KR20170103191A - 풀 브릿지 인버터 방식의 고압 방전등용 전자식 안정기 - Google Patents

풀 브릿지 인버터 방식의 고압 방전등용 전자식 안정기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 강압형 벅 컨버터와 풀 브릿지 인버터 기능을 하나로 합쳐서 회로를 간단하게 하면서도 방전등 점등 초기에 발생할 수 있는 점등 불안정 문제를 해결한 고압 방전등용 전자식 안정기를 제공하는 것을 그 과제로 한다.
이를 위해 풀 브리지 인버터의 4개의 스위칭 소자 중에서 2개는 낮은 주파수에서 동작시키면서 방전등으로 인가되는 전압이 저주파수의 교류 형태를 가지게 하고, 4개의 스위칭 소자 중에서 나머지 2개는 높은 주파수에서 동작시키며 방전등으로 공급되는 전류량을 제어한다. 또한, 영전압 스위칭을 위해 임계 도통 모드의 사용 시 방전등 전압이 낮을 때 방전등이 꺼지는 문제를 해결하기 위해, 인덕터 전류가 감소하는 구간이 미리 설정한 일정 시간을 넘어가면 모든 스위칭 소자를 오프시켜 인덕터 전류가 급격히 감소하도록 한다.

Description

풀 브릿지 인버터 방식의 고압 방전등용 전자식 안정기{FULL-BRIDGE INVERTER TYPE ELECTRONIC BALLAST FOR HIGH INTENSITY DISCHARGE LAMP}
본 발명은 고압 방전등용 전자식 안정기에 관한 것이다. 구체적으로는 풀 브릿지 인버터를 사용하되 상대적으로 낮은 동작 주파수에서 고압 방전등에 공급되는 전류의 극성을 변경하고 상대적으로 높은 동작 주파수에서 고압 방전등에 공급되는 전류의 크기를 제어함으로써, 회로 구성을 간단하게 하면서도 점등 초기에 고압 방전등이 소등되는 문제를 해결한 고압 방전등용 전자식 안정기에 관한 것이다.
고압 방전등(High Intensity Discharge Lamp)을 구동하기 위한 종래의 방법으로, 20kHz에서 100kHz정도의 높은 동작 주파수를 갖는 공진형 전자식 안정기에 대한 연구가 많이 행해졌다. 그러나 이러한 구동 방식에서는 고압 방전등 자체의 물리적인 특성에 의해 빛이 떨리게 되는 공명 현상이 발생하는 문제가 있고 이로 인해 아직까지 제품화가 거의 이루어지지 않고 있다.
현재 제품화된 고압 방전등용 전자식 안정기는 대부분 400Hz이하의 저주파 구동방식을 사용하고 있다. 이러한 저주파 구동방식의 안정기는 일반적으로 도 1에 도시한 바와 같이, 승압형 역률보상(PFC) 컨버터(10), 강압형 벅(Buck) 컨버터(20) 및 풀 브릿지(Full Bridge) 인버터(30)의 3단계 회로로 구성된다. 승압형 역률보상 컨버터(10)는 교류 전압을 정류한 후 일정한 직류 전압(예를 들어, 400Vdc)을 공급하면서 역률을 보상하는 기능을 한다. 승압형 역률보상 컨버터(10)가 공급한 직류 전압은 통상 교류 전압보다 높으므로 강압형 벅 컨버터(20)를 사용하여 고압 방전등을 구동하기에 적절한 직류 전압으로 낮추어 준다. 풀 브릿지 인버터(30)는 4개의 스위칭 소자(Q3, Q4, Q5, Q6)을 사용하여 고압 방전등으로 공급되는 구동 전압/전류의 극성을 변경한다. 풀 브리지 인버터(30)가 수백 Hz 정도의 주파수로 고압 방전등으로 공급되는 구동 전압/전류의 극성을 변경하는 경우, 수십 kHz의 고주파 구동 방식에 비해 저주파 구동 방식이라 불린다. 이와 같은 종래 저주파 구동 방식의 경우 3단계의 처리 과정을 거치므로 회로 구성이 복잡하고 가격이 비싸지는 단점이 있다. 또한, 종래 저주파 구동 방식에 의하면 방전등의 전압이 충분히 올라가기 전인 점등 초기에 방전등이 점등했다가 다시 소등되는 현상이 나타난다는 문제도 있다.
