KR20030085043A - 고휘도 방전 램프용 조도조절 가능한 전자 안정기 - Google Patents

고휘도 방전 램프용 조도조절 가능한 전자 안정기 Download PDF

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Abstract

HID 램프(50)용 조도조절 가능한 전자 안정기는 AC 입력(10)을 정류하여 정류된 DC 출력(14)을 제공하기 위한 정류단과, AC 입력의 역률을 변조하고 정류된 DC 출력으로부터의 증가된 전압 DC 출력을 제공하기 위한 역률(20) 보정단과, HID 램프를 구동하는 출력 스위치단(940)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 펄스열을 포함하는 구동신호를 제공하기 위한 전자 안정기 제어 회로(80)와, 그리고 램프(50)에 파워를 공급하기 위해 HID 램프에 펄싱된 파워 신호를 제공하기 위한 상기 증가된 전압 DC 출력에 연결된 적어도 하나의 전자 스위칭 소자를 갖는 출력 스위치단(40)을 포함하고, 상기 전자 안정기 제어 회로(80)는 파워를 원하는 레벨에 유지하기 위한 HID 램프에 의해 소산되는 파워에 관한 신호를 포함하는 피드백 입력을 갖고, 상기 원하는 레벨은 전자 안정기 제어 회로(80)에의 조도조절 제어 입력(82)에 의해 셋팅되는 것을 특징으로 한다. 이 회로는 전형적으로 50kHz 이상의 고주파수 파워를 HID 램프(50)에 제공한다.

Description

고휘도 방전 램프용 조도조절 가능한 전자 안정기{ELECTRONIC DIMMABLE BALLAST FOR HIGH INTENSITY DISCHARGE LAMP}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2001년 3월 22일에 출원된 발명의 명칭이 "조도조절 가능한 고휘도 방전(HID) 안정기 제어 회로"인 미국 가출원 번호 제 60/277,636호 출원에 대한 우선권을 주장하며, 그 모든 개시가 본 명세서에 인용된다.
HID 램프용 전자 안정기의 설계는 HID 램프가 다른 가스 방전 램프(예를 들면, 형광 램프)와 다른 특성을 갖는다는 것을 고려할 필요가 있다. 특히, HID 램프는 보다 높은 점화 전압(전형적으로 피크간 전압이 3kV)을 갖는다. 형광 램프는 전형적으로 피크간 전압이 1Kv인 점화 전압을 갖는다. HID 램프는 필라멘트를 갖지 않아서, 필라멘트를 예열할 필요가 없다. 전자 안정형(electric ballasted) 형광 램프는 전형적으로 30 내지 50KHz에서 작동된다. HID 램프 또한 이 주파수 범위에서 작동되었으나, 아크(arcing)에 의한 램프 손상과 램프 파열을 발생시킬 수 있는음향 공진(acoustic resonance)이 종종 발생한다. 따라서, HID 램프는 음향 공진을 피하기 위하여 전형적으로, 보다 낮은 주파수(100Hz보다 낮은 범위)에서 작동된다. 이러한 저주파수에서, 보다 큰 풀 브릿지 스위칭 회로(full bridge switching circuit)가 구형파를 가진 HID 램프를 구동하기 위하여 공진 출력 회로없이 사용된다.
이에 더하여, 선행 기술에서 HID 램프는 전형적으로 단펄스 시동기(single pulse starter)로 점화되어서, 램프가 그러한 단펄스 점화기로 점화되지 못할 수도 있기 때문에 신뢰도의 문제를 야기하였다. 게다가, HID 램프는 가열되면, 점화 전압은 더욱 높은 수준(예를 들면, 25kV 정도)으로 상승한다.
이러한 특성들은 그러한 HID 램프용 안정기가 전형적인 형광 램프용 안정기와 다른 특성을 가질 것을 요구한다. 더욱이, 형광 램프가 전형적으로 램프 필라멘트를 위한 두개의 접속부와의 4개의 접속부를 가지는 반면에, HID 램프는 전형적으로 단 두개의 접속부를 가진다. 형광 램프용 조도조절 안정기(dimming ballast)의 예가 본 발명의 양수인에게 양도된 미국 특허 제 6,008,593호에서 개시된다.
본 발명은 예를 들면 메탈 핼라이드 HID 램프(metal halide HID lamp)와 같은 고휘도 방전(high intensity discharge; HID) 램프용 조도조절 가능한 안정기(dimmable ballast)에 관한 것이다.
본 발명은 이제 아래와 같은 도면들을 참조로 후술의 상세한 설명에서 기술될 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 회로의 블록도를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 회로의 배선도이다.
도 3은 펄싱 점화가 없는 동안의 램프 전압과, 안정기 제어 회로 셧다운 핀 및 점화 타이밍 회로 카운터 펄스들의 파형을 도시한다.
도 4는 램프 펄스들 간의 비 점화 대기 기간의 램프 전압을 도시한다.
도 5는 100% 휘도를 갖는 동안의 램프 전압과, 램프 전류와, 램프 공진 회로를 구동하는 출력 스위치단으로부터의 출력 전압 및 전류 감지 전압(current sense voltage)의 파형을 도시한다.
도 6은 50% 조도조절동안 램프 전압과, 램프 전류와, 출력 스위치단 전압 및 전류 감지 전압의 파형을 도시한다.
도 7은 100% 휘도에서의 AC 라인 입력 전압과 라인 입력 전류를 도시한다.
도 8은 50% 휘도에서 AC 라인 입력 전압과 라인 입력 전류를 도시한다.
