KR20130082085A - 전자 고휘도 방전 안정기를 위한 개방 회로 전압 클램프 - Google Patents

전자 고휘도 방전 안정기를 위한 개방 회로 전압 클램프 Download PDF

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KR20130082085A
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제프리 글렌 펠티
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Abstract

인버터(140)를 구동하기 위해 DC 출력 전압(122)을 제공하는 듀얼 모드 벅 컨버터(120)를 포함하는 전자 고휘도 방전 안정기(102)가 제공되며, 여기에서 벅 컨버터(120)는 정상 동작 중에 DC 출력 전압(122)을 제 1 값으로 조절하며 클램프 회로(134)는 컨버터 DC 출력이 기준값(Vref)을 초과할 때 DC 출력 개방 회로 전압을 클램프하기 위해 컨버터 모드를 변경한다.

Description

전자 고휘도 방전 안정기를 위한 개방 회로 전압 클램프{OPEN CIRCUIT VOLTAGE CLAMP FOR ELECTRONIC HID BALLAST}
전자 안정기는 인공 조명 응용에서 형광 램프 및 고휘도 방전(high intensity discharge(HID))램프와 같은 램프를 시작 및 구동하는데 이용된다. 일반적으로, 안정기는 입력 AC 전력을 중간 DC로 변환하고 출력단 인버터는 램프를 구동하기 위해 AC 출력을 발생시키며, 어떤 안정기에서의 입력 AC의 중간 DC로의 변환은 역률 보정을 수반한다. 정상 동작 중에, 안정기는 램프 부하를 구동하는 AC 신호의 진폭을 조절하도록 폐루프 방식으로 동작한다. 그러나, 램프 부하가 그러한 안정기로부터 제거될 때, 인버터 출력 전압(개방 회로 전압)은 중간 DC 전압 레벨만큼 높을 수 있다. 어떤 상황에서, 그러한 높은 개방 회로 전압 레벨이 바람직하지 않을 수 있으며, 과도한 개방 회로 전압 없이 고휘도 방전 램프에 조절된 AC 구동 전류를 제공하도록 개선된 고휘도 방전 안정기 설계에 대한 필요가 존재한다.
고휘도 방전 램프를 구동하는 전자 고휘도 방전 안정기가 제공된다. 안정기는 AC 입력을 수신하고 정류된 DC 전압 출력을 제공하는 정류기 회로를 포함한다. 안정기는 또한 벅 DC - DC 컨버터를 포함하며, 어떤 실시예들은 정류기로부터 정류된 DC 전압을 수신하며 제 1 컨버터 DC 출력 전압을 제공하기 위해 초기 부스트 타입 DC - DC 컨버터를 포함한다. 벅 컨버터는 제 1 컨버터 DC 출력을 수신하며 제 2 컨버터 DC 출력 전압을 제공하며, 하나 이상의 스위칭 디바이스를 갖는 인버터 회로는 고휘도 방전 램프에 AC 출력을 제공하기 위해 벅 컨버터 출력을 변환한다. 어떤 실시예들은 정류기 출력을 수신하며 벅 컨버터의 입력에 중간 DC 전압을 제공하는 부스트 컨버터 회로를 포함한다. 어떤 구현에서의 부스트 컨버터는 안정기 역률을 제어하는 역률 보정 컴포넌트를 포함한다.
벅 컨버터는 벅 컨버터 입력과 벅 컨버터 출력 사이에 순방향 및 역방향 회로 경로를 포함하며, 그 중 하나는 벅 컨버터 입력 및 벅 컨버터 출력을 선택적으로 결합하기 위해 벅 컨버터 스위치 제어 신호에 의해 구동되는 스위칭 디바이스와 직렬로 결합된 인덕턴스뿐만 아니라, 스위치 및 인덕턴스를 연결하는 노드와 다른 회로 경로 사이에 결합된 프리휠링 다이오드를 포함한다. 안정기 내의 벅 제어 회로는 모드 제어 입력 신호에 따라 컨버터 스위칭 디바이스를 제어한다. 모드 제어 입력 신호가 제 1 레벨에 있을 때, 제어 회로는 제 2 컨버터 DC 출력 전압을 주어진 램프 부하의 정격 전압 레벨과 같은 제 1 값으로 조절하기 위해 벅 컨버터 스위치 제어 신호를 제공한다. 그러나, 모드 제어 입력 신호가 상이한 제 2 레벨에 있을 때, 제어 회로는 제 2 컨버터 DC 출력 전압이 제 2 값을 초과하는 것을 방지하기 위해 벅 컨버터 스위치 제어 신호를 수정하며, 제 2 값은 제 1 컨버터 DC 출력 전압보다 낮다.
개시된 안정기는 벅 컨버터 제어 회로에 모드 제어 신호를 선택적으로 제공함으로써 벅 컨버터 출력을 조절하기 위해 클램프 회로를 더 포함한다. 클램프 회로는 벅 컨버터 출력 전압을 감지하며 감지된 전압이 기준값보다 아래일 때 제 1 레벨에서 모드 제어 신호를 제공한다. 그러나, 벅 컨버터 출력 전압이 임계값을 초과하면, 클램프 회로는 정상 전력 제어 루프를 오버라이드하고 그것에 의해 제어 회로로 하여금 제 2 컨버터 DC 출력 전압이 제 2 값을 초과하는 것을 방지하기 위해 제 2 레벨에서 모드 제어 신호를 제공한다.
어떤 실시예들에 있어서, 벅 컨버터 제어 회로는 모드 제어 입력 신호가 제 2 레벨에 있을 때 스위칭 디바이스를 턴 오프한다. 더욱이, 벅 제어 회로는 타이머를 포함하고 스위칭 디바이스가 턴 오프된 후 미리 결정된 기간에 벅 컨버터 스위치 제어 신호를 재시작할 수 있다.
