KR100282642B1

KR100282642B1 - 무전극 램프 구동용 영전압 스위칭 인버터회로

Info

Publication number: KR100282642B1
Application number: KR1019970022697A
Authority: KR
Inventors: 계문호; 조기연; 김성욱; 김희준
Original assignee: 윤문수; 한국전기연구소
Priority date: 1997-06-02
Filing date: 1997-06-02
Publication date: 2001-02-15
Also published as: KR19990000056A

Abstract

본 발명은 무전극램프에 유도성소자 및 용량성소자를 직렬 및 병렬연결하여 2.5MHz의 구동 주파수에 공진하는 공진회로를 구성하고, 한 쌍의 스위치소자를 교번적으로 단속하여 상기 무전극램프에 전력을 공급하되 상기 단속되는 스위치소자는 영전압 스위칭을 이루도록 구현함으로써, 스위칭 효율을 높이고 전력손실을 최소화 하도록 하는 무전극 램프 구동용 영전압 스위칭 인버터회로에 관한 것으로서, 공급전원(Vin)을 분압하는 분압 커패시터(Cin1,Cin2) ; 무전극램프(A)의 병렬등가회로를 구성하는 등가저항(R) ; 광 등가인덕터(Lr) ; 상기 무전극램프 등가회로에 병렬연결되는 공진 커패시터(C20) ; 상기 무전극램프(A)와 상기 분압 커패시터(Cin1,Cin2)의 연결점간에 연결되는 공진 인덕터(L20) ; 상기 무전극램프 등가회로와 상기 분압 캐패시터(Cin1,Cin2) 사이에 각각 연결되어 두개의 폐회로를 구성하는, 전계효과 트랜지스터(FET)로 구성되는 제1 및 제2스위칭소자(Q11,Q12) ; 상기 제1 및 제2 스위칭소자(Q11,12)의 기생성분인 두개의 기생 다이오드(D11,D12) ; 기생 커패시터(C11,C12) ; 및 상기 복수으 전계효과 트랜지스터(Q11,Q12)의 게이트에 개폐신호를 인가하는 제어회로부(30) ; 를 포함하여 구성되어, 구동회로의 크기를 축소하면서도 전력손실이 보다 절감되고, 고주파 스위칭을 수행하는 스위칭소자의 전압 및 전류 스트레스를 제어하여 소자의 수명 또한 연장되는 효과가 있는 매우 우수하고 유용한 발명이다.

Description

무전극 램프 구동용 영전압 스위칭 인버터회로

본 발명은 영전압 스위칭 인버터회로를 이용한 무전극 램프 구동회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무전극램프에 유도성소자 및 용량성소자를 직렬 및 병렬연결하여 2.5MHz의 구동 주파수에 공진하는 공진회로를 구성하고, 한 쌍의 스위칭소자를 교번적으로 단속하여 상기 무전극램프에 전력을 공급하되 상기 단속되는 스위칭소자는 영전압 스위칭을 이루도록 구현함으로써, 스위칭 효율을 높이고 전력손실을 최소화하도록 하는 무전극 램프 구동용 영전압 스위칭 인버터회로에 관한 것이다.

일반적으로, 무전극 램프는 전자유도법칙에 의해 외부에서 내부가스를 방전시켜 발광하기 때문에 램프 내부에 전극이 존재하지 않는다. 따라서, 기본적으로 전력이 소모되는 부분을 갖지 않으므로 종래의 램프에 비해 수명이 길고 유지보수면에서 큰 잇점이 있다. 무전극 램프는 현재 선진 각국에서 실용화 연구가 진행되고 있으며, 일반 조명용 램프로서의 이용이 점점 확대되어 가고 있는 실정이다.

무전극 램프의 구동은 램프시동시 부터 안정점등까지 주회로의 전압, 전류의 피크치가 크게 변화하기 때문에 램프 시동 및 안정점등을 만족하는 구동회로가 요구된다. 또한 무전극 램프 점등회로의 동작주파수는 코일에서 플라즈마로 흐르는 에너지 결합효율을 고려해서 결정해야 하는데, 개방 페라아트 코어 무전극 램프인 경우 동작주파수가 1.5MHz에서 결합효율이 90%이상이 된다. 그러므로 무전극램프의 구동에는 동작주파수가 1.5MHz 이상의 고주파 전압이 필요하게 됨을 알수 있다.

