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  1. (Master's Course, Dept. of Transportation System Engineering, Korea National University of Transportation, Korea.)
  2. (Graduate School of Transportation, Korea National University of Transportation, Korea.)



Exit Lights, Railway Station, Flyback Converter, Power Factor Correction

1. 서 론

철도역사가 지하화되고 노선이 증가되면서 노선간 환승체계에 따른 역사 건물은 구조가 복잡·다양해지고 심층화되고 있어 위험요인이 증가하고 있다. 따라서 화재 등의 재해가 발생할 수 있는 요인이 많아지고 화재로 인한 인명 및 재산상의 피해 규모가 확대되고 있는 실정이므로 화재를 조기에 감지하고 경보하는 것이 무엇보다 중요하다. 이와 같은 경보에 의해 철도 역사를 이용하는 승객들에게 원활한 피난을 유도하여 생명을 보전케 하는 것은 화재진압 못지않게 매우 중요한 부분을 차지한다. 피난을 유도하는 설비인 유도등, 유도표지, 피난유도선의 역할은 화재 시 역사 건물의 어떤 지점에서도 피난에 대하여 방해받지 않고 피난층, 역사물의 외부 및 공공도로로 피난할 수 있도록 유도하여 주는 장치이다(1). 이러한 장치 중 유도등은 최근 화석 에너지의 고갈과 환경 보호에 대해 사회적으로 관심이 높아지고 있는 추세에 따라 에너지 절감을 위해 표시 광원을 형광등에서 냉음극관, 냉음극관에서 LED로 교체하는 방법으로 진행되고 있다(2-6). 유도등에 사용되는 LED는 특성상 한 방향만 전류가 흐르는 특성을 가지고 있어 역방향 전압을 가해도 켜지지 않기 때문에 단상 교류전류의 경우 절반만의 전력만이 활용되며, 또한 역방향으로 과도한 전압이 걸리면 LED가 손상 될 수 있다. 그러므로 LED 안정 점등을 위해 AC전원을 사용하는 경우 DC로 변환하기 위한 회로가 필요하다. 일반적으로 이러한 회로로 절연형 스위칭 컨버터인 플라이백 컨버터가 유도등에 적용되고 있다. 현재 사용하는 유도등의 경우 AC-DC를 변환하는 과정에서 브릿지 정류회로를 통해 나온 전파정류를 평활화하기 위해 사용되는 커패시터에 의해서 역률이 크게 저하하게 된다.

본 논문에서는 기존의 유도등에 일반적으로 적용되고 있는 플라이백 컨버터회로에 역률개선(Power Factor Correction)회로를 적용하여 단상 교류전원 입력측 역률을 향상시킬 수 있도록 제안하였다.

2. 유도등에 적용된 플라이백 컨버터 해석

그림 1은 플라이백 컨버터가 적용된 실제 유도등 회로의 일례를 보여준다. 단상 교류전원이 인가되면, 다이오드 정류회로를 통해 직류전원으로 변환되고 절연형 DC/DC 컨버터를 통해 직렬로 연결된 LED를 점등하게 된다(7).

그림. 1. 유도등 회로도

Fig. 1. Exit light circuit

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유도등 및 유도표지 안전기준(NFSC 303) 제9조에 따르면, 『유도등의 전원은 화재 등의 사고로 일반배선의 전원이 차단되더라도 일반부하에 의한 영향을 받지 않고 정상적으로 작동될 수 있도록 해야 한다. 이를 위해 축전지, 전기저장장치 또는 교류 전압의 옥내간선으로 하고 전원까지의 배선은 전용으로 하여야 한다.』로 정의되어 있다(1). 따라서 교류전원을 공급받는 입력부와 LED 유도등이 있는 부하와 절연을 확보하여 상호간 안정성을 확보하고 있다. 또한 변압기 2차측과 부하측 사이에 축전지 등을 연결하여 외부입력교류전원이 차단되더라도 부하에 연속적으로 전원이 일정시간 공급되도록 설계되어 있다.

