KR101005558B1

KR101005558B1 - 냉음극 형광 램프 구동용 인버터 및 제어방법

Info

Publication number: KR101005558B1
Application number: KR1020100084700A
Authority: KR
Inventors: 박상윤; 이승근; 최명식; 황중일
Original assignee: 박상윤; (주)지에이티; 이승근
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2011-01-10

Abstract

본 발명은 냉음극 형광 램프 구동용 인버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 변압기가 없는 구동용 인버터와 2단 전원 시스템을 적용하여 전력 효율을 개선한 냉음극 형광 램프 구동용 인버터로 교류전원을 입력받는 전원입력부(210); 상기 교류전원을 정류하여 직류전원으로 변환하는 교류/직류 변환부(220); 상기 교류/직류 변환부에 의해 변환된 직류전원을 소정값의 교류전원으로 변환하는 직류/교류 변환부(230); 상기 직류/교류 변환부에 의해 변환된 소정값의 교류전원을 입력받아 광을 발산하는 냉음극 형광 램프(250); 상기 교류/직류 변환부에서 변환된 직류전원을 입력받아 소정값의 직류전원으로 변환하는 보조 직류/직류 변환부(240); 및 상기 직류/교류 변환부의 동작 주파수를 제어하는 주파수 제어부(262), 승압비를 제어하는 승압비 제어부(264) 및 상기 냉음극 형광 램프 구동용 인버터 전체를 제어하는 주제어부(261)를 포함하는 인버터 제어부(260)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

냉음극 형광 램프 구동용 인버터 및 제어방법{Driving inverter and control method for Cold Cathode Fluorescent Lamp}

본 발명은 냉음극 형광 램프 구동용 인버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 변압기가 없는 구동용 인버터와 2단 전원 시스템을 적용하여 전력 효율을 개선한 냉음극 형광 램프 구동용 인버터에 관한 것이다.

조명등으로 사용되는 램프에는 백열등으로부터 시작하여 현재는 형광등이 대부분의 조명등으로 사용되고 있다.

그러나 최근 에너지의 부족에 따라 효율이 높은 조명등이 요구됨에 따라 형광등의 사용을 배제하고 효율이 높은 램프로 대체하고자 하는 요구가 있어왔다.

형광등을 대체하는 조명등용 램프로는 엘이디(LED) 램프, 냉음극 형광 램프(CCFL), 외부전극 램프(EEFL), 열음극 형광 램프(HCFL), 면발광 램프(FFL) 등의 다양한 광원이 알려져 있다.

최근에는 엘이디 램프가 등장하고 있으나, 제조원가 대비 효율면에서 가장 우수한 냉음극 형광 램프(CCFL)이 가장 많이 보급되고 있다.

냉음극 형광 램프는 가는 소형 형광관으로서 발광원리는 대체적으로 통상의 형광등과 유사하다.

냉음극 형광 램프는 형광 물질이 도포되어 있으며, 관 양단에 전극이 형성되고 램프 내부에는 통상 2~10mg 정도의 수은, 아르곤, 네온의 혼합가스가 충전되어 있다.

냉음극 형광 램프는 일종의 가스 발광 방식으로서 램프 내부에 도포되어 있는 형광물질을 여기하여 빛을 발산시키는 원리이며 전기에너지를 빛에너지로 변환하는 장치이다.

유리관 양단의 전극에 고압의 전류를 인가하면 밀폐상태로 있던 혼합가스와 수은이 이온화 작용을 일으켜 자외선을 발생시키고 이렇게 발생된 자외선은 유리관 내부에 코팅된 형광물질을 자극하여 빛을 발산하게 한다.

유리관 속에 도포된 형광물질은 통상 235.7mm의 에너지 파장대를 가시광선 파장 영역까지 증폭시켜 가시광선을 생성한다. 또한 적/청/녹의 형광물질 배합비를 변경하여 사용자의 용도에 적합한 발광색을 구현할 수도 있다.

이러한 냉음극 형광 램프는 효율을 증가시키고 사이즈 무게 등을 저감시키며 소음이나 깜빡임을 줄이기 위해 고주파 인버터가 사용되고 있다.

고주파 인버터는 저가 회로구현이 가능해야 한다는 요구가 높아지고 있으며 전류파고율 감소도 중요한 설계 사양으로 인식되고 있다.

도 1은 종래기술에 따른 3단 전원 구조의 냉음극 형광 램프 구동용 인버터의 간략화된 구성도로, 종래의 구동용 인버터는 램프 모듈 구동용 전원, 각종 신호처리를 위한 전원, 자체 제어기 구동용 전원, 대기 전원 등으로 구성된 다양한 소용량 DC/DC 컨버터들이 후단에 설치되는 2단 전원시스템으로 그 부피가 크고 이를 제어하기 위해 매우 복잡한 방식으로 구동된다.

그러나 실제 라인 전원에서 램프로 전달되는 전원시스템은 2단 전원으로부터받은 DC전원을 다시 한번 인버터를 통해 AC 구형파로 변환해야 하므로 3단으로 구성된다고 할 수 있다.

특히 전체 전력량 중 대부분이 램프에서 사용되고 있으므로 시스템 소비전력, 효율, 가격 및 성능의 상당부분이 전원장치와 램프에 의해서 결정되며 이러한 상황을 고려할 경우 전력 변환 효율 측면에서 현재의 램프에 채용되고 있는 이러한 3단 전력변환체계는 바람직하지 않다고 할 수 있다.

또한 램프를 구동하는 인버터는 24Vdc 입력으로부터 1~2kV 정도의 높은 구동전압으로 승압하기 위하여 변압기의 권선비를 매우 높게 설정해야 하므로 이로 인한 부피 증가나 누설 인덕턴스 또는 기생 커패시턴스 등의 문제가 있다.