공개특허공보 제10-2011-0072288호 (공개일자 : 2011년 6월 29일)
본 발명은, 강압형 벅 컨버터와 풀 브릿지 인버터 기능을 하나로 합쳐서 회로를 간단하게 하면서도 방전등 점등 초기에 발생할 수 있는 점등 불안정 문제를 해결한 고압 방전등용 전자식 안정기를 제공하는 것을 그 과제로 한다.
본 발명의 일 측면은, 단일 스테이지 풀 브리지 인버터는 4개의 스위칭 소자, 인덕터, 커패시터 및 변압기를 포함하되, 상기 4개의 스위칭 소자 중 2개의 스위칭 소자는 직렬로 연결되어 역률보상 컨버터의 출력에 연결되고, 상기 4개의 스위칭 소자 중 나머지 2개의 스위칭 소자는 직렬로 연결되어 상기 역률보상 컨버터의 출력에 연결되며, 상기 인덕터와 상기 커패시터는 상기 2개의 스위칭 소자의 접속점과 상기 나머지 2개의 스위칭 소자의 접속점 사이에 직렬로 연결되고, 상기 변압기는 고압 방전등과 직렬로 연결되어 상기 커패시터의 양단에 연결되는, 상기 단일 스테이지 풀 브리지 인버터를 포함하는 고압 방전등용 안정기이다.
상기 4개의 스위칭 소자 중 서로 대각에 위치하지 않은 2개의 스위칭 소자가 동작하는 주파수에 비해 상기 2개의 스위칭 소자의 대각에 위치한 2개의 스위칭 소자는 상대적으로 높은 주파수에서 동작할 수 있다.
상기 스위칭 소자들이 동작하는 주파수들 중에서 상대적으로 낮은 주파수에 의해 고압 방전등으로 공급되는 전류의 방향이 바뀌고, 상대적으로 높은 주파수에 의해 인덕터 전류의 증감이 반복될 수 있다.
상기 상대적으로 높은 주파수에 따라 상기 인덕터의 전류가 증감을 반복함에 있어서, 상기 인덕터의 전류가 영(zero)이 되면 상기 인덕터의 전류를 증가시키는 위치의 스위칭 소자가 턴온 될 수 있다.
상기 인덕터의 전류가 양의 값에서 영으로 감소하는 구간에서 감소 시간(Toff)이 미리 설정된 일정 시간을 경과하면 상기 4개의 스위칭 소자를 모두 턴오프 시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 강압형 벅 컨버터와 풀 브릿지 인버터 기능을 하나로 합침으로써 회로가 간단(소자 수 감소 및 제어 회로 감소)하고 저가로 구현이 가능하다. 또한, 영전압 스위칭을 구현할 때 점등 초기에 스위칭 주기가 길어지면서 발생할 수 있는 점등 불안정 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 종래의 저주파 구동 방식의 전자식 안정기의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자식 안정기의 회로도이다.
도 3은 도 2의 전자식 안정기의 동작 파형을 예시하는 도면이다.
도 4는 Q6가 턴온 된 구간에서의 동작 설명도이다.
도 5는 Q5가 턴온 된 구간에서의 동작 설명도이다.
도 6은 높은 주파수에서 동작하는 스위칭 소자에 사용될 수 있는 구성도이다.
도 7은 점등 초기 방전등 전압이 낮은 경우 인덕터 L2 전류(IL2)의 파형을 예시한 도면이다.
도 8은 낮은 주파수로 동작하는 스위칭 소자인 Q5와 Q6를 강제로 오프시키는 경우의 동작 설명도이다.
