KR20100014323A

KR20100014323A - 광원들과 같은 전기적 부하들을 급전하기 위한 셀 어레인지먼트, 그에 대응하는 회로 및 설계 방법

Info

Publication number: KR20100014323A
Application number: KR1020097015027A
Authority: KR
Inventors: 니콜라 잔포린
Original assignee: 오스람 게젤샤프트 미트 베쉬랭크터 하프퉁
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2010-02-10
Also published as: EP2092800A1; TW200843559A; WO2008075389A1; JP5264765B2; AU2006352157A1; JP2010514195A; US20100052554A1; AU2006352157B2

Abstract

광원들로서 사용된 고 광속(HF) LED들과 같은 전기적 부하들을 구동함에 있어 사용하기 위한 회로 어레인지먼트는 스위칭 주파수(Fsw)로 스위칭되고 주어진 진폭(Vout)을 갖는 전압 신호를 제공하는 스위칭된 전원(10), 및 스위칭된 전원(10)에 연결된 복수 개의 셀들(20)을 포함하고, LED 셀들(20)은 각각 스위칭된 전원으로부터 LED 셀(30) 안으로 흐르는 전류의 세기를 정하기 위한 LC 디커플링 임피던스(50)를 포함한다. LC 디커플링 임피던스(50)는 스위칭된 전원(10)의 스위칭 주파수(Fsw)가 LC 디커플링 임피던스(50)의 공진 주파수(Fres)의 약 절반이 되도록 공진 주파수(Fres)를 정하는 LC 성분들을 포함하고, 그에 의해 셀 안으로 흐르는 전류의 평균 세기가 LED 셀(20) 상의 부하에 관계없이 일정하게 유지된다.

Description

광원들과 같은 전기적 부하들을 급전하기 위한 셀 어레인지먼트, 그에 대응하는 회로 및 설계 방법{A CELL ARRANGEMENT FOR FEEDING ELECTRICAL LOADS SUCH AS LIGHT SOURCES, CORRESPONDING CIRCUIT AND DESIGN METHOD}

본 발명은 광원들, 예를 들어, 발광 다이오드(LED)들과 같은 전기적 부하들을 급전하는 것에 관한 것이다.

본 발명은 점차적으로 광원들로서 사용되고 있는 고 광속(High Flux; HF) LED에의 가능한 적용에 특별히 주목함으로써 고안되었다. 그러나 이러한 선호되는 적용 분야에 대한 언급이 본 발명의 범위를 제한하는 의미로 해석되어서는 안 된다.

앞서 언급된 맥락에서, LED와 같이 일정한 전류를 요구하는 반도체 광원들과 같은 광원들을 포함하는 여러 셀들을 병행시킬(paralleling) 필요성이 종종 일어난다.

지금까지, 이러한 문제점은 본질적으로 이하의 2가지 방식으로 해결되어 왔다:

- 셀들이 전압 제어된 소스로부터 급전된다면, 각각의 개별 셀들에 대해 하나의 전류 레귤레이터를 부가함으로써, 또는

- 만약 셀들이 고 주파수(HF) 제너레이터를 경유하여 급전된다면, 각각의 셀에 소정 종류의 디커플링 네트워크를 연관시킴으로써.

각 셀에 대하여 전류 레귤레이터를 요구하는 그러한 해결책들은 본질적으로 복잡하고 비용이 비싸며, 특히 저-비용 애플리케이션들에 대해 그러하다. 디커플링 네트워크들에 의존하는 해결책들은 셀과 연관된 LED 또는 LED들과 같은 광원 또는 광원들에 공급된 신호에 HF 리플을 유도할 수 있고, 이것은 불가피하게 상기 광원들의 유용한 수명을 줄인다.

본 발명의 목적은 LED 또는 LED들과 같은 전기적 부하들에 공급되는 신호에 HF 리플이 존재하는 것을 회피할 가능성 및/또는 단일 전력 소스에 연결된 복수 개의 셀들을 포함하는 회로 어레인지먼트에서 각각의 광원을 개별적으로 디밍할 가능성을 제공하면서, 생산하기에 단순하고 저렴한 개선된 어레인지먼트를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 이러한 목적은 청구범위 제1항에 기재된 특징들을 갖는 셀 어레인지먼트에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 개선예들은 종속항들의 청구 대상을 형성한다. 본 발명은 또한 복수 개의 상기 셀들을 포함하는 회로 어레인지먼트 및 그러한 회로 어레인지먼트를 설계하는 방법에 관한 것이다. 청구항들은 본 명세서에서 제공된 본 발명의 개시 중 필수 부분이다.

본 명세서에 기재된 어레인지먼트는 이하의 이점들을 제공한다:

- 단순한 시스템 구조;

- 수동 엘리먼트들에 기초한 단순하고 정확한 전류 제어, 그 결과 각각의 광원 셀에 공급되는 전류는 개별적으로 트리밍(trim)될 수 있음;

- 각각의 개별 셀/광원은 독립적으로 디밍될 수 있음;

- 새로운 셀들이 기존 어레인지먼트의 거동 및 성능에 악영향을 주지 않으면서 기존 어레인지먼트에 부가될 수 있음; 그리고

- 주 전원에서의 양호한 효율, 및 전 부하(full load)에서의 양호한 유효(active)/무효(reactive) 전력 비율.