발명의 개요
본 발명은 충분히 기능하는 HID 램프(예를 들면, 메탈 핼라이드 HID 램프)용 조도조절 안정기에 관한 것이다. 그 설계는 EMI 필터, 정류기(rectifier), 능동 역률 제어단(active power factor control stage), 안정기 출력단(ballast output stage), 안정기 제어단(ballast control stage) 및 다중 점화를 위한 부가적인 타이밍 회로(timing circuitry)를 포함한다. 안정기 제어단은 램프 파워를 조절하고 최소 및 최대 휘도 레벨을 셋팅하여 램프 점화 실패나 저 DC버스 레벨(DC Bus level), 열과부하(thermal overload) 또는 정상적인 동작 동안 램프 파손과 같은 상태가 되지 않도록 안정기를 보호한다. 종래의 HID 안정기와 비교할 때, 본 발명은 안정기가 조도조절을 하여 에너지가 적게 들고, 단펄스 점화기가 사용되거나 필요하지 않음에 따른 보다 높은 신뢰도와, 높은 효율성(루멘스/와트(lumens/watt)의 증가), 그리고 다른 램프 유형에 대한 융통성을 갖도록 하며 경량·소형·저가라는 이점이 있다. 이에 더하여, 이 램프는 50kHz이상의(바람직하게는 100kHz 이상) 고주파수에서 작동되기 때문에, 음향 공진의 문제가 없고 구성 요소의 사이즈가 감소된다.
일 양상에 따르면, 본 발명의 HID 램프용 조도조절 가능한 전자 안정기는 AC 입력을 정류하여 정류된 DC 출력을 제공하기 위한 정류기단과; 상기 AC 입력의 역률을 수정하고 상기 정류된 DC 출력으로부터의 증가된 DC 출력 전압을 제공하기 위한 역률 보정단과; HID 램프를 구동하는 출력 스위치단의 스위칭 동작을 제어하기 위한 펄스열(pulse train)을 포함하는 구동 신호를 제공하기 위한 전자 안정기 제어 회로와, 상기 램프에 파워를 제공하기 위해 HID 램프에 펄싱된 파워 신호를 제공하기 위해 DC 출력 전압과 결합된 적어도 하나의 전자 스위칭 소자를 포함하는 상기 출력 스위치단을 포함하고, 상기 전자 안정기 제어 회로는 상기 파워를 원하는 레벨로 유지하기 위해 상기 HID 램프에 의해 소산되는 파워에 관한 신호를 포함하는 피드백 입력을 갖고, 그리고 상기 원하는 레벨은 상기 전자 안정기 제어 회로에 입력되는 조도조절 제어 입력에 의해 설정된다.
램프 점화의 신뢰성을 보다 높이기 위하여 다중 펄스 점화 타이밍 회로(multiple pulse ignition timing circuit)가 사용되는 것이 바람직하다.
또 다른 양상에 따르면, 본 발명의 HID 램프용 조도조절 가능한 전자 안정기는 AC 입력을 정류하여 정류된 DC 출력을 제공하는 정류기단과; 상기 정류된 DC 출력으로부터의 증가된 DC 출력 전압을 제공하기 위한 부스트단(boost stage)과; HID 램프를 구동하는 출력 스위치단의 스위칭 동작을 제어하기 위한 펄스열을 포함하는 구동 신호를 제공하기 위한 전자 안정기 제어 회로를 포함하며, 상기 출력 스위치단은 램프에 파워를 공급하기 위해 HID 램프에 펄싱된 파워 신호를 제공하기 위한 상기 증가된 DC 출력 전압과 결합된 적어도 하나의 전자 스위칭 소자를 포함하고, 상기 전자 안정기 제어 회로는 상기 HID 램프 양단의 전압 하나의 위상각 및 상기 HID 램프에 의해 소산되는 파워를 원하는 레벨로 유지하기 위해 HID 램프를 통한 전류의 위상각에 관한 신호를 포함하는 피드백 입력을 가지며, 상기 원하는 레벨은 상기 전자 안정기 제어 회로에 입력되는 조도조절 제어 입력에 의해 설정된다.
본 발명의 다른 특징 및 이점들이 후술되는 상세한 설명으로부터 명백해 질 것이다.
이제 도면을 참조하면, 도 1은 본 발명에 따른 회로의 기본 블록도를 도시한다. HID 램프용 조도조절 가능한 안정기는 AC 입력(예를 들면, 120 내지 240 볼트의 AC 입력)에 접속부(10)를 포함한다. 이 AC 입력은 전자기 간섭(electromagnetic interference: EMI) 필터단(12)에 의해 필터링되고, 상기 EMI 필터단(12)은 EMI를 최소화하는 당업자에게 공지된 적절한 전도성 및 유도성 소자를 포함한다. AC 입력은, EMI 필터링 다음에, 전파 정류기(full wave rectifier)를 포함하는 정류기단(14)에 제공된다. 상기 정류기단(14)으로부터 출력된 정류된 DC는 필터 및 역률 보정단(filter & PFC stage)(20)에 제공되고, 이 필터 및 역률 보정단(20)은정류기(14)로부터의 정류된 DC를 필터링하고, 역률을 보정하여 약 400볼트 정도의 DC 버스 전압 레벨까지 정류된 전압 레벨을 올린다. 이 역률 보정 회로(20)는 당업자에게 공지된 것이다. 이 회로는 정류기(14)로부터 DC 버스 전압으로의 전압을 승압시키고 파형을 정형(wave-shaping)하기 위한 저장 캐패시터 및 인덕터와 부스트 컨버터 전자 스위치를 포함하는 부스트 컨버터(boost converter)를 포함한다. 게다가, PFC 회로는 약 1의 AC 라인 역률을 달성하는 전류 파형을 만든다. 전형적으로, 역률은 0.97 내지 0.99의 범위에 있다. HID 램프용 전자 안정기에 관한 본 출원에서, PFC단은 0.99볼트의 역률 유도가 달성되도록 파형을 제공할 것이다.
