KR100729875B1

KR100729875B1 - 스위칭 장치

Info

Publication number: KR100729875B1
Application number: KR1020017014552A
Authority: KR
Inventors: 크리저마르쿠스; 데우루오스카제이
Original assignee: 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 2000-03-16
Filing date: 2001-03-06
Publication date: 2007-06-18
Also published as: US20020014863A1; WO2001069985A1; US6414446B2; KR20010113050A; TW498704B; CN1364399A; CN100409724C; EP1192840A1; JP2003526886A

Abstract

본 발명은 고압 방전 램프를 점화하고 작동시키기 위한 스위칭 장치로서, 제어된 전류를 램프에 제공하기 위한 스위치 모드 전원(smps)과 smps를 인가하는 사전 조정기가 제공된다. 전술한 사전 조정기에는 저장 캐패시터가 제공된다. 또한, 스위칭 장치는 펄스 캐패시터, 및 램프를 점화하기 위해 점화 전압 펄스를 생성하는 스위치를 포함하는 점화 회로를 포함한다. C(F)의 용량을 갖는 펄스 캐패시터는 저장 캐패시터로부터 R(Ω)의 값을 갖는 저항을 통해 충전된다. 본 발명에 따르면 곱 RC는 적어도 10^-2이다. 바람직하게, 저장 캐패시터는 적어도 1㎌, 더 바람직하게는 적어도 4.7 ㎌의 용량을 갖는다. 점화 회로의 스위치는 IGBT에 의해 형성되는 것이 바람직하다.

Description

스위칭 장치{SWITCHING BALLAST DEVICE}

본 발명은 제어된 전류를 램프에 제공하기 위한 스위치 모드 전원(a switch-mode power supply : smps) 및 smps에 급전(feed)하기 위한 버퍼 캐패시터를 갖는 사전 조정기가 제공된 고압 방전 램프를 점화하고 동작시키기 위한 스위칭 장치에 관한 것으로서, 스위칭 장치는 램프를 점화하기 위해 점화 전압 펄스를 생성하기 위한 점화 회로를 포함하고, 점화 장치에서 C(F)의 캐패시턴스를 갖는 펄스 캐패시터는 R(Ω)의 값을 갖는 오믹 저항에 의해 버퍼 캐패시터에 접속된다.

전문에 언급한 유형의 스위칭 장치는 미국 특허 제 5,428,268 호로부터 알려져 있다. 점화 펄스는 점화 회로의 펄스 캐패시터를 단락시킴으로써 생성된다. 그러나, 알려진 스위칭 장치의 결점은 점화 펄스 생성의 반복이 2Hz의 매우 낮은 반복 주파수에서만 가능하다는 것이다. 그러한 낮은 반복 주파수로 인해, 알려진 스위칭 장치는, 특히, 세계 어디서나 사용할 수 있는 임의의 유형의 공용 전원으로부터 전력을 공급받는 금속 할로겐화물 램프를 점화하고 동작시키는 데 적절하지 못하다. 그러한 램프를 안정적으로 점화하기 위해서는 실제로 초 당 생성되는 점화 펄스가 적어도 2,700 V의 전압 레벨에서 측정될 때 적어도 100 ㎲의 전체 펄스 폭을 가져야만 한다는 요구를 점화 회로가 만족시켜야 한다. 그러나, 알려진 스위칭 장치는 이러한 실제 요구를 만족시킬 수 없다. 또 다른 단점은 알려진 장치의 구조가 비교적 크다는 것이다.

발명의 개요

본 발명의 목적은 이러한 결점들을 없애는 것이다. 놀랍게도, 이러한 목적은 전문에서 언급한 유형의 스위칭 장치가 본 발명에 따른 스위칭 장치로서 R 과 C의 곱(product)이 많아야 10^-2이라는 점을 특징으로 한다는 점에서 달성된다. 이는 펄스가 적어도 100 Hz의 반복 주파수에서 생성될 수 있다는 것을 의미한다. 본 발명의 발명자는 그러한 반복 주파수에서, 원하는 전체 펄스 폭을 실제로 얻을 수 있다는 것을 알게 되었다.

바람직하게, 100 Hz 이상의 주파수가 달성된다. 일반적으로, 30 KHz까지의 범위 내에 있는 주파수가 바람직하다. 비교적 높은 반복 주파수는 점화 회로 내에 비교적 작은 구성 요소가 사용되는 것을 가능하게 하여, 점화 회로 및 나아가 스위칭 장치를 상당 정도 소형화시킨다.

적절한 용량의 버퍼 캐패시터를 사용하는 경우에는 적절한 반복 주파수를 더 용이하게 달성할 수 있다. 예를 들어, 버퍼 캐패시터의 용량이 적어도 1 ㎌, 바람직하게는 적어도 4.7 ㎌일 경우 버퍼 캐패시터는 충분히 큰 버퍼량을 갖는다는 것 이 알려져 있다.

