lm)의 오프셋 전류 63
3.5 제안회로의 모의실험 65
3.6 제안회로의 Prototype 제작 및 실험결과 69
3.6.1 제안회로의 주요파형 측정 70
3.6.2 제안회로의 효율 및 역률 측정 74
Ⅳ. 결 론 78
참고문헌 80
Abstract 82
Appendix ⅰ 제안 LED 구동회로의 설계 83
Appendix ⅱ 기존 PFC Flyback 컨버터의 손실분석 MATLAB 소스 89

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