KR20050111392A

KR20050111392A - 고압 방전 램프 안정기 회로

Info

Publication number: KR20050111392A
Application number: KR1020057017577A
Authority: KR
Inventors: 토마스 제이. 리바리치; 세실리아 콘텐티; 마사시 세키네
Original assignee: 인터내쇼널 렉티파이어 코포레이션
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2004-03-16
Publication date: 2005-11-24
Also published as: US7190151B2; EP1604546A2; WO2004084585A2; JP2006525639A; WO2004084585A3; EP1604546A4; US20040217742A1; KR100741253B1

Abstract

집적 회로는, HID 램프를 구동하는데 이용되는 스위칭 풀 브리지, 및 단일 스테이지 벅-부스트 컨버터를 포함하는 전력 컨버터를 제어한다. 단일 스테이지 벅-부스트 컨버터는, 집적 회로의 제어하에서 PFC 및 DC 버스 전압 조정을 제공하면서도, 전자식 안정기 또는 전력 컨버터의 복잡성 및 구성 요소의 수를 감소시킨다. 또한, 집적 회로는 모든 구동 신호들을 제공하여, 스위칭 풀 브리지 회로가 HID 램프의 전력을 일정하게 유지하도록 동작시킨다. 대기 타이머는 HID 램프의 재시동간의 시간 간격을 제공하여 램프가 냉각되도록 함으로써, 높은 고온 재시동 전압을 피할 수 있다. 집적 회로는 단일 스테이지 벅-부스트 컨버터와 관련하여 구성 요수의 수, 복잡성, 및 가격을 낮추는데 공헌하면서도, 특히, 전자식 안정기 및 전력 컨버터의 설계를 단순화한다.

Description

고압 방전 램프 안정기 회로{HIGH INTENSITY DISCHARGE LAMP BALLAST CIRCUIT}

본 출원은 2003년 3월 18일에 출원된 발명의 명칭이 "고압 방전 램프 안정기 회로"인 미합중국 가출원 제 60/455,652 호, 및 2003년 7월 14일에 출원된 발명의 명칭이 "고압 방전(HID) 램프 안정기 회로"인 미합중국 가출원 제 60/487,491 호에 기초하며, 양자의 우선권을 주장한다.

본 발명은 일반적인 전자 램프 안정기에 관한 것으로서, 특히, 전자 램프 안정기 및 고압 방전 램프의 제어 방법에 관한 것이다.

고압 방전(HID) 램프는 수년동안 조명의 다양한 응용분야에서 사용되어 왔다. 현실적으로는, 수은 증기, 저압 나트륨, 고압 나트륨, 및 금속 할로겐 화합물을 포함하는 4가지 타입의 HID 램프가 전형적으로 사용된다. HID 램프는 백열등 및 형광등에 비하여 다수의 장점을 가지지만, 상대적으로 제한도 있다. 예컨대, HID 램프는 전형적으로 즉시 동작되지 못하고, 완전히 발광하기 전까지 예열 시간이 필요하다. 또한, HID 램프는 전형적으로 다수의 서로 다른 색깔의 빛을 발산하는데, 예컨대, 나트륨 램프가 노란색 출력을 발산하는 반면에 수은 증기 램프는 푸르스름한 빛을 발산한다. 메탈 할로겐 램프는 전형적으로 밝은 백색광을 발산하고, 빛의 품질이 중요한 요소인 다수의 응용분야에서 선호된다.

형광등은 HID 램프보다 더 크고, 거의 순간적인 시동(start up) 시간 및 재시동(restart) 시간을 갖는다. 또한, 형광등 성능은 온도에 민감한 반면, HID 램프는 성능의 열화없이 다양한 환경에서 동작 가능하다.

과거에는, 메탈 할로겐 HID 램프에 의해서 제공되는 우수한 조명 품질, 높은 루멘(lumen) 출력, 및 고효율 때문에 HID 램프가 조명시장을 장악하였다. 전형적인 메탈 할로겐 램프는, 예전에는 마그네틱 안정기에 의해서 구동 되었으나, 이는 일반적으로 임의의 특정 분야에 최적화되지 못하였다. 현재는, 메탈 할로겐 HID 조명 응용분야를 위한 전자식 안정기가 개발되어 HID 램프의 성능 및 효율을 향상시켜, 유지 및 에너지 비용을 감소시키는 유리한 결과를 낳았다. 또한, 전자식 안정기의 사용으로 HID 램프는 디밍(dimming) 모드에서 동작할 수 있게 되었다. 또한, 전자식 안정기는 램프의 수명 동안 변화된 조건에 적응되도록 제조될 수 있고, 따라서, 램프의 수명기간동안 램프로부터의 광출력의 전형적인 감소를 보상할 수 있다. 광출력의 감소를 보상함으로써, 전자식 안정기는 램프의 수명 기간 동안 더 높고 일정한 광 레벨을 유지한다. 따라서, 전자식 안정기는 잦은 램프의 교체를 감소시키고, 효율을 향상시킴으로써, 특정 응용 분야를 실현하기 위해서 필요한 조명 시설의 개수를 감소시킨다.

전형적인 HID 램프에서, 점화기는 램프를 동작시키기 위해서 사용되고, 이는 램프의 수명을 개선하고 램프의 동작을 단순화한다. 종래의 HID 램프들에서는, 램프를 점화하기 위해서 큰 개방(open) 회로 전압이 필요하였고, 이는 높은 램프 전류 파고율(crest factor)를 유발하여 램프의 수명을 감소시키는데 기여하였다. 점화기를 제공함으로써, HID 램프용 전자식 안정기는 잠재적으로 더 낮은 전압에서 동작할 수 있고, 이는 많은 장점들을 제공한다. 예컨대, 다른 전자 기기들과의 간섭을 방지하고 조명 응용 분야의 효율을 개선하기 위해서, 소정의 주파수에서 HID 램프용 전자식 안정기를 동작시키는 것이 바람직하다. 또한, 전자식 안정기는 램프의 수명 주기동안 램프의 전력을 특정한 정격 전력으로 유지할 수 있다. 램프가 노후됨에 따라서 램프 아크 튜브의 고유 전압이 변하기 때문에, 램프의 수명주기 동안 램프의 전력을 유지하는 것은 중요하고, 전자식 안정기는 일정한 전력 출력을 유지할 수 있도록 적응적이어야 한다.

