KR100460415B1 - Full Bridge Drive방식의 고압방전등용 전자식 안정기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고압 방전등용 전자식 안정기 회로로서 PFC회로와 PWM제어회로, Full Bridge Drive 회로, Ignition회로, Micom을 구비하는 전자식 안정기에서 PWM제어 회로를 Full Bridge Drive와 연동시켜 구동함으로서 제품의 재료비를 절감하고 종래방식에 비해 부품의 스트레스를 감소시켜 제품의 사용 기간을 배가시킬 수 있으며 램프를 안정적으로 구동 시킬 수 있다.

Description

Full Bridge Drive방식의 고압방전등용 전자식 안정기{Electronic Ballast Circuit of Full Bridge Drive Method}
도1은 HID 램프 구동을 위한 종래의 전자식 안정기의 회로도 이다. 도1에 도시된 바와 같이 전자식 안정기 회로(10)는 EMI 필터(12), Full Bridge Diode 정류기(14), 부스트 컨버터(16), 벅 컨버터(18), 커뮤테이터(20) 및 HID 램프가 연결되어 있다. EMI 필터(12)는 전자파 방해를 제거하는 역할을 하며, Full Bridge Diode 정류기(14)는 주 전원라인에서 제공되는 교류전압을 정류하는 역할을 한다. 부스트 컨버터(16)는 전자식 안정기(10)의 상부신호라인을 따라 놓여 있는 인덕터(22), 인덕터(22)에 직렬 연결된 다이오드(28)의 애노드와 하부 신호라인 사이에 연결되어 있고 PFC 제어회로(24)에 의해 제어되는 게이트 단자를 갖는 스위칭트랜지스터(26) 및 다이오드(28)의 캐소드와 하부 신호라인 사이에 연결되어 있는 커패시터(30)를 포함하며, 전원전류의 파형을 조절함으로써 전자식 안정기의 역률을 개선하고 안정된 높은 DC압을 출력한다.
벅 컨버터(18)는 상부 신호라인에 연결되어 잇고 PWM 제어회로(32)에 의해 제어되는 게이트 단자를 갖는 스위칭 트랜지스터(34), 스위칭 트랜지스터(34)에 직렬 연결되어 있는 인덕터(38), 인덕터(38)의 일측단에 연결된 캐소드와 하부 신호라인에 연결되어 있는 애노드를 갖는 다이오드(36) 및 인덕터(38)의 타측단과 하부신호라인 사이에 연결되어 있는 커패시터(40)를 포함하며 램프를 구동하기 위한 DC 전압을 발생 시킨다. 커뮤테이터(20)는 램프(20)로 공급되는 전류를 구형파로 바꿔주기 위하여 교대로 동작하는 4개의 트랜지스터 스위치를 포함하고 일반적으로 100Hz 범위의 구형파로 램프를 구동한다.
도1에 도시된 종래의 안정기 회로에서는 PFC제어회로(24)의 출력을 받아 다시 트랜지스터(34)와 PWM제어회로(32)에 의해 PWM 스위칭을 수행하게 되어 아이오드(36)와 인덕터(38), 커패시터(40)로 구성된 벅 컨버터 회로를 필요로 하게 된다.
본 발명은 전자식 안정기 회로에 관한 것으로 특히 고압방전등(High Intensity Discharge Lamp)의 구동을 위한 전자식 안정기 회로에 관한 것이다.
전자식 안정기는 많은 전력을 필요로 하기 때문에 역률 개선을 위하여 PFC회로가 필수적으로 사용되고 램프를 안정적으로 동작시키기 위하여 대부분의 경우 Full Bride Drive방식을 채용하여 램프를 구동한다. 또한 램프를 정전력 방식으로 제어하기 위하여 PWM회로를 채용하여 램프의 전류치에 따라 PWM 스위칭을 하게 된다.
본 발명의 목적은 커뮤테이터를 구성하는 Full Bridge Drive 방식의 4개의 트랜지스터를 램프 구동 주파수와 PWM 제어회로를 연동되게 제어하는 전자식 안정기 회로를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 램프 구동 주파수와 PWM제어회로를 연동해서 제어함으로서 종래방식에 비해 램프를 안정적으로 작동시키고, 부품 수를 절감할 수 있도록 하는 전자식 안정기 회로를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 램프 구동 주파수와 PWM제어회로를 연동해서 제어함으로서 종래방식의 스위칭 소자의 스트레스 비를 반감시켜 전자식 안정기의 수명을 배가할 수 있는 전자식 안정기 회로를 제공하는 것이다.
도1은 HID 램프 구동을 위한 종래의 전자식 안정기 회로도이다.
도2는 HID 램프 구동을 위한 본 발명에 따른 전자식 안정기의 블록도이다.