따라서 종래의 3단으로 전력을 변환함에 따라 전력변환 효율의 저하 및 변압기의 승압비를 높이기 위하여 변압기의 권선을 증가시키는 경우 발생되는 부피 증가나 누설 인덕턴스 또는 기생 커패시턴스에 발생되는 문제를 해결할 필요성이 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 변압기가 없는 구동용 인버터와 2단 전원 시스템을 통해 전력 효율이 개선된 냉음극 형광 램프 구동용 인버터를 제공하고자 한다.

또한 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 종래 인버터에서 누설 인덕턴스 또는 기생 커패시턴스에 의해서 발생되는 문제를 제거할 수 있는 냉음극 형광 램프 구동용 인버터를 제공하고자 한다.

상기와 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 냉음극 형광 램프 구동용 인버터는 교류전원을 입력받는 전원입력부(210);
상기 교류전원을 정류하여 직류전원으로 변환하는 교류/직류 변환부(220);
상기 교류/직류 변환부(220)에서 변환된 직류전원을 입력받는 제1직류 전원입력부(310), 상기 제1직류전원입력부(310)의 일측에 연결된 제1스위치(311), 상기 제1스위치(311)의 일측에 연결되고 상기 제1직류전원입력부(310)의 다른 일측에 병렬로 연결되는 제2스위치(312), 상기 제1직류전원입력부(310)의 다른 일측에 연결되며 상기 제2스위치(312)의 일측에 연결되는 제1바디 다이오드(313), 상기 제1바디 다이오드(313)와 연결되며, 상기 제2스위치(312)에 병렬로 연결되는 제1정전압 커패시터(314), 상기 제1바디 다이오드(313)의 일측에 연결됨과 동시에 상기 제1정전압 커패시터(314)에 병렬로 연결되며 상호 직렬로 연결된 제3스위치(315) 및 제4스위치(316), 상기 제3스위치(315) 및 제4스위치(316)로 구성되는 제1전력단(340);
상기 제1전력단(340)의 출력에 직렬로 연결된 제1공진 인덕터(317), 상기 제1공진 인덕터(317)에 직렬로 연결된 냉음극 형광 램프(330), 및 상기 제1공진 인덕터(317)와 상기 냉음극 형광 램프(330) 사이에서 병렬로 연결된 제1공진 커패시터(318)를 포함하는 제1전력 변환부(360);
상기 교류/직류 변환부(220)에서 변환된 직류전원을 입력받는 제2직류 전원입력부(320), 상기 제2직류전원입력부(320)의 일측에 연결된 제5스위치(321), 상기 제5스위치(321)의 일측에 연결되고 상기 제2직류전원입력부(320)의 다른 일측에 병렬로 연결되는 제6스위치(322), 상기 제2직류전원입력부(320)의 다른 일측에 연결되며 상기 제6스위치(322)의 일측에 연결되는 제2바디 다이오드(323), 상기 제2바디 다이오드(323)와 연결되며, 상기 제6스위치(322)에 병렬로 연결되는 제2정전압 커패시터(324), 상기 제2바디 다이오드(323)의 일측에 연결됨과 동시에 상기 제2정전압 커패시터(324)에 병렬로 연결되며 상호 직렬로 연결된 제7스위치(325) 및 제8스위치(326)로 구성되어, 상기 제7스위치(325) 및 제8스위치(326)로 구성되는 제2전력단(350);
상기 제2전력단(350)의 출력에 직렬로 연결된 제2공진 인덕터(327), 상기 제2공진 인덕터(327)에 직렬로 연결된 냉음극 형광 램프(330), 및 상기 제2공진 인덕터(327)와 상기 냉음극 형광 램프(330) 사이에서 병렬로 연결된 제2공진 커패시터(328)를 포함하는 제2전력 변환부(370)로 구성되며,
상기 제1전력 변환부(360)와 상기 제2전력 변환부(370)는 하기 냉음극 형광 램프(330)에 대해 서로 직렬로 연결되는 직류/교류 변환부(230);
상기 직류/교류 변환부에 의해 변환된 소정값의 교류전원을 입력받아 광을 발산하는 냉음극 형광 램프(330);
상기 교류/직류 변환부에서 변환된 직류전원을 입력받아 소정값의 직류전원으로 변환하는 보조 직류/직류 변환부(240); 및
상기 직류/교류 변환부의 동작 주파수를 제어하는 주파수 제어부(262), 승압비를 제어하는 승압비 제어부(264) 및 상기 냉음극 형광 램프 구동용 인버터 전체를 제어하는 주제어부(261)를 포함하는 인버터 제어부(260)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

삭제

한편 상기 인버터 제어부(260)는 상기 교류/직류 변환부의 동작 펄스의 지속시간을 제어하는 펄스 제어부(263)를 더 포함할 수 있다.

삭제

상기와 같은 달성하기 위한 본 발명에 따른 냉음극 형광 램프 구동용 인버터의 제어 방법은 대칭 또는 비대칭 제어 방식 중 하나를 입력받는 단계;

상기 입력된 제어 방식이 대칭 방식인 경우, 제어 주파수 및 승압비를 입력받는 단계;

제1모드에서 제2, 3, 5, 8스위치가 턴온되는 단계;

상기 제1모드 이후 제2모드에서 상기 제2, 3, 5, 8스위치가 턴오프되는 단계;

상기 제2모드 이후 제3모드에서 제1, 4, 6, 7스위치가 턴온되는 단계; 및

상기 제3모드 이후 제4모드에서 상기 제1, 4, 6, 7스위치가 턴오프되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 입력된 제어 방식이 비대칭인 경우, 제어 주파수, 승압비 및 동작 펄스의 지속시간을 입력받는 단계;

