KR100446102B1 - 두개의 방전관을 하나의 발라스터로 동시점등하는 장치및제어방법 - Google Patents

두개의 방전관을 하나의 발라스터로 동시점등하는 장치및제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 두개의 방전관(BULB)을 하나의 발라스터(안정기)로 동시점등하는 장치및 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자동차 헤드 램프용으로 사용되는 HID(High Intensity Dischare) 시스템에서 좌우측 독립된 방전관(BULB)이나 램프를 제어하기 위해서 사용되었던 두개의 발라스터를 하나의 발라스터로 두개의 방전관(BULB)이나 좌우측 램프를 제어하기 위해 센싱기능을 갖는 2개의 인버터와, 양 방전관(BULB)간의 불평형부하를 제어하는 스탭 다운 초퍼(STEP DOWN CHOPPER) 및 콘덴서의 적층형태로 포일을 2중으로 적층한 이그나이터를 구성함으로서 양단간의 불평형부하를 제어하여 하나의 발라스터로 두개의 방전관(BULB)이나 좌우측 램프를 동시 점등하는데 그 목적이 있다.

Description

두개의 방전관을 하나의 발라스터로 동시점등하는 장치및 제어방법{the appartus and method for synchronous lighting by one ballast with two bulb}
본 발명은 두개의 방전관(BULB)을 하나의 발라스터로 동시점등하는 장치및 제어방법에 관한 것으로서, 보다상세하게는 하나의 발라스터로 두개의 방전관(BULB)이나 좌우측 램프를 제어하기 위해 2개의 인버터 와 스탭 다운 초퍼 (STEP DOWN CHOPPER) 및 콘덴서의 적층형태로 포일을 2중으로 적층한 이그나이터를 구성함으로서 양단간의 불평형부하를 제어하여 두개의 방전관 (BULB)이나 좌우측 램프를 동시 점등하는데 그 목적이 있다.
일반적으로 발라스터(안정기)는 램프시동에 필요한 높은 시동전압 공급과 점등 후 램프전류를 규정치로 제한하는 기능을 가지고 있다. 이와 같은 이유로 안정기는 점등시에 고압의 점화펄스, 점화 후 방전상태의 천이를 위한 적절한 개방회로 전압 및 순시전류공급과 초기 점등시 빠른 점등을 위한 적절한 점등제어가 필요하다. 또한 정상상태에서의 긴 수명 및 안정된 광출력을 위해 공급되는 전력은 일정하여야 한다. 그러나 램프의 관전압은 개별품에 따라 편차가 심하고 램프동작시간의 경과에 따라 상승하는 경향이 있어 램프전력제어 및 제어기 설계에 어려움이 있었다.
특히, 불평형 제어대상인 차량용 HID(High Intensity Dischare)램프를 구동하기 위해서 기존의 두개의 발라스터로 각각 독립제어를 수행하였다. 그러나 두개의 발라스터를 장착하기 위한 차량내 공간확보 및 고전압을 발생하는 이그나이터가 두군데 존재함으로써 설비비용의 증가와 안전상의 문제점이 발생하였다.
또한, 기존 차량용 HID(High Intensity Dischare)램프를 구동하기 위해서는 차량 전면에 부착된 좌우 램프(LAMP)의 조건이 상이하고 방전관(BULB)내부 관전압의 균일성이 정확하게 일치하지 않아 하나의 램프(LAMP)에 하나의 발라스터(안정기)가 필요로 했고 제어도 각각 수행되어졌다. 이 경우 차량의 램프(LAMP)구성상 상하향 램프(LAMP)가 동시에 구성되어 상향등은 기존의 할로겐 램프가 구성되고 하향등은 HID(High Intensity Dischare) 램프로 구성되는 단점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 자동차 헤드 램프용으로 사용되는 HID(High Intensity Dischare)시스템에서 두개의독립 방전관(BULB)또는 램프를 하나의 발라스터로 동시점등하는 장치 및 제어방법을 제공하는 것으로, 특히 2개의 인버터와 스탭 다운 초퍼(STEP DOWN CHOPPER) 및 콘덴서의 적층형태로 포일을 2중으로 적층한 이그나이터를 구성함으로서 양단간의 불평형부하를 제어하여 두개의 방전관(BULB)이나 좌우측 램프를 동시 점등하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 두개의 방전관(BULB)을 하나의 발라스터로 동시점등하는 회로도.
도 2는 본 발명에 따른 두개의 방전관(BULB)을 하나의 발라스터로 동시점등하기 위한 동작 파형도.
도 3은 본 발명의 전압제어시 플라이백컨버터의 동작를 나타낸 실시예도
도 4는 본 발명의 전류제어시 플라이백컨버터의 동작을 나타낸 실시예도
도 5는 본 발명에 따른 이그나이터부의 'ㅑ' 형 권선형상을 나타낸 실시예도
도 6은 본 발명에 따른 이그나이터부의 이중 겹치기형 권선형상을 나타낸 실시예도,
도 7은 본 발명에 따른 이그나이터부의 시리얼형 권선형상을 나타낸 실시예도,
도 8은 본 발명에 따른 두개의 방전관(BULB)을 하나의 발라스터로 동시점등하는 방법을 나타낸 블록도.
