KR20120130595A - 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내부 LC 공진 기동 방식을 이용하여 더욱 낮은 전압으로 HID램프를 점등시킬 수 있고, 고주파 구동방식과 저주파 구동방식을 혼용하여 음향공진현상을 제거할 수 있으며, 저주파 스위칭시 발생되는 공진 전류를 최소화할 수 있는 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기를 제공한다.
본 발명에 따른 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기는, 상용교류전원을 인가받아 정류하여 출력하는 정류부; 상기 정류부로부터 출력되는 전압의 역률을 보정하여 출력하는 PFC 회로부; 상기 PFC 회로부의 출력단에 결합되며, 두 쌍의 스위칭 소자가 교번적으로 동작하는 인버터; 및 상기 인버터 내 스위칭소자의 스위칭을 제어함으로써 상기 램프를 기동 및 구동시키는 콘트롤러를 포함하며, 상기 램프가 정상 상태에 이르면, 상기 콘트롤러는, 상기 두쌍의 스위칭 소자 중 적어도 어느 한쌍의 스위칭 소자에 대하여 서로 상이한 주파수로 동작시키고, 상기 어느 한쌍의 스위칭 소자가 동일한 시점에 턴온 상태로 전환되지 않도록 제어한다.

Description

고휘도 방전 램프용 전자식 안정기{ELECTRONIC BALLAST FOR HIGH INTENSITY DISCHARGE LAMP}

본 발명은 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스위칭시 공진 전류를 최소화할 수 있는 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기에 관한 것이다.

HID 램프 안정기는 크게 자기식(Magnetic)과 전자식(Electronic)으로 나누어지며, 현재 안정기의 크기, 효율 및 램프 구동 성능을 고려하여 전자식 안정기의 수요가 늘어나는 추세이다.

전자식은 다시 DC/DC 컨버터의 유무에 따라 3단 구성과 2단 구성으로 나누어지고, 3단 구성은 역률 보상 (Power Factor Correction)회로와 DC-DC 컨버터, DC-AC 인버터로 구성되며, 이를 위한 인버터로는 주로 풀브릿지(full-bridge) 회로가 사용된다. 2단 구성은 3단 구성에서 DC/DC 컨버터가 생략되며, 인버터로는 풀브릿지 (full-bridge) 회로 또는 하프브릿지 (half-bridge) 회로가 사용된다.

이러한 2단 구성 안정기는 고주파 구동 방식과 저주파 구동 방식으로 나눌 수 있는데, 고주파 구동 방식은 인버터의 높은 주파수 전류를 필터링 없이 램프에 주입하여 램프를 구동하는 방식이고, 저주파 전류 구동 방식은 인버터의 전류를 LC필터로 필터링하여 램프에 저주파를 교번하여 주입하는 방식이다.

그런데, 교류 구동시 특정 주파수 대역에서 램프의 물리적 구조로 인하여 음향 공명 현상이 발생하여 아크의 떨림 현상이 일어날 뿐만 아니라 심한 경우에 아크 튜브가 파괴될 수 있다.

한편, HID 램프를 점등하는데 사용되는 펄스 기동 방식은 수KV(1~4KV)의 높은 점등 전압을 필요로 하는 문제가 있다.

본 발명은 내부 LC 공진 기동 방식을 이용하여 더욱 낮은 전압으로 HID램프를 점등시킬 수 있는 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기를 제공함에 목적이 있다.

또한, 본 발명은 고주파 구동방식과 저주파 구동방식을 혼용하여 음향공진현상을 제거할 수 있는 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기를 제공함에 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 저주파 스위칭시 발생되는 공진 전류를 최소화할 수 있는 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기를 제공함에 또 다른 목적이 있다.