일반적으로, HID 램프는 형광등보다 더 높은 점화 전압을 갖는데, 피크-대-피크로 측정하였을 때 3Kv의 범위를 갖는다. 또한, 형광등이 필라멘트 예열이 필요한 반면, HID 램프는 일반적으로 필라멘트를 구비하지 않으므로 필라멘트 예열이 필요하지 않다. 형광 램프용 전자식 안정기가 30 내지 50 kHz에서 전형적으로 동작하는 반면, HID 램프는 램프에 손상을 가하거나 재난적 파손을 일으키는 음향 공진(acoustic resonance)의 문제점 때문에 이 주파수들을 피하는 범위에서 동작한다. 따라서, HID 램프는 종종 전형적으로 수백 헤르쯔와 같은 저주파수의 범위에서 동작한다. 이러한 낮은 주파수 범위에서, 풀 브리지 스위칭 회로들은 공진 출력 회로없이 구형파로 HID 램프를 구동하기 위해서 사용된다. 또한, 양호한 HID 전자식 안정기 설계는 고온의 HID 램프의 점화를 시도할 때, 높은 점화 전압의 설계 문제를 다루어야 한다. 이러한 상황에서, 점화 전압은 전자식 안정기가 처리하기 어려운, 대략 25kV의 전압까지 상승할 수 있다.

전자식 안정기가 바람직하게 처리하여야 하는 다른 설계 영역은 역률보정(Power Factor Correction)이다. 전력 컨버터의 부하가 전력 라인 입력에 대해서 순수한 저항성 부하로 보이도록, 라인 입력에 연결된 전형적인 전력 컨버터는 이상적으로 서로 전류와 전압이 동상이 되도록 하여야 한다. 예컨대, 1에 근접한 높은 역률은 전력 라인 입력상의 부하가 저항성 부하의 특성에 근접함을 나타낸다. 전력 라인에 연결된 다른 기기로 제공되는 전력 라인 입력의 품질을 저하시키는 용량성 또는 유도성 임피던스를 피하기 위해서는 단일한 역률이 바람직하다. 따라서, HID 안정기는 라인 입력상의 과도한 임피던스를 피하기 위해서 역률 보정을 제공하여야 한다.

상술한 설계 문제 고려사항들을 충족시키도록 설계된 전자식 안정기는 다수의 구성 요소들 및 집적 회로들로 구현되고, 전자식 안정기가 적절한 동작을 제공하도록 제어된다. 예컨대, HID 램프를 동작시키기 위해서 이용되는 풀 브리지의 각 사이드는 자신의 드라이버 집적 회로(IC)를 구비하고, 다른 IC 는 역률 보정을 위한 제어로서 사용된다. 또한, 다른 IC들은 드라이빙 스위치들 및 피드백 획득을 포함하는, 전자식 안정기의 전체 동작에 대한 시스템 제어를 위해서 종종 사용된다. 안정기 효율 및 비용을 절감하기 위해서, 단순화된 구성 및 구성 요소 수가 감소된 HID 램프용 전자식 안정기를 얻는 것이 바람직하다.

본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 이하에서 상세하게 설명된다.

도 1 은 본 발명에 따른 회로의 전체 구성을 도시하는 블록도이다.

도 2 는 본 발명의 전자식 안정기에 따른, AC 라인 입력 전압의 하프 사이클 동안의 인덕터 전류를 도시하는 그래프이다.

도 3 은 본 발명에 따른 전자식 안정기의 회로도이다.

도 4 는 본 발명에 따른 제어 IC를 이용한 HID 램프용 전자식 안정기의 회로도이다.

도 5 는 종래의 전자식 안정기의 전체 구성을 도시하는 블록도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 모든 제어 신호를 제공하는 단일 집적 회로가 HID 램프용 전자식 안정기에 제공된다. 제어 IC는, 입력 스테이지 스위치를 스위칭하는 게이트 신호들을 제공하여, 입력 전류를 입력 전압과 동상이 되도록 함으로써 고역률을 획득한다. 또한, 게이트 신호들은 전자식 안정기로의 전력 공급을 위한 조정된 DC 버스(BUS)를 획득한다. 또한, 제어 IC 는 표준 HID 램프의 구동에 이용되는 풀 브리지(full bridge)를 동작시키는 게이트 신호들을 제공한다. 풀 브리지는 음향 공진을 피하기 위해서 약 200Hz에서 제어 IC에 의해서 구동된다. 제어 IC 는, 전자식 안정기 또는 램프의 결함 상태를 검출하고 램프 전력을 조정하도록 풀 브리지를 구동하는 시스템 제어 특징들을 포함한다.

본 발명의 다수의 장점인 특징들에 따르면, 본 발명에 따른 제어 IC 는 완전하게 HID 램프를 동작시키기 위해서, 제어 및 보호 특징들, 600V 풀 브리지 드라이버, 및 800V 부스트 벅 드라이버를 제공한다. 본 발명에 따라서 제어 IC에 의해서 제공되는 특정 특징에 따르면, 타이머 회로가 제공되어, 램프 점화를 위해서, 점화 시도간 간격이 5분인, 복수의 점화 펄스들이 생성된다. 점화 펄스들은 낮은 입력 전압과 같은 결함 상태의 경우에, 점화기를 구동하여 램프를 시동 또는 재시동 시킨다. 5분의 대기 시간은 HID 램프가 특정 온도로 냉각되어, 고전압 고온 리스트라이크(restrike) 점화 상황을 피하게 한다. 또한, 제어 IC 는 외부 점화기를 구동하는데 직접 이용될 수 있는 점화기 신호를 제공한다.

