KR920004995B1

KR920004995B1 - 고주파 영전압스위칭방식의 전류제어형 인버터회로를 갖춘 전자식안정기

Info

Publication number: KR920004995B1
Application number: KR1019900006846A
Authority: KR
Inventors: 조병규; 지경하
Original assignee: 주식회사 삼보코리아; 조병규
Priority date: 1990-05-14
Filing date: 1990-05-14
Publication date: 1992-06-22
Also published as: KR910021186A

Abstract

내용 없음.

Description

고주파 영전압스위칭방식의 전류제어형 인버터회로를 갖춘 전자식안정기

제 1 도는 종래의 대표적인 전자식안정기의 기본회로도.

제 2 도는 제 1 도에 나타낸 스위칭부의 전압, 전류파형도.

제 3 도는 본 발명에 따른 전자식안정기의 기본회로도.

제 4 도는 제 3 도에 나타낸 전력제어회로에 대한 각부파형도.

제 5 도는 본 발명에 따른 스위칭부의 전압, 전류파형도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 트리거단 2 : 스위칭부

3 : 방전부하 4 : 부하회로

5 : 전력제어회로 6 : 전원부

[산업상의 이용분야]

본 발명은 고주파 영전압스위칭방식의 전류제어형 인버터회로에 관한 것으로, 특히 방전부하를 효율적으로 점등시키기 위한 전자식안정기에 있어서, 영전압스위칭(Zero Voltage Switching)방식을 적용함으로써 고주파 스위칭손실과 스위칭노이즈(Noise)를 최소화하고, 인버터의 입력전압이나 방전부하의 임피던스(Impedance)가 달라져도 일정한 부하전류를 유지시켜줌으로써 임의로 소비전력을 제어할 수 있는 고주파 영전압스위칭방식의 전류제어형 인버터회로를 갖춘 전자식안정기에 관한 것이다.

[종래의 기술 및 그 문제점]

제 1 도는 종래의 대표적인 전자식안정기의 기본회로도를 나타낸 것으로, 그 기본구성은 직렬 공진회로의 특성을 이용한 영전류스위칭방식으로 스위칭소자(S1, S2)와, 트랜지스터 구동용 트랜스포머(T), 공진용 인덕터(L), 공진용 콘덴서(C) 및, 전압분배용 콘덴서(Ci)등으로 구성되어 있다.

이와 같이 구성된 전자식안정기의 회로는 초기 트기거(Trigger)동작 이후구동용 트랜스포머(T)에서 검출된 공진전류의 극성에 의한 자려형 발진으로 스위치(S1)와 스위치(S2)가 교번스위칭동작을 하여 방전등 양단에 고주파 공진전압을 유기시켜 방전등을 점등시키는 방식으로서, 구동회로가 매우 간단한 반면에 출력전력을 제어할 수 없을 뿐만 아니라, 제 2 도에 도시된 바와 같이 영전류(Zero Current)부근에서 스위칭동작이 되면서 방전 등을 포함하는 공진회로에 인가되는 전압파형이 구형파로 된다. 이 구형파전압은 가장자리(Edge)의 전압기울기(dv/dt)가 매우 크므로 부하회로를 구성하고 있는 공진인덕터의 코일층간에 분포되어 있는 부유정전용량(Parastic Capacitance)과 공진회로내 누설인덕턴스 (Leakage Inductance)를 함수로 매우 높은 주파수의 고조파노이즈(Noise)를 발생시킨다. [참고문헌 : K. H. Jee, E. C. Nho, and G. H. Cho, "High frequency resonant inverter for group dimming control of fluorescent lamp lighting systems", IEEE TES Annual Meeting Conf. Rec., PP.149-154, 1989] 이때 발생되는 고조파(Harmonics)는 방전등에서 발산하는 가시광선과 함께 방사되어 주변 통신기기와, 원격제어시스템, 컴퓨터 및 의료장비 등에 전자기간섭을 일으켜 오동작을 발생시킬 수 있는 문제점이 있다. 또, 방전등에 공급되는 전력이 입력전압의 변동에 매우 민감한 단점이 있을 뿐만 아니라 방전등의 수명과 밀접한 관계가 있는 필라멘트(Filaments) 예열전력 역시 입력전압이 변동되는 경우에는 일정값으로 제어할 수 없어 방전 등의 수명이 감소되는 문제점을 내포하고 있다. 특히 방전등의 노화나 고장발생시 스위칭소자의 과열에 대한 대책으로 별도의 온도보호회로를 내장해야만 하는 것은 필수적이다.

