KR20090018846A - 램프 구동 회로, 램프 동작 방법 및 램프 점등 방법 - Google Patents

램프 구동 회로, 램프 동작 방법 및 램프 점등 방법 Download PDF

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엔그버트 니조프
마르셀 제이. 엠. 벅스
조제프 피. 이. 크리저
콩 케이. 팜
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

고강도 방전 램프를 동작시키기 위한 램프 구동 회로에 있어서, 전류(commutating) 회로는 적어도 두 개의 스위칭 소자를 포함한다. 스위칭 소자들은 전류(commutating) 주파수로 번갈아 스위칭되어 활성 상태가 된다. 활성 스위칭 소자는 스위칭 주파수로 스위칭된다. 점등 모드 동안에, 스위칭 주파수 및 전류(commutating) 주파수는 실질적으로 동일하다. 최종 전류(commutating) 전압은 공급 전류(current)를 발생시키기 위하여 인버터 공진 회로에 공급된다. 인버터 공진 회로의 노드에서, 클램핑 회로는 발생된 전압을 규정된 최대 전압으로 제한한다. 인버터 공진 회로의 상기 노드에서의 전압은 출력 공진 회로에 인가된다. 출력 공진 회로는 높은 점등 전압을 발생시키기 위하여 점등 모드에서 공진기로서 동작하며, 스테디 스테이트 동작 모드에서는 출력 공진 회로가 램프 전류(current)에서의 고주파수 전류(current) 성분을 감쇠시키기 위한 로우 패스 필터로서 동작한다.
고강도 방전 램프, 로우 패스 필터, 인버터 공진 회로, 클램핑 회로

Description

램프 구동 회로, 램프 동작 방법 및 램프 점등 방법{LAMP DRIVING CIRCUIT}
본 발명은 램프 구동 회로, 특히 순방향 전류 램프 구동 회로(commutating forward lamp driving circuit)에 관한 것이다.
순방향 전류 램프 구동 회로는 고강도 방전(HID; high intensity discharge) 램프를 동작시키는데 유리하게 사용된다. 순방향 전류 램프 구동 회로에서는, 다운 컨버터(포워드 컨버터)와 전류(commutating) 회로(인버터)가 결합되어 있다. 이러한 상기 램프 구동 회로는 하프 브리지 순방향 전류(HBCF; half-bridge commutating forward) 토폴로지 또는 풀 브리지 순방향 전류(FBCF; full-bridge commutating forward) 토폴로지로 구체화될 수 있다.
램프 구동 회로는, 적절한 램프 전류(current)를 제공함으로써 방전 램프를 스테디 스테이트(steady state)로 구동시키는 것 이외에, 방전 램프가 점등되도록 구성되어야 하기 때문에 높은 전압을 필요로 한다. 특히, 메탈 핼라이드 방전 램프는 예컨대, 전극 조건으로 인하여 점등 후에 꺼질 수가 있다. 따라서, 램프 구동 회로는 종래 기술로부터 공지된 바와 같은 펄스 이그나이터(pulse igniter)를 사용할 때와 마찬가지로 별도의 제어 없이 꺼진 램프의 빠른 재점등을 위해 구성된다.
미국 특허 문헌 6 380 694에는 HID 램프 구동 회로가 개시된다. 상기 램프 구동 회로는 고주파 공진 모드의 인덕터/정전 용량 필터 및 두 개의 스위칭 소자를 이용하여 상기 램프를 점등시킨다. 상기 고주파 공진 모드는 백열(glowing) 조건에서 아크(arcing) 조건으로 원활한 천이(smooth transition)가 제공되도록 규정된 소정 시간 동안 계속된다. 다른 인덕턴스/정전 용량 필터는 스테디 스테이트 동작 동안에 램프 전류(current)에서의 고주파 리플을 감소시키기 위해 고주파 리플 감소 필터로서 동작한다. 상기 스테디 스테이트 동작에서, 제1 스위칭 소자 세트는 제1 고주파에서 번갈아 제어되며, 제2 스위치 세트는 제2 저주파에서 번갈아 제어된다.
꺼진 HID 램프가 쉽게 (재)점등될 수 있는, 포워드 전류(commutating) 램프 구동 회로 및 HID 램프를 동작시키는 대응 방법을 가지는 것이 바람직하다.
일 양태에서, 본 발명은 청구항 제1항에 따른 램프 구동 회로를 제공한다.
본 발명에 따른 램프 구동 회로는 공진 점등을 사용한다. 인버터 회로는 출력 공진 회로에 공급되는 적절한 공급 전류(current)를 발생시킨다. 출력 공진 회로는 램프가 꺼질 때, 즉 출력 단자들 사이에 램프에 의해 제공되는 상당한 전기적 부하가 존재하지 않을 때에 공진 회로로서 작동한다. 공진으로 인하여, 고전압이 출력 단자들에 걸쳐 발생되어, 적절한 점등 전압을 제공한다.
점등 후에, 출력 공진 회로 또는 적어도 상기 출력 공진 회로의 유도부(inductive part)는 로우 패스 필터(low-pass filter) 회로로서 동작하여, (높은) 스위칭 주파수 리플을 감소시켜 전류(commutating) 주파수에서 교번하는 바람직한 램프 전류(current)를 발생시키는데, 상기 전류(commutating) 주파수는 저주파 구형파 또는 임의의 다른 적절한 형상일 수 있다.
램프가, 예컨대 점등 후에 시작 단계(take-over phase) 및/또는 실행 단계(run-up phase) (즉, 점등 이후의 단계) 동안에 꺼진다면, 출력 공진 회로는 스테디 스테이트 동작 모드가 아직 시작되지 않은 경우에는 자동적으로 공진 점등 전압을 발생시킨다. 램프가 하이 임피던스로 될 때에 제2 공진 필터의 특성이 기본적으로 인덕턴스/정전 용량 필터로 전달되기 때문에, 램프가 램프 전류(current)의 전류(commutating) 동안, 예컨대, 저주파 구형파 동작 동안에 꺼진다면, 앞서 설명한 바와 같은 효과가 얻어진다.
