최근 “저 탄소 녹색성장 산업” 관련 연구개발이 활발히 진행되고 있으며 특히 에너지 위기와 기후변화에 의한 신재생에너지와 이산화탄소 배출권 시장이 빠른 속도로 확장되고 있다. 이산화탄소는 지구온난화를 유발시키며 이를 줄이기 위해서는 에너지 절약이 필수적이다. 세계 전체 시장의 연간 소비전력 대비 조명시장은 약 12∼15%로 연간 2조 1천억 kWh정도이며 약 17억 톤의 이산화탄소가 배출되고 있다. 이러한 이유로 효율이 높은 대체광원의 연구가 매우 활발히 이루어지고 있다. LED(발광 다이오드; Light-Emitting Diode)는 기존광원 대비 광 효율이 높아서 조명의 대체광원으로 각광받고 있으며, 약 20∼30%의 전력절감 효과가 있다. 이 대체 광원으로 인하여 연간 2,500억 kWh의 전력이 절감되고, 1억 5천 톤의 이산화탄소의 절감효과를 얻을 수 있다. LED는 직류로 구동되는 소자로 칩 소자의 구성에 따라서 낮은 전압부터 높은 전압 그리고 낮은 전류에서 높은 전류로 매우 다양하게 구성할 수 있다. 최근 시장의 감성조명 및 시스템조명의 수요 증가에 따라 다중 채널(Multi-string)의 LED 응용분야가 주목을 받고 있다. 예를 들어, 옥외의 다운라이트 조명과 가로등의 경우, 차량이 통행되는 차도 측과 사람이 통행하는 인도 측의 밝기와 색상을 구분하여 시인성과 안전성을 높일 수 있다. 그리고 옥내의 가정과 사무실 LED조명의 경우, Yellow계열과 White계열의 LED를 병렬로 설치하여 조도에 따라서 밝기와 색상을 자동으로 제어하는 시스템 조명이 관심을 받고 있다. 이러한 다중 채널의 LED를 구동하기 위해서는 여러 개의 컨버터 또는 여러 채널의 컨버터로 구성된 드라이버가 필요하다. 그러나 설치 공간이 많이 필요하며 가격이 비싸고, 다수의 스위칭 동작으로 인하여 효율이 저하되고, 채널 간 스위칭 노이즈간섭으로 인해 EMI특성이 저하되는 단점들을 가지고 있다.
본 연구에서는 기존 다중 채널을 구동하기 위한 일반적인 컨버터의 단점을 보완하기 위해서 새로운 방식의 다중 채널의 LED를 구동할 수 있는 커패시터 변압기 밸런스 LLC 공진 컨버터를 제안하였다. 제안된 컨버터는 크게 4개 부분으로 구성된다. 입력 단에는 90V∼264V까지의 넓은 AC의 입력전압과 높은 역률을 구현하기 위해 Onsemi사 SCY99102의 8핀 IC를 이용하여 부스트 컨버터 타입의 PFC를 적용하였다. PFC 출력전압(380Vdc)을 입력으로 효율을 최대화하기 위해 DC/DC단은 STmicro사 L6599 8핀 IC를 적용한 LLC 공진형 컨버터로 구성하였다. 그리고 공진 커패시터와 공진 인턱터로 구성된 공진탱크 부분이 있으며, 마지막으로 컨버터의 2차측은 스위칭 타입의 다중 벅 또는 부스트 컨버터를 대신하여 DC블로킹 커패시터와 클램핑 다이오드 그리고 밸런스 변압기로 구성된 새로운 방식의 컨버터로 구성하였다. 제안된 컨버터는 기존 벅(Buck) 또는 부스트(Boost) 방식으로 구성된 컨버터와 비교하여 주요 부품 수를 1/2정도 축소가 가능하고 저가격 구현이 가능하여 상업적으로 큰 장점을 가지고 있다. 또한 DoE(Design of Experiment)의 실험 설계 방법을 이용하여 출력전류에 영향을 주는 주요 인자들을 검출하고 데이터를 분석하여 최적 값을 도출함으로써, 다양한 출력전류를 가진 LED 다중 병렬부하 조건에서도 구동이 가능하다. DoE방법을 이용한 최적화 단계에서는 현재 시장에서 가장 많이 사용되고 있는 상업, 가정용 36~55W급 형광램프 대체용 LED 부하로 검증하였으며, 최대부하 조건에서 전기적 특성분석 및 EMI 측정, 온도 및 수명 검토를 함으로써 제안된 컨버터의 신뢰도 높였다.