KR950005286B1 - 형광등 점등용 전자식 안정기의 영전압 스위칭 제어회로 - Google Patents

Abstract

내용없음.

Description

형광등 점등용 전자식 안정기의 영전압 스위칭 제어회로

제1도는 종래의 직렬 공진형 인버터의 기본 회로도.

제2도는 (a)는 영전류 스위칭 방식의 동작설명을 위한 타이밍 챠트, (b)는 영전압 스위칭 방식의 동작설명을 위한 타이밍 챠트

제3도는 본 발명에 의한 영전압 스위칭 제어회로 구성일예도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 데드인터벌 제어수단 11 : 타이밍 제어수단

12 : 소프트 스타트 수단 T1 : 전류 트랜스

Q1,Q8 : 트랜지스터 C1, C3 : 캐패시터

L1 : 리액터

본 발명은 형광등 점등용 전자식 안정기에 관한 것으로 특히 예열용 지연점등(Suft Start) 기능을 갖는 영전압 스위칭 방식을 채용하여 고효율 및 고주파대 동작의 신뢰도 향상을 도모코자 한 것이다.

일반적으로 형광등 점등용 전자식 안정기는 크게 두가지로 나눌수 있다.

그 하나는 병렬 공진형 방식(혹은 전류원방식)이고 다른 하나는 직렬 공진형 방식(혹은 전압원방식)이다.

병렬 공진형 방식은 영전압 스위칭 방식으로 동작하며, 전압 파형이 정현파에 가까워서 노이즈가 작은 장점이 있는 반면에, 고내압의 트랜지스터가 필요하고 내부에 사용되는 코어의 크기가 커서 무게가 무겁고 가격이 고가인 단점이 있다.

한편, 직렬 공진형 방식은 주로 영전류 방식으로 동작되며 저내압의 트랜지스터(혹은 MOS)를 사용할수 있고 가격이 저렴한 장점이 있으나, 베이스 구동(혹은 게이트 구동)이 쉽지 않고 노이즈가 많은 단점이 있다.

상기한 바와 같이 영전압이 영전류 방식의 스위칭 동작을 추구하는 이유는 스위칭 소자의 스위칭 손실을 최소화하기 위함이다.

즉, 전류가 흐르고 있는 스위치를 강제로 턴 오프(Turn Off)시킬 경우에는 소자의 스위칭 시간이 지연되는 특성때문에 불가피하게 스위칭 손실이 발생하게 된다.

이와 같은 스위칭 손실은 회로의 동작 주파수가 고주파대로 갈수록 점점 더 문제가 되며, 전자식 안정기에서는 최소 20kHz의 스위칭 속도가 요구되기 때문에 스위칭 손실을 최소화하는 것이 매우 중요하게 된다.

스위칭 속도가 제한된 소지를 사용하여 스위칭 손실을 최소화하는 방법은 전류나 전압이 매우 작게되는 순간에, 즉 염에 가깝게 되는 순간을 포착하여 스위칭이 일어나도록 하는 것이다.

이와 같이 하여 스위칭 손실이 전혀 없는 것은 아니지만 매우 작게 줄이는 것은 가능하게 되며 고주파 동작에서도 늦은 효율을 얻을 수 있게 되는 것이다.

이와 같은 동작이 모든 스위칭의 경우에 항상 가능하게 되는 것은 아니다.

즉 공진형 인버터와 같은 특별한 경우에만 가능하게 된다는 점이다.

따라서 형광등과 같은 정해진 부하에 대하여 공진형 컨버터를 채택하여 구동하되 공진 형태에 따라 영전압 혹은 영전류 방식의 스위칭을 채택하므로써 고효율을 얻을 수 있도록 하는 것이 요망되고 있다.

그러나 기존 회로에서는 스위칭 소자의 구동방법이 매우 복잡하여 현재까지 개발 및 실용화가 되지 못하고 있는 설정이다.

즉, 제1도에 도시된 직렬 공진형 인버터에서 각 스위칭 소자(Q1), (Q2)의 양단에 캐패시터(C1)(C2)를 각각 병렬로 연결하면(C1 혹은 C2중 하나만 연결하는 것도 가능) 영전압 스위칭을 위한 기본회로가 형성된다.

