KR20060037058A

KR20060037058A - 영전압스위칭 방식의 하프브리지 인버터 회로

Info

Publication number: KR20060037058A
Application number: KR1020040086189A
Authority: KR
Inventors: 한승훈
Original assignee: (주)로그시스
Priority date: 2004-10-27
Filing date: 2004-10-27
Publication date: 2006-05-03
Also published as: KR100651079B1

Abstract

본 발명은 외부전극 형광램프(External Electrode Fluorescent Lamp)나 면광원(Surface Light Source) 또는 플라즈마 패널 등의 용량성 부하구동을 위한 고주파 인버터 회로에 사용되는 전력변환 방식으로써, 트랜스포머의 코어사이에 갭을 추가하여 트랜스 1차측 인덕턴스를 작게 유지하는 방법으로 1차측 자화전류를 증가시키고, 설정된 데드타임동안 스위칭 소자인 MOSFET의 바디 다이오드를 통해 상기 자화전류가 흐를 수 있게 하여, MOSFET 드래인과 소스사이 전압이 영전압에 도달한 상태에서 스위칭 소자에 턴온 신호를 인가하므로써, 스위칭 소자에서 발생하는 전력손실을 최소화하는 방법으로 하프브리지(Half-Bridge) 회로를 구동한다.

본 발명은 인버터의 부하상황이 용량성 부하인 경우, 용량성 부하와 회로의 누설 인덕턴스간의 공진이 완료되어 트랜스 2차측 전류가 없는 상태에서도 트랜스포머의 자화전류를 이용하여 영전압 스위칭 조건을 제공함으로써, 스위칭 소자의 전력손실 및 발열을 최소화하고, 스위칭시 발생하는 노이즈를 억제할 수 있도록 한다.

인버터, 하프브리지, 영전압스위칭, 외부전극 형광램프, 면광원, 플라즈마 패널

Description

영전압스위칭 방식의 하프브리지 인버터 회로 {Zero-voltage Switching Half-bridge Inverter}

도 1은 일반적인 하프브리지 인버터 회로의 기본 구성도 이다.

도 2는 도 1의 게이트 구동전압과 트랜스포머의 전압, 전류를 나타내었다.

도 3은 본 발명에 의한 영전압스위칭 방식의 하프브리지 인버터 회로의 기본 구성도 이다.

도 4은 도 3의 본 발명에 의한 트랜스포머의 1차측 전류의 변화를 나타내었다.

도 5와 도 6은 도 3의 본 발명에 의한 하프브리지 인버터의 동작을 설명하기 위해서 게이트 구동전압에 따른 회로내 전류의 흐름을 나타내었다.

도 7은 도 3의 본 발명에 의한 영전압스위칭 방식의 하프브리지 인버터 회로를 적용하는 실시예를 나타나내는 교류입력 고전압 인버터의 구성도 이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 하프브리지 회로

20 : 브리지 정류회로

30 : 게이트 구동회로

40 : 스위칭 제어기 회로

Q1,Q2 : 스위칭 소자(MOSFET)

C1,C2 : 콘덴서

T1,T2 : 고전압 트랜스포머

본 발명은 고전압 인버터 회로에 사용되는 전력변환 방식에 관한 것으로, 특히 외부전극 형광램프(EEFL)나 면광원(SLS) 또는 플라즈마 패널 등의 용량성 부하에 적합한 하프브리지 인버터 회로에 관한 것이다.

일반적으로, 백라이트용 광원은 주로 냉음극 형광램프(CCFL)가 사용되고 있으나, 최근에는 외부전극 형광램프와 면광원 또는 플라즈마 패널 등이 소개되고 있다.

LCD 백라이트가 채용하고 있는 CCFL은 인버터에 의하여 전원이 공급된다. 이러한 인버터의 원리는 LC 공진에서 얻어지는 수십 kHz의 낮은 교류 전압을 승압 트랜스를 이용하여 CCFL의 방전 개시 및 유지에 필요한 고전압을 얻는 것이다. 이때 인버터 출력 파형은 사인파의 형태이다. 이러한 LC 공진형 인버터는 비교적 장치가 간단하고 효율이 높다는 장점이 있다. 그러나 이 장치의 문제점은 하나의 인버터가 하나의 냉음극 형광램프만 구동할 수 있고, CCFL을 채용한 도광판과 결합한 방식이나 직하형 방식의 백라이트의 경우 CCFL의 수에 해당하는 인버터가 필요하다. 따라서, 백라이트의 대형화에 가장 큰 걸림돌이 되고 있다.

한편, 다수의 외관 전극 형광램프(EEFL)를 평면에 배치하여 제작된 백라이트는 EEFL을 상호 병렬 연결하여 하나의 인버터에 의하여 구동이 가능하다. 그 이유는 EEFL은 전극이 방전 공간에 노출되어 있지 않기 때문에 실제 전류는 전극으로 흐르지 못하고 벽전하가 양쪽 전극 부분에 쌓이고, 램프 양단에 벽전하에 의한 역전압의 형성으로 방전이 중단되기 때문이다. 따라서, 하나의 인버터에 의하여 다수의 램프가 구동될 수 있다.

