KR960016179B1 - 준-공진 다이오드 구동 전류원 - Google Patents

준-공진 다이오드 구동 전류원 Download PDF

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휴우즈 에어크라프트 캄파니
완다 케이. 멘슨-로우
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Abstract

내용없음.

Description

준-공진 다이오드 구동 전류원
제1도는 본 발명의 준-공진 다이오드 구동 전류원을 이용하는 레이저 다이오드 구동 회로의 블럭도.
제2도는 본 발명의 원리에 따른 준-공진 다이오드 구동 전류원의 개략도.
제3a도 내지 제3d도는 제2도의 준-공진 다이오드 구동 전류원의 정상 상태 동작 파형을 도시한 도면.
제4a도 내지 제4d도는 제2도의 준-공진 다이오드 구동 전류원의 정상 상태 동작 파형을 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 전하공급원12 : 캐패시터
13,14,15 : 다이오드 어레이16,31 : 발광 다이오드
17 : 보호 다이오드20 : 준-공진 전류원
22 : 전원24 : 전환 트랜지스터
25 : 다이오드29 : 캐치 다이오드
30 : 공진 캐패시터
본 발명은 일반적으로 다이오드 구동 전류원에 관한 것으로, 더 특정하게는 고상(solid state)레이저를 구동하기 위해 사용하는 준-공간(quasi-resonant)다이오드 구동 전류원에 관한 것이다.
전류 제어의 준-공진 변환기는 모터 기술 분야에 공지되어 있으며, 이와 같은 변환기는 IEEE의 산업 전자공학 논문집(IEE Transactions on Industrial Electronics), Vol.38, No. 5에 1991년 10월에 발행된 호앙 레-후이(Joang Le-Huy)의 "전환된 자기 저항 모터용 전류 제어 변환기(A Current-Controlled Quasi-Resonant Converter for Switched-Reluctance Motor)"에 개시되어 있다. 이 논문은 릴럭턴스(reluctance)전환 모터를 이용하는 저전력 및 중전력 변속 드라이브에 사용하기 위한 전류 제어 준-공진변환기가 기재되어 있다. 전환 성능을 개선하고 모터 권선에 흐르는 전류를 효율적으로 제어하기 위해 전류 전환 방식이 이용된다.
또, 준-공진 변환기들은 IEEE의 전력 전자공학 논문집(IEEE Transactions on Power Electronics), Vol. 6, No. 1에 1991년 1월 발행된 레이몬드 비. 리들리(Raymond B. Ridley)의 "준-공진 변환기용 다중루프 제어(Multi-Loop Control for Quasi-Resonant Converters)"에도 개시되어 있다. 이 논문은 준-공진 변환기용 다중 루프 제어 방법을 개시하고 있고, 다양한 준-공진 버크(buck)변환기의 토폴로지 및 회로들을 설명하고 있다.
레이저 기술 분야에서는, 높은 전기-광 효율로 인해 다이오드 폄핑이 고상 레이저 시스템용으로 선택되어 왔다. 다이오드 펌핑 방식을 사용하기 전에는 펌프 소오스로서 플레시램프(flashlamp)가 사용되었다. 전형적인 시스템의 효율은 1% 내지 2% 였다. 이와 같이 낮은 효율은 주로 낮은 전기-광 효율에 기인하였다. 전기-광 효율이 높은 다이오드 펌핑을 사용하면, 10% 내지 15%의 레이저 시스템 효율이 발생될 수 있다. 따라서, 필요한 입력 전력의 1/10감소가 달성된다.
다이오드 펌핑은 펌핑 다이오드를 구동시킥 위하여 고전력 펄스 발생 조절용 전류원을 필요로 한다. 종래의 전류원들은 출력 전류를 제어하기 위해 직렬 소산 조절기(Series Dissipative Regulator)나 펄스폭 변조(PWM)변환기를 사용한다. 예를 들면 다이오드 펌프식 레이저에 의해 요구되는 것처럼 높은 출력 전류에서 사용될 때, 이들 2가지 기술 모두는 높은 전력 손실을 야기시키게 되어서, 매우 비효율적이 된다.