제1모드에서 제2, 3, 5, 8스위치가 턴온되는 단계;

상기 제1모드 이후 제2모드에서 상기 제2, 3스위치는 턴오프되며, 제1, 4스위치는 턴온되는 단계;

상기 제2모드 이후 제3모드에서 1, 4, 6, 7스위치는 턴온되는 단계; 및

상기 제3모드 이후 제4모드에서 상기 제6, 7스위치는 턴오프되며, 상기 제5, 8스위치는 턴온되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 냉음극 형광 램프 구동용 인버터는 종래 3단 전원시스템에서 라인 전압을 감압한 낮은 전압으로부터 램프 구동에 필요한 높은 전압으로의 승압을 위하여 높은 권선비를 갖는 고압 변압기를 사용하지 않아도 되므로 고압 변압기의 특성을 유지하기 위해 변압기의 1차측과 2차측의 단락 등을 방지하기 위해 절연 간격의 유지 및 많은 권선에 의해서 발생되는 누설 인덕턴스 또는 기생 커패시턴스가 다양하게 변함에 따라 제품의 성능을 일정하게 유지하는 것이 곤란한 문제점을 해결할 수 있게 된다.

또한 종래 3단으로 전원을 변환함에 따라 전력변환시마다 발생되는 전력변환 효율의 저하를 방지할 수 있게 된다.

한편 종래 변압기를 사용하는 인버터에서 기생 커패시턴스 또는 누설 인덕턴스에 의해 발생되는 누설 전류에 의하여 정확한 전류 피드백을 제공하지 못하여 정확한 전류제어를 방해하고 누설 전류로 인하여 회로의 효율이 낮아지는 문제점을 해결할 수 있게 된다.

또한 본 발명에 따른 형광 램프 구동용 인버터는 종래 인버터에 비해 두 배의 전압이 공진회로에 인가됨에 따라 낮은 Q-인수로도 원하는 충분한 승압비를 얻을 수 있으며, 회로 구동을 대칭 또는 비대칭으로 구동하며 특히, 대칭 구동은 제어가 간단한 장점이 있으며 비대칭 구동은 주파수 제어 뿐만 아니라 시비율에 의한 제어도 가능하여 관전류 제어나 디밍 제어 등에 적용할 수도 있는 장점이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 3단 전원 구조의 냉음극 형광 램프 구동용 인버터의 간략화된 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 2단 전원 구조의 냉음극 형광 램프 구동용 인버터의 간략화된 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 냉음극 형광 램프 구동용 인버터의 회로도이다.
도 4는 본 발명에 따른 냉음극 형광 구동용 램프 구동용 인버터에서 하나의 전력단에 3개의 인버터가 병렬로 연결된 경우의 회로도이다.
도 5는 본 발명에 따른 냉음극 형광 구동용 램프 구동용 인버터가 대칭방식으로 구동되는 경우에 제1모드에서 인버터 회로도이다.
도 6은 본 발명에 따른 냉음극 형광 구동용 램프 구동용 인버터가 대칭방식으로 구동되는 경우에 제2모드에서 인버터 회로도이다.
도 7은 본 발명에 따른 냉음극 형광 구동용 램프 구동용 인버터가 대칭방식으로 구동되는 경우에 제3모드에서 인버터 회로도이다.
도 8은 본 발명에 따른 냉음극 형광 구동용 램프 구동용 인버터가 대칭방식으로 구동되는 경우에 제4모드에서 인버터 회로도이다.
도 9는 본 발명에 따른 냉음극 형광 구동용 램프 구동용 인버터가 대칭방식으로 구동되는 경우 스위칭 신호와 전류 전압 특성에 관한 것이다.
도 10은 본 발명에 따른 냉음극 형광 구동용 램프 구동용 인버터가 비대칭방식으로 구동되는 경우에 제1모드에서 인버터 회로도이다.
도 11은 본 발명에 따른 냉음극 형광 구동용 램프 구동용 인버터가 비대칭방식으로 구동되는 경우에 제2모드에서 인버터 회로도이다.
도 12는 본 발명에 따른 냉음극 형광 구동용 램프 구동용 인버터가 비대칭방식으로 구동되는 경우에 제3모드에서 인버터 회로도이다.
도 13은 본 발명에 따른 냉음극 형광 구동용 램프 구동용 인버터가 비대칭방식으로 구동되는 경우에 제4모드에서 인버터 회로도이다.
도 14는 본 발명에 따른 냉음극 형광 구동용 램프 구동용 인버터가 비대칭방식으로 구동되는 경우 스위칭 신호와 전류 전압 특성에 관한 것이다.

이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

본 발명에 따른 2단 전원 구조의 냉음극 형광 램프 구동용 인버터의 간략화된 구성도이다.

도 1에서 살펴본 바와 같이 종래 구동용 인버터는 램프 모듈 구동용 전원, 각종 신호처리를 위한 전원, 자체 제어기 구동용 전원, 대기 전원 등으로 구성된 다양한 소용량 DC/DC 컨버터들이 후단에 설치되는 2단 전원시스템으로 그 부피가 크고 이를 제어하기 위해 매우 복잡한 방식으로 구동된다.

한편 램프를 구동하는 인버터는 24Vdc 입력으로부터 1~2kV 정도의 높은 구동전압으로 승압하기 위하여 변압기의 권선비를 매우 높게 설정해야 하므로 이로 인한 부피 증가나 누설 인덕턴스 등의 문제가 있다.

따라서 도 2의 구조와 같이 교류전원입력으로부터 램프를 구동하는 인버터까지의 과정을 2단으로 구성하면 종래의 시스템보다 전력의 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 부피나 무게의 저감, 나아가 제품 제조 비용의 감소 등에 유리한다.