본 명세서에서 기술되는 어레인지먼트의 가능한 용도가 LED 셀들에 제한되는 것은 아니다.

본 명세서에 기술된 어레인지먼트는 적절히 작동하기 위해 일정한 전류를 요구하는 모든 종류의 광원들에 유리하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 방전 램프들은 출력 정류기들을 사용하지 않고 본 명세서에 기술된 동일 HF 전원 어레인지먼트로부터 공급될 수 있다. 이러한 종류의 광원들에 대하여, 통상적으로 전류 제어 대신에 전력 제어가 수행되는데, 그 이유는 이러한 램프들이 특정 경우들에 전류 제어를 수행하기 매우 어렵게 하는 음의 임피던스를 나타낼 수 있기 때문이다.

본 명세서에 기술되는 어레인지먼트는 어떠한 피드백-기반 제어 시스템도 회피하는데, 각각의 부하에 공급되는 전류가 그와 연관된 디커플링 임피던스에 의해 자동으로 정의되기 때문에, 임피던스 거동은 무관해진다.

할로겐 램프는 통상 HF 전압원(전자식 변압기 - 예를 들어, 할로트로닉(Halotronic))을 통해 구동되는데, 할로겐 램프조차 적절한 임피던스를 선택함으로써 HF 전원에 병렬로 연결될 수 있다. 이러한 경우에 또한 정류기들은 없어도 되고, HF 전류는 램프에 직접 인가될 수 있다.

보다 일반적으로, 일정한 전류를 요구하는 어떠한 종류의 전기적 부하(심지어 조명과 관련되지 않을지라도)라도 본 명세서에 기술된 버스 어레인지먼트에 연결될 수 있다. 그러한 부하의 예는 배터리 충전기이고, 배터리 충전기에 대하여 일단 충전 전류가 선택되었으면 정확한 임피던스가 식별될 수 있다.

요컨대, 본 명세서에 기술된 어레인지먼트의 바람직한 버스-형 실시예는 일정한 전류들을 요구하는 광원들과 같은 상이한 종류들의 전기적 부하들을 급전하기 위하여 사용될 수 있고, 심지어 각각의 부하에 대한 상이한 공급 전류들의 존재 시에도 사용될 수 있다.

그리하여 본 명세서에 기술된 버스 어레인지먼트는 다목적이고 사용하기에 용이하다. 예를 들어, 버스 어레인지먼트를 경유하여 공급된 부하들 중 하나에 대해 채택된 새로운 기술은 전류의 관점에서 새로운 요구조건들을 제시하는데, 주 전원은 변경될 필요가 없고 전류의 관점에서 상이한 요구조건은 예를 들어, 더 높은 전류가 새로운 부하로 공급되게 하기 위하여 디커플링 임피던스를 변화시킴으로써 충당될 수 있다(물론, 최대 이용가능한 전력의 관점에서의 일반적인 제한을 고려함으로써).

본 발명은 이제 단지 예시의 방식으로 첨부된 도면들을 참조하여 기술될 것 이다.

도 1은 본 명세서에서 기재된 바와 같이 복수 개의 셀들을 포함하는 회로 어레인지먼트의 개략적인 블록 다이어그램이다.

도 2 내지 도 4는 본 명세서에서 기재된 어레인지먼트의 동작들을 이해함에 있어 유용한 신호들의 시간 거동을 나타내는 예시적인 다이어그램들이다.

도 5는 도 1에 도시된 어레인지먼트의 개선예를 보여주는 또 다른 블록 다이어그램이다.

도 6은 도 1 및 도 5의 양 실시예들과 관련하여 사용되도록 적응된 유리한 개선예를 보여준다.

도 7은 본 명세서에서 기술된 어레인지먼트의 동작을 나타내는 또 다른 시간 다이어그램이다.

일반적으로 말하여, 도 1, 도 5 및 도 6은 모두 이하를 포함하는 회로 어레인지먼트들을 참조한다:

- 전원(10), 및

- 본 명세서에서 반도체 광원들, 예를 들어, LED들과 같은 광원들에 의해 대표되는 각각의 연관된 전기적 부하들을 갖는 복수 개의 셀들(20).

본 명세서에서 기술된 예시적인 실시예들에서, 각각의 셀(20)은 하나 이상의 광원들을 포함한다. 이러한 예시적인 설명을 통해, LED들은 이러한 광원들의 예로서 간주될 것이다. 고 광속(HF) LED들과 같은 LED들은 전기적 관점에서 다이오 드(L) 및 연관된 기생 저항기(L_R)의 직렬 연결로서 표현된다.