[발명의 목적]

본 발명은 상기한 점을 감안해서 발명된 것으로, 점등순간의 소프트스타트(Soft Start)와 점등후 입력전압이 변동되어도 이를 일정한 전력으로 유지시킴으로써 방전등의 수명을 연장하면서 방전등의 노화 또는 파손시에도 정격소비전력 이하로 제어하여 항상 고효율을 유지함으로써 스위칭소자의 온도상승요인이 근본적으로 없을 뿐만 아니라, 영전압스위칭방식을 적용하여 스위칭소자양단의 전압기울기(dv/dt)을 감소시킴으로써 고조파노이즈가 대폭 감소되고, 방전등의 밝기를 조절하는 조광(Dimming)기능이 별도의 추가회로 없이 실현될 수 있는 고주파 영전압스위칭방식의 전류제어형 인버터회로를 갖춘 전자식안정기를 제공함에 그 목적이 있다.

[발명의 구성]

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 2개의 주트랜지스터(Q1, Q2)와 구동용 트랜지스터(T)를 사용하여 방전부하를 점등시키는 전자식안정기에 있어서, 트랜지스터(Q1, Q2)의 콜렉터와 에미터양단간에 콘덴서(C1, C2)와 다이오드(D1, D2)가 각각 접속되고, 상기 트랜지스터(Q1, Q2)의 교점(P)에서 전원부(6)의 (0.5)VS 전위점(b)사이에 방전부하(3)를 포함하는 부하회로(4)와 부하전류의 크기와 위상을 검출하는 전류트랜스포머(CT)의 1차측권선(n1)이 연결되며, 전기적으로 절연된 2차측권선(n2, n2')의 중앙점이 공통전위(g)에 접속되어 2차측권선으로부터 다이오드(DC3, DC4)를 통해 정류된 전류를 저항(Rc)을 통해 전압(Vcg)으로 변환하여 기준치(Vref.)와 비교하여 클 경우 콘덴서(cd)와 저항(R1)의 시정수를 갖고서 제어용 트랜지스터(Q3)를 동작시키고, 저항(R2, R3)을 통해 제어용 트랜지스터(Q4)의 베이스에 접속하여 콜렉터(d)에서 트랜지스터(Q3)의 베이스사이에 정궤환 지연효과를 위한 콘덴서(Cf)와 저항(Rf)이 연결되며, 구동용 트랜스포머(T)를 제어하기 위한 권선(N4, N4')으로부터 각각 다이오드(DC1, DC2)를 통해 정류된 전압을 제어용 트랜지스터(Q4)의 콜렉터(d)에 접속하고 4차권선(N4, N4')의 중앙점이 공통전위(g)에 연결되어 구성된 것을 특징으로 하고 있다.

[작용]

상기와 같이 구성된 본 발명은, 부하를 포함하는 공진회로의 특성을 이용하여 공진전류가 영(Zero)이 되는 점에서 스위칭동작을 하는 영전류스위칭방식을 이용하지 않고 부하회로의 전류가 최대가 되는 부근에서 스위칭동작이 되는 영전압스위칭방식을 이용하고 있다.

[실시예]

이하, 예시도면의 참조해서 본 발명에 따른 1실시예를 상세히 설명한다.

