KR100871109B1 - 직류교류겸용 고압방전등용 안정기회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직류교류겸용 고압방전등용 안정기회로에 관한 것으로, PWM(Pulse Width Modulation: 이하 PWM이라 통칭)제어기가 시스템부하로 되는 고전압 방전등과 같은 시스템부하의 작동으로 사용된 변동전류 및 전압의 검출 신호를 수신하고, 이 검출신호에 해당하여 실질부하전압과 전류를 시스템부하에 인가하도록 시스템을 제어하며, DC/DC 컨버터가 승압 트랜스에 인가된 직류전압이 소정주파수의 변형 사인파로 되는 AC전압을 발생시키며 이를 반파정류하여 DC전압으로 변환하고, 보조전원부가 부하전류를 검출하여 부하설정전류를 발생시키며, 전원 마이크로제어부(MCU; Micro Control Unit, 이후 MCU로 통칭함)가 보조전원부로부터 톱니파형의 제어신호를 수신하여 실질적인 부하전류에 해당하는 파라메터에 해당하는 설정전류를 발생시켜 PWM제어기에 공급하며, PFC(Power Factor Correction: 전원인자교정부의 의미이나 이후 PFC라 통칭함)가 전원 마이크로제어부로부터 설정전류에 구동하는 쌍을 이룬 하나 이상의 스위칭 FET를 구비하여 부하 실제전류가 과부하상태임을 검출하여 PWM제어기로 입력시키므로 시스템작동의 에러 여부를 확인하도록 하고, 전압평형기가 DC/DC컨버터로부터 승압 된 전압을 고정전압으로 되게 하며 동시에 부하의 작동의 변동전압을 감지하여 PWM제어기로 공급하며, DC/DC 인버터가 PWM제어기로부터 전압평형기의 고전압신호와 고주파제어신호를 수신하여 유사 정형파 신호로 되는 두 가지 고전압AC출력을 하고, 이 출력전압의 유사정형파에 동조하는 고전압을 부하에 인가한다.
Figure R1020080068429
DC/DC 컨버터, DC/AC 인버터, 평형기, PWM, PFC, 하프부릿지, 풀 부릿지

Description

직류교류겸용 고압방전등용 안정기회로{Ballast Circuit for Direct Current/Alternate Current High Voltage Lamp}
본 발명은 부하구동전원의 고출력전압을 안정화시켜 직류교류겸용 고압방전등을 작동시키는 안정기회로에 관한 것으로, 특히, 변형 사인파로 일 회 이상 전압을 승압하고 사용된 부하전류를 검출하는데 따라 유사 정현파의 실질 부하구동전압을 안정적으로 발생시키도록 하는 직류교류겸용 고압방전등을 작동시키는 안정기회로를 제공한다.
고압방전등은 통상 DC-DC컨버터와 DC-AC인버터로 이루어진 전원 인버터에 의하여 작동된다. 이 전원인버터는 구형파를 출력 파형으로 이용하는 것으로 구형파가 아닌 사인파를 이용하는 장치에 대해 기능상 여러 문제가 상존 되어 있다. 이러한 문제를 극복하는 한 방법으로 구형파의 거친 모서리부분을 하드웨어적으로 삭제하도록 하여 발생시킨 변형사인파를 이용하는 것이었다.
이 변형 구형파는 아날로그 장치에 이상열을 발생시키고 신뢰성과 효율성을 떨어뜨릴 뿐만 아니라 변형 사인파는 디지털장치에 대해서도 작동의 이상상태를 일으키게 되어 정상작동되지 않는 경우도 있었다. 이러한 단점들은 균일하지 않은 전 원이거나 부적절한 체배에 의한 전자기기의 손상을 일으키게 되는 원인이 되었다.
종래부터 이러한 단점을 해결하기 위하여 직류용 디지탈 고압방전등 실예를 들면 HID램프(HID:High Intensity Discharge Lamp)를 구동시키는 안정기회로에는 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation:PWM)스위치모드의 전원부가 구형파 또는 변형구형파를 발생시키도록 하고 있다. 이의 대표적인 종래의 기술로는 미국특허 제6,429,605호에 전자안정기 제어 시퀀스가 개시되어 있으며, 이 제어 시퀀스는 안정된 교류 전류모드에서 작동되는 HID램프를 양 전압과 음전압 사이에 교차 되는 구형파에 의하여 구동시키도록 PWM신호를 발생시키도록 적어도 하나 이상의 반도체 스위치들을 주기적으로 스위칭시키고, HID램프의 작동주기의 첫 번째 부분동안 PWM신호로 하나의 반도체 스위치를 제어하고, HID램프의 작동 주기중 다른 부분동안 PWM신호를 가지는 복수의 스위치를 서로 동기 되게 작동시키도록 하므로, 적어도 HID램프 전압은 입력전압의 주파수의 두 배 주파수에서 작동된다. 이 시퀀스 제어는 PWM스위치들을 이용하여 저전원에서 고전원으로 전원 변환하는 부스트(Boost) 기능과 저전압을 고전압으로 전압 변환하는 벅(Buck) 기능을 수행하도록 한 것이다.
