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준서 원
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월간전자부품기고문 369 사외용 총제목 : 형광등용전자식안정기설계기법 () 전자식안정기의기본원리및인버터회로설계법 () 타려식안정기용 IC 사용법 (3) 능동 PFC (Power Factor Correction) Controller 설계법 (4) 각종보호회로설계법 (5) EMI 필터설계법및 PCB Layout 기법 저자소개 주성준공학박사,

1 월간전자부품기고문 369 사외용 총제목 : 형광등용전자식안정기설계기법 () 전자식안정기의기본원리및인버터회로설계법 () 타려식안정기용 IC 사용법 (3) 능동 PFC (Power Factor Correction) Controller 설계법 (4) 각종보호회로설계법 (5) EMI 필터설계법및 PCB Layout 기법 저자소개 주성준공학박사, 시스템제어공학전공, 965년생, 989년서울대학교전기공학과졸업, 99년동대학원석사졸업, 997년동대학원박사졸업 997년 ~999년삼성전자 System LSI 사업부선임연구원 999년 ~년 Fairchild Korea 반도체마케팅과장, 년 ~년 A&D반도체시스템설계및전략마케팅팀장 년 ~ 현재인터피온반도체 ( 주 ), 전략마케팅팀장, 이사 mkt@terpionsemi.com

2 기술문서관리번호 :SS369-9 사외용 () 전자식안정기의기본원리및인버터회로설계법 총서론 국내외에너지절감에관한요구가증가하면서우리나라에서가장많은에너지의사용분야중하나인전력분야에서도각분야별로절감노력이진행되고있다. 에너지관리공단에따르면조명에관하여사용하는에너지소모량은연간소비전력의약 8% 를차지하고있다고한다. 현재조명기기중기계식안정기를사용하는형광등기구의조명시스템을전자식안정기로바꾼다면소모전력이 5% 정도감소할뿐아니라램프의수명까지증가하는부대효과를얻을수있어많은광기구관련업체에서전자식안정기에대한기술개발이매우활발히진행되고있다. 또한한국전력공사는전기이용효율향상을통한수요관리방안의하나로고효율기기를설치또는교체하는고객에한하여리베이트를해주는고효율기기보급지원제도를제정하고지원기기에대한품질과신뢰성확보를위해 고마크 제도를운용하고있다. 고마크 기기에대한리베이트제도가향후계속존속할지는아직미지수이지만만일이러한장려금이폐지된다면기존의장려형태의규정에서법적으로고효율기기만판매할수있는강제규정으로바뀔수있는가능성이크다고할수있다. 본논고에서는총 5회에걸쳐고효율전자식안정기를제작하는방법에대하여상세하게설명하고자한다. 5회에걸치는동안실제전자식안정기를설계하는데필요한여러기법들과계산식들을제시하여누구나손쉽게실제사용가능한전자식안정기를설계할수있도록할예정이다. 참고로본논고에서제작하게되는전자식안정기는능동 PFC(Power Factor Corrector) 를채택한타려식전자안정기이며구동부의 IC 부품은최근국내파워아날로그반도체회사로급부상중인인터피온반도체 ( 의전자식안정기용제품중 MOSFET구동 IC인 IP3과 Power Factor Correction IC인 IP3을사용하여설명하였다.[] 하지만다른회사의제품을사용하더라도전자식안정기의근본적인원리는같기때문에응용하는데큰어려움은없을것으로생각한다. - -