여러 LED 셀들(20)은 접속 구조(30)를 경유하여 전원에 연결되고, 접속 구조(30)는 본질적으로 버스-형 구조의 형태를 취한다. 본 명세서에 기술된 회로 어레인지먼트는 여러 LED 셀들(20)을 버스 구조(30)에 연결하는 것을 가능하게 하고, 상기 LED 셀들(20)은 셀의 특정 요구조건들에 기초하여 상이한 고정된 전류 값들을 끌어내도록 구성될 수 있다. 단순화를 위하여, 단일 LED 셀(20)이 도 5 및 도 6의 블록 다이어그램들에 도시되나, 관련 회로 어레인지먼트들은 실제로 도 1에 도시된 바와 같이 복수 개의 LED 셀들(20)(예를 들어, 3개의 LED 셀들)을 포함할 것이다.

전형적으로, 전원(10)은 버스 구조(30) 상에 일정한 진폭 Vout을 가진 구형파(square wave)로 이루어진 전압 신호, 예를 들어, +Vout과 -Vout 사이에서 예를 들어, 48 kHz의 주파수 Fsw를 가진 신호 스위칭을 전달하도록 적응된 고 주파수 소스의 형태를 취하고, |Vout|은 이하에서 더 논의되는 바와 같이 일어날 수 있는 전압 리플의 존재를 제외하고 개념상 일정하다.

본 명세서에서 고려되는 예시적인 실시예에서, 전원(10)은 2개의 커패시터들(14a, 14b)과 함께 하프-브리지 어레인지먼트로 연결된 전자식 스위치들(12a, 12b)(예를 들어, 2개의 MOSFET들)을 포함하는 하프-브리지 인버터이다. 잘 알려진 동작 원리에 따라, 2개의 스위치들(12a, 12b)은 입력 DC 전압 V를 변압기(18)의 1차 권선(18a)에 교대로 연결하기 위하여 2개의 각각의 구동원들(16a, 16b)에 의해 주파수 Fsw로 교대로 스위치 온 및 스위치 오프된다. 그리하여 이전에 기술된 바 와 같이 스위칭 주파수 Fsw를 가진 구형파 출력은 변압기(18)의 2차 권선(18b)을 통하여 버스 구조(30)에 공급된다.

각각의 셀(20)은 정류기 모듈을 포함한다. 이것은 풀-브리지 정류기(22)(도 1의 2개의 상부 LED 셀들(20) 및 도 5와 도 6의 LED 셀들의 경우에 같이) 또는 도 1의 하부 LED 셀(20)에 대해 개략적으로 도시된 바와 같이 전압 더블러 구조(voltage doubler structure)(24)로 이루어질 수 있다. 추가의 대안적인 어레인지먼트(미도시)에서, LED 셀(20)은 전압 더블러(24) 대신에 전압 멀티플라이어(voltage multiplier)를 포함할 수 있다. 어떠한 정류기 모듈 및 전압 더블러/멀티플라이어든 그 자체로 잘 알려진 구조들이고 본 명세서에서 상세히 기술될 필요가 없다.

그리하여 정류는 각각의 LED 셀(20) 상에 분할되고, 전원(즉, 인버터(10))에서 본 등가의 LED 전압들은 전원의 출력 전압을 초과하지 않는다. 예를 들어, 버스 구조(30)에 인가되는 전압이 +24V와 -24V 사이에서 스위칭되는 구형파라면, LED 셀들(20)은 풀 브리지 정류기를 사용하여 연결된다면 24 볼트를 초과하지 않는 최대 순방향 전압을 갖는다. 더 높은 최대 순방향 전압(예를 들어, 48V의 범위 내)을 갖는 LED 셀은 전압 더블러(도 1의 엘리먼트(24) 참조) 또는 전압 멀티플라이어를 사용하여 연결된다.

도 1, 도 5 및 도 6의 블록 다이어그램에서, LED 셀들(20)은 LC(유도성-용량성) 디커플링 임피던스(50)의 삽입을 사용하여 버스(30)를 통해 인버터 출력과 연결된다. 각각의 임피던스(50)는 저항기 R(임피던스에서의 손실들을 나타내고 실제 로 이하 설명의 목적으로 무시될 수 있음), 인덕터 L 및 커패시터 C로 구성된 것으로서 도시된다. 도 1에 도시된 여러 디커플링 임피던스(50)는 - 이하에서 더 상세히 기술되는 바와 같이 - 인덕터 L에 대한 인덕턴스 값 및 커패시터 C의 전기용량 값이 각각의 디커플링 임피던스(50)에 대해 상이하게 선택될 수 있음을 강조하기 위하여 RLC1, RLC2, RLC3으로 표시된다.

본 명세서에서 기술된 어레인지먼트는 LED 또는 LED들에 의해 표현되는 것과 같은 셀 출력에 차례로 인가되는 부하에 관계없이, 예를 들어, 그러한 셀 출력이 단락되거나 최대 부하로 로딩되는지 여부와 관계없이, 각각의 LED 셀(20)의 입력에서 전류의 일정한 (평균) 값을 유지할 수 있는 LC 임피던스의 능력에 의존한다.