그러나 이 시퀀스 제어 또한 구형파의 변형 사인파를 이용하므로 램프전원공급이 불안정하여 기기의 발열이거나 전압의 불안정으로 인하여 손상을 피할 수 없었다.
이러한 단점을 해결하는 것으로 미국특허 제7,102,300호에서는 내장형 전원을 구비한 안정장치와 그의 제어방법을 개시하고 있으며, HID램프의 실질전류를 검 출하여 HID램프의 시동을 안정적으로 실시간에 제어하도록 한다. 이 안정장치에서 전원장치가 외부전원을 수수하여 외부작동전압을 발생시키며 보조전원회로와 외부전원을 부하모듈에 인가된 출력전압으로 변환시켜 부하모듈을 통하여 흐르는 실제부하전류를 유기하는 트랜스포머 모듈로 구성되고, 마이크로제어장치(MCU:Micor Control Unit) 외부작동전압을 수수하여 소정의 부하전류를 발생시키며, PWM제어장치가 소정의 부하전류와 실질부하전류를 수수하여 출력전압을 변조하도록 트랜스포머 모듈에 제어신호를 발생시키도록 한다.
즉, 이 안정장치는 마이크로제어장치가 HID램프의 실제 사용전압과 전류를 검출한 결과에 따라 소정의 부하전류를 발생시키고, PWM제어장치가 제어신호를 발생시켜 소정의 부하전류와 실제의 부하전류를 발생시키도록 시스템을 제어한다.
그러나, 이 안정장치는 PWM제어장치가 자체프로그래밍에 따라 부하의 작동전압 및 작동전류에 따라 실질 전류를 공급하도록 하나, 전원장치의 기계적 속성에 따른 구형파거나 변형사인파의 전원전압을 그대로 사용하게 되므로 발열 현상을 피할 수 없었다.
본 발명은 직류를 변형 사인파로 일 회 이상 전압을 승압하고 부하전류를 검출하는데 따라 실질 부하구동전압을 안정적으로 발생시키도록 하는 직류교류겸용 고압방전등을 작동시키는 안정기회로를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 DC/DC로 승압된 전압을 고정시키는 전압평형기와 이 전압을 전압 체배기를 내장하여 소정전압으로 승압하고 유사 정현파로 발생시키는 DC/AC인버터를 구비하여 실질 부하전압을 안정화시키는 직류교류겸용 고압방전등을 작동시키는 안정기회로를 제공하는 데 있다.
본 발명에 따르면 고압방전등용 안정기회로는, 시스템부하로 되는 고전압 방전등의 작동전압과 전류의 변동을 최소화하도록 시스템부하의 작동으로 사용된 변동전류 및 전압의 검출 신호를 수신하고, 이 검출신호에 해당하여 내장된 체배기에 의하여 실질부하전압과 전류를 시스템부하에 인가하므로 전체 시스템을 안정하게 유지하는 구성으로 된 PWM제어기; 소정의 입력 DC전압을 DC/AC전압으로 승압하고 다시 DC/DC전압으로 변환하는 DC/DC컨버터; 부하전원을 검출하는 기준신호를 발생시키고 내부 시스템 전원으로 사용되게 하는 보조전원부; 보조전원부로부터 톱니파형의 제어신호를 수신하여 실질적인 부하전류에 해당하는 파라메터에 해당하는 설정전류를 발생시켜 PWM제어기에 공급하는 전원 마이크로제어부(MCU); 전원마이크로제어부로부터 설정전류에 구동하는 스위칭 FET를 구비하여 부하 실제전류가 과부하상태임을 검출하여 PWM제어기로 입력시키므로 시스템작동의 에러 여부를 확인 하도록 하게 한 PFC(Power Factor Correction: 전원인자교정부의 의미이나 이후 PFC라 통칭함); DC/DC컨버터로부터 승압된 전압을 고정전압으로 PWM제어기의 체배기로 공급하여 체배되거나 변동감지전압을 PWM제어기로 공급하여 실제부하전압을 PWM제어기가 DC/AC인버터에 인가되게 한 전압 평형기와; PWM제어기로부터 전압평형기의 고전압신호와 고주파제어신호를 수신하여 유사정형파 신호로 되는 두가지 고전압AC출 력을 하고, 이 출력전압의 유사정형파에 동조하는 부하에 고전압을 인가하게 한 DC/AC인버터들로 구성된다.