출력 공진 회로로 하여금 상기 설명된 바와 같이 동작하도록 하기 위해서, 인버터 회로는 적절한 공급 전류(current)를 공급한다. 따라서, 인버터 회로는 적어도 두 개의 스위칭 소자를 포함하는 전류(commutating) 회로를 이용한다. 스위칭 소자는 전류(commutating) 주파수로 번갈아 스위칭되어 활성화된다. 스위칭되어 활성화될 때의 각각의 스위칭 소자는 스위칭 주파수에서 스위칭한다. 스테디 스테이트 동작에서, 스위칭 주파수는 전류(commutating) 주파수보다 높다. 활성화 스위칭 소자가 꺼지는 경우, 비활성 스위칭 소자는 아래에 설명되는 바와 같이 소위 듀얼 MOSFET 모드에서 비활성 스위칭 소자를 도통 상태로 스위칭하거나 내부 바디(body) 다이오드를 이용함으로써 프리 휠(freewheel) 전류(current)를 가져와(carry), 정류기(rectifier)로 이용될 수 있다. 프리 휠 전류(current) 주파수는 활성 스위치의 스위칭 주파수와 동일하다. 최종 전류(commutating) 전압은 인버터 공진 회로에 공급된다.
활성 스위칭 소자가 도통 상태로 스위칭되자 마자, 인버터 공진 회로의 특성으로 인하여 인버터 공진 회로에서의 전류(current)는 점진적으로 증가한다. 이후, 활성 스위칭 소자는 다시 비도통 상태로 스위칭된다. 결과적으로, 프리 휠 전류(current)는 인버터 공진 회로에서 발생되어, 다른 비활성 스위칭 소자를 통하여 흐른다. 프리 휠 전류(current)는 인버터 공진 회로의 특성으로 인하여 점진적으로 감소한다. 소정 시간 후에, 활성 스위칭 소자는 다시 도통 상태로 스위칭되어, 전류(current)가 증대된다. 그래서, 실질적으로 삼각 형상의 교류가 스위칭 소자의 스위칭 주파수에서 발생된다.
전류(commutating) 주파수에서, 스위칭 소자들이 상기 설명된 바와 같이 번갈아 스위칭되어 활성화된다. 그래서, 교류의 방향은 전류(commutating) 주파수에서 전류(commutating)된다. 출력 공진 회로가 스위칭 주파수 전류(current) 성분을 감소시킴에 따라, 전류(commutating) 주파수에서의 실질적으로 직사각형 전류(current)가 출력 단자들에 공급된다. 당업자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이 전류(commutating) 회로의 스위칭 소자의 적절한 제어법에 의해 직사각형 램프 전류(current) 파형으로부터 편차를 발생시켜, 이러한 편차를 이용할 수 있다.
점등 모드에서, 전류(commutating) 주파수는 스위칭 주파수와 동일하도록 선택된다. 따라서, 이제 부터, 점등 모드 동안의 주파수를 점등 주파수라 할 수 있다. HID 램프를 점등할 때, 클램핑 회로가 인버터 공진 회로의 노드에서의 전압을 클램핑하여 상기 노드에서의 전압을 제한 및 안정화시키도록 제1 점등 주파수가 선택될 수 있다. 그래서, 번갈아 도통 상태로 스위칭됨에 따라 스위칭 소자들은 인버터 공진 회로에 비교적 높은 교번 전압이 공급되도록 제공된다. 적절히 선택된 제1 점등 주파수로부터 시작하여 출력 공진 회로의 공진 주파수로 램프 업(또는 램프 다운)한다면, 출력 단자들에서 높은 점등 전압이 된다. HID 램프가 점등될 때, 램프 양단의 전압은 높은 전압으로부터 비교적 낮은 전압으로 감소한다. 낮은 램프 전압이 검출될 때에, 스위칭 소자들은 상기 설명된 바와 같이 스테디 스테이트 동작 모드에 따라 제어될 수 있다. 점등 검출을 하는 상기 방법은 당업자에게 공지된 바와 같이 램프 브레이크스루(breakthrough)를 검출하는 많은 가능한 실시형태 중의 오직 하나이다.
램프가 예기치 않게 꺼질 때, 램프 전류(current)는 실질적으로 "0"으로 감소한다. 작은 램프 전류(current)가 검출된다면, 스위칭 소자들은 램프가 재-점등될 때까지 점등 모드에 따라 제어될 수 있다.
본 발명에 따른 램프 구동 회로의 이점은 비교적 큰 3차 고조파 신호 컨텐트를 가지는 점등 동안의 교번 전압의 실질적으로 직사각 형상이 발견된다는 점이다. 특히, 큰 3차 고조파 신호는 아래에 설명되는 바와 같이 HID 램프를 점등시키기 위한 점등 모드 동안에 이용되는 것이 유리하다.
일 실시형태에서, 적어도 두 개의 스위칭 소자들은 당업자에게 공지된 바와 같은 듀얼 MOSFET 모드에서 동작되는 MOSFET들이다. 듀얼 MOSFET 모드에서, 활성 스위칭 소자가 비도통 상태로 스위칭될 때, 비활성 스위칭 소자는 활성 제어된다. 따라서, 이제부터, 활성 스위칭 소자를 마스터 스위칭 소자라 할 수 있으며, 비활성 스위칭 소자를 슬레이브 스위칭 소자라 할 수 있다. 그러나, 본 발명의 상세한 설명 및 첨부된 특허 청구범위에서, 비활성 스위칭 소자에 대하여 언급하는 것은 듀얼 MOSFET 모드에서 슬레이브로 동작하는 활성 제어된 스위칭 소자에 대하여 언급하는 것을 포함한다는 것에 유의해야 한다.