직렬 소산 조절기는 전형적으로 트랜지스터인 직렬 경로 소자 양단에서 강하되는 전력을 발산하는데. 그 전력은 P=(Vin- Vout) * Iout로 제공된다. 출력 전류가 높으면 높을수록 전력 손실을 매우 커진다. PWM 변환기에는 특히 캐치 다이오드의 역회복으로 인해 전환 트랜지스터에서의 높은 전환 손실 캐치 다이오드에서의 전환 손실이 일어난다. 높은 출력 전류 상태에서, 역 회복 전류는 매우 크며 최종 전력 손실도 매우 크다.
따라서, 비교적 효율적이고 고상 다이오드 펌프 레이저 등에 고출력의 펄스 조절 전류를 제공할 수 있는 전류원을 제공하는 것은 본 기술분야에 있어서 진보한 것이 될 것이다.
본 발명의 원리에 따르면, 준-공진 다이오드 구동 변환기는 발광 다이오드 등을 구동시키기 위해 사용되는 고출력 펄스 전류원으로 사용된다. 이 다이오드 구동 전류원은 예를 들면, 고상 레이저를 펌프하기 위해 사용되는 고상 발광 다이오드를 구동하는데 이용될 수 있다. 준-공진 다이오드 구동 변환기의 출력 전류는 제어 루프에 의해 발광 다이오드에 요구되는 레벨로 조절된다. 본 발명의 특정한 실시예에 있어서, 고상 다이오드 펌프 레이저 결정을 펌프하는 다수의 발광 다이오드를 구동하는 데 필요한 고진폭의 펄스 출력 전류를 제공하기 위해 0전류 전환용 전파(full wave)준-공진 버크 변환기가 개발되었다.
특히, 본 발명의 한 실시예는 전원, 발광 다이오드, 및 이 전원과 다이오드에 펄스 전류를 제공하는 발광 다이오드 사이에 접속된 준-공진 변환기를 포함하는 전류원을 포함한다. 발광 다이오드를 통해 흐르는 전류를 감지하기 위한 전류 감지기가 제공되고, 발광 다이오드에 공급된 펄스 전류의 진폭을 조절하기 위한 제어기가 전류 감지기에 접속되어 있다,
또, 전하 공급원 및 전하를 저장하기 위해 이 전하 공급원에 접속되어 있는 다수의 전하 저장 장치를 포함하는 레이저 구동 회로에 대해 설명하고자 한다. 각각 다수의 개별 발광 다이오드를 각각 포함하는 다수의 발광 다이오드 어레이들은 전하 저장 장치에 결합된다. 다수의 다이오드 구동 회로는 다수의 발광 다이오드 어레이에 각각 접속되고, 상기 다수의 다이오드 구동 회로 각각은 앞 부분에서 요약한 것처럼 준-공진 다이오드 구동 펄스 전류원을 포함한다.
준-공진 다이오드 구동 변환기를 전류원으로 사용하면 종래의 레이저 전류원에 비해 훨씬 더 높은 변환 효율이 제공된다. 이와 같이 효율이 높아지기 때문에 전원으로 부터 소비되는 입력 전력이 더 줄어 들고 더 낮은 온도에서 동작하기 때문에, 신뢰성이 더 높은 전류원이 된다. 이와 같이 개선된 효율은 높은 출력 전류 레벨에서 매우 큰 이익을 가져오며, 소비 전력의 절약이 크게 향상된다는 것을 의미한다. 본 발명은 고 전류의 펄스 조절 전류원을 필요로 하는 고상 다이오드 펌프 레이저 분야에서는 중요한 개발이었다. 이와 같은 효율적인 전원이 없이는 다이오드 펌프 레이저는 실용적이지 못하다.
본 발명의 다양한 특징 및 장점들은 첨부된 도면과 함께 다음의 상세한 설명으로 부터 더 용이하게 이해 될 것이다. 유사한 참조 번호는 유사 구성 요소를 나타낸다.