3 기술문서관리번호 :SS369-9 사외용. 형광등용전자식안정기시스템의개요 전자식안정기는입력 AC (Alternative Current) 전원에서정류과정을통하여 DC(Direct Current) 로변환하고이것을스위칭회로를통하여원하는주파수와파고 (amplitude) 를갖는고주파 AC 전원을만들어안정적으로형광등을점등할수있도록해주는장치로정의할수있다. 회사나제품에따라저가모델의경우 PFC부분을수동회로를사용하는경우가있으나최근능동역률회로를사용하는제품이늘어나고있는추세이다. 또한인버터를구동하기위해 Driver부분에구동 IC를사용하는방식이타려식방식이며드라이버대신링코어를사용하여서로교번으로켜지게하는방식이자려식방식이다. 전자안정기는각회사마다조금씩차이가있지만대략다음그림과같은구조로이루어져있다.[] PFC EMI Filter Rectifier Driver + PFC Inverter Resonant Tank 그림. 전자식안정기구성도 Lamp 일반적으로전자식안정기는 6Hz의 AC전원을 DC 직류전원으로정류하고이 DC전원을인버터를통하여 K[Hz] ~ 3K[Hz], 4K[Hz]~5K[Hz] 의고주파 AC전원을발생하여램프를점등한다. (3K[Hz]~4K[Hz] 는적외선리모콘의사용주파수대이기때문에피하여설계하여야한다 ) AC 를 DC로정류하는과정에서불연속피크전류가흐르고이러한불연속피크전류는역률 (Power Factor) 을감소시키게될뿐아니라외부전원을왜곡시켜고조파 (Harmonics) 를발생시키게된다. 따라서전자식안정기에서는반드시어떤형태이든지 PFC (Power factor correction) 회로가필요하다. 이러한 PFC회로로수동형은밸리필 (alley Fill) 회로나향상된밸리필회로 (Improved alley Fill) 회로가많이사용되고능동형은 PFC를사용한승압형컨 - 3 -

4 기술문서관리번호 :SS369-9 사외용 버터회로가많이사용된다 []. 인터피온반도체는 년에능동형 PFC IC인 IP3를선보인바있고 3년 8월부터 IP3 대비내압특성을개선한 IP3를공급할예정이다. PFC 입력단에 PFC회로가사용되어지면인버터의스위칭주파수가 KHz이상의고주파로스위칭하기때문에입력단에많은전원노이즈가발생되게되고이를막기위한 EMI필터의채택이필수적이다. 이러한입력회로를거쳐서 DC로만들어진전원은 AC전압일경우대략 DC 3~5의전압을갖게된다. DC 전압은하프브리지인버터를통하여고주파 AC전압으로바뀌게되며이 AC전압은공진회로를거쳐램프에고주파전압을공급하게된다. 형광등의경우초기방전개시때방전되기전까지일정시간필라멘트를예열해주는과정이반드시필요한데이기간에따라형광등의수명이상당히차이가난다. 따라서대부분의타려식구동반도체는예열주파수및방전후구동주파수를조절하고각종보호회로기능을간단히구현할수있는제품들이다.. 출력단하프브리지인버터회로 일반적으로다음그림과같은공진형하프브리지회로가전자식안정기의출력단에가장많 이사용되어지고있다. [][][4] L C C C 그림. 전자식안정기의공진형하프브리지출력회로위의그림에서 MOSFET는상하측이교번으로켜지게되고그에따라 L-(C,C ) 의공진이이루어지게된다. MOSFET의스위칭주파수가공진주파수에가까워지게되면형광등에는사 - 4 -

5 기술문서관리번호 :SS369-9 사외용 인파의전압이가해지게된다. 초기에램프를점등하기위해서는보통때의방전유지전압보다큰전압을인가해야하는데필라멘트가충분히가열되어열전자를많이방출할수있을때는큰충격전압이없이방전할수있다. 따라서램프를방전하기위해서는통상공진주파수보다큰주파수로안정기를동작시켜전류가수백 [msec] 동안의필라멘트를통하여흐르도록하는과정이필요하며이러한과정을 Preheat과정이라고부른다. 거의모든방전관의경우는방전전과방전후의특성이많이달라지게되는데위회로의해석도방전전과방전후로나누어계산을해야한다. 점등전후의등가회로는다음그림과같이주어진다. []. L C R filaments L C Before ignition After ignition C R Lamp C (a) (b) 그림. 점등전과점등후의등가회로위의그림에서 (a) 는점등전의등가회로이다. 점등전에램프의저항은거의무한대이기때문에전류는인덕터 (L) - 램프의필라멘트- C -Lamp 필라멘트-C 을통하게되는데그림.의 (a) 에서는램프양쪽의필라멘트의직렬합의값을 R filaments 로정의했다. 먼저점등전의 LC공진회로의이득을구하기위해 (a) 회로에흐르는전류를 i 라고하고회로방정식을구해보면 j ω L R i = j C j C ω ω 이된다. 여기서 C CC T C + 라고하고전류를구하면다 C 음식과같다. R j L + ω i = C ω T, i = R + j ωl ωc T () - 5 -