단일 스테이지 벅-부스트(buck-boost) 컨버터는 라인 입력 전력을 고역률을 갖는 조정된 DC 버스 전력으로 변환한다. PFC 회로에 대한 벅-부스트 드라이버 제어는 3핀 제어를 이용하여 동작된다. 한 핀은 전류의 제로 교차를 감지하고, 다른 한 핀은 벅-부스트 컨버터에 대한 보상을 제공하며, 세 번째 핀은 버스 전압을 감지하여 조정된 DC 버스 전압을 획득한다.

또한, 제어 IC 는 피드백 값들을 감지하여 램프의 전류 및 전압을 조정하고, 버스 전압을 특정 동작 범위내에서 조정하는 특징들을 제공한다. 또한, HID 램프로 전달되는 사용자 선택 전력의 입력 설정도 가능하다.

상술한 특징들 및 다른 특징들은 첨부된 도면들을 참조하여 더 상세히 이하에서 설명된다.

도 1을 참조하면, 전자식 안정기가 벅-부스트 입력 스테이지(10) 및 풀 브리지 출력 스테이지(12)의 두 스테이지로 구성되는 본 발명의 전자식 안정기가 블록도(15)로서 도시되어 있다. 풀 브리지 출력 스테이지(12)는, 상술한 음향 공진을 피하기 위해서 대략 200Hz의 주파수에서 스위칭되는 스위치들(M1-M4)들로 구성된다. 서로 다른 스테이지(10 및 20)의 파라미터들은 제어 IC(14)에 의해서 감지되고 제어된다. 제어 IC(14)는 HID 램프의 구동에 이용되는 풀 브리지 출력 스테이지(12)의 스위치들(M1-M4)를 제어하기 위한 게이트 신호를 제공한다. 제어 IC(14) 는 조정된 DC 버스 및 높은 역률을 얻도록 벅-부스트 입력 스테이지(10)를 제어하면서, 풀 브리지 출력 스테이지(12)에서 HID 램프를 구동할 수 있는 단일 칩 제어 방식을 제공한다.

벅-부스트 입력 스테이지(10)는 스테이지(12)를 벅-부스트 컨버터로 동작시키는 스위치(S1)을 포함한다. 제어 IC(14)는 스위치(S1) 및 벅-부스트 입력 스테이지(10)를 제어하는 게이팅 신호를 제공하여, 정현 입력 전류가 입력 전압과 동상이 되도록하여 고역률을 얻는다. 벅-부스트 입력 스테이지(10)는 임계 전도 모드에서 가동(run)되어, 일정한 램프 전력이 유지되도록 DC 버스 전압을 조정하면서 적절한 입력 전류를 끌어들인다.

제어 IC(14)는 벅-부스트 입력 스테이지(10) 및 풀 브리지 스테이지(12)로부터 다수의 피드백 신호를 수신하여 이들 스테이지들 및 전자식 안정기 또는 램프의 결함들을 제어한다. 예컨대, 제어 IC(14)는 풀 브리지 출력 스테이지(12)의 전류를 감지하여 램프의 제거 또는 고장으로 인해 초래되는 과전류 상태가 존재하는지 여부를 결정한다. 또한, 제어 IC(14)는 저전압 동작 또는 저전압 상태에서 발생할 수 있는 의도하지 않은 램프 소등후 재점화되어야 하는 때와 같은 경우에, 전자식 램프 안정기 및 HID 램프를 보호한다. 예컨대, 제어 IC(14)는 램프가 의도되지 않게 꺼진때에 램프를 재점화하기 위한 점화펄스들 사이에 바람직하게 5분의 대기 시간을 생성하는 타이머 회로를 제공한다. 5분의 대기 시간동안 램프는 냉각되고, 따라서 고온의 상태의 램프를 재점화할 때 필요한 고전압을 피할 수 있다.

또한, 제어 IC(14)는, 예컨대, 버스 전압이 조정될 수 있도록, 벅-부스트 입력 스테이지(10)의 상태를 감지하여 인덕터 전류 및 버스 전압의 제로 교차점을 결정한다. 제어 IC(14)는 벅-부스트 입력 스테이지(10)의 인덕터 전류의 제로 교차에 기초해 스위치(S1)을 스위칭하여, 전자식 안정기가 라인 입력에 대해서 순수 저항성 부하에 근접하게 보이도록 PFC를 제공한다. 또한, 제어 IC(14)는 프로그램된 램프 전력이 유지되도록 램프 전력 입력을 포함한다. 버스 전압이 공칭(nominal) 버스 전압 값으로 제어되어, 램프의 바람직한 전력을 얻을 수 있도록, 램프 전류 및 전압은 제어 IC(14)에 의해서 감지된다.