DC/DC컨버터는 승압트랜스를 구비하고 소정의 듀티싸이클을 가진 PWM제어신호에 의하여 교차로 작동되게 한 쌍을 이룬 MOS FET로 구성되는 입력전압승압부와 트랜스로부터 고전압 유사AC전압을 소정전압의 DC전압으로 승압하는 고전압정류기로 구성되게 한다.
전원마이크로제어부는 부하전류를 검출하고 이 전류를 PWM제어기에 인가하는 스위칭 트랜지스터와 트랜스를 구비한다.
DC/AC인버터는 정형파의 고전압을 PWM제어기의 두 가지 제어신호에 의하여 출력되는 두가지 출력을 각각 고주파 필터로 필터링하는 풀부릿지 정류기와 풀부릿지 정류기로부터 출력고전압 주파수에 동조하는 고전압을 출력시키는 방전등 구동회로로 이루어진다.
본 발명은 부하의 실제작동전압과 전류를 하드웨어적으로 검출하여 이를 PWM제어기에 피드백하므로 실질부하전압과 전류를 발생시키고, 부하작동전압이 유사정현파로 발생되고 이 유사정현파의 주파수를 필요에 따라 변경하므로 직류거나 교류부하에 겸용하여 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 안정기회로(10)는 DC/DC컨버터 CV와 DC/AC인버터(2), PWM제 어기(3), 보조전원장치(4)와 전원 마이크로제어부(5)(전원 Micro Control Unit; 이후 MCU라 칭함)들로 구성된다.
DC/DC컨버터(1)는 밧데리 전원 실예를 들면 12V 직류전원이 연결되는 입력부(11)를 구비하여 캐피시터(C1)(C2)를 경유하여 리플 제거되고 저주파 필터로 되는 코일(L1)과 캐패시터(C3)에 의하여 승압트랜스(T1)의 일단에 인가된다. 승압트랜스(T1)는 그의 타단에 반도체 스위치 소자로 되는 전계효과트랜지스터(MOS Field Effect Transitor, 이후 FET라 칭함)(Q1)과 (Q2)들이 병렬로 접속되어 있다. 이 FET(Q1)와 (Q2)들의 게이트들은 저항(R1)과 (R2)에 의하여 PWM제어기(3)의 제어선(CL1)에 동시에 접속되고, 여기서, FET(Q2)의 게이트는 저항(R2) 이외에도 NOT 게이트(G1)가 더 개재된다. 이와 같이 FET(Q1)와 (Q2)와 승압트랜스(T1)는 전압, 실예를 들면 600V 고전압으로 승압하는 고 전압 승압부(T3)로 구성된다.
PWM제어기(3)는 잘 알려진 정현파 PWM 제어회로로 이루어졌으며, 본 발명의 원리에 따라 고전압 체배기를 구비하여 실질 부하전압을 출력하도록 제어하고, 이하에 기재와 같이 메모리에 미리 프로그램된 듀티 싸이클을 가진 상이한 소정 수의 고주파 제어신호를 발생시킨다.
즉, PWM제어기(3)는 고전압 승압부(13)의 FET(Q1)와 (Q2)에 소정 듀티 사이클의 방현파 변조 펄스를 인가하게 되고, 승압 트랜스(T1)는 각 FET(Q1)와 (Q2)의 저전위 출력에서 작동하여 고전압, 실예를 들면 600V를 하프 브릿지정류기(12)에 인가한다. 이 하프 브릿지 정류기(12)는 승압 트랜스(T1)사이에 캐패시터(C3)가 연결되고 정류다이오드(D4)와 상호 직렬로 연결되고 동시에 애노드가 접속되는 두 개 의 정류다이오드(D5)(D6)들이 병렬로 연결되어 AC/DC 정류기(12)로 작동한다. 그러므로, 승압트랜스(T1)에 인가된 고압의 변형 사인파 전원은 캐패시터(C3)의 시정수에 근거한 DC전원을 출력한다. 미설명된 캐패시터(C4),(C5),(C6)는 리플 제거용이다. 이로써 DC/DC컨버터(1)가 성립된다.