또한 도 2와 같이 2단 시스템으로 구성하는 경우 변압기를 사용하지 않으므로 변압기에서 발생되는 문제점들을 해결할 수 있게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 냉음극 형광 램프 구동용 인버터의 회로도이다.

위에서 살펴본 바와 같이 냉음극 형광 램프 인버터를 설계함에 있어서는 다음의 조건을 필수적으로 고려하여야 한다.

- 변압기의 사용을 자제할 것

- 낮은 Q를 가질 것

- 기생 커패시턴스가 발생할 가능성이 있는 고전압 전선의 경로를 최대한 줄일 것

도 3은 상기의 조건을 만족하도록 제안된 본 발명에 따른 냉음극 형광 램프 구동용 인버터의 회로도이다.

도 3에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 냉음극 형광 램프 구동용 인버터는 변압기가 제거되어 있으며, 변압기를 대신하여 제1전력변환부(340)및 제2전력변환부(350)가 부가되어 있다.

본 발명에 따른 냉음극 형광 구동용 램프 구동용 인버터는 제1측의 인터버부(제1전력단(340)과 제1전력변환부(360)로 구성됨)와 제2측의 인버터부(제1전력단(350)과 제2전력변환부(370)로 구성됨)가 대칭적으로 구성되어 있다.

또한 제1측의 인버터부의 출력측에 제1전력변환부(360)가 연결되어 제1전력변환부(360)의 출력이 냉음극 형광 램프(330)에 변환된 전원을 공급하며, 마찬가지로 제2측의 인버터부의 출력측에 제2전력변환부(370)가 연결되어 제2전력변환부(370)의 출력이 냉음극 형광 램프(330)에 변환된 전원을 공급한다.

상기와 같은 구성에 의하여 변압기에 구비되어 긴 도선이 제거되어 도선에 의해 야기될 수 있는 누설 인덕턴스 및 기생 커패시턴스가 제거될 수 있다.

도 3에서 제1전력단(340)의 제1정전압 커패시터(314, C1)과 제2전력단의 제2정전압 커패시터(324, C2)는 전압을 Vin으로 유지하도록 하는 역할을 한다. 더불어 제1정전압 커패시터(314, C1)과 제2전력단의 제2정전압 커패시터(324, C2)는 도통 시 제1및 제2전력변환부(360, 370)에 전압을 2배로 인가해주는 전압원 역할을 한다.

한편 본 발명에 따른 전력단은 공통으로 사용하고 스위치와 전력변환부를 추가하여 병렬로 사용할 수도 있다.

도 4는 본 발명에 따른 냉음극 형광 구동용 램프 구동용 인버터에서 하나의 전력단에 3개의 인버터가 병렬로 연결된 경우의 회로도이다.

도 4는 3개의 인버터가 병렬로 연결된 경우에 회로도이나 임의의 갯수의 인버터를 병렬로 연결할 수 있으며 이때 사용되는 스위치의 개수는 인버터의 개수에 비례하여 증가되어 고가의 반도체 스위치의 사용을 최소한으로 줄일 수 있다.

즉, 만일 n개의 인버터를 사용하는 경우 이때 사용되는 스위치의 개수는 4n+4개가 된다.

구동 방식은 전력단이 독립적으로 각 인버터에 연결된 것으로 간주 되므로 각 인버터가 독립적으로 전력단과 연결되었다고 가정하면 도3과 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 하기의 도3을 기준으로 한 구동방식의 설명으로 대체하도록 한다.

도 3에 따른 회로도에서 모든 스위치들은 내압이 Vin이면 충분하면서도 종래 풀브리지 방식의 경우보다 두 배 높은 전압을 공진 회로에 인가할 수 있으므로 승압에 유리하다.

한편 높은 승압비를 얻기 위해서는 통상 높은 Q-인수를 가져야 하는데 이는 회로를 제작함에 있어 제약조건이 된다.

그러나 본 발명에 따른 냉음극 형광 구동용 램프 구동용 인버터는 낮은 Q-인수에 의해서도 동일한 입력 전압에 대해 동일한 승압비를 가지며 이에 대해서는 하기에서 자세히 설명하도록 한다.

도 3에 따른 냉음극 형광 구동용 램프 구동용 인버터는 두 가지 방식으로 구동될 수 있다.

즉, 대칭 구동방식과 비대칭 구동방식으로 제1전력단(340) 및 제2전력단(350)의 스위치를 동일한 시간 동안 도통시키는 것을 대칭 구동방식이라 하며, 다른 시간 동안 도통시키는 것을 비대칭 구동방식이라 한다.

대칭 방식은 스위칭 소자의 도통 시간이 고정되며 제1전력변환단(360) 및 제2전력변환단(370)에 인가되는 전압은 2Vin과 -2Vin의 두 종류의 전압만이 인가되며 입력과 출력사이의 승압비의 조절은 시비율 조절이 불가능하고 주파수에 의해 조절에 의해서만 가능하다.

도 5 내지 도 9는 본 발명에 따른 냉음극 형광 램프 구동용 인버터를 대칭방식으로 구동하는 경우의 회로 동작 및 스위칭 신호와 전류 전압 특성에 관한 것으로, 이하에서는 도 9 및 15의 흐름도를 참고하여 이를 자세히 설명하도록 한다.

먼저 도 15에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 냉음극 형광 램프 구동용 인버터가 가동되면(S1510), 대칭방식으로 제어할 것인지 또는 비대칭 방식으로 제어할 것인지 주제어부(261)에 의해 선택된다(S1520). 상기의 선택은 미리 프로그램화 될 수 있으며, 제조 시 선택될 수 있으며, 사용자에 의해 선택될 수도 있다.