제어 IC(14)는 전자식 안정기를 제공하는 벅-부스트 전력 컨버터와 결합되어 많은 장점들을 나타낸다. 예컨대, 약 200 헤르쯔에서 동작하도록, 600V 풀 브리지 드라이버 기능은 제어 IC(14)로 통합된다. 또한, 제어 IC(14)는 벅-부스트 입력 스테이지(10)의 벅-부스트 컨버터의 스위치에 대한 800V 벅-부스트 드라이버를 제공한다. 제어 IC(14)는 램프 전력을 제어하기 위해서 버스 전압을 조정하면서, PFC를 제공하기 위해서 피드백 제어 루프를 갖는다. 제어 IC(14)의 타이밍 회로는, 램프가 꺼졌을 때 또는 비점화의 경우에 램프가 냉각될 수 있는 간격을 갖는 점화 재시도 시퀀스를 가능하게 한다. 타이밍 회로와 관련하여, 제어 IC(14)로 결정된 바와 같이, 특정 회수의 점화 실패 후, 전자식 안정기는 셧 다운된다. 또한, 제어 IC(14)는 사용자가 전자식 안정기 시동(start up) 시퀀스를 설정할 수 있도록, 전자식 안정기 시동에 대한 프로그램 가능한 특징들을 제공한다. 또한, 제어 IC(14)는 램프 점화 실패, 램프 실종 보호, 램프 수명 종료 보호, 및 램프 오동작 보호 등을 포함하는, 다수의 오동작 검출 및 보호 특징들을 제공한다. 또한, IC(14)는 내부 열한계 회로를 이용하여 과열로부터 보호된다. 또한, 제어 IC(14)는 마이크로 전력 시동을 제공하여 고전력 스위치에 앞서 회로 동작을 시작시킨다. 또한, 마이크로 전력 특징은 풀 브리지의 스위치들을 스위칭하지 않고 회로를 동작시키는 것이 바람직한 결함 상황에 유용하다. 또한, 제어 IC(14)는 래치업(latch up)을 방지하는 래치 면역성(immunity) 및 정전기 방전(electrostatic discharge)를 방지하는 ESD 보호를 갖는다.

도 5 의 다이어그램(50)으로 도시된 종래의 HID 전자식 안정기를 잠시 참조하면, 3개의 스테이지 방식이 도시되어 있다. 종래의 방식은 부스트 입력 스테이지(52), 벅 미드 스테이지(54), 및 풀 브리지 출력 스테이지(56)을 제공한다. 다이어그램(50)에 도시된 종래의 회로는 인덕터 LPFC 및 스위치 SPFC를 부스트 입력 스테이지(52)에 포함하고, 인덕터 LCC 및 스위치 SCC를 벅 미드 스테이지(54)에 포함하며, 4개의 스위치들(M1~M4)을 풀 브리지 출력 스테이지(56)에 포함한다. 또한, 다이어그램(50)에 구현된 회로는 각각의 스테이지들(52, 54, 및 56)의 제어 기능들 및 피드백에 이용되는 다수의 다른 지원 구성 요소들을 포함한다. 벅 입력 스테이지(52)는 라인 입력에서의 PFC 및 조정된 DC 버스 전압을 제공한다. 벅 미드 스테이지(54)는 램프 전력을 위한 전류 제어를 풀 브리지 출력 스테이지(56)로 제공한다. 풀 브리지 출력 스테이지(56)는 전점화, 점화, 및 가동 동작을 위한 HID 램프 제어 신호를 제공한다. 다이어그램(50)의 종래의 방식에서, 독립 제어 회로들(53, 55, 및 57)은 스테이지들(52, 54, 및 56) 각각을 제어한다. 제어 회로(53)는 부스트 입력 스테이지(52)의 상태를 감지하고, 조정된 DC 버스 전압 및 고역률 유지에 따라서 스위치 SPFC를 동작시킨다. 제어 회로(55)는 벅 미드 스테이지(54) 및 풀 브리지 출력 스테이지(56)의 파라미터를 감지하고, 벅 미드 스테이지(54)의 전류 제어를 위해서 스위치 SCC 로 제어를 제공한다. 제어 회로(57)은 풀 브리지 출력 스테이지(56)의 상태를 감지하고, 예컨대, 일정한 전력 모드와 같은 특정 설계 목적에 따라서 HID 램프를 구동하기 위해서 스위치들(M1-M4)을 동작시킨다.

도 1을 다시 참조하면, 다이어그램(15)의 회로는 벅-부스트 입력 스테이지(10) 및 풀 브리지 출력 스테이지(12)를 포함하고, 벅 부스트 입력 스테이지(10)는 종래 전자식 안정기의 분리된 부스트 및 벅 스테이지들의 모든 기능을 제공한다. 또한, 벅-부스트 입력 스테이지(10) 및 풀 브리지 출력 스테이지(12)는 단일 제어 IC (14)로 구현되는 단일 제어 회로에 의해서 제어된다. 제어 IC(14)는 스테이지들(10 및 12)의 스위치들(M1-M4) 및 스위치(S1)의 스위칭을 위한 모든 감지 및 제어 동작을 제공한다. 본 발명의 구현에서, 벅-부스트 입력 스테이지(10)는 단일한 인덕터(L1) 및 단일한 스위치(S1)를 포함하여, 벅-부스트 입력 스테이지(10)에서 요구되는 모든 기능을 구현한다. 종래의 입력 스테이지들을 벅-부스트 입력 스테이지(10)로 통합함으로써, 본 발명은 더 적은 구성 요소 및 대응되어 감소된 전자식 안정기를 감지하고 제어하는데 이용되는 추가적인 구성요소들로 더욱 효율적인 전자식 안정기의 구현을 제공한다.

도 2를 참조하면, 입력 전류의 파형이 그래프(20)에 도시되었다. 파형 일그러짐(harmonic distortion)은 적으면서 고역률을 얻도록, 전류 피크는 일반적으로 입력 전압 파형과 관련된 포락선을 따른다. 이러한 파형은 이하에서 상세히 설명되는 바와 같이, 벅-부스트 입력 스테이지(10)의 동작을 통해서 달성된다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따라서 HID 전자식 안정기의 벅-부스트 컨버터를 구현하는 토폴로지 및 제어 회로가 회로(30)로 도시되었다. 설명을 위해서, 회로(30)는 고전력을 전달하는 굵은선과, 스위칭 풀 브리지 및 HID 램프 대신에 저항(RLOAD)을 도시하였다. 감지 및 제어 신호들은 얇은 실선으로 도시되었다. 전자식 안정기 회로는 전점화, 점화, 및 가동(running), 결점 보호, 및 수명 종료 보호를 위해 램프를 제어한다. 본 발명에 따른 벅-부스트 컨버터는 라인 입력에 PFC를 제공하고, 설명을 위해서 다이어그램(30)에서 저항(RLOAD)으로 표시된 램프 출력 스테이지로 조정된 전압을 제공한다. 벅-부스트 스테이지(32)는 AC 정류된 라인 입력의 양의 노드와 인덕터(L1) 사이에 연결된 스위치(S1)을 포함한다. 인덕터(L1)는 스위치(S1) 및 AC 정류된 라인 입력의 음의 노드 사이에 연결된다. 다이오드(D1)는 캐소드가 인덕터와 연결되고, 애노드가 DC 버스 커패시터(C1)의 음의 노드와 연결되도록 벅-부스트 스테이지(32)에 배치된다. DC 버스 커패시터(C1)는 음의 노드가 다이오드(D1)의 애노드와 연결되고, 양의 노드가 AC 정류된 라인 입력의 음의 노드와 연결되도록 벅-부스트 스테이지(32)에 배치된다.