상기 설명된 바와 같이, 프리 휠 전류(current)는 슬레이브 스위칭 소자(MOSFET)의 바디 다이오드를 통하여 흐를 수 있다. 듀얼 MOSFET 모드에서, 슬레이브 MOSFET의 바디 다이오드를 통한 프리 휠 전류(current)는 슬레이브 MOSFET을 도통 상태로 스위칭함으로써 슬레이브 MOSFET의 활성 도통 경로(conduction path)에 의해 점진적으로 퍼진다(taken over). 인버터 공진 회로를 통하여 흐르는 전류(current)가 "0"에 도달하자 마자, 슬레이브 MOSFET는 다시 비도통 상태로 스위칭된다. 듀얼 MOSFET 동작에 있어서, 회로는 0을 통한 전류를 통해 (작은) 슛을 발생시키도록 구성된다(the circuit is configured to generate a (small) shoot through of the current through zero). 결과적으로, 전류(commutating) 전압은 마스터 스위칭 소자의 "0" 전압 스위칭을 달성하기 위해서 제1 레일 전압으로부터 반대 레일 전압(opposite rail voltage)으로의 스윙(swing)을 가진다. 또한, 결과적으로, 슬레이브의 바디 다이오드는 여분의 전하 캐리어가 제거(cleared)되어, 바디 다이오드의 유익한 반전 모드가 가능하게 된다. 그 후에, 마스터 MOSFET은 다시 도통 상태로 스위칭된다. 그래서, 슬레이브 MOSFET의 바디 다이오드는 MOSFET 스위칭 소자에서 여분의 전하 캐리어를 제거하는 것(역 회복(reverse recovery)이라고도 알려짐)과 관련된 공지된 양태인, 고전압 및 고전류(high-current)로 인한 손상과 높은 손실로부터 보호된다.
일 실시형태에서는, 메탈 핼라이드 램프와 같은 HID 램프를 동작시키는데 유리한 것으로 밝혀진 빠른 전류(commutating)를 가능하게 하기 위해서, 인버터 공진 회로의 정전 용량은 작도록 선택된다. 인버터 공진 회로의 정전 용량은 버퍼 탱크(buffer tank)로 동작한다. 작은 버퍼로 비교적 빠르게 전류(commutating)가 실행될 수 있다.
인버터 공진 회로에서의 작은 커패시터로, 특히 예컨대 점등 동안의 인버터 인덕터의 높은 전류(current) 값에서의 동작 모드로, 인버터 공진 회로의 노드에서의 전압은 레일 전압을 초과할 수 있으며, 이는 전류 반전(current reversal)으로 이어질 수 있다. 클램핑 회로는 상기 노드에서의 전압을 레일 전압으로 제한함으로써, 인버터 인덕터에서의 전류(current)의 반전을 방지할 수 있다. 이는, 인버터 인덕터를 통한 전류(current)가 상기 언급된 반전 방향에 있을 때에 스위칭 소자를 스위칭시키는 것은 스위칭 소자의 스위칭을 확실히 할 수 있기 때문에 이롭다.
일 실시형태에서, 본 발명은 청구항 제16항에 따른 램프 구동 회로를 더 제공한다. 램프 구동 회로의 실시형태는 램프 구동 회로와 램프의 결합(coupling)을 위하여 비교적 긴 케이블 배선(wire)이 사용되는 응용 분야에 특히 적합하다.
일 양태에서, 본 발명은 청구항 제17항에 따른 방법 및 청구항 제18항에 따른 방법을 더 제공한다.
이하에서는, 비제한적 실시형태를 나타내는 첨부된 도면을 참조로 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 램프 구동 회로의 일 실시형태의 회로도를 나타내는 도면.
도 2는 스테디 스테이트 동작 모드 동안의 도 1에 따른 램프 구동 회로에서의 인버터 전류(current)의 타이밍 도를 나타내는 도면.
도 3a는 점등 모드 동안의 시작 주파수에서의 도 1에 따른 램프 구동 회로의 제1 전압과 제2 전압의 타이밍 도를 나타내는 도면.
도 3b는 점등 모드 동안의 시작 주파수에서의 도 1에 따른 램프 구동 회로의 제1 전류(current)와 제2 전류(current)의 타이밍 도를 나타내는 도면.
도 4a는 점등 모드 동안의 공진 주파수에서의 도 1에 따른 램프 구동 회로의 제1 전압과 제2 전압의 타이밍 도를 나타내는 도면.
도 4b는 점등 모드 동안의 공진 주파수에서의 도 1에 따른 램프 구동 회로의 제1 전류(current)와 제2 전류(current)의 타이밍 도를 나타내는 도면.
도 5는 램프 구동 회로를 제어하기 위한 감지 회로도를 포함하는 도 1에 따른 실시형태의 회로도를 나타내는 도면.
도 6은 본 발명에 따른 램프 구동 회로의 다른 실시형태의 회로도를 나타내는 도면.
도면에서 동일 도면 부호는 동일 구성요소를 가르킨다. 도 1은 본 발명에 따른 램프 구동 회로(10)의 실시형태를 나타낸다. 램프 구동 회로(10)는 인버터 회로(20) 및 출력 회로(30)를 포함한다. 인버터 회로(20)는 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)를 포함한다. 각각의 스위칭 소자(Q1, Q2)는 바디 다이오드를 가지는 MOSFET이다. 스위칭 소자(Q1, Q2)는 각각의 스위칭 소자(Q1, Q2)의 게이트(GQ1, GQ2)에 연결된 제어 회로(미도시)에 의해 제어된다. 스위칭 소자(Q1, Q2)는 전류(commutating) 회로를 형성한다. 인버터 회로(20)는 커패시터(C1A, C1B)에 의해 형성된 인버터 커패시터(C1)와 인버터 인덕턴스(L1)를 포함하는 인버터 공진 회로를 더 포함한다. 인버터 공진 회로는 전류(commutating) 회로의 노드(P1)에 연결된다. 제1 클램핑 다이오드(D1)와 제2 클램핑 다이오드(D2)를 포함하는 클램핑 회로는 인버터 공진 회로의 노드(P3)에 연결된다.