보조전원부(4)는 정류 집적회로(IC1)를 구비하며, PWM제어기(3)로부터 톱니파형의 구동전압이 병렬접속된 캐패시터(C7)와 정격다이오드(D7)에 의하여 정류직접회로(IC1)에 인가된다. 그 출력전압은 다이오드(D5)에 의하여 DC/AC인버터(2)와 MCU전원부(5)에 인가되어 MCU전원부(5)를 작동시킨다.
MCU전원부(5)는 MCU집적회로(IC2)를구비하여 부하전압을 부스트하고, 버킹하며, 인버팅(전도) 시키는 스위칭 전원부가 기능 하도록 정확한 부하전원과 내부의 시스템전원을 발생시킨다. 이 MCU집적회로(IC2)는 타이밍 캐패시터(C8)를 통하여 접지되고 스위칭트랜지스터(Q3)를 구비하며, 이 트랜지스터(Q3)의 베이스에 저항(R3)을 경유하여 소정전압의 타이밍 신호가 인가되고, 이 타이밍신호의 주기에 따라 에미터에 부하감지전원이 인가되며, 베이스에는 구동전원이 인가된다. 그러므로 이 트랜지스터(Q3)는 콜렉터로부터 부하감지 전원을 전원검출트랜스(T2)에 인가한다. 전원검출트랜스(T2)는 일측 출력으로 정류다이오드(D8)를 경유하여 다시 PWM제어기(3)에 공급하여 검출신호로 이용되게 하며, 접지출력으로는 다이오드(D9)를 경유하여 전원인자교정부(Power Factor Correction: PFC로 칭함)(6)에 인가된다. PFC(6)는 MOS FET(14)로 구성되고, 이 MOS FET(14)는 그의 게이트 신호에 따라 발진작동을 하게 되고 그 작동상태는 PWM제어기(3)에 입력되어 부하작동상태거나 작 동전류와 전압의 상태를 판단하게 된다.
전압 평형기(7)는 제 다이오드(D10)와 정전압 다이오드(D11)의 병렬구성으로 되며, DC/DC컨버터(1)의 하프브릿지 정류기(12)로부터 승압 된 고 전압전원의 정격치를 갖도록 하여 체배기(16)에 인가하고 동시에 다이오드(D11)에 의하여 검출된 변동전압을 PWM제어기(3)로 공급한다. 이에 따라 PWM제어기(3)는 전압평형기(7)로부터 전압을 소정배수로 체배한 고전압을 DC/AC인버터(2)에 인가하도록 제어한다.
DC/AC인버터(2)는 풀브릿지정류기 집적회로(IC3)를 구비한다. 이 풀브릿지 집적회로(IC3)는 상업적으로 구독 가능하면 도면에 도시와 같이 마이크로 구동제어부(MIC)와 4개의 절연게이트 FET(Q5),(Q6),(Q7)(Q8)들로 구성되어 있다. 여기서, 쌍을 이룬 절연게이트 FET(Q5)와 (Q6)는 제1 출력으로 되고 쌍을 이룬 절연게이트 FET(Q7)와 (Q8)들은 제2 출력으로 된다. 즉, 이 풀브릿지 정류집적회로(IC3)는 PWM제어기(3)로부터 고전압 입력단자(VIN1)(VIN2)로 입력되는 고전압 신호와 제어신호 입력단자(D1) 및 (D2)로 입력되는 고주파의 PWM제어신호를 수신함에 따라 내부의 쌍을 이룬 절연게이트 FET(Q5)(Q6)가 고전압 AC신호를 출력단자(O1)로 출력하고 절연게이트 FET(Q7),(Q8)가 고전압 AC신호를 출력단자(O2)로 출력한다. 이때 출력단자(O1)로부터 출력신호는 저역필터로 구성되는 코일(L2)과 캐패시터(C10)를 경유하고, 출력단자(O2)로부터 출력신호는 저역필터로 구성되는 코일(L3)과 캐패시터(C11)를 경유하여 고압방전등 구동회로(15)로 인가된다.
고압방전등 구동회로(15)는 유사 정현파로 되는 AC고전압을 공급받게 된다. 이때 주목되는 것은 유사정현파로 되는 AC고전압은 PWM제어신호의 주파수와 동일하 며 듀터싸이클에 따라 연속적인 정부파형으로 되고 저역필터들을 각각 경유하면서 고주파의 AC정현파로 된다.
