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  1. (Department of Energy Engineering, Daejin University, Korea.)
  2. (Korea Electronics Technology Institute, Korea.)



LED current balancing, Balancing capacitor, Indoor LED systems, Y-type transformer, Current balancing transformer

1. 서 론

최근 조명 설비 사용의 증가로 인한 전력 사용량이 증가함에 따라서 조명장치의 전력손실을 감소시키기 위한 연구가 다양하게 진행 중이다(1~4). 조명 분야에서는 조명 장치의 안정적이고 일정한 동작을 위하여 광 출력 전력변환장치가 사용되는데 이 때 사용되는 전력변환장치의 회로개선 및 제어 알고리즘의 개선을 통한 전력소비량 개선연구도 다양하게 진행되고 있다. 전력변환 장치의 부하에 해당하는 조명의 경우 다양한 형태의 광 출력 소자 중에서도 우수한 광 출력 특성, 낮은 소비전력, 시스템 단가 등의 장점을 갖는 LED(Light emitting diode)가 많이 사용되고 있다. 하지만 LED의 경우 반도체 소자로써 제조 과정에서의 품질 및 농도 차이가 발생하게 된다. LED의 제품을 생산할 때 동일한 제조 환경에서의 생산이 불가능하고 또한, 동일한 제조 환경이라고 하더라도 반도체 생산과정에서 사용되는 불순물의 농도를 완전히 동일하게 적용할 수 없기 때문에 LED의 품질에 차이가 발생하게 된다. 이러한 품질의 차이는 LED 내부 파라미터의 차이를 발생시킨다. LED의 내부 파라미터 차이는 LED가 동작할 때 전기적인 특성의 차이를 발생시킨다. 순방향 전압, 도통 전류, 동작 온도 등 다양한 형태의 전기적인 차이 중에서도 조명의 직접적인 성능에 영향을 미치는 성분인 도통 전류의 차이로 인하여 LED 조명의 밝기가 변화하기 때문에 다수의 LED를 사용할 경우 균일한 밝기를 구현하는데 어려움이 존재한다. LED 조명 밝기의 불균형을 해결하기 위해서 추가적인 전력변환장치가 요구되며 전력변환장치를 이용한 정전류제어를 통해 LED의 균일한 밝기를 구현한다. LED의 정전류제어를 위한 방법은 크게 3가지 방법이 연구되고 있는데 첫 번째 리니어 레귤레이터 회로를 적용하는 방법, 스위칭 레귤레이터 회로를 적용하는 방법, 전류평형 변압기를 이용한 방법 등이 사용되고 있다(5~9).

그림 1은 리니어 레귤레이터 방식의 회로를 나타낸 것으로 회로 구조가 간단하고 공급되는 전압이 상대적으로 안정적인 장점을 가지고 있지만 부하 LED에 공급되는 전압이 낮을수록 리니어 레귤레이터에서 발생하는 손실이 증가하여 효율이 낮아짐에 따라 효율이 낮아지는 단점이 존재한다. 그림 2의 스위칭 레귤레이터 방식은 회로 내에서 발생하는 손실이 작아 상대적으로 높은 효율을 가지는 장점이 존재한다. 하지만 LED에 안정적인 전압을 공급하기 위하여 인덕터와 커패시터로 구성된 회로가 추가적으로 필요하고 스위치를 구동하기 위한 별도의 제어 회로 및 게이트 드라이버회로가 필요하여 전체 시스템의 단가, 전력밀도, 무게가 증가하는 단점이 존재한다. 또한, 리니어 레귤레이터 방식과 스위칭 레귤레이터 방식의 경우 LED를 구동하는 각 열마다 구동회로가 필요하여 단가, 전력밀도 측면에서 적합하지 않다. 이로 인해 LED의 전류 편차를 보상하기 위한 연구로 전류 평형 변압기를 이용하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그림 3은 일반적인 Y형 전류 평형 변압기를 이용한 열간 전류편차 보상 회로이다. 전류 평형 변압기를 이용한 전류편차 보상회로의 경우 최초에는 1개의 변압기를 통해 병렬 구성된 2개의 LED열의 전류편차를 보상하던 것에서 시작하여 최근에는 Y형 전류 평형 변압기를 적용하여 3개의 병렬 구성된 LED열의 전류 편차를 보상하는 회로까지 발전하였다. 또한, 해당 시스템의 효율을 극대화를 위하여 Active PFC(PowerFactor Correction) 컨버터와 LLC 공진 인버터를 적용하여 출력단 정류다이오드를 제거하는 형태의 회로도 제시되었다.(10~12)