도 9는 도 8과 같이 동작시킬 경우의 인덕터 L2 전류(IL2)의 파형을 예시한 도면이다.
이하, 본 발명에 대한 이해가 용이하도록 본 발명의 일부 실시예를 예시적인 도면을 활용하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자식 안정기의 회로도를 보여준다. 도 2를 참조하면, 전자식 안정기는 승압형 역률보상 컨버터(10) 및 단일 스테이지(Single Stage) 풀 브리지 인버터(40)를 포함한다.
승압형 역률보상 컨버터(10)는 스위칭 소자 Q1, 인덕터 L1, 다이오드 D1, 커패시터 C1을 포함한다. 승압형 역률보상 컨버터(10)는 교류 전압(AC)을 정류한 후 역률보상 기능을 하면서 교류 전압(AC)의 피크 전압보다 높은 일정한 직류 전압(예, 교류가 220V인 경우 직류 400V 출력)을 단일 스테이지 풀 브리지 인버터(40)로 제공하는 기능을 한다.
단일 스테이지 풀 브리지 인버터(40)는 상대적으로 낮은 주파수를 이용하여 고압 방전등으로 공급되는 전압/전류의 방향을 바꾸며 양 방향으로 구동하는 기능과, 상대적으로 높은 주파수로 고압 방전등으로 공급되는 전력을 제어하는 기능을 동시에 수행한다.
단일 스테이지 풀 브리지 인버터(40)는 4개의 스위칭 소자 Q3 ~ Q6, 인덕터L2, 변압기 T1, 커패시터 C2, 이그니션 구동회로(ignitor)를 포함하고, 스위칭 소자 Q3 ~ Q6는 제어회로(50)에 의해 생성되는 제어 신호에 의해 온/오프 동작한다.
단일 스테이지 풀 브리지 인버터(40)의 회로 구성에 대해 도 2를 참조하여 설명한다. 스위칭 소자 Q3와 Q4는 직렬로 연결되어 승압형 역률보상 컨버터(10)의 출력에 연결되고, 스위칭 소자 Q5와 Q6는 직렬로 연결되어 승압형 역률보상 컨버터(10)의 출력에 연결되며, 스위칭 소자 Q3와 Q4의 접속단과 스위칭 소자 Q5와 Q6의 접속단 사이에는 인덕터 L2와 커패시터 C2가 직렬로 연결된다. 커패시터 C2의 양단에는 변압기 T1과 방전등(Lamp)이 직렬로 연결되어 있고, 변압기 T1에는 이그니션 구동회로(Ignitor)가 연결된다.
도 2의 예시와는 다르게, 인덕터 L2와 커패시터 C2의 위치는 서로 바뀔 수 있고, 변압기 T1과 방전등의 위치도 서로 바뀔 수 있는 것과 같이, 회로 동작에 영향을 주지 않는 범위에서 각 소자의 연결 관계는 바뀔 수 있다.
여기서, 인덕터 L2는 상대적으로 높은 주파수로 동작하는 스위칭 소자의 온/오프에 의해 전류를 제한하는 기능을 하고, 커패시터 C2는 실질적인 출력부로서 커패시터 C2 양단의 전압이 방전등에 인가되어 방전등이 구동된다. 다만, 방전등은 초기 점등을 위해 고전압 인가가 필요한데, 이를 위해 이그니션 구동회로(Ignitor)가 생성한 전압이 1차:2차 권선비가 높은 변압기 T1을 사용하여 방전등에 인가됨으로써 방전등의 기동을 가능하게 한다.
제어회로(50)는 스위칭 소자 Q3 ~ Q6의 온/오프 신호를 생성하여 공급하는데, 스위칭 손실을 줄이기 위해 영전압 스위칭(Zero Voltage Switching; ZVS)을 구현하는 것이 바람직하다. 이를 위해 제어회로(50)는 스위칭 소자 Q3와 Q4 사이의 전압을 검출(ZVSsens)하여 영전압 스위칭이 가능하도록 스위칭 소자들을 온/오프하는 신호를 생성한다.