벅-부스트 컨버터 스테이지(32)는 적절한 시간에 인덕터(L1)을 충전시키고, 인덕터(L1A)가 방전되어 저항(RLOAD) 및 커패시터(C1)로 전기 에너지가 공급되도록 S1을 스위칭함으로써 동작된다. 스위치(S1)가 닫히거나, 또는 전도 상태에서, 인덕터(L1A)는 AC 정류된 입력의 양의 노드 및 음의 노드 양단에 연결되어, 인덕터(L1A)를 통해서 흐르는 전류는 선형적으로 증가하기 시작한다. 다이오드(D1)는 스위치(S1)이 닫혔을때, 전류가 DC 버스 커패시터(C1)으로 흐르는 것을 막는다. 인덕터(L1A)로부터의 전류가, 스위치(S1)의 온타임(on time)에 의해서 결정되는, 소정의 값에 도달하면, 스위치(S1)는 개방되거나, 또는 비전도 모드가되고, 인덕터(L1A)는 DC 버스 커패시터(C1)의 양단에 연결되게 된다. 인덕터(L1A)에 충전된 전류는 선형적으로 방전되고 DC 버스 커패시터(C1)의 양의 노드로 흘러서 DC 버스 커패시터(C1)의 전압이 증가된다. 다이오드(D1)는 스위치(S1)의 오프 타임동안 전류가 DC 버스 커패스터(C1)와 인덕터(L1A) 사이를 흐르게 하여, DC 버스 커패시터(C1)의 양의 노드의 전압이 DC 버스 커패스터(C1)의 음의 노드에 대해서 증가하게 된다. 스위치(S1)의 오프 타임은 인덕터(L1A)를 통해서 0으로 방전되는 전류에 의해서 관리되고, 이때, 스위치(S1)은 닫치고 스위치(S1)의 새로운 사이클이 시작된다. 이러한 스위칭 및 에너지 전달 사이클은 스위치(S1)의 동작을 통해서 연속적으로 반복되어 벅-부스트 컨버터의 설계 목적을 달성한다. 예컨대, DC 버스 전압 레벨은 스위치(S1)의 온타임을 결정하여 조정된 DC 버스 전압을 얻는다. DC 버스 전압이 소망하는 레벨보다 낮아지면, 스위치(S1)의 온타임이 증가되어, 인덕터(L1A)에 충전되는 전류를 통해서 추가적인 전류를 DC 버스 커패시터(C1)로 공급한다. 더 많은 전류가 DC 버스 커패시터(C1)로 공급될수록 더 많이 충전되어 DC 버스 전압 레벨이 높아진다. 만약, DC 버스 전압이 소망하는 레벨보다 높아지면, 스위치(S1)의 온타임이 감소되어 적은 전류가 인덕터(L1A)를 통해서 DC 버스 커패시터(C1)로 공급되고, 이로 인해 DC 버스 전압이 감소된다.

벅-부스트 컨버터 스테이지(32) 동작의 다른 중요한 측면은 출력 전력 제어이다. 출력 전력 제어는 서로 다른 동작 모드에서의 HID 램프의 동작을 처리하기 위해서 중요하다. 예컨대, 전점화(pre-ignition) 및 점화동안 DC 버스는 특정 전압 레벨로 조정되어, 점화 회로가 램프를 점화하고 램프 아크를 확립하기 충분한 양, 약 5kV의 전압을 램프에 제공할 수 있다. 일단 램프가 점화되면, 램프의 초기 예열 시간동안 DC 버스 전압은 램프 전압에 의해서 결정되는 바와 같이, 약 20V로 떨어진다. 또한, 램프는 점화 단계에서 약 2 암페어를 소비한다. 수분이 지난 후, 램프가 예열됨에 따라서, DC 버스 전압은 약 100V 의 일정한 상태의 값에 도달하고, 램프는 약 400 암페어의 전류를 소비한다. 이러한 HID 램프의 서로 다른 동작 모드때문에, 일정한 출력 전력이 매우 소망된다.

저항(RSense)을 통해서 부하 전류 감지값을 얻고, 저항들(RB1 및 RB2)로 구성되는 전압 디바이더 네트워크를 통해서 DC 버스 전압값을 얻음으로써, 벅-부스트 컨버터 스테이지(32)에서는 출력 전력이 일정한 레벨로 조정된다. 승산기 회로 칩(34)을 이용하여, 버스 전압 및 부하 전류는 함께 승산되어 전력 값이 얻어진다. 피드백 전력값은, 예컨대, op-amp 게인 회로(35)의 10k 와 1k 저항의 비를 통해서, 10배 만큼 증폭된다. op-amp 게인 회로(35)의 출력은 op-amp, 퍼텐쇼미터(potentiometer), 및 커패시터(C2)로 구성되는 표준 피드백 op-amp 회로(36)로 제공된다. 표준 프드백 op-amp 회로(36)는 고정된 4V 임계치(37)에 대해서 출력 전력을 조정하여 DC 버스 전압을 조정하기 위한 보상 신호를 제공한다. 따라서, 표준 피드백 op-amp 회로(36)의 출력은 제어 IC(38)의 COMP 핀으로 제공된다. 출력 전력이 4V 임계치(37) 보다 증가하거나 감소할수록, op-amp 회로(36)는 COMP 핀상의 신호를 적절하게 수정하여, 제어 IC(38)의 PFC 출력 핀의 온타임이 증가되거나 감소되어 일정한 전력이 유지된다. 예컨대, 전력이 감소할수록, 신호에 의해서 PFC 출력 핀에 제공되는 온타임이 증가되어 인덕터(L1A)를 통해서 저항(RLOAD)으로 전달되는 전류가 증가된다. 만약, 전달된 전력이 증가되면, COMP 핀에 공급되는 값에 기초하여 스위치(S1)의 온타임이 감소하고, 부하에 전달되고, 결과적으로 커패시터(C1)에 전달되는 전류가 감소한다.