출력 회로(30)는 출력 커패시터(C2A, C2B, C2C)를 포함하는 출력 커패시터(C2) 및 출력 인덕턴스(L2)를 포함하는 출력 공진 회로를 포함하며, 상기 출력 커패시터(C2C)는 램프 정전용량 및 기생 정전용량에 의해 형성된다. 출력 인덕턴스(L2)는 두 개의 개별 인덕터(L2A, L2B)에 의해 구현되는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 출력 인덕턴스는 하나의 인덕터로 구현될 수도 있다. 따라서, 이제부터, 출력 인덕터에 대하여 도면부호 "L2"를 부여하며, 이러한 출력 인덕터(L2)는 인덕터(L2A 및 L2B) 둘 다를 가르킨다. 출력 정전용량(C2)에도 이와 마찬가지로 적용된다. 출력 회로(30)는 두 개의 출력 단자(O1, O2)를 더 포함한다. HID 램프(L) 는 상기 출력 단자(O1, O2) 사이에 연결된다. 제2 출력 단자(O2)는 분압기 커패시터(C3A, C3B)를 포함하는 용량성 분압기의 노드(P5)에 연결된다.
공급 전압(Vs)은 램프 구동 회로(10)의 적절한 단자에 제공된다. 램프 구동 회로(10)의 다른 단자는 접지된다. 그래서, 공급 전압(Vs)은 램프 구동 회로(10)의 입력 단자에 걸쳐 인가된다.
도 2 ~ 도 4b를 참조로 하여 도 1에 따른 램프 구동 회로(10)의 동작을 설명한다.
스테디 스테이트 동작
도 2는 스테디 스테이트 동작 동안에 인버터 인덕터(L1)를 통하여 흐르는 인버터 인덕터 전류(current)의 타이밍 도식을 나타낸다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 인버터 인덕터 전류(current)는 인버터 회로(20)에 의해 발생된 공급 전류(current)를 나타낸다. 시간(t0)에서, 제어회로는 마스터 스위칭 소자(Q1)가 도통 상태로 스위칭되도록 제어한다. 그 결과, 전류(current)는 인버터 인덕터(L1)를 통하여 전개(develop)되기 시작한다. 전류(current)는 레벨(IA,max)로 증가한다. 시간(t1)에서, 마스터 스위칭 소자(Q1)는 비도통 상태로 스위칭된다. 인버터 인덕터(L1)가 전개된 전류(current)를 유지하고자 함으로써, 프리 휠 전류(current)가 슬레이브 스위칭 소자(Q2)의 바디 다이오드를 통하여 흐르게 된다.
이후, 스위칭 소자(Q2)는 듀얼 MOSFET 동작 모드에서, 도통 상태로 스위칭되어, 프리 휠 전류(current)가 MOSFET를 통하여 흐르게 되며, 스위칭 소자(Q2)의 바 디 다이오드를 통하는 프리 휠 전류(current)가 감소한다. 프리 휠 전류(current)는 점진적으로 줄어들어 "0"에 이르며, 이후, 방향이 반대가 된다. 슬레이브 스위칭 소자(Q2)는 비도통 상태로 스위칭되며, 반전된 프리 휠 전류(current)는 노드(P1)에서의 전압의 반대 레일 전압으로의 공진 스윙(swing)을 발생시킨다. 그래서, 듀얼 MOSFET 모드에서, 비교적 큰 포워드 손실 및 비교적 해로운 턴-오프(turn-off) 손실과 같은 상기 바디 다이오드를 사용한 단점은 회피된다.
시간(t2)에서, 상기 전류(current)가 레벨(IA,min)에 있을 때, 마스터 스위칭 소자(Q1)는 다시 도통 상태로 스위칭된다. 그래서, 제1 전류(commutating) 간격(A)에서, 인버터 인덕터 전류(current)는 마스터 스위칭 소자(Q1)의 스위칭 주파수와 같은 주파수에서 최소 레벨(IA,min)과 최대 레벨(IA,max) 사이에서 교번한다. 마스터 스위칭 소자(Q1)의 스위칭은 시간(t3)까지 반복된다.
시간(t3)에서, 제2 스위칭 소자(Q2)는 마스터가 되며, 제1 스위칭 소자는 슬레이브가 된다. 그래서, 시간(t3)에서, 전류(current)는 전류(commutating)되며, 제2 전류(commutating) 간격(B)이 시작된다. 전류(commutating) 간격(B) 동안에, 인버터 인덕터 전류(current)는 최소 레벨(IB,min)과 최대 레벨(IB,max) 사이에서 교번한다. 아크 HID 램프의 임피던스와 조합한 출력 인덕턴스(L2)에 의한 로우 패스 필터링과 인버터 정전 용량(C1A, C1B)의 버퍼링(buffering)으로 인하여, 인버터 인덕터 전류(current)에서의 스위칭 주파수 신호는 감소되어, 레벨(IA,max)과 레 벨(IB,max) 사이에서 교번하는 실질적으로 직사각형상의 전류(current)가 출력 단자(O1, O2)에 공급되는 램프 전류(current)가 되며, 램프(L)는 상기 출력 단자들 사이에서 연결된다. 저주파 교번, 예컨대 직사각형상의 전류(current)의 주파수는 제1 및 제2 스위칭 소자(Q1, Q2)를 마스터 및 슬레이브로 스위칭시키는데 사용되는 주파수와 동일하다. 이러한 주파수를 전류(commutating) 주파수라 한다.
점등 모드
도 3a는 도 1에 따른 램프 구동 회로(10)의 점등 모드 동안의 노드(P1)에서의 전류(commutating) 전압(점선)과, 인버터 공진 회로의 노드(P3)에서의 인버터 전압(실선)의 타이밍 도식을 나타낸다. 도 3b는 도 1에 따른 램프 구동 회로(10)의 점등 모드 동안의 인버터 인덕터(L1)를 통하여 흐르는 인버터 인덕터 전류(current)(실선)와, 출력 인덕턴스(L2)를 통하여 흐르는 출력 인덕터 전류(current)(점선)의 타이밍 도식을 나타낸다.
