LED 구동용 플라이백 컨버터의 새로운 히스테리시스 제어기법 :Novel Hysteresis Control Schemes of a Flyback Converter for LED Lamps

김춘택

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김춘택 (인하대학교, 인하대학교 대학원)

지도교수: 김영석

발행연도: 2016

저작권: 인하대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수5

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2016

싱글 히스테리시스 밴드를 이용한 LED 구동용 PFC CCM 플라이백 컨버터

김춘택 , 채민철 , 진달래 외 2명 대한전기학회 학술대회 논문집 2016.07 학술대회자료

LED 구동용 단일단 PFC CCM 플라이백 컨버터의 히스테리시스 최적 제어

김춘택 전기학회논문지 2016.04 학술저널

LED 구동용 플라이백 컨버터의 새로운 히스테리시스 제어기법

김춘택 일반 2016.01 학위논문

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LED(light emitting diode) 조명은 전력 소비가 적고 수명이 긴 장점을 가지고 있으며 친환경 제품으로서 사용이 점차적으로 증가하고 있다. LED는 직류전류로 구동되는 특성을 가지기 때문에 교류의 상용전원에서 사용하기 위해서는 AC 전력을 DC 전력으로 변환시키는 AC-DC 컨버터가 필요하다. AC-DC 컨버터의 설계에 있어서 역률(power factor, PF)과 전고조파 왜형률(total harmonic distortion, THD)은 중요하게 고려해야 할 요소로, IEC 61000-3-2 규격 Class C에서 일정의 기준치를 만족하도록 요구하고 있다. 또한 LED 구동용 컨버터에서 출력단의 전류리플은 사용자의 눈에 안 좋은 영향을 줄 수 있기 때문에 평활시킬 필요가 있다. 그리고 LED 조명의 디밍(dimming)은 다양한 사용자의 요구와 에너지 절약을 위하여 필요한 기능이다.
본 논문에서는 역률보정(power factor correction, PFC)이 가능하고 변압기를 이용하여 전압 변환이 용이한 단일단 PFC CCM(continuous current mode) 플라이백 컨버터를 LED 구동용 AC-DC 컨버터로 적용하였으며, 연속전류모드 플라이백 컨버터의 새로운 전류제어 방식으로서 혼합방식 히스테리시스 제어 방식과 싱글 기준값을 갖는 히스테리시스 제어 방식을 제안하였다. 그리고 플라이백 컨버터의 히스테리시스 제어를 위하여 기존에 변압기의 1, 2차측 전류를 센싱하는 방식에서 변압기의 1차측 전류만 센싱하는 방식을 제안함으로써 단일단 CCM 플라이백 컨버터 제어회로의 간소화를 이루었다.
한편, AC-DC 컨버터에는 직류출력을 평활시키기 위하여 일반적으로 전해 커패시터가 많이 사용되고 있다. 그러나 전해 커패시터의 수명은 LED 수명에 비하여 짧기 때문에 LED 조명용으로 적용할 경우 LED 조명시스템의 수명을 단축시킬 수 있다. 따라서 본 논문에서는 LED 조명용 컨버터의 수명을 늘리기 위하여 출력단에 전해 커패시터 대신에 수명이 긴 필름 커패시터를 적용하였다. 이와 같이 용량이 작은 필름 커패시터로 대체함에 따라 출력단에 발생하는 120Hz의 전류리플을 저감시키기 위해 LC 공진필터를 제안하였으며 최적 파라미터를 도출하였다. 그리고, 입력전압과 출력전력에 맞게 히스테리시스 제어용 전류 기준치를 조정함으로써 디밍을 구현하였다.
시뮬레이션 및 실험을 통하여 제안하는 LED 구동용 AC-DC 컨버터의 타당성을 입증하였다.