제1도를 참조하면, 임의 수의 발광 다이오드(16)을 갖는 다수의 레이저 다이오드 어레이(13,14,15)를 구동하기 위해 본 발명에 따른 준-공진 다이오드 구동 전류원을 이용한 레이저 다이오드 구동 회로(10)이 도시되어 있다. 개별 다이오드 어레이(13,14,15)의 각각은 2개의 증폭기 및 발진기(도시되지 않음)의 일부인 레이저 결정(도시되지 않음)을 펌프하기에 적합하게 되어 있다. 개별 다이오드 어레이(13,14,15)의 각각은 전하 공급원(11)과 준-공진 다이오드 구동 전류원(20)중 하나 사이에 직렬로 접속되어 있는 분리된 다수의 레이저 다이오드(16)을 포함한다. 보호 다이오드(17)은 다수의 발광 다이오드(16)에 각각 접속되어 있고 역전압 인가시 다수의 발광 다이오드(16)을 보호하기 위해 사용된다. 캐패시터(12)에 의해 다수의 레이저 다이오드(16)의 각각 사이에는 용량성 분리부가 제공된다. 캐패시터(12)는 레이저 다이오드 어레이(13,14,15)를 구동하기 위해 준-공진 다이오드 구동 전류원(20)에 의해 궁극적으로 제어되는 전하를 충전하기 위해 사용된다. 지금까지, 종래의 다이오드 구동 회로들이 다이오드 구동회로(20)(제2도에 상세하게 도시됨)대신에 제1도와 유사한 회로에서 사용되어 왔고, 종래의 구동 회로의 예는 아날로그 모듈스, 인크(Analog Modules, Inc.)에 의해 제조된 모델 778이다.
제2도는 제1도의 다이오드 구동 회로(10)에 이용된 본 발명에 따른 준-공진 다이오드 구동 전류원(20)의 개략도가 도시되어 있다. 0전류 전환용 전파 버크 변환기는 제2도에 도시되어 있다. 그러나, 이해되어야 할 것은 본 발명의 준-공진 다이오드 구동 전류원(20)이 다른 변환기 토폴로지에 따라 용이하게 구성될 수 있다는 것이다.
상술한 바와 같이, 종래의 버크 변환기 전류원에서의 전환 손실은 매우 큰 전력 손실을 발생시키며 이와 같은 회로는 전류원으로서 매우 비효과적이다. 따라서, 전환 손실을 최소화한 전력 변환 기술이 요구되는데, 이는 제2도에 도시된 준-공진 다이오드 구동 전류원(20)에 의해 제공된다. 다이오드 구동 전류원(20)은 0전류 전환식 준-공진 변환기(21)이다. 변환기(21)은 기생 성분들을 사용하거나, 마스크하여 그들의 효과는 무시해도 된다.
0전류 전환식 준-공진 변환기(21)은 전환 트랜지스터(24,Q1), 공진 인덕터(27,L1) 및 필터 인덕터(28,L2)를 통해 발광 다이오드(31)과 직렬로 접속된 전원(22)로 구성되어 있다. 종래의 전원 필터 방식(도시되지 않음)은 제2도의 회로에 용이하게 이용될 수 있다. 다이오드(25,CR1)은 전환 트랜지스터(24)양단에 접속된다. 캐치 다이오드(29, CR2) 및 공진 개패시터(30,C1)은 인덕터(27, L1)과 전원의 음극 사이의 점으로부터 접속된다. 전류 감지기(32)는 발광 다이오드(31)에 접속된 출력 전류를 감지하고 전환 주파수를 변화시킴으로써 전환 트랜지스터(24,Q1)를 통해 흐르는 평균 전류의 양을 조절하는 준-공진 제어기(26)에 감시선(33)에 의해 접속된다.
공진 인덕터(27,L1)은 전환 시간 동안 전환 트랜지스터(24,Q1)에 고임피던스를 제공함으로써 전환 트랜지스터(24,Q1)의 손실없는 전환을 가능하게 한다. 공진 캐패시터(30,C1)은 캐치 다이오드(29,CR2)의 용량 및 역 회복을 마스크함으로써, 캐치 다이오드(29, CR2)의 전환 손실을 제거한다. 이 구조는 거의 손실이 없는 전환을 제공한다. 공진 변환기들의 상세한 회로 설명은 공지된 문헌들에서 찾아볼 수 있다. 특히, 준-공진변환기들은 1990년 4월에 유니트로드 인티그레이티드 서킷 코포레이션(Unitrode Integrated Circuits Corporation)에 의해 발행된 발행 번호 IC600"선형 집적 회로 데이타 및 응용 핸드북(Liner Integrated Circuits Data and Applications Handbook)"을 읽어보면 이해될 것이다.