Y형 전류 평형 변압기를 적용한 회로보다 더 높은 전력밀도와 시스템 효율을 위하여 Y형 전류 평형 변압기에 각 상에 연결되는 회로를 병렬로 구성하여 회로에 적용하는 연구가 진행

그림. 1. 정전류 제어를 위한 리니어 레귤레이터 회로

Fig. 1. Linear Regulator Circuit for Constant Current Control

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그림. 2. 정전류 제어를 위한 스위칭 레귤레이터 회로

Fig. 2. Switching Regulator Circuit for Constant Current Control

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그림. 3. 정전류 제어를 위한 Y형 전류 평형 변압기 회로

Fig. 3. Y-Type Balancing Transformer Circuit for Constant Current Control

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그림. 4. 다중 LED 열간 하이브리드 전류 평형 시스템 회로

Fig. 4. Multi-String LED Hybrid Current Balancing System

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되었다. 그러나 병렬로 구성된 열 사이의 전류 불평형문제가 발생하는 문제가 발생하였다.(13~15) 따라서 본 논문에서는 Y형 전류 평형 변압기에 연결되는 3개의 각 열에 추가적인 전류 평형 커패시터를 적용하여 6개의 LED열의 전류편차를 보상할 수 있는 회로를 제시한다. 또한, 시뮬레이션 및 실험을 통해 제안하는 회로의 타당성을 검증하였다.

2. 제안하는 LED 구동 시스템

그림 4는 제안하는 다중 LED 열간 하이브리드 전류 평형 구동 시스템의 회로이다. 제안하는 회로는 2개의 열을 쌍으로 하여 1개의 전류 평형 커패시터가 연결하는 형태로 구성된다. 제안하는 회로는 기존의 Y형 전류 평형 변압기 형태의 회로에서 각 상마다 2개의 LED 열을 연결하는 방식으로 이 과정에서 각 LED의 품질 차이와 PCB 내부의 기생성분 등의 이유로 인하여 2개의 열 사이에서 전류 편차가 발생할 수 있기 때문에 각 상마다 전류 평형 커패시터를 적용하여 보상한다. 제안 하는 방법은 리액턴스 성분을 통한 전류 편차를 보상하는 방법으로 전류를 보상하기 위한 전력소모가 매우 작아 전체 시스템의 효율을 개선할 수 있다. 또한 기존의 Y형 전류평형 변압기를 적용하는 방법에 비하여 2배의 LED열을 동작시키게 되어 사용되는 변압기의 수를 감소시켜 전체 시스템의 전력밀도 역시 향상 시킬 수 있다.

그림 5는 Y형 전류평형 변압기의 구조를 나타낸 것이다. 변압기의 각 상에는 전원에서 공급되는 전류 i1, i2, i3가 흐르게 되고 페러데이 법칙에 의하여 자속 Φ1, Φ2, Φ3가 발생한다. 발생된 자속은 Y형 전류 평형 변압기의 중심부에서 결합하거나 상쇄된다. 이때 각 상의 2차 측에는 각기 다른 상호인덕턴스

그림. 5. Y형 전류 균형 변압기의 구조

Fig. 5. Structure of Y-Type Current Balance Transformer

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그림. 6. 권선사이 각도에 따른 결합계수

Fig. 6. Coupling Coefficient by the Angle Between Windings

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상호인덕턴스 M이 유도되며 이를 통해 각 자속이 동일하게 되도록 전류가 평형을 이루게 된다.(17) 이 때 각 상의 2차 측에서 발생하는 자속 Φ가 변압기의 자성체가 아닌 다른 경로로는 소실되지 않는다고 가정하면 각 2차 측의 권선 각도에 따른 결합계수 k와 자속의 방향은 그림 6처럼 나타난다. 자성체와 권선의 각도에 따른 자속밀도의 분포는 Cosθ이기때문에 120°의 일정한 각도 차이를 가지는 Y형 전류 평형 변압기의 각 상의 2차 측의 상호 결합계수는 0.5이다. Y형 전류 평형 변압기의 해석을 위하여 상호인덕턴스와 누설인덕턴스를 표현하기 위한 등가회로를 그림 7과 같이 나타냈다.