이러한 결과들은 이하의 요구조건들이 만족되는 경우 달성될 수 있다:

- 전원, 즉, 인버터(10)의 출력 전압이 실질적으로 일정한 진폭 +/-Vout(그 위에 중첩되는, 있을 수 있는 리플의 존재를 제외하고)를 가짐, 그리고

- 인버터 주파수 Fsw가 디커플링 임피던스의 공진 주파수 Fres=1/(2π√(LC))의 약 절반임.

전원 주파수 Fsw가 LC 공진 주파수 Fres의 "약" 절반이라 하는 것은 본 명세서에서 기술된 어레인지먼트가 Fsw=Fres/2의 관계가 정확히 충족되지 않을지라도 완전히 만족스러운 방식으로 동작할 수 있음을 부각시킬 것을 명백히 의도한다. 실제적으로 그러한 관계를 달성하는 것과 관련된 고유의 허용오차가 사실 고려되어야 하고, 출원인에 의해 지금까지 실시된 실험들은 전형적인 상황들에서 Fsw가 Fres의 절반보다 약간 더 낮을 것임을 보여준다. 부가적으로, 본 설명의 마지막 부분에서, 공급 전압 V(도 1 참조) 상에 중첩될 수도 있는 리플을 보상하기 위하여 주파수 Fsw가 그 공칭 값에 대해 약 +/- 5-6%를 "요동(wobbling)"하게 할 가능성이 기술될 것이다.

위 조건들이 만족되면, 버스(30)를 통해 각각의 개별 LED 셀(20)에 인가되는 전류는 디커플링 임피던스의 특성 임피던스 Zo=√(L/C)에 의해 정의되는 실질적으로 일정한 평균 값을 가질 것이다.

도 1, 도 5 및 도 6에 도시된 어레인지먼트들의 실제적인 동작은 도 2 내지 도 4의 다이어그램들을 참조하여 가장 잘 이해될 수 있다. 각각의 다이어그램은 각각 (a) 및 (b)로 표시된 2개의 겹쳐진 부분들로 구성된다. 도 2a 내지 도 4a의 다이어그램들은 LED 셀 부하(즉, LED 또는 LED들(L)) 양단의 전압의 시간 거동을 나타내는 반면, 도 2b 내지 도 4b의 다이어그램은 LED 입력부에서의 전압의 시간 거동을 나타낸다. 도 2 내지 도 4의 모든 다이어그램들에서, 가로좌표 스케일은 시간(밀리초- 도 2의 경우에는 약간 확대된 스케일을 가짐)을 나타내는 반면, 세로좌표 스케일은 전압 신호 진폭(볼트)을 나타낸다.

도 2의 다이어그램은 자신의 출력부에서 단락된(또는 0에 가까운 출력 전압을 갖는) LED 셀(20)을 참조한다. 최대 전류는 Ires=Vout/Zo이다. 전압 Vout이 이러한 셀에 인가될 때, 대응하는 LC 임피던스 상의 전류는 본질적으로 정현 파형(sinusoidal waveform)의 일 부분에 상당하는 시간 궤적으로 0부터 시작하여 최대 양의 값에 도달할 것이고, 그 다음 최소 음의 값에 도달한 후, 최종적으로 0으로 되돌아갈 것이다. 이러한 프로세스는 반대 극성을 갖는 전압이 먼저 음의 피크 에 도달함으로써 인가될 때 재시작된다.

셀 출력에서의 부하가 증가하면, 제 1 피크 전류는 증가하고 제 2 피크 전류는 감소한다. 그러나, 제 2 피크는 도 3에 개략적으로 도시된 바와 같이 평균 전류의 절대값을 일정하게 유지하는 방식으로 감소한다.

마지막으로, 셀 부하 상의 전압이 값 Vout에 접근하면, 제 1 피크는 최대값에 도달하는 반면, 제 2 피크는 도 4에 개략적으로 도시된 바와 같이 거의 0이다.

고려되는 모든 경우들에서, 평균 전류의 절대값은 일정하고 그 값은 Iavg=Ires_Max/π이고, 여기서 Ires_max=2*Vout/Zo이다. 이러한 값은 부하 전압이 Vout보다 약간 더 작을 때 도달한다(도 4에서 살펴봄으로써 더 잘 인지되는 바와 같이).

그리하여 도 1에 일반적으로 도시된 바와 같은 어레인지먼트는 이하에 기술되는 프로세스, 즉, 전원(즉, 인버터(10))의 스위칭 주파수 Fsw가 LC 디커플링 임피던스(50)의 공진 주파수 Fres의 약 절반이 되도록 각각의 셀(20)의 LC 디커플링 임피던스(50)의 LC 성분들을 선택하는 것의 기본 개념에 의존하는 프로세스에 기초하여 설계될 수 있다.

바람직하게, 설계 프로세스의 제 1 단계로서, 전원(10)의 특성들이 고려된다. 용어 "고려된다"는 것은 전원(10)이 사실 이미 기존의 이용가능한 소스일 수 있다는 사실을 부각시키기 위해 사용된다. 도시된 실시예의 경우에, 인버터의 스위칭 주파수 Fsw 및 교류 전압 Vout의 진폭을 정의하는 변압기(18)의 권선수 비는 고려되는 주요 특성들이다.