통상적으로 무전극 램프의 구동회로에는 대부분 선형 전력증폭기가 이용되고 있으나, 발열로 인한 낮은 변환 효율과 상기 구동회로의 크기자체가 비대해지는 문제로, 스위칭 타입의 인버터회로로 대치하여 사용하고 있다. 그러나, 종래의 PWM 인버터는, 스위칭 소자의 스위칭손실로 인하여 1.5MHz이상의 주파수에서는 동작시킬 수 없으므로, 전력효울이 크게 떨어지는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 소형의 크기로 제작이 가능하면서도 영전압 스위칭을 구현하여 전력효율을 향상시킴으로써, 고주파로 무전극 램프를 점등시키는 무전극 램프 구동용 영전압 스위칭 인버터회로를 제공하는 데 그 목적이 있는 것이며,

본 발명의 다른 목적은, 무전극램프의 등가소자의 값이 변화되는 경우에도 임피던스가 급격하게 커지지 않도록 하여 전력공급이 무전극램프로 최대한 전달될 수 있도록 하는 무전극 램프 구동용 영전압 스위칭 인버터회로를 제공하는 것이다.

제1도는 본 발명에 따른 무전극 램프 구동용 영전압 스위칭 인버터회로를 도시한 구성도이고,

제2도의 (a)는 무전극램프의 등가회로를 도시한 것이고,

(b)는 무전극램프가 포함된 공징회로의 정등전 주파수 변화에 따른 리액턴스(X)를 도시한 것이고,

제3도는 본 발명에 따른 제1도의 무전극 램프 구동용 영전압 스위칭 인버터회로의 각 구분된 모드에 따른 등가회로도이고,

제4도의 (a)는 개폐신호를 생성출력하는 제어회로부의 주요 부분 파형도이고,

(b)는 제3도의 각 구분된 모드별 파형도이고,

제5도는 본 발명에 따른 무전극 램프 구동용 영전압 스위칭 인버터회로의 스위칭 소자의 전류 및 전압파형을 도시한 것이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

Cex : 시정수 조정용 커패시터 Cin₁,Cin₂: 분압캐패시터

C11,C12 : 기생 커패시터 C20 : 공진커패시터

D11,D12 : 기생 다이오드 L20 : 공진인덕터

Lr : 무전극램프 등가인덕터 Q11.Q12 : 스위칭소자

R : 무전극램프 등가저항 Rex : 시정수 조정용 저항

R₁,R₂: 풀업(pull-up)저항 Ta : 다이오드(D11,D12)도통시간

Tc : 커패시터(C11,C12) 충방전 소요시간

Td : 데드타임(dead-time) Vab : 노드 a-b 간 양단전압

V_DS1, V_DS2: 스위칭소자(Q11,Q12)의 드레인-소스간전압

V_GS1, V_GS2: 스위칭 소자(Q11, Q12)게이트 인가전압

30 : 제어회로부 31 : 발진기

32,33 : J-K 플립플롭

33;33' : 단안정 멀티바이브레이터(mono-stable multivibrator)

34 : 구동회로

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무전극 램프 점등용 영전압 인버터회로는, 복수의 분압 커패시터의 전력으로 무전극 램프를 구동하는 회로에 있어서, 상기 무전극 램프와 이에 직렬된 공진소자를 포함하여 구성되는 공진회로 ; 상기 무전극 램프의 점등상태에서의 상기 공징회로의 임피던스가 영이 되는 공진주파수에 근접한 주파수를 갖는 한 쌍의 교번하는 개폐신호를 각각 출력하는 개폐수단 ; 및 상기 개폐신호에 의해 상기 복수의 분압커패시터의 전력을 교번적으로 상기 공진회로에 각각 공급하는 복수의 스위칭회로를 포함하여 구성되되, 상기 캐패수단은 상기 하나의 스위치회로에 개방시호 인가 후 다른 스위칭회로에 단락신호 인가시까지의 시간이, 상기 공징회로에 인가된 전압의 반전시작시부터 완전반전할 때까지의 소요시간보다 크고, 상기 반전시작시 부터 상기 공진회로를 흐르는 전류가 영이 될 때까지의 소요시간보다는 작도록 상기 개폐신호를 출력하는 것에 특징이 있는 것이며,