도 3은 도 2의 전자식 안정기의 동작 파형을 예시하는 도면이고, 도 4는 Q6가 턴온 된 구간에서의 동작 설명도이며, 도 5는 Q5가 턴온 된 구간에서의 동작 설명도이다. 이하 도 3 내지 도 5를 참조하여 도 2의 전자식 안정기의 동작을 설명한다.
도 3에 도시된 파형은 위로부터 순서대로 스위칭 소자 Q3의 온/오프 제어 신호, 스위칭 소자 Q4(Q5)의 온/오프 제어 신호, 스위칭 소자 Q5(Q4)의 온/오프 제어 신호, 스위칭 소자 Q6의 온/오프 제어 신호, 인덕터 L2의 전류(IL2) 및 방전등의 전류(ILAMP)를 예시한다. 스위칭 소자의 온/오프 신호에서 ‘High' 신호일 때 스위칭 소자는 턴온 되고, ’Low‘ 신호일 때 스위칭 소자는 턴오프 된다. 두 번째와 세 번째 파형에서 ‘Q4(Q5)’ 및 ‘Q5(Q4)’라고 기재한 것은, Q4가 고주파로 동작하는 경우 Q5는 저주파로 동작하거나, Q4가 저주파로 동작하는 경우 Q5는 고주파로 동작할 수 있다는 의미이다. 이하에서는 Q4가 고주파로 동작하고 Q5는 저주파로 동작하는 것을 가정하고 설명한다. 즉, Q5와 Q6가 저주파로 동작하고 Q3와 Q4가 고주파로 동작하는 경우를 예시하기로 한다.
도 3을 참조하면, Q5와 Q6는 상대적으로 낮은 주파수(예, 400Hz)로 서로 교대로 온/오프 되고, Q3는 Q6가 턴온 된 구간에서 상대적으로 높은 주파수(예, 수 ~ 수십 kHz)로 온/오프를 반복하며, Q4는 Q5가 턴온 된 구간에서 상대적으로 높은 주파수로 온/오프를 반복한다.
상대적으로 낮은 주파수로 동작하는 Q5와 Q6 중에서 Q6가 턴온되어 있는 구간에 대해 먼저 설명한다. 이 구간에서 Q4 및 Q5는 턴오프를 유지하고 Q3가 상대적으로 높은 주파수에서 온/오프를 반복한다. Q3가 턴온 되면 도 4(a)와 같이 승압형 역률보상 컨버터(10)의 출력 커패시터 C1의 직류 전압이 Q3와 Q6를 통해 인가되므로 인덕터 L2의 전류는 증가한다. Q3가 턴오프 되면 도 4(b)와 같이 인덕터 L2의 전류는 Q4의 바디 다이오드와 Q6를 통해 흐르는데, 외부로부터 인가되는 전압이 없으므로 커패시터 C2의 역전압에 의해 인덕터 L2의 전류(IL2)가 감소한다.
다음으로, 상대적으로 낮은 주파수로 동작하는 Q5와 Q6 중에서 Q5가 턴온 되는 구간을 고려한다. 이 구간에서 Q3와 Q6는 턴오프를 유지하고 Q4가 상대적으로 높은 주파수로 온/오프 동작을 반복한다. Q4가 턴온 되면 도 5(a)와 같이 승압형 역률보상 컨버터(10)의 출력 커패시터 C1의 직류 전압이 Q5와 Q4를 통해 인덕터 L2에 역방향(도 4의 전류 방향을 기준으로 할 때)으로 인가되므로 인덕터 L2의 전류는 음의 구간에서 그 크기가 증가한다. Q4가 턴오프 되면 도 5(b)와 같이 인덕터 L2의 전류는 Q3의 바디 다이오드와 Q5를 통해 흐르는데, 외부로부터 인가되는 전압이 없으므로 커패시터 C2의 역전압(이 구간에서는 도 4에 비해 커패시터 C2의 전압의 방향이 바뀌어 있음)에 의해 인덕터 전류(IL2)가 음의 구간에서 그 크기가 감소한다.