그 다음, 각각의 셀(20)의 디커플링 임피던스 Zo의 값은 셀에 대해 바람직한 바대로 (평균) 전류 세기의 함수로서 정의되고, 광원들로서 사용되는 LED들의 경우에, 이러한 전류 세기는 전형적으로 목적하는 조명 전력에 의해 결정된다.

그리하여, 디커플링 임피던스(50)의 2개의 리액턴스 엘리먼트들(인덕턴스 L 및 커패시터 C)의 값들은 대략 인버터 주파수 Fsw의 두 배인 공진 주파수 Fres를 갖도록, 즉, Fsw=Fres/2가 되도록 선택될 수 있다. 대응하는 관계들, 즉, Zo=√(L/C) 및 Fres=1/(2π√(LC))은 L 및 C에 대한 값들을 일의적인(univocal) 방식으로 식별한다.

도 5의 블록 다이어그램은 도 1의 기본 방안의 가능한 개선예를 참조하고, 도 5 및 도 6의 블록 다이어그램들에서 단순화를 위하여 단일 셀(20)이 도시된 반면, 실제로 관련 어레인지먼트는 복수 개의 셀들을 포함함을 다시 한 번 상기시킨다.

특히, 도 5는 특정 전압이 LED 셀(20)의 출력에서 요구되는 경우를 참조한다. 그러한 경우에, 각각 1차 및 2차 권선들(60a 및 60b)을 갖는 변압기(60)는 디커플링 임피던스(50)와 셀(20)의 정류기(22) 사이에 놓인다. 변압기(60)의 1차측과 2차측 사이의 선택적인 절연이 선택적으로 제공될 수 있다.

변압기(60)의 존재로 인하여, LED 또는 LED들 상의 최대 전압 VLED_max는 VLED_max=Vout_max*N2/N1이고, 여기서 N2/N1은 변압기(60)의 2차-대-1차 권선수 비이다.

변압기(60)는 개념적으로 전압 VLED_max에 대한 임의의 정확한 목적 값을 달 성하는 것을 허용한다. 역으로, 전압 멀티플라이어(도 1에서 24로 지시된 전압 더블러)는 VLED_max에 대하여 단지 전압 Vout의 정수 배인 값을 달성하는 것을 허용할 것이다.

변압기(60)가 존재하는 경우에, 임피던스 Zo는 변압기 권선수 비 N2/N1를 고려함으로써 선택될 것이다. 그리하여 임피던스 Zo는 평균 전력 밸런싱 Pin_trafo=Pout_trafo=P_LED_cell에 따라 변압기의 1차측 상의 전류를 증가시키기 위하여 감소되어야 하고, 상기 식의 세 항들은 각각 변압기로의 입력 전력, 변압기로부터의 출력 전력 및 거기로 넣어지는(casketed) LED 셀 엘리먼트에 인가되는 전력을 나타낸다.

디커플링 임피던스(50)의 유도성 성분 L이 적어도 부분적으로 변압기(60)의 누설 인덕턴스 Llk에 의해 표현될 수 있음(즉, 누설 인덕턴스 Llk를 포함하거나 완전히 누설 인덕턴스 Llk로 이루어질 수 있음)이 이해될 것이다. 권선수 비 N2/N1을 일정하게 유지함으로써, 특정 권선수들 N1 및 N2은 Llk에 대한 목적하는 값을 얻기 위해 가변될 수 있다.

절연된 전압이 요구되지 않는다면, 더 낮은 권선수 및 더 단순한 기계적 구조를 가진 단권 변압기(auto-transformer)(절연되지 않음)가 변압기(60)로서 사용될 수 있다.

본 명세서에서 기술된 어레인지먼트에서, 버스(30)를 포함하는 와이어들의 기생 파라미터들보다 현저히 더 높은 값들을 갖는 리액턴스 엘리먼트들이 사용될 수 있다. 결과적으로, 본 명세서에서 기술된 어레인지먼트는 기생 파라미터들의 부정적인 효과들에 대한 양호한 면역성을 나타낸다. 버스(30)는 소정의 미터의 길이를 갖는 와이어들로 구성될 수 있고, 그리하여 각각의 개별 LED 셀(20)이 부가적인 스위칭 또는 포스트-레귤레이터(post-regulator)들에 의존할 필요없이 단순한 수동 LC 디커플링 임피던스(50)를 제공함으로써 연결될 수 있는 실제 버스 구조를 형성한다. 부가적으로, 본 명세서에 기술된 어레인지먼트는 버스(30) 상에 흐르는 무효 전력과 유효 전력(즉, LED 셀들에 공급된 유효 전력) 사이의 양호한 비율을 보증한다. 이러한 비율은 LED 셀들 상의 증가된 전압 때문에 출력 전력이 증가함에 따라 감소하는 경향이 있다. 이것은 부하에 의해 인출된 전력이 증가함에 따라 효율이 증가하기 때문에 유리하다. 셀들 상에서의 전압 Vcell이 그 한계값(Vout, 즉, 인버터(10)로부터의 피크 전압)에 도달할 때, 무효 전력은 유효 전력의 1.5배보다 약간 더 크다.