이 회로에서 만일 캐패시터(C1) 양단에 전압이 인가되어 있는 상태에서 스위칭 소자(Q1)를 턴 온하고 스위칭 소자(Q2)를 턴 오프하면 두 스위치의 연결점(V01)의 전압은 순간적으로 VDC의 전압까지 상승하게 된다. 이때 C1의 에너지는 Q1을 통하여 방전하고 C2의 에너지는 Q1을 통하여 충전되게 되며, 이것은 바로 스위칭 손실로 작용하게 된다.

이때 V01의 전압 상승률을 m이라 한다면

[수학식 1]

m=dV₁/dt

와 같이 표시될 수 있다.

m의 값이 클 경우에는 V01 파형의 상승시간 tr(rising time) 및 하강시간 tf(falling time)가 매우 짧아 지게 되며, 예를 들어 m=1000V/us인 경우에 V01이 300V 변환하는데 걸리는 시간은

[수학식 2]

tr=tf=약 3000V/ (1000V/us)=300ns

기 되는데 이와같은 것은 직렬 공진형 인버터에서 영전류 스위칭 방식을 채택하는 경우에 흔히 발생하는 현상이다.

제1도에서 리액터 및 캐패시터(C3,C4,C5) 그리고 램프부하(LP)로 형성되는 공진회로의 공진 주파수를 Wo라고 하고 두 스위칭 소자(Q1,Q2)의 스위칭 주파수를 Ws라고 한다면, 이 회로의 동작모드는 Wo와 Ws의 관계로부터 다음과 같은 3가지로 나누어 생각해 볼수 있다.

(i) Ws=Wo인 경우

이러한 조건으로 동작시키는 것이 영전류 스위칭 방식이다. 직렬 공진형 방식을 채택한 거의 모든 전자식 안정기가 이러한 조건으로 동작되고 있고 m 값이 커서 노이즈가 크게 발생하며, 정상 상태가 아닌 비정상 상태에서의 동작을 보장하기 위하여 구동 방법에 주의가 요망된다.

(ii) Ws<Wo인 경우

이 경우에는 램프의 광량 조절(Dimming)이 가능하지만 스위칭 소자(Q1,Q2)의 내부에 연결된 역병렬 다이오드가 도통하는 구간이 존재하고 스위칭 순간에 이를 다이오드와 관련된 역회복전류(reverse recovery current)의 문제가 있으며, 일반적으로 결과가 영전류 방식보다 더 좋지 않다.

(iii) Ws>Wo인 경우

이 경우에는 강제 스위칭 방식으로 동작하는 경우이며 스위칭 소자(Q1,Q2)의 동작속도와 관련된 스위칭 손실이 문제가 된다. 이 동작 모드에서는 트랜지스터보다 MOSFET을 사용하는 것이 유리하다. 이 동작모드에서도 역시 광량조정이 가능하게 된다.

스위칭 속도 Ws가 공진 주파수 Wo 보다 큰 동작모드에서, 스위칭 소자(Q1,Q2)의 양단에 적당한 크기의 캐패시터(C1, C2)가 연결된 경우에는 상황이 많이 달라진다.

즉 스위칭 소자(Q1,Q2)의 양단전압이 급격히 변화할 수 없고 캐패시터(C1,C2)를 충전시키면서 서서히 변화하게 되는데, 그 변화구간의 평균전류를 Io, av라 하면 m값은

[수학식 3]

m=Io,av/ (C1｜C2)

와 같이 근식적으로 표시될 수 있다.

여기에서 m값을 낮추어주는 경우에는 스위치의 양단전압이 서서히 변화하게되며, 따라서 스위칭 수간에 스위치의 양단전압이 낮은 상태에서 스위칭이 일어날수 있게 되므로 스위칭 손실이 작아지게 되고 고주파 스위칭이 가능하게 되는데, 이를 이른바 영전압 스위칭 방식이라 한다.