그림. 2. 스위칭 동작에 따른 전류파형(불연속 모드)

Fig. 2. Current waveform on switching operation(DCM)

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일반적으로 DC/DC 컨버터의 경우 다이오드의 역전압과 역전류가 낮아 출력 리플을 고려하여 연속모드(Continuous Conduction Mode : CCM)를 사용한다. 그러나 AC/DC 컨버터의 경우 다이오드의 역전압과 역전류가 크므로 손실도 커지게 된다. 따라서 역전류의 흐름을 억제하기 위해 불연속모드(Discontinuous Conduction Mode : DCM)를 사용하였다. 플라이백 컨버터 불연속 모드에서 동작 특성을 고찰하기 위하여 각 부의 파형을 그림 2에 나타내었다.

입출력 전압 관계식을 구하기 위해 변압기의 자화 인덕턴스 $L_{m}$에 Voltsec 평형 조건을 적용하여 관계식을 구하면 식(1)~(3)과 같다.

(1)
$n =\dfrac{N_{2}}{N_{1}}$

(2)
$V_{C "_p{"I}}\times DT=\dfrac{V_{C}}{n}\times D_{2}T$

(3)
$V_{C}=n\times\dfrac{D}{D_{2}}\times V_{C"_{"I}}$

여기서, $n$ : 권수비, $V_{C"_{"I}}$ : 플라이백 컨버터 입력전압, $V_{C}$ : 플라이백 컨버터 출력전압

$D_{2}$를 구하기 위해 $I_{Lm}$의 $I_{p}$를 구하면 식(4)와 같고 이를 통해 $I_{o}$를 구하면 식(5)식(6)으로 표현된다.

(4)
$I_{p}=\dfrac{\dfrac{V_{C}}{n}}{L}\times D_{2}T$

(5)
$I_{D"_{"P}}=\dfrac{I_{p}}{n}$

(6)
$I_{o}=\dfrac{V_{C}}{R_{f}}=\dfrac{1}{2}\times D_{2}\times I_{D"_{"P}}$

여기서, $I_{p}$ : 변압기 자화인덕터 최대전류, $I_{D"_{"P}}$ : 다이오드 최대전류, $R_{f}$ : 플라이백 컨버터 출력단 부하저항

식(4),(5)식(6)에 대입하면 식(7)식(8)과 같다.

(7)
$n^{2}\times\dfrac{2L}{R_{f}T}=D_{2}^{2}$

(8)
$D_{2}=n\times\sqrt{F}$

여기서, $F=2L/R_{f}T$

이때 플라이백 컨버터 출력은 배터리 충전 및 승압형 컨버터 입력 측에 인가된다. 플라이백 컨버터는 불연속 모드를 사용하여 출력 커패시터의 리플전류가 크다. 따라서 플라이백 컨버터 출력단에 승압형 컨버터를 사용하여 LED에 인가되는 전류를 정전류로 만들어 유도등의 LED가 항상 일정한 밝기를 유지할 수 있도록 설계되었다.

승압형 컨버터 경계 모드에서 동작 특성을 고찰하기 위하여 입출력 전압관계식을 구하기 위해 인덕터 $L_{B}$에 Voltsec 평형 조건을 적용하여 입출력 관계식을 구하면 식(9)식(10)으로 표현된다.

(9)
$V_{C}\times DT=(V_{B"_{"C}}-V_{C})\times(1-D)T$

(10)
$V_{B"_{"C}}=\dfrac{1}{1-D}\times V_{C}$

여기서, $V_{C}$ : 승압형 컨버터 입력전압, $V_{B"_{"C}}$ : 승압형 컨버터 출력전압

승압형 컨버터의 출력 리플 전압 및 전류를 구하면 식(12)식(13)과 같다.

(11)
$\triangle V_{B"_{"C}}=\dfrac{\triangle Q}{C_{B}}=\dfrac{I_{B"_{"O}}\times DT}{C_{B}}=\dfrac{V_{B"_{"C}}}{R_{B}\times C_{B}}\times DT$

(12)
$\triangle V_{B"_{"C}}=\dfrac{V_{B"_{"C}}\times D}{R_{B}\times C_{B}\times f}$

(13)
$\triangle I_{B"_{"O}}=\dfrac{\triangle V}{R_{B}}$

여기서, $\triangle Q$ : 커패시터 충방전 전하량, $C_{B}$ : 승압형 컨버터 출력 커패시터, $\triangle V$ : 승압형 컨버터 출력 리플전압, $\triangle I_{B"_{"O}}$ : 승압형 컨버터 출력 리플전류, $R_{B}$: 승압형 컨버터 출력단 부하저항