본 발명에 따른 스위칭 장치의 유리한 실시예에서 점화 회로는 점화 전압 펄스를 생성하는 데 사용되는 전기 공진 회로를 폐쇄(closing)시키는 스위치를 포함하는데, 이 스위치는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)에 의해 형성된다. 이는 스위치에 의한 폐쇄가 빨리 발생하여, 고전압 펄스의 형성에 바람직한 영향을 미친다는 이점을 갖는다. 또 다른 이점은 IGBT가 전압에 의해 제어되고(voltage-controlled), 또한 순방향 전압이 순방향 전류에 독립적이라는 것이다

본 발명의 이러한 특징 및 다른 특징들은 이하 기술될 실시예를 참조하여 명백해지고 설명될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 스위칭 장치를 나타낸 도면,

도 2는 도 1에 도시된 스위칭 장치 일부의 개략도,

도 3은 점화 전압 펄스의 그래프.

도 1에서 참조 번호(1)는 본 발명에 따라 전원 소스에 접속되는 입력 단자 A, B가 제공되는 스위칭 장치를 나타낸다. 도 1에서, 참조번호 I는 버퍼 캐패시터 CB를 갖는 사전 조정기(a pre-conditioner)로서 스위치 모드 전원(smps) Ⅱ에 급전하는 역할을 한다. 전술한 smps는 제어된 전류를 램프 LP에 제공하고, 램프 LP를 점화하기 위한 점화 전압 펄스를 생성하는 점화 회로 Ⅳ를 포함하는 정류기(commutator) Ⅲ에 접속되어 있다. 정류기에는 점화되고 동작될 램프 LP에 접속되는 출력 단자 D, E가 제공된다.

도 2는 스위칭 장치(1)의 일부, 특히, 점화 회로 Ⅳ, 및 사전 조정기 Ⅰ의 버퍼 캐패시터 CB와 상기 점화 회로의 접속부의 세부도이다.

점화 회로에는 C(F)의 캐패시턴스를 갖는 펄스 캐패시터 CP가 제공되는데, CP는 R(Ω)의 값을 갖는 오믹 저항 ZR에 의해 버퍼 캐패시터 CB에 접속된다. 펄스 캐패시터 CP는 점화 전압 펄스를 생성하는 전기 공진 회로의 일부를 형성하는데, 전기 공진 회로는 자기 인덕턴스 L, 및 전기 공진 회로를 폐쇄시키기 위한 스위치 S를 포함한다. 또한, 변압기 TR의 주 권선 PR도 공진 회로의 일부를 형성한다. 정류기 Ⅲ의 일부를 형성하는 변압기의 부 권선 SW는 출력 단자 D, E 중 하나에 접속된다. 점화 펄스의 형태에 바람직한 영향을 주기 위해 캐패시터 CS가 부 권선과 병렬로 제공될 수도 있다.

바람직하게, 스위치는 IGBT이다. IGBT의 제어 전극 ST는 제어 회로 V에 접속된다. 상세한 설명에 기술된 예에서 제어 회로는 자기 발진(self-oscillating)한다. 유리하게, 자기 발진 제어 회로는 반복 주파수를 형성하기도 하는 발진 주파수를 갖는다. 바람직하게, 제어 펄스가 생성되는 반복 주파수는 1/3*(1/RC)를 초과하지 않는다. 따라서, 전기 공진 회로가 스위치에 의해 폐쇄되기 전에 펄스 캐패시터 CP가 실질적으로 완전하게 충전되는 것이 보장된다.

점화 회로의 동작은 다음과 같다. 펄스 캐패시터 CP는 저항 ZR을 통해 버퍼 캐패시터 CB로부터 충전된다. 이 단계에서는 스위치 S가 오픈, 즉 비도통 상태가 된다. 후속하여, 자기 발진 제어 회로 Ⅴ는 소정의 시점에 제어 전극을 통해 스위치 S를 도통시켜, 공진 회로를 폐쇄시킬 것이다. 후속하여, 펄스 캐패시터는 변압기 TR 및 자기 인덕턴스 L을 통해 방전한다. 그 결과에 따른 변압기 TR의 주 권선 PR에서의 전류 피크는 부 권선 SW에서 고전압 펄스를 생성하는데, 이 펄스는 후속하여 출력 단자를 통해 접속된 램프 LP의 양단에 인가된다. 후속하여, 스위치는 제어 회로에 의해 기존에 알려진 방식으로 스위칭되어 비도통 상태로 돌아가고, 그 후에는 전술한 과정이 램프의 점화가 달성될 때까지 반복된다. 제어 회로에는 또한 기존에 알려진 방식으로 램프의 점화된 상태를 검출하고 그에 따라 스위치가 도통되는 것을 방지하는 수단이 제공된다.