DC 버스 전압은 공진 인덕턴스(60), 공진 캐패시턴스(62) 및 직렬 절연 캐패시턴스(isolating capacitance)(64)를 포함하는 공진 LC 회로를 통해, 램프(50) 양단에 DC 버스 전압을 스위칭하는 적어도 하나의 전자 스위치를 포함하는 출력 스위치단(40)에 제공된다. LC 회로는 출력단으로부터의 펄스폭 변조 출력을 램프(50)의 구동을 위해 대략 사인곡선의 신호의 모양으로 만든다. 램프 양단의 전압 피크 레벨들은 약 1KV이다. 동작 주파수는 50kHz 이상으로 높고, 바람직하게는 100kHz이상이다. 고주파수는 25 내지 40kHz 범위의 저주파수에서 동작하는 종래의 회로에서 발생하는 음향 공진을 제거하는 것으로 나타났다. 램프(50)는 메탈 핼라이드 HID 램프(예를 들면, 250Watt의 메탈 핼라이드 HID 램프)일 수 있다. 이와 같은 램프에 특히 적합하게 제작된 회로도가 도 2에서 도시되었지만, 그 기본 원리들은 다양한 유형의 HID 램프와 파워 출력에도 적용된다.
출력단(40)은 안정기 제어 회로(80)에 의해 제어된다. 안정기 제어 회로는출력단의 스위칭 동작을 제어하기 위해 출력단(50)에 펄스폭 변조 구동기 신호를 제공한다. 안정기 제어 회로(80)는 조도조절 입력(82)을 포함하고 점화 타이밍 회로(90)로부터의 또 다른 입력을 수신한다. 점화 타이밍 회로(90)의 목적은 점화 동안 램프에 인가되는 램프 파워 펄스를 변조 및 제어하고, 램프가 점화되지 않은 경우, 램프를 시동하기 위해 점화 펄스들을 다시 제공하기 전, 램프가 냉각될 수 있도록 하기 위한 대기 기간(waiting period)을 제공하는 것이다. 전술한 바와 같이, 가열된 HID 램프는 차가운 램프의 점화 전압 레벨에서 재점화되지 않는다. 타이밍 회로(90)는 임의의 대기 기간에 의해 분리된 다수의 점화 펄스들을 제공한다. 램프가 냉각될 때까지 기다림으로써, 매우 높은 과열 재점화 전압에 대한 필요성이 제거된다. 또한, 다수의 점화 펄스들이 제공되기 때문에, 점화에 있어서 매우 높은 신뢰도를 갖게 되며, 램프는 1kV 정도의 낮은 전압에서 더욱 신뢰성 있게 점화될 것이다.
직렬 인덕턴스(60), 병렬 캐패시턴스(62) 및 램프 공진 회로(64 및 50)를 포함한 도 1에 도시된 전체적인 설계는, 점화와 조도조절 동작 포인트가 만족되어 높은 효율을 위한 고주파수에서 동작할 수 있도록 하는 구성을 제공한다. 역률 보정 회로(20)는 다른 회로들(예를 들면, 전압 2배기 등)도 채용될 수 있지만, 임계 연속 전도 모드(critical continuous conduction mode)에서 동작하는 부스트형 컨버터(boost-type converter)가 바람직하다. 도 2의 회로는 특히 220볼트 AC에서 동작하도록 설계되어, 피크 역률 보정 전류들은 PFC 부스트 컨버터 FET M3 및 인덕터 L3에서 동작 온도가 너무 높지 않도록 처리하기가 용이하다.
도 2는 본 발명에 의한 회로의 상세한 배선도이다. 회로는 인덕턴스 L1 및 L2와 캐패시터 C1, C2 및 CY를 포함하는 EMI 필터(12)를 포함한다. EMI 필터의 출력은 전파 정류기(14)에 공급된다. 정류기(14)의 출력은 공지의 방식으로 필터 캐패시터 C3에 제공된다. 정류기로부터의 필터링된 DC 전압은 포지티브 및 네거티브 레일들(21 및 22)을 포함하는 제1 DC 버스에 제공된다. 인덕턴스 L3와 절연 다이오드 D1은 포지티브 레일(21)을 증가된 전압 포지티브 레일(24)에 연결시켜, 역률 보정단 및 부스트 컨버터(20)의 부분을 형성한다. 역률 보정단(20)은 MOSFET을 포함하는 부스트 컨버터 스위치 M3를 스위칭하도록 동작하는 당업자에게 공지된 역률 보정 제어 접적 회로(26)를 포함한다. MOSFET은 역률 보정 집적 회로(26)에 전류 감지 신호를 제공하는 전류 감지 저항 RCS1과 직렬로 제공된다. 집적 회로(26)는 또한 인덕턴스 L3를 포함하는 제2 변압기로부터 저항 R6를 통해 제어입력과 함께 제공된다. 인덕턴스 L3는 트랜지스터 M3가 온으로 스위칭되는 때 전하를 저장한다. M3가 오프로 스위칭되는 때, 고 유도 전압에 의해 생성된 인덕터 L3로부터의 전류가 저장 캐패시터 ELCAP1에 전달되고, 이 저장 캐패시터는 부스트 전압을 제공한다. L3는 또한 PFC 회로를 위한 전류 변압기 센서로서 기능한다. IC26에 파워를 공급하기 위한 저전압원 전압은 다이오드 DCP3에 의해 출력단으로부터 제공된다. 이것은 전하 펌프 공급기의 일부이다. IC26을 위한 전하 펌프 전원은 다이오드 DCP3 및 DCP4 뿐만 아니라, 캐패시터 CSNUB2 및 CVIN을 포함한다. 이는 DC 버스로부터의 저항 RB1 및 RB2로부터 제공되는 전압원을 보충하기 위해 캐패시터 CSNUB2 양단에 축적된 전하를 IC26에 제공한다. 유사하게, 안정기 제어 IC인 IC84에는 저항 RRECT와, 그리고 다이오드 DCP1 및 DCP2와 캐패시터 CSNUB1, CVCC1 및 CVCC2를 포함하는 전하 펌프를 통해 공급기 전압 VCC가 제공된다.