도 1 및 도 3a를 참조로 하면, 점등 모드에서, 전류(commutating) 주파수와 스위칭 주파수는 동일하기에, 이제부터 점등 주파수라 한다. 그래서, 스위칭 소자(Q1, Q2)는 번갈아 도통 상태로 스위칭된다. 결과적으로, 양(positive)전압 단자의 전압(Vs, 즉 제1 레일 전압)과 음(negative) 단자의 전압(접지, 즉 제2 레일 전압) 사이에서 교번하는 직사각형상 전압이 노드(P1)에서 존재한다. 시간(t0)에서, 노드(P1)에서의 전류(commutating) 전압은 "0"이며, 시간(t1)에서 상기 전류(commutating) 전압은 공급 전압 레벨(Vs)로 증가된다. 시간(t2)에서 전 류(commutating) 전압은 다시 "0"으로 줄어든다.
도 1, 도 3a 및 도 3b를 참조로 하면, 인버터 인덕터 전류(current)는 시간(t1)에서의 전류(commutating) 전압의 증가에 따라 점전적으로 증가한다. 인버터 인덕터 전류(current)는 시간(t11)에서 양이 되며, 노드(P3)에서의 인버터 전압은 증가하기 시작한다. 인버터 전압은 증가하는 경향을 보이며, 제1 스위칭 소자(Q1)는 시간 간격[t1, t2]에서 도통 상태로 스위칭된다. 그러나, 인버터 전압이 공급 전압(Vs) 보다 높게되자 마자 제1 다이오드(D1)가 도통되기 시작하기 때문에, 시간(t12)에서 인버터 전압은 제1 다이오드(D1)에 의해 소정의 최대 전압 레벨로 제한되어, 실질적으로 공급 전압 레벨이 되게 된다. 그래서, 클램핑 회로의 제1 다이오드(D1)는 인버터 전압을 안정시킨다.
시간(t2)에서, 노드(P1)에서의 전류(commutating) 전압은 "0"으로 감소하며, 그 결과, 인버터 인덕터 전류(current)는 점진적으로 감소하기 시작한다. 시간(t21)에서, 전류(current)는 "0"에 도달하며, 인버터 전압은 점진적으로 감소하기 시작한다. 시간(t22)에서, 인버터 전압은 "0"이 된다. 시간(t3)에서, 제1 스위칭 소자(Q1)는 다시 도통 상태로 스위칭되어 이러한 순서(sequence)가 반복된다.
도 3b의 출력 인덕터 전류(current)(점선)로부터 알 수 있는 바와 같이, 비교적 낮은 점등 주파수로 점등 모드가 시작될 때, 작은 전류(current)만이 출력 인덕턴스(L2)를 통하여 흐른다. 그러나, 비교적 낮은 시작 점등 주파수는, 출력 인 덕턴스(L2)와 출력 정전 용량(C2)을 포함하는 출력 공진 회로의 공진 주파수 미만에서 선택된다. 출력 공진 회로를 공진 상태로 하기 위해서는, 점등 주파수가 램프 업(ramp up)되고, 램프 전압, 즉 출력 단자(O1 및 O2)에 걸친 전압이 감지된다. 점등 주파수는 램프 전압이 HID 램프를 점등시키는데 적합한 소정의 전압 레벨에 도달할 때까지 증가된다. 이후, 소정의 공진 주파수와 동일하게 된 점등 주파수가, 램프가 꺼지고(break down) 점등될 때까지 유지된다. 도 4a에는 공진 주파수에서의 인버터 전압(실선)과 전류(commutating) 전압(점선)이 도시되어 있다. 도 4b에는 공진 주파수에서의 출력 인덕터 전류(current)(점선)와 인버터 인덕터 전류(current)(실선)가 도시되어 있다.
도 5는 도 1에 따른 램프 구동 회로(10)을 다시 도시한다. 도 5에서는, 동작 중의 다수의 전압 및 전류(current)를 감지하는데 사용되는 다수의 컴포넌트가 추가된다. 감지된 전압 및 전류(current)는 램프 구동 회로(10)의 동작을 제어하기 위한 제어 회로에 공급된다.
제1 감지 회로는 커패시터(C4)와 병렬로 연결된 저항(RP1)을 포함한다. 제1 감지 회로는 제2 스위칭 소자(Q2)와 직렬로 연결된다. 제1 감지 회로는 램프 전류(representative of lamp current)를 나타내는 발생된 전류(current)(Imeasure)를 결정하는데 이용된다. 램프가 점등된 후, 평균 전류(current)가 소정의 임계값 아래인 것으로 감지되면, 램프가 꺼진 것으로 판단한다. 이에 응답하여, 제어 회로는 점등 모드로 스위칭될 수 있다.
제2 감지 회로는 코일 당 소수의 권선을 가지는 변압기(T1)를 포함한다. 제1 코일은 인버터 인덕터(L1)와 직렬로 연결된다. 제2 코일의 각각의 단자는 각각 다이오드(D03, D04)와, 저항(R09, R10)의 병렬 연결을 통하여 음 공급 단자(negative supply terminal)에 연결된다. 비교적 큰 인버터 인덕터 전류(current)로, 변압기(T1)는 포화되어 적절한 감지 신호를 제공하지 못한다. 그러나, 전류(current)가 거의 "0"이 되는 경우, 변압기(T1)는 포화되지 않아 신호를 공급한다. 그래서, 변압기(T1)는 인버터 인덕터 전류(Izero(N)/Izero(P))의 "0" 전류(current)를 감지하는데 이용되며, 이 "0" 전류는 스위칭 소자를 토통 상태로 스위칭시키는데 사용될 수 있다.
제3 감지 회로는 인버터 공진 회로의 노드(P3)와 음 공급 전압 단자 사이에 연결된 저항(RP2)와 저항(RP3)의 저항성 분압기를 포함한다. 그래서, 노드(P3)에서의 인버터 전압(VP3)이 감지된다.
제4 감지 회로는 노드(P5) (즉, 출력 단자(O2))와 음 공급 전압 단자 사이에 연결된 저항(RP6)와 저항(RP7)의 저항성 분압기를 포함한다. 그래서, 노드(P5)에서의 전압(VP5)이 감지된다.