최근 소개되고 있는 상기 백라이트용 광원들은 휘도와 발광효율 등의 이유로 구형파의 파형으로 구동되는 것이 바람직하다고 알려져 있으며, 이들 대부분은 용량성 부하 특성을 가지고 있다.

상기 광원들을 구동하는 고전압 스위칭 인버터는 스위칭 소자를 사용하여 직류전압을 스위칭하여 발생하는 구형파 펄스를 고전압 트랜스를 통하여 부하에 적합한 전압과 주파수를 가진 구형파 형태의 교류로 변환하여 부하에 인가하는 방식을 사용한다. 이 스위칭 인버터 방식으로는 하프브리지(half-bridge) 방식, 풀브리지(full-bridge) 방식, 푸시풀(push-full)방식 등이 있다.

이중 하프브리지 방식은 풀브리지 방식과 푸시풀 방식에 비해 전력소자의 수요가 적고, 소자에 인가되는 전압 스트레스가 적으며, 자속 불균형의 문제가 없다는 장점을 가지고 있다.

또한 용량성 부하가 가지는 특징은 회로내의 인덕턴스와 공진이 완료되면, 부하로 흐르는 전류는 영이 되고, 스위칭 소자는 영전류스위칭(ZCS)이 가능한 조건이 된다. 그러나 실험에 의하면 공진이 완료되어 소자에 흐르는 전류를 작게 유지 되는 범위에서는 영전압스위칭(ZVS) 조건을 만족할 때 전력손실과 소자의 발열, 노이즈 발생면에서 보다 더 유리하다.

본 발명의 기술적 과제는 외부전극 형광램프나 면광원 또는 플라즈마 패널 등의 용량성 부하특성을 가지고, 높은 주파수의 교류 고전압 구형파 인가를 통해 구동하는 하프브리지 인버터 회로에서 저발열, 고효율 전력변환을 실현하기 위한 영전압스위칭 구동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 입력전압 양단에 두개의 스위칭 소자(Q1,Q2)와 두개의 콘덴서(C1,C2)가 각각 직렬로 연결되고, 두 스위칭 소자 연결점과 두 콘덴서의 연결점 사이에 고전압 트랜스포머의 1차측이 연결되는 전형적인 하프브리지 전력변환 회로의 구조를 갖는다.

도 1은 일반적인 하프브리지 인버터 회로의 기본 구성도이고, 도 2는 도 1의 게이트 구동전압과 구동전압에 따른 트랜스포머의 양단의 전압, 그리고 용량성 부하일 때의 전류를 나타내었다. 외부전극 형광램프 등의 상기 부하에서 휘도나 발광 효율면에서 부하의 공진이 완료되는 시점에서 역전압을 인가하는 것이 요구되고, 도 2의 전류파형으로는 영전압스위칭 조건을 만족시킬 수 없다.

도 3은 본 발명에 의한 영전압스위칭 방식의 하프브리지 인버터 회로의 기본 구성도 이다. 일반적인 하프브리지 회로의 고전압 트랜스포머의 코어사이에 갭을 추가하여 1차측 자화 인덕턴스를 낮추고, 스위칭 주기동안의 자화전류 증가시키면, 회로의 전류는 도 4에서 도시한 파형으로 바뀌게 된다. 즉 공진이 완료된 다음 역전압을 인가하기 직전의 1차측 전류가 영보다 크게 된다.

도 5는 도 3의 본 발명에 의한 하프브리지 인버터의 동작을 설명하기 위해 게이트 구동전압에 따른 회로내 전류 흐름을 나타내었다. 상부 스위칭 소자(Q1)가 턴온되어 트랜스포머(T2) 1차측에 상부 콘덴서(C1)의 전압이 인가되면, 전류는 상부 콘덴서(C1), 상부 스위칭 소자(Q1), 트랜스포머(T2) 다시 상부 콘덴서(C1)의 순서로 순환한다. 상부 스위칭 소자(Q1)가 턴오프되고, 하부 스위칭 소자(Q2)가 턴온되기 전의 데드타임동안 트랜스포머의 자화전류는 하부 스위칭 소자(Q2)의 바디 다이오드 또는 드래인 소스사이의 부가적인 병렬 다이오드(D2)와 트랜스포머(T2), 상부 콘덴서(C1)의 순서로 전원단으로 회생된다. 이 동안 하부 스위칭 소자(Q2) 드레인과 소스사이에 축적된 전하는 방전하고 영전압이 된다.