제 3 도는 본 발명에 따른 전자식안정기의 기본회로도로서, 2개의 트랜지스터(Q1, Q2)로 구성된 영전압스위칭방식의 전류제어형 인버터와 이들 트랜지스터의 스위칭동작을 제어하는 전력제어회로를 사용하여 방전등을 효율적으로 점등시켜 주도록 되어 있는 바, 초기 트리거단(1)과, 스위칭부(2), 방전부하(3), 부하회로(4), 인버터의 전력제어회로(5) 및, 전원부(6)로 구성되어 있고, 본 발명에서 주요 기능을 하는 영전압스위칭방식의 전류제어형 인버터(Current controlled Inverter of Zero Voltage Switching Mode)의 세부구조는 방전부하(3)를 포함한 콘덴서(Cr)와 인덕터(Lr)가 부하회로를 구성하고 있으며, 이 부하회로에 전력을 공급하는 스위칭트랜지스터(Q1, Q2)의 구동회로는 부하전류의 극성과 크기에 비례하는 신호를 검출하여 정궤환(Positive Feedback) 구동방식을 적용하였다. 또, 구동회로의 스위칭특성을 개선하기 위하여 의사포화영역(Quasi-saturated Region)에서 트랜지스터(Q1, Q2)를 동작시키고, 구동용 트랜스포머(T)의 권선방법과 구조는 부하전류를 검출하는 1차권선(N1, N1'), 트랜지스터의 베이스(base)전류를 공급하는 2차권선(N2, N2'), 의사포화영역동작을 위한 3차권선(N3, N3'), 부하회로의 전력을 제어하기 위한 4차권선(N4, N4')으로 되어 있으며, 여기서, 트랜지스터의 의사포화영역동작을 유도하기 위한 콜렉터캐쳐 다이오드(Dq, Dq')는 3차권선(N3, N3')수단과 스위칭트랜지스터(Q1, Q2)의 콜렉터에 각각 연결된 구조로 되어 있으며 [참고문헌 : 대한민국 특허청 공개특허공보(A) 공개번호 89-11496"직렬공진형 고주파인버터의 구동회로"], 스위칭소자의 부(Nagative)방향전류의 경로를 위한 다이오드(D1, D2)가 트랜지스터(Q1, Q2)의 콜렉터와 에미터의 양단에 접속되어 있다.

또 스위칭트랜지스터(Q1, Q2)의 영전압스위칭(Zero Voltage Switching )동작을 유도하기 위한 콘덴서(C1, C2) 역시 트랜지스터(Q1, Q2)의 콜렉터와 에미터양단에 각각 접속되어 있고, 부하전류의 크기를 제어함으로써 부하회로내 방전부하의 소비전력, 즉 방전등의 밝기를 제어하여 조광기능(Dimming Function)을 갖게 하는 전력제어회로의 구조는 부하전류의 크기를 검출하는 전류트랜스포머(Current Transformer, CT), 검출된 전류의 정류를 위한 다오드(Dc3, Dc4), 검출된 전류에 의한 전압강하의 크기를 조정함으로써 임의 전력제어를 할 수 있는 가변저항(Rc), 부하전류의 크기에 비례한 전압(Vcg)을 적분지연시켜 기준치(Vref.)에서 제어용 트랜지스터(Q3)를 동작시키는 저항(R1)와 콘덴서(Cd), 트랜지스터(Q3)도통시 흐르는 전류를 제한하면서 제어용 트랜지스터(Q4)를 구동시키는 저항(R2, R3), 구동용 트랜스포머(T)의 4차권선(N4, N4')에서 유기된 전압을 정류하기 위한 다이오드(Dc1, Dc2)와 정류된 전압(Vdg)를 제어하는 트랜지스터(Q4), 부하전류가 기준치를 초과할 때 트랜지스터(Q3)가 도통하면서 트랜지스터(Q4)를 동작시키는데, 이때 콘덴서(Cf)와 저항(Rf)의 시정수(Time Constant)에 해당되는 시간동안 트랜지스터(Q4)의 도통지연효과를 얻기 위하여 정궤환(Positive Feedback)을 이용하는 구조로 되어 있다.

상기와 같은 구조를 갖는 본 발명의 동작원리를 설명하기 위하여 전력제어회로를 각부 파형을 제 4 도에 도시하였다.