바람직하게, 변압기 TR의 주 권선 PR과 자기 인덕턴스 L은 다이오드 수단 DM에 의해 분로(shunt)되어, 안정한 램프 동작 동안 점화 회로 내의 전류 변환이 손실을 야기하는 것을 단순하지만 효과적인 방법으로 막는다.

상세한 설명에 기술된 본 발명에 따른 스위칭 장치의 실질적 실시예에서는 이러한 스위칭 장치가 150 W 규격의 전력을 갖는 필립스에서 제조된 금속 할로겐화물 램프를 점화하여 동작시키는 데 적절하게 사용될 수 있다. 부스트 또는 (스텝-) 업컨버터가 되도록 구현된 사전 조정기의 버퍼 캐패시터는 34 ㎌의 용량을 갖는다. 동작 단계에서는 버퍼 캐패시터 양단의 전압이 480 V이다. smps는 기존에 알려진 (스텝-) 다운컨버터가 되도록 구현되는데, 이는 제어된 전류를 브릿지 회로의 형태인 정류기를 통해 접속된 램프에 제공한다. 점화 회로의 펄스 캐패시터는 150 nF의 캐패시턴스 C를 가지며, 4.4 ㏀의 R 값을 갖는 직렬 접속된 저항에 의해 버퍼 캐패시터에 접속된다. RC의 곱은 6.6*10^-4이기 때문에, 이러한 곱이 많아야 10^-2이어야 한다는 요구가 충족된다. 펄스 캐패시터는 47 μH의 자기 인덕턴스를 갖는 스위치로서 SGS 톰슨(Thomson)사에 의해 제조되는 유형 STGD7NB60H의 IGBT를 갖는 공진 회로의 일부를 형성한다. 주 권선 대 부 권선 사이의 권선 비가 7:90인 변압기가 공진 회로의 일부를 형성한다. 0.5 nF의 캐패시터가 부 권선과 병렬로 배치된다. 변압기의 주 권선과 자기 인덕턴스는 2개의 BYD37J형 다이오드의 직렬 배열에 의해 분로된다. 자기 발진 제어 회로는 반복 주파수이기도 한 170 Hz의 발진 주파수를 갖는 제어 펄스를 생성한다.

스위칭 장치의 실질적인 실시예에 의해 2,700 V에서 대략 1 ㎲의 펄스 폭을 갖는 4.29 kV의 점화 펄스가 생성된다. 음의 극성의 경우, 그러한 생성된 펄스가 도 3에 도시되는데, kV 단위인 전압이 수직 축을 따라 도시되고 ㎲ 단위인 시간이 수평축을 따라 도시된다. 도면에 도시된 경우에서는 정류기의 출력 단자 양단의 전압인 생성된 펄스가 -300 V의 오프셋(offset)을 갖는다. 점화 펄스 생성의 반복 주파수는 170 Hz이다. 실질적으로 1/3(1/RC) = 500 Hz 아래인 반복 주파수를 선택함으로써 2,700 V에서 충분히 넓은 펄스 폭을 얻을 수 있음과 동시에 펄스 캐패시터를 충전하는 동안 손실이 실질적으로 제한되는 이점이 있다.

Claims

고압 방전 램프(a high-pressure discharge lamp)를 점화하고 작동시키는 스위칭 장치로서,

제어 전류를 상기 램프에 공급하는 스위치 모드 전원(a switch-mode power supply : smps)과,

상기 smps에 급전(feed)하는 버퍼 캐패시터(a buffer capacitor)를 갖는 사전 조정기(a pre-conditioner)와,

상기 램프를 점화하기 위한 전체 펄스 폭을 갖는 점화 전압 펄스를 생성하는 점화 회로(an ignition circuit)를 포함하며,

상기 점화 회로에서 C(F)의 캐패시턴스를 갖는 펄스 캐패시터는 R(Ω)의 값을 갖는 저항에 의해 상기 버퍼 캐패시터에 접속되고,

2,700 V에서 초 당 측정된 상기 전체 펄스 폭은 적어도 100㎲이며,

R과 C의 곱(product)은 최대 10^-2이고,

상기 버퍼 캐패시터는 적어도 1 ㎌의 용량을 갖는

스위칭 장치.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 버퍼 캐패시터는 적어도 4.7 ㎌의 용량을 갖는

스위칭 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 점화 회로는 점화 전압 펄스를 생성하는 데 사용되는 전기 공진 회로(an electric resonant circuit)를 폐쇄시키는 스위치를 포함하되, 상기 스위치는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)에 의해 형성되는

스위칭 장치.