제5 감지 회로는 저항(RP4), 다이오드(D5) 및 커패시터(C5)의 병렬 회로를 포함한다. 병렬 회로는 점등 전압(Vignite)을 감지하기 위하여 커패시터(C2A 및 C2B)에 직렬로 연결된다. 감지된 점등 전압이 점등 모드 동안에 상당히 강하할 때, 램프 L가 꺼지고 켜지는 것이 결정된다. 이에 응답하여, 제어 회로는 곧 또는 소정 의 시간 후에 스테디 스테이트 동작 모드로 스위칭될 수 있다.
감지 회로는 상기 설명된 것과 도 5에 도시된 것과 상이하게 실시될 수 있음을 유의해야 한다. 또한, 램프 구동 회로(10)의 동작의 상기 설명은 적절한 임피던스, 정전 용량, 인덕턴스, 저항 등을 가지는 컴포넌트들을 선택하기 위하여, 당업자에게 충분한 정보를 제공하는 것으로 고려된다. 적절한 전류(commutating) 주파수는 400 Hz정도일 수 있으며, 적절한 스위칭 주파수는 100 kHz 정도일 수 있으며, 적절한 시작 점등 주파수는 29 kHz 정도일 수 있으며, 적절한 공진 점등 주파수는 75 kHz 정도일 수 있다.
점등 동안의 실제 스위칭 주파수, 즉 점등 주파수는, 출력 공진 회로에 공급된 전압이 충분한 고조파 컨텐트(content), 예컨대 제3 고조파 신호 컨텐트를 가진다면, 제3 공진 주파수와 같은 공진 주파수의 일부일 수 있음을 유의해야 한다(It is noted that the actual switching frequency during ignition, i.e. the ignition frequency, may be a fraction, such as a third, of the resonance frequency, provided that the voltage supplied to the output resonant circuit has a sufficient harmonic content, e.g. third harmonic signal content). 상기 언급된 바와 같이, 본 발명에 따른 램프 구동 회로는 이와 같은 충분한 제3 고조파 신호 컨텐트를 제공할 수 있다. 따라서, 점등 모드 동안의 실제 주파수 스윕(sweep)은 40 kHz ~ 20 kHz 일 수 있으며, 공진 주파수는 120 kHz ~ 60 kHz의 범위에 있을 수 있다. 실제 스위칭 주파수가 제3 공진 주파수와 동일한 주파수에 근접할 때, 출력 공진 회로는 제3 고조파 신호 컨텐트로 인하여 공진하기 시작할 수 있고, 이에 의해 적절한 점등 전압이 발생된다.
도 6은 본 발명에 따른 램프 구동 회로(40)의 다른 실시형태를 나타낸다. 도 6의 실시형태는 램프 구동 회로(40)가 램프(L)로부터 비교적 먼 거리에 배치되어, 램프 구동 회로(40)와 램프(L) 사이에 제공된 비교적 긴 케이블 배선을 가지는 응용분야의 용도에 특히 적합하다. 상기 응용분야는 예컨대 가로등(lamp post)일 수 있다.
도 6의 실시형태에서는, 두 개의 인덕터(L3, L4)가 출력 공진 회로에 포함된다(도 1과 도 5의 실시형태에서의 출력 인덕턴스(L2)와 비교). 제3 인덕터(L3)와 제4 인덕터(L4)는 분리된다. 제3 인덕터(L3)는 제1 출력 단자(O1)와 연결되며, 제4 인덕터(L4)는 제2 출력 단자(O2)와 연결된다. 커패시터(C2a, C2b, C2c)를 포함하는 출력 정전 용량(C2)은 출력 단자(O1 및 O2)와 병렬로 연결되어, 램프(L)와 연결된다. 캐패시터(C2c)는 예컨대, 램프 구동 회로(40)로부터 램프(L)로의 케이블에 존재하는 정전 용량과 같은, 회로 내의 기생 정전 용량 및 램프 정전 용량을 나타낸다. 그래서, 램프(L)에 대한 케이블 배선이 증가되는, 예컨대 가로등에서와 같은 실시형태에서는, 램프(L)가 짧은 배선을 통하여 연결되는 실시형태에 비하여 커패시터(C2c)의 정전 용량이 증가된다. 그러나, 이는 본 발명에 따른 램프 구동 회로(40)의 정상 작동에 거의 영향을 미치지 않는다.
긴 배선은 배선들과 접지 사이에 존재하는 다른 기생 정전 용량(CGR,1, CGR,2)을 도입할 수 있다. 기생 커패시터(CGR,1, CGR,2)는 각각 제1 출력 단자(O1)와 접지 및 제2 출력 단자(O2)와 접지 사이에 존재하는 것으로 도시되어 있다. 기생 커패시터(CGR,1, CGR,2)는 점등 모드 동안의 램프 구동 회로(40)의 동작에 영향을 미칠 수 있다. (교번하는) 고전압이 출력 단자들 중의 하나, 예컨대 출력 단자(O1)에서 발생된다면, 전류(current)는 출력 단자(O1)로부터 커패시터(CGR,1)를 통하여 접지로 흐른다. 고전압으로 인하여, 이러한 전류(current)는 미지의 접지(earth) 임피던스 및 전원 요인 보정 회로((power factor correction circuit) 인덕턴스)의 공통 모드 필터를 통하여 램프 구동 회로(40)로 복귀할 수 있는 높은 전류(current)일 수 있다. 상기 공진 회로에서, 램프 구동 회로(40)로 복귀하는 전류(current)는 적절히 제어된 점등 전압이 램프(L)에 인가되지 않기 때문에 본래의 공진 점등 회로를 상당히 감쇠시키거나 교란(disturb)시킬 수 있다.
다시 도 6을 참조하면, 점등 모드에서, 교번하는 고전압은 HID 램프(L)를 점등시키기 위하여 출력 단자(O1)와 출력 단자(O2) 사이에서 발생된다. 두 개의 실질적으로 유사한 인덕터(L3 및 L4)를 사용하면, 도시된 바와 같이 바람직하게는 자기 결합된(magnetically coupled) 실질적으로 동일한 교번하는 고전압이 각각의 출력 단자(O1, O2)에서 발생된다. 또한, 상기 회로는 출력 단자(O1)에서의 교번 전압이 출력 단자(O2)에서의 교번 전압에 비해 반대 극성(opposite polarity) (180°상 이동됨)을 가지도록 구성된다. 그래서, 출력 단자(O1)과 출력 단자(O2) 사이의 전압은 각각의 개별 출력 단자(O1, O2)에서의 교번 전압의 2배만큼 높다.