도 9는 본 발명에 따른 동시점등 방법중 동시점등 관계를 상세히 나타낸 블록도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10: 플라이백 컨버터(Flyback Converter) 11: 전원부
12: 입력전압검출부 13: 입력전류검출부 15: 스탭 다운 초퍼(STEP DOWN CHOPPER) 16:PWM제어부 20: 제1인버터 21,31:출력전류검출부
22,32:출력전압검출부 23, 33:게이트구동부 30: 제2인버터 40: 제어기 50: 좌측(LEFT)램프 60: 우측(RIGHT)램프
70: 이그나이터
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는 플라이백 컨버터(Flyback Converter)와 풀브리지인버터(Full Bridge inverter)및 전원부와 PWM제어부 및 게이트구동부로 이루어진 하나의 발라스터로 두개의 방전관(BULB)을 동시 점등하도록 구성되며,
상기 풀브리지인버터는 플라이백 컨버터(Flyback Converter)(10)의 일측에 결합된 센싱저항(R5, R7)과 센싱저항(R11)을 통해 좌측(LEFT)램프 작동시 출력되는 출력전압과 출력전류을 검출하여 센싱하는 제1인버터(20)와, 센싱저항(R12, R14)과 센싱저항(R16)을 통해 우측(RIGHT)램프 작동시 출력되는 출력전압과 출력전류를 검출하여 센싱하는 제2인버터(30)로 분할되어 구성되고,
상기 전원부(11)로부터 입력전압을 입력받고 저항 (R10)을 통하여 입력전류를 각각 입력받아 출력전력을 일정 단계로 유지하여 각부하에 공급되는 전력을 안정화하고 제1인버터와 제2인버터작동시 출력되는 출력전압과 출력전류를 검출하여 양단간의 불평형부하를 제어하는 제어기(40)와,
그 제어기(40)의 일측에 연결되어 램프의 초기구동시 발생하는 불평형 부하를 제어하기 위해 저항이 큰쪽의 전력을 기준 전력에 먼저 맞춘후 저항이 작은 방전관(BULB)의 관전압을 제어하여 양 방전관(BULB)의 전력을 일정하게 하는 스탭 다운 초퍼(STEP DOWN CHOPPER)(15)와,
상기 제1,2인버터의 일측에 연결되어 램프의 초기 또는 재점화시 고압의 전력으로 램프가 점화할 수 있도록 고전압의 펄스를 좌측(LEFT)램프와 우측(RIGHT)램프에 동시에 가할 수 있는 이그나이터부(70)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 두개의 방전관(BULB)을 하나의 발라스터로 동시점등하는 방법으로,
안정기(BALLAST)에 전원이 인가되고 점등개시가 이루어지지 않은 구간에서 이그나이터가 동작할 수 있도록 출력 전압과 입력 전압의 값을 제어기가 측정하여 점등이 개시 될 때까지 플라이백 컨버터 단의 듀티를 최대로 하여 변압기 2차 측에 고압이 인가되도록 제어하는 전압제어단계(S110)와,
두개의 독립 램프 혹은 하나의 몸체에 두개의 방전관(BULB)을 가진 램프를 게이트구동부에서 제어기의 제어를 통해 동시점등하는 단계(S120)와,
안정기(BALLAST)의 방전관(BULB)의 점등 개시 구간과 천이 구간 사이에 전하의 자유로운 이동으로 전류가 많이 유입되어 직류(DC) 구동의 안정화를 갖을 수 있도록 하는 전류제어단계(S130)와,
안정기(BALLAST)가 천이 구간 후에 안정화 상태로 가는 동안에 입력 전압과 전류, 그리고 출력전압과 전류를 측정하여 방전관(BULB)이 정상적으로 점등을 유지할 수 있도록 전압과 전류를 모두 제어하는 전력제어단계(S140)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 두개의 방전관(BULB)을 하나의 발라스터로 동시점등하는 회로도인 바, 이는 플라이백 컨버터(Flyback Converter)(10), 풀브리지인버터(Full Bridge inverter)(20,30), 제어기(40), PWM제어부(16), 스탭 다운 초퍼(STEP DOWN CHOPPER)(15), 게이트구동부(23,33) 및 이그나이터(70)로 구성된다.
특히, 상기 풀브리지인버터는 차량의 좌측(LEFT)램프(50)와 우측(RIGHT)램프(60)를 동시점등하도록 좌측(LEFT)램프(50)를 구동하기 위한 제1인버터(20)와 우측(RIGHT)램프(60)를 구동하기 위한 제2인버터(30)로 구성된다.
여기서, 상기 PWM제어부와 게이트구동부의 구성과 동작은 당업계에서 보편적인 기술이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 플라이백 컨버터(Flyback Converter)(10)는 일측에 차량 전원인 밧데리와 제너레이터로부터 저항(R3)와 저항(R4)의 일정한 비율에 따라 입력되는 입력전압을 검출하는 입력전압검출부(12)가 접속되고, 그 입력전압검출부(12)의 측면에 초기 기동시 PWM 제어부(16)의 제어신호에 의해 턴 온/오프되는 스위칭 트랜지스터(S3,S4)에 입력되는 입력전류를 검출하는 입력전류검출부(13)가 접속되며, 회로의 상단부에 스위칭 트랜지스터(S3,S4)가 턴 온/오프되면 밧데리와 제너레이터의 전압(V+, V-)을 승압하여 출력하는 변압기(T1)가 접속되고, 그 변압기(T1)에서 출력되는 고전압(1500V)을 정류하여 이그나이터(70)로 제공하는 다이오드(D1, D2)와, 램프의 점화상태에 따라 가변되는 상기 변압기(T1)에서 출력되는 직류전압을 정류하여 제1인버터(20) 및 제2인버터(30)로 제공하는 다이오드(D3,D4)가 접속된다. 또한, 상기 다이오드(D3)의 캐소드단과 접지단 사이에는 전해 캐패시터(C5)와 저항(R6,R11) 및 전해 캐패시터(C6)가 상호 병렬로 접속되며, 상기 다이오드(D4)의 캐소드단과 접지단 사이에도 마찬가지로 전해 캐패시터(C8)와 저항(R13,R16) 및 전해 캐패시터(C9)가 상호 병렬로 접속된다.
여기서, 상기 입력전압검출부(12)는 각부하에 12V로 일정하게 공급되는지를 검출하고, 상기 입력전류검출부(13)는 초기기동시 센싱저항(R10)을 통해 제어기에서 제공되는 전류 명령치를 이용하여 변압기(T1)에 일정한 전류가 흐르는지를 검출하는 역할을 한다.