2.1 기존 플라이백 컨버터 적용한 LED 유도등

표 1은 기존 플라이백 컨버터 및 승압형 컨버터를 적용한 LED 유도등에 대한 파라미터를 보여준다. 플라이백 컨버터와 승압형 컨버터의 주스위칭 소자의 주파수는 60kHz이고 절연형 컨버터의 변압기는 1차측 권선수가 2차측에 비해 높음을 알 수 있다.(7)

표 1. 시스템 파라미터

Table 1. System Parameters

파라미터

플라이백 스위칭 주파수 $f$

60kHz

승압형 스위칭 주파수 $f_{B}$

60kHz

입력측 커패시터 $C_{i}$

4.7uF

변압기 1차측 권선수 $N_{1}$

175

변압기 2차측 권선수 $N_{2}$

28

플라이백 출력측 커패시터 $C_{f}$

680uF

승압형 인덕터 $L_{B}$

220uH

승압형 출력측 커패시터 $C_{B}$

100uF

그림 1에 대해 각 부 파형을 측정하였으며, 이때 유도등 입력전원으로 단상 교류전원인 220[V]를 사용하였다. 그림 3은 입력측 전압 및 전류파형으로 LED 유도등을 결선하였을 때 역률이 53.7%로 매우 낮음을 확인하였다.

그림. 3. 유도등 회로의 입력전압 및 입력전류 파형 [(4ms/div),$V_{s}$(100V/div)(y축), $i_{s}$(50mA/div)(y축)]

Fig. 3. Input voltage, current waveform of exit light

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그림. 4. 유도등 입력전류 FFT[$f$(250Hz/div), $i_{s}$(2mA/div)(y축)]

Fig. 4. Input current FFT of exit light

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그림 4그림 3의 유도등 입력전류에 대한 FFT 분석 파형으로 저차 고조파가 매우 많음을 알 수 있다. 그림 5는 플라이백 컨버터의 각 부 파형을 보여준다. 스위칭 소자가 턴 온(Turn On)하게 되면 (a)에서 보듯이 스위칭 소자 양단에는 전압이 인가되지 않으며 동시에 (b)와 같이 전류가 상승하게 된다. 변압기는 극성이 반대이므로 (c)와 같이 다이오드는 오프되어 양단에 전압이 존재하게 되며 스위칭 소자가 턴 오프되면 (d)처럼 다이오드에 전류가 흐른다. 따라서 플라이백 컨버터는 그림 2에 보듯이 불연속 모드로 동작하고 있음을 알 수 있다.

그림. 5. 플라이백 컨버터 각 부 파형

Fig. 5. Voltage, current waveform of flyback converter

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.10.1548/fig5_1.png

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.10.1548/fig5_2.png

그림 6은 단상 교류전원 220[V]를 인가한 상태에서 배터리가 연결되었을 때 승압형 컨버터의 각 부 파형을 보여준다.

외부로부터 단상 교류전원이 공급되게 되면 배터리에 에너지를 축적하면서 동시에 LED 유도등에 전원을 공급하게 된다. (a)에서 보듯이 스위칭 소자가 턴 오프에서 턴 온이 되면 (b)처럼 스위칭 소자에 전류가 상승하게 되며 이 구간동안 다이오드는 역전압이 되어 (c)와 같이 전압이 인가되고 이후 (b)에 흐르던 전류는 (d)처럼 전류가 다이오드를 통해 흐르게 된다. 다이오드에 흐르는 전류가 다시 스위칭 소자가 턴 온될때까지 승압형 컨버터의 인덕터에는 (e)와 같이 불연속 모드 전류가 흐르고 있음을 알 수 있다.

그림. 6. 승압형 컨버터 각 부 파형(외부전원+배터리)

Fig. 6. Voltage, current waveform of boost converter

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../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.10.1548/fig6_2.png

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.10.1548/fig6_3.png

그림. 7. 승압형 컨버터 각 부 파형(배터리만 연결시)

Fig. 7. Voltage, current waveform of boost converter

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.10.1548/fig7_1.png

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.10.1548/fig7_2.png

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.10.1548/fig7_3.png

그림 7은 외부로부터 단상 교류전원 220[V]이 차단되었을 때 변압기 2차측에 연결된 배터리만 연결되었을 때 승압형 컨버터의 각 부 파형을 보여준다. 외부로부터 단상 교류전원이 공급되지 않은 상태에서 안정된 직류전원이 공급하게 되면 그림 6에서 보듯이 변압기에 의한 누설성분이 존재하지 않아 오실레이션이 발생하지 않고 승압형 컨버터 주스위칭 소자 동작에 따라 전류가 연속모드로 흐르고 있음을 알 수 있다.