본 발명에 따른 무전극 램프 구동용 영전압 스위칭 인버터회로는 상기 개패신호의 주파수가, 상기 무전극램프의 점등상태에서의 상기 공징회로의 임피던스가 영이 되는 공진주파수 이상의 값으로 설정되는 것에 다른 특징이 있는 것이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 무전극 램프 구동용 영전압 스위칭 인버터회로에서는, 상기 개폐수단에서 출력되는 고주파 개폐신호에 의해 상기 복수의 스위칭회로가 교번적으로 단락되면서 복수의 커패시터에 의해 분압된 전원전압을 상기 무전극램프에 인가한다. 상기 고주파 개폐신호가 주파수는 상기 공진회로의 무전극램프 점등 후 임피던스가 영이 되는 주파수에 근접하게 설정되어 상기 분압된 전원전압이 상기 무전극램프에 최대한 전달되게 된다. 상기 개폐수단이 상기 스위칭회로 중 하나를 개방시키게 되면, 개방된 스위칭회로의 양단전압이 서서히 증가하고, 이에 따라 상기 공진회로 양단의 전압이 반전되면서, 전원전압값을 유지하던 또 하나의 다른 스위칭 회로 양단전압은 감소하기 시작한다. 상기 공징회로 양단이 완전히 반전되면서 상기 전원전압값을 유지하던 다른 스위칭회로의 양단전압이 영으로 되면, 상기 공진회로를 흐르고 있던 공진전류는 양단전압이 영이 된 다른 스위칭회로내의 정류소자 성분을 순방향으로 흐르게 된다. 상기 개폐수단은 이 시점부터 상기 공진전류가 영이 될 때까지의 시구간내에 상기 다른 스위칭회로를 단락시키는 개폐신호를 인가함으로써, 영전압 상태에서 상기 스위칭회로가 개방에서 단락상태로 스위칭되어 상기 공진회로에 전력을 공급하게 되는 것이다.

이하, 본 발명에 따른 무전극 램프 구동용 영전압 스위칭 인버터회로의 바람직한 실시예의 구성 및 동작에 대해, 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 무전극 램프 구동용 영전압 스위칭 인버터회로를 도시한 회로도로서, 공급전원(V_in)을 분압하는 분압 커패시터(Cin₁,Cin₂) ; 무전극램프(A)의 등가회로인 도2의 (가)의 병렬등가회로를 구성하나는 등가저항(R)과 등가인덕터(Lr); 상기 무전극램프 등가회로에 병렬연결되는 공진 커패시터(C20); 상기 무전극램프(A)와 상기 분압 커패시터(Cin₁,Cin₂) 사이에 각각 연결되어 두개의 폐회로를 구성하는, 전계효과 트랜지스터(FET)로 구성되는 제1 및 제2스위칭소자(Q11,Q12); 상기 제1 및 제2스위칭소자(Q11,Q12)의 기생성분인 두개의 기생 다이오드(D11,D12); 기생 커패시터(C11,C12); 및 상기 복수의 전계효과 트랜지스터(Q11,Q12)의 게이트에 개폐신호를 인가하는 제어회로부(30); 를 포함하여 구성되어 있으며,

상기 제어회로부(제어회로부)는 일정주파수의 발진신호를 출력하는 발진기(31); 상기 발진신호의 상승 에지(edge)입력시마다 출력상태가 전환되는 J-K플립플롭(32,32'); 입력되는 신호의 상승 에지로 부터 시정수 조정저항(Rex) 및 커패시터(Cex)에 의해 결정되는 시간만큼 출력신호(Q)를 '논리1' 상태(이하, HIGH 상태라 함)로 유지하는 단안정 멀티바이브레이터(33.33'); 및 상기 단안정 멀티바이브레이터(33,33')의 출력신호(Q)를 전력증폭하여 상기 전계효과 트랜지스터(Q11,Q12)의 게이트를 구동시키는 구동회로(34);를 포함하여 구성된다.

이하에서는, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 무전극 램프 구동용 영전압 스위칭 인버터회로의 동작을 상세히 설명한다.

도2의(a)는 무전극램프의 등가회로를 도시한 것으로서, 이 중 방전관은, 방전이 개시될 때까지는 무부하로서 작용하고 점등후에는 순수한 저항으로 작용하게 된다.