상기 제1인버터(20)는 플라이백 컨버터(Flyback Converter)(10)의 일측에 센싱 저항을 결합하여 두개의 독립 램프 혹은 두개의 방전관(BULB)을 가진 램프 중 어느 하나를 좌측(LEFT)램프(50)로 작동되도록 제어하는 센싱 기능을 갖는 바, 이는 도 3에 도시된 바와 같이 센싱저항(R5,R7,R8)과 전해 캐패시터(C7) 및 센싱저항(R11)로 구성되고, 그 센싱저항(R7)과 센싱저항(R8)사이에 위치하여 좌측(LEFT)램프 작동시 출력되는 전압을 검출하는 출력전압검출부(22)가 접속되며, 센싱저항(R11)을 통해 램프의 초기 구동시 이그나이터부를 통해 유입되는 직류전류를 검출하는 출력전류검출부(21)가 각각 접속되고, 게이트구동부(23)에서 출력되는 구동신호에 의해 스위칭되는 스위칭 트랜지스터(S1,S2,S5,S6)가 접속된다.
또한, 상기 제2인버터(30)는 그 플라이백 컨버터(Flyback Converter)(10)의 일측에 센싱 저항을 결합하여 두개의 독립 램프 혹은 두개의 방전관(BULB)을 가진 램프 중 어느 하나를 우측(RIGHT)램프(60)로 작동되도록 제어하는 센싱 기능을 갖는 바, 이는 도 3에 도시된 바와 같이 센싱저항(R12,R14,R15)과 전해 캐패시터(C10) 및 센싱저항(R16)로 구성되고, 그 센싱저항(R14)과 센싱저항(R15)사이에 위치하여 우측(RIGHT)램프 작동시 출력되는 전압를 검출하는 출력전압검출부(32)가 접속되며, 센싱저항(R16)을 통해 램프의 초기 구동시 이그나이터부를 통해 유입되는 직류전류를 검출하는 출력전류검출부(31)가 각각 접속되고, 게이트구동부(33)에서 출력되는 구동신호에 의해 스위칭되는 스위칭 트랜지스터(S7,S8,S9,S10)가 접속된다.
상기 제어기(40)는 PWM 발생기, 램프 전력안정, 램프 온도보상기, 전체 fault 보호회로의 특징을 갖는바, 전원부로부터 입력전압을 입력받고 저항(R10)을통하여 초기기동시 입력전류를 일정 단계로 유지하여 각부하에 공급되는 전압을 제어하고 제1인버터(20)와 제2인버터(30)작동시 발생하는 출력전압과 출력전류를 검출하여 양단간의 불평형부하를 제어한다.
이에 제어기(40)는 도 3에 도시된 바와 같이 초기 전압을 12V로 일정하게 제어하기 위해 사용되는 입력전압검출부(12)와 접속되고, 그 입력전압검출부(12)의 측면에는 제어기에서 제공되는 전류 명령치를 이용하여 일정한 전압을 얻기 위해 사용되는
입력전류검출부(13)와 접속되며, 램프의 점화상태에 따라 이그나이터부에서 가변되는 직류전류를 제어하기 위해 사용되는 출력전류검출부(21)가 접속되고, 좌측(LEFT)램프와 우측(RIGHT)램프 작동시 출력되는 출력전압을 검출하는 출력전압검출부(22,32)가 접속되며, 플라이백 컨버터(Flyback Converter)(10)로부터 일정 레벨의 직류전압과 램프의 점화상태에 따라 가변되는 레벨의 직류전압이 각각 출력될 수 있도록 하는 PWM제어부(16)가 접속되며, 제1인버터와 제2인버터로부터 구형파 교류전압이 출력되도록 제어신호인 게이팅신호를 제공하는 게이트 구동부(22)가 접속된다.
그리고, 상기 스탭 다운 초퍼(STEP DOWN CHOPPER)(15)는 BUCK 컨버터로서 제어기(40)의 일측에 연결되어 램프의 초기구동시 발생하는 불평형 부하를 제어하기 위해 저항이 큰쪽의 전력을 기준 전력에 먼저 맞춘후 저항이 작은 방전관(BULB)의 관전압을 제어하여 양 방전관(BULB)의 전력을 일정하게 한다.
상기 이그나이터부는 콘덴서의 적층 형태로 일측에 1차측이 구성되고, 그 1차측의 측면에 2차측이 구성된다. 여기서 본 발명에서는 그 2차측을 2개로 구성하여 좌측(LEFT)램프(50)와 우측(RIGHT)램프(60)중 어느 하나와 연결되도록 구성하는 것을 특징으로 한다.
특히, 하나의 1차권선과 2개의 2차권선을 가진 이그나이터부의 권선 방법은, 도 5에서 도시한 바와 같이 일측에 1차측을 형성하고 그 1차측의 측면에 2개의 2차측을 종형방향으로 각각 나열하여 'ㅑ' 형으로 형성하거나, 도 6에서 도시한 바와 같이 일측에 1차측을 형성하고 그 1차측의 측면에 2개의 2차측중 어느 하나을 안쪽에 형성하고 다른 하나를 바깥쪽에 형성하여 이중으로 적층하여 형성하거나, 도 7에서 도시한 바와 같이 일측에 1차측을 형성하고 그 1차측의 측면에 2개의 2차측을 나란히 배열하여 시리얼식으로 형성한다.
이렇게 형성된 2개의 2차측중 어느 하나를 좌측(LEFT)램프(50)와 우측(RIGHT)램프(60)에 연결되도록 구성함으로서 두개의 발라스터를 하나의 발라스터로 두개의 방전관(BULB)이나 좌우측 램프를 제어할 수가 있다.
그리고, 권선 재질은 열·전기의 전도성이 우수하고 대기중에서 내식성이 강한 알루미늄 포일로 이루어지는 것이 바람직하다.