그러나 영전압 스위칭 방식으로 동작시키기 위해서는 스위칭 소자(Q1,Q2)의 제어방법이 상당히 까다롭게 된다.

즉 비교를 위하여 영전류 스위칭 방식을 다시 살펴보면, 두 스위칭 소자의 온, 오프가 순간적으로 바뀌게 되므로 공진전류를 감지하여 자기발진(self oscillation)이 가능하도록 구성할 수 있으며, 이것은 보통의 전류 트랜스를 사용하여 간단히 구성될 수 있다.

그러나 이 경우에는 온,오프가 바뀌는 순간에 스위칭 소자(Q1,Q2)의 스위칭 지연으로 인한 중첩(OVERLAP) 구간이 발생하여 관통전류(shoot through current)가 흐를 수 있으며, 이것이 또한 노이즈와 스위칭 손실의 주요 원인이 되기도 한다.

그러나 영전압 스위칭 방식에서는 두 스위치의 온, 오프가 순간적으로 바뀌도록 제어 될수 없으며 온,오프 사이에 두 스위치가 모두 오프되는 데드 인터벌(dead interval)이 존재하도록 제어되어야 한다.

제2도(a)에 나타낸 바와 같은 영전류 스위칭 방식과는 달리 제2도(a)에 나타낸 영전압 스위칭 방식에서는 데드 인터별이 존재하도록 제어되므로 두 스위치의 동시 도통 상태가 발생할 여지가 없으며 관통전류의 가능성이 전혀 없고, 데드 인터벌은 출력전압(Vo)이 상승 또는 하강하는 구간이 되어 m값이 낮은 사다리꼴 가까운 출력파형을 얻을수 있게 된다. 그러나 이와같은 제어신호를 얻어내는 것은 기존의 영전류 스위칭 제어와는 달리 훨씬 난해한 문제점을 갖고 있다.

따라서 본 발명은 종래 기술의 문제점을 감안하여 비교적 간단한 제어회로의 구성으로써 예열용 지연 점등기능을 갖는 영전압 스위칭 방식을 수행토록하여 스위칭 손실을 줄여 고효율, 고주파대 동작의 신뢰도를 향상시킴은 물론 고주파 대역(50kHz 이상)의 경우 유해 전파장애를 방지하면서 기존의 병렬 공진형 방식(전류원 방식)에 비하여 제품 코스트의 절감은 도모코자 함을 목적으로 하는 것이다.

이하 본 발명을 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명한다. 제3도는 본 발명에 의한 영전압 스위칭 회로구성 일예도를 나타낸 것으로서, 전류트랜스(T1) 2차 권선(n₂)에 연결되는 주 스위칭 소자(Q7,Q8) 양단에 영전압 스위칭을 위한 캐패시터(C2, C3)를 각각 병렬 접속하고, 공진 전류를 감지하는 1차 권선(n₁)이 구비된 상기 전류 트랜스(T1)의 3차 권선(n₃) 양단간에는 상기 주 스위칭 소자(Q7,Q8)가 모두 오프스위칭 되도록 제어하는 데드 인터벌 제어수단(10)과, 상기 데드 인터벌제어수단(10)의 오프 타이밍을 조정하는 타이밍 제어수단(11)과, 램프(LP)의 초기 점등시 스타트를 위한 소프트 스타트 수단(12)을 순차적으로 구비함을 특징으로 한 것이다.

또한 상기한 데드 인터벌 제어수단(10)의 구성 일예는 트랜지스터(Q5, Q6), 다이오드(D1, D6) 및 저항(R7, R9)의 상호 연결구성으로 되어져 있다.

또한 상기한 타이밍 제어수단(11)의 구성 일예는 트랜지스터(Q1,Q3) 및 저항(R1, R2), (R4, R6)의 상호 연결 구성으로 되어져 있다. 또한 상기한 소프트 스타트 수단(12)의 구성일예는 트랜지스터(Q4), 저항(R3,R10,R11) 및 캐패시터(C1,C5)의 상호연결 구성으로 되어져 있다.