도3은 본 발명의 실시 회로도이다.
도4는 본 발명의 회로를 설명하는 파형도이다.
본 발명에 따른 전자식 안정기 회로는 PFC 제어회로(112), PWM 제어회로(115), Full Bridge Drive회로(114), 커뮤테이터(118) 및 Micom(117)을 구비하고 상기 PWM제어회로(115) 및 Full Bridge Drive 회로(114)(이상 [도2] BLOCK 도 기준)는 Micom에서 출력되는 램프를 구동하는 펄스와 연결된 AND 게이트(A)와 AND 게이트(A)의 출력과 연결된 인버터(B), 인버터(B)의 출력에의해 드라이브 되는 드라이브 IC(U2), 드라이브 IC(U2)의 스위칭에 따라 ON/OFF 되는 트랜지스터(Q4)를 구비하고, 램프의 전류를 감지하는 저항(R4)과, 저항(R4)에 의해 감지된 전압으로 발진 주파수를 만드는 저항(R5), 콘덴서(C3), 슈미터 인버터(H)로 구성된 PWM 발진 주파수를 구비하고, PWM 발진 주파수를 위상반전 하는 Exclusive OR 게이트(G)와Exclusive OR 게이트(G)의 값을 미분하는 저항(R2,R3)과 콘덴서(C1)를 구비하고, 미분 값을 입력하는 슈미터 인버터(E)와 슈미터 인버터(E)의 출력을 반전 시키는 인버터(F)와 인버터(F)의 출력과 연결된 두개의 AND 게이트(B,C)를 구비하고, 두 개의 AND 게이트 중 하나의 AND 게이트(C)는 상기 출력과 램프 구동 주파수의 인버팅(D)된 값과의 AND연산을 하여 PWM 제어회로의 한쪽 트랜지스터를 스위칭하는 트랜지스터(Q5)를 구비하고, 두 개의 AND 게이트 중 또 다른 하나의 AND 게이트(B)는 상기 출력과 램프 구동 주파수의 값과 AND연산 한 값을 출력하고 그 출력은 스위칭 트랜지스터의 드라이브 IC(U2)에 연결되고 드라이브 IC(U2)의 출력이 트랜지스터(Q2)와 연결되어 PWM제어 스위칭을 하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 PWM 출력은 드라이브 IC(U2)의 출력과 연결된 트랜지스터(Q4)와 AND 게이트(C)의 출력과 연결돤 트랜지스터(Q5), 트랜지스터(Q4)의 소스단자 및 트랜지스터(Q5)의 드레인 단자와 연결된 인덕터(L2), 인덕터(L2)와 연결된 콘덴서(C4)에 의해 벅 컨버터 기능을 하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 PWM 제어회로에 있어서 램프의 전류를 감지하는 저항(R1)과 저항(R1)과 연결된 저항(R2), 저항(R2)와 연결된 트랜지스터(Q1)에 의해 PWM출력의 OFF SET 값을 조절하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 Micom제어부에서 Micom의 제어신호를 받는 OP AMP(I), OP AMP(I)의 다른 입력은 램프의 전류를 검출하는 저항(R1)과 연결된 적분회로(R6, C5)의 입력을 받고 OP AMP(I)의 출력은 PWM OFFSET 값을 조절하는 트랜지스터(Q1)의 베이스에 연결된 것을 특징으로 한다.(이상 [도3]본 발명의 회로도 기준)
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전자식 안정기 회로에 대해 설명한다.
[도2]는 본 발명에 따른 전자식 안정기의 블록도로서 전원 입력라인(110)과 부스터 컨버터(111, 112)는 종래 회로와 동일하다 PWM제어회로(115)와 Full Bridge Drive회로(114) 및 Ignition(116)으로 구성되어 있는 블록(113)이 본 발명의 구성으로 이하 [도3]에 의거 동작을 설명한다.
고압방전램프의 안정기는 통상적으로 100Hz내외의 주파수로 램프를 구동하며 본 발명에서는 Micom에서 기본 구동 발진 주파수가 초기에 출력되고 트랜지스터(Q2, Q3)에 의해 램프로 전달된다. PWM 출력은 발진회로인 슈미터 인버터(H)와 그 주변 소자(R5, C3)에 의해 특정 주파수로 출력되어 트랜지스터(Q4, Q5)에 의해 전달된다.
램프의 구동 주파수는 Micom에서 출력되어 AND 게이트(A)에 인가되고 인버터(D)와 드라이브 IC(U1)에 의해 트랜지스터(Q2, Q3)를 램프의 구동 주파수에 따라 교대로 ON/OFF 시킨다.