6 기술문서관리번호 :SS369-9 사외용 위식으로부터공진주파수를구하려면허수부 = 이므로 ω L = 이되고공진주파수는 ω C T 다음식으로주어진다. f ω = () π π LC T = 이때양호도 (Quality Factor) Q 를구하면 Q 의정의에의해다음과같이주어진다. L L Q = ω = (3) R R C T 점등전의램프저항 R Lamp 은거의무한대이고필라맨트저항 R filaments 는약 ~5 [Ω] 이기때문 에점등전의공진회로에는양호도 Q-Factor 가상당히크게나타난다. 실제램프에걸리는전압은 C 에걸리는전압이므로 C 전압 C 를구하면다음과같다. C = j ω = C R j L j RC L C + ω ω ω ω T ωc T (4) 입출력이득 (Ga) 을계산하면다음과같이구할수있다. C = (5) ω L + jωrc ωc T 따라서점등전공진주파수에서이득을구하면다음과같다. C ω = ω = ω RC = LC RC T (6) 위식으로부터공진전의입출력이득은 L과 C에따라상당히큰값을만들수있음을알수있다. 다음그림은 C을 47(4,7[pF]), C를 47(4,7[pF]), 인덕터를.3[mH] 로선정하고필라멘트저항을 5[Ω] 으로했을때입출력이득을주파수에대하여나타낸그래프이다. 약 68.4[KHz] 가공진주파수이고이득은약 가량되는것을알수있다

7 기술문서관리번호 :SS369-9 사외용 x 4 그림.3 점등전의공진이득전압 램프가방전을개시하고나면램프양단의저항은수백 Ω 정도로낮아지게되고전류는램프 와램프에병렬로연결된콘덴서를통하여흐르게된다. 점등후의회로방정식을구하기위해 각회로의전류i,i 를다음그림과같이정의한다. L C C i i R Lamp 그림.4 점등후공진회로의전류정의 Lamp 저항 R Lamp 를 R 로정의하고위회로의메쉬방정식을구하면다음과같다

8 기술문서관리번호 :SS369-9 사외용 j ω L + + i i = j C j C ω ω jωc (7) jωc i + R + jωc i = i = + jωrc i (8), ( ) 위식들로부터전류 i 를구하면다음과같이주어진다. i = ω RLC RC + C + + R j ωl ωc 위식으로부터공진주파수를구하면다음과같다. (9) f ω = = () π π LC 점등후의공진주파수는램프에병렬로취부된콘덴서 C 값에무관한값이라는것을주의해 야한다. 앞의예에서와같이 C 을 47(4,7[pF]), C 를 47(4,7[pF]), 인덕터를.3[mH] 로정했을때점등후의공진주파수는 48.4[KHz] 임을알수있다. 저항R에걸리는전압 LAMP 는 Lamp = i R 이므로입출력이득은다음과같이계산되어진다. Lamp = ω R + R + j ωl ωc RC RLC + C () 위식으로부터점등후의공진주파수ω = 에서입출력이득을구하면다음과같다. LC Lamp R = R ω = ω = () 공진주파수에서입출력이득은 이며따라서입력전압이공진주파수에있다고하더라도큰이득은얻을수없음을알수있다. 공진주파수의물리적인의미는공진주파수에서허수부 =가되는주파수이지만그림.4와같이저항성분이회로내에서무시할수없을때는반드시공진주파수에서최대이득이일어난다고볼수없다. 다음그림은앞의예에서램프저항 - 8 -