또한, 점등 모드 동안에, 출력 단자(O1, O2)에서의 교번 고전압으로 인하여, 기생 전류(current)는 출력 단자(O1)로부터 접지로 흐르고, 기생 전류(current)는 접지로부터 출력 단자(O2)로 흐른다. 출력 단자(O1, O2)에서의 전압이 실질적으로 동일하기 때문에, 반대 극성을 가지는, 제1 출력 단자(O1)로부터 접지로 흐르는 전류(current)만이 접지를 통하여 제2 출력 단자(O2)로 흐를 수 있다. 그래서, 상기 설명된 바와 같이, 접지로 흐르는 전류(current)는 램프 구동 회로(40)로 복귀하지 않으며, 따라서, 점등 전압이 감쇠되거나 교란되는 것을 방지할 수 있으며, 램프 구동 회로의 일부가 복귀 전류(current)에 의해 교란되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 그 중에서도 특히, HID 램프에서의 고정부(fixture) 및 주위 접지(접지부)와 같은 외부 요인의 영향과 HID 램프의 구조로 인하여, 점등 전압이 인가되는 전극에 따라 HID 램프의 점등 동안에 차이가 있을 수 있다. 상기 램프 구동 회로 구성은 상 이동(phase shift)을 제외하고 각각의 전극에서의 전압이 실질적으로 동일하기 때문에 상기에서의 단점이 없다. 이는 특히 야외에서의 응용에 특히 유리하다. 가로등과 같은 야외에서의 응용에 있어서, 램프 배선은 덜 숙련된 작업자 및/또는 열악한 시야 조건, 바람, 비, 추위, 열기와 같은 열악한 조건하에서 작업하는 작업자에 의해 가로등의 하단부에서 램프 구동 회로에 연결될 수 있다.
다른 이점은 제3 및 제4 인덕터(L3 및 L4)가 대칭 필터를 형성한다는 점에서 발견된다. 제3 및 제4 인덕터(L3 및 L4)가 자기 결합된다면, 자기 성분은 누설 인덕턴스에 대한 특정 값을 갖도록 동조(tune)될 수 있다.
또한, 출력 인덕턴스를 두 개의 개별 인덕터로 분리하면, 예컨대, HID 램프, 특히 공진 점등을 이용하고 램프 구동 회로와 램프 사이의 비교적 긴 케이블 배선 을 가지는 램프 구동 회로에서의 HID 램프를 동작시키기 위한 임의의 다른 램프 구동 회로에 사용될 때 이로울 수 있다는 것에 유의해야 한다. 따라서, 출력 인덕턴스의 분리는 본 발명에 따른 램프 구동 회로로 제한되지 않는다.
본 발명의 상세한 실시형태를 본 명세서에 설명하였지만, 설명된 실시형태는 다양한 형태로 실시될 수 있는 본 발명의 예시이다. 따라서, 본 명세서에 설명된 특정 구조적 및 기능적 상세는 한정하는 의미로 해석되어서는 않되고, 단지 청구범위에 기초하여 당업자가 임의의 적절한 상세 구조로 본 발명을 다양하게 실행하는 대표적 기준이어야 한다.
또한, 본 명세서에 사용된 용어 및 구절은 한정의 의미가 아니라, 본 발명의 이해가능한 설명을 제공하려는 의미이다. 본 명세서에 사용된 단수, 복수는 하나 이상을 나타낸다. 본 명세서에 사용된 "다른"이라는 용어는 적어도 두번째(second) 이상을 나타낸다. 본 명세서에 사용된 "포함" 및/또는 "가짐"이라는 용어는 포함한다는 것(즉, 개방어(open language))을 나타낸다. 본 명세서에 사용된 "결합(coupled)"이라는 용어는 연결(connected)된다는 것을 나타내며, 직접 연결이 아닐 수 있으며, 배선이 반드시 요구되는 것은 아니다.

Claims (18)

  1. 고강도 방전 HID 램프를 동작시키기 위한 램프 구동 회로로서,
    공급 전압을 받아들이는 공급 전압 단자;
    상기 공급 전압 단자에 결합된 인버터 회로;
    상기 인버터 회로에 결합되어 공급 전류(current)를 받아들이는 출력 회로를 포함하며,
    상기 인버터 회로는
    전류 전압(commutation voltage)을 발생시키기 위한 전류 회로(commutation circuit) - 상기 전류 회로는 각각이 스위칭 주파수에서 동작하도록 구성되고 전류(commutating) 주파수에서 번갈아 동작하도록 구성된 적어도 2 개의 스위칭 소자를 포함함 -;
    상기 전류 회로에 결합되어 상기 전류 전압을 받아들여 노드에서 공급 전류(current)를 발생시키는 인버터 공진 회로;
    상기 인버터 공진 회로에 결합되어 상기 인버터 공진 회로의 노드에서의 전압을 소정의 최대 전압 레벨로 제한시키는 클램핑 회로를 포함하며,
    상기 출력 회로는
    램프를 점등시키기 위해 점등 전압을 발생시키고, 상기 램프가 스테디 스테이트로 동작할 때, 전류(commutating) 주파수 출력 전류(current)를 발생시키기 위해서 상기 공급 전류(current)에서의 스위칭 주파수 리플을 감소시키는 출력 공진 회로;
    상기 출력 전류(current)를 상기 램프로 공급하기 위한 출력 단자 세트를 포함하는, 고강도 방전 HID 램프를 동작시키기 위한 램프 구동 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 스위칭 소자가, 듀얼 MOSFET 모드로 동작하는 두 개의 MOSFET 트랜지스터(Q1, Q2)를 포함하는, 고강도 방전 HID 램프를 동작시키기 위한 램프 구동 회로.