본 명세서에서 기술된 어레인지먼트의 부가의 현저한 이점은 각각의 LED 셀(20)이 LED(L)과 연관된, MOSFET과 같은 저 주파수 전자식 스위치(70)(도 6의 블록 다이어그램 참조)를 사용하는 펄스 폭 변조(PWM)에 의존함으로써 독립적으로 디밍될 수 있다는 점에 있다. 디밍 스위치(70)는 PWM-변조된 디밍 드라이버(72)에 의해 구동된다(그 자체로 알려진 방식으로, 본 명세서에서 상세히 기술될 필요가 없음).

스위치(70)는 LED 또는 LED들에 직렬로 또는 병렬로 연결될 수 있다.

병렬 연결에서(특정해서 예시되지는 않음), 스위치(70)는 LED 또는 LED들(L) 및 저항 R_L으로 구성된 어셈블리를 가로질러 연결되고, 그 결과, 스위치(70)는 도전성일 때 LED 또는 LED들을 단락시킨다.

병렬 연결(접지 기준의 LED들에 대해 적응됨)은 값싼 하측(low-side) 드라이버를 사용함으로써 구현에 적합한 이점을 갖는다. 이러한 접근법은 단락 전류가 완전히 제어된다는 사실의 관점에서 채택될 수 있다(LED 셀은 단락될 때조차 버스(30)로부터 동일한 평균 전류를 인출함). 사실, 전류는 LED 또는 LED들에 통해 흐르는 대신에 스위치(70)를 통해 흐른다. 이것은 소량의 전력이 어떠한 유용한(즉, 광) 출력도 없이 와이어들 및 컴포넌트들에서 소산되게 한다.

대안예(도 6의 블록 다이어그램이 특정하게 참조함)로서, 스위치(70)는 스위치(70)가 도전되지 않고 있을 때 접지로부터 셀(20)을 연결해제하는 방식으로 셀에서 LED 또는 LED들과 직렬-연결될 수 있다. 이러한 어레인지먼트는 셀(20)이 접지로부터 연결해제된 때 어떠한 무효 전력도 버스(30)를 따라 흐르지 않을 것이라는 점에서 유리하다.

출원인에 의해 지금까지 수행된 실험들은 완전히 만족스러운 결과들이 본 명세서에 기술된 어레인지먼트(디밍 능력을 갖거나 갖지 않거나)에 이중-단 컨버터를 공급함으로써 달성될 수 있음을 보여주는데, 인버터(10)에 대한 입력으로서 사용된 고전압 DC 입력(도 1에서 V)은 역률 교정기(Power Factor Corrector; PFC) 전력 단을 사용함으로써 생성된다. PFC를 사용하는 것이 고조파 전류들과 관련된 규정들을 만족시키기 위해 25W에 해당하거나 25W를 초과하는 입력 전력들에 대한 조명 애 플리케이션들에 추천된다. PFC는 인버터(10)로 하여금 본 명세서에서 고찰되는 애플리케이션에 대해 이상적인 조건들에서 작동하게 하는 높은 DC 전압을 생성하는 포지션이다.

PFC 단은 전형적으로 중간 커패시터(intermediate capacitor) 상에 100 Hz 정현파 전압 리플(약 +/-5%)을 생성하고, 전압 리플은 연결된 각각의 LED 셀(20)의 출력 전류 상에 전달되는 경향이 있다.

그리하여, 이러한 리플을 보상하고자 PFC 전압을 감지하고 인버터(10)의 스위칭 주파수 Fsw를 그것의 동작 지점 주변에서 변조하는 것이 유리하다.

도 1의 블록 다이어그램에서, 참조번호 80은 전압 V의 순시값을 감지하기 위하여 입력 전압 V를 생성하는 PFC 단과 연관된(공지된 방식으로) 제어 모듈을 지시한다. 제어 모듈(80)은 스위치들(12a, 12b)의 스위칭 주파수 Fsw 상에 작용하여, 리플에 비례하여, 즉, 전압 V의 순시값과 그것의 공칭값(평균 제어 전압(average controlled voltage)) 간의 차이에 비례하여, 그 중심값 주변에서 주파수 Fsw의 "요동(wobbling)"(즉, 스윙) 효과를 야기한다. 리플에 비례하는 이러한 스윙은, PFC 단으로부터의 순시 전압이 평균 제어 전압 V보다 더 높을 때 반-주기 동안에는, 주파수 Fsw이 감소되면서(즉, 하향하여 스위핑됨 - 최대 약 5-6%), 나머지 반-주기 동안, 즉, PFC 단으로부터의 순시 전압이 평균 제어 전압 V보다 더 낮을 때에는 주파수 Fsw이 증가되는(즉, 상향하여 스위핑됨 - 동일 양) 방식으로 일어나도록 야기된다.

그러한 보통의(10-12%) 주파수 스윙이 존재할 때조차, 인버터 주파수 Fsw는 여전히 여러 LED 셀들(20)의 디커플링 임피던스의 공진 주파수 Fres=1/(2π√(LC))의 약 절반일 것이다.

