KR0166633B1

KR0166633B1 - 방전등용 전자식 안정기의 신호증폭형 자려식 게이트 구동회로

Info

Publication number: KR0166633B1
Application number: KR1019950050538A
Authority: KR
Inventors: 조규형; 윤용식
Original assignee: 윤덕용; 한국과학기술원; 이세용; 태원전기산업주식회사
Priority date: 1995-12-15
Filing date: 1995-12-15
Publication date: 1999-04-15
Also published as: KR970058379A

Abstract

본 발명은 방전등용 전자식 안정기의 게이트 구동회로에 관한 것이다. 본 발명의 방전등용 전자식 안정기의 게이트 구동회로는 전류트랜스포머(Tc)에 의해 자려식으로 구동되는 직렬공진형 인버터방식으로 전력용 MOSFET 스위칭트랜지스터(M1, M2)를 이용하여 방전등에 빛으로 발생하는 출력전력을 공급하는 방전등용 전자식 안정기에 있어서, 상기 전류트랜스포머(Tc)의 2차측에 저항(R₁₁, R₂₁)을 연결하고, 신호증폭용 트랜지스터(Q₁, Q₂)를 직렬연결하여 상기 전력용 MOSFET 스위칭트랜지스터(M1, M2)의 게이트를 구동하므로써 방전시 작은 게이트 구동전류로도 높은 주파수의 스위칭 동작이 가능하게 하도록 한 것을 특징으로 한다.

Description

방전등용 전자식 안정기의 신호증폭용 자려식 게이트 구동회로

제1도는 일반적인 방전등용 전자식 안정기의 회로도이다.

제2도는 방전시 공진전류의 증가현상을 보인 파형도이다.

제3도는 종래의 자려식 게이트 구동회로도이다.

제4도는 본 발명의 신호증폭형 자려식 게이트 구동회로도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 공진형 인버터 11, 12 : 게이트 구동부

21, 22 : 신호증폭형 게이트구동부 BD : 브리지 다이오드

M1, M2 : MOSFET 트랜지스터

C_T, C_F, C₁, C₂, C_P, C_S1, C_S2: 커패시터

D₁, D₂, D₁₁, D₁₂, D₂₁, D₂₂, D_S1, D_S2: 다이오드

L : 인덕터 R₁-R₄, R_T, R₁₁, R₂₁: 저항

Q₁, Q₂: 트랜지스터 T_c: 전류트랜스포머

Z₁₁, Z₁₂, Z₂₁, Z₂₂: 제너다이오드

본 발명은 방전등용 전자식 안정기의 게이트 구동회로에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 전류트랜스포머의 2차측에 저항을 연결하고, 신호증폭용 트랜지스터를 직렬연결하여 전력용 MOSFET 스위칭트랜지스터의 게이트를 구동하므로써 방전시 작은 게이트 구동전류로도 높은 주파수의 스위칭 동작이 가능하게 하도록 한 것을 특징으로 하는 방전등용 전자식 안정기의 신호증폭형 자려식 게이트 구동회로에 관한 것이다.

제1도는 일반적인 방전등용 전자식 안정기의 회로도이다. 이와같은 종래의 일반적인 방전등용 전자식 안정기는 전류트랜스포머(T_c)에 의해 자려식으로 구동되는 직렬 공진형 인버터 방식으로서, 스위칭트랜지스터(M1, M2)로는 전력용 MOSFET 트랜지스터를 이용하여 방전등에 빛나는 발생하는 출력전력을 공급한다. 제1도를 참조하여, 일반적으로 방전등이 방전되어 점등되기까지의 동작을 설명하면, 브리지 다이오드(BD)에 의하여 상용교류전원(AC)을 브리지정류한 후, 필터커패시터(C_F)로 평활하여 공진형 인버터(10)에 공급되는 직류전원이 만들어진다. 이어서, 인가된 직류전원에 의해 저항(R_T)과 커패시터(C_T)의 직렬연결가지에 전류가 흘러 커패시터(C_T)의 전압이 다이악(Diac)의 문턱전압에 이르면, 다이악은 단락되고 커패시터(C_T)의 전하가 순간적으로 스위칭트랜지스터(M2)의 게이트-소오스 기생커패시터를 충전시켜서 스위치트랜지스터(M2)의 턴-온 구동전압까지 올림으로써 스위칭트랜지스터(M2)를 온시킨다. 스위칭트랜지스터(M2)가 온되면, 스위칭트랜지스터(M2)의 드레인전위가 접지(GND)로 떨어지고, 이는 인덕터(L)와 커패시터(C_P, C_S1, C_S2)로 이루어진 공진탱크에 구형파의 전원이 인가된 것과 동일하므로, 공진전류가 스위칭트랜지스터(M2)로 흐르게 된다. 이 때에는 방전등이 점등되지 않는데, 그 이유는 방전등의 등가저항은 병렬로 연결된 커패시터(C_P)의 임피던스에 비해 상당히 크므로 공진전류가 커패시터(C_P)로 흐르고 방전등으로는 흐르지 않기 때문이다. 전류트랜스포머(T_C)는 공진전류의 방향에 따라 2차측에 전류를 유기하는데, 스위칭트랜지스터(M2)로 흐르는 공진전류의 방향은 트랜지스터(M2)를 계속 온시킨다.