이와 같이, 도 2에 예시된 단일 스테이지 풀 브리지 인버터(40)는 Q3 및 Q4의 온/오프를 통해 상대적으로 높은 주파수로 인덕터 L2의 전류의 크기를 제어할 수 있고, Q5 및 Q6의 온/오프를 통해 상대적으로 낮은 주파수에서 인덕터 L2로 흐르는 전류의 방향을 바꿀 수 있다(도 3 참조). 즉, 상대적으로 낮은 주파수로 방전등으로 흐르는 전류의 방향을 바꾸어 양 방향으로 방전등을 구동(즉, 교류 구동)하면서, 상대적으로 높은 주파수로 전류의 크기(즉, 방전등 구동 전력)를 제어할 수 있다. 이로 인해, 방전등의 교류 구동은 낮은 주파수에서 수행됨으로써 높은 주파수로 교류 구동을 할 경우 빛이 떨리는 공명 현상이 발생하는 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 인덕터 L2와 커패시터 C2의 충방전을 상대적으로 높은 주파수에서 수행하여 방전등의 전력을 제어함으로써 회로를 구성하는 부품의 사이즈를 줄이고 제어 성능을 높이는 효과가 있다. 또한, 회로를 구성하는 소자 수 및 제어 회로의 수가 줄어들어 회로가 간단하고 저가 및 소형화가 가능하다는 장점이 있다.
한편, 위 예시에서는 Q3와 Q4를 상대적으로 높은 주파수에서 동작시키고 Q5와 Q6를 상대적으로 낮은 주파수에서 동작시키는 것으로 설명하였으나, 본 발명의 제어 방식이 이에 한정되는 것은 아니고, 어느 하나의 스위칭 소자를 낮은 주파수에서 동작시킬 때 그의 대각에 위치하는 스위칭 소자를 높은 주파수에서 동작시키면 되므로 여러가지 조합이 가능하다. 즉, Q3와 Q6 중의 어느 하나는 높은 주파수에서 동작하고 나머지 하나는 낮은 주파수에서 동작하면 되고, Q4와 Q5 중의 어느 하나는 높은 주파수에서 동작하고 나머지 하나는 낮은 주파수에서 동작하면 된다.
다음으로, 도 3의 파형을 통해 영전압 스위칭(Zero Voltage Switching) 동작에 대해 살펴본다. 도 3의 인덕터 L2의 전류(IL2) 파형을 참조하면, Q6가 턴온 된 구간에서 Q3가 턴온 되면 인덕터 L2의 전류(IL2)가 증가하다가 Q3가 턴오프 되면 인덕터 L2의 전류(IL2)가 감소하는데, 인덕터 L2의 전류(IL2)가 영(zero)이 되는 시점에서 바로 Q3를 턴온 시켜 인덕터 L2의 전류(IL2)가 다시 증가하도록 하고 있다. Q5가 턴온 된 구간에서 Q4의 턴온 시점도 마찬가지이다. 이와 같이 동작하면 스위칭 소자의 양단 전압이 영(zero)이 된 상태에서 스위칭 소자를 턴온 시킬 수 있게 되는, 즉 영전압 스위칭이 가능한 임계 도통 모드(Critical Conduction Mode)에서 동작한다. 영전압 스위칭이 되도록 동작시키면 스위칭 소자 양단에 전압이 인가된 상태에서 스위칭 소자를 턴온 하는 것에 비해 스위칭 노이즈를 줄일 수 있고 스위칭 손실도 감소하여 효율도 증가하는 장점이 있다.
인덕터 L2의 전류(IL2)가 영(zero)이 되는 시점은 스위칭 소자 Q3와 Q4가 연결된 단자의 전압을 검출하여 판단할 수도 있고(도 2 참조), 혹은 인덕터 L2에 보조 권선을 추가하여 전압을 검출하는 방식(미도시)을 사용할 수도 있다.