도 6은 하부 스위칭 소자(Q2)가 턴온상태에서 턴오프 상태로 바뀌는 동작에서 회로내 전류의 흐름을 나타내었다. 트랜스포머(T2)에 흐르는 전류의 방향만 반대이고, 도 5의 작용과 동일하게 상부 스위칭 소자(Q1)가 턴온되기 전에 트랜스포머(T2)의 자화전류는 상부 스위칭 소자(Q1)의 바디 다이오드 또는 병렬 다이오드(D1)를 통해 전원단으로 회생되면서 상부 스위칭 소자(Q1) 양단의 전압이 영전압으로 된다.

인버터의 스위칭 주파수는 부하의 특성과 회로의 누설 인덕턴스에 의해서 결정된다. 본 발명에 의한 영전압스위칭 방식의 하프브리지 회로는 트랜스포머의 자화 인덕턴스만을 조정하여 수십에서 수백KHz의 스위칭 주파수에서 영전압 조건을 만족시킬 수 있다.

영전압스위칭 조건을 만족시키는 자화 전류의 크기는 스위칭 소자 양단에 걸리는 전압과 스위칭 소자의 출력 캐패시턴스에 의해서 결정되며, 다음 수식에 의해서 구할 수 있다.

,

C : 스위칭 소자의 출력 캐패시턴스

V : 스위칭 소자 양단 전압(입력전압)

L : 트랜스포머 자화 인덕턴스

I : 트랜스포머 자화전류의 최대값

T : 스위칭 주기

자화전류가 크면 영전압스위칭 조건을 충족시키기에는 유리하지만, 트랜스포머 및 스위칭 소자에 흐르는 전류량이 증가하므로 도전성 전력손실이 증가하게 된다. 따라서 자화전류의 크기는 영전압스위칭 조건을 만족하는 최소값이 바람직하며, 트랜스포머의 자화 인덕턴스도 상기조건을 만족시키는 최대값을 갖는 것이 바람직하다.

상, 하부의 스위칭 소자가 모두 턴오프되는 데드타임은 영전압 조건을 만족하는 범위안에서 최소가 되는 것이 바람직하다. 데드타임은 전력변환이 이루어지지 않는 시간으로 부하의 성능에 영향을 줄 수 있으며, 또한 데드타임 동안 스위칭 소자의 양단전압이 영전압이 되는 것은 공진에 의한 것이므로, 데드타임이 너무 길면 영전압스위칭 조건을 만족하더라도 스위칭 소자의 양단전압이 다시 상승하게 된다. 따라서 데드타임은 영전압이 이루어지는 최소시간으로 설정되어야 하며, 이는 스위칭 주기의 수%를 넘지 않는다.

도 7은 도 3의 본 발명에 의한 영전압스위칭 방식의 하프브리지 인버터 회로의 실시예를 도시한 것이다. 교류 입력전압이 브리지 정류회로(20)를 통해 직류전압으로 정류되고, 스위칭 제어기(40)는 고주파 게이트 신호를 발생시켜, 게이트 구동회로를 통해 하프브리지 회로(10)의 스위칭 소자에 공급된다. 이때 스위칭 주파수는 부하의 공진주기와 휘도 및 발광효율 등의 부하성능에 따라 조정될 수 있으며, 하프브리지 회로의 트랜스포머(T2)는 코어사이의 갭을 이용해서 상기 영전압스위칭 조건에 맞는 자화 인덕턴스를 가진다. 따라서 트랜스포머 2차측의 부하전류에 관계없이 영전압스위칭이 가능하고, 저발열, 고효율의 전력변환이 가능하다.

본 발명은 하프브리지 방식을 사용하는 고전압 인버터에서 트랜스포머의 갭을 추가하여 자화 인덕턴스를 줄이는 방법으로 영전압스위칭 조건을 만족시킴으로써, 스위칭 소자의 손실을 줄여 전력소자의 발열 감소시키고, 스위칭시 발생하는 고주파 노이즈를 감소시키는 효과가 있다.

Claims

외부전극 형광램프, 면광원 또는 플라즈마 패널 등의 용량성 부하에 사용하는 고전압 인버터의 전력변환 방식에 있어서,

직류 또는 직류로 정류된 입력전원 양단에 연결되는 상부 스위칭 소자(Q1)와 상부 콘덴서(C1); 상부 스위칭 소자에 연결되는 하부 스위칭 소자(Q2); 상부 콘덴서에 연결되는 하부 콘덴서(C2); 상, 하부 스위칭 소자의 연결점과 상, 하부 콘덴서 연결점 사이에 연결되는 고전압 트랜스포머(T2)로 구성되며,

트랜스포머의 코어사이에 갭을 추가하는 방식으로 자화 인덕턴스를 감소시키고, 증가된 자화전류를 스위칭 소자의 바디 다이오드 및 병렬 다이오드(D1,D2)를 통해 흐르게 함으로써, 상부 또는 하부의 스위칭 소자 양단의 전압이 영전압에 이르게 한 다음, 역전압을 인가하는 방식으로 동작하는 것을 특징으로 하는 하프브리지 인버터 회로 및 전력변환 방법.