이후 대칭방식으로 제어방식이 결정된 경우, 램프의 밝기 등의 설정에 의해 결정되는 승압비와 주파수를 메모리 등에 저장되어 있는 값을 입력받아(S1521) 주파수 제어부(262) 및 승압비 제어부(264)에 의해 조절된다.

도 5는 대칭방식으로 구동되는 경우에 제1모드(S1531, 도 9의 t0~t1구간)에서 인버터 회로를 간략한 것이다.

제1모드에서 제2, 3, 5, 8스위치(312, 315, 321, 326)이 턴온되고(S1532), 전류는 제2, 3, 5, 8스위치(312, 315, 321, 326)을 통해서 부하 즉 냉음극 형광 램프(330)에 공급된다.

이때 제1전력변환부(360) 및 제2전력변환부(370)의 제1공진 인덕터(317) 및 제2공진 인덕터(327)에 인가되는 전류는 0보다 크고 제1전력변환부(360) 및 제2전력변환부(370)에는 2Vin의 전압이 인가된다.

제1모드에 대하여 등가회로로 변환하여 살펴보면, 2Vin의 전압을 가지고 등가 인더턴스 Lr과 등가 커패시터 Cr의 값을 가지는 병렬 부하 공진회로가 된다.

등가회로에서 등가 인더턴스 Lr과 등가 커패시터 Cr은 직렬로 연결된 것으로 등가화될 수 있다.

이때 Lr과 Cr은 다음과 같이 주어진다.

도 6은 대칭방식으로 구동되는 경우에 제2모드(S1541, 도 9의 t1~t2구간)에서 인버터 회로를 간략한 것이다.

제2모드에서 제2, 3, 5, 8스위치(312, 315, 321, 326)은 턴오프되고 제1전력변환부(360) 및 제2전력변환부(370)에 인가되는 전압은 -2Vin이 된다.

제1, 4, 6, 7스위치(311, 316, 322, 325)가 턴온되기 전까지는 전류는 제1바디 다이오드(313) 및 제2바디 다이오드(323)를 타고 흐르고 제1공진 인덕터(317) 및 제2공진 인덕터(327)의 전류가 감소하여 방향이 바뀌기 전까지는 제2모드가 유지된다.

이에 대한 등가회로를 살펴보면 -2Vin전압을 입력전압으로 가지는 병렬 부하 공진 회로로 등가화할 수 있다.

도 7은 대칭방식으로 구동되는 경우에 제3모드(S1551, 도 9의 t2~t3구간)에서 인버터 회로의 간략한 것이다.

제3모드에서 제1, 4, 6, 7스위치(311, 316, 322, 325)가 턴온되고(S1552), 전류는 제1, 4, 6, 7스위치(311, 316, 322, 325)를 통해서 부하 즉 냉음극 형광 램프(330)에 공급된다.

이때 제1공진 인덕터(317) 및 제2공진 인덕터(327)에 인가되는 전류는 0보다 크고 제1전력변환부(360) 및 제2전력변환부(370)에는 -2Vin의 전압이 인가된다.

제3모드에 대하여 등가회로로 변환하여 살펴보면, -2Vin의 전압을 가지고 등가 인더턴스 Lr과 등가 커패시터 Cr의 값을 가지는 병렬 부하 공진회로가 된다.

이때 Lr과 Cr은 다음과 같이 주어진다.

도 8은 대칭방식으로 구동되는 경우에 제4모드(S1561, 도 9의 t3~t4구간)에서 인버터 회로를 간략한 것이다.

제4모드에서 제1, 4, 6, 7스위치(311, 316, 322, 325)는 턴오프되고(S1562) 공진부에 인가되는 전압은 -2Vin이 된다.

제2, 3, 5, 8스위치(312, 315, 321, 326)이 턴온되기 전까지는 전류는 제1바디 다이오드(313) 및 제2바디 다이오드(323)를 타고 흐르고 제1공진 인덕터(317) 및 제2공진 인덕터(327)의 전류가 감소하여 방향이 바뀌기 전까지는 제4모드가 유지된다.

이에 대한 등가회로를 살펴보면 2Vin전압을 입력전압으로 가지는 병렬 부하 공진 회로로 등가화할 수 있다.

상기에서 제1모드로부터 제4모드까지는 제어 주파수에 의해 결정되는 제어 펄스의 한 주기에 해당하는 시간 간격으로 이후 제1모드에서 다시 시작하는 제어 주기가 반복된다.

한편 사용자에 의해 램프의 밝기 등이 변경되면 주파수 제어부(262) 및 승압비 제어부(264)에 주파수 및 승압비 등이 변경되며 이에 따라 제어 펄스의 주기의 시간 간격이 변경되고 제1모드로부터 제4모드까지 변경된 제어 펄스의 주기에 따라 제어된다.

상기와 같이 동작하는 인버터 회로에서 냉음극 형광 램프(330)에 전압이 인가되어 턴온되어 발광하는 경우에 냉음극 형광 램프(330)는 저항 성분(R)으로 간주될 수 있으며, 이에 따라 등가 커패시터 Cr과 냉음극 형광 램프(330)의 저항 R이 병렬로 연결되고 여기에 등가 인턱터 Lr이 직렬로 연결된 병렬 부하 공진형 인버터 회로로 볼 수 있다.

이에 대해 주파수 영역에서의 특성을 살펴보면,

여기에서

,

이며,

입출력 전압은 다음과 같다.

위의 입출력 전압의 관계에서 보는 바와 같이 입력 전압 대비 출력전압은 주파수에 의해서만 조절가능함을 알 수 있다.