어떤 실시예들에 있어서, 벅 컨버터 제어 회로는 CRM(Critical Conduction Mode) 컨트롤러를 포함하고 클램프 회로는 CRM 컨트롤러의 디스에이블 입력에 모드 제어 입력 신호를 제공한다. 이 경우에, 모드 제어 입력 신호가 제 1 레벨에 있을 때, CRM 컨트롤러는 제 2 컨버터 DC 출력 전압을 제 1 값으로 조절하기 위해 스위칭 디바이스에 벅 컨버터 스위치 제어 신호를 제공하고, 모드 제어 입력 신호가 제 2 레벨에 있을 때, CRM 컨트롤러는 스위칭 디바이스를 턴 오프한다.
어떤 실시예들 또는 클램프 회로는 제 2 컨버터 DC 출력 전압을 나타내는 피드백 신호를 제공하는 피드백 회로뿐만 아니라, 기준 회로, 비교기, 및 클램프 회로 스위칭 디바이스도 포함한다. 기준 회로는 벅 컨버터 출력의 개방 회로 출력 전압이 제한되어야 하는 기준값을 나타내는 기준 전압 신호를 제공하며, 비교기 회로는 피드백 신호와 기준 전압 신호를 비교한다. 클램프 회로 스위치는 비교기 출력에 결합되며 피드백 신호가 기준 전압 신호보다 작을 때 제 1 레벨에서 및 피드백 신호가 기준 전압 신호보다 클 때 제 2 레벨에서 모드 제어 입력 신호를 제공한다.
하나 이상의 예시적 실시예들이 이하의 상세한 설명 및 도면에 설명되어 있다.
도 1은 전자 고휘도 방전 안정기가 방전 램프 부하를 구동하며 하나의 동작 모드에서 컨버터 출력을 제한하기 위해 하이측 벅 컨버터 회로 및 클램프 회로를 포함하는 예시적 인공 조명 시스템을 예시하는 개략도이다.
도 2는 로우측 벅 컨버터 회로 및 클램프 회로를 갖는 다른 예시적 전자 고휘도 방전 안정기를 예시하는 개략도이다.
도 3은 전자 고휘도 방전 안정기 내의 로우측 벅 컨버터 및 클램프 회로 실시예의 추가적인 상세를 예시하는 개략도이다.
도 4는 도 3의 안정기 내의 예시적 램프 및 인버터 출력 전압 파형뿐만 아니라 벅 회로 스위치 제어 파형도 예시하는 그래프이다.
이제 도면을 참조하면, 유사한 참조 번호는 유사한 요소 전부를 지칭하기 위해 도면에 이용되며, 각종 특징은 반드시 일정한 축척으로 도시되지 않는다. 본 명세서는 고휘도 방전 안정기에 관한 것이며 고정 또는 범용 AC 입력 전압에 의해 동작될 수 있는 어떤 예시적 저주파수 구형파 전자 고휘도 방전 안정기와 함께 예시될 것이다.
도 1 및 도 2는 전자 고휘도 방전 안정기(102)가 AC 공급원(104)으로부터 전력을 수신하며 방전 램프(108)를 구동하기 위해 AC 출력(106)을 제공하는 예시적 인공 조명 시스템(100)을 예시한다. 안정기(102)는 안정기 입력(104)으로부터 단상 또는 다상 AC 전력을 수신 및 정류하는 정류기(110)를 포함하며, 여기서 4개의 다이오드(도시되지 않은)를 갖는 풀 브리지 정류기와 같은 임의의 형태의 능동 또는 수동, 전파 또는 반파 정류기(110)가 일실시예에 있어서 이용될 수 있다. 정류기(110)는 벅 컨버터 회로(120)에 제 1 컨버터 DC 출력 전압을 제공하는 부스트 컨버터 출력(116)을 갖는 부스트 컨버터 회로(114)에 정류된 DC 전압을 제공하는 출력(112)을 갖는다. 어떤 실시예들에 있어서, 부스트 컨버터 회로(114)는 안정기(102)의 역률을 제어하도록 동작하는 역률 보정 컴포넌트(114a)를 갖는다. 다른 실시예들에 있어서, 부스트 컨버터(114)는 정류기(110)가 벅 컨버터(120)에 입력으로서 정류된 DC 전압(112)을 제공하는 경우에 생략될 수 있다. 벅 컨버터(120)는 제 1 컨버터 DC 출력 전압을 수신하는 입력(도 1 및 도 2 내의 Vin)뿐만 아니라, 제 2 컨버터 DC 출력 전압을 제공하는 출력(122)(도 1 및 도 2 내의 Vout)도 포함한다. 안정기(102)는 인버터 출력(106)에서 램프(108)를 구동하는 AC 출력 전압을 제공하기 위해 제 2 컨버터 DC 출력 전압을 변환하는 벅 컨버터 출력(122)에 동작적으로 결합된 인버터(140)를 포함한다. 인버터(140)는 예컨대 인버터 컨트롤러(150)로부터의 인버터 제어 신호(152)에 따라 동작되는 스위칭 디바이스를 포함하는 임의의 적절한 DC - AC 컨버터일 수 있으며, 변압기 또는 입력 전력으로부터 AC 출력(106)을 분리하는 다른 분리 컴포넌트(도시되지 않은)를 선택적으로 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 순방향 회로 경로는 벅 컨버터 입력과 벅 컨버터 출력(122) 사이에서 연장되며, 역방향 회로 경로는 벅 컨버터 입력과 벅 컨버터 출력(122) 사이에서 연장된다. 