스위칭 소자에는 MOSFET, IGBT, BJT 등의 통상적인 반도체 스위칭 소자가 사용될 수 있는데, 본 발명에서는 스위칭 특성이 좋은 MOSFET을 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 상대적으로 높은 주파수로 동작하는 Q3와 Q4는 바디 다이오드를 통해서도 전류가 흐르므로 바디 다이오드의 특성이 중요하다. 비록 MOSFET이 다른 스위칭 소자에 비해 스위칭 특성이 좋아 고주파 동작에 적합하다고 하더라도, MOSFET에 내장된 바디 다이오드는 도통 손실 및 스위칭 손실 등의 특성이 좋지 않으므로 바디 다이오드가 동작하는 구간에서 손실이 커지는 문제가 있다. 따라서 Q3와 Q4에 각각 MOSFET 1개를 사용하는 대신, 도 6에 예시된 바와 같이, MOSFET에 다이오드 2개를 추가하여 성능을 개선할 수 있다. 다이오드 Ds1을 직렬로 연결하고 다이오드 Ds2를 병렬로 연결하여 역방향(도면의 아래에서 위로)으로 흐르는 전류가 MOSFET의 바디 다이오드를 통하지 않고 특성이 좋은 추가된 다이오드 Ds2를 통해 흐르게 할 수 있다. 다이오드 Ds1에는 전압이 높게 걸리지 않아 도통 손실이 적고 고속으로 동작하는 저전압의 쇼트키 다이오드를 이용할 수 있으므로 Ds1의 부가로 인한 손실 증가를 최소화 할 수 있고, MOSFET에 내장된 바디 다이오드 대신 특성이 좋은 다이오드 Ds2를 통해 역방향 전류가 흐르므로 전체적으로 손실이 줄어드는 장점이 있다. 다만, 최근에는 특성이 좋은 바디 다이오드가 내장된 MOSFET이 상용화되어 적절한 가격에 구입이 가능한 경우도 있으므로, 도 6과 같이 다이오드를 추가하는 방법과 특성이 좋은 고속 바디 다이오드가 내장된 MOSFET을 사용하는 방법 중에서 성능과 가격을 고려하여 유리한 쪽을 선택할 수 있다.
다음으로 도 7 내지 도 9를 활용하여 본 발명의 단일 스테이지 풀 브리지 인버터(40)의 동작 주파수가 가변하는 특성 및 이로 인한 방전등의 점등 불량 문제에 대해 설명한다. 도 7은 점등 초기 방전등 전압이 낮은 경우 인덕터 L2 전류(IL2)의 파형을 예시한 도면이고, 도 8은 낮은 주파수로 동작하는 스위칭 소자인 Q5와 Q6를 강제로 오프시키는 경우의 동작 설명도이며, 도 9는 도 8과 같이 동작시킬 경우의 인덕터 L2 전류(IL2)의 파형을 예시한 도면이다.
이그니션 구동회로를 사용하여 고전압을 인가하여 고압 방전등을 기동시키면, 고압 방전등의 양단 전압은 점등 초기에는 20V 정도로 낮게 형성되다가 점점 높아지면서 정상상태가 되면 약 120V 정도의 전압이 된다. 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 스테이지 풀 브리지 인버터(40)의 제어 방식은, 상대적으로 높은 주파수로 동작하는 Q3와 Q4가 일정한 주기를 갖도록 온/오프 하는 것이 아니라, 인덕터 L2 전류(IL2)가 영(zero)이 되면 해당 스위치를 턴온 하는 영전압 스위칭 방식을 사용하므로, 스위칭 주기는 인덕터 L2 전류(IL2)가 영(zero)으로 감소하는 시간(도 7의 Toff)에 따라 달라지는 가변 주파수 특성을 가진다.