2.2 개선된 플라이백 컨버터 적용한 LED 유도등

기존 플라이백 컨버터를 적용한 LED 유도등 회로는 역률개선을 반영하지 않고 있다. 이는 기존에 형광등을 이용한 유도등으로 역률개선이 필요하지 않기 때문인 것으로 판단된다. 그러나 LED를 적용한 유도등이 개발됨에 따라 전력변환장치가 요구되고 이에 따른 역률보상장치가 필요하다. 따라서 단상 교류전원을 공급받아 LED 유도등을 상시 점등하기 위해서는 정류회로가 필요로 하며 이에 대한 다양한 역률개선 방법이 제시되고 있다.

그림. 8. 수동필터를 추가한 개선된 LED 유도등 회로

Fig. 8. Advanced exit light circuit with additional passive filter

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.10.1548/fig8.png

본 논문에 적용된 주회로는 플라이백 컨버터 출력단 커패시터부 $C_{f}$와 4.8V 축전지가 병렬로 연결되어 있다. 따라서 그림 8과 같이 수동 필터를 추가하여 기존회로 변경을 최소화하고 역률을 개선할 수 있도록 하였다.

3. 시뮬레이션

시뮬레이션에 적용된 회로는 그림 8과 같다. 그림 1의 파라미터값은 그대로 적용하였으며, 수동필터 소자 $L_{i n}$=1.5mH, $C_{1}$=47nF, $C_{2}$=68nF을 사용하였다. 단지 변압기 1차측 주스위칭 소자의 듀티비(Duty ratio) 변화를 주면서 시뮬레이션을 구현하였으며 변압기 2차측 출력에 병렬로 배터리 전압 4.8[V]를 연결하였다. 배터리 출력측과 부하인 LED 유도등 사이에는 승압형 컨버터가 있으며 입력전원 대비 4배 정도 승압시키는 구조로 되어있다. 입력전원측 및 출력측 전압 또는 전류에 대해 피드백 제어를 하는 경우 역률 개선은 매우 효과적일 수 있으나, 본 논문에서는 기존 LED 유도등 회로 변화를 최소화하는데 초점을 두었다. 따라서 정류단과 변압기 1차측 사이에 매우 작은 값을 갖는 수동소자를 사용하였다. 그림 9는 플라이백 주스위칭 소자의 듀티비를 56%로 했을 경우에 대한 결과를 보여준다. 배터리 전압은 4.8[V]로 일정하게 유지되고 있으며 입력전압은 기본파 성분만이 있는 반면 입력전류는 양의 주기와 음의 주기가 교차하는 영전위 근처에서 왜곡되는 현상을 보인다. 이로 인해 고조파 분석을 한 결과 기본파 외에 3고조파가 작게나마 나타나고 있다. 하지만 역률은 98.3%로 매우 높은 결과를 보였다.

그림. 9. 주스위칭 소자 듀티비가 56%인 경우

Fig. 9. In case of duty ratio 56% on main switching device

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.10.1548/fig9.png

그림 10은 플라이백 주스위칭 소자의 듀티비를 50%로 했을 경우에 대한 결과를 보여준다. 입력전압은 정현파인 반면 입력전류는 양의 주기와 음의 주기가 교차하는 영전위 근처에서 왜곡되는 현상이 그림 9에 비해 심하게 나타나고 있다.

그림. 10. 주스위칭 소자 듀티비가 50%인 경우

Fig. 10. In case of duty ratio 50% on main switching device

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.10.1548/fig10.png

그림. 11. 주스위칭 소자 듀티비가 25%인 경우

Fig. 11. In case of duty ratio 25% on main switching device

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.10.1548/fig11.png

그림 10(b)에서 고조파 성분은 그림 9(b)에 비해 3고조파를 비롯한 9고조파까지 나타나고 있다. 이때의 역률은 96.1% 결과를 보였다.

그림 11은 플라이백 주스위칭 소자의 듀티비를 25%로 했을 경우에 대한 결과를 보여준다. 입력전압은 일정 주기를 갖는 정현파인 반면 입력전류는 양의 주기와 음의 주기가 교차하는 영전위 근처에서 전류가 흐르지 않는 구간이 존재하며 이로 인해 그림 11(b)에서 보면 3고조파가 타고조파에 비해 크게 나타난다. 이때의 역률은 95.5%로 높게 나타남을 확인하였다.

