KR101220885B1 - 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기 - Google Patents

고휘도 방전 램프용 전자식 안정기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내부 LC 공진 기동 방식을 이용하여 더욱 낮은 전압으로 HID램프를 점등시킬 수 있고, 고주파 구동방식과 저주파 구동방식을 혼용하여 음향공진현상을 제거할 수 있는 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기를 제공한다.
본 발명의 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기는, 고휘도 방전 램프를 점등시키는 전자식 안정기에 있어서, 상용교류전원을 인가받아 상기 상용교류전원의 역률을 보정하고, 보정된 교류를 직류로 정류하여 출력하는 역률보정/승압회로부; 상기 역률보정/승압회로부의 출력단에 결합되며, 두쌍의 스위칭 소자가 교번적으로 동작하는 인버터; 상기 인버터의 출력단에 직렬연결되어 상기 램프의 기본 공진회로를 제공하는 주공진기동부; 상기 램프와 상기 주공진기동부 사이에 연결되어 구성되며, 상기 램프의 기동시에 기동 공진 주파수를 제공하는 보조공진기동부; 및 상기 인버터 내 스위칭소자의 스위칭을 제어함으로써 상기 램프를 기동 및 구동시키는 콘트롤러를 포함한다.

Description

고휘도 방전 램프용 전자식 안정기{ELECTRONIC BALLAST FOR HIGH INTENSITY DISCHARGE LAMP}
본 발명은 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공진 점등 방식을 이용하여 램프를 점등시키고 공진 기동시 반도체 소자에 가해지는 전류를 최소화할 수 있는 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기에 관한 것이다.
HID 램프 안정기는 크게 자기식(Magnetic)과 전자식(Electronic)으로 나누어지며, 현재 안정기의 크기, 효율 및 램프 구동 성능을 고려하여 전자식 안정기의 수요가 늘어나는 추세이다.
전자식은 다시 DC/DC 컨버터의 유무에 따라 3단 구성과 2단 구성으로 나누어지고, 3단 구성은 역률 보상 (Power Factor Correction)회로와 DC-DC 컨버터, DC-AC 인버터로 구성되며, 이를 위한 인버터로는 주로 풀브릿지(full-bridge) 회로가 사용된다. 2단 구성은 3단 구성에서 DC/DC 컨버터가 생략되며, 인버터로는 풀브릿지 (full-bridge) 회로 또는 하프브릿지 (half-bridge) 회로가 사용된다.
이러한 2단 구성 안정기는 고주파 구동 방식과 저주파 구동 방식으로 나눌 수 있는데, 고주파 구동 방식은 인버터의 높은 주파수 전류를 필터링 없이 램프에 주입하여 램프를 구동하는 방식이고, 저주파 전류 구동 방식은 인버터의 전류를 LC필터로 필터링하여 램프에 저주파를 교번하여 주입하는 방식이다.
그런데, 교류 구동시 특정 주파수 대역에서 램프의 물리적 구조로 인하여 음향 공명 현상이 발생하여 아크의 떨림 현상이 일어날 뿐만 아니라 심한 경우에 아크 튜브가 파괴될 수 있다.
한편, HID 램프를 점등하는데 사용되는 펄스 기동 방식은 수KV(1~4KV)의 높은 점등 전압을 필요로 하는 문제가 있다.
본 발명은 내부 LC 공진 기동 방식을 이용하여 더욱 낮은 전압으로 HID램프를 점등시킬 수 있는 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기를 제공함에 목적이 있다.
또한, 본 발명은 고주파 구동방식과 저주파 구동방식을 혼용하여 음향공진현상을 제거할 수 있는 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기를 제공함에 다른 목적이 있다.
본 발명의 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기는, 고휘도 방전 램프를 점등시키는 전자식 안정기에 있어서, 상용교류전원을 인가받아 상기 상용교류전원의 역률을 보정하고, 보정된 교류를 직류로 정류하여 출력하는 역률보정/승압회로부; 상기 역률보정/승압회로부의 출력단에 결합되며, 두쌍의 스위칭 소자가 교번적으로 동작하는 인버터; 상기 인버터의 출력단에 직렬연결되어 상기 램프의 기본 공진회로를 제공하는 주공진기동부; 상기 램프와 상기 주공진기동부 사이에 연결되어 구성되며, 상기 램프의 기동시에 기동 공진 주파수를 제공하는 보조공진기동부; 및 상기 인버터 내 스위칭소자의 스위칭을 제어함으로써 상기 램프를 기동 및 구동시키는 콘트롤러를 포함한다.
바람직하게는, 상기 램프와 병렬연결되어 상기 램프에 인가되는 램프전압을 검출하는 램프전압검출부; 상기 주공진기동부의 리액터 2차측에 연결되어 상기 인버터의 출력단에 인가되는 전압을 검출하는 전압검출부; 및 상기 인버터의 입력단에 연결되어 상기 인버터에 흘러드는 전류를 검출하는 전류검출부를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 콘트롤러는 스위칭이 시작되면 램프 기동 주파수를 스위핑하고, 정상 상태에 이르게 되면, 상기 두쌍의 스위칭 소자 중 적어도 어느 한쌍의 스위칭 소자에 대하여 서로 상이한 주파수로 동작시킨다.