이처럼 본 발명에 따른 하나의 발라스터로 두개의 방전관(BULB)을 동시점등하여 제어하는 장치는 종래의 플라이백 컨버터(Flyback Converter)(10), 풀브리지인버터(Full Bridge inverter)(20,30), 전원부(11), PWM제어부(16), 게이트구동부(23,33)로 이루어진 두개의 발라스터로 두개의 방전관(BULB)을 동시점등하는 장치에 있어서, 상기 플라이백 컨버터(Flyback Converter)(10)에 입력전압검출부(12)와 입력전류검출부(13) 그리고 스탭 다운 초퍼(STEP DOWN CHOPPER)(15)와 출력전류검출부(21,31)를 포함하여 구성하고, 상기 플라이백 컨버터(Flyback Converter)(20,30)에 좌측(LEFT)램프(50)를 구동하기 위한 센싱기능을 갖는 제1인버터(20)와 우측(RIGHT)램프(60)를 구동하기 위한 센싱기능을 갖는 제2인버터(30)와, 콘덴서의 적층 형태로 2개의 2차측을 각각 이중으로 적층하여 좌측(LEFT)램프(50)와 우측(RIGHT)램프(60)에 동시에 연결되도록 포일형으로 형성된 이그나이터(70)를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 두개의 방전관(BULB)을 하나의 발라스터로 동시점등 하기 위한 동작사항을 살펴보면 다음과 같다.
도2에서 도시한 바와 같이 방전이 시작되는 점화(breakdown)구간, 이온충돌에 의한 글로우 방전(glow discharge)구간 및 글로우 방전상태에서 아크 방전상태로 천이하는(Glow to Arc Transition)구간, 열전자방출에 의한 아크 방전(arc discharge)구간으로 크게 분류될 수 있다.
먼저, 도 2에서 도시된 바와 같이, 방전이 시작되는 점화(breakdown)구간으로 램프의 전극양단에 가하여 내부의 절연상태를 깨는 전압으로 점화용 고압펄스가 있는데, 이는 초기점화(cold start)시 2KV, 재 점화(hot start)시 25KV가 요구된다. 재점화의 경우, 높은 점화전압을 피하려면 램프를 냉각시키면 되지만, 자연냉각시 cold 상태로 회복하려면 10분 이상 소요되므로 본 발명에서는 25K이상의 출력을 낼 수 있는 발라스터(ignitor)(70)가 적용된다.
다음으로, 이온충돌에 의한 글로우 방전(glow discharge)구간으로 램프의 점화 후 글로우 방전상태를 유지하는 전압이 있는데, 본 발명에서는 점화전에 약600V의 전압을 점화전에 램프에 인가하여 램프가 점화(ignition)후 글로우 상태를 유지하도록 한다.
다음으로, 점화 후 램프가 글로우 방전상태에서 아크 방전상태로 천이하는 구간으로 Take-over 전류회로가 있다. 그 Take-over 전류가 충분히 공급되지 않으면 점등이 실패되는데, 이는 아크 방전 천이 직후의 램프의 전압은 낮아지게 되고, 램프는 안정기로부터 공급되는 전류로 아크방전을 지속하게 유지하기 때문이다. 그러므로 본발명에서는 안정기로부터 전류가 충분히 공급되기까지 Take-over 전류회로가 램프에 전류를 흘러주게 구성한다.
다음으로, 열전자방출에 의한 아크 방전(arc discharge)구간이 있는데, 이는 글로우 방전상태에서 아크 방전상태로 천이한 후 램프는 안정기로부터 공급받는 전력에 의해 내부의 온도 및 압력이 상승한다. 이때 램프의 전압과 광출력도 같이 상승하여 정상상태에 이르게 된다. 이 동작구간에서 공급되는 전류는 램프의 Warm-up 시간을 결정할 뿐만 아니라 과도상태에서의 광출력 응답특성도 결정하므로, 본 발명에서는 제어기의 제어를 통해 램프의 전력을 원하는 전력이 되도록 제어한다.
끝으로, 정상상태에서 일정한 광출력을 얻기위해 램프에 공급되는 전력을 정격치로 일정하게 제어하여 불빛이 흔들리고 수명을 저하시키는 결과를 방지한다.
이처럼 본발명에 따른 두개의 방전관(BULB)을 하나의 발라스터로 동시점등 하기 위한 동작사항을 기준으로 본 발명의 장치인 제어기(40), 스탭 다운 초퍼(STEP DOWN CHOPPER)(15), 제1인버터(20), 제2인버터(30), 이그나이터부(70)의 상세한 동작을 설명하기로 한다.
먼저, 제어기(40)의 동작을 도 1을 참조하여 살펴보면, 이는 PWM 발생기, 램프 전력안정, 램프 온도보상기, 전체 fault 보호회로의 특징을 갖는바, 밧데리와 제너레이터로부터 입력전압과 입력전류를 각각 입력받아 출력전력을 일정 단계로 유지하여 각부하에 공급되는 전력을 제어하고 제1인버터(20)와 제2인버터(30)에 제공되는 출력전압과 출력전류를 제어하는데, 특히 출력전압검출부(22,32)를 통해 좌측(LEFT)램프(50)와 우측(RIGHT)램프(60) 작동시 센싱저항(R7)과 센싱저항(R8)사이와, 센싱저항(R14)와 센싱저항(R15)사이에서 생성된 출력전압을 검출하여 어느 한쪽의 불평형부하의 크기가 증가하면 계통단락 용량을 증가시켜서 출력전압을 일정하게 유지시킴으로써 불평형부하를 제어한다.
그리고, 스탭 다운 초퍼(STEP DOWN CHOPPER)(15)작동시 PWM 제어부(16)의 제어신호를 통해 스탭 다운 초퍼(STEP DOWN CHOPPER)(15)로 입력되는 일정 단계의 입력전압과 입력전류를 조절함으로써 램프의 초기구동시 양 방전관(BULB)간에 발생하는 불평형 부하를 제어한다.
또한, 제1인버터(20)의 게이트구동부(23)와 제2인버터(30)의 게이트구동부(33)를 제어하여 좌측(LEFT)램프(50)와 우측(RIGHT)램프(60)를 동시점등하도록 제어한다.