  3. 제2항에 있어서,
    프리휠 전류(freewheel current)의 방향이 반대가 될 때에 MOSFET을 도통 상태로 스위칭시키기 위해 전류(current) 감지 소자가 상기 인버터 공진 회로의 상기 노드에 제공되는 고강도 방전 HID 램프를 동작시키기 위한 램프 구동 회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 공진 회로는, 직렬로 연결되고 전류(commutating) 회로의 출력과 결합된 인버터 정전 용량(C1)과 인버터 인덕턴스(L1)을 포함하는, 고강도 방전 HID 램프를 동작시키기 위한 램프 구동 회로.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 인버터 정전 용량(C1)은 빠른 전류(commutation)를 가능하게 하기 위해 비교적 작은 고강도 방전 HID 램프를 동작시키기 위한 램프 구동 회로.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 클램핑 회로는 상기 인버터 공진 회로의 상기 노드에 연결된 클램핑 다이오드(D1, D2)를 포함하는, 고강도 방전 HID 램프를 동작시키기 위한 램프 구동 회로.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 클램핑 회로는 상기 인버터 공진 회로의 상기 인버터 정전 용량(C1)에 병렬로 연결된 클램핑 다이오드(D1, D2)를 포함하는, 고강도 방전 HID 램프를 동작시키기 위한 램프 구동 회로.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 출력 공진 회로는 직렬로 연결되고 상기 인버터 회로(20)의 출력에 결합된 출력 정전 용량(C2)과 출력 인덕턴스(L2)를 포함하는, 고강도 방전 HID 램프를 동작시키기 위한 램프 구동 회로.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 출력 인덕턴스(L2)는 상기 인버터 회로(20)의 출력과 상기 출력 단자 세트 중의 하나의 단자(O1) 사이에 연결되는, 고강도 방전 HID 램프를 동작시키기 위한 램프 구동 회로.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 출력 정전 용량(C2)은 상기 출력 인덕턴스(L2)의 단자에 연결된 출력 커패시터(C2a, C2b)를 포함하는, 고강도 방전 HID 램프를 동작시키기 위한 램프 구동 회로.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 출력 인덕턴스(L2)는 상기 제1 출력 단자(O1)에 연결된 제3 인덕터(L3)와 상기 제2 출력 단자에 연결된 제4 인덕터(L4)를 포함하여, 점등 동안에 교번하는 높은 전압이 상기 제1 출력 단자(O1)에서 발생하고 반대 극성을 가지는 교번하는 높은 전압이 상기 제2 출력 단자(O2)에서 발생하도록, 고강도 방전 HID 램프를 동작시키기 위한 램프 구동 회로.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제3 인덕터(L3)와 상기 제4 인덕터(L4)는 자기적으로 결합되는, 고강도 방전 HID 램프를 동작시키기 위한 램프 구동 회로.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 출력 정전 용량(C2)은 상기 출력 단자 세트(O1, O2)와 병렬로 연결되는, 고강도 방전 HID 램프를 동작시키기 위한 램프 구동 회로.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 램프 구동 회로는 고주파 스위칭 소자들을 제어하기 위한 제어 소자를 포함하여, 전류(commutating) 주파수에서 번갈아 스위칭 소자들 중의 하나가 활성화되고 다른 소자가 비활성화되며, 활성 스위칭 소자는 스위칭 주파수에서 스위칭되도록 하는, 고강도 방전 HID 램프를 동작시키기 위한 램프 구동 회로.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제어 소자는 점등 모드 동안에 전류(commutating) 주파수와 실질적으로 동일한 스위칭 주파수에서 스위칭 소자들을 제어하며, 스테디 스테이트 동작 모드 동안에 전류(commutating) 주파수보다 높은 스위칭 주파수에서 상기 스위칭 소자들을 제어하도록 구성되는, 고강도 방전 HID 램프를 동작시키기 위한 램프 구동 회로.
  16. 고강도 방전 HID 램프를 동작시키기 위한 램프 구동 회로로서, 상기 램프 구동 회로는 점등 전압을 발생시켜 공진 회로를 이용하는 HID 램프를 점등시키도록 구성되며, 공진 회로는 인덕턴스 및 정전 용량을 포함하며, 여기서, 상기 인덕턴스는 제1 인덕터와 제2 인덕터를 포함하며, 상기 제1 인덕터는 HID 램프의 제1 램프 단자에 결합되도록 배치되며 상기 제2 인덕터는 HID 램프의 제2 램프 단자에 결합되도록 배치되어, 점등 동안에 제1의 교번하는 높은 전압이 제1 램프 단자에서 발생되며 상기 제1의 교번하는 높은 전압과 반대 극성을 가지는 제2의 교번하는 높은 전압이 제2 램프 단자에서 발생하는 고강도 방전 HID 램프를 동작시키기 위한 램프 구동 회로.
  17. 고강도 방전 HID 램프를 동작시키는 방법으로서,
    스위칭 주파수에서 교번하는 전류(commutating) 전압을 발생시켜 전류(commutating) 주파수에서 전류(commutating)하는 단계;
    인버터 공진 회로의 노드에서 인버터 공진 회로를 이용하여 상기 전류(commutating) 전압으로부터 공급 전류(current)를 발생시키는 단계;
    상기 인버터 공진 회로의 노드에서의 전압을 소정의 최대 전압 레벨로 클램핑하는 단계;
    램프가 점등될 때, 출력 공진 회로를 이용하여 상기 공급 전류(current)로부터 점등 전압을 발생시키는 단계;
    램프가 스테디 스테이트에서 동작할 때, 상기 출력 공진 회로를 이용하여 전류(commutating) 주파수 출력 전류(current)를 발생시키는 단계를 포함하는, 고강도 방전 HID 램프를 동작시키는 방법.
  18. 제1의 교번하는 높은 전압을 가스 방전 램프의 제1 램프 단자에서 발생시키 는 단계;
    상기 제1의 교번하는 높은 전압과 반대 극성을 가지는 제2의 교번하는 높은 전압을 상기 가스 방전 램프의 제2 램프 단자에서 발생시키는 단계를 포함하는, 가스 방전 램프를 점등시키기 위한 방법.
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