준-공진 다이오드 구동 전류원(20)의 동작에 대한 상세한 설명은 회로 동작 파형이 도시되어 있는 제3a도 내지 제3d도를 참조하여 지금부터 설명하고자 한다, 전환 트랜지스터(24,Q1)은 턴 온되어 공진 인덕턴스(27,L1) 양단에 입력 전압을 인가한다. 공진 인덕터(27,L1)은 전환 트랜지스터(24,Q1)과 직렬로 접속되어 있기 때문에 전류의 상승(di/dt)는 Vin/L1에 의해 제한되고, 전환 트랜지스터(24,Q1)은 0의 컬렉터/드레인 전류로 턴온된다. 이때의 전환 손실은 0이다. 이제 입력 전압은 공진 인덕터(27,L1)과 공진 캐패시터(30,C1)을 포함하는 공진 저임피던스 탱크 회로, 즉 저감쇄 LCR회로에 인가된다. 턴온시부터, 입력 전류는 증가하고 전환 트랜지스터(24,Q1)을 통해 탱크 회로에서 정현파로 발진한다. 공진 캐패시터(30,C1)은 입력 전류로 인해 2*Vin으로 충전된다. 입력 전류는 이제 발진 주기를 계속하여 다이오드(25,CR1)을 통해 전원으로 다시 돌아간다. 공진 캐패시터(30,C1)은 역 전류로 인해 방전된다. 전환 트랜지스터(24,Q1)는 공진 캐패시터(30,C1)이 방전되고 있는 동안 턴오프된다. 이 기간 동안 전류는 전환 트랜지스터(24,Q1)을 통과하지 않기 때문에, 전환 트랜지스터(24,Q1)의 턴 오프도 손실이 없다. 그리고 나서, 입력 전류는 0으로 돌아오고 다이오드(25,CR1)은 턴 오프된다. 다음 주기를 개시하기 위해, 전환 트랜지스터(24,Q1)은 다시 턴온되고, 상기 과정이 반복된다. 공진 캐패시터(30,C1)은 각 주기마다 충전(및 방전)된다.
주기가 반복될 때, 출력 필터 인덕터(27,L2)는 전류를 흘리기 시작한다. 위에서 설명된 공진 캐패시터(30,C1)을 충전시키면 발광 다이오드,(31)의 임피던스를 통해 필터 인덕터(28,L2) 양단에 전압이 가해진다. 인덕터에서의 전류 상승 속도(di/dt)는 공진 캐패시터(30,C1)에 인가된 전압과 주기율을 곱한 값에 비례한다. 따라서, 인덕터에 흐르는 전류, 즉 발광 다이오드 전류는 전환 트랜지스터(24,Q1)이 전환되는 주파수를 가변함으로써 제어된다. 출력 전류는 감지되고, 제어 루프는 출력 전류를 조절하기 위해 동작 주파수를 가변시킨다.
정상 상태 출력 전류에서의 동작은 위에서 설명된 것과는 약간 다르다. 준-공진 다이오드 구동 전류원(20)에 대해 정상 상태 동작 파형을 도시한 제4a도 내지 제4d도를 참조하여 설명하고자 한다. 제4a도 내지 제4d도에 도시된 시간 전에 변환기는 정상 동작 상태이다. 전환 트랜지스터(24,Q1)은 턴 오프되고, 입력 전류(Iin)은 0이고, 공진 캐패시터(30,C1) 양단의 전압(VC1)은 0(실제로 하나의 다이오드는 0이하로 하강), 출력 전류( Iout)은 필터 인덕터(28,L2) 및 캐치 다이오드(29,CR2)를 통해 흐른다. 출력 전류가 감지 수단(32)에서 감지되고 강하할때 전환 트랜지스터(24,q1)은 턴온된다. Iout은 공진 인덕터(27,L1) 및 다이오드(25,CR1)을 통해 계속해서 흐르고 전압(VC1)은 0볼트로 유지된다. 입력 전압(Vin)이 공진 인덕터(27,L1)양단에 인가된 상태에서, Iin은 Iout으로 선형적으로 증가한다. 잠시후,Iin>Iout이 되고 전류는 공진 캐패시터(30,C1)로 흐르고 공진 발진을 시작한다. 공진 인덕터(27,L1) 및 공진 캐패시터(30,C1)은 공진을 하고, 전류는 공진 캐패시터(30,C1)로 흐르고 나서 다이오드(25,CR1)을 통해 전원으로 다시 들어온다. 이제 출력 전류는 공진 탱크에서 감쇠 저항기로서 작용하고, 다이오드(25,CR1)을 통해 흐르는 전류는 기동시보다 훨씬 더 작아진다. 전압(VC1)이 0볼트에 도달할때, Iout은 다시 캐치 다이오드(29,CR2)를 통해 흐른다. Iin이 0으로 되돌아올때 주기가 완료된다.