다음으로, 제1인버터(20)의 동작을 설명하면, 이는 4개(S1,S2,S5,S6)의 스위치를 이용하여 한 쌍의 스위치가 교번으로 도통, 차단을 반복하면서 동작한다. 즉, 스위치들의 동작 파형을 보면 스위치의 전압 스트레스는 입력전압과 같으나 변압기의 1차 측 전압의 파형을 보면 최대치가 하프 브리지의 2배가 되는데 이는 출력이 2배가 되는 것으로, 동일 조건하에서 하프 브리지의 출력의 2배를 얻을 수 있음을 의미한다. 이를 바꾸어 말하면 전압과 전류는 반비례 관계이므로 입력 전류가 스위치의 전류가 되므로 동일 출력 조건하에서 인버터의 출력전류의 크기는 하프브리지의 경우의 스위치 전류의 절반이 됨을 알수가 있다.
이러한 제1인버터(20) 회로내의 전류는 다음과 같이 수학식 7로 표현된다.
그리고 회로내 스위칭의 순서는 (S1,S6),(S2,S5)으로 구성되어 구형파로 동작하게 된다.
이러한 동작으로 제1인버터(20)는 플라이백컨버터(10)로 부터 출력되는 20~100V의 직류전압을 입력받아 150~200Hz의 구형파 교류전압으로 변환하고, 일측에 센싱 저항을 결합하여 두개의 독립 램프 혹은 하나의 몸체에 두개의 방전관(BULB)을 가진 램프 중 어느 하나를 좌측(LEFT)램프(50)로 작동되도록 제어하는 센싱 기능을 가지는데, 이는 램프구동시 센싱저항(R5,R7,R8)과 센싱저항(R11)에서 일정한 비율로 출력전압 50V를 센싱하여 게이트구동부(23)를 통해 좌측(LEFT)램프(50)로 인가시키거나 램프의 저항이 커짐에 따라 이그나이터부에서 센싱저항(R11)로 유입되는 전류를 작게하여 센싱량이 작게하여 양램프간의 불평형부하를 제어한다.
이때 센싱저항(R7)과 센싱저항(R8)사이에서 출력되는 전압을 출력전압검출부(22)에서 검출하고, 게이트구동부(23)에서 출력되는 구동신호에 의해 스위칭되는 스위칭 트랜지스터(S1,S2,S5,S6)로 좌측(LEFT) 램프를 점등시킨다.
다음으로, 제2인버터(30)의 동작을 설명하면, 이는 상기 제1인버터(10)와 마찬가지로, 플라이백컨버터(10)로 부터 출력되는 20~100V의 직류전압을 입력받아 150~200Hz의 구형파 교류전압으로 변환하고, 일측에 센싱 저항을 결합하여 두개의 독립 램프 혹은 하나의 몸체에 두개의 방전관(BULB)을 가진 램프 중 어느 하나를 우측(RIGHT)램프(60)로 작동되도록 제어하는 센싱 기능을 가진다. 즉, 램프구동시 센싱저항(R12,R14,R15)와 센싱저항(R16)에서 일정한 비율로 출력전압 50V를 센싱하여 게이트구동부(33)를 통해 우측(RIGHT)램프로 인가시키거나 램프의 저항이 커짐에 따라 이그나이터부에서 센싱저항(R16)로 유입되는 전류를 작게하여 센싱량이 작게하여 양램프간의 불평형부하를 제어한다.
이때 센싱저항(R14)과 센싱저항(R15)사이에서 출력되는 전압을 출력전압검출부(32)에서 검출하고, 게이트구동부(33)에서 출력되는 구동신호에 의해 스위칭되는 스위칭 트랜지스터(S7,S8,S9,S10)로 우측(RIGTHT)램프(60)를 점등시킨다.
다음으로, 이그나이터부(70)와 스탭 다운 초퍼(STEP DOWN CHOPPER)(15)의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
전원부로 부터 인가된 전압이 400V~600V의 일정전압에 도달되면 자동 전달되는 전자식 스파크 갭(SPARK GAP)를 통하여 이그나이터에 공급되고, 이그나이터는 방전관(BULB)의 초기 글로우 방전에 필요한 방전을 발생하여 방전을 개시한다. 이때 연속적인 전력의 공급을 위하여 인버터는 한방향으로 전류의 패스(PASS)를 열어둔다. 이때, 본발명에 따른 2개의 2차측을 각각의 방전관(BULB)에 연결하여 방전에 필요한 전압을 공급한다.
하지만 이때의 인버터전 평활된 전압은 일정하여 초기 구동시 방전관(BULB)에 가해주는 전력은 저항 성분이 작은쪽은 많은 전류가 흐르게 되고 큰쪽은 적은 전류가 흐르게 되어 전력 불평형이 생기게 된다.
이에 본 발명에서는 상기 전력 불평형을 개선하기 위해서 저항이 큰쪽의 전력을 기준 전력에 맞춘 후 저항이 작은 방전관(BULB)의 관전압을 제어하여 정격에 도달할 수 있는 스탭 다운 초퍼(STEP DOWN CHOPPER)를 통해 양 방전관(BULB)의 전력을 일정하게 한다.
즉, 램프의 초기 구동시 양 방전관(BULB)간의 전력 불평형이 발생되면 제어기에서는 PWM 제어부(16)통해 제어신호를 보내고, 그 PWM 제어부의 제어신호는 스탭 다운 초퍼(STEP DOWN CHOPPER)(15)로 입력되는 일정 단계의 입력전압과 입력전류를 조절함으로써 저항이 큰 쪽의 전력을 기준 전력에 맞춘 후 저항이 작은 방전관(BULB)의 관전압을 제어함으로서 양 방전관(BULB)간에 발생되는 불평형 부하를 제어할수가 있다.
이하, 본 발명에 따른 하나의 발라스터로 두개의 방전관(BULB)을 동시점등하여 제어하는 방법을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 안정기(BALLAST)에 전원이 인가되고 점등개시가 이루어지지 않은 구간에서 이그나이터가 동작할 수 있도록 출력 전압과 입력 전압의 값을 제어기가 측정하여 점등이 개시 될 때까지 컨버터 단의 듀티비를 최대로 하여 변압기 2차 측에 고압이 인가되도록 제어하는 전압제어단계(S110)가 있다.
