KR100860851B1

KR100860851B1 - 고압방전등 램프 구동회로

Info

Publication number: KR100860851B1
Application number: KR1020070076366A
Authority: KR
Inventors: 한수빈; 박석인; 송유진; 정학근; 정봉만; 김규덕; 유승원
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2007-07-30
Filing date: 2007-07-30
Publication date: 2008-09-29

Abstract

본 발명은 저가의 상용 반도체 소자를 사용하여 넓은 범위의 고주파 동작이 가능하도록 하는 고압 방전등 램프 구동회로에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명의 고압방전등 램프 구동 회로는, 상용 교류 전원을 정류하여 직류 전원을 출력하는 전원부와, 상기 직류 전원으로부터의 출력 전원을 스위칭 구동 신호에 응답하여 램프에서 필요로하는 전원으로 변환하여 출력하도록 스위치 구동회로와 인버터 스위치 및 공진회로로 구성되는 인버터부와, 상기 인버터 스위치의 출력 값과 상기 공진회로의 출력 값을 입력으로 받아 각 입력 값의 차에 비례하는 전압 값을 출력하는 위상차감지기와, 상기 스위치 구동회로의 스위칭 구동 신호를 제어하기 위한 구동 제어 신호를 출력하는 제어값발생기와, 상기 위상차감지기와 제어값발생기에서 발생되는 출력값을 입력받아 각 입력의 차이에 비례하는 전압을 출력하는 오차증폭기와, 상기 오차증폭기의 출력을 입력으로 받아 그에 따라 변화하는 주파수를 출력하는 전압제어발진기, 및 상기 전압제어발진기의 출력을 상기 인버터 스위치 구동 신호로 발생시켜 상기 인버터 스위치에 인가하는 데드타임 발생기를 포함하여 구성된다.

고압방전등, 음향공명, 램프, 고주파, 인버터

Description

고압방전등 램프 구동회로{DRIVE CIRCUIT FOR HIGH-INTENSITY DISCHARGE LAMP}

본 발명은 고압방전등 램프 구동회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저가의 상용 반도체 소자를 사용하여 넓은 범위의 고주파 동작이 가능하도록 하는 고압 방전등 램프 구동회로에 관한 것이다.

일반적으로, 램프용 안정기는 형광등에서부터 고압 나트륨램프 또는 메탈 할라이드 램프 등과 같은 고압방전등에 이르기까지의 램프에 전원을 안정되게 공급하기 위한 것이다.

여기서 고압방전등의 경우 전자식안정기로 구동시킬 경우 인버터의 구동 주파수가 램프 아크관의 고유주파수와 일치하게 되면 아크관 내부에 압력 정재파가 형성되어 빛이 떨리는 음향 공명 현상이 나타나게 된다.

음향 공명 현상은 불꽃의 떨림을 유발하는 것으로서, 아크가 휘거나 뒤틀려 램프를 불안정하게 하거나 꺼지게 한다.

이러한 램프 구동시의 음향 공명 현상을 유발하는 주파수는 램프의 종류와 용량에 따라 다르지만 공통적으로 매우 넓은 범위에서 나타나며, 메탈 핼라이드 광 원의 경우 수㎑~수백 ㎑에 걸쳐 음향 공명이 발생하는 주파수 대역이 존재한다.

고압방전등의 구동을 위한 전자식안정기는 고주파 구동방식과 저주파 구동방식이 일반적인데 통상 음향 공명 현상을 방지하기 위하여 400㎐ 이하의 낮은 주파수로 구동하고 있다.

그러나, 저주파 방식의 구동은 시동에 필요한 점화 기능을 갖는 이그나이터를 구비해야하고, 동작 주파수가 낮기 때문에 회로 제작시 크기가 커져 소형 제품을 선호하는 소비자의 기호를 맞출 수 없는 단점이 있다.

또한, 수십㎑로 구동하는 공진 타입의 고주파 방식의 경우 구동 회로의 구현이 쉬운 반면에 자체의 물리적인 특성상 음향 공명 현상이 발생하기 쉽기 때문에 제품화가 어려운 단점이 있다.