본 발명에 따른 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기는, 상용교류전원을 인가받아 정류하여 출력하는 정류부; 상기 정류부로부터 출력되는 전압의 역률을 보정하여 출력하는 PFC 회로부; 상기 PFC 회로부의 출력단에 결합되며, 두 쌍의 스위칭 소자가 교번적으로 동작하는 인버터; 및 상기 인버터 내 스위칭소자의 스위칭을 제어함으로써 상기 램프를 기동 및 구동시키는 콘트롤러를 포함하며, 상기 램프가 정상 상태에 이르면, 상기 콘트롤러는, 상기 두쌍의 스위칭 소자 중 적어도 어느 한쌍의 스위칭 소자에 대하여 서로 상이한 주파수로 동작시키고, 상기 어느 한쌍의 스위칭 소자가 동일한 시점에 턴온 상태로 전환되지 않도록 제어한다.

바람직하게는, 상기 인버터의 출력단에 직렬연결되어 상기 램프의 기본 공진회로를 제공하는 주공진기동부; 및 상기 램프와 상기 주공진기동부 사이에 연결되어 구성되며, 상기 램프의 기동시에 기동 공진 주파수를 제공하는 보조공진기동부를 더 포함한다.

바람직하게는, 상기 콘트롤러는 상기 램프의 기동시에 기동 주파수를 상기 기동 공진 주파수까지 스위핑시킨다.

본 발명에 따르면 내부 LC 공진 기동 방식을 이용하여 더욱 낮은 전압으로 HID램프를 점등시킬 수 있고, 고주파 구동방식과 저주파 구동방식을 혼용하여 음향공진현상을 제거할 수 있으며, 저주파 스위칭시 발생되는 공진 전류를 최소화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기의 회로도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터 제어용 스위칭 파형도,
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 일 실시 예에 따른 구간별 동작 상태도,
도 4는 본 발명과의 비교를 위한 인버터 제어용 스위칭 파형도, 및
도 5a 내지 도 5f는 본 발명과의 비교를 위한 구간별 동작 상태도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기의 회로도이다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기는, 정류부(110), PFC 회로부(120), 인버터(130), 주공진기동부(140), 보조공진기동부(150), 콘트롤러(160) 및 램프(170)를 포함한다.

정류부(110)는 상용교류전원을 인가받아 정류하여 출력한다.

PFC 회로부(120)는 정류전압의 역률을 보정하여 출력한다.

인버터(130)는 PFC 회로부(120)의 출력단에 결합되며, 복수의 스위칭 소자(Q1~Q4) 중 대각선 방향의 스위칭 소자들이 쌍을 이루어 교번적으로 동작한다.

주공진기동부(140)는 인버터(130)의 출력단에 직렬연결되는 L1, C1을 포함하여 구성되며, 램프의 기동시에 기본적인 공진회로를 제공한다.

보조공진기동부(150)는 램프(170)와 주공진기동부(140) 사이에 연결되는 C2, C3, T1을 포함하여 구성되며, 램프의 기동시에 보조기동용 공진주파수를 제공한다.

콘트롤러(160)는 램프전압, 인버터 출력전압, 및 인버터 입력전류를 이용하여 인버터(130) 내 스위칭소자의 스위칭을 제어함으로써 램프(170)를 기동 및 구동시킨다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터 제어용 스위칭 파형도이다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 인버터의 스위칭 소자 중 Q1과 Q2는 170Hz의 저주파로 스위칭시키고, Q3와 Q4는 70 내지 90kHz의 고주파로 스위칭시킨다.

정상 상태 모드에서 스위칭 소자 Q1이 턴온 상태로부터 턴오프 상태로 전환하고, 모든 스위칭 소자가 턴오프되는 데드 타임(t3~t4) 경과 후 스위칭 소자 Q2가 턴오프 상태로부터 턴온 상태로 전환하는 경우, 콘트롤러(160)는 인덕터(L1)의 초기 전류값이 0으로 된 상태에서 공진이 발생한 후 스위칭 소자 Q4가 스위칭하도록 스위칭 제어신호를 출력한다.