실시예로 도 3에서 도시한 바와 같이, 차량 전원인 12V의 밧데리 전원을 플라이백 컨버터에서 승압하고 이를 평활한다. 이때 제어기(40)에서 출력되는 PWM 제어부의 제어신호에 의해 트랜지스터(S3,S4)가 턴오프되면 트랜스포머의 1차측으로 흐르던 입력전류는 더 이상 흐르지 못하게 되고, 코아에도 더 이상 자속이 생기지 않게 된다. 그리고 트랜스포머의 2차측을 보면 기전력 ES의 극성이 반대로 바뀌면서 출력 다이오드 D가 순방향으로 바이어스 된다. 이때, 변압기 코아의 2차측에 여자된 에너지는 1,2차 권선비에 따라 거꾸로 1차측에 전압을 유기시키는데, 이 반사된 전압 Vfb를 플라이백 전압(Flyback Voltage)이라 하고 다음 수학식 8과 같이 표현할 수 있다.
여기서, Vfb는 트랜지스터(S3,S4)가 턴오프 상태일때 드레인(Drain)과 소스(Source) 사이에 걸리게 하여 내압을 선정하고 듀티비(Duty Rate)가 최대로 되게하여 변압기 2차 측에 고압이 인가되도록 전압을 제어한다.
다음으로, 두개의 독립 램프 혹은 하나의 몸체에 두개의 방전관(BULB)을 가진 램프를 게이트구동부(23,33)에서 제어기의 제어를 통해 동시점등하는 단계(S120)가 있다.
이는 상기에서 설명한 바와 같이 2개의 인버터와, 양 방전관(BULB)간의 불평형부하를 제어하는 스탭 다운 초퍼(STEP DOWN CHOPPER) 및 콘덴서의 적층형태로 포일을 2중으로 적층한 이그나이터를 구성함으로서 양단간의 불평형부하를 제어하여 하나의 발라스터로 두개의 방전관(BULB)이나 좌우측 독립램프를 동시 점등할 수 있다.
일실시예로 도9에서 도시한 바와 같이, 먼저 전원부로 인가되는 전원 채터링을 확인하고(S200), 방전관(BULB)의 조건이 재점등인지 초기점등인지를 확인한다(S210). 그 방전관(BULB)의 조건이 재점등이면 풀브리지 컨버터 듀티비(2)를 결정(S220)하는데 다음과 같이 수학식 9로 표현된다.
여기서 D2는 재점등시 풀브리지 컨버터 듀티비이다.
그리고, 방전관(BULB)의 조건이 초기점등이면 풀브리지 컨버터 듀티비(1)를 결정(S230)하는데 이는 수학식 10과 같다.
여기서 D1은 초기점등시 풀브리지 컨버터 듀티비이다.
이처럼 결정된 상기 듀티비(1)과 듀티비(2)를 합산하여 최적의 듀티비를 결정해서 제1인버터와 제2인버터의 구동에 알맞은 직류전압(400V~600V)을 인가한다(S240).
이렇게 생성된 직류전압은 자동으로 전자식 스파크 갭(SPARK GAP)을 통하여 이그나이터부에 공급되고, 그 이그나이터부로 공급된 전압은 초기 글로우 방전에 필요한 전압을 발생하여 방전을 개시한다(S250). 그러면 방전관(BULB)가 동시점등하게 된다(S260).
이때 양 방전관간의 불평형부하가 발생되면 좌·우측램프의 전력을 비교한다(S270).
즉, 좌·우측램프중 어느 한쪽의 전력이 크면 제어기의 제어를 통해 스탭 다운 초퍼(STEP DOWN CHOPPER)가 구동되어 저항이 큰쪽의 전력을 기준 전력에 먼저맞춘후 저항이 작은 방전관(BULB)의 관전압을 제어하여 양 방전관(BULB)의 전력을 일정하게 제어한다(S290). 그리고 제1인버터에서는 센싱저항(R5, R7,R8)과 센싱저항(R11)을 통해 좌측(LEFT)램프 작동시 출력되는 출력전압과 출력전류을 검출하여 센싱하고, 제2인버터에서는 센싱저항(R12,R14,R15)과 센싱저항(R16)을 통해 우측(RIGHT)램프 작동시 출력되는 출력전압과 출력전류를 검출하여 센싱해서 제1인버터와 제2인버터간의 교번제어를 한다(S300).
또한, 좌·우측램프중 어느 한쪽의 전력이 작으면 상기와 마찬가지로 인버터간의 교번제어를 해서(S280) 일정한 정전력으로 점등을 유지한다(S310).
다음으로, 안정기(BALLAST)의 방전관(BULB)의 점등 개시 구간과 천이 구간 사이에 전하의 자유로운 이동으로 전류가 많이 유입되어 직류(DC) 구동의 안정화를 갖을 수 있도록 하는 전류제어단계(S130)가 있다.
한 실시예로 도 4에서 도시한 바와 같이 트랜지스터(S3,S4)가 턴온되면 인덕턴스 Lp인 변압기의 1차 측은 입력전압 Vin이 그대로 걸린다. 이때 입력전압은 이상적인 DC라고 가정하고, 트랜지스터(S3,S4)가 턴온되는 동안의 시간(t)을 스위칭 주기 T의 비율 D(duty cycle)이라고 가정한다. 그 때 입력 전류는 수학식 11과 이 증가한다.
이때 입력전류 iin(t)가 증가함에 따라 트랜스포먼의 자기에너지 역시 증가하게 된다. 그리고, 입력전류 iin(t)가 가변되면서 트랜스포머의 1차측 권선을 통하여 흐르면 자속 Φ(t)가 트랜스포머의 코아 내부에서 발생하고 기전력이 페러데이의 법칙에 따라 각 권선 양단에 수학식 12과 같이 나타나게 된다.