도 1의 실시예는 상부(순방향) 회로 분기에서 스위칭 디바이스(S)를 갖는 '하이측' 벅 컨버터(120a)를 포함하는 반면에, 도 2는 하부(역방향) 회로 분기에서 스위치(S)를 갖는 '로우측' 벅 컨버터(120b) 실시예를 도시한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 하이측 벅 컨버터 회로(120a)는 벅 컨버터 스위치 제어 신호(132)에 따라 전도를 수행하거나 방해하기 위해 전도(저임피던스) 또는 비전도(고임피던스)되도록 선택적으로 동작되는 순방향(상부) 회로 경로에서 스위치(S)를 포함한다. 스위칭 디바이스(S)는 ON 또는 전도 상태와 OFF 또는 비전도 상태를 스위칭하기 위해 컨트롤러(130)로부터의 하나 이상의 전기 제어 신호(132)를 통해서 동작 가능한 임의의 적절한 형태의 스위치, 예컨대 MOSFET, IGBT, 또는 다른 반도체 기반 스위칭 컴포넌트 또는 스위칭 컴포넌트의 조합일 수 있다(예를 들어, S는 대응하는 제어 신호(132)에 따라 ON 상태와 OFF 상태를 선택적으로 천이시키는 동작을 위해 직렬 또는 병렬로 연결된 두개 이상의 반도체 기반 스위치를 포함할 수 있음). 스위칭 디바이스(S)의 동작은 순방향 회로 경로에서 벅 컨버터 입력 및 벅 컨버터 출력(122)을 선택적으로 결합한다. 이 실시예에서의 순방향 경로는 또한 스위칭 디바이스(S)와 직렬로 결합된 인덕턴스(L)를 포함하고, 벅 컨버터(120a)는 또한 출력(122)에 걸쳐서 출력 필터 커패시턴스(C)를 포함하지만, 본 명세서의 엄격한 필요조건이 아니다. 게다가, 컨버터(120a)는 역방향 경로와 스위칭 디바이스(S) 및 인덕턴스(L)를 연결하는 순방향 경로의 노드 사이에 결합된 프리휠링 다이오드(D1)를 포함한다. 동작 중에, 스위칭 디바이스(S)의 선택적 작동은 통상 벅 컨버터 입력 전압(Vin) 이하인 조절된 출력 전압(Vout)을 생성하는 경우에, 스위치(S)의 폐쇄는 부스트 컨버터(114)에 의해 제공되는 전류로 인덕턴스(L)를 충전하며, 스위치의 개방은 인버터(140)로부터의 역방향 전류가 다이오드(D1)를 흐르게 한다.
도 2 및 도 3의 실시예들에 있어서, 벅 컨버터(120b)는 스위칭 디바이스(S)(도 3 내의 Q2)가 역방향 회로 경로에서 결합되며 역방향 회로 경로에서 벅 컨버터 입력 및 벅 컨버터 출력(122)을 선택적으로 결합하기 위해 벅 컨버터 스위치 제어 신호(132)에 따라 동작하는 로우측 벅 컨버터 회로이다. 더욱이, 이 구현에서, 인덕턴스(L)(도 3 내의 변압기 권선(T1a))는 역방향 회로 경로에서 스위칭 디바이스(S)(Q2)와 직렬로 결합되며, 프리휠링 다이오드(D1)는 순방향 회로 경로와 스위칭 디바이스(S)(Q2) 및 인덕턴스(L)(T1a)를 연결하는 역방향 회로 경로의 노드 사이에 결합된다.
벅 스위칭 제어 신호(130)는 벅 컨버터 제어 회로(130)에 의해 제공된다. 벅 컨버터 컨트롤러(130)는 임의의 적절한 하드웨어, 프로세서 실행 소프트웨어, 프로세서 실행 펌웨어, 구성가능/프로그램가능 로직, 또는 그 조합일 수 있으며 그것에 의해 스위칭 디바이스(S)를 구동하기 위한 적절한 스위칭 제어 신호(132)는 제 2 컨버터 DC 출력(Vout)을 발생시키기 위해 입력 전압(Vin)의 원하는 변환을 구현하도록 발생될 수 있다. 제어 회로(130)는 클램프 회로(134)로부터 모드 제어 입력 신호(136)를 수신하며 모드 제어 입력 신호(136)가 제 2 컨버터 DC 출력 전압을 제 1 값으로 조절하기 위해 벅 컨버터 스위치 제어 신호(132)를 제공하도록 제 1 레벨에 있을 때 동작한다. 예를 들어, 공칭 90 볼트 동작에 정격된 어떤 타입의 고휘도 방전 램프 부하(108)에 대해, 벅 컨버터 공칭 조절 포인트는 약 100 볼트 DC의 제 1 값일 수 있어서 인버터(140)에 의한 램프 출력(106)의 후속 AC 조절은 부하(108)를 수용하기 위해 충분한 상측 공간(headroom)을 갖는다. 다른 제 1 조절 포인트 값은 인버터(140) 및 부하(108)의 필요조건에 따라 제어 회로(130)에 의해 이용될 수 있다. 인버터 회로(140)는 출력(122)으로부터 제 2 컨버터 DC 출력 전압을 수신하며 하나의 고휘도 방전 램프(108)를 구동하기 위해 인버터 출력(106)에서 AC 출력 전압을 제공하도록 제 2 컨버터 DC 출력 전압을 변환하는 인버터 컨트롤러(150)로부터의 인버터 스위칭 제어 신호(152)에 따라 동작되는 복수의 인버터 스위칭 디바이스(예를 들어, 도 3 내의 Q3-Q6)를 이용한다.