4. 결 론

본 논문에서는 플라이백 컨버터가 적용된 기존의 LED 유도등에 간단하게 역률을 향상시킬 수 있는 방안을 제시하였다. 기존 플라이백 컨버터는 일정한 부하인 LED 유도등에 적용되고 출력단에 4.8[V] 축전지가 병렬로 연결되어 있다. 따라서 수동 필터를 추가하여 기존회로 변경을 최소화하고 역률을 개선할 수 있도록 하였다.

플라이백 주스위칭 소자의 듀티비를 25%에서 56%까지 변화시킨 결과 역률은 95.5%에서 98.3%로 기존 LED 유도등의 역률 53.7%보다 높은 결과를 보였다. 일반적으로 AC/DC 컨버터의 역률을 개선하기 위해 전압 및 전류 피트백 제어, 다양한 토폴로지 개발, PFC전용 IC칩 소자를 회로에 적용하여 역률 보상을 높인 결과를 얻는다. 그러나 본 논문의 결과와 같이 수동필터를 추가하고 듀티비를 조절하여 비교적 저렴한 비용으로 높은 역률개선 효과가 있음을 확인할 수 있다.

향후 시뮬레이션을 바탕으로 수동필터를 적용하거나 전용 IC칩을 사용하는 등 저렴한 비용으로 하드웨어를 구현하여 제시된 결과에 대한 성능검증이 필요하다.

표 2. 기존과 개선회로 역률 비교 분석

Table 2. PFC analysis of conventional and advanced circuit

기존 회로

구 분

개선된 회로

역 률[%]

Duty ratio

역 률 [%]

53.7

0.56

98.3

0.5

96.1

0.25

95.5

Acknowledgements

본 논문은 교육부와 한국연구재단의 재원으로 지원을 받아 수행된 사회맞춤형 산학협력 선도대학(LINC+) 육성사업의 연구결과입니다.

References

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X. Xie, J. Wang, C. Zhao, Q. Lu, Nov 2012, A Novel Output Current Estimation and Regulation Circuit for Primary Side Controlled High Power Factor Single Stage Flyback LED Driver, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 27, No. 11, pp. 4602-4612DOI
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Y. Li, C. Chen, Nov 2013, A Novel Primary-Side Regulation Scheme for Single Stage High Power Factor AC-DC LED Driving Circuit, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 60, No. 11, pp. 4978-4986DOI
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6 
Hyun-haeng Lee, Sep 2011, PFC Flyback converter of Interleave Method, Patent OfficeGoogle Search
7 
Exit Light, 2020, Digilogtech Inc.Google Search

저자소개

오 효 석(Hyo-Seok Oh)
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2020년 인덕대학교 메카트로닉스공학과 졸업.

현재 한국교통대학교 교통시스템공학과 석사과정

김 민 섭(Min-Seop Kim)
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2019년 인덕대학교 메카트로닉스공학과 졸업.

현재 한국교통대학교 교통시스템공학과 석사과정

심 규 석(Kyu-Seok Shim)
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1999년 청주대학교 전자공학과 졸업.

1998년~2000년 (주)파워프라자 선임연구원.

2000년~2003년 (주)금비전자 선임연구원.

2003년~2008년 (주)시니드 수석연구원.

2008년~2011년 (주)딥노이드 수석연구원.

2011년~ (주)디지로그테크 대표이사 겸 연구소장 현재 한국교통대학교 교통시스템공학과 석사과정

장 진 영(Chin-Young Chang)
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2006년 철도대 철도차량전기과 졸업.

2015년 중앙대 대학원 전자전기공학부 졸업(공박).

2006년~현재 한국교통대 교통대학원 교통시스템공학과 조교

김 재 문(Jae-Moon Kim)
../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.10.1548/au5.png

1994년 성균관대 전기공학과 졸업.

2000년 2월 동 대학원 졸업(공박). 2000년∼2004년 현대모비스㈜ 기술연구소 선임연구원.

2006년∼현재 국토교통부 철도기술 전문 위원.

2004년 3월∼2012년 2월 한국철도대학 철도차량전기과

2013년 3월∼현재 한국교통대학교 교통시스템공학과 교수