바람직하게는, 상기 콘트롤러는 상기 램프전압이 10 내지 390볼트 내에 있으면, 상기 램프가 점등된 것으로 판단하고, 이를 벗어나면 상기 램프가 소등된 것으로 판단한다.
바람직하게는, 상기 콘트롤러는 상기 램프 기동 주파수를 상기 기동 공진 주파수로부터 먼 값으로부터 상기 기동 공진 주파수로 스위핑한다.
본 발명에 따르면 내부 LC 공진 기동 방식을 이용하여 더욱 낮은 전압으로 HID램프를 점등시킬 수 있고, 고주파 구동방식과 저주파 구동방식을 혼용하여 음향공진현상을 제거할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기의 회로도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기의 전류 경로를 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기의 콘트롤러에서의 제어흐름도,
도 4는 도 1에서 보조공진기동부(140)가 없는 경우의 공진기동시 파형도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 공진기동시 파형도, 및
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 램프의 점등 여부를 판단하기 위한 검출전압 등가회로도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기의 회로도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기는, PFC 승압회로부(110), 인버터(120), 주공진기동부(130), 보조공진기동부(140), 램프전압검출부(150), 콘트롤러(160), 전압검출부(170), 전류검출부(180) 및 램프(190)를 포함한다.
PFC 승압회로부(110)는 상용교류전원을 인가받아 정류하고 역률을 보정함과 아울러 승압하여 출력한다.
인버터(120)는 PFC 승압회로부(110)의 출력단에 결합되며, 복수의 스위칭 소자(Q1~Q4) 중 대각선 방향의 스위칭 소자들이 쌍을 이루어 교번적으로 동작한다.
주공진기동부(130)는 인버터(120)의 출력단에 직렬연결되는 L1, C1을 포함하여 구성되며, 램프의 기동시에 기본적인 공진회로를 제공한다.
보조공진기동부(140)는 램프(190)와 주공진기동부(130) 사이에 연결되는 C2, C3, T1을 포함하여 구성되며, 램프의 기동시에 보조기동용 공진주파수를 제공한다.
램프전압검출부(150)는 램프(190)와 병렬연결되고, 램프의 온오프를 판단하기 위하여 램프에 인가되는 전압을 검출한다.
콘트롤러(160)는 램프전압검출부(150)로부터 검출되는 램프전압, 전압검출부(170)로부터 출력되는 출력전압, 및 전류검출부(180)로부터 출력되는 입력전류를 이용하여 인버터(120) 내 스위칭소자의 스위칭을 제어함으로써 램프(190)를 기동 및 구동시킨다.
전압검출부(170)는 주공진기동부의 인덕터(L1) 2차측에 연결되어 인버터(120)의 출력단에 인가되는 전압을 검출한다.
전류검출부(180)는 인버터(120)의 입력단에 연결되어 인버터(120)에 흘러드는 전류를 검출한다.
램프(190)는 주공진기동부(130)와 병렬연결된다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기의 전류 경로를 도시한 도면이다.
도2(a)는 스위칭 소자 Q1, Q4가 턴온되는 구간으로서, 커패시터 C2는 양으로 충전되었던 전압이 방전하여 음전압으로 충전되고, 커패시터 C3는 음으로 충전되었던 전압이 방전하여 양전압으로 충전되며, 흐르는 전류는 서서히 감소한다.
도2(b)는 스위칭 소자 Q1, Q4가 턴오프되어 데드 타임(daed time)이 되는 구간으로서, 인덕터 L1에 흐르는 전류(IL1)가 스위칭 소자 Q1, Q4의 내부 다이오드를 통해서 환류한다. 여기서, 데드 타임은 예컨대, 1마이크로초일 수 있다.
도2(c)는 스위칭 소자 Q2, Q3가 턴온되는 구간으로서, 스위칭 소자 Q2, Q3가 턴온되어도 인덕터 L1에 흐르는 전류(IL1)가 계속 환류하여 스위칭 소자 Q2, Q3의 환류 다이오드를 통해 흐르게 된다.
도2(d) 내지 도2(f)는 도2(a) 내지 도2(c)와 상보적으로 동작한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기의 컨트롤러에서의 제어흐름도이다.
콘트롤러(160)는 스위칭이 시작되면 램프 기동 주파수를 250kHz로부터 160kHz까지 스위핑한다(S310). 이는 공진 주파수인 160kHz로부터 비교적 먼 250kHz의 주파수에서 시작하여 공진 주파수에 이르도록 제어함으로써 소프트 스타트하도록 하기 위함이다. 램프 기동 주파수가 소정의 설정주파수(160kHz)에 이르게 되면, 정상 상태에 이른 것으로 판단하고, 스위칭 소자 Q1 및 Q2는 저주파(예컨대, 170Hz)로 동작시키고, 스위칭 소자 Q3 및 Q4는 고주파(예컨대, 50kHz)로 동작시킨다(S320). 이는 음향 공명