모드 제어 입력 신호(136)가 제 2 레벨에 있을 때, 제어 회로(130)는 제 2 컨버터 DC 출력 전압이 제 2 값을 초과하는 것을 방지하기 위해 벅 컨버터 스위치 제어 신호(132)를 수정하며, 여기서 제 2 값은 제 1 컨버터 DC 출력 전압(Vin보다 낮은)보다 낮다. 예를 들어, 램프(108)가 HR(hot restrike)을 겪거나 램프(108)가 시스템(100)으로부터 제거되는 경우에, 램프홀더 단자에 걸친 AC 출력 전압(106)은 부스트 컨버터 출력보다 낮은 제 2 값으로 벅 컨버터 출력(122)을 제어함으로써 유리하게 제한될 수 있다. 일 예에 있어서, 120 볼트 AC 입력은 약 300 볼트 DC의 제 1 컨버터 DC 출력 전압을 제공하기 위해 부스트 컨버터(114)에 의해 변환될 수 있다. 그러나, 역률 및 THD(total harmonic distortion)를 고효율로 개선하기 위해 부스트 PFC 컨버터(114)가 이용되는 경우에, PFC 회로(114a)는 최대 피크 입력 전압보다 큰 제 1 컨버터 출력 전압(116)을 필요할 수 있고, 안정기(102)는 범용 입력(104)을 갖는 것이 필요할 수 있다. 범용 입력 전압 범위에 대해, 부스트 PFC의 전형적인 출력 대략 450Vdc이다. 예를 들어, 안정기(102)는 120V, 230V, 또는 277V AC 입력 레벨을 수용할 수 있고, 부스트 컨버터는 약 450 볼트 DC까지 벅 컨버터(120)에 Vin을 제공할 수 있다. 이 경우에, 램프(108)가 제거될 때 300 볼트 또는 일부 다른 값에 램프 출력 단자 전압을 제한하는 것이 바람직할 수 있다. 이 상황에서, 클램프 회로는 벅 컨버터 출력을 제 2 레벨(예를 들어, 300 VDC)에 제한해서 인버터(140)로부터의 AC 출력(예를 들어, 구형파 출력)은 300 볼트 피크-피크 이하에 잔존한다. 따라서, 전자 고휘도 방전 안정기(102)는 각종 상이한 입력 전력 레벨을 수용하고 램프(108)가 제거될 때와 같이, 벅 컨버터 제어 회로(130)에 의해 제공되는 듀얼 모드 제어를 통해 AC 출력(106)이 원하는 최대 전압 레벨 이하에 잔존하는 것을 여전히 보증할 수 있다.
특히 도 3을 참조하면, 클램프 회로(134)는 제 2 컨버터 DC 출력 전압(Vout)을 감지하기 위해 벅 컨버터 출력(122)은 동작적으로 결합되며 벅 컨버터 제어 회로(130)에 모드 제어 입력 신호(136)를 제공한다. 동작 중에, 클램프 회로(134)는 제 2 컨버터 DC 출력 전압(Vout)이 기준값(Vref)보다 작을 때 제 1 레벨에서 모드 제어 입력 신호(136)를 제공하고, Vout가 Vref보다 클 때 제 2 레벨에서 모드 제어 입력 신호(136)를 제공한다. 도 3의 실시예에 있어서, 벅 컨버터 제어 회로(130)는 스위칭 디바이스(Q2)(S)를 턴 오프하기 위해 모드 제어 입력 신호(136)가 제 2 레벨에 있을 때 동작하고, 또한 스위칭 디바이스(Q2)가 턴 오프된 후 미리 결정된 기간에 벅 컨버터 스위치 제어 신호(132)를 재시작하도록 동작하는 타이머(131)를 포함한다. 도 3의 실시예에 있어서, 더욱이, 벅 컨버터 제어 회로(130)는 클램프 회로(134)로부터 모드 제어 입력 신호(136)를 수신하는 ZCD 입력을 갖는 CRM(Critical Conduction Mode) 컨트롤러(U2)를 포함한다. 모드 제어 입력 신호(136)가 제 1 레벨(하이)에 있을 때, CRM 컨트롤러(U2)는 Vout를 제 1 값으로 조절하기 위해, 예컨대 공칭 조건 하에 램프 부하(108)를 구동하기 위해 스위칭 디바이스(Q2)에 벅 컨버터 스위치 제어 신호(132)를 제공한다. 모드 제어 입력 신호(136)가 제 2(로우) 레벨에 있을 때(예를 들어, 램프(108)가 제거될 때), 컨트롤러(U2)는 스위칭 디바이스(Q2)를 턴 오프하며, 그 후 타이머(131)를 이용하여 미리 결정된 시간 후에 컨버터(120b)를 재시작하고자 시도한다.
이 실시예에 있어서, 클램프 회로(134)는 제 2 컨버터 DC 출력 전압(도 3 내의 'Com_in'에 대한)을 나타내는 피드백 신호(Vfb)를 제공하는 R1 및 R2를 포함하는 피드백 회로뿐만 아니라, 벅 컨버터 출력(122)의 개방 회로 출력 전압이 제한되어야 하는 기준값을 나타내는 기준 전압 신호(Vref)를 제공하는 기준 회로(Vcc, R3, 및 R4)를 포함한다. U1, R5, 및 R6을 포함하는 비교기 회로는 피드백 신호(Vfb)와 기준 전압 신호(Vref)를 비교하며, U1의 출력은 Vfb가 Vref보다 작을 때 Q1이 제 1 레벨에서 모드 제어 입력 신호(136)를 제공하며 Vfb가 Vref보다 클 때 제 2 레벨에서 모드 제어 입력 신호(136)를 제공하도록 스위칭 디바이스(Q1)(예를 들어, MOSFET)의 게이트를 구동한다.