이러한 단점들은 개선하기 위한 방식이 음향 공명을 발생하는 최대 주파수 이상의 주파수로 램프를 구동하는 방식이 있는데, 이 경우 100㎑~1㎒의 주파수로 구동하기 때문에 스위칭 손실이 증가할 뿐만 아니라 실제 사용할 수 있는 제어용 IC가 이 주파수 영역에서 제안되는 단점이 있다.

상기 배경 기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 기존의 저가 반도체 소자를 이용하여 인버터의 출력 전압과 출력 전류의 위상차가 원하는 제어값에 도달하도록 인버터 스위치의 주파수를 고주파로 조절하되, 위상차 및 제어값의 오차에 따라 스위치 구동회로가 필요로 하는 구동 신호를 음향 공명 현상이 발생하지 않도록 충분히 높은 주파수로 동작시켜 음향 공명을 방지할 수 있도록 하는 고압방전등 램프 구동회로를 제공함에 있다.

또한, 본 발명은 내부에 이그나이트 없이 고압 방전등을 점화시키고 안정적인 점등을 유지할 수 있도록 하는 고압방전등 램프 구동회로를 제공하기 위한 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 고압방전등 램프 구동 회로는, 상용 교류 전원을 정류하여 직류 전원을 출력하는 전원부와, 상기 직류 전원으로부터의 출력 전원을 스위칭 구동 신호에 응답하여 램프에서 필요로하는 전원으로 변환하여 출력하도록 스위치 구동회로와 인버터 스위치 및 공진회로로 구성되는 인버터부와, 상기 인버터 스위치의 출력 값과 상기 공진회로의 출력 값을 입력으로 받아 각 입력 값의 차에 비례하는 전압 값을 출력하는 위상차감지기와, 상기 스위치 구동회로의 스위칭 구동 신호를 제어하기 위한 구동 제어 신호를 출력하는 제어값발생기와, 상기 위상차감지기와 제어값발생기에서 발생되는 출력값을 입력받아 각 입력의 차이에 비례하는 전압을 출력하는 오차증폭기와, 상기 오차증폭기의 출력을 입력으로 받아 그에 따라 변화하는 주파수를 출력하는 전압제어발진기, 및 상기 전압제어발진기의 출력을 상기 인버터 스위치 구동 신호로 발생시켜 상기 인버터 스위치에 인가하는 데드타임 발생기를 포함하여 구성된다.

기존의 저가 반도체 소자를 이용하여 인버터의 출력 전압과 출력 전류의 위상차가 원하는 제어값에 도달하도록 인버터 스위치의 주파수를 고주파로 조절하되, 위상차 및 제어값의 오차에 따라 스위치 구동회로가 필요로 하는 구동 신호를 음향 공명 현상이 발생하지 않도록 충분히 높은 주파수로 동작시켜 음향 공명을 방지할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 고압방전등 램프 구동 회로 구성도이다.

이를 참조하면, 본 발명은 전원부(1), 인버터부(2), 위상차감지기(3), 제어값발생기(4), 오차증폭기(5), 전압제어발진기(6) 및 데드타임 발생기(7)를 포함하여 구성된다.

여기서, 전원부(1)는 상용 교류 전원을 정류하여 직류 전원을 출력하는 것으로서, 220V의 상용 전원을 정류하여 300~400V로 충전된다.

그리고 인버터부(2)는, 전원부(1)에서 출력하는 직류 전원으로부터의 출력 전원을 스위칭 구동 신호에 응답하여 램프에서 필요로 하는 고주파의 교류로 변환하여 공급하기 위한 것으로서, 스위치 구동회로(21)와 인버터 스위치(22) 및 공진 회로(23)로 구성된다.

본 발명은 인버터부의 출력 전압(Vout)과 출력 전류(Iout)의 위상차가 원하는 제어값에 도달하도록 인버터 스위치(22)의 주파수를 고주파로 조절하고, 오차증폭기(5)의 출력이 커지면 인버터 스위치(22)의 동작 주파수가 증가하도록 하고, 오차증폭기(5)의 출력이 작아지면 인버터 스위치(22)의 동작 주파수를 감소하도록 제어한다.

이에 따라, 전원부(1)에서의 직류전원은 인버터 스위치(22)의 출력인 A 지점에서 구형파 펄스로 변환되어 공진회로(23)로 입력되고 공진회로(23)의 출력에서는 고주파 성분이 필터링된 정현파 형태의 파형으로 램프(8)에 교류 전원을 공급하게 된다.