도2의 (b)는 상기 무전극램프(A)와, 상기 공진 커패시터(C20) 그리고 상기 공진 인덕터(L20)가 연결된 지로(a-b)의 방전개시전 주파수변화에 따른 리액턴스(X)의 특성을 나타낸 것으로서, 도시된 바와 같이 리액턴스(X)는 병렬공진 주파수 (

) 부근에서 급격히 커지며, 직렬공진 주파수 (

) 에서 0이 된다.

또한, 방전개시되어 램프가 점등되면, 병렬공진 주파수(fo)와 직렬공진 주파수 (fr)은 각각,

로 되고,

로 되는데, 상기 스위칭소자(Q11,Q12)를 개폐시키는 개폐신호의 스위칭주파수(fs)는 상기 직렬공진 주파수(fr)보다 다소 높게 설정한다.

무전극램프가 점등후에 저항값이 고정되지 아니하고 일정폭 내에서 변동하기 때문에 이로 인해 임피던스가 영이 되는 직렬공진 주파수(fr)의 값이 변동되게 된다. 상기의 스위칭주파수(fs)를 직렬공진 주파수(fs)와 일치시키는 것이 가장 바람직하지만 직렬공진 주파수의 값이 변동되어 상기 스위칭소자(Q11,Q12)를 개폐시키고 있는 스위칭주파수(fs)의 값보다 커지게 되면 도2의 (b)에서 보는 바와 같이 무전극 램프의 임피던스가 급격히 커지게 되어 에너지 전달의 효율이 급격저하되므로 이러한 가능성을 배제하기 위해 스위칭 주파수(fs)를 직렬공진 주파수(fr)보다 다소 높게 설정하는 것이다.

본 실시예에서는, 발진주파수가 5MHz인 발진기(31)를 채택하고, 상기 J-K플립플롭(32,32')에 의해 상기 발진신호를 2분주하여 개폐신호의 기본 주파수로 사용함으로써, 스위칭주파수(fs)로 2.5MHz를 사용하였고, 상기 직렬공진 주파수(fr)는 이보다 다소 낮게 설정하도록 이 후에 설명되는 조건에 따란 상기 공진소자(L20,C20)값을 선택하였다.

상기와 같은 스위칭주파수(fs)에 의해 상기 스위칭소자(Q11,Q12)가 개폐되는 동작이 이루어질 때, 양 스위칭소자(Q11,Q12)가 동시에 개방되는 데드타임(Td)구간에서도, 부하에 해당하는 무전극램프가 유도성 임피던스이기 때문에 단락동안에 축적되어진 리액턴스 에너지에 의해 공진전류는 계속 흐르게 되고, 이 전류에 의해 상기 스위칭소자(Q11,Q12)의 기생커패턴스(C11,C12)가 충방전을 계속함으로서 영전압 스위칭을 실현하게 되는 것이다.

도4의 (a)는 상기 제어회로부(30)의 주요 부분의 파형을 도시한 것으로서, 상기의 개폐신호를 생성출력하는 제어회로부(30)의 동작을 상기 도4 (a)의 파형도를 참조하여 상세히 설명한다.

먼저, 상기 발진기(31)가 5MHz의 발진신호를 계속적으로 출력하면(도 4(a)의 ㉠), 상기 발진신호는, 출력신호 입력시마다 출력상태가 반전되는 상기 J-K플립플롭(32.32')에 의해 2분주되어 각각 출력된다(도 4 (a)의 ㉡,㉡') 상기 단안정 멀티바이브레이터(33,33') 중 하나(33')는 상기 J-K 플립플롭(32')의 반전출력단의 신호를 입력신호로 함으로서 출력상태 트리거(trigger)시점을, 다른 단안정 멀티 바이브레이터(33)와 180°의 위상차기 있도록 하고, 두개의 단안정 멀티바이브레이터(33,33')는 입력단(B) 신호의 상승에지시에 출력단(Q)의 신호를 HIGH 상태로 전환하여 일정시간(Tw) 유지하게 된다(도 4 (가)의 ㉢,㉢')

상기의 일정시간(Tw)은, 이 후에 설명되는 영전압 스위칭을 위해 필요한 데드타임(Td)의 저건을 만족할 수 있도록 시정수 조정저항(Rex)과 커패시터(Cex)의 값을 선택하여 결정하게 된다. 즉, 필요한 데드타임(Td)이 결정되면, 식 Tw=1/2.5 MHz-Td에 의해 상기 펄스폭 시간(Tw)이 구해지고, 이를 얻기 위해 필요한 시정수 조정저항(Rex)과 커패시터(Cex)의 값을 결정하게 되는 것이다. 상기 단안정 멀티바이브레이터(33,33')의 출력단으로 부터 원하는 펄스폭을 갖는 신호가 출력되면 이 신호는 상기 구동회로(34)에 의해 전력 증폭되어, 상기 전계효과 트랜지스터(Q11,Q12)의 게이트에 각각 입력되어 원하는 시간간격으로 공급전력을 단속(斷續)하게 되는 것이다.