정상 동작(Q1 오프를 갖는) 중에, 컨트롤러(U2)는 램프에 제공된 전력을 조절하는 동안 입력 전압(Vin)을 Vout(예를 들어, 일 구현에서의 85-11OV)에서 적절한 램프 전압 아래로 감소시키기 위해 벅 컨버터 스위치(Q2)의 임계 전도 모드 동작을 제공한다. 인버터(140)는 구형파의 최대값이 CRM 벅 컨버터(120b)의 DC 출력 전압(Vout)과 같은 경우에, 구형파 AC 출력(106)을 램프(108)에 발생시키기 위해 Vout를 이용한다. CRM 컨트롤러(U2)는 ZCD(Zero Current Detect) 입력을 제어하기 위해 다이오드(D1)를 통과하는 전류가 변압기 권선(T1b) 및 저항(R7)을 통해 제로에 도달하는지를 인식한다. 클램프 회로(134)는 항(R1 및 R2)을 통해 전압차(Vin - Vout)를 감시하고 Q1의 선택적 작동에 의한 Vref에 의해 설정되는 원하는 레벨에서 Vout를 선택적으로 클램프한다. 비교기 회로는 연산 증폭기, 비교기, 또는 개별 컴포넌트 버전일 수 있는 U1을 포함한다. 도시된 바와 같이, U1은 R6을 풀업 저항으로서 이용하는 개방 콜렉터 출력을 갖는 비교기이다. 원하는 설정 포인트(Vref)는 분할기 저항(R3 및 R4)의 값 및 Vcc의 레벨에 의해 설정되고, 기준 신호(Vref)는 진폭이 R3 및 R4와 조합하여 히스테리시스 저항(R5)에 기초한 상태에서, DC 오프셋을 갖는 구형파일 것이다.
또한 도 4를 참조하면, 벅 컨버터(120b), 벅 컨트롤러(130), 및 클램프 회로(134)의 예시적 동작은 출력 램프 전압(106), 스위치(Q2)의 게이트-소스 전압(스위치 제어 신호(Vgs))(132), 및 벅 컨버터 출력 전압(Vout)(122)을 도시하는 곡선(106)을 포함하는 도 4의 그래프(200)에 도시되어 있다. Vout가 너무 높을 때, U1의 출력이 높아져서, 트랜지스터(Q1)가 턴 온되게 할 것이다. 이것은 컨트롤러(U2)의 ZCD 핀을 낮게 풀링하고(pull), 컨트롤러(U2)는 스위치(Q2)(Q2에 대한 게이트 신호를 턴 오프하는)를 디스에이블함으로써 응답한다. 그 다음, Vout는 인버터(140)의 부하를 통해 방전될 것이다. Vref 아래로 다시 천이되는 Vfb에 의해 검출되는 포인트까지 Vout가 감소할 때, 비교기 출력은 Q1을 다시 턴 오프하기 위해 낮게 리턴될 것이다. 이것은 컨트롤러(U2)의 ZCD 핀을 해제한다. 컨트롤러(U2)의 내부 타이머(131)가 타임 아웃되면(예를 들어, 마이크로초 범위), Q2의 게이트 신호가 하이가 되고 벅 컨버터(140)는 재시작을 시도하기 위해 다시 턴 온되며, 제 2 컨버터 출력 전압(Vout)이 이제 증가될 것이다. 이 프로세스는 램프(108)가 제거된 조건을 위해 도 4에 도시된 바와 같이 계속될 수 있고, 따라서 램프 출력 전압이 클램프되며(예를 들어, 예시된 예에서 +/-300v에) 벅 컨버터 출력 전압은 원하는 Vout와 같은 DC 바이어스를 갖는 톱니파 형상을 취한다. 이 경우의 톱니 주기는 인버터 부하(도 3 내의 벅 컨버터의 출력 캡(C)의 커패시턴스 값을 포함하는)에 대한 전압 방전율, U1 회로조직 내의 임의의 프롭 지연(prop delay), 및 벅 컨트롤러(U2)의 타이머(131)에 의해 결정되며, 그것은 도 4에 보여지는 바와 같이 분리되고 인버터 스위칭 주기와 독립적이다. 클램프된 출력 동작의 이러한 형태는 램프가 교체 및 시작될 때까지(그래프(200)에 도시되지 않은) 계속된다. 따라서, 안정기(102)는 PFC 프런트 엔드 동작의 가능성과 함께, 범용 입력 레벨을 수용하고, 또한 회로 성능을 손상시키는 것 없이 출력 전압의 클램핑을 제공하므로, 커패시터 및 저항과 같은 저전압 부품의 사용 및/또는 안정기(102)를 구현하는 컴포넌트의 수의 감소를 가능하게 할 수 있다.
상기 예는 본 개시의 각종 양상의 여러 가능한 실시예를 단지 예시하는 것이며, 여기에서 이 명세서 및 첨부된 도면을 판독 및 이해할 시에 등가의 변경 및/또는 수정이 당업자에게 생각될 것이다. 특히 전술된 컴포넌트(어셈블리, 디바이스, 시스템, 회로, 및 유사한 것)에 의해 수행되는 각종 기능에 관련해서, 이러한 컴포넌트를 설명하는데 사용된 용어("수단"에 대한 지칭을 포함함)는 달리 지시되지 않는 한 본 개시의 예시된 구현에서의 기능을 수행하는 개시된 구조와 구조적으로 등가는 아닐지라도,설명된 컴포넌트(즉, 기능적으로 등가임)의 특정 기능을 수행하는 하드웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 조합과 같은 임의의 컴포넌트에 대응하도록 의도된 것이다. 또한, 본 개시의 특정 특징이 여러 구현 중 오직 하나에 대하여 예시 및/또는 설명될 수 있을지라도, 이러한 특징은 임의의 주어진 또는 특정 응용에 대해 바람직하거나 유리할 수 있도록 다른 구현의 하나 이상의 다른 특징과 조합될 수 있다. 또한, 단수의 컴포넌트 또는 아이템에 대한 지칭은 달리 특정되지 않는 한 두 개 이상의 이러한 컴포넌트 또는 아이템을 포함하도록 의도된 것이다. 또한, "포함한(including)", "포함한다(includes)", "갖는(having)", "갖는다(has)", "구비한(with)"과 같은 용어 또는 이들의 변형이 상세한 설명 및/또는 청구항에서 사용되는 한, 이러한 용어는 "포함하는(comprising)"이라는 용어와 유사한 방식으로 포괄적이도록 의도된 것이다. 본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었다. 이전의 상세한 설명을 판독하며 이해할 시에 수정 및 변경이 다른 자에게 생각될 것이다. 본 발명은 이러한 수정 및 변경을 모두 포함하는 것으로서 해석되도록 의도된다.