도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 일 실시 예에 따른 구간별 동작 상태도로서, 도 3a는 t0~t1 구간, 도 3b는 t1~t2 구간, 도 3c는 t2~3t 구간, 도 3d는 t3~t4 구간, 도 3e는 t4~t5 구간, 그리고 도 3f는 t5~t6 구간에서의 동작 상태도이다.

1) t0~t1 구간: Q2, Q3 턴온 상태

스위칭 소자 Q3는 턴온 상태를, 환류 다이오드 D4는 오프 상태를 유지하는 구간으로, 인덕터 L1에는 dIL1/dt = 1/L * VL1 (VL1 = VDC - VLAMP)의 전류가 계속 증가하게 되고, 소정 전류(IL1max)에 도달하게 되는 순간(t1) 스위칭 소자 Q3는 턴 오프된다.

2) t1~t2 구간: CQ3 충전 상태

스위칭 소자 Q3는 온에서 오프 상태로, 환류 다이오드 D4는 오프에서 온 상태로 전환하는 구간으로서, 순간적인 방향 전환을 일으킬 수 없는 인덕터 전류 IL1은 스위칭 소자 Q3에서 스위칭 소자 Q3와 병렬연결된 커패시터 CQ3로 경로를 변경하여 흐르게 된다. VCQ3 = VQ3이므로, 커패시터 CQ3에 흐르는 전류는 ICQ3 = C * dVQ3/dt 만큼 흐르게 된다.

3) t2~t3 구간: 환류(freewheeling) 상태

스위칭 소자 Q3는 오프 상태를, 환류 다이오드 D4는 온 상태를 유지하는 구간으로서, 환류 다이오드 D4의 전압 VD4는 0볼트가 되고, 커패시터 CQ3를 통해 정방향으로 흐르던 전류 IL1은 환류 다이오드 D4를 통해 감소하게 된다. t3 시점에서 전류 IL1은 0암페어가 되고, 커패시터 CQ3와 인덕터 L1의 공진에 의해 역방향으로 전류가 흐르기 시작한다.

4) t3~t4 구간: 데드 타임 상태

모든 스위칭 소자가 오프된 상태를 유지하는 구간으로서, 스위칭 소자 Q1과 Q4의 환류 다이오드 D1 및 D4를 통해 인덕터 전류 IL1이 환류된다.

5) t4~t5 구간: 공진 상태1

스위칭 소자 Q4가 턴온 상태를, 환류 다이오드 D1이 온 상태를 유지하는 구간으로서, t4시점에서 스위칭 소자 Q4와 환류 다이오드 D1이 턴온되고, 인덕터 L1과 커패시터 C1은 직렬 연결되어 공진이 일어난다. 커패시터 전압 VC1은 완전 방전될 때까지 방전되고, 인덕터는 충전되어 인덕터 전류 IL1은 증가한다.

6) t5~t6 구간: 공진 상태2

스위칭 소자 Q4가 턴온 상태를, 환류 다이오드 D1이 온 상태를 유지하는 구간으로서, 커패시터 전압 VC1이 완전 방전되면 음 전압으로 충전하고, 인덕터 L1은 충전모드에서 방전모드로 전환되어 인덕터 전류 IL1이 0이 될 때까지 공진상태를 지속한다.

도 4는 본 발명과의 비교를 위한 인버터 제어용 스위칭 파형도로서, t4 시점에 스위칭 소자 Q1와 Q4가 동시에 턴온된다는 점에서 도 2와 차이가 있다.

도 5a 내지 도 5f는 본 발명과의 비교를 위한 동작 구간별 상태도로서, to 내지 t4 구간에서의 동작은 도 2, 도 3a 내지 도 3f와 대동소이하므로 t4 이후 구간에 대하여 설명한다.

1) t4~t5 구간: Q1, Q4 턴온 상태

스위칭 소자 Q1, Q4가 온 상태를 유지하는 구간으로서, t4시점에서 스위칭 소자 Q1와 Q4가 턴온되고, 인덕터 L1에는 dIL1/dt = 1/L * VL1 (VL1 = VDC +VLAMP)의 비율로 전류가 증가한다.