앞서 언급한 것처럼 각 상이 120°의 각도 차이를 가지는 Y형 전류 평형 변압기의 경우 각 2차 측간의 결합계수는 0.5이다.(16) 그러나 실제 시스템의 경우 폐회로가 아니기 때문에 누설 자속에 의해 결합계수가 감소한다. 본 논문에서는 각 2차 측간의 결합계수를 0.333으로 가정하였다. 이에 따라 각 2차측의 상호 인덕턴스와 누설 인덕턴스도 실제 값의 0.333배가 된다. RTotal1, RTotal2, RTotal3은 각 열의 LED의 저항의 합을 등가저항으로 나타낸 것이다. Y형 전류 평형 변압기의 경우 앞서 언급한 낮은 결합계수로 인하여 누설 인덕턴스가 Llk가 크게

그림. 7. Y 형 전류 균형 변압기의 등가 회로

Fig. 7. Equivalent Circuit of a Y-type Current Balancing Transformer

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발생하며 이로 인하여 많은 손실이 발생한다. 이를 해결하기 위하여 각 2차 측에서 발생하는 누설 인덕턴스를 보상하기 위한 공진커패시터를 추가 구성하였다. 병렬 연결된 누설 인덕턴스를 상쇄하기 위한 공진 커패시터 C는 아래 수식은 다음과 같다.

(1)
$\omega(L_{lk1}//L_{lk2}//L_{lk3})=\dfrac{1}{\omega C}$

3. 시뮬레이션

제안한 LED 구동 시스템의 성능을 검증하기 위하여 시뮬레이션 및 실험을 수행하였다. 실제 LED 구동 시스템을 모의하여 Y형 전류평형 변압기가 적용된 20W 시스템을 대상으로 수행하였으며 대상 부하로는 실제 시판되고 있는 3채널 LED를 모의하여 수행하였다.

그림 7에서 각 LED 열에 흐르는 전류는 아래와 같은 식으로 나타낼 수 있다. x는 각상 a, b, c를 의미한다.

(2)
$i_{x1}=i_{x2}=\dfrac{i_{x}}{2}(x= a,\: b,\: c)$

(3)
$V_{in}=R_{a}i_{a}+\dfrac{1}{3}jw L\dfrac{1}{2}(i_{a}-i_{b})=R_{a}i_{a}+\dfrac{1}{3}jw L\dfrac{1}{2}(i_{a}-i_{c})$

(4)
$V_{in}=R_{b}i_{b}+\dfrac{1}{3}jw L\dfrac{1}{2}(i_{b}-i_{a})=R_{b}i_{b}+\dfrac{1}{3}jw L\dfrac{1}{2}(i_{b}-i_{c})$

그림. 8. 전체 시스템 블록 다이어그램

Fig. 8. Structure of Y-Type Current Balance Transformer

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(5)
$V_{in}=R_{c}i_{c}+\dfrac{1}{3}jw L\dfrac{1}{2}(i_{c}-i_{a})=R_{c}i_{c}+\dfrac{1}{3}jw L\dfrac{1}{2}(i_{c}-i_{b})$

위의 수식을 바탕으로 각 상에 흐르는 전류를 기반으로 정리하면 Y형 전류 평형 변압기를 통한 전류 보상 정도를 알 수 있다.

그림 8표 1은 시뮬레이션 및 실험 진행에 사용된 시스템의 블록 다이어그램 및 시스템 파라미터이다. 제시된 사양을 바탕으로 PSIM 시뮬레이션 툴을 활용하여 회로에 대한 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션에서 LED열의 내부 저항의 차이를 모의하기 위하여 사용한 LED 제품의 순방향 전압 파라미터를 이용하여 임의로 설정하였다. 사용된 LED의 경우 최저 2.8V, 평균 3V, 최고 3.25V로 각 LED에는 해당 범위 내의 임의의 값을 설정하여 각기 다르게 설정하였다. 먼저 Y형 변압기를 통한 각상 전류가 정상적으로 전류 평형을 이루는지 확인하기 위하여 각 상에 흐르는 전류를 측정하였다.