먼저, 부하전류(iL)의 크기와 위상(Phase)을 검출하는 전류트랜스포머를 통하여 얻어지는 제어전압(Vcg)는 다음 (1)식과 같으며,

Vcg=iL(n1/n2)Rc………………………………………………(1)

파형은 제 4a 도에 도시된 바와 같다. 이 전압(Vcg)은 저항(R1)과 콘덴서(Cd)의 적분효과에 의해 제 4b 도에 도시된 바와 같이 시간 t21동안 지연되어 제어용 트랜지스터(Q3)를 동작시킨다. 여기서,

t21=t2-t1………………………………………………………(2)

이다. 따라서 제어신호전압(Vcg)이 저항(R2, R3)에 의해 제 4c 도에 도시된 바와 같이 제어용 트랜지스터(Q4)의 베이스-에미터간 전압(VBE)이 공급됨으로써 구동용 트랜스포머(T)의 4차권선(N4, N4')전압 V(N4, N4')이 제 4d 도와 같이 제어된다. 이때 인버터를 구동하는 스위칭트랜지스터(Q1, Q2)의 베이스-에미터간 전압 VBE(Q1, Q2)는

VBE(Q1, Q2)

N2(N2')/n4(n4')[VCE(Q4)+0.6]…………(3)

로 표현되며, 그 파형은 제 4e,f 도에 도시된 바와 같이 트랜지스터(Q4)가 도통시에는 스위칭트랜지스터(Q1, Q2)가 모두 턴-오프(Turn off)된다. 이때 주스위칭트랜지스터(Q1, Q2)의 콜렉터-에미터간 전압(VCE)의 파형은 제 5 도에 도시된 바와 같이 트랜지스터(Q1, Q2)에 흐르고 있던 콜렉터전류(Ic) 즉, 부하전류(iL)가 영전압스위칭(Zero Voltage Switching)을 유도하기 위한 콘덴서(C1, C2)에 충전을 시작하여 콘덴서 (C1, C2)양단전압이 영(Zero)에서부터 전원전압(Vs)까지 충전하게 된다. 이때 콘덴서 (C1, C2)의 전압이 영에서 전원전압까지 충전되는데 필요한 시간 t32는 다음 (4)식과 같이 표현된다.

t32=1/iL(C1+C2)Vs……………………………………………(4)

여기서, t32=t3-t2이다. 한편, 콘덴서 (C1, C2)의 충전전압이 전원전압(Vs)을 초과하는 순간 제 5b 도에 도시된 바와 같이 다이오드(D1 또는 D2)가 도통되면서 구동용 트랜스포머(T)의 자화방향이 반대로 되기시작하고 다이오드의 전류가 영이 되면, 반대편 트랜지스터(Q2 또는 Q1)가 도통되는데, 이때 스위칭트랜지스터(Q1, Q2)양단전압(VCE)은 이미 영(Zero)이 되어 있으므로 영전압상태(Zero Voltage State)에서 스위칭동작(Switching Operation)이 일어나는 것이 본 발명의 특징중 하나이다. 따라서 스위칭손실(Switching Losses)이 없으므로 동작주파수의 제한을 받지 않는 특징이 있다. 또 한편 (4)식과 제 5 도에 알 수 있는 바와 같이 트랜지스터(Q1 또는 Q2) 양단전압(VCE)의 상승가장자리(Rising Edge)와 하강가장자리(Falling Edge)의 전압기울기는 부하전류(iL)와 콘덴서(C1, C2)의 함수이므로 임의 설계가 가능하다. 따라서 방전부하를 포함하는 부하회로에 인가되는 전압파형이 사다리꼴(Trapezoid)이 되므로 인덕터(Lr)의 내부코일(Coil)층간에 존재하는 부유정전용량(Cp ; Parastic Capacitance) 때문에 발생할 수 있는 임펄스(Impulse)성 노이즈의 발생을 근본적으로 해소할 수 있는 특징이 있다. 즉, 임펄스성 노이즈전류 ip는

ip=Cp d VCE/dt………………………………………………(5)

로 주어지게 되는데 d VCE/dt를 일정 범위내에서 임의의 작은 값으로 제어가 가능하므로 이로 인한 E M I 노이즈를 최소화할 수 있다. 예를 들어 d CE/dt 값이 1000[V/

s]로 줄이는 경우에 고주파 대역에서 E M I 노이즈는 10분의 1로 줄어들게 된다.