Claims (20)

  1. 고휘도 방전(high intensity discharge(HID)) 램프를 구동하기 위한 전자 HID 안정기(ballast)로서,
    입력 AC 전력을 수신하도록 동작하며, 정류된 DC 전압을 제공하는 정류기 출력을 갖는 정류기 회로와,
    상기 정류된 DC 전압을 수신하도록 동작하며, 제 1 컨버터 DC 출력 전압을 제공하는 부스트 컨버터 출력을 갖는 부스트 컨버터 회로와,
    상기 제 1 컨버터 DC 출력 전압을 수신하도록 동작하는 벅 컨버터 입력, 제 2 컨버터 DC 출력 전압을 제공하는 벅 컨버터 출력, 상기 벅 컨버터 입력과 상기 벅 컨버터 출력 사이의 순방향 회로 경로, 및 상기 벅 컨버터 입력과 상기 벅 컨버터 출력 사이의 역방향 회로 경로를 포함하는 벅 컨버터 - 상기 벅 컨버터는,
    상기 순방향 회로 경로 및 상기 역방향 회로 경로 중 제 1 경로에서 결합되며, 상기 순방향 회로 경로 및 상기 역방향 회로 경로 중 상기 제 1 경로에서 상기 벅 컨버터 입력 및 상기 벅 컨버터 출력을 선택적으로 결합하기 위해 벅 컨버터 스위치 제어 신호에 따라 동작 가능한 스위칭 디바이스와,
    상기 순방향 회로 경로 및 상기 역방향 회로 경로 중 상기 제 1 경로에서 상기 스위칭 디바이스와 직렬로 결합되는 인덕턴스와,
    상기 스위칭 디바이스 및 상기 인덕턴스를 연결하는 상기 순방향 회로 경로 및 상기 역방향 회로 경로 중 상기 제 1 경로의 노드와 상기 순방향 회로 경로 및 상기 역방향 회로 경로 중 제 2 경로 사이에 결합되는 프리휠링(freewheeling) 다이오드와,
    모드 제어 입력 신호를 수신하고, 상기 제 2 컨버터 DC 출력 전압을 제 1 값으로 조절하기 위해 상기 벅 컨버터 스위치 제어 신호를 상기 스위칭 디바이스에 제공하도록 상기 모드 제어 입력 신호가 제 1 레벨에 있을 때 동작하고, 상기 제 2 컨버터 DC 출력 전압이 제 2 값을 초과하는 것을 방지하기 위해 상기 벅 컨버터 스위치 제어 신호를 수정하도록 상기 모드 제어 입력 신호가 제 2 레벨에 있을 때 동작하며, 상기 제 2 값은 상기 제 1 컨버터 DC 출력 전압보다 낮은 벅 컨버터 제어 회로를 포함함 - 와,
    상기 제 2 컨버터 DC 출력 전압을 수신하도록 동작하며, HID 램프를 구동하기 위해 인버터 출력에서 AC 출력 전압을 제공하도록 상기 제 2 컨버터 DC 출력 전압을 변환하는 인버터 스위칭 제어 신호에 따라 동작하는 복수의 인버터 스위칭 디바이스를 포함하는 인터버 회로와,
    상기 제 2 컨버터 DC 출력 전압을 감지하기 위해 상기 벅 컨버터 출력과 동작적으로 결합되며 상기 벅 컨버터 제어 회로에 상기 모드 제어 입력 신호를 제공하도록 동작적으로 결합되는 클램프 회로 - 상기 클램프 회로는 상기 제 2 컨버터 DC 출력 전압이 기준값보다 작을 때 상기 제 1 레벨에서 그리고 상기 제 2 컨버터 DC 출력 전압이 상기 기준값보다 클 때 상기 제 2 레벨에서 상기 모드 제어 입력 신호를 제공하도록 동작함 - 를 포함하는
    전자 HID 안정기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 벅 컨버터 제어 회로는 상기 스위칭 디바이스를 턴 오프하기 위해 상기 모드 제어 입력 신호가 상기 제 2 레벨에 있을 때 동작하는
    전자 HID 안정기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 벅 컨버터 제어 회로는 상기 스위칭 디바이스가 턴 오프된 후 미리 결정된 기간에 상기 벅 컨버터 스위치 제어 신호를 재시작하도록 동작하는 타이머를 포함하는
    전자 HID 안정기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 벅 컨버터 제어 회로는 상기 클램프 회로로부터 상기 모드 제어 입력 신호를 수신하는 디스에이블 입력을 갖는 CRM(Critical Conduction Mode) 컨트롤러를 포함하며, 상기 CRM 컨트롤러는 상기 제 2 컨버터 DC 출력 전압을 상기 제 1 값으로 조절하기 위해 상기 스위칭 디바이스에 상기 벅 컨버터 스위치 제어 신호를 제공하도록 상기 모드 제어 입력 신호가 상기 제 1 레벨에 있을 때 동작하며, 상기 스위칭 디바이스를 턴 오프하기 위해 상기 모드 제어 입력 신호가 상기 제 2 레벨에 있을 때 동작하는
    전자 HID 안정기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 클램프 회로는
    상기 제 2 컨버터 DC 출력 전압을 나타내는 피드백 신호를 제공하는 피드백 회로와,
    상기 벅 컨버터 출력의 개방 회로 출력 전압이 제한되어야 하는 기준값을 나타내는 기준 전압 신호를 제공하는 기준 회로와,
    상기 피드백 신호와 상기 기준 전압 신호를 비교하도록 동작하는 비교기 회로와,
    상기 비교기 회로의 출력과 동작적으로 결합되는 스위칭 디바이스 - 상기 스위칭 디바이스는 상기 피드백 신호가 상기 기준 전압 신호보다 작을 때 상기 제 1 레벨에서 상기 모드 제어 입력 신호를 제공하며 상기 피드백 신호가 상기 기준 전압 신호보다 클 때 상기 제 2 레벨에서 상기 모드 제어 입력 신호를 제공하도록 동작함 - 를 포함하는
    전자 HID 안정기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 부스트 컨버터 회로는 상기 안정기의 역률(power factor)을 제어하도록 동작하는 역률 보정 컴포넌트를 포함하는
    전자 HID 안정기.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 클램프 회로는
    상기 제 2 컨버터 DC 출력 전압을 나타내는 피드백 신호를 제공하는 피드백 회로와,
    상기 벅 컨버터 출력의 개방 회로 출력 전압이 제한되어야 하는 기준값을 나타내는 기준 전압 신호를 제공하는 기준 회로와,