전술한 바와 같이 주파수 Fsw의 변조/요동은 LED들 상의 100 Hz 리플이 거의 완전히 배제되게 할 것이다. 부가적으로, 인버터 주파수 Fsw를 가변시킴으로써, 부가의 이점이 인버터 출력 단에 의해 생성된 전자기 간섭(Electro-Magnetic Interterence; EMI)의 관점에서 달성된다. 이것은 주파수 Fsw의 변조가, 주파수들의 대역에 걸쳐 확산되어 각각의 단일 고조파의 피크를 감소시키는, 인버터에 의해 생성된 전자기 잡음을 유도하기 때문에 기인한다.

해당하는 보상 방식은 출력으로부터의 어떠한 피드백을 필요로 하지 않으면서, 즉, 션트(shunt), 제어기 및 안전 광커플러(safety optocoupler)와 같은 부가적 컴포넌트들을 필요로 하지 않으면서, 입력으로부터의 피드-포워드 제어에 의존함으로써 구현될 수 있다.

출원인에 의해 지금까지 수행된 실험들에서, 도 1에 도시된 어레인지먼트의 경우에 이하의 파라미터들이 사용되었을 때 특히 만족스러운 결과들이 달성되었다.

- 인버터(10)의 스위칭 주파수 Fsw = 48KHz;

- +/- 25V의 정현파 리플을 가진 400V의 DC 전압 V(전형적인 PFC 출력);

- 제 1, 제 2 및 제 3 LED 셀들(20) 각각에 대하여 24.25 옴, 12.12 옴 및 24.25 옴의 디커플링 임피던스 Zo 값들

제 3 셀(20)(도 1의 바닥 부분)은 전압 더블러 구조를 포함하고, 이것은 풀-브리지 정류를 가진 유사한 셀과 비교하여 셀 전류가 절반임을 의미한다.

부가된 표현들의 도 7은 각각 (a) 및 (b)로 지시된 2개의 겹쳐진 다이어그램들을 포함한다.

(a)로 지시된 다이어그램은 ms로 표시된 시간 가로좌표 스케일과 관련하여, 3개의 셀들(30)을 통해 흐르는 전류들의 값들을 보여준다. 특히, 상부 커브는 제 1 셀(20)을 통해 흐르는 전류를 나타내고 약 600mA의 평균 전류를 가지는 반면, 2개의 겹쳐진 하부 커브들은 약 300mA의 평균 전류들로 나머지 2개 셀들을 통해 흐르는 전류들을 지시한다.

100Hz 리플은 3개 전류들 모두에 명백히 눈에 보이게 중첩된다.

반대로, 도 (b)의 다이어그램은 스위칭 주기(즉, 주파수 Fsw)가 앞서 기술한 바와 같이 가변될 때 동일한 3개 전류들의 시간 거동을 보여준다. 도 7b의 다이어그램은 리플 보상이 그러한 방식으로 어떻게 달성될 수 있는지를 명확히 보여준다.

물론, 본 발명의 원리들에 대한 편견 없이, 첨부된 청구범위에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 단지 예의 방식으로 앞서 기술된 것에 관련하여 세부사항들 및 실시예들이 가변될 수 있다.

Claims

스위칭 주파수(Fsw)로 스위칭되고 주어진 진폭(Vout)을 갖는 전압 신호를 제공하는 스위칭된 전원(10)을 사용하여 적어도 하나의 전기적 부하(L)를 급전하기 위한 셀(20)로서,

상기 셀(20)은 LC 디커플링 임피던스(50)를 포함하고, 상기 LC 디커플링 임피던스(50)의 임피던스 값(Zo)은 상기 스위칭된 전원(10)으로부터 상기 셀(20)로 흐르는 전류의 세기를 정하고,

상기 LC 디커플링 임피던스(50)는, 상기 스위칭된 전원(10)의 상기 스위칭 주파수(Fsw)가 상기 LC 디커플링 임피던스(50)의 공진 주파수(Fres)의 약 절반이 되도록 상기 LC 디커플링 임피던스(50)의 공진 주파수(Fres)를 정하는 LC 성분들을 포함하는,

셀.
제1항에 있어서,

상기 LC 디커플링 임피던스(50) 및 상기 적어도 하나의 전기적 부하(L) 사이에 놓인 정류기(22)를 포함하는,

셀.
제1항에 있어서,

상기 LC 디커플링 임피던스(50)와 상기 적어도 하나의 전기적 부하(L) 사이에 놓인 전압 더블러(voltage doubler)(24)를 포함하는,

셀.
제1항에 있어서,

상기 LC 디커플링 임피던스(50)와 상기 적어도 하나의 전기적 부하(L) 사이에 놓인 전압 멀티플라이어(voltage multiplier)를 포함하는,