[발명의 효과]

상기한 바와 같이 본 발명에 의하면, 가변저항(Rc)의 설정값에 따라 방전부하에 공급되는 전력을 임의로 제어할 수 있고, 공진전류의 크기를 일정한 값으로 제어할 수 있음으로써 입력전압의 변동에도 거의 일정한 소비전력으로 유지되며, 전력제어가 가능하여 임의 조광(Dimming)이 가능하다. 또, 방전등의 노화나 파손 등의 고장시에도 고효율이 유지되어 스위칭소자의 과열에 대한 온도보호회로가 필요없고, 영전압스위칭(Zero Voltage Switching)방식으로 스위칭전압의 시간에 대한 기울기(dv/dt)가 낮으므로 방전부하를 통해 가시광선과 함께 방사되는 전자기파의 전계강도를 최소화할 수 있게되며, 방전등의 수명에 밀접한 관계가 있는 필라멘트(Filaments) 예열전력을 일정한 값으로 유지할 수 있으므로 방전부하의 수명의 연장할 수 있다. 그리고 회로자체가 매우 간단하여 저렴한 가격으로 실현할 수 있게 된다.

Claims

2개의 주트랜지스터(Q1, Q2)와 구동용 트랜지스터(T)를 사용하여 방전부하를 점등시키는 전자식안정기에 있어서, 트랜지스터(Q1, Q2)의 콜렉터와 에미터양단간에 콘덴서(C1, C2)와 다이오드(D1, D2)가 각각 접속되고, 상기 트랜지스터(Q1, Q2)의 교점(P)에서 전원부(6)의 (0.5)VS 전위점(b)사이에 방전부하(3)를 포함하는 부하회로(4)와 부하전류의 크기와 위상을 검출하는 전류 트랜스포머(CT)의 1차측권선(n1)이 연결되며, 전기적으로 절연된 2차측권선(n2, n2')의 중앙점이 공통전위(g)에 접속되어 2차측권선으로부터 다이오드(DC3, DC4)를 통해 정류된 전류를 저항(Rc)을 통해 전압(Vcg)으로 변환하여 기준치(Vref.)와 비교하여 클경우 콘덴서(cd)와 저항(R1)의 시정수를 갖고서 제어용 트랜지스터(Q3)을 동작시키고, 저항(R2, R3)을 통해 제어용 트랜지스터(Q4)의 베이스에 접속하여 콜렉터(d)에서 트랜지스터(Q3)의 베이스사이에 정궤환지연효과를 위한 콘덴서(Cf)와 저항(Rf)이 연결되며, 구동용 트랜스포머(T)를 제어하기 위한 권선(N4, N4')으로부터 각각 다이오드(DC1, DC2)를 통해 정류된 전압을 제어용 트랜지스터(Q4)의 콜렉터(d)에 접속하고 4차권선(N4, N4')의 중앙점이 공통전위(g)에 연결되어 구성된 것을 특징으로 하는 고주파 영전압스위칭방식의 전류제어형 인버터회로를 갖춘 전자식안정기.
제 1 항에 있어서, 구동용 트랜스포머(T)의 권선이 1차권선(N1, N1')과 2차권선(N2, N2') 및 3차권선(N3, N3')에 이 트랜스포머의 자화상태를 제어하기 위한 4차권선(N4, N4')이 추가로 권선된 것을 특징으로 하는 고주파 영전압스위칭방식의 전류제어형 인버터회로를 갖춘 전자식안정기.
제 1 항에 있어서, 제어용 트랜지스터(Q4)의 턴-온동작이 부하전류(iL)가 최대가 되는 시점에서 시작되고, 동시에 주스위칭트랜지스터(Q1, Q2)가 모두 턴-오프되면서 공급되고 있던 부하전류에 의해 2개의 콘덴서(C1, C2)중 하나는 충전되면서 다른 하나는 방전하여 주트랜지스터(Q1, Q2)의 콜렉터-에미터간 전압(VCE)이 영(Zero)으로 될 때 까지 턴-온상태가 유지 되도록 된 것을 특징으로 갖는 고주파 영전압스위칭방식의 전류제어형 인버터를 갖춘 전자식안정기.
제 1 항에 있어서, 영전압스위칭을 위한 콘덴서(C1, C2)의 양단전압크기가 전원전압(VS)와 같아지는 순간 이후부터 다이오드(D1, D2)가 도통하는 구간이내에서 제어용 트랜지스트(Q4)가 턴-오프되는 것을 특징으로 하는 영전압스위칭방식의 전류제어형 인버터회로를 갖춘 전자식안정기.