이때, 공진회로(23)는 인덕터(L1)와 인덕터(L1)에 직렬 연결된 캐패시터(Cs)와 여기에 병렬 연결된 캐패시터(Cp)로 구성된다.

그리고, 인버터 스위치(22)는 MOSFET로 구성되는 스위칭 소자(Q1,Q2)로 구성되는데, 인버터 스위치(22)를 구동하기 위해서는 스위치 구동회로(21)가 필요하다.

스위치 구동회로(21)는 NPN 트랜지스터와 PNP 트랜지스터로 조합된 제 1 스위칭부(Qd1,Qd2) 및 제 2 스위칭부(Qd3,Qd4)와, 제 1 스위칭부(Qd1,Qd2) 및 제 2 스위칭부(Qd3,Qd4)의 출력단에 연결되는 고주파 트랜스포머(T1/1, T1/2, T1/3)와, 고주파 트랜스포머의 제2 권선(T1/2)과 제 3 권선(T1/3)에 연결된 스위칭 게이트 저항(Rd1,Rd2)로 구성된다.

여기서, 제 1 스위칭부(Qd1,Qd2) 및 제 2 스위칭부(Qd3,Qd4)의 각 NPN 트랜 지스터(Qd1,Qd2)의 콜렉터에는 각각 전원전압부(Vcc)가 연결되고, 이미터에는 PNP 트랜지스터(Qd2,Qd4)의 각 이미터가 연결되며, PNP 트랜지스터(Qd2,Qd4)의 콜렉터는 접지 연결된다. 이때, 전원 전압(Vcc)은 통상 12~15V의 직류 전원이 사용된다.

한편, 위상차감지기(3)는 인버터 스위치(22)의 출력 값과 공진회로(23)의 출력 값을 입력으로 받아 각 입력 값의 차에 비례하는 전압 값을 출력한다.

다시 말해, 위상차감지기(3)는 인버터 스위치(22)의 스위칭 소자(Q1,Q2)의 출력에 연결된 저항 R1과 R2를 통해 측정된 출력 전압값(Vout)과 공진회로(23)의 인덕터(L1)의 전류를 전류 트랜스포머(T2)를 통해 측정한 출력 전류값(Iout)을 입력으로 받아 두 측정값의 위상차에 비례하는 전압을 위상 차 출력값으로 발생시킨다.

즉, 도 2는 도 1의 위상차 감지기의 입출력 특성을 나타낸 그래프도로서, 도시된 바와 같이 위상차가 0~180°사이에서 변화할 때 특성 곡선에 따라 출력 전압이 0~Vcc 전압까지 변동하여 출력된다.

그리고, 제어값발생기(4)는 스위치 구동회로(21)의 스위칭 구동 신호를 제어하기 위한 구동 제어 신호를 출력한다.

도 3은 도 1의 제어값발생기의 제어값이 발생되는 순서를 나타낸 도면으로서, 처음 시동시 램프가 점등하기 전에는 무부하 운전 상태로서 입출력 전압에 비(램프 전압/입력직류전압)인 이득 곡선은 (가) 같다.

그리고, 동작점이 a 위치에서 2000V 이상의 높은 점화 전압을 발생시켜 램프가 점등되면 이득 곡선은 (나)와 같게 되며, 초기에 위상차 감지기의 출력이 커서 오차 전압의 출력이 매우 커져 전압제어발진기(6)의 주파수는 높은 주파수인 b 지점에서 시작하게 된다.

그러나, 곧 위상차감지기(3)의 출력은 제어값발생기(4)의 출력과 같아지도록 동작하게 되어 C 위치로 이동하게 된다. 이때 C 위치가 통상의 정격 전력으로 도달할 수 있는 주파수의 위치로서, 지연시간 이후에 C 위치로 이동하도록 전압 제어가 이루어지는 것이다. 이에 따른 인버터부의 위상 특성 곡선을 살펴보면 점등된 위치 d에서 제어값에 해당되는 위상점 e 위치로 이동하게 된다.

제어값발생기(4)는 도 4에 도시된 바와 같이 저항(R1)과 캐패시터(C1)로 구성되는 RC 필터(41)와, RC 필터(41)의 출력 전압에 따라 스위칭되는 트랜지스터(Qr)과, 트랜지스터(Qr)의 출력단에 각각 병렬 연결되는 제 2 저항(R2)과 제 4 저항(R4), 및 제 2 저항(R2)와 제 4 저항(R4)의 접속점과 전원전압부(Vcc) 사이에 연결되는 제 3 저항(R3)를 포함하여 구성된다.