도 3은, 영전압 스위칭을 이루면서 무전극램프에 전력을 공급하는 동작을 구분하고, 그 구분된 동작모드별로 전류흐름을 중심으로 도시한 모드별 등가회로도이며, 도4의(나)는 도3의 모드별 동작에 따라 주요 부분의 파형도로서, 이하에서는 도3의 등가회로도와 도 4 (나)의 파형도를 참조하여 상기 스위칭소자(Q11,Q12)가 영전압 스위칭을 이루게 되는 과정을 동작모드별로 상세히 설명한다.

모드 1(t₀-t₁)

모드 1(도 3의(가)참조)은, 상기 제1스위칭소자(Q11)의 게이트에 전압(V_GS1)이 인가되어 상기 제1스위치소자(Q11)는 단락, 상기 제2스위칭소자(Q12) 는 개방되어 있는 모드로서, 인가되는 전원(Vin)이 상기 분압 커패시터(Cin₁)에 의해 분압되어, 상기 공진 인덕터(L20)에 서서히 에너지를 축적시키면서 무전극램프와

상기 제1스위칭소자(Q11)를 통해 공진 전류(i)를 흘리게 된다. 상기 제1 스위칭소자(Q11)가 도통되어 있는 상태에서는 노드 a-b 의 양단에, 분압된 전압(E)이 인가되므로 상기 개방되어 있는 제2 스위칭소자(Q12)의 기생 커패시터(C12)에는 전원전압에 해당하는 전압2E(V)이 충전되어 유지되며, 이 모드는 상기 제1 스위칭소자(Q11)가 개방될 때까지 지속된다.

모드 2(t₁-t₂)

상기 제1스위칭소자(Q11)의 게이트 전압(V_GS1)이 0(V)가 되면 상기 양 스위칭소자(Q11,Q12)가 모두 개방되는 데드타임(Td)구간이 되면서 이 모드는 시작된다. 상기 제1스위칭수자(Q11)가 개방되면 상기 공진 인덕터(L20)에 축적된 에너지는 영전압 상태에서 상기 제1스위칭소자(Q11)의 기생 커패시터(C11)를 서서히 충전시키고, 이에 따라 드레인-소스간 전압(V_DS1)이 영에서 서서히 증가하기 시작하고 공진전류(i)는 감소하기 시작한다.

상기 제1스위칭소자(Q11)의 기생 커패기터(C11) 양단전압(V_DS1)이 증가함에 따라 무전극램프가 연결된 노드 a-b 양단전압(Vab)은 동일비율로 감소하며, 전원전압(2E)까지 충전되어 있던 상기 제2스위칭소자(Q12)의 기생 커패시터(C12)도 동일 비율로 방전한다(도 2의 (b)참조) 이 모드는 상기 제2스위칭소자(Q12)의 기생 커패시터(C12)가 완전히 방전하여 영이 되고, 이와 동시에 상기 제1스위칭소자(Q11)의 기생 커패시터(C11) 양단전압이 전원전압(2E)으로, 그리고 노드 a-b 양단전압이 반전된 분압전압(-E)으로 될 때까지 진행된다.

모드 3(t₂-t₃)

상기 제 2 스위칭소자(Q12)의 기생 커패시터(C12)가 완전히 방전되면 이 모드가 시작되는데, 이 때는 상기 제1 스위칭소자(Q11)의 기생 커패시터(C11)의 양단 전압(V_DS1)이 전원전압(2E)까지 충전되어 있어 상기 제2 스위칭소자(Q12)의 기생 다이오드(D11)에는 역전압이 인가되어 있지 않게 되므로, 상기 공진인덕터(L20)에 축적된 에너지에 의해 흐르고 있던 공진전류(i)는 상기 제2 스위칭소자(Q12) 의 기생 다이오드(D12)를 도통시키게 된다(도2의 (c)참조) 상기 스위칭소자(Q12)의 기생 다이오드(D12)가 도통되면 상기 제2스위칭소자(Q12)의 양단전압(V_DS2)은 영전압으로 클램프되므로, 상기 기생 다이오드(D12)가 도통 후, 순방향으로 흐르고 있던 전류가 반전될 때까지의 시간(Ta)내에 상기 제 2스위칭소자(Q12)를 단락시키게 되면 영전압 스위칭동작을 수행하게 되어 스위칭손실이 감소하게 되는 것이다.