전원이 인가되어 Ignition회로에 의해 램프에 전류가 흐르기 시작하면 슈미터 인버터(H)에 의해 만들어진 PWM 제어 신호는 Exclusive OR 게이트(G)에 인가되어 출력되는데 Exclusive OR 게이트(G)의 기능은 램프 구동 주파수 신호에 따라 역 위상이 되는 PWM 제어 신호의 위상을 항상 동일한 위상으로 유지시키는 기능을 한다. Exclusive OR 게이트(G)의 출력은 콘덴서(C1)와 저항(R2, R3)에 의해 미분되어 슈미터 인버터(E)에 인가 되어지고 램프 전압과 연동된 PWM 제어 신호를 만든다.이 신호는 인버터(F)에 의해 반전된 PWM 제어신호가 두개의 AND 게이트(B, C)에 각각 입력된다.
실험상 가장 적절한 램프 구동 주파수는 약 100Hz 전후의 주파수이며 PWM 제어 주파수는 70kHz 전후의 주파수를 가진다.
여기서 램프 구동 주파수가 "HIGH"인 구간 동안을 먼저 살펴보면 AND 게이트(A)로부터 출력된 "HIGH"신호가 인버터(D)에서 "LOW"로 되어 AND 게이트(C)의 출력이 "LOW"가 된다. 따라서 트랜지스터(Q5)는 "OFF"된다. 그러나 AND 게이트(B)의 출력은 인버터(F)의 출력이 그대로 전달되어 드라이브 IC(U2)에 인가되고 트랜지스터(Q4)에서 PWM 제어 신호가 인가된다.
또, 램프의 구동 주파수가 인버터(D)에서 "LOW"로 출력되어 드라이브 IC(U1)에 인가되므로 트랜지스터(Q2)는 "OFF"가되고 트랜지스터(Q3)가 "ON"되어 전류는 트랜지스터(Q4), 인덕터(L2), 트랜스(T1), 트랜지스터(Q3)를 통해 흘러 램프를 구동시킨다. 이때 PWM 제어 출력은 트랜지스터(Q4), 인덕터(L2), 콘덴서(C4)에 의해 벅 컨버터 기능을 하게 된다.([도4]의 3번 루트)
램프의 구동 주파수는 낮고 PWM 제어 주파수는 높기 때문에 램프의 구동 주파수가 "HIGH"나 "LOW"인 구간 내에서 트랜지스터(Q4)와 트랜지스터(Q5)는 "ON"과 "OFF"를 반복한다. 따라서 램프의 구동 주파수가 "HIGH"인 구간 동안 트랜지스터(Q5)는 "OFF"상태를 유지하고 트랜지스터(Q4)가 PWM 제어 주파수에 따라"ON"과 "OFF"를 반복한다. 상기 트랜지스터(Q4)가 "ON"에서 "OFF"로 되면 램프에는 인덕터(L2)에 충전되었던 전류가 램프를 통해 트랜지스터(Q3),트랜지스터(Q5)의 양단에 연결된 다이오드(D4)를 통해 방전한다.([도4]의 4번 루트)
반대로 램프의 구동 주파수가 "LOW"인 구간에서는 인버터(D)의 출력이 "HIGH"로 되어 AND 게이트(C)에 인가된 PWM 제어 출력신호가 트랜지스터(Q5)로 출력되고 램프 구동 주파수 신호는 드라이브 IC(U1)에 "HIGH"가 입력되어 트랜지스터(Q2)는 "ON"되고 트랜지스터(Q3)는 "OFF"된다.
따라서 트랜지스터(Q5)가 "ON"인 구간에는 램프의 전류는 트랜지스터(Q2), 트랜스(T1), 인덕터(L2), 트랜지스터(Q5)를 통해 흐르게 되고([도4] 1번 루트) PWM 제어 출력은 트랜지스터(Q5), 인덕터(L2), 콘덴서(C4)에 의해 벅 컨버터 기능을 하게 된다.
트랜지스터(Q5)가 "OFF"가 되면 인덕터(L2), 트랜지스터(Q4)의 양단에 걸린 다이오드(D1), 트랜지스터(Q2)를 통해 램프에 전류가 흐른다.([도4] 2번 루트)
콘덴서(C2)와 저항(R4)는 PWM 출력을 검출하여 DCM(Discontinuous Current Mode)로 슈미터 인버터(H)의 발진 주파수를 제어한다.
램프(L)에 흐르는 전류는 저항(R1)에 의해 검출되어 트랜지스터(Q1)으로 입력되는데 트랜지스터(Q1)은 Exclusive OR 게이트(G)의 미분된 출력신호 레벨을 감하여 슈미터 인버터(E)의 OFFSET전압과 비교하여 PWM 제어 기능을 구현하게 된다.
OP AMP(I)는 MICOM의 제어신호를 받아서 초기 기동 및 전류를 제어하게 된다.