이러한 벅-부스트 컨버터의 피드백 및 제어를 단순하게 구성함으로써, 적은 수의 구성 요소 및 신호들로 강건한 제어가 가능하다. 벅-부스트 컨버터 스테이지(32)는 양호한 DC 버스 조정 전압을 유지하면서도 높은 PFC를 구현한다. 충전 및 방전 인덕터 전류가 AC 입력 라인 전압과 실질적으로 동일한 형태의 포락선을 따르도록, 버스 전압을 감지하고 스위치의 온타임을 조절하기 위한 피드백 루프는 바람직하게 감소된 응답 시간을 갖는다. 적절한 피드백 루프 속도를 제공함으로써, 낮은 전체 파형 일그러짐(THD)을 얻으면서도 고역률이 유지된다.

피드백 목적을 위해서 인덕터 전류는 이차 감김 인덕터(L1B)를 통해서 감지된다. 각각의 충전/방전 사이클동안 인덕터 전류가 0 으로 방전될때, 인덕터(L1B)로부터의 전류는 시그널링을 위해서 ZX 핀에 결합된다. 제어 IC(38) 내부의 PFC 제어 회로는 핀 ZX, COMP, VBUS, 및 PFC의 신호와 관련된 모든 기능을 제공하여, 벅-부스트 컨버터 스테이지(32)에 대한 PFC 제어를 제공한다. 단순화된 벅-부스트 컨버터의 동작으로 인해서, 부스트 타입 컨버터에 이용되는 것과 실질적으로 유사한 제어 방법이 벅-부스트 컨버터 스테이지(32)에 적용가능하다.

S1을 스위칭하기 위한 신호가 제어 IC(38)의 PFC 핀에 제공되어, 벅-부스트 컨버터 스테이지(32)의 PFC 및 버스 전압 조정이 실현된다. 그러나, 스위치(S1)는 제어 IC(38)의 COM 에 참조되지 않는 것이 바람직하고, PFC 핀의 신호에 기초하여 스위치(S1)에 대한 게이팅 신호들을 제공하기 위해서 신호 레벨 쉬프트가 이용된다. 따라서, 레벨 쉬프트 IC(39)는 게이트의 소스를 스위치(S1)의 소스에 대한 소스 제어 전압으로 쉬프트하는데 이용된다. 즉, 제어 IC(38)의 PFC 핀 신호에 의해서 제공되는 스위칭 제어를 이용하여, 레벨 쉬프트 IC(39)는 스위치(S1)에 대한 게이트 신호를 적정한 레벨로 상승시킨다.

다이어그램(30)에서, HID 램프와 풀 브리지가 저항(RLOAD)으로 시뮬레이션 된다. 시뮬레이션에서, 점화 후 초기 예열시간을 시뮬레이션 하기 위해서, 저항(RLOAD)은 작은 값으로 설정된다. 풀 브리지 회로에서 HID 램프의 정상 가동 동작을 시뮬레이션하기 위해서 RLOAD의 값은 정상 상태에 대한 높은 값으로 조절된다. HID 램프의 다양한 모드의 동작을 시뮬레이션하면서 저항(RLOAD)이 변하여도, 다이어그램(30)의 회로는 저항(RLOAD)으로 일정한 전력을 제공한다.

도 2를 다시 참조하면, AC 라인 입력 전압의 1/2 사이클 동안의 파형을 도시한 그래프(20)가 도시된다. 메인 입력 전압의 사이클 시간동안 정류된 AC 라인 입력 전압이 증가하고 감소함에 따라서, 스위치(S1)는 전류가 인덕터(L1A)를 충전하고 방전하도록 스위칭된다(도 3). 스위치(S1)의 각 사이클은, AC 입력 전압 레벨에 따라서 증가되고 감소되는 피크를 갖는 실질적으로 삼각형 형상의 전류 파형을 초래한다. 즉, AC 입력 전압 레벨은 삼각형 인덕터 전류 파형에서의 피크들의 포락선을 형성한다. 스위치(S1)의 오프 타임은 인덕터(L1A)의 전류가 피크 전류로부터 0 으로 방전되는 시간에 의해서 결정되는 반면, 스위치(S1)의 온타임은 사이클동안 상대적으로 일정한 상태로 유지된다. 피크 전류 값이 입력 전압 레벨에 따라서 증가하고 감소하므로, 스위치(S1)의 오프 타임은 입력 전압 사이클동안 변화된다. 이러한 구성에 따르면, 인덕터 전류의 주파수는 가변적이고 자유롭게 가동되며, 최저 주파수는 입력 전압 반사이클의 피크에서 얻어지고, 최대 주파수는 입력 전압의 거의 제로 교차점에서 발생한다. 인덕터 전류는 각 인덕터 충전/방전 사이클에서 0 으로 방전되어, 벅-부스트 컨버터 스테이지(32)는 연속 및 비연속 전도 모드 사이의 경계를 형성하는 임계 전도 모드에서 동작된다.