이러한 구성에 따라, 시동 제어값은 (Vcc×R4)/(R3+R4)의 값으로 (Out)을 통해서 출력되고 이 값은 도 3의 무부하시의 동작점 a 위치에 도달하도록 즉, 무부하 공진 주파수에 해당하는 제어값에 해당된다.

이어서, RC 필터(41)에 의한 지연 시간이 지나면 C1에 충전된 전압이 트랜지스터(Qr)을 도통시키는데 충분한 전압, 정격 전력에 도달할 수 있는 주파수의 위치에 해당되는 전압으로 상승하게 된다. 이때, 지연 시간은 시정수 Vcc×C1의 값에 비례하며 통상 0.1msec-20msec로 설정한다.

그리고, 트랜지스터(Qr)가 도통되면 R2와 R4가 병렬 연결되어 등가 저항 Req=(R2× R4)/(R2+R4)가 되며, 이때의 출력 제어값은 (Vcc× Req)/(Req+R3)가 되어 이 제어값이 도 3의 C 위치에 해당되어 램프의 정격 전력 값에 해당되는 제어값으로 동작하데 된다.

또한, 오차증폭기(5)는 위상차감지기(3)와 제어값발생기(4)에서 발생되는 출력값을 입력받아 각 입력의 차이에 비례하는 전압을 출력하는 것으로서, 위상차 감지기의 출력은 -입력으로 상기 제어값발생기의 출력을 + 입력으로 입력받는다.

그리고, 전압제어발진기(6)는 오차증폭기(5)의 출력을 입력으로 받아 그에 따라 변화하는 주파수를 출력하되, 오차증폭기(6)로부터 입력된 전압에 비례하는 구형파 형태의 주파수를 출력한다. 이때의 출력 주파수는 100㎑~1000㎑가 바람직하다.

도 5는 도 1의 전압제어발진기의 입출력 특성 곡선을 나타낸 도면으로서, 위상차 감지기에서 출력된 전압, 0~Vcc 사이의 전압을 입력으로 받아 fmin~fmax 사이의 주파수를 출력하게 된다. 여기서, 통상적으로 fmin은 100㎑이고, fmax는 1㎒가 된다.

한편, 데드타임 발생기(7)는 전압제어발진기(6)의 출력을 인버터 스위치(22)를 구동시키기에 적합한 인버터 스위치 구동신호로 발생시켜 상기 인버터 스위치(22)에 인가하는 것으로서, 도 6과 같이 동작하게 된다.

즉, 입력 신호(In)는 고주파수의 구형파이고 출력 신호(Out1)은 off에서 on 될 때 지연이 발생하며, 출력 신호(Out2)는 입력이 180°반전된 신호에 대해서 off에서 on 될 때 반전된 지연 신호가 발생한다.

그리고, 출력 신호(Out1,Out2) 신호가 각각 제 1 스위칭부(Qd1,Qd2) 및 제 2 스위칭부(Qd3,Qd4)에 입력되고, 이에 따라 제 1 권선(T1/1)특인 B지점과 C 지점 사이에는 td 만큼 데드타임이 존재하는 교류 구형파로 변환된 신호가 입력되어 인버터 스위치(22)를 구동하게 된다. 이때, 데드타임은 인버터 스위치 Q1과 Q2가 동시에 도통되어 단락되는 현상을 방지하도록 하기 위한 것이다.

도 1은 본 발명의 고압방전등 램프 구동 회로 구성도.

도 2는 도 1의 위상차 감지기의 입출력 특성을 나타낸 그래프도.

도 3은 도 1의 제어값발생기의 제어값이 발생되는 순서를 나타낸 도면.

도 4는 도 1의 제어값발생기 회로 구성도.

도 5는 도 1의 전압제어발진기의 입출력 특성 곡선을 나타낸 도면.