2) t5~t6 구간: 공진 상태1

스위칭 소자 Q4가 턴온 상태를, 환류 다이오드 D1이 온 상태를 유지하는 구간으로서, t5시점에서 스위칭 소자 Q4와 환류 다이오드 D1이 턴온되고, 인덕터 L1과 커패시터 C1은 직렬 연결되어 공진이 일어난다. 커패시터 C1의 전압이 방전되고, 인덕터 L1은 충전하는 모드로 동작한다.

3) t6~t7 구간: 공진 상태2

스위칭 소자 Q4가 턴온 상태를, 환류 다이오드 D1이 온 상태를 유지하는 구간으로서, 커패시터 전압 VC1이 완전 방전되면 음 전압으로 충전하고, 인덕터 L1은 충전모드에서 방전모드로 전환되어 공진상태를 지속한다. 이러한 공진으로 인하여 t4~t5 구간에서 충전된 초기 전류 IL!에 정현파의 전류가 더해져서 과전류가 생성되어 스위칭 소자에 전류 스트레스를 주게 된다.

한편, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기의 컨트롤러는 램프를 기동상태와 정상상태로 나누어 제어한다.

예컨대, 콘트롤러(160)는 스위칭이 시작되면 램프 기동 주파수를 250kHz로부터 160kHz까지 스위핑한다(이하, '스위핑 제어'라 함). 이는 공진 주파수인 160kHz로부터 비교적 먼 250kHz의 주파수에서 시작하여 공진 주파수에 이르도록 제어함으로써 소프트 스타트하도록 하기 위함이다. 정상 상태에 이르게 되면, 스위칭 소자 Q1 및 Q2는 저주파(예컨대, 170Hz)로 동작시키고, 스위칭 소자 Q3 및 Q4는 고주파(예컨대, 50kHz)로 동작시킨다(이하, '혼합 주파수 제어'라 함). 이를 통해 음향 공명 현상을 회피할 수 있다.

검출된 램프 전압이 10 내지 390볼트 내에 있으면, 램프가 점등된 것으로 판단하고, 이를 벗어나면 램프가 소등된 것으로 판단한다. 램프가 점등된 것으로 판단되면, 혼합 주파수 제어를 수행하고, 램프가 소등된 것으로 판단되면, 스위핑 제어를 수행한다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

110: 정류부
120: PFC 회로부
130: 인버터
140: 주공진기동부
150: 보조공진기동부
160: 콘트롤러
170: 램프

Claims (3)

1. 상용교류전원을 인가받아 정류하여 출력하는 정류부;
   상기 정류부로부터 출력되는 전압의 역률을 보정하여 출력하는 PFC 회로부;
   상기 PFC 회로부의 출력단에 결합되며, 두 쌍의 스위칭 소자가 교번적으로 동작하는 인버터; 및
   상기 인버터 내 스위칭소자의 스위칭을 제어함으로써 상기 램프를 기동 및 구동시키는 콘트롤러를 포함하며,
   상기 램프가 정상 상태에 이르면, 상기 콘트롤러는, 상기 두쌍의 스위칭 소자 중 적어도 어느 한쌍의 스위칭 소자에 대하여 서로 상이한 주파수로 동작시키고, 상기 어느 한쌍의 스위칭 소자가 동일한 시점에 턴온 상태로 전환되지 않도록 제어하는 것
   을 특징으로 하는 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 인버터의 출력단에 직렬연결되어 상기 램프의 기본 공진회로를 제공하는 주공진기동부; 및
   상기 램프와 상기 주공진기동부 사이에 연결되어 구성되며, 상기 램프의 기동시에 기동 공진 주파수를 제공하는 보조공진기동부
   를 더 포함하는 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 콘트롤러는 상기 램프의 기동시에 기동 주파수를 상기 기동 공진 주파수까지 스위핑시키는 것을 특징으로 하는 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기.

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