도 10 내지 도 14는 본 발명에 따른 냉음극 형광 램프 구동용 인버터를 비대칭방식으로 구동하는 경우의 회로 동작 및 스위칭 신호와 전류 전압 특성에 관한 것으로, 비대칭 구동 방식으로 동작시킬 경우에는 3가지 전압 레벨 즉 2Vin, 0, -2Vin이 공진회로에 인가된다. 또한 비대칭 구동 방식은 주파수만으로 조정되었던 대칭 방식과는 달리 시비율로 조절이 가능하며 3가지 레벨의 전압이 인가되므로 고조파를 줄일 수 있는 장점이 있다.

도 15에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 냉음극 형광 램프 구동용 인버터가 가동되면(S1510), 대칭방식으로 제어할 것인지 또는 비대칭 방식으로 제어할 것인지 주제어부(261)에 의해 선택된다(S1520). 상기의 선택은 미리 프로그램화 될 수 있으며, 제조 시 선택될 수 있으며, 사용자에 의해 선택될 수도 있다.

이후 비대칭방식으로 제어방식이 결정된 경우, 램프의 밝기 등의 설정에 의해 결정되는 승압비, 주파수 및 펄스 지속시간(DTs)를 승압비 제어부(264), 주파수 제어부(262) 및 펄스 제어부(263)에 의해 메모리 등에 저장되어 있는 값을 입력받는다(S1522).

상기에서 펄스 지속시간(DTs)는 제2, 3, 5, 8스위치(312, 315, 321, 326)의 턴온시간을 의미하며, 제1, 4, 6, 7스위치(311, 316, 322, 325)은 (1-D)Ts의 시간동안 턴온된다.

상기에서 Ts는 주파수에 의해 결정되는 제어 주기를 의미한다.

이하에서는 도 14 및 15의 흐름도를 참고하여 이를 자세히 설명하도록 한다.

도 10은 비대칭방식으로 구동되는 경우에 제1모드(S1533, 도 14의 t0~t1구간)에서 인버터 회로를 간략한 것이다.

제1모드에서 제2, 3, 5, 8스위치(312, 315, 321, 326)가 턴온되고(S1534), 전류는 제2, 3, 5, 8스위치(312, 315, 321, 326)을 통해서 부하 즉 냉음극 형광 램프(330)에 공급된다.

이때 Lr과 Cr은 다음과 같이 주어진다.

도 11은 비대칭방식으로 구동되는 경우에 제2모드(S1543, 도 14의 t1~t2구간)에서 인버터 회로를 간략한 것이다.

제2모드에서, 제2, 3스위치(312, 315)가 턴오프되며 제1공진 인덕터(317) 및 제2공진 인덕터(327)에서의 전압은 0이 된다.

이때 제1, 4스위치(311, 316)이 도통되기 전까지는 전류는 제1바디 다이오드(313) 및 제2바디 다이오드(323)를 타고 흐른다.

이에 대한 등가회로를 살펴보면 0전압을 입력전압으로 가지는 병렬 부하 공진 회로로 등가화할 수 있다.

이후 제1, 4스위치(311, 316)가 도통되면 제1전력변환부(360) 및 제2전력변환부(370)의 전압은 -2Vin까지 하강하고 전류는 제1, 4스위치(311, 316)를 통해 흐른다.

이에 대한 등가회로는 -2Vin을 입력전압으로 가지는 병렬 부하 공진 회로로 등가화할 수 있다.

도 12는 비대칭방식으로 구동되는 경우에 제3모드(S1553, 도 14의 t2~t3구간)에서 인버터 회로의 간략한 것이다.

제3모드에서 제1, 4, 6, 7스위치(311, 316, 322, 325)가이 턴온되고(S1554), 전류는 제1, 4, 6, 7스위치(311, 316, 322, 325)을 통해서 부하 즉 냉음극 형광 램프(330)에 공급된다.

이때 제1전력변환부(360) 및 제2전력변환부(370)에 인가되는 전류는 0보다 크고 제1전력변환부(360) 및 제2전력변환부(370)에는 -2Vin의 전압이 인가된다.

이때 Lr과 Cr은 다음과 같이 주어진다.

도 12는 비대칭방식으로 구동되는 경우에 제4모드(S1563, 도 14의 t3~t4구간)에서 인버터 회로를 간략한 것이다.

제4모드에서, 제6, 7스위치(322, 325)가 턴오프되며 제1전력변환부(360) 및 제2전력변환부(370)에서의 전압은 0이 된다.

이때 제5, 8스위치(321, 326)가 도통되기 전까지는 전류는 제1바디 다이오드(313) 및 제2바디 다이오드(323)를 타고 흐른다.

이후 제5, 8스위치(321, 326)이 도통되면 제1전력변환부(360) 및 제2전력변환부(370)의 전압은 2Vin까지 상승하고 전류는 제5, 8스위치(321, 326)를 통해 흐른다.

이에 대한 등가회로는 2Vin을 입력전압으로 가지는 병렬 부하 공진 회로로 등가화할 수 있다.

한편 상기에서 사용자에 선택에 따라 램프의 밝기 등이 변경되면, 이에 따라 대칭방식의 제어인 경우, 제어 주파수 및 승압비가 주파수 제어부(262) 및 승압비 제어부(264)에 의해 변경되고 비대칭 방식인 경우 제어 주파수, 승압비 및 펄스 지속시간(DTs)이 주파수 제어부(262), 승압비 제어부(264) 및 펄스 제어부(263)에 의해 각각 변경된다.

이에 따라 제1모드에서 제4모드까지의 한 주기의 제어 주기의 시간 간격이 변경되고 이에 따라 제1모드로부터 제4모드까지 반복된다.

이에 대해 주파수 영역에서의 특성을 살펴보면,

여기에서

,

이며,

입출력 전압은 다음과 같다.

한편 공진회로의 입력 전압의 기본파 성분을 구해보면

이며, 기본파 성분의 RMS(Root Mean Square)값은

이다.