역률 보정단 및 부스트 컨버터의 동작은 그러한 역률 보정단 및 부스트 컨버터가 당업자에게 공지된 것이기 때문에 여기서 상세히 설명되지는 않을 것이다. 역률 보정단(20)의 목적은, HID 램프용 전자 안정기가 약간 유도성(inductive)이기 때문에, DC 버스 전압을 승압시켜 파형을 적절히 만들어 고 AC 입력 역률(전형적으로 역률 0.99, 이 경우 0.99 볼트 유도)이 달성되도록 하는 것이다.
참조번호 24 및 22의 레일 양단의 DC 버스 전압(전형적으로 약 400V)은 당업자에게 잘 알려진 하프 브릿지(half bridge) 구조로 배치되는 두 개의 전자 스위칭 소자 M1 및 M2로 구성되는 출력 스위치단(40)에 제공된다. 전류 감지 저항 RCS2는 전자 스위칭 소자 M1 및 M2에 직렬로 제공되고, 이 전자 스위칭 소자 M1 및 M2는 MOSFETS 쌍일 수 있다. 출력 스위치단의 출력은 전압 파형과 관련하여 후술될 전압 VS로서, 두 스위칭 트랜지스터 M1 및 M2의 공통 접속점에 제공된다. 전압 VS는 LC 회로를 통해 램프(50)에 제공되는 펄스폭 변조 펄스열을 포함한다. LC 회로는 공진 인덕턴스 LRES와, 두 병렬 캐패시턴스 CRES1 및 CRES2로서 도 2에 도시된 캐패시턴스 CRES 및 직렬 블로킹 캐패시턴스 CDC로 구성된 캐패시턴스를 포함한다. LC 회로는, 당업자에게 공지된 바와 같이, 안정기 동작 주파수에서 공진 하여 전압 VS를 대략 사인파 형태로 만든다. 전형적인 피크 전압은 약 1kV이다.
안정기 제어단(80)은 IR2159형 디바이스인 안정기 제어 집적 회로(84)를 포함한다. 제어 IC(84)는 당업자에게 공지된 다양한 입력을 제공하기 위한 핀(VDC와VCO로 표기된 핀1 및 핀2를 포함한다)을 포함한다. 핀 VCO는 출력 주파수를 제어하기 위한 집적 회로(84)의 전압 제어 오실레이터(VCO)의 발진 주파수를 제어하기 위한 용량성 소자 및 저항성 소자와 연결된다. 핀 VDC는 라인 입력 전압 검출에 따라 동작하고 저항 RVDC1을 통해 참조번호 21번 레일의 정류된 DC에 연결된다. 이것은 IC(84)에서 전압/폴트 검출 회로(voltage/fault detection circuit)아래에 내부적으로 연결된다. 핀 DIM은 저항 RDIM을 통해, 실시예에서 기술된 조도조절의 레벨을 제어하기 위한 다양한 DC 공급기를 포함하는 조도조절 입력(82)에 연결된다. 특히, 조도조절 공급기는 조도조절 범위를 제공하도록 0.5볼트 내지 5볼트 DC사이에서 변화한다.
MAX 핀 및 MIN 핀이 저항 RMAX 및 RMIN에 의해 결정되는 각각 최대 및 최소 램프 파워 셋팅을 제어한다. FMIN 핀이 저항 RFMIN에 의해 결정되는 최소 주파수 셋팅을 제어한다. 기술된 다양한 용량성 및 저항성 회로 소자들이 신호 공통부(signal common)에 연결되고, 이 신호 공통부는 DC 버스 네거티브 레일(22)에 연결된다. HID 램프가 필라멘트를 가지고 있지 않아 예열의 필요성이 없기 때문에, HID 램프에서는 예열을 위한 입력이 필요치 않다. 이러한 입력들은 적절한 저항성/용량성 소자에 의해 적절히 낮게 유지된다.
제어 IC(84)의 부가적인 입력 및 출력들은 각각 전자 스위칭 소자 M1 및 M2를 구동하기 위한 하이 HO 및 로우 LO측 출력과, 출력 스위치단(40)의 출력과 연결된 부유 리턴(floating return) VS와, 하이측 게이트 드라이버 부유 공급기(high side gate driver floating supply) VB를 포함한다. VCC는 집적 회로(84)를 위한전압 공급기를 포함하고, COM은 집적 회로 파워 및 신호 그라운드를 포함한다. 하기에서 더욱 상세히 기술 될, 전류 감지 입력(current sensing input) CS와 셧다운 입력 SD가 또한 제공된다.
공지의 방식으로, 전자 안정기 제어 회로(80)는, 전자 스위치 M1 및 M2가 번갈아 램프 공진 회로에 파워 신호 VS를 제공할 수 있게, HO 핀 및 LO 핀에 출력을 제공한다.
본 발명에 따라, 안정기 제어 회로(80)는 조도조절 입력(82)에 기초한 위상 제어 조도조절을 제공한다. 출력 스위치단(40)의 전자 스위치 M1 및 M2와 직렬인 전류 감지 저항 RCS2은 저항 RLIM을 통해 집적 회로(84)의 전류 감지 입력 CS에 전류 감지 신호를 제공한다. 도 5는 100%의 휘도 레벨에서의 램프 전압(100), 램프 전류(110), 램프 공진 회로를 구동하는 출력 신호 VS 및 집적 회로(84)에의 입력 CS를 도시한다.