상기와 같이 영전압 스위칭동작을 행하기 위해서는 상기 양 스위칭소자(Q11,Q12)가 모두 개방되어 기생 커패시터(C11,C12)가 충방전을 완료하는 전류(轉流)시간(Tc) 후에, 스위칭하고자하는 스위칭소자의 기생 다이오드가 도통되어 그 상태를 유지하는 도통유지시간(Ta)내에 해당 스위칭소자를 단락시켜야 하며, 따라서 다음 스위칭소자를 단락시킬 때까지의 데드타임(Td)은 다음 조건식을 만족시켜야 한다.

기생 다이오드(D11,D12)의 도통유지시간(Ta)을 정량적으로 구하면,

이고,

여기서,

₀는 점등 후 병렬공진 각주파수이고, ω_r은 점등 후 직렬공간 각 주파수이며,

이다.

따라서, 상기 스위칭수자(Q11,Q12)를 개폐시키는 게이트신호(V_GS1,V_GS2)의 데드타임(Td)이 상기의 두 식으로 부터 구해지는 범위내에 설정되어 교번적으로 상기 스위칭소자(Q11,Q12)에 인가되게 된다.

이 때 상기 기생 다이오드(D11,D12)의 도통유지시간(Ta)이 영이 되도록 하면, 즉 공진전류(i)가 영이 되는 시점에 상기 기생 커패시터(C11,C12)의 충·방전이 완료되도록 하면 영전압 스위칭을 갖는 최적동작이 이루어지게 된다. 이와같이 설정되면 상기 스위칭소자(Q11,Q12)의 드레인-소스간 전압(V_DS1,V_DS2)은 영에 가까운 기울기(=dV_DS/dt)로 떨어지고, 전압이 영이 된 시점에 바로 다른 스위칭소자가 단락되게 된다.

모드 4(t₃-t₄)

상기 제2스위칭소자(Q12)에 게이트 전압(V_GS2)이 인가된 후 상기 공진 인덕터(L20를 흐르던 전류가 영이 되면 이 모드가 시작되며, 이 때는 상기 제2 스위칭소자(Q12)를 통해 무전극램프에 역방향으로, 즉 노드b에서 노드a로 전력이 공급되게 된다(도 3의 (d)참조)

모드 5(t₄-t₅)

상기 제2스위칭소자(Q12)가 개방되면 이 모드가 시작되며, 이 모드에서는 충방전되는 기생 커패시터(C11,C12)와 흐르는 공진전류(i)의 방향이 상이할 뿐, 나머지 동작은 모두 모드2와 동일하다.(도 3의 (e)참조)

모드 6(t₅-t₆)

이 모드는 상기 기생 커패시터(C11,C12)의 충·방전이 완료된 후 상기 공진인덕터(L)를 흐르는 전류가 영이 될 때까지 지속되며, 상기 충방전이 완료되는 시점에 상기 제1스위칭소자(Q11)의 게이트에 전압이 인가되어 상기 제1스위칭소자(Q11)를 영전압에서 단락시키게 된다(도 3의 (f)참조). 이 때의 단락시점도 전술한 모드 3의 조건을 만족시키게 됨은 물론이다.

한편, 무전극램프의 점등 전은 점등 후에 비해 상기 공진 인덕트(L20)에 흐르는 공진전류의 피크치가 크기 때문에 상기 스위칭소자(Q11,Q12)의 내전류치(I

)를 초고하여 상기 스위칭소자(Q11,Q12)에 전류스트레스를 가할 수가 있다. 따라서, 상기 공진인덕터(L20)의 인덕턴스값을 다음 조건식을 만족하도록 선택함으로써 점등 전의 전류 피크치를 상기 스위칭소자(Q11,Q12)의 내전류치(I

)내로 제한할 수 있게 된다.