    상기 피드백 신호와 상기 기준 전압 신호를 비교하도록 동작하는 비교기 회로와,
    상기 비교기 회로의 출력과 동작적으로 결합되는 스위칭 디바이스 - 상기 스위칭 디바이스는 상기 피드백 신호가 상기 기준 전압 신호보다 작을 때 상기 제 1 레벨에서 상기 모드 제어 입력 신호을 제공하며 상기 피드백 신호가 상기 기준 전압 신호보다 클 때 상기 제 2 레벨에서 상기 모드 제어 입력 신호를 제공하도록 동작함 - 를 포함하는
    전자 HID 안정기.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 부스트 컨버터 회로는 상기 안정기의 역률을 제어하도록 동작하는 역률 보정 컴포넌트를 포함하는
    전자 HID 안정기.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 클램프 회로는
    상기 제 2 컨버터 DC 출력 전압을 나타내는 피드백 신호를 제공하는 피드백 회로와,
    상기 벅 컨버터 출력의 개방 회로 출력 전압이 제한되어야 하는 기준값을 나타내는 기준 전압 신호를 제공하는 기준 회로와,
    상기 피드백 신호와 상기 기준 전압 신호를 비교하도록 동작하는 비교기 회로와,
    상기 비교기 회로의 출력과 동작적으로 결합되는 스위칭 디바이스 - 상기 스위칭 디바이스는 상기 피드백 신호가 상기 기준 전압 신호보다 작을 때 상기 제 1 레벨에서 상기 모드 제어 입력 신호를 제공하며 상기 피드백 신호가 상기 기준 전압 신호보다 클 때 상기 제 2 레벨에서 상기 모드 제어 입력 신호를 제공하도록 동작함 - 를 포함하는
    전자 HID 안정기.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 부스트 컨버터 회로는 상기 안정기의 역률을 제어하도록 동작하는 역률 보정 컴포넌트를 포함하는
    전자 HID 안정기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 벅 컨버터 제어 회로는 상기 클램프 회로로부터 상기 모드 제어 입력 신호를 수신하는 디스에이블 입력을 갖는 CRM(Critical Conduction Mode) 컨트롤러를 포함하며, 상기 CRM 컨트롤러는 상기 제 2 컨버터 DC 출력 전압을 상기 제 1 값으로 조절하기 위해 상기 스위칭 디바이스에 상기 벅 컨버터 스위치 제어 신호를 제공하도록 상기 모드 제어 입력 신호가 상기 제 1 레벨에 있을 때 동작하며 상기 스위칭 디바이스를 턴 오프하기 위해 상기 모드 제어 입력 신호가 상기 제 2 레벨에 있을 때 동작하는
    전자 HID 안정기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 클램프 회로는
    상기 제 2 컨버터 DC 출력 전압을 나타내는 피드백 신호를 제공하는 피드백 회로와,
    상기 벅 컨버터 출력의 개방 회로 출력 전압이 제한되어야 하는 기준값을 나타내는 기준 전압 신호를 제공하는 기준 회로와,
    상기 피드백 신호와 상기 기준 전압 신호를 비교하도록 동작하는 비교기 회로와,
    상기 비교기 회로의 출력과 동작적으로 결합되는 스위칭 디바이스 - 상기 스위칭 디바이스는 상기 피드백 신호가 상기 기준 전압 신호보다 작을 때 상기 제 1 레벨에서 상기 모드 제어 입력 신호를 제공하며 상기 피드백 신호가 상기 기준 전압 신호보다 클 때 상기 제 2 레벨에서 상기 모드 제어 입력 신호를 제공하도록 동작함 - 를 포함하는
    전자 HID 안정기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 부스트 컨버터 회로는 상기 안정기의 역률을 제어하도록 동작하는 역률 보정 컴포넌트를 포함하는
    전자 HID 안정기.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 부스트 컨버터 회로는 상기 안정기의 역률을 제어하도록 동작하는 역률 보정 컴포넌트를 포함하는
    전자 HID 안정기.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 클램프 회로는
    상기 제 2 컨버터 DC 출력 전압을 나타내는 피드백 신호를 제공하는 피드백 회로와,
    상기 벅 컨버터 출력의 개방 회로 출력 전압이 제한되어야 하는 기준값을 나타내는 기준 전압 신호를 제공하는 기준 회로와,
    상기 피드백 신호와 상기 기준 전압 신호를 비교하도록 동작하는 비교기 회로와,
    상기 비교기 회로의 출력과 동작적으로 결합되는 스위칭 디바이스 - 상기 스위칭 디바이스는 상기 피드백 신호가 상기 기준 전압 신호보다 작을 때 상기 제 1 레벨에서 상기 모드 제어 입력 신호를 제공하며 상기 피드백 신호가 상기 기준 전압 신호보다 클 때 상기 제 2 레벨에서 상기 모드 제어 입력 신호를 제공하도록 동작함 - 를 포함하는
    전자 HID 안정기.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 부스트 컨버터 회로는 상기 안정기의 역률을 제어하도록 동작하는 역률 보정 컴포넌트를 포함하는
    전자 HID 안정기.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 부스트 컨버터 회로는 상기 안정기의 역률을 제어하도록 동작하는 역률 보정 컴포넌트를 포함하는
    전자 HID 안정기.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 벅 컨버터는 로우측 벅 컨버터이고, 상기 스위칭 디바이스는 상기 역방향 회로 경로에서 결합되며 상기 역방향 회로 경로에서 상기 벅 컨버터 입력 및 상기 벅 컨버터 출력을 선택적으로 결합하기 위해 상기 벅 컨버터 스위치 제어 신호에 따라 동작하고, 상기 인덕턴스는 상기 역방향 회로 경로에서 상기 스위칭 디바이스와 직렬로 결합되며, 상기 프리휠링 다이오드는 상기 스위칭 디바이스 및 상기 인덕턴스를 연결하는 상기 역방향 회로 경로의 노드와 상기 순방향 회로 경로 사이에 결합되는
    전자 HID 안정기.