집적 회로(84)는 신호 CS의 제로 크로싱(zero crossing)을 감지하는 동작을 한다. 상기 제로 크로싱은 램프 전류의 위상각에 비례한다. 도 5에 도시되는 바와 같이, 전압 VS는 출력 스위치단의 출력을 포함한다. VS가 하이일 때, 하이측 디바이스 M1은 온이고 로우측 디바이스 M2는 오프이다. VS가 로우일 때, 하이측 디바이스는 오프이고 로우측 디바이스는 온이다. 도 5에 도시된 VS의 반주기와 같이, 하이측 디바이스가 오프이고 로우 측 디바이스가 온일 때(A 부분), CS 핀에의 입력은 제로 크로싱 Zc를 갖는 상승 전압 파형을 포함한다. 감지 레지스터 RCS2를 통한 전류의 위상각과 램프 파워간에는 관계가 있다. 위상각이 커질수록 램프 파워는 낮아지므로, 전압 및 전류의 위상이 달라짐에 따라, 실질적인 파워 감소가 야기된다. 위상각 90°에서, 파워는 램프에 전달되지 않으며, 휘도는 0이다. 따라서, 출력 스위치단 전류 및 이에 따른 감지 저항의 RCS1의 전류는 공진 인덕터 LRES를 통과하는 전류와 같고, 이는 램프(50)와 공진 캐패시터 CRES의 전류의 합과 같다. 램프 양단의 전압에 관한 램프 전류의 위상각은 램프 파워와 관계되며 위상각은 전압 CS의 부호변환점에 직접 관계된다. 위상각이 변화할 때, 집적 회로(84)의 CS 입력에서 전압 CS의 제로 크로싱은 시프팅될 것이다. 위상각과 그에 따라 제로 크로싱이 0°로 이동함에 따라, 휘도도 증가한다. 도 5에 도시된 바와 같이, CS의 제로 크로싱이 VS 반주기의 왼쪽으로 시프팅되면, 즉 VS 주기의 시작점에 가까워지면, 휘도 레벨이 더 높아진다. 전류와 전압의 위상은 더욱 동위상이 된다. 도 5는 100% 휘도동안 도 2의 회로의 파형을 보이며, 이는 약 60°의 위상각에 대응한다. 반대로, 도 6은 50%의 조도조절상태에서 동일한 파형을 도시하며, 이 파형으로부터 알 수 있는 바와 같이, 도 6의 제로 크로싱은 반주기의 50%, 즉 VS 파형의 4분의 1주기(즉, 90°) 가까워지고, 낮은 휘도 레벨과 동등해진다(이 도면에서, 50% 조도 조절된다).
기술된 바와 같이, 집적 회로(84)는 CS 제로 크로싱의 위치를 감지함으로써 동작한다. 이것은 조도조절 입력(82)에 의해 셋팅된 것과 같은 원하는 조도조절 레벨에서 램프 휘도를 유지하기 위한 폐루프 피드백 제어(closed loop feedback control)를 제공한다. 전압 CS의 제로 크로싱이 변화하면, 제어(80)는 HO 및 LO 드라이브 출력의 주파수를 변화시켜, 램프(50)를 구동시키도록 제공되는 파형 ES의 주파수를 변화시킨다. 특히, IC(84)는 조도조절 제어(82)가 위상 레퍼런스를 셋팅하는 DC 전압을 제공하도록 동작한다. IC(84)의 위상 검출기는 전압 CS의 제로 크로싱에 의해 결정되는 출력단 전류의 위상과 레퍼런스 위상을 비교하여, 그 차이에 비례하는 에러 신호(error signal)를 생성한다. 이 차신호는 IC(84)의 VCO가 출력 주파수를 적절한 방향(휘도를 낮추기 위해 주파수를 증가시키고, 휘도를 높이기 위해 주파수를 감소시킴)으로 조정할 수 있도록 한다. 이 에러 신호가 0이되도록 하면, 제어(82)에 의해 셋팅된 원하는 휘도가 얻어지고 유지된다. IC(84)의 상세한 동작은 국제 정류기 예비 데이터 시트(International Rectifier Preliminary Data Sheet) 제 PD60169D-IR2159(S)호 조도조절 안정기 제어 IC에서 찾아볼 수 있다. 따라서, IC(84)는 HID 램프의 위상 제어 조도조절을 달성한다. 위상각이 커지면, 램프에는 작은 실질 파워가 전달되고, 따라서 휘도가 감소된다. 역으로, 위상각이 작아지면, 램프에 전달되는 실질 파워가 더 커지고, 따라서 휘도 레벨이 높아진다.
상기 기술된 바와 같이, HID 램프는 전형적으로 그것이 과열된 경우 재시작하지 않을 것이다. 따라서, 이러한 문제를 해결하고 또한 재시작 신뢰성을 높이기 위해서, 2진 카운터 집적 회로(92)를 포함하고, 2진 카운터 집적 회로의 선택된 비트 출력들은 다이오드 DQ0 및 DQ5 내지 DQ10을 통해 공통 출력(94)에 연결되며, 공통 출력은 저항 RSD1을 통해 제어기 IC(84)의 SD(셧다운) 핀에 연결된 타이밍 회로(90)가 제공된다. 회로(90)의 목적은, 도 3의 참조번호 98번의 파형과 같이, 일련의 펄스들을 제어 IC(84)의 SD 핀에 제공하는 것이다. 이들 펄스(98)는 최초에SD 핀에 제공되는 제1 유한 수의 펄스들(98A)을 포함한다. 이것은 도 3의 참조번호 120번의 파형에 의해 도시된 바와 같이 램프 전압을 차단함으로써 램프(50)에 인가되는 램프 전압을 제어한다. 따라서, 램프 전압은 집적 회로(84)의 SD 핀에 제공되는 참조번호 98A의 펄스의 반복 속도에 의해 결정되는 주파수로 변조된다. 다이오드들을 통해 라인(94)에 연결하기 위해 카운터 집적 회로(92)의 비트 출력 중 어느 출력이 선택느냐에 따라, 카운터 IC(92)의 상위 출력 비트가 하이가 되어 하이에 머물러 도 3의 참조번호 98B로 표시된 바와 같이 정상 셧다운 신호(steady shutdown signal)를 제공하기 전에, 유한 수의 펄스들(98A)이 라인(94)에 제공될 수 있다. 일단 이것이 발생하면, 안정기 제어 집적 회로(84)의 동작은 중지되고, 스위칭 트랜지스터 M1 및 M2는 대기 기간(121)(도 4) 동안 스위칭을 멈추고, 램프(50)에 출력 전압이 제공되지 않는다.