이며, ω_rx는 직렬공진 각주파수이다.

상기의 조건에 따라 상기 공진 인덕터(L20)의 값이 선택되면, 전술한 동작주파수(fs)의 직렬공진 주파수(fr)의 근접조건인 다음 식에 의하여 공진 커패시터(C20)의 값을 선택한다.

도 5는 상기 내전류치 (I

)를 2A로 하고, 전술한 조건을 만족하는 공진인덕터(L20)와 커패시터(C20)를 각각 15.3μH와 580pF로 선택하였을 때의 본 발명에 따른 무전극 램프 구동용 영전압 스위칭 인버터회로의 스위치소자의 전압 및 전류 파형을 도시한 것으로서, 스위칭소자의 게이트에 전압(V_GS)이 인가되는 시점(P₁,P₂)에서 양단전압(V_DS)이 영임을 확인할 수 있다.

상기의 실시예에서는 무전극램프에 병렬로 공진커패시터(C20)를 연결하고, 또한 공진커패시터(C20)가 연결된 무전극램프에 직렬로 공진인덕터(L20)를 연결하여, 이를 공진소자의 소자값으로 선택하였으나, 상기의 구성과는 달리 무전극램프에 공진소자의 병렬연결없이 무전극램프의 등가인덕터를 이용하여, 무전극램프에 직렬로 공진커패시터만을 연결한 뒤 이 소자의 값을 원하는 공진주파수에서 공진되도록 설정하여 사용할 수도 있다.

상기와 같이 구성되어 동작하는 본 발명에 따른 무전극 램프 구동용 영전압 스위칭 인버터회로는, 무전극 램프를 점등함에 있어서 그 구동회로의 크기를 축소하면서도 스위칭손실을 줄이는 영전압 스위칭을 구현함으로서 전력손실이 보다 절감되고, 고주파 스위칭을 수행하는 스위칭소자의 전압 및 전류 스트레스를 제거하여 소자의 수명 또한 연장되는 효과가 있는 매우 우수하고 유용한 발명이다.

Claims

복수의 분압 커패시터의 전력으로 무전극 램프를 구동하는 회로에 있어서,

상기 무전극램프에 각각 직렬 및 병렬로 연결된 유도성 소자 및 용량성 소자를 포함하여 구성되는 공진회로 ;

일정주파수의 발진신호를 출력하는 발진기와 상기 발진신호를 분주하는 분주기와 상기 분주된 신호의 상승 반전시마다 일정 펄스폭을 갖는 신호를 출력하고 상기 분두된 신호의 하강 반전시 또한 상기 출력신호와 상이한 출력단으로 상기 일정펄스폭을 갖는 신호를 각각 출력하는 펄스발생기와, 상기 펄스발생기의 복수 출력신호를 전력증폭하여 개폐신호로 각각 출력하는 구동회로를 포함하여 구성되어 상기 무전극 램프의 점등상태에서의 상기 공진회로의 임피던스가 영이 되는 공진주파수 이상의 값으로 설정된 주파수를 갖는 한 쌍의 교번하는 상기 개폐신호를 각각 출력하는 개폐수단 ; 및

상기 개폐신호에 의해 상기 복수의 분압커패시터의 전력을 교번적으로 상기 공진회로에 각각 공급하는 복수의 스위칭회로를 포함하여 구성되되,

상기 개폐수단은 상기 하나의 스위칭회로에 개방신호 인가 후 다른 스위칭회로에 단락신호 인가시까지의 시간이 상기 공진회로에 인가된 전압의 반전시작시부터 완전반전할 때까지의 소요시간보다 크고 상기 반전시작시 부터 상기 공진회로를 흐르는 전류가 영이 될 때까지의 소요시간보다는 작도록 상기 개폐신호를 출력하며 상기 유도성 소자는 상기 무전극램프 점등전 직렬 및 병렬 공진주파수와 동작주파수, 그리고 인가전압에 근거하여 상기 스위칭회로를 흐르는 전류가 스위칭 회로의 내전류치를 초과하지 않도록 유도용량이 설정되고, 상기용량성 소자는 상기 무전극램프의 점등상태에서의 상기 공진회로의 임피던스가 영이 되는 공진주파수가 동작시키고자 하는 동작주파수에 근접되도록 정전용량이 설정된 것을 특징으로 하는 무전극 램프 구동용 영전압 스위칭 인버터회로.