도 4를 참조하면, 회로 다이어그램(40)은 입력 벅-부스트 컨버터(44)와 풀 브리지 출력 스테이지(46)을 구비하는 전자식 안정기의 단순화된 제어 방법을 도시한다. 다이어그램(40)의 회로에 의해서 제공된 방법에 따르면, 단일 제어 IC(42)는 전자식 안정기의 모든 감지 신호들을 수신하고 모든 제어 신호를 전달함으로써 전자식 안정기를 제어한다. 따라서, 벅-부스트 컨버터(44)는 ZX 핀에 공급된 0 교차 신호, COMP 핀에 공급된 조정 신호, VBUS 핀의 버스 전압, 및 HOBB 핀에 의해서 공급된 게이트 신호로 제어된다. 이들 네 신호들은 벅-부스터 컨버터(44)에 대한 완전한 제어 구성을 제공하여, 스위치들(M1-M4)과 HID 램프로 구성된 풀 브리지 회로(46)로 조정된 DC 전력을 제공하는 한편, 램프 전력 조정을 위한 전류 제어 및 고역률을 얻는다. 제어 IC(42)는 VBBB 및 VSBB 핀을 통해서 레벨 쉬프트된 게이트 신호를 벅-부스트 컨버터(44)의 드라이브 스위치(S1)로 제공하므로, HOBB 핀에 제공되는 게이트 신호로 스위치(S1)를 동작시키기 위한 추가적인 회로가 필요하지 않다.

제어 IC(42)는 소망되는 램프 전력을 프로그래밍하기 위한 램프 전력 입력을 PLAMP 핀에 포함한다. PLAMP 핀에 연결된 저항을 적절히 설정함으로써, HID 램프로 제공되는 전력은 일정한 값으로 조정될 수 있다.

HID 램프의 점화기를 동작시키기 위한 점화 신호가 LOIGN 핀에 제공되어, 외부 점화기를 갖는 HID 램프들을 위한 기능이 제공된다. 또한, 제어 IC(42)는 저항(RCS)의 전압값에 기초하여 CS 핀의 전류 감지 신호를 얻는다. 예컨대, CS 핀에 수신된 저항(RCS)의 전압이 소정의 전압 레벨보다 크다면, 램프의 스트라이크 실패와 같은 과전류 결함이 지적된다. 또한, 예컨대, 제어 IC(42)는 증폭 신호 검사(conditioning)의 경우와 같은, 집적된 프로그래밍이 가능하도록 INT 핀을 제공한다. 제어 IC(42)는, 각각이 M1 및 M2와, M3 및 M4 로 구성된 2개의 하프 브리지를 분리시켜 동작시키는 모든 구동 신호들을 제공하여 HID 램프를 구동하는 풀 브리지를 구성한다. 예컨대, 제어 IC(42)는 스위치들(M1 및 M2)을 위한 신호를 HO1 및 LO1 핀에 각각 제공하고, 스위치들(M3 및 M4)을 위한 신호를 HO2 및 LO2 핀에 각각 제공한다. HID 램프를 제어할 때, 이들 게이트 신호들은 스위치들(M1-M4)을 스위칭하는데 이용된다. 따라서, 제어 IC(42)의 내부 회로는 스위치들(M1-M4)을 동작시키기 위한 드라이버 회로들, 제어, 적절한 레벨 쉬프팅, 및 데드 타임을 제공한다. 예컨대, VS1 및 VS2로부터, 서로 다른 두개의 기준 신호가 두개의 하프 브리지의 미드 포인트에 연결된다.

제어 IC(42)로의 전력은 2차 감김 인덕터(L1B), 다이오드(D2), 및 커패시터(CVCC)를 통해서 VCC 핀에 제공된다. 따라서, 제어 IC(42)는 다이어그램(40)의 전자식 안정기의 PFC, 버스 전압 조정, 전류 제어 및 램프 전력 제어를 구현하기 위한 모든 기능들을 내부에 포함한다. 벅-부스트 컨버터(44)는 단순화된 구성과 감소된 구성 요소의 수로, 고역률을 유지하면서, 전력 공급, 전압 및 전류 제어를 얻는 단순화되고 신규한 접근 방식을 제공한다. 또한, 전자식 안정기는 버스 저전압, 램프 과전류, 램프 수명 종료, 램프 점화 실패, 및 쇼트 회로 보호를 포함하는 다수의 결함을 처리하는 결함 보호를 포함한다.

비록, 본 발명이 특정 실시예와 연관되어 설명되었으나, 많은 변형예, 수정예, 및 다른 용도가 당업자에게는 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 발명의 상세한 설명에 개시 내용에 의해서 한정되어서는 안되고, 오직 첨부된 특허청구범위에 의해서만 한정되어야 한다.

Claims

부하로 전력을 전달하는 전력 컨버터로서,

정류된 입력 신호를 변환하는 단일 스테이지 벅-부스트 컨버터;

DC 신호를 상기 부하로 전달되는 스위칭된 신호로 변환하는 스위칭 출력 스테이지; 및

상기 벅-부스트 컨버터와 상기 출력 스테이지를 제어하기 위해서 상기 벅-부스트 컨버터와 상기 출력 스테이지에 연결된 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 컨버터.
제 1 항에 있어서,

상기 벅-부스트 컨버터는 상기 제어기에 의해서 구동되는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 컨버터.
제 2 항에 있어서,

상기 제어기로부터 상기 스위치로 제공되는 구동 신호들을 더 포함하고,

상기 구동 신호들은 상기 스위치를 스위칭하여 입력 전압과 실질적으로 동상으로 입력 전류를 끌어올리는(draw) 것을 특징으로 하는 전력 컨버터.
제 2 항에 있어서,