즉, 1차측에 기전력 Ep가 유기되면 2차측은 그와 반대극성의 Es가 유기되어 출력다이오드 D가 역바이어스 된다. 따라서 입력전압의 에너지는 단지 코아에만 축적되고 2차측으로 넘어가지 않으며, 출력 캐패시터의 에너지만이 부하로 공급된다.
이렇게 하여 입력전류가 증가하다가 끝나는 시점, t=DT 일 때 입력전류가 최대가 되어 직류(DC) 구동의 안정화를 갖을 수 있도록 한다.
다음으로, 안정기(BALLAST)가 천이 구간 후에 안정화 상태로 가는 동안에 입력 전압과 전류, 그리고 출력전압과 전류를 측정하여 방전관(BULB)이 정상적으로 점등을 유지할 수 있도록 전압과 전류를 모두 제어하는 전력제어단계(S140)가 있다.
한실시예로, 제1인버터(20)에 전력이 공급되고 좌측(LEFT)램프(50)가 정상적으로 점등을 하면, 제1인버터(20)에서는 센싱저항(R5,R7,R8)과 센싱저항(R11)을 통해 좌측(LEFT)램프(50)의 점화상태에 따라 가변되는 이그나이터의 고전압에서 생성된 출력전류와 출력전압를 검출하여 센싱한다.
이때, 제어기(40)는 스탭 다운 초퍼(STEP DOWN CHOPPER)(15)을 통해 좌측(LEFT)램프 작동시 정상적으로 점등을 유지할 수 있도록 미리 설정한 전류설정치와 변압기(T1)의 출력전류를 비교하여 일정 범위 이상을 벗어난 경우에는 상기 PWM제어신호의 주파수 및 펄스폭을 제어하여 변압기(T1)의 출력전류를 일정하게 유지할 수 있도록 한다.
그리고, 이와 마찬가지로 제2인버터(30)에 전력이 공급되면, 제2인버터(30)에서는 센싱저항(R12,R14,R15)와 센싱저항(R16)을 통해 우측(RIGHT) 램프의 점화상태에 따라 가변되는 이그나이터의 고전압에서 생성된 출력전류와 출력전압을 검출하여 센싱한다.
이때, 제어기(40)는 스탭 다운 초퍼(STEP DOWN CHOPPER)(15)을 통해 우측(RIGTH)램프(60) 작동시 정상적으로 점등을 유지할 수 있도록 미리 설정한 전류설정치와 변압기(T1)의 출력전류를 비교하여 일정 범위 이상을 벗어난 경우에는 상기 PWM제어신호의 주파수 및 펄스폭을 제어하여 변압기(T1)의 출력전류를 일정하게 유지할 수 있도록 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에서는 두개의 인버터와 스탭 다운 초퍼(STEP DOWN CHOPPER) 그리고 콘덴서의 적층형태로 포일을 2중으로 적층한 이그나이터를 구성하여 양단간의 불평형부하를 효율적으로 제어함으로서 두개의 방전관 (BULB)이나 좌우측 램프를 하나의 발라스터로 동시 점등할 수가 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 불평형 제어대상인 차량용 HID 램프를 구동하기 위해서 기존의 두개의 발라스터로 각각 독립제어함으로서 수행하였던 것을 하나의 발라스터로 두개의 방전관(BULB)을 동시점등하여 제어하는 장치및 방법을 제공함으로써, 생산비를 절감할 수 있고, 불평형부하를 효율적으로 제어할 수 있으며, 소형화 및 경량화를 이루는 동시에 회로가 간단하여 신뢰성이 향상되는 등의 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 플라이백 컨버터(Flyback Converter)와 풀브리지 인버터(Full Bridge inverter)및 전원부와 PWM제어부 및 게이트구동부로 이루어진 두개의 발라스터로 두개의 방전관(BULB)을 동시점등하는 장치에 있어서,
    상기 풀브리지 인버터는 상기 플라이백 컨버터(10)의 일측에 결합된 센싱저항(R5, R7,R8)과 센싱저항(R11)을 통해 좌측(LEFT)램프 작동시 출력되는 출력전압과 출력전류을 검출하여 센싱하는 제1인버터(20)와, 센싱저항(R12,R14,R15)과 센싱저항(R16)을 통해 우측(RIGHT)램프 작동시 출력되는 출력전압과 출력전류를 검출하여 센싱하는 제2인버터(30)로 분할되어 구성되고,
    상기 전원부(11)로부터 입력전압을 입력받고 저항R10을 통하여 입력전류를 각각 입력받아 출력전력을 일정 단계로 유지하여 각부하에 공급되는 전력을 안정화하고 제1인버터와 제2인버터작동시 출력되는 출력전압과 출력전류를 검출하여 양단간의 불평형부하를 제어하는 제어기(40)와,
    그 제어기(40)의 일측에 연결되어 램프의 초기구동시 발생하는 불평형 부하를 제어하기 위해 저항이 큰쪽의 전력을 기준 전력에 먼저 맞춘후 저항이 작은 방전관(BULB)의 관전압을 제어하여 양 방전관(BULB)의 전력을 일정하게 하는 스탭 다운 초퍼(STEP DOWN CHOPPER)(15)와,
    상기 제1,2인버터의 일측에 연결되어 램프의 초기 또는 재점화시 고압의 전력으로 램프가 점화할 수 있도록 고전압의 펄스를 좌측(LEFT)램프와 우측(RIGHT)램프에 동시에 가할 수 있는 이그나이터부(70)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 두개의 방전관을 하나의 발라스터로 동시 점등하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 제1인버터(20)는 센싱저항(R7)과 저항(R8)사이에 위치하여 좌측(LEFT)램프 작동시 출력되는 전압를 검출하는 출력전압검출부(22)가 접속되고,
    센싱저항(R11)을 통해 램프의 초기 구동시 이그나이터부를 통해 유입되는 직류전류를 검출하는 출력전류검출부(21)가 접속되며, 게이트구동부(23)에서 출력되는 구동신호에 의해 스위칭되는 스위칭트랜지스터 (S1,S2,S5,S6)가 접속되는 것을 특징으로 하는 두개의 방전관을 하나의 발라스터로 동시점등하는 장치.