9 기술문서관리번호 :SS369-9 사외용 을 [Ω] 에서 8[Ω] 까지 [Ω] 단위로극단적으로변경했을때최대이득주파수와이득 과의관계를나타낸것이다. 4 R=7[Ω] [Ω].5 R=[Ω] x 4 그림.5 점등후램프저항을 [Ω] 에서 R=8[Ω] 까지가변했을때의이득그래프 (C=47, C=47, L=.3[mH]) 위의그림으로부터램프의저항에따라최대이득을주는주파수는램프의저항이작을때는 π LC 에가까워지고램프의저항이증가할때는방전전의공진주파수인 π LC T 에 가까워짐을알수있다. 실제램프저항은 [Ω]~3[Ω] 정도의값을가지므로입출력이 득은. 정도이고주파수는 π LC 보다약간큰값을갖는다. 램프의저항은온도나주파수전류크기등에따라가변하게되는데이저항값은전류가증가 함에따라 8% 정도상승한다 [3]. 따라서실제전자식안정기의점등후동작주파수는 π LC 보다약 5K[Hz]~8 K[Hz] 정도크게동작을시켜야한다. 최근출시되고있는많은 Dimmg 용전자식안정기 IC 들은주파수를변경함으로써그림.5 의이득그래프에따라램프 - 9 -

10 기술문서관리번호 :SS369-9 사외용 양단의전압을조절하여램프에서소모되는전력을조절하는방식을채택하고있다. 실제인버터를설계할때는램프에서소모되는전력을측정하여인버터이득과그주파수를결정해야한다. 예를들면만일 DC Lk 전압의크기를가변하기어려울경우최대이득주파수에서램프에원하는전력보다큰전력이소모될경우램프의수명을위해주파수를조절하던지아니면인버터의인덕터또는콘덴서값을조절하여이득을줄여서사용하는경우다. 인버터를설계할때한가지주의할점은초기방전시 Preheat가끝나고방전이개시되면위에서기술한대로최대이득주파수가낮아지게되는데인버터에사용되는콘덴서는시간이지남에따라점차용량이줄어들게되어이에따라공진주파수가커지게된다. 따라서방전개시후스위칭주파수를선정할때는새로운부품일때의공진주파수보다약간큰쪽에서설정하여시간이경과한후콘덴서의용량감퇴에의한공진주파수증가시안정될수있다. 부록 : 인덕터설계방법 전자식형광등안정기시스템은인덕터를정밀하게설계해야정확한시스템의동작을얻을수있다. 부록에서는정확한인덕터의설계법을다루고그설계예를제시하였다. 인덕터를설계할때먼저결정되어야할외부파라메터는다음과같다.. 코어의재료 코어의재료는시스템의동작주파수와가격에따라달라진다. 일반적으로많이사용되는 코어의재료는 ferrite core 이며이코어의경우 Bmax 는.3[T] 로주어진다.. 인덕터값 시스템의동작주파수에따라인덕터의값 L 을결정한다. 3. 최대전류 imax 및동작 RMS 전류 irms 시스템의동작전압에따라최대전류값 imax 를결정하고소모전력으로부터인덕터전 - -

11 기술문서관리번호 :SS369-9 사외용 류의 RMS 값 irms 를결정한다. RMS 의측정이나계산이어려울경우다음근사식을이용한 다. i m i rms imax + 3 i () max 인덕터를설계할때반드시숙지하여야하는사항은인덕터는전기에너지를자기에너지로바꾸어에너지를저장하는매체라는점이다. 만일인덕터가저장할수있는양보다많은전류를흘리게되면코어의포화가일어나게되고이경우인덕터는더이상인덕터로작용하지못하고단순한권선저항으로바뀌게됨으로써많은전류가흐르게되어여러문제를야기시킨다. 따라서인덕터를설계할때는가장먼저저장하게되는최대에너지를계산하여그보다여유있게설계하여야한다. 인덕터에저장되는에너지는거의대부분이인덕터에서 Magnetic Flux 의경로상에있는 Air gap의 3차원공간에저장이되므로저장되는최대에너지보다여유있도록코어와 Air gap의크기등을선택하여야한다. 여러외부파라메터가결정되었을때만족하는인덕터는알고리즘설계방법에의하여구하는것이좋다. 설계알고리즘은다음과같다. STEP. 인덕터에저장할수있는최대에너지 W max 를계산한다. W max = Li max () STEP. 대부분의에너지는인덕터코어의 Air Gap 에저장이되므로최대에너지 W max 를저장 할수있는 Air Gap 의체적을계산한다. W max B = (3) max g μ 여기서 7 µ = 4π [H/m], 3 g [m ] 는 Air Gap의체적이다. - -