한편, 부하로 사용되는 고압방전등이 직류 방전등의 PID인 경우 주파수가 수메가 헬쯔로 되어 최종정현파와 구형파와 유사한 사인파로 되며, 고압방전등이 교류방전등의 CDM인 경우 주파수가 수십메가 헬쯔로 되어 최종 정형파가 이상적인 AC사인파에 가깝게 접근한 신호로 되어 전류손실을 최소화한다.
고압방전등 구동회로(15)는 방전등의 일측에 동조기(T2)가 설치되어서, 유사정현사인파에 동조하도록 하므로 입력고전압의 전압변동을 줄이고 방전등의 작동속성에 정합 되도록 한다. 또한, 고압방전등 구동회로(15)는 동조기(T3)에 연동하도록 서지 어레스트(G1)가 병렬캐패시터(C13)와 저항(R21)(R22)(R23)들을 구비한다.
도1: 본 발명의 구체적 실시에 따른 상세 회로도이다.
※ 주요도면부호의 간단한 설명 ※
10: 안정기 회로, 2: DC/AC 인버터,
3: PWM 제어기 4: 보조전원부
5: 전원 MCU 7: 전압 평형기

Claims (4)

  1. 직류교류겸용 고압방전등용 안정기회로에 있어서,
    시스템부하로 되는 고전압 방전등의 작동전압과 전류의 변동을 최소화하도록 시스템부하의 작동으로 사용된 변동전류 및 전압의 검출 신호를 수신하고, 이 검출신호에 해당하여 내장된 체배기에 의하여 실질부하전압과 전류를 시스템부하에 인가하므로 전체 시스템을 안정하게 유지하는 구성으로 된 PWM제어기;
    소정의 입력 DC전압을 DC/AC전압으로 승압하고 다시 DC/DC전압으로 변환하는 DC/DC컨버터; 부하전원을 검출하는 기준신호를 발생시키고 내부 시스템 전원으로 사용되게 하는 보조전원부;
    보조전원부로부터 톱니파형의 제어신호를 수신하여 실질적인 부하전류에 해당하는 파라메터에 해당하는 설정전류를 발생시켜 PWM제어기에 공급하는 전원 마이크로제어부(MCU); 전원마이크로제어부로부터 설정전류에 구동하는 스위칭 FET를 구비하여 부하 실제전류가 과부하상태임을 검출하여 PWM제어기로 입력시키므로 시스템작동의 에러 여부를 확인 하도록 하게 한 PFC;
    DC/DC컨버터로부터 승압된 전압을 고정전압으로 PWM제어기의 체배기로 공급하여 체배되거나 변동감지전압을 PWM제어기로 공급하여 실제부하전압을 PWM제어기가 DC/AC인버터에 인가되게 한 전압 평형기와;
    PWM제어기로부터 전압평형기의 고전압신호와 고주파제어신호를 수신하여 유사정형파 신호로 되는 두가지 고전압AC출력을 하고, 이 출력전압의 유사정형파에 동조하는 부하에 고전압을 인가하게 한 DC/AC인버터들로 구성한 것을 특징으로 하는 직류교류겸용 고압방전등용 안정기회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    DC/DC컨버터가 승압트랜스를 구비하고 소정의 듀티싸이클을 가진 PWM제어신호에 의하여 교차로 작동되게 한 쌍을 이룬 MOS FET로 구성되는 입력전압승압부와 트랜스로부터 고전압 유사AC전압을 소정전압의 DC전압으로 승압하는 고전압정류기로 구성되게 한 것을 특징으로 하는 직류교류겸용 고압방전등용 안정기회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    전원마이크로제어부가 부하전류를 검출하고 이 전류를 PWM제어기에 인가하는 스위칭 트랜지스터와 트랜스를 구비한 것을 특징으로 하는 직류교류겸용 고압방전등용 안정기회로.
  4. 제 1 항에 있어서,
    DC/AC인버터는 정형파의 고전압을 PWM제어기의 두가지 제어신호에 의하여 출력되는 두가지 출력을 각각 고주파 필터로 필터링하는 풀부릿지 정류기와 풀부릿지 정류기로부터 출력고전압 주파수에 동조하는 고전압을 출력시키는 방전등 구동회로로 이루어지게 한 것을 특징으로 하는 직류교류겸용 고압방전등용 안정기회로.
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