이를 입출력 관계식을 이용하여 입력 전압과 출력 전압의 관계를 구해보면 아래와 같다.

여기에서 D는 스위칭의 시비율 제어 변수이다.

비대칭 구동 방식이 대칭 구동 방식과 차이를 가지는 점은 입출력 관계식에서 sin(Dπ)항이 포함되어 있다는 것이다.

이것은 주파수를 조절하여 승압비를 조절하는 대칭 구동 방식과는 달리 주파수 제어와 시비율 제어를 통하여 제어의 용이성을 더할 수 있는 비대칭 구동 방식의 장점으로 간단한 밝기 및 관전류 조절은 시비율을 조절함으로써 구현될 수 있다.

110: 전원입력부 120: 교류/직류 변환부
130: 직류/직류 변환부 140: 직류/교류 변환부
150: 보조 직류/직류 변환부 160: 냉음극 형광 램프
210: 전원입력부 220: 교류/직류 변환부
230: 직류/교류 변환부 240: 보조 직류/직류 변환부
250: 냉음극 형광 램프 260: 인버터 제어부
261: 주제어부 262: 주파수 제어부
263: 펄스 제어부 264: 승압비 제어부
265: 제어신호 출력부 266: 피드백 입력부
310: 제1직류 전원입력부 311: 제1스위치
312: 제2스위치 313: 제1바디 다이오드
314: 제1정전압 커패시터 315: 제3스위치
316: 제4스위치 317: 제1공진 인덕터
318: 제1공진 커패시터
320: 제2직류 전원입력부 321: 제5스위치
322: 제6스위치 323: 제2바디 다이오드
324: 제2정전압 커패시터 325: 제7스위치
326: 제8스위치 327: 제1공진 인덕터
328: 제2공진 커패시터
330: 냉음극 형광 램프
410: 제1직류 전원입력부 411: 제1스위치
412: 제2스위치 413: 제1바디 다이오드
414: 제1정전압 커패시터 415: 제3스위치
416: 제4스위치 417: 제1공진 인덕터
418: 제1공진 커패시터
420: 제2직류 전원입력부 421: 제5스위치
422: 제6스위치 423: 제2바디 다이오드
424: 제2정전압 커패시터 425: 제7스위치
426: 제8스위치 427: 제2공진 인덕터
428: 제2공진 커패시터
430: 냉음극 형광 램프