한편, 상기 공진탱크에 흐르는 공진전류는 공진의 반주기 후부터 방향을 바꾸어 흐르고, 공진전류의 방향에 따라 전류트랜스포머(T_C)의 동작에 의하여 스위칭트랜지스터(M2)는 오프되고, 이와 동시에 나머지 반주기 동안 스위칭트랜지스터(M1)는 온된다. 이와 같이, 스위칭트랜지스터(M1, M2)는 공진의 반주기마다 교대로 온 및 오프를 반복하여 공진탱크에 구형파 전원을 만들고 공진전류를 제2도처럼 지속적으로 증가시킨다. 방전시 공진전류의 공진주파수를 하기 식(1)로 정해지고, 공진탱크의 특성임피던스는 하기 식(2)로 표시되는데, 보통 커패시터(C_S1+C_S2)의 값이 커패시터(C_P)보다 상당히 크므로 직병렬 연결된 커패시터(C_P, C_S1, C_S2)는 단일의 커패시터(C_P)로 등가화될수 있다.

한편, 방전전압은 하기 식(3)에서와 같이 방전시의 공진전류와 특성 임피던스의 곱으로 표현되는데, 식(3)에서 알 수 있듯이, 커패시터(C_P)의 양단전압은 공진전류의 증가와 함께 지속적으로 증가하여 방전전압에 이르러 방전등을 방전시키서 점등시킨다.

그런데, 나트륨램프와 같이 방전전압이 3000V에 이르는 고전압을 필요로 하는 방전등은 큰 값의 공진전류와 특성임피던스를 요구한다. 따라서, 상기 식(3)에서의 인덕트(L)값은 커패시터(C_S1, C_S2), 다이오드(D_S1, D_S2)와 더불어 점등후 정상상태에서 빛으로 발광하는 출력전력과 자청주파 대역을 벗어난 20㎑ 이상의 스위칭주파수를 조절하므로, 조정이 가능하지 않고, 오직 커패시터(C_P)만을 조정하여 특성임피던스를 증가시켜 고압의 방전전압을 얻는 방법이 현실적으로 가능하다. 큰 값의 커패시터(C_P)에서는 특성임피던스의 감소로 인하여 고압의 방전전압을 얻으려면, 방전시의 공진 전류가 상당히 커지기 때문에 대용량의 스위칭트랜지스터(M1, M2), 인덕터(L), 커패시터(C_P, C_S1, C_S2)가 필수적인 바, 이에 따라 필요 이상의 비용 및 크기와 무게가 증가된다. 따라서, 가능한 한 커패시터(C_P)의 값을 작게 하여 특성임피던스를 줄임으로써, 방전시 공진전류의 크기를 최소한으로 줄이는 것이 상당히 유리하다.

그러나, 특성임피던스를 증가시키기 위한 작은 값의 커패시터(C_P)는 상기 식(1)로 정해지는 방전시의 공진주파수를 더욱 증가시켜 자려식으로 구동되는 트랜지스터(M1, M2)의 스위칭 동작에 상당한 어려움이 있다. 왜냐하면, 하기 식(4)에서 스위칭트랜지스터(M1, M2)의 게이트-소오스간 기생커패시터에 충전되어 증가되는 전압은 전류트랜스포머(T_C)의 2차측에 유기되는 전류에는 비례하고 공진주파수와는 반비례 관계인데, 제2도와 같이 방전시 공진전류는 0에서 시작하므로 전류트랜스포머(T_C)의 2차측에 유기되는 전류도 0근처의 아주 작은 값에서 시작하고, 이에 따라 스위칭트랜지스터(M1, M2)의 턴-온 구동전압까지 올리기가 쉽지 않기 때문이다.