12 기술문서관리번호 :SS369-9 사외용 g A 그림 인덕터의간략도 주어진체적으로부터코어의단면적 A 를구하고그에따른 g 를계산한다. 이때 Air gap 의크 기는 5[mm] 이상을넘지않는범위에서코어의단면적 A 를선택하여야한다. Step3. 계산된 g, A로부터턴수N을결정한다. μ AN L = (4) g Step4. 인덕터의권선굵기에대한허용기준은 4[A/mm ] 를가정하면권선의직경 [mm] 은 다음식으로주어진다. i rms φ = [mm] (5) π 주어진알고리즘대로설계하면원하는사양의인덕터를설계할수있다. 다음 Example은실제사용되는인덕터를설계한예이다. Example: L=.[mH], imax=[a], irms=.5[a], Bmax=.3[T] (ferrite EI core) 로주어지는 인덕터의설계 - -

13 기술문서관리번호 :SS369-9 사외용. 먼저인덕터에저장이되는에너지의최대값 Wmax 는다음과같다. W max 3 = Limax =.4 [ J ] (6). 에너지가저장이되는 air gap 체적 g 를구하면 g 3 8 = µ Wmax = 6.7 [ m ] (7) B max 3. 식 (7) 로부터코어를선택할수있다. 아래그림은 EI 코어의 Air gap 체적을나타낸그림 이다. g A g 그림. EI코어의 Air gap체적 EI코어에대하여 Airgap 체적을계산해보면위의그림으로부터 EI코어의 Airgap 체적은전체단면적에 Gap크기를곱한값이된다. 가장많이사용되는삼화전자의 EI8코어의경우전체단면적은.859x -4 [m ] 이므로 Gap은.36[mm] 이상을유지해주면충분한에너지용량을갖게된다. Gap의크기를.5[mm] 로정한다. 4. 위의결과로부터턴수 N을계산하면다음과같다. 여기서주의할점은 EI코어의경우인덕터값을계산할때에너지가저장되는 Air gap을계산할때에적용된단면적과다르다는점이다. 에너지저장체적의경우 Magnetic flux가흐르는도중에있는모든공기의체적이해당하기때문에공기에접하는모든면을단면적으로계산하였지만 L값을계산할경우 Flux - 3 -

14 기술문서관리번호 :SS369-9 사외용 가흐르는통로에대한단면적만이유효한단면적이기때문에 EI8 코어의경우단면적 A 는 중앙부분만의단면적인 8.5x -5 [m ] 이된다. 따라서턴수는다음과같이구할수있다. N = L g µ A = [Turn] (8) 5. i rms 값으로부터권선의직경을다음과같이결정한다..5 φ =.7[ mm] (9) π 따라서삼화전자의 EI8S ferrite core를선택하여 Air gap에.5[mm] 두께의 sheet를삽입하고적당한보빈에직경.7[mm] 의동선을 76~77 턴을감으면원하는사양의인덕터를얻을수있다. 이때보다정밀한인덕터의값은 air gap의크기를미세조절하여얻을수있다. 참고문헌 [] 주성준, 가장간편하고튼튼한형광등안정기용반도체 IP3의사용법, 응용노트, 인터피온반도체, 3 [] 류태하, 조규형, 전자식안정기시스템과제어IC관련기술동향, 전기전자학회지 4권 3호, pp. 8, 999 [3] 이진우, 전자식안정기를위한형광램프모델링, 99 한국조명전기설비학회학술대회논문집, pp.6-9, 999 [4] R. L. Steigerwald, A comparison of half-bridge resonant converter topologies. IEEE Trans. Power Electronics, vol.3, No., pp.74 8, 988 [5] J.G. Kassakian, M.F. Schlecht and G.C. erghese, Prciples of Power Electronics, Addison Wesley,

실험 5

실험 5 실험. OP Amp 의기초회로 Inverting Amplifier OP amp 를이용한아래와같은 inverting amplifier 회로를고려해본다. ( 그림 ) Inverting amplifier 위의회로에서 OP amp의 입력단자는 + 입력단자와동일한그라운드전압, 즉 0V를유지한다. 또한 OP amp 입력단자로흘러들어가는전류는 0 이므로, 저항에흐르는전류는다음과같다.