표 1. 시스템 파라미터

Table 1. System Parameters

Parameters

Values

Input Voltage ($V_{in}$)

220 [$V_{ac}$]

Output Voltage ($V_{out}$)

38 [V]

Output Power ($P_{out}$)

20 [W]

Resonant Frequency ($F_{R}$)

180 [kHz]

Magnetizing inductance ($L_{m}$)

557 [uH]

Resonant inductance ($L_{r}$)

139 [uH]

Resonant capacitor ($C_{r}$)

5.6 [nF]

Turn ratio (n)

5.5

그림. 9. 기존 LED 구동 시스템의 LED 전류

Fig. 9. LED Current in a Conventional LED Drive System

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그림. 10. Y형 전류 평형 변압기를 적용한 LED 구동 시스템의 LED 전류

Fig. 10. LED Current in LED Drive System with Y-type Current Balancing Transformer

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그림. 11. Y형 전류 평형 변압기를 적용한 LED 구동 시스템의 A상 LED 전류

Fig. 11. A-Phase LED Current in LED Drive System with Y-type Current Balancing Transformer

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그림. 12. 제안하는 LED 구동 시스템의 A상 LED 전류

Fig. 12. A-phase LED Current of the Proposed LED Driving System

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그림 9는 기존 LED 구동 시스템을 통한 시뮬레이션 결과로 각 상에 흐르는 전류의 크기가 각기 다르게 나타는 것을 볼 수 있으며 최대 270mA의 편차가 발생하는 것을 확인하였다. 그림 10은 Y형 전류 평형 변압기를 적용한 시뮬레이션 결과로 각 상에 흐르는 전류가 정상적으로 전류 평형을 달성하는 것을 확인할 수 있다.

이후 본 논문에서 제시하는 밸런싱 커패시터의 효과를 확인하기 위하여 밸런싱 커패시터를 제거한 시뮬레이션과 밸런싱 커패시터를 적용한 시뮬레이션 결과를 도출 하여 비교 하여 결과를 그림 11그림 12에 나타냈다. 그림 11는 밸런싱 커패시터를 적용하지 않은 회로에 대한 시뮬레이션 결과이다. 그림의 Ia는 A상에 흐르는 전류로써 Y형 전류 평형 변압기를 통해서 각 상에 일정한 전류가 흐르고 있지만 병렬로 구성되어 있는 각 상의 2열에 흐르는 전류 $I_{a1}$, $I_{a2}$에는 약 400mA의 전류 편차가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 그림 12은 밸런싱 커패시터를 적용한 후 각 상에 흐르는 전류를 확인한 것으로 밸런싱 커패시터를 적용하기 전과 다르게 상의 각 열에 흐르는 전류가 1A로 동일한 것을 확인할 수 있다.

4. 실험결과

제안하는 시스템의 타당성을 실험적으로 검증하기 위하여 시뮬레이션과 동일하게 그림 8표 1의 스펙을 기반으로 하드웨어를 제작하여 실험을 진행하였다. 그림 13그림 14는 제작된 프로토타입의 하드웨어의 사진이다. 시뮬레이션과 마찬가지로 제안하는 시스템이 적용되었을 경우와 적용되지 않은 경우에 대하여 실험을 진행하였다. 그림 15는 제안한 회로의 비교군으로 그림 3의 회로를 구현하여 실험한 결과 파형이다. LED열에 흐르는 전류가 균일하지 않고 전류 편차는 LED의 정격 전류 750mA에 대비하여 46.7%의 오차를 나타냈다. 그림 16은 제안하는 시스템을 적용하였을 경우의 측정 파형이다. 각 LED열에 흐르는 전류가 일정 한 것을 확인할 수 있다. 실험에서는 시뮬레이션에서 고려되지 않은 일부 기생성분들이 존재하여 동일한 기준 전류를 대비 2.1%의 전류편차를 보여 전류 평형 커패시터를 적용하기 전에 비해 44.6%의 개선되는 것을 확인할 수 있었다.