제3도는 제1도에 도시한 종래의 전자식 안정기의 자려식 게이트 구동회로도로서, 여기에서 저항(R₁, R₂)은 전류제한을 목적으로 구비되고, 백투백(back-to-back)식으로 연결된 제너다이오드(Z₁₁, Z₁₂, Z_21,Z₂₂)는 전력 MOSFET 스위칭트랜지스터(M1, M2)의 턴-온 게이트-소오스 구동전압을 제너다이오드의 항복전압 이하로 제한하기 위하여 구비된다. 그러나, 통상 정상상태에서의 공진주파수는 가청잡음을 제거하기 위하여 20㎑이상으로 설계되기 때문에, 방전시의 공진주파수는 100㎑에 이르게 되어 아무리 잘 설계된 전류트랜스포머(T_C)일지라도 제3도와 같은 단순한 구동회로도는 100㎑정도의 스위칭주파수는 불가능하다는 문제점이 있었다.

이에, 본 발명자들은 전술한 종래의 전자식 안정기의 자려식 게이트 구동회로의 문제점을 해결하기 위하여 예의 연구를 거듭한 결과, 전류트랜스포머의 2차측에 저항을 연결하고, 신호증폭용 트랜지스터를 직렬연결하여 전력용 MOSFET 스위칭트랜지스터의 게이트를 구동시키면, 트랜지스터를 구동하는 전류트랜스포머의 작은 신호를 증폭시켜 구동시킬 수 있어 방전시 작은 게이트 구동전류로도 높은 주파수의 스위칭 동작이 가능하다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명의 목적은 방전시의 공전주파수와 특성임피던스를 더욱 증가시켜서 방전등이 점등될 때까지의 큰 공전 전류를 가능한 한 작게 함으로써, 사용되는 소자들의 비용을 줄이고 전자식 안정기의 무게와 크기를 감소시킬 수 있도록 한 신규한 형태의 신호증폭형 게이트 구동회로를 제공함에 있다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 방전등용 전자식 안정기의 신호증폭형 자려식 게이트 구동회로는 전류트랜스포머에 의해 자려식으로 구동되는 직렬공진형 인버터방식으로, 전력용 MOSFET 스위칭트랜지스터를 이용하여 방전등에 빛으로 발생하는 출력전력을 공급하는 방전등용 전자식 안정기의 게이트 구동회로에 있어서, 상기 전류트랜스포머의 2차측에 저항을 연결하고, 신호증폭용 트랜지스터를 직렬연결하여 상기 전력용 MOSFET 스위칭트랜지스터의 게이트를 구동하므로써 방전시 작은 게이트 구동전류로도 높은 주파수의 스위칭 동작이 가능하게 하도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 방전등용 전자식 안정기의 신호증폭형 자려식 게이트 구동회로에 있어서, 바람직하게는 상기 신호증폭용 트랜지스터와 저항의 연결가지에 다이오드를 병렬연결한다.

또한, 본 발명에 따른 방전등용 전자식 안정기의 신호증폭형 자려식 게이트 구동회로에는 직류전원에 저항과 커패시터를 연결하고, 전류트랜스포머의 2차측이 다이오드를 거쳐 커패시터에 연결될수 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 상세히 설명한다.

제4도는 본 발명의 신호증폭형 자려식 게이트 구동회로도이다. 제4도에 도시한 바와 같이, 본 발명의 신호증폭형 자려식 게이트 구동회로는 전류트랜스포머(T_C)의 2차측에 저항(R₁₁, R₂₁) 및 신호증폭용 트랜지스터(Q₁, Q₂)가 직렬연결된 후에 전력용 MOSFET 스위칭트랜지스터(M1, M2)의 게이트에 연결된다. 나아가, 상기 저항(R₁₁, R₂₁)과 트랜지스터(Q₁, Q₂)의 연결가지에는 다이오드(D₁, D₂)가 병렬로 연결되며, 직류전원에는 저항(R₁, R₂)과 커패시터(C₁, C₂)가 연결된다. 이외에도, 전류트랜스포머(T_C)의 2차측은 다이오드(D₁₁, D₂₁)를 경유하여 커패시터(C₁, C₂)가 연결된다.