Claims

냉음극 형광 램프 구동용 인버터에 있어서,
교류전원을 입력받는 전원입력부(210);
상기 교류전원을 정류하여 직류전원으로 변환하는 교류/직류 변환부(220);
상기 교류/직류 변환부(220)에서 변환된 직류전원을 입력받는 제1직류 전원입력부(310), 상기 제1직류전원입력부(310)의 일측에 연결된 제1스위치(311), 상기 제1스위치(311)의 일측에 연결되고 상기 제1직류전원입력부(310)의 다른 일측에 병렬로 연결되는 제2스위치(312), 상기 제1직류전원입력부(310)의 다른 일측에 연결되며 상기 제2스위치(312)의 일측에 연결되는 제1바디 다이오드(313), 상기 제1바디 다이오드(313)와 연결되며, 상기 제2스위치(312)에 병렬로 연결되는 제1정전압 커패시터(314), 상기 제1바디 다이오드(313)의 일측에 연결됨과 동시에 상기 제1정전압 커패시터(314)에 병렬로 연결되며 상호 직렬로 연결된 제3스위치(315) 및 제4스위치(316), 상기 제3스위치(315) 및 제4스위치(316)로 구성되는 제1전력단(340);
상기 제1전력단(340)의 출력에 직렬로 연결된 제1공진 인덕터(317), 상기 제1공진 인덕터(317)에 직렬로 연결된 냉음극 형광 램프(330), 및 상기 제1공진 인덕터(317)와 상기 냉음극 형광 램프(330) 사이에서 병렬로 연결된 제1공진 커패시터(318)를 포함하는 제1전력 변환부(360);
상기 교류/직류 변환부(220)에서 변환된 직류전원을 입력받는 제2직류 전원입력부(320), 상기 제2직류전원입력부(320)의 일측에 연결된 제5스위치(321), 상기 제5스위치(321)의 일측에 연결되고 상기 제2직류전원입력부(320)의 다른 일측에 병렬로 연결되는 제6스위치(322), 상기 제2직류전원입력부(320)의 다른 일측에 연결되며 상기 제6스위치(322)의 일측에 연결되는 제2바디 다이오드(323), 상기 제2바디 다이오드(323)와 연결되며, 상기 제6스위치(322)에 병렬로 연결되는 제2정전압 커패시터(324), 상기 제2바디 다이오드(323)의 일측에 연결됨과 동시에 상기 제2정전압 커패시터(324)에 병렬로 연결되며 상호 직렬로 연결된 제7스위치(325) 및 제8스위치(326)로 구성되어, 상기 제7스위치(325) 및 제8스위치(326)로 구성되는 제2전력단(350);
상기 제2전력단(350)의 출력에 직렬로 연결된 제2공진 인덕터(327), 상기 제2공진 인덕터(327)에 직렬로 연결된 냉음극 형광 램프(330), 및 상기 제2공진 인덕터(327)와 상기 냉음극 형광 램프(330) 사이에서 병렬로 연결된 제2공진 커패시터(328)를 포함하는 제2전력 변환부(370)로 구성되며,
상기 제1전력 변환부(360)와 상기 제2전력 변환부(370)는 하기 냉음극 형광 램프(330)에 대해 서로 직렬로 연결되는 직류/교류 변환부(230);
상기 직류/교류 변환부에 의해 변환된 소정값의 교류전원을 입력받아 광을 발산하는 냉음극 형광 램프(330);
상기 교류/직류 변환부에서 변환된 직류전원을 입력받아 소정값의 직류전원으로 변환하는 보조 직류/직류 변환부(240); 및
상기 직류/교류 변환부의 동작 주파수를 제어하는 주파수 제어부(262), 승압비를 제어하는 승압비 제어부(264) 및 상기 냉음극 형광 램프 구동용 인버터 전체를 제어하는 주제어부(261)를 포함하는 인버터 제어부(260)를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉음극 형광 램프 구동용 인버터.
제1항에 있어서,
상기 인버터 제어부(260)는 상기 교류/직류 변환부의 동작 펄스의 지속시간을 제어하는 펄스 제어부(263)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉음극 형광 구동용 인버터.
제1항에 있어서,
상기 제1전력단(340)의 출력에 상기 제1공진 인덕터(317)가 소정의 개수로 병렬로 연결되고,
상기 소정의 개수의 제1공진 인덕터(317) 각각에 냉음극 형광 램프(330)가 직렬로 연결되고,
상기 각각의 제1공진 인덕터(317)와 상기 각각의 냉음극 형광 램프(330)의 사이에 제1공진 커패시터(318)가 각각 병렬로 연결되며,
상기 제2전력단(350)의 출력에 상기 제2공진 인덕터(327)가 소정의 개수로 병렬로 연결되고,
상기 소정의 개수의 제2공진 인덕터(327) 각각에 냉음극 형광 램프(330)가 직렬로 연결되고,
상기 각각의 제2공진 인덕터(327)와 상기 각각의 냉음극 형광 램프(330)의 사이에 제2공진 커패시터(328)가 각각 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 냉음극 형광 램프 구동용 인버터.
삭제
제1항 내지 제3항 중 어느 한항에 있어서,
상기 제1 내지 제8스위치가 도통되는 시간은 DT로 동일한 것임을 특징으로 하는 냉음극 형광 램프 구동용 인버터.
제5항에 있어서,
제1모드에서 상기 제2, 3, 5, 8스위치가 턴온되는 것을 특징으로 하는 냉음극 형광 램프 구동용 인버터.
제6항에 있어서,
제2모드에서 상기 제2, 3, 5, 8스위치는 턴오프되는 것을 특징으로 하는 냉음극 형광 램프 구동용 인버터.
제7항에 있어서,
제3모드에서 상기 제1, 4, 6, 7스위치는 턴온되는 것을 특징으로 하는 냉음극 형광 램프 구동용 인버터.
제8항에 있어서,
제4모드에서 상기 제1, 4, 6, 7스위치는 턴오프되는 것을 특징으로 하는 냉음극 형광 램프 구동용 인버터.
제1항 내지 제3항 중 어느 한항에 있어서,
제2, 3, 6, 7스위치가 도통되는 시간은 DTs으로 동일하고,
제1, 4, 5, 8스위치가 도통되는 시간은 (1-DTs)로 동일하며, D≠1/2인 것임을 특징으로 하는 냉음극 형광 구동용 인버터.
제10항에 있어서,
제1모드에서 상기 제2, 3, 5, 8스위치가 턴온되는 것을 특징으로 하는 냉음극 형광 램프 구동용 인버터.
제11항에 있어서,
제2모드에서 상기 제2, 3스위치는 턴오프되며, 상기 제1, 4스위치는 턴온되는 것을 특징으로 하는 냉음극 형광 램프 구동용 인버터.
제12항에 있어서,
제3모드에서 상기 1, 4, 6, 7스위치는 턴온되는 것을 특징으로 하는 냉음극 형광 램프 구동용 인버터.
제13항에 있어서,
제4모드에서 상기 제6, 7스위치는 턴오프되며, 상기 제5, 8스위치는 턴온되는 것을 특징으로 하는 냉음극 형광 구동용 인버터.
냉음극 형광 램프 구동용 인버터 제어 방법에 있어서,
대칭 또는 비대칭 제어 방식 중 하나를 입력받는 단계;
상기 입력된 제어 방식이 대칭 방식인 경우, 제어 주파수 및 승압비를 입력받는 단계;
제1모드에서 제2, 3, 5, 8스위치가 턴온되는 단계;
상기 제1모드 이후 제2모드에서 상기 제2, 3, 5, 8스위치가 턴오프되는 단계;
상기 제2모드 이후 제3모드에서 제1, 4, 6, 7스위치가 턴온되는 단계; 및
상기 제3모드 이후 제4모드에서 상기 제1, 4, 6, 7스위치가 턴오프되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉음극 형광 램프 구동용 인버터 제어 방법.
냉음극 형광 램프 구동용 인버터 제어 방법에 있어서,
대칭 또는 비대칭 제어 방식 중 하나를 입력받는 단계;
상기 입력된 제어 방식이 비대칭 방식인 경우, 제어 주파수, 승압비 및 동작 펄스의 지속시간을 입력받는 단계;
제1모드에서 제2, 3, 5, 8스위치가 턴온되는 단계;되며,
상기 제1모드 이후 제2모드에서 상기 제2, 3스위치는 턴오프되며, 제1, 4스위치는 턴온되는 단계;
상기 제2모드 이후 제3모드에서 1, 4, 6, 7스위치는 턴온되는 단계; 및
상기 제3모드 이후 제4모드에서 상기 제6, 7스위치는 턴오프되며, 상기 제5, 8스위치는 턴온되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉음극 형광 램프 구동용 인버터 제어 방법.
제16항에 있어서,
제2, 3, 6, 7스위치가 도통되는 시간은 DTs으로 동일하고,
제1, 4, 5, 8스위치가 도통되는 시간은 (1-DTs)로 동일하며, D≠1/2인 것임을 특징으로 냉음극 형광 램프 구동용 인버터 제어 방법.