그림. 13. 프로토타입 하드웨어

Fig. 13. Prototype Hardware

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그림. 14. 프로토타입 하드웨어

Fig. 14. Prototype Hardware

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표 2. 실험결과

Table 2. Experiment Result

기존 방식

제안하는 방식

광효율[lm/W]

117.3

129.6

연간소비전력량[Wh]

18.5

16.9

전류편차[%]

46.7

2.1

그림. 15. 기존 LED 구동 시스템의 LED 전류

Fig. 15. LED Current in a Conventional LED Drive System

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그림. 16. 제안하는 LED 구동 시스템의 LED 전류

Fig. 16. LED Current of the Proposed LED Driving System

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전류 평형을 통한 시스템의 성능 개선을 확인하기 위하여 시스템의 전류편차, 광효율, 연간소비전력량을 실험을 통해 기존 제품과 비교하였다. 광효율은 100시간동안의 광속유지율을 측정하여 소비되는 전력량 대비 빛의 밝기를 통해 비교하였으며 연간소비 전력량은 1시간 동안의 소비전력량 Phour을 측정하고 이를 기반으로 하루소비전력량과 연간 소비전력량 Pyear을 도출하였다.

또한, 전류 편차의 경우에는 정상 동작 상태에서 각 채널의 조도를 측정하였다. 이때, 측정하지 않는 채널은 조도에 영향을 받지 않도록 암지로 빛을 차단 한 후에 측정을 진행하였다. 표 2는 실험을 통해 도출된 결과를 정리한 표이다. 광효율의 경우에는 기존 방식에 비하여 10.5%가 개선되었고 연간소비전력량은 8.6%가 절감되었으며 전류 편차는 44.6%가 개선된 것을 확인 하였다. 광효율을 경우에는 일정한 전류로 LED의 조도가 일정해짐에 따라서 전체 광효율이 증가한 것으로 판단되며 소비전력량은 전류 편차에 의해 상대적으로 큰 전류가 흐르던 소자에서 발생하는 손실이 작아짐에 따라서 개선된 것으로 판단된다.

5. 결 론

본 논문에서는 다중 LED 열간 하이브리드 전류 평형 구조를 적용한 실내조명 시스템을 제안하였다. Y형 전류평형 변압기를 적용하여 기존에 발생하던 LED 조명 시스템의 열간 전류편차를 줄이고 Y형 전류평형 변압기의 각 상을 2열 병렬로 구성하여 추가적인 전력밀도, 효율, 단가 등을 개선하고자 했다. 이때 LED를 병렬 구성함에 따라서 발생하는 추가적인 전류 편차를 밸런싱 커패시터를 추가하여 전류 평형이 가능하도록 회로를 개선하였다. 제안하는 방법의 타당성을 검증하기 위하여 시뮬레이션 및 실험을 진행하였고 그 결과로 기존 제품 대비 전류 편차 44.6%, 광효율 10.5%, 연간소비전력량 8.6%의 개선을 확인하였다. 제안하는 방식의 경우 LED 뿐만 아니라 기타 전류 평형 기술이 필요한 분야에 활용될 것을 판단된다.

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저자소개

이정훈 (Jae-Gon Lee)
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1954년 10월 17생.

1999년 대진대학교 경제학과 졸업. 2002년 동 대학원 경제학과졸업(석사).

2019년∼현재 동 대학 전기공학과 박사과정.

1995년∼현재 희성전기회장.

유재곤(Jae-Gon Yoo)
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1989년 9월 6일생.

2015년 대진대 전기공학과 졸업. 2018년 동 대학원 전기공학과졸업(석사).

2018년∼2023년 동 대학원 전기공학과졸업(박사), 2023년∼현재 한국전자기술연기원 Post. Doc

김종수(Jong-Soo Kim)
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1975년 3월 5일생.

2008년 성균관대 대학원 전자전기컴퓨터공학과 졸업(석사).

2011년 동 대학원 전자전기컴퓨터공학과 졸업(공박).

2011년∼2012년 서일대 전기과 강의교수.

2012년~2013년 삼성종합기술원 MD연구소 Power Lab 전문연구원.

2013년∼현재 대진대 전기전자공학부 부교수.

당 학회 재무이사.