도 4는 라인(94)의 신호가 정상 셧다운 신호(98B)에 의해 결정되는 것과 같이 하이가 될 때, 램프 전압의 펄스들간(120)(굉장히 감소된 시간 스케일로)의 대기 기간(121)을 도시한다. 따라서, 만약 램프가 점화되지 못한 경우, 예를 들면, 램프가 과열상태인 경우, 제어 IC는 버스트 펄스들이 다시 램프에 인가되기 전에 대기 간격 동안(예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이 5분의 간격 동안) 셧다운될 것이다. 대기 간격이 종료된 후에, 라인(94)에 연결된 카운터 IC의 최상위 비트는 다시 로우가 될 것인바, 이는 카운터 집적 회로(92)에 의해 버스트 펄스들이 라인(94)에 다시 인가되도록 할 것이다. 만약 램프가 충분히 냉각된다면, 점화가 발생될 것이다. 만약 램프가 냉각되지 않는다면, 이 주기는 램프가 점화될 때 까지반복될 것이다. 상기 기술한 바와 같이, 카운터 회로(92)는 두 개의 시간 간격 즉, 유한 수의 펄스(98A)동안의 간격과 정상 셧다운 신호(98B)의 간격(도 4에 도시)을 제공한다. 대기 기간이 종료되면, 도 3의 참조번호 120번과 같이 램프 전압 파형을 다시 펄싱하도록, 유한 수의 버스트 펄스(98A)가 다시 라인(94)상의 셧다운 핀 SD에 제공될 것이다. 따라서, 회로(90)는 두 개의 시간 기간 즉, 회로(90)가 유한 수의 버스트 펄스에 대해 램프에 제공되는 고주파수 출력 전압을 변조하도록 동작하는 때의 제 1 시간 기간과, 램프가 냉각되도록 다시 펄싱되기 전의 대기 기간을 포함한 제2 시간 기간을 제공한다. 대기 기간동안, 램프는 냉각되어 램프 전압 펄스들이 재인가되는 때 점화될 것이다.
바람직한 실시예에서, SD 핀은 도 4의 참조번호 121과 같이 정상 셧다운 모드가 되기 전에 약 1초의 간격으로 버스트 펄싱된다. 정상 셧다운 모드는 시간 간격(time period)(예를 들면 300초의 시간 간격)을 갖는다. 이에 더하여, 정상 안정기 동작 주파수 즉, 램프에 인가되는 출력 전압 주파수는 약 120kHz가 될 것이다. 도 3의 파형(98)과 같이 점화 펄싱동안, 램프 전압 주파수는 약 80kHz로 감소한다. 게다가, 도 3의 파형(120)과 같이, 기간 X동안, 약 1kV의 전압 레벨에 고정되기 전에, 점화 전압이 10밀리초(milliseconds)의 기간동안 일련의 램프 전압 펄스를 거쳐 증가(ramp-up)한다. 다중 점화 펄스의 제공은 램프가 보다 신뢰성 있게 저전압(예를 들면, 약 1kV)에서 시작할 수 있도록 한다. 다중 점화 펄스의 증가는 또한 보다 신뢰도 높은 점화를 달성할 수 있도록 도와준다.
도 2에 도시된 바와 같이. 정상적인 동작동안 전자 스위치 M4가 또한 집적회로(84)의 셧다운을 디스에이블시키도록 제공된다. 트랜지스터 M4의 게이트가 하이일 때, 카운터(92)가 라인(94)에 펄스들을 제공한다 할지라도 SD는 로우에 머물러 있을 것이다. 따라서, 램프가 점화되는 때, 제어 IC(84)의 FMIN의 전위는 라인(94)의 펄스 신호가 제어 IC(84)를 셧다운시키지 못하도록 할 것이다.
또한 트랜지스터 M5를 포함한 리셋 회로(reset circuit)가 제공된다. 트랜지스터 M5는 PMOSFET이다. 이것의 게이트는 VCC와 연결된다. 이것의 소스는 카운터 집적 회로(92)을 위한 전원 VDD와 연결된다. 이 전압원 VDD는 저항 RVDD을 통해 DC 버스 레일(24)에 연결된다. 전압 VDD는 제너 다이오드 DVDD에 의해 전압 VCC보다 적은 프리셋 전압에 고정된다. 따라서, 시동(startup)시에, 전압 VCC가 상승하나 아직 VDD 미만일 때, MOSFET M5는 온이 되어, 저항 RRST 양단에 전압 레벨을 제공하고, 그럼으로써 집적 회로(92)의 리셋 핀(12)에의 전압 입력을 제공하며, 카운터 IC(92)를 리셋 모드에 고정시킨다. VCC가 전압 VDD보다 커지면, MOSFET M5는 오프가 되고, 집적 회로(92)의 핀(12)상의 리셋 레벨이 0이 되고, 따라서 카운터가 라인(94)상의 펄스들을 카운팅하여 제공하기 시작한다. 리셋 트랜지스터 M5의 목적은 안정기가 턴온 될 때 카운터 IC(92)가 정의된 방식으로 동작하도록 하는 것이다. 이것은 안정기의 시동시 카운터 IC(92)가 도 4의 대기 모드(121)에 놓이지 않도록 한다.
도 7 및 도 8은 각각 100% 휘도와 50% 휘도에 대한 AC 라인 전압 및 AC 라인 입력 전류를 도시한다. 역률이 0.99에 접근하면서, AC 전압과 전류 입력의 파형은 실질적으로 동위상이 된다. 램프가 50% 휘도에 있을 때, AC 입력 전류 파형은 도 8과 같이 진폭이 실질적으로 감소한다.
우선권이 주장된 가출원에서 회로 구성 부품 및 값들의 리스트를 찾아볼 수 있다.