The use of light-emitting diode (LED) has gradually increased on account of its low power consumption, eco-friendly, and long lifespan. Since LEDs are driven by using direct current (DC), LEDs require AC-DC converter to convert AC to DC power in order to use utility alteration current (AC) power. The power factor and the total harmonic distortion (THD) of the power supply unit (PSU) are important issues to consider in designing the AC-DC converter such that the AC-DC converter used in lighting equipment is required to meet reference values determined by the IEC 61000-3-2 Class C regulation. Because the output current ripple of the LED driving converter may cause the harmful effect on users eyes, it is necessary to be smoothed. Furthermore, LED lighting requires dimming control to enable energy savings and fulfil a growing consumer demand.
In this dissertation, the dimmable single-stage flyback converter controlled by the continuous current mode (CCM) capable of voltage conversion with transformer is applied as an AC-DC power converter to drive LED. The compound hysteresis control and the hysteresis control having a single reference value are proposed as novel current control methods for the CCM flyback converter. Instead of the typical method of sensing primary and secondary side currents of the transformer for the purpose of hysteresis control of the flyback converter, a new method of sensing only the primary side current is proposed. As a result, simplified single-stage CCM flyback converter control circuit is achieved.
Meanwhile, electrolytic capacitor is generally used in the AC-DC converter in order to smooth DC output. However, when the electrolytic capacitor is used in LED lighting, it can lead into shortened lifespan of the LED lighting system due to its relatively shorter lifespan than that of LED. This dissertation thus employs a film capacitor with longer lifespan instead of the electrolytic capacitor at the output end in order to increase the lifespan of the converter for LED lighting. The replacement with the smaller capacity film capacitor can cause 120[Hz] ripple on the output. In order to reduce the 120[Hz] ripple, LC resonant filter is proposed and optimum parameters are derived. Additionally, dimming is achieved as a result of adjusting current reference value for the hysteresis control according to input voltage and output power.
Simulation and experimental results verify the satisfactory operation of the AC-DC converter for LED driving purpose.

#Hysteresis control #CCM #flyback converter #PFC #LED

목 차
요 약i
ABSTRACTiii
그 림 목 차v
표 목 차x
약어 및 기호xi
제 1 장 서론1
1.1 연구 배경 및 필요성1
1.2 연구 목적 및 내용5
1.3 논문의 구성7
제 2 장 LED 특성 및 LED 구동용 컨버터9
2.1 LED9
2.1.1 LED의 동작원리 및 장단점9
2.1.2 LED의 전기적 특성 및 등가회로12
2.2 LED 구동용 컨버터15
2.2.1 역률보정16
2.2.2 컨버터용 커패시터21
2.2.3 단일단 플라이백 컨버터24
제 3 장 새로운 히스테리시스 제어기법과 LC 공진필터48
3.1 새로운 히스테리시스 제어기법48
3.1.1 혼합방식 히스테리시스 제어48
3.1.2 싱글 기준값을 이용한 히스테리시스 제어53
3.1.3 필터 기능을 가지는 전류 센싱회로62
3.2 출력단 전류리플 저감을 위한 LC 공진필터64
3.2.1 LC 공진필터의 필요성64
3.2.2 LC 공진필터의 구성에 따른 임피던스 분석65
3.2.3 LC 공진필터의 보드선도 분석68
3.2.4 LC 공진필터의 손실 및 리플률 분석76
3.2.5 LC 공진필터의 방식 및 최적 파라미터 선정80
제 4 장 시뮬레이션 결과 및 고찰82
4.1 시스템 파라미터82
4.2 혼합방식 히스테리시스 제어 CCM 플라이백 컨버터83
4.3 싱글밴드 히스테리시스 제어 CCM 플라이백 컨버터86
4.4 출력단 리플 저감을 위한 LC 공진필터90
제 5 장 실험결과 및 고찰94
5.1 실험장치 구성94
5.1.1 디밍 제어98
5.2 실험결과 및 고찰99
5.2.1 제어방식에 따른 입력 특성99
5.2.2 필터 종류에 따른 출력 특성110
제 6 장 결론118
참 고 문 헌120

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