도 6은 도 1의 데드타임 발생기의 출력 신호 파형도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

1 : 전원부

2 : 인버터부

21 : 스위치 구동회로

22 : 인버터 스위치

23 : 공진회로

3 : 위상차감지기

4 : 제어값발생기

41 : RC 필터

5 : 오차증폭기

6 : 전압제어발진기

7 : 데드타임 발생기

8 : 램프

Claims

고압방전등 램프 구동 회로에 있어서,

상용 교류 전원을 정류하여 직류 전원을 출력하는 전원부(1);

상기 직류 전원으로부터의 출력 전원을 스위칭 구동 신호에 응답하여 램프에서 필요로하는 전원으로 변환하여 출력하도록 스위치 구동회로(21)와 인버터 스위치(22) 및 공진회로(23)로 구성되는 인버터부(2);

상기 인버터 스위치(22)의 출력 값과 상기 공진회로(23)의 출력 값을 입력으로 받아 각 입력 값의 차에 비례하는 전압 값을 출력하는 위상차감지기(3);

상기 스위치 구동회로(21)의 스위칭 구동 신호를 제어하기 위한 구동 제어 신호를 출력하는 제어값발생기(4);

상기 위상차감지기(3)와 제어값발생기(4)에서 발생되는 출력값을 입력받아 각 입력의 차이에 비례하는 전압을 출력하는 오차증폭기(5);

상기 오차증폭기(5)의 출력을 입력으로 받아 그에 따라 변화하는 주파수를 출력하는 전압제어발진기(6), 및

상기 전압제어발진기(6)의 출력을 상기 인버터 스위치(22) 구동 신호로 발생시켜 상기 인버터 스위치(22)에 인가하는 데드타임 발생기(7)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고압방전등 램프 구동 회로.
제 1항에 있어서,

상기 인버터 스위치(22)는;

MOSFET로 구성됨을 특징으로 하는 고압방전등 램프 구동 회로.
제 1항에 있어서,

상기 스위치 구동회로(21)는;

NPN 트랜지스터와 PNP 트랜지스터로 조합된 제 1 스위칭부(Qd1,Qd2) 및 제 2 스위칭부(Qd3,Qd4)와,

상기 제 1 스위칭부(Qd1,Qd2) 및 제 2 스위칭부(Qd3,Qd4)의 출력단에 연결되는 고주파 트랜스포머(T1/1, T1/2, T1/3)와,

상기 고주파 트랜스포머의 제2 권선(T1/2)과 제 3 권선(T1/3)에 연결된 스위칭 게이트 저항(Rd1,Rd2)로 구성되는 것을 특징으로 하는 고압방전등 램프 구동 회로.
제 1항에 있어서,

상기 오차증폭기(5)는;

상기 위상차 감지기의 출력은 -입력으로 상기 제어값발생기의 출력을 + 입력으로 입력받아 오차에 비례하는 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 고압방전등 램프 구동 회로.
제 1항에 있어서,

상기 전압제어발진기(6)는;

상기 오차증폭기(5)로부터 입력된 전압에 비례하는 구형파 형태의 주파수를 출력하는 것을 특징으로 하는 고압방전등 램프 구동 회로.
제 5항에 있어서,

상기 전압제어발진기(6)는;

100㎑~1000㎑의 주파수를 출력하는 것을 특징으로 하는 고압 방전등 램프 구동 회로.
제 1항에 있어서,

상기 제어값발생기(4)는;

제 1 저항(R1)과 제 1 캐패시터(C1)으로 구성되는 RC 필터(41)와,

상기 RC 필터(41)의 출력 전압에 따라 스위칭되는 트랜지스터(Qr)과,

상기 트랜지스터(Qr)의 출력단에 각각 병렬 연결되는 제 2 저항(R2)과 제 4 저항(R4), 및

상기 제 2 저항(R2)와 제 4 저항(R4)의 접속점과 전원전압부(Vcc) 사이에 연결되는 제 3 저항(R3)을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 고압 방전등 램프 구동 회로.
제 7항에 있어서,

상기 제어값발생기(4)는;

초기에는 무부하 공진 주파수에 해당되는 전압을 발생하고,

지연시간 이후에는 정격 전력에 도달할 수 있는 주파수의 위치에 해당되는 전압을 발생하는 것을 특징으로 하는 고압 방전등 램프 구동 회로.
제 8항에 있어서,

상기 지연 시간은 0.1msec-20msec인 것을 특징으로 하는 고압 방전등 램프 구동 회로.