따라서, 본 발명은 고 AC 라인 역률 보정을 달성하고 HID 램프에 파워를 제공하는데 있어서 효율성을 제공한다. 이에 더하여, 본 발명은 50kHz이상의, 바람직하게는 100kHz이상의 고주파수에서 동작함으로써 음향 공진 문제를 해결한다. 고주파수의 사용은 또한 하프 브릿지 스위칭 출력단을 보다 소형화할 수 있도록 하고, 공진 출력단의 사이즈를 감소시킨다. 따라서, 본 발명은 음향 공진 문제를 피하기 위하여, 선행의 기술들-선행 기술은 전형적으로 HID 램프에 파워를 공급하기 위해 저주파수(약 100Hz 미만)를 사용한다-과 다른 방식을 사용한다. 본 발명은 고주파수(50kHz 이상, 바람직하게는 100kHz 이상)를 대신 사용함으로써 이러한 문제들을 피한다.
본 발명이 그들의 구체적인 실시예에 관하여 기술되었지만, 많은 다른 수정 및 변형과 다른 응용가 당업자에게는 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 본 명세서의 구체적인 개시에 의해 한정되는 것이 아니라, 첨부된 청구항에 의해 한정되는 것이다.

Claims (33)

  1. AC 입력을 정류하여 정류된 DC 출력을 제공하기 위한 정류단과;
    상기 AC 입력의 역률을 수정하고 상기 정류된 DC 출력으로부터의 증가된 전압 DC 출력을 제공하기 위한 역률 보정단과;
    HID 램프를 구동하는 출력 스위치단의 스위칭 동작을 제어하기 위한 펄스열을 포함하는 구동 신호를 제공하기 위한 전자 안정기 제어 회로와; 그리고
    램프에 파워를 공급하기 위해 HID 램프에 펄싱된 파워 신호를 제공하기 위한 상기 증가된 전압 DC 출력에 연결된 적어도 하나의 전자 스위칭 소자를 포함하는 상기 출력 스위치단을 포함하고,
    상기 전자 안정기 제어 회로는 상기 파워를 원하는 레벨로 유지하기 위해 상기 HID 램프에 의해 소산되는 파워에 관한 신호를 포함하는 피드백 입력을 가지며, 상기 원하는 레벨은 상기 전자 안정기 제어 회로에 입력되는 조도조절 제어 입력에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 HID 램프용 조도조절 가능한 전자 안정기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 피드백 입력은 상기 출력 스위치단의 전류에 비례하는 전압을 포함하는 것을 특징으로 하는 조도조절 가능한 전자 안정기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 출력 스위치단은 한 쌍의 직렬로 연결된 전자 스위칭 소자를 포함한 하프 브릿지 출력단과, 상기 전자 스위칭 소자들 각각에 펄스폭 변조 구동 신호의 쌍을 제공하는 상기 전자 안정기 제어 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 조도조절 가능한 전자 안정기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 한 쌍의 전자 스위칭 소자는 상기 고전압 DC 출력의 포지티브 레일과 연결된 하이측 디바이스와 상기 고전압 DC 출력의 네거티브 레일과 연결된 로우측 디바이스를 포함하고, 상기 하이측 디바이스와 로우측 디바이스는 공통 접속부에 함께 연결되고, 상기 HID 램프에 대해 펄싱되는 파워 신호는 상기 공통 접속부로부터 제공되는 것을 특징으로 하는 조도조절 가능한 전자 안정기.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 램프에 의해 소산되는 파워에 관한 상기 전자 안정기 회로로의 피드백 신호를 제공하기 위한 상기 전자 스위칭 소자와 직렬로 연결된 전류 감지 저항을 더 포함한 것을 특징으로 한 조도조절 가능한 전자 안정기.
  6. 제 1항에 있어서,
    HID 램프에 의해 소산되는 파워에 관한 상기 신호는 HID 램프에서 소산되는 파워에 관한 전류의 위상각을 포함하는 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 조도조절 가능한 전자 안정기.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 램프에 의해 소산되는 파워에 관한 전류의 위상각을 가지는 신호는 출력 스위치단의 전류에 관한 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 조도조절 가능한 전자 안정기.
  8. 제 7항에 있어서,
    출력 스위치단의 전류에 관한 신호는 출력단의 전류의 위상각에 직접 관련된 제로 크로싱을 갖고, 그리고 램프에 의해 소산되는 파워에 비례하는 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 조도조절 가능한 전자 안정기.
  9. 제 8항에 있어서,
    출력 스위치단의 전류에 관한 신호는 출력 스위치단의 적어도 하나의 전자 스위치와 직렬인 감지 저항 양단의 전압으로서 생성되는 것을 특징으로 하는 조도조절 가능한 전자 안정기.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 출력 스위치단과 HID 램프사이에 연결되어, 상기 펄싱된 파워 신호를 램프에 대해 대략 사인곡선의 파워 신호로 필터링하기 위한 LC 회로를 더 포함하는것을 특징으로 하는 조도조절 가능한 전자 안정기.