  3. 제1항에 있어서, 제2인버터(30)는 센싱저항(R14)과 저항(R15)사이에 위치하여 우측(RIGHT)램프 작동시 출력되는 전압를 검출하는 출력전압검출부(32)가 접속되고, 센싱저항(R16)을 통해 램프의 초기 구동시 이그나이터부를 통해 유입되는 직류전류를 검출하는 출력전류검출부(31)가 각각 접속되며, 게이트구동부(33)에서 출력되는 구동신호에 의해 스위칭되는 스위칭 트랜지스터(S7,S8,S9,S10)가 접속되는 것을 특징으로 하는 두개의 방전관을 하나의 발라스터로 동시점등하는 장치.
  4. 제1항에 있어서, 제어기(40)는 일측에 입력전압검출부(12), 입력전류검출부 (13), PWM제어부(16), 출력전류검출부(21,31), 출력전압검출부 (22,32), 게이트구동부 (23,33)가 접속되어 구성되는 것을 특징으로 하는 두개의 방전관을 하나의 발라스터로 동시점등하는 장치.
  5. 제1항에 있어서, 이그나이터부(70)는 일측에 1차측을 형성하고 그 1차측의 측면에 2개의 2차측을 종형방향으로 각각 나열하여 'ㅑ' 형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 두개의 방전관을 하나의 발라스터로 동시점등하는 장치.
  6. 제1항에 있어서, 이그나이터부(70)는 일측에 1차측을 형성하고 그 1차측의 측면에 2개의 2차측중 어느 하나을 안쪽에 형성하고 다른 하나를 바깥쪽에 형성하여 이중으로 적층하여 형성하는 것을 특징으로 하는 두개의 방전관을 하나의 발라스터로 동시점등하는 장치.
  7. 제1항에 있어서, 이그나이터부(70)는 일측에 1차측을 형성하고 그 1차측의 측면에 2개의 2차측을 나란히 배열하여 시리얼식으로 형성하는 것을 특징으로 하는 두개의 방전관을 하나의 발라스터로 동시점등하는 장치.
  8. 안정기(BALLAST)에 전원이 인가되고 점등개시가 이루어지지 않은 구간에서 이그나이터가 동작할 수 있도록 출력 전압과 입력 전압의 값을 제어기가 측정하여 점등이 개시 될 때까지 플라이백 컨버터 단의 듀티비를 최대로 하여 변압기 2차 측에 고압이 인가되도록 제어하는 전압제어단계(S110)와,
    두개의 독립 램프 혹은 하나의 몸체에 두개의 방전관(BULB)을 가진 램프를게이트구동부에서 제어기의 제어를 통해 동시점등하는 단계(S120)와,
    안정기(BALLAST)의 방전관(BULB)의 점등 개시 구간과 천이 구간 사이에 전하의 자유로운 이동으로 전류가 많이 유입되어 직류(DC) 구동의 안정화를 갖을 수 있도록 하는 전류제어단계(S130)와,
    안정기(BALLAST)가 천이 구간 후에 안정화 상태로 가는 동안에 입력 전압과 전류, 그리고 출력전압과 전류를 측정하여 방전관(BULB)이 정상적으로 점등을 유지할 수 있도록 전압과 전류를 모두 제어하는 전력제어단계(S140)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 두개의 방전관을 하나의 발라스터로 동시점등하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 동시점등단계(S120)는
    전원부로 인가되는 전원 채터링을 확인하는 단계(S200)와,
    방전관(BULB)의 조건이 재점등인지 초기점등인지를 확인하는 단계(S210)와,
    그 방전관(BULB)의 조건이 재점등이면 풀브리지 컨버터 듀티비(2)를 결정하는 단계(S220)와,
    그 방전관(BULB)의 조건이 초기점등이면 풀브리지 컨버터 듀티비(1)를 결정하는 단계(S230)와,
    상기 듀티비(1)과 듀티비(2)를 합산하여 최적의 듀티비를 결정해서 제1인버터와 제2인버터의 구동에 알맞은 직류전압(400V~600V)을 인가하는 단계(S240)와,
    그 직류전압이 이그나이터부로 공급되어 초기 글로우 방전에 필요한 전압을 발생하여 방전을 개시하는 단계(S250)와,
    그 이그나이터의 점화로 방전관(BULB)가 동시점등하는 단계(S260)와.
    그 방전관의 동시점등시 좌·우측램프의 전력을 비교하는 단계(S270)와,
    좌·우측램프중 어느 한쪽의 전력이 작으면 제1인버터에서 센싱저항(R5, R7,R8)과 센싱저항(R11)을 통해 좌측(LEFT)램프 작동시 출력되는 출력전압과 출력전류을 검출하여 센싱하고, 제2인버터에서 센싱저항(R12,R14,R15)과 센싱저항(R16)을 통해 우측(RIGHT)램프 작동시 출력되는 출력전압과 출력전류를 검출하여 센싱해서 제1인버터와 제2인버터간의 교번제어를 하는 단계(S280)와,
    좌·우측램프중 어느 한쪽의 전력이 크면 제어기의 제어를 통해 스탭 다운 초퍼(STEP DOWN CHOPPER)가 구동되어 저항이 큰쪽의 전력을 기준 전력에 먼저 맞춘후 저항이 작은 방전관(BULB)의 관전압을 제어하여 양 방전관(BULB)의 전력을 일정하게 제어하는 단계(S290)와,
    그 스탭 다운 초퍼(STEP DOWN CHOPPER)의 제어가 끝난뒤 제1인버터와 제2인버터간의 교번제어를 하는 단계(S300)와,
    일정한 정전력으로 점등을 유지하는 단계(S310)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 두개의 방전관을 하나의 발라스터로 동시점등하는 방법.
KR1020030083196A 2003-11-21 2003-11-21 두개의 방전관을 하나의 발라스터로 동시점등하는 장치및제어방법 KR100446102B1 (ko)

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