셀.
제1항에 있어서,

상기 LC 디커플링 임피던스(50)와 상기 적어도 하나의 전기적 부하(L) 사이에 놓인 변압기(60)를 포함하는,

셀.
제5항에 있어서,

상기 변압기(60)의 누설 인덕턴스(Llk)가 상기 LC 디커플링 임피던스(50)의 상기 L 성분에 포함되는,

셀.
제5항에 있어서,

상기 변압기(60)의 누설 인덕턴스(Llk)가 상기 LC 디커플링 임피던스(50)의 상기 L 성분을 포함하는,

셀.
제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 변압기(60)는 단권변압기인,

셀.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 적어도 하나의 전기적 부하는 광원(L)을 포함하는,

셀.
제9항에 있어서,

상기 광원을 선택적으로 디밍하기 위한 디밍 어레인지먼트(70, 72)를 포함하는,

셀.
제10항에 있어서,

상기 디밍 어레인지먼트는 상기 광원(L)을 PWM 디밍하기 위한 스위치(70)를 포함하는,

셀.
제11항에 있어서,

상기 스위치(70)는 MOSFET과 같은 전자식 스위치인,

셀.
제11항 또는 제12항에 있어서,

상기 스위치(70)는 상기 광원(L)과 병렬 연결을 위해 배치되는,

셀.
제11항 또는 제12항에 있어서,

상기 스위치(70)는 상기 광원(L)과의 직렬 연결을 위해 배치되는,

셀.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 적어도 하나의 전기적 부하(L)를 포함하는,

셀.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 적어도 하나의 전기적 부하는 발광 다이오드 또는 LED(L)를 포함하는,

셀.
회로 어레인지먼트로서,

스위칭 주파수(Fsw)로 스위칭되고 주어진 진폭(Vout)을 갖는 전압 신호를 제공하는 스위칭된 전원(10), 및

상기 스위칭된 전원(10)에 연결된 복수 개의 셀들(20),

을 포함하고,

상기 복수 개의 셀들(20)은 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 셀들을 포함하는,

회로 어레인지먼트.
제17항에 있어서,

상기 복수 개의 셀들(20)은 버스-형 어레인지먼트(30)를 경유하여 상기 전원(10)에 연결되는,

회로 어레인지먼트.
제17항 또는 제18항에 있어서,

상기 스위칭된 전원(10)은 하프-브리지 인버터(10)와 같은 인버터인,

회로 어레인지먼트.
제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 스위칭된 전원(10)은 상기 스위칭된 전원(10)에 공급되는 공칭 DC 전압(V)에 중첩된 전압 리플을 갖는 DC 전압원을 통해 전력 공급되기 위해 구성되고,

상기 스위칭된 전원(10)은, 상기 DC 전압원으로부터의 상기 전압이 그것에 중첩된 상기 리플의 결과로서 상기 공칭 DC 전압(V)보다 더 높거나 더 낮음에 따라 각각, 상기 스위칭 주파수(Fsw)를 각각 감소키거나 증가시키도록 상기 스위칭 주파수(Fsw)를 선택적으로 변조하기 위한 제어기(80)를 포함하는,

회로 어레인지먼트.
스위칭 주파수(Fsw)로 스위칭되고 주어진 진폭(Vout)을 갖는 전압 신호를 제공하는 스위칭된 전원(10)을 사용하여 적어도 하나의 전기적 부하(L)를 급전하기 위한 셀(20)을 설계하는 방법으로서,

상기 셀(20)은 LC 디커플링 임피던스(50)를 포함하고,

상기 방법은,

상기 스위칭된 전원(10)의 상기 스위칭 주파수(Fsw)가 상기 LC 디커플링 임피던스(50)의 공진 주파수(Fres)의 약 절반이 되도록 하는 공진 주파수(Fres)를 갖도록 상기 LC 디커플링 임피던스(50)의 LC 성분들을 선택하는 단계

를 포함하는,

셀 설계 방법.
제21항에 있어서,

상기 스위칭된 전원(10)으로부터 상기 셀 안으로 흐르는 목적하는 전류 세기를 정하는 단계, 및

상기 목적하는 전류 세기를 제공하기 위하여 상기 일정한 진폭의 전압(Vout)의 함수로서 상기 LC 디커플링 임피던스(50)의 임피던스 값(Zo)을 선택하는 단계 - 이 단계에 의해, 상기 공진 주파수(Fres) 및 상기 임피던스 값(Zo)은 상기 LC 디커플링 임피던스(50)의 L 및 C 성분들에 대한 일의적인(univocal) 값들을 식별함 -,

를 포함하는,

셀 설계 방법.
제21항 또는 제22항에 있어서,

변압기(60)를 상기 LC 디커플링 임피던스(Zo)와 상기 적어도 하나의 전기적 부하(L) 사이에 놓도록 설계하는 단계를 포함하고,

상기 방법은 부가하여,

상기 변압기(60)에 대한 누설 인덕턴스(Llk)가 생기도록 상기 변압기에 대한 권선수(N1, N2)를 선택하는 단계를 더 포함하고,

상기 누설 인덕턴스(Llk)는 상기 LC 디커플링 임피던스(50)의 상기 L 성분의 적어도 일부를 구성하는,

셀 설계 방법.