그리고 상기한 주 스위칭소자(Q7,Q8)는 동작의 신뢰도를 위해 MOSFET로 구성할 수도 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 동작 및 작용 효과를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 정상 동작하에서 2개의 주 트랜지스터(Q7,Q8)는 일정 주파수 Ws로서 제2도의 (b)와 같은 형태로 번갈아 온, 오프 되게 되는데 이때 부하전류가 트랜스(T1)의 1차 권선(n₁)에 의항 감지되어 그 전류에 비례하는 일정전압이 매 주기마다 캐패시터(C1)에 충전 및 방전을 반복하게 된다.

여기에서 충전경로는

n₃→D1(혹은 D2)→D3→R6→C1→D5(혹은 D4)→n₃를 통하여 이루어진다.

한편 방전경로는

C1→Q3→Q2→L1→R7→Q5→C1 또는 C1→Q3→Q2→L1→R8→Q6→C1

으로 형성된다.

방전순간의 결정은 트랜지스터(Q1)의 베이스 전위(R3, Q4에 의하여 C1 양단의 전압을 감지함)와 에미터 전위차가 VBE, ON 보다 클때 트랜지스터(Q1)가 도통되어 트랜지스터(Q2)를 턴 오프시키게 되면, Q3와 Q2로 형성된 정궤환(positive feedback)에 의하여 턴 온상태를 유지하게 된다.

이 구간의 길이는 리액터(L1)와 캐패시터(C1)의 값에 의하여 결정되고 이 길이이가 바로 데드 인터별이 된다.

이상에서와 같이 본 발명은 형광등 점등용 전자식 안정기에 있어, 직렬 공진형 인버터를 예열용 지연점등 기능을 갖는 영전압스위칭 방식에 의하여 제어할 수가 있는 것이어서, 스위칭 손실을 줄여 보다 고효율 및 고주파대 동작이 가능하며, 특히 고주파대역(500kHz 이상)에서 유해 전파 장애의 요인을 줄이면서도 기존의 병렬 공진형 방식에 비하여 제품코스트의 절감을 도모할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (5)

1. 직렬 공진형 인버터를 포함하는 형광등 점등용 전자식 안정기에 있어서, 전류 트랜스(T1) 2차 권선(n₂)에 연결되는 주 스위칭 소자(Q7,Q8) 양단에 영전압 스위칭을 위한 캐패시터(C2,C3)를 각가 병렬 접속하고, 공진전류를 감지하는 1차 권선(n₁)이 구비된 상기 전류 트랜스(T)의 3차 권선(n₃) 양단간에는 상기 주 스위칭 소자(Q7,Q8)가 모두 오프 스위칭 되도록 제어하는 데드 인터벌 제어수단(10)과, 상기 데드 인터벌 제어수단(10)의 오프 타이밍을 조정하는 타이밍 제어수단(11)과, 램프(LP)의 초기점등시 소프트 스타트를 위한 소프트 스타트 수단(12)을 순차적으로 구비함을 특징으로 하는 형광등 점등용 전자식 안정기의 영전압 스위칭 제어회로.
2. 제1항에 있어서, 상기 데드 인터벌 제어수단(10)은 트랜지스터(Q5 Q6), 다이오드(D1,D6) 및 저항(R7,R9)의 상호 연결 구성으로 된 것을 특징으로 하는 형광등 점등용 전자식 안정기의 영전압 제어회로.
3. 제1항에 있어서, 상기 타이밍 제어수단(11)은 트랜지스터(Q1,Q3) 및 저항(R1, R2),(R4, R6)의 상호 연결 구성으로 된 것을 특징으로 하는 형광등 점등용 전자식 안정기의 영전압 스위칭 제어회로.
4. 제1항에 있어서, 상기 소프트 스타트 수단(12) 트랜지스터(Q4), 저항(R3,R10,R11) 및 캐패시터(C1,C5)의 상호 연결 구성으로 된 것을 특징으로 하는 형광등 점등용 전자식 안정기의 영전압 스위칭 제어회로.
5. 제1항에 있어서, 상기 주 스위칭소자(Q7,Q8)로서 MOSFET를 사용한 것을 특징으로 형광등 점등용 전자식 안정기의 영전압 스위칭 제어회로.