  11. 제 1항에 있어서,
    HID 램프의 점화동안 상기 전자 안정기 제어 회로에 펄싱 타이밍 신호를 제공하기 위한 타이밍 회로를 더 포함하며, 상기 펄싱 타이밍 신호는 상기 전자 안정기 제어 회로를 반복적으로 셧다운 시킴으로써, 상기 펄싱 타이밍 신호와 동기적으로 상기 전자 안정기 제어 회로의 구동 신호의 펄스들이 제공되게 되는 것을 특징으로 하는 조도조절 가능한 전자 안정기.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 펄싱 타이밍 신호는 유한 수의 펄스들을 포함하고, 상기 타이밍 신호는 램프가 점화되지 않을 경우 상기 유한 수의 펄스들 다음에 전자 안정기 제어 회로에 정상 셧다운 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 조도조절 가능한 전자 안정기.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 정상 셧다운 신호는 대기 시간 간격 후에 종료되고, 상기 펄싱 타이밍 신호의 상기 유한 수의 펄스가 재시작되는 것을 특징으로 하는 조도조절 가능한 전자 안정기.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 정상 셧다운 신호는 상기 유한 수의 펄스들이 재시작 하는 때 상기 램프의 점화가 가능하도록 상기 HID 램프가 냉각될 수 있도록 하는 기간을 갖는 것을 특징으로 하는 조도조절 가능한 전자 안정기.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 펄싱 타이밍 신호의 각 펄스는 램프에 제공되는 상기 펄싱 파워 신호의 버스트를 발생시키고, 상기 버스트는 피크 값까지 램핑 업을 포함하는 포락선을 가지는 것을 특징으로 하는 조도조절 가능한 전자 안정기.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 조도조절 제어 입력은 가변의 DC 전압에 연결되어 상기 HID 램프의 조도조절 수준을 제어하는 것을 특징으로 하는 조도조절 가능한 전자 안정기.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 역률 보정단은 인덕턴스와 직렬로 연결되고 절연 다이오드에 의해 증가된 전압 DC 출력에 연결된 전자 스위치를 더 포함한 부스트 컨버터를 제어하는 역률 보정 제어 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 조도조절 가능한 전자 안정기.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 절연 다이오드에 연결되어 상기 증가된 전압 DC 출력을 저장하는 저장 캐패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조도조절 가능한 전자 안정기.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 역률 보정 제어 회로는 상기 정류된 DC 출력과 상기 추가적인 전자 스위치사이에 연결된 전류 센서로부터 입력을 수신하는 것을 특징으로 하는 조도조절 가능한 전자 안정기.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 전류 센서는 제1 권선 및 제2 권선을 갖는 전류 변압기를 포함하고, 상기 제1 권선은 상기 인덕턴스를 포함하고 상기 제2 권선은 입력으로서 상기 역률 보정 회로에 연결되는 것을 특징으로 하는 조도조절 가능한 전자 안정기.
  21. 제 11항에 있어서,
    상기 전자 안정기 제어 회로의 시동 후 상기 펄싱 파워 신호를 제공할때 까지, 상기 타이밍 회로를 리셋 상태로 유지시키기 위한 리셋 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조도조절 가능한 전자 안정기.
  22. 제 10항에 있어서,
    상기 램프의 정상적인 동작동안 셧다운을 억제하기 위한 셧다운 억제 회로를더 포함하는 것을 특징으로 하는 조도조절 가능한 전자 안정기.
  23. 제 1항에 있어서,
    상기 정류기단에 상기 AC 입력을 연결하는 EMI 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조도조절 가능한 전자 안정기.
  24. 제 1항에 있어서,
    상기 램프에 펄싱되는 파워 신호는 상기 램프에 50kHz 이상의 주파수로 파워를 공급하는 것을 특징으로 하는 조도조절 가능한 전자 안정기.
  25. 제 24항에 있어서,
    상기 램프에 펄싱되는 파워 신호는 상기 램프에 100kHz 이상의 주파수로 파워를 공급하는 것을 특징으로 하는 조도조절 가능한 전자 안정기.
  26. AC 입력을 정류하여 정류된 DC 출력을 제공하기 위한 정류단과;
    상기 정류된 DC 출력으로부터의 증가된 전압 DC 출력을 제공하기 위한 부스트단과;
    HID 램프를 구동하는 출력 스위치단의 스위칭 동작을 제어하기 위한 펄스열을 포함하는 구동 신호를 제공하기 위한 전자 안정기 제어 회로와; 그리고
    램프에 파워를 공급하기 위해 HID 램프에 펄싱 파워 신호를 제공하기 위한상기 증가된 전압 DC 출력에 연결된 적어도 하나의 전자 스위칭 소자를 포함하는 상기 출력 스위치단을 포함하고,
    상기 전자 안정기 제어 회로는 상기 HID 램프에 의해 소산되는 파워를 원하는 레벨로 유지하기 위해 HID 램프를 통한 전류의 위상각과 상기 HID 램프 양단의 전압 중 하나의 위상각에 관한 신호를 포함하는 피드백 입력을 가지고, 상기 원하는 레벨은 상기 전자 안정기 제어 회로에의 조도조절 제어 입력에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 HID 램프용 조도조절 가능한 전자 안정기.
  27. 제 26항에 있어서,
    상기 부스트단은 상기 AC 입력의 역률을 변조하기 위한 역률 보정단을 포함하는 것을 특징으로 하는 조도조절 가능한 전자 안정기.
  28. 제 28항에 있어서,
    상기 출력 스위치단은 공진 LC 회로를 통해 상기 HID 램프에 펄싱 파워 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 조도조절 가능한 전자 안정기.
  29. 제 28항에 있어서,
    상기 공진 LC 회로는 램프에 50kHz 이상의 주파수로 파워를 공급하는 것을 특징으로 하는 조도조절 가능한 전자 안정기.
  30. 제 29항에 있어서,
    상기 공진 LC 회로는 램프에 100kHz 이상의 주파수로 파워를 공급하는 것을 특징으로 하는 조도조절 가능한 전자 안정기.
  31. 제 26항에 있어서,
    램프 점화 기간동안, 상기 펄싱 파워 신호 펄스들의 다중 버스트들이 상기 램프에 제공되게 하는 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조도조절 가능한 전자 안정기.
  32. 제 31항에 있어서,
    상기 버스트들은 피크 전압까지의 램핑 업을 포함하는 포락선을 가지는 것을 특징으로 하는 조도조절 가능한 전자 안정기.
  33. 제 31항에 있어서,
    상기 다중 버스트들에는 대기 기간이 후속되고, 다시 다중 버스트와 대기 기간이 연속하여 후속되는 것을 특징으로 하는 조도조절 가능한 전자 안정기.
KR1020037012367A 2001-03-22 2002-03-22 고휘도 방전 램프용 조도조절 가능한 전자 안정기 KR100671524B1 (ko)

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