  19. 고휘도 방전(high intensity discharge(HID)) 램프를 구동하는 전자 HID 안정기로서,
    DC 입력 전압을 수신하도록 동작하는 벅 컨버터 입력, 컨버터 DC 출력 전압을 제공하는 벅 컨버터 출력, 상기 벅 컨버터 입력과 상기 벅 컨버터 출력 사이의 순방향 회로 경로, 및 상기 벅 컨버터 입력과 상기 벅 컨버터 출력 사이의 역방향 회로 경로를 포함하는 벅 컨버터 - 상기 벅 컨버터는,
    상기 순방향 및 역방향 회로 경로 중 제 1 경로에서 결합되며 상기 순방향 및 역방향 회로 경로 중 상기 제 1 경로에서 상기 벅 컨버터 입력 및 상기 벅 컨버터 출력을 선택적으로 결합하기 위해 벅 컨버터 스위치 제어 신호에 따라 동작 가능한 스위칭 디바이스와,
    상기 순방향 및 역방향 회로 경로 중 상기 제 1 경로에서 상기 스위칭 디바이스와 직렬로 결합되는 인덕턴스와,
    상기 스위칭 디바이스 및 상기 인덕턴스를 연결하는 상기 순방향 및 역방향 회로 경로 중 상기 제 1 경로의 노드와 상기 순방향 및 역방향 회로 경로 중 제 2 경로 사이에 결합되는 프리휠링 다이오드와,
    모드 제어 입력 신호를 수신하고, 상기 컨버터 DC 출력 전압을 제 1 값으로 조절하기 위해 상기 스위칭 디바이스에 상기 벅 컨버터 스위치 제어 신호를 제공하도록 상기 모드 제어 입력 신호가 제 1 레벨에 있을 때 동작하고, 상기 컨버터 DC 출력 전압이 제 2 값을 초과하는 것을 방지하기 위해 상기 벅 컨버터 스위치 제어 신호를 수정하도록 상기 모드 제어 입력 신호가 제 2 레벨에 있을 때 동작하며, 상기 제 2 값은 상기 DC 입력 전압보다 낮은 벅 컨버터 제어 회로를 더 포함함 - 와,
    상기 컨버터 DC 출력 전압을 수신하도록 동작하며, HID 램프를 구동하기 위해서 인버터 출력에서 AC 출력 전압을 제공하도록 상기 컨버터 DC 출력 전압을 변환하기 위해 인버터 스위칭 제어 신호에 따라 동작하는 복수의 인버터 스위칭 디바이스를 포함하는 인버터 회로와,
    상기 컨버터 DC 출력 전압을 감지하기 위해 상기 벅 컨버터 출력과 동작적으로 결합되며 상기 벅 컨버터 제어 회로에 상기 모드 제어 입력 신호를 제공하도록 동작적으로 결합되되, 상기 컨버터 DC 출력 전압이 기준값보다 작을 때 상기 제 1 레벨에서 그리고 상기 컨버터 DC 출력 전압이 상기 기준값보다 클 때 상기 제 2 레벨에서 상기 모드 제어 입력 신호를 제공하도록 동작하는 클램프 회로를 포함하는
    전자 HID 안정기.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 클램프 회로는
    상기 컨버터 DC 출력 전압을 나타내는 피드백 신호를 제공하는 피드백 회로,
    상기 벅 컨버터 출력의 개방 회로 출력 전압이 제한되어야 하는 기준값을 나타내는 기준 전압 신호를 제공하는 기준 회로,
    상기 피드백 신호와 상기 기준 전압 신호를 비교하도록 동작하는 비교기 회로, 및
    상기 비교기 회로의 출력과 동작적으로 결합되는 스위칭 디바이스 - 상기 스위칭 디바이스는 상기 피드백 신호가 상기 기준 전압 신호보다 작을 때 상기 제 1 레벨에서 상기 모드 제어 입력 신호를 제공하며 상기 피드백 신호가 상기 기준 전압 신호보다 클 때 상기 제 2 레벨에서 상기 모드 제어 입력 신호를 제공하도록 동작함 - 를 포함하는
    전자 HID 안정기.
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