상기 스위치에 연결되어 상기 스위치로부터 공급된 전류를 축전하는 인덕터; 및

상기 제어기로부터 상기 스위치로 제공되어, 상기 인덕터를 통해서 흐르는 전류가 실질적으로 영 일 때, 상기 스위치를 전도 상태로 스위칭하는 구동 신호를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 컨버터.
제 2 항에 있어서,

상기 스위치에 연결되어 상기 스위치로부터 공급된 전류를 충전하는 인덕터; 및

상기 제어기로부터 상기 스위치로 제공되어, 선택된 시간 주기 동안 상기 스위치를 전도 상태로 스위칭하여, 상기 스위치가 전도 상태인 상기 선택된 시간 주기에 따라서 상기 인덕터에 충전된 전류가 변화되도록 하는 구동 신호를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 컨버터.
제 4 항에 있어서,

상기 스위치 및 상기 인덕터에 연결되어, 상기 스위치로부터 상기 인덕터로 전류를 흐르게 하는 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 컨버터.
제 5 항에 있어서,

상기 스위치 및 상기 인덕터에 연결되어, 상기 스위치로부터 상기 인덕터로 전류를 흐르게 하는 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 컨버터.
제 1 항에 있어서,

전력을 상기 부하로 공급하는 스위칭 풀 브리지를 상기 출력 스테이지에 더 포함하고, 상기 스위칭 풀 브리지의 스위치들은 상기 제어기에 의해서 제어되는 것을 특징으로 하는 전력 컨버터.
제 6 항에 있어서,

상기 다이오드 및 상기 인덕터에 연결되어 상기 다이오드가 전도상태일 때 상기 인덕터에 의해서 공급되는 에너지를 저장하는 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 컨버터.
제 7 항에 있어서,

상기 다이오드 및 상기 인덕터에 연결되어 상기 다이오드가 전도상태일 때 상기 인덕터에 의해서 공급되는 에너지를 저장하는 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 컨버터.
제 3 항에 있어서,

상기 스위치가 스위칭되는 때를 결정하는데 기여하는, 상기 벅-부스트 컨버터로부터 상기 제어기로의 피드백 신호를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 컨버터.
제 4 항에 있어서,

상기 인덕터 전류가 실질적으로 영 이 되는 때를 결정하는, 상기 인덕터로부터 상기 제어기로의 피드백 신호를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 컨버터.
제 1 항에 있어서,

상기 출력 스테이지를 통해서 흐르는 전류를 상기 제어기로 표시하는, 상기 출력 스테이지로부터 상기 제어기로의 피드백 신호를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 컨버터.
제 1 항의 전력 컨버터를 포함하는 HID 램프 구동용 전자식 안정기.
정류된 AC 입력으로부터 조정된 전력을 제공하는 벅-부스트 컨버터로서,

상기 정류된 AC 입력에 연결되어 상기 정류된 AC 입력을 스위칭하는 스위치;

상기 스위치에 연결되어, 상기 스위치가 전도 상태일 때, 상기 스위치를 통해서 공급되는 전류를 충전하는 인덕터;

상기 스위치 및 상기 인덕터에 연결되어, 그 자신이 전도 상태가 아닐 때, 상기 스위치로부터 상기 인덕터로 전류가 흐르게하는 다이오드; 및

상기 다이오드 및 상기 인덕터에 연결되어, 상기 다이오드가 전도 상태일 때, 상기 인덕터에 의해서 공급되는 에너지를 저장하고, 상기 벅-부스트 컨버터의 출력을 공급하는 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 벅-부스트 컨버터.
제 15 항에 있어서,

상기 벅-부스트 컨버터를 제어하는 제어기; 및

상기 스위치에 연결되어 상기 스위치를 스위칭하는 상기 제어기의 출력 신호를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 벅-부스트 컨버터.
제 16 항에 있어서,

상기 제어기는 스위칭 신호를 상기 스위치로 제공하여 입력 전류가 입력 전압과 동상이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 벅-부스트 컨버터.
제 16 항에 있어서,

상기 인덕터의 전류 또는 전압의 표시를 제공하는, 상기 인덕터로부터 상기 제어기로의 피드백 신호를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 벅-부스트 컨버터.
제 1 항에 있어서,

상기 제어기는 집적 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 컨버터.
전력 컨버터를 제어하는 집적 회로로서,

상기 집적 회로로 공급되는 벅-부스트 컨버터 파라미터 신호에 기초하여 상기 벅-부스트 컨버터의 스위치를 구동하는 역률 보정 회로; 및

스위칭 풀 브리지 회로를 구동하여, 상기 스위칭 풀 브리지 회로에 연결된 부하로 전달되는 전력을 제어하는 구동 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 회로.
제 20 항에 있어서,

그 입력이 상기 스위칭 풀 브리지 회로에 연결되어, 상기 스위칭 풀 브리지 회로를 통해서 흐르는 전류의 표시를 획득하는 전류 감지 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 회로.
제 20 항에 있어서,

HID 램프를 구동하는 전자식 안정기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 회로.
제 1 항에 따른 전력 컨버터를 제어하는 방법으로서,

상기 벅-부스트 컨버터를 동작시켜 입력 전류가 입력 전압과 동상이 되도록 하는 단계;

상기 벅-부스트 컨버터를 동작시켜 상기 벅-부스트 컨버터로부터 상기 출력 스테이지로 제공되는 조정된 DC 버스 전압을 획득하는 단계; 및

상기 출력 스테이지를 동작시켜 상기 부하로 일정한 전력이 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 컨버터 제어 방법.
단일 스테이지 입력 벅-부스트 컨버터 및 스위칭 출력 스테이지를 포함하는 전력 컨버터를 동작시키는 방법으로서,

상기 단일 스테이지 입력 벅-부스트 컨버터를 동작시켜 정현파 전류를 입력 전압과 동상이 되게 하고, 조정된 DC 버스 출력을 제공하는 단계; 및

상기 스위칭 출력 스테이지를 동작시켜 일정한 전력을 부하로 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 컨버터 동작 방법.