이 때, 인덕터 L2 전류(IL2)가 영(zero)으로 감소하는 시간은 인덕터 L2의 인덕턴스 값과 인덕터 L2 양단에 걸리는 전압에 의해 결정된다. 인덕터 L2의 인덕턴스 값은 일단 제작되면 거의 변화가 없게 되므로 위 감소 시간은 결국 인덕터 L2 양단에 걸리는 전압에 의해 결정된다.
상대적으로 높은 주파수에서 동작하는 Q3 혹은 Q4가 턴오프 되어 인덕터 L2 전류(IL2)가 감소하는 구간에서 인덕터 L2의 양단에 걸리는 전압은 도 4(b)에 도시된 바와 같이 커패시터 C2의 전압(이그니션 구동회로는 초기 점등 이후에는 동작하지 않으므로 커패시터 C2의 전압은 방전등 전압과 거의 동일함)이다. 점등 초기에는 방전등 전압이 약 20V 정도로 낮다가 정상상태가 되면 약 120V 정도로 높아지므로, 점등 초기(예, 방전등 전압이 20V인 경우)에는 정상상태(예, 방전등 전압이 120V인 경우)에 비해 동일한 전류량의 감소에 걸리는 시간이 약 6배가 된다. 이러한 상황이 도 7에 예시되어 있다. 도 7을 참조하면, 점등 초기 방전등 전압이 낮은 경우 인덕터 L2 전류(IL2)가 영으로 감소하는데 많은 시간이 필요하다.
고압 방전등은 부저항(negative resistance) 특성을 가지고 있으므로 커패시터 C2의 용량값(capacitance)를 크게 하기는 곤란하다. 커패시터 C2의 전압 변화는 전류의 시간에 대한 적분값에 비례하는데, 도 7의 Toff 구간이 길어지게 되면 커패시터 C2의 전압 변동폭이 커지게 되어 방전등의 전압, 전류도 안정화되지 못하고 크게 변동하게 되면서 방전등의 특성이 좋지 않은 경우 방전등이 소등되는 현상이 발생할 수 있다.
도 8은 위와 같은 방전등의 점등 불안정 문제를 해결하기 위해 본 발명에서 제안하는 제어 방식을 예시한다. 도 8을 참조하면, 점등 초기에 앞서 언급한 바와 같이 인덕터 L2 전류(IL2)가 감소하는 구간이 길어지는 경우, 상대적으로 낮은 주파수에서 동작하는 Q5/Q6를 강제로 오프시킨다. 도 4(b)와 같이 Q6가 턴온 되어 동작하는 구간(Q4는 턴오프)에서 인덕터 L2 전류(IL2)가 감소하는 구간이 길어질 경우, Q6도 턴오프 시키게 되면(즉, 모든 스위칭 소자가 턴오프 됨) 인덕터 L2의 전류는 연속성을 가져야 하므로 도 8(a)와 같이 Q6를 통해 흐르던 전류가 Q5의 바디 다이오드를 통해 승압형 역률보상 컨버터(10)의 출력 커패시터 C1으로 흐르게 된다. 그러면 인덕터 L2에는 커패시터 C2의 전압에 더하여 커패시터 C1의 전압(약 400Vdc)이 역으로 인가되므로 인덕터 L2 전류(IL2)는 급격히 감소하게 된다. 또한, 도 5(b)와 같이 인덕터 L2 전류(IL2)가 Q3의 바디 다이오드와 Q5를 통해 흐르면서 전류가 영으로 감소하는 구간이 길어지는 경우, Q5를 턴오프 시키면(즉, 모든 스위칭 소자가 턴오프 됨) 도 8(b)와 같이 Q5를 통해 흐르던 전류가 Q6의 바디 다이오드를 통해 커패시터 C1으로 흐르게 된다. 이 경우에도 인덕터 L2에는 커패시터 C2의 전압에 더하여 커패시터 C1의 전압(약 400Vdc)이 역으로 인가되므로 인덕터 L2 전류(IL2)는 급격히 감소하게 된다. 도 9는 도 8과 같이 동작시키는 경우 인덕터 L2 전류(IL2)가 감소하는 시간(Toff + Toff')이 짧아지는 현상을 예시하고 있다.