또, 램프의 전압이 상승하게 되면 PWM 주파수가 높아져 저항(R6),콘덴서(C5)에 걸리는 전압도 높아져 저항(R7)에 의해 트랜지스터(Q1)의 바이어스 전압을 올려 트랜지스터(Q1)이 적은 전류에 "ON"이 되므로 램프에 흐르는 전류를 줄여줌으로서 정 전력을 유지한다. 따라서 트랜지스터(Q2)가 "ON"일 때는 트랜지스터(Q5), 인덕터(L2), 콘덴서(C4)에 의해 램프에 인가되는 전압과 전류를 제어하고 트랜지스터(Q3)이 "ON"일 때는 트랜지스터(Q4), 인덕터(L2), 콘덴서(C4)에 의해 램프에 인가되는 전압과 전류를 제어하게 된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전자식 안정기 회로에 의하면 PWM 제어회로를 Full Bridge Drive회로와 겸용하여 사용 함으로서 부품의 수를 절감하여 원가절감에 기여할 수 있고 부품을 교대로 스위칭하게 되어 종래 방식 대비 부품의 스트레스 비를 반감시킬 수 있어 제품의 고장을 현저히 감소 시킬 수 있다.

Claims (7)

  1. PWM제어회로, Full Bridge Drive회로 및 점등회로를 구비하는 전자식 안정기에 있어서 Full Bridge Drive회로에 연결된 램프구동 주파수로 사용하는 제1스위칭 소자 및 제1스위칭 소자 구동수단과 PWM제어 주파수로 사용하는 제2스위칭 소자 및 제2스위칭 소자 구동 수단을 구비하고 제1스위칭 소자와 제2스위칭 소자 사이에 연결된 인덕터와 램프, 콘덴서, 기동용 트랜스를 구비하는 수단과, 램프의 구동주파수를 제1스위칭 소자와 제2스위칭 소자와 연동되어 "ON" "OFF"를 반복하도록 구비하는 수단과, 램프의 PWM 제어신호를 발생하고 그 제어 출력을 램프의 출력과 연계하여 발진하도록 하는 수단과 상기 발진수단의 제어 출력을 DCM제어하여 제2스위칭 소자를 제어하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 Full Bridge Drive방식의 고압방전등용 전자식 안정기 회로.
  2. 제1항에 있어서 PWM제어 회로는 콘덴서와 저항으로 구성된 램프의 출력값 검출회로와 , 상기 검출회로와 연동되어 슈미터 인버터와 저항 콘덴서로 구성된 발진회로와 램프의 구동주파수 극성과 상관없이 항상 한 방향의 출력신호만을 출력할 수 있도록 상기 PWM 제어 발진 주파수와 램프 구동 주파수를 비교 연산하는 소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 Full Bridge Drive방식의 고압방전등용 전자식 안정기 회로.
  3. 제1항에서 DCM제어 방식은 MICOM에서 받은 제어 출력과, 램프의 출력값을 DC로 환산한 값을 비교하여 연산하는 수단과 상기 연산수단으로부터 출력되는 제어신호를 트랜지스터의 바이어스 전압으로 변환하여 PWM제어 출력단과 연결된 트랜지스터의 전압을 가변시키는 회로를 통하여 제2스위칭 소자의 "ON", "OFF" 타이밍을 제어하는 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 Full Bridge Drive방식의 고압방전등용 전자식 안정기 회로.
  4. 제1항에서 상기 PWM제어 출력을 인버터와 게이트를 사용하여 제2스위칭 소자를 교대로 "ON", "off"하도록 하는 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 Full Bridge Drive방식의 고압방전등용 전자식 안정기 회로.
  5. 제1항에서 벅 컨버터는 제2스위칭 소자와 램프와 병렬로 연결된 콘덴서와 램프와 직렬로 연결된 인덕터를 구비하는 것을 특징으로 하는 Full Bridge Drive방식의 고압방전등용 전자식 안정기 회로.
  6. 제1항에서 제1스위칭 소자를 구동하는 수단은 램프구동주파수를 반전시키는 인버터와 인버터의 출력을 제1스위칭 소자를 드라이브하는 IC로 연결하는 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 Full Bridge Drive방식의 고압방전등용 전자식 안정기 회로.
  7. 제1항에서 제2스위칭 소자를 구동하는 수단은 램프의 구동주파수와 PWM제어 출력을 입력으로 받아 AND 연산하여 AND 출력과 연결된 드라이브 IC로 제2스위칭 소자의 일부를 구동하고, 램프의 반전된 구동주파수와 PWM제어 출력을 입력으로 받아 AND 연산을 하여 제2스위칭 소자의 다른 일부를 구동하는 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 Full Bridge Drive방식의 고압방전등용 전자식 안정기 회로.
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