준-공진 다이오드 구동 전류원(20)은 종래의 SPICE의 기본 분석을 사용하여 모의 시험되었다. 이 모의 시험은 제3도 및 제4도에 도시된 파형들을 발생시켰다. 이와 같은 모의시험 결과는 위에서 설명한 기능들 및 장점들을 설명하는 자료이다.
준-공진 다이오드 구동 전류원(20)의 실험 보드가 제작되어 검사용으로 이용되었다. 이 실험 보드의 성능은 예견된 성능과 근사하게 일치하였다. 효율에 대한 측정이 실시되었는데, 계산된 효율은 85% 내지 90%정도였고 준-공진 전류원(20)의 변환효율은 약 95%로 개선될 수 있다.
따라서, 고상 레이저를 구동하기 위해 사용하는 신규한 준-공진 전류원이 설명되었다. 이해되어야 할 것은 위에서 설명된 실시예는 본 발명의 원리의 응용을 나타내는 많은 특정한 실시예들 중 소정의 것을 단지 설명하고 있다는 것이다. 명맥하게는, 본 분야의 기술에 숙련된 자들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 많은 다른 장치들을 고안할 수 있다.

Claims (7)

  1. 전원 : 발광 다이오드; 상기 발광 다이오드에 펄스 전류를 제공하기 위하여 상기 전원 및 상기 발광 다이오드 사이에 접속된 준-공진 변환기; 상기 발광 다이오드를 통해 흐르는 전류를 감지하기 위한 감지수단; 및 상기 발광 다이오드에 공급된 펄스 전류의 진폭을 조절하기 위하여 상기-감지 수단에 접속된 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전류원.
  2. 제1항에 있어서, 상기 준-공진 변환기가 0전류 전환식 전파 준-공진 버크변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류원.
  3. 제2항에 있어서, 상기 준-공진 변환기가 다이오드가 양단에 결합된 전환 트랜지스터; 공진 인덕터; 필터 인덕터; 및 상기 인덕터 및 상기 발광 다이오드 양단에 병렬로 접속된 공진 캐패시터 및 캐치 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류원.
  4. 전하 공급원; 전하를 저장하기 위해 상기 전하 공급원에 접속된 전하 저장 수단; 상기 전하저장 수단에 각각 접속된 다수의 발광 다이오드를 각각 포함하는 다수의 발광 다이오드 어레이; 및 각각은 준-공진 다이오드 구동 펄스 전류원을 포함하고, 상기 다수의 발광 다이오드 어레이들에 각각 접속된 다수의 다이오드 구동기 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 구동 회로.
  5. 제4항에 있어서, 각 준-공진 다이오드 구동펄스 전류원이 상기 어레이의 발광 다이오드들에 펄스 전류를 제공하기 위하여 상기 전하 저장수단 및 상기 발광 다이오드 어레이들 중 선택된 하나 사이에 접속된 준-공진 변환기; 상기 선택된 발광 다이오드 어레이를 통해 흐르는 전류를 감지하기 위한 감지 수단; 및 상기 선택된 발광 다이오드에 공급된 펄스 전류의 진폭을 조절하기 위하여 상기 감지 수단에 접속된 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 구동 회로.
  6. 제5항에 있어서, 상기 준-공진 변환기가 0전류 전환식 전파 준-공진 버크 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 구동 회로.
  7. 제6항에 있어서, 상기 준-공진 변환기가 상기 전하 저장 수단 및 상기 다수의 발광 다이오드 어레이들중 선택된 하나 사이에 접속된 전환 수단; 상기 전환 수단 및 상기 다수의 발광 다이오드 어레이들 중 선택된 하나 사이에 직렬로 접속된 공진 인덕터 및 필터 인덕터; 및 상기 필터 인덕터 및 상기 다수의 발광 다이오드 어레이들 중 선택된 하나 양단에 접속된 캐치 다이오드 및 공진 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 구동 회로.
KR1019930006845A 1992-04-23 1993-04-23 준-공진 다이오드 구동 전류원 KR960016179B1 (ko)

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