이와 같이 인덕터 L2 전류(IL2)가 감소하는 구간(Toff)이 미리 설정된 일정 시간 이상으로 길어지는 경우 낮은 주파수에서 동작하는 Q5 또는 Q6도 함께 오프시키면(즉, 모든 스위칭 소자가 턴오프 됨), 인덕터 L2 전류(IL2)가 감소하는 구간이 길어지는 것을 방지할 수 있으므로 방전등이 소등되는 현상이 나타나지 않는다.
다만, 상대적으로 낮은 주파수에서 동작하는 Q5 및 Q6를 도 8과 같이 오프시키는 경우 스위칭 횟수가 늘어나고 Q5 및 Q6의 바디 다이오드를 통해 전류가 흐른다는 단점이 있으나, 도 8과 같이 동작시키는 것은 점등 불안정 문제가 나타나는 점등 초기에만 행해지면 되고 방전등의 전압이 정상상태에 도달한 이후에는 도 3 내지 도 5를 통해 설명한 방식으로 동작하면 되므로, 전체적인 효율에서는 별다른 영향을 주지 않는다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부된 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
10: 승압형 역률보상 컨버터
20: 강압형 벅 컨버터
30: 풀 브리지 인버터
40: 단일 스테이지 풀 브리지 인버터
50: 단일 스테이지 풀 브리지 인버터의 제어회로

Claims (5)

  1. 단일 스테이지 풀 브리지 인버터는 4개의 스위칭 소자, 인덕터, 커패시터 및 변압기를 포함하되,
    상기 4개의 스위칭 소자 중 2개의 스위칭 소자는 직렬로 연결되어 역률보상 컨버터의 출력에 연결되고,
    상기 4개의 스위칭 소자 중 나머지 2개의 스위칭 소자는 직렬로 연결되어 상기 역률보상 컨버터의 출력에 연결되며,
    상기 인덕터와 상기 커패시터는 상기 2개의 스위칭 소자의 접속점과 상기 나머지 2개의 스위칭 소자의 접속점 사이에 직렬로 연결되고,
    상기 변압기는 고압 방전등과 직렬로 연결되어 상기 커패시터의 양단에 연결되는,
    상기 단일 스테이지 풀 브리지 인버터를 포함하는 고압 방전등용 안정기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 4개의 스위칭 소자 중 서로 대각에 위치하지 않은 2개의 스위칭 소자가 동작하는 주파수에 비해 상기 2개의 스위칭 소자의 대각에 위치한 2개의 스위칭 소자는 상대적으로 높은 주파수에서 동작하는 것을 특징으로 하는 상기 단일 스테이지 풀 브리지 인버터를 포함하는 고압 방전등용 안정기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스위칭 소자들이 동작하는 주파수들 중에서 상대적으로 낮은 주파수에 의해 고압 방전등으로 공급되는 전류의 방향이 바뀌고, 상대적으로 높은 주파수에 의해 인덕터 전류의 증감이 반복되는 것을 특징으로 하는 상기 단일 스테이지 풀 브리지 인버터를 포함하는 고압 방전등용 안정기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 상대적으로 높은 주파수에 따라 상기 인덕터의 전류가 증감을 반복함에 있어서, 상기 인덕터의 전류가 영(zero)이 되면 상기 인덕터의 전류를 증가시키는 위치의 스위칭 소자가 턴온 되는 것을 특징으로 하는 상기 단일 스테이지 풀 브리지 인버터를 포함하는 고압 방전등용 안정기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 인덕터의 전류가 영으로 감소하는 구간에서 감소 시간(Toff)이 미리 설정된 일정 시간을 경과하면 상기 4개의 스위칭 소자를 모두 턴오프 시키는 것을 특징으로 하는 상기 단일 스테이지 풀 브리지 인버터를 포함하는 고압 방전등용 안정기.
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