전술한 구성으로 이루어진 본 발명의 신호증폭형 자려식 게이트 구동회로를 이용하여 방전등이 점등되기까지의 동작을 설명하면, 방전초기의 공진전류가 0에서 시작하는 작은 값에서도 이를 트랜지스터(Q₁, Q₂)로 증폭한 후, 미리 충전된 커패시터(C₁, C₂)의 전류로 스위칭 트랜지스터(M1, M2)의 게이트-소오스 기생커패시터를 충전시키기 때문에, 방전시 100㎑ 이상의 공진주파수에서도 원활한 스위칭을 가능하게 한다. 상용 교류전원(AC)을 브리지 다이오드(BD)로 전파정류하여 직류전원이 인가되면, 저항(R₁, R₂)과 커패시터(C₁, C₂)의 직렬연결가지에 전류가 흘러서 커패시터 전압은 제너다이오드(Z₁₁, Z₂₁)의 항복전압으로 충전된다. 초기트리거에 의해 스위칭트랜지스터(M2)가 온되어 0에서 시작하는 공진전류가 흐르면, 전류트랜스포머(T_C)는 2차측에 미약한 전류를 유기한다. 이어서, 트랜지스터(Q₂)는 이 전류를 이미 만들어진 커패시터(C₂) 전원을 이용하여 증폭한 후에 스위칭트랜지스터(M2)의 게이트에 공급하므로써, 공진의 반주기동안 스위칭트랜지스터(M2)를 온시킨다. 공진의 반주기 이후에 공진전류의 방향이 바뀌면, 전류트랜스포머(T_C)의 2차측에 역방향의 작은 전류가 유기되고, 트랜지스터(Q₁)는 이 전류를 증폭하여 스위칭트랜지스터(M1)에 커패시터(C₁) 전원을 순간적으로 인가하므로써, 게이트-소오스 기생커패시터를 충전시켜 스위칭 트랜지스터(M1)을 온시킨다. 이와 동시에, 스위칭트랜지스터(M2)의 게이트-소오스 기생커패시터에 충전된 전하는 다이오드(D₂)를 통해 방전되어 스위칭트랜지스터(M2)는 오프된다. 결국, 공진전류의 방향에 따라 위와 같은 동작이 반복되어 스위칭트랜지스터(M1, M2)는 교대로 온, 오프하고, 제2도에서와 같이 공진전류는 지속적으로 증가하여 방전등을 점등시킨다

전술한 바와 같이, 방전초기의 0에서 시작하는 0에서 시작하는 작은 공진전류에 의해 유기되는 전류트랜스포머(T_C)의 미약한 2차측 전류로도 트랜지스터(Q₁, Q₂)의 증폭작용을 이용하여 방전식 100㎑이상의 공진주파수에서도 원활한 스위칭이 가능하다. 제4도에서 다이오드(D₁₁, D₂₁)는 이미 스위칭트랜지스터(M1, M2)가 온된 후에 전류트랜지스포머(T_C)의 나머지 2차측 전류를 커패시터(C₁, C₂)로 회생충전시키는 역할을 한다. 또한, 다이오드(D₁, D₂, D₁₂, D₂₁)는 순방향으로 전류를 흐르게 하고 역방향 전류의 흐름을 막기 위하여 주어진다. 제너다이오드(ZD₁₁, ZD₁₂, ZD₂₁, ZD₂₂)는 제3도에서 설명한 바와 같이 전력 MOSFET 스위칭트랜지스터(M1, M2)의 턴-온 게이트-소오스 구동전압을 제너다이오드의 항복전압이하로 제한하기 위해서 주어진다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 방전등용 전자식 안정기의 신호증폭형 자려식 게이트 구동회로에 따르면, 방전시의 공진주파수와 특성임피던스를 더욱 증가시켜서 방전등이 방전되어 점등될 대까지의 큰공진 전류를 가능한 한 작게 함으로써, 사용되는 소자들의 비용을 줄이고 전자식 안정기의 무게와 크기를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

전류트랜스포머(T_C)에 의해 자려식으로 구동되는 직렬공진형 인버터 방식으로 전력용 MOSFET 스위칭트랜지스터(M1, M2)를 이용하여 방전등에 빛으로 발생하는 출력전력을 공급하는 방전등용 전자식 안정기의 게이트 구동회로에 있어서, 상기 전류트랜스포머(T_C)의 2차측에 저항(R₁₁, R₁₂)을 연결하고, 신호증폭용 트랜지스터(Q₁, Q₂)를 직렬연결하여 상기 전력용 MOSFET 스위칭트랜지스터(M1, M2)이 게이트를 구동하므로써 방전시 작은 게이트 구동전류로도 높은 주파수의 스위칭 동작이 가능하게 하도록 한 것을 특징으로 하는 방전등용 전자식 안정기의 게이트 구동회로.
제1항에 있어서, 신호증폭용 트랜지스터(Q₁, Q₂)와 저항(R₁₁, R₂₁)의 연결가지에 다이오드(D₁, D₂)를 병렬연결한 것을 특징으로 하는 방전등용 전자식 안정기의 게이트 구동회로.
제1항에 있어서, 직류전원에 저항(R₁, R₂)과 커패시터(C₁, C₂)가 연결되고, 전류트랜스포머(T_C)의 2차측이 다이오드(D₁₁, D₂₁)를 거쳐 커패시터(C₁, C₂)에 연결된 것을 특징으로 하는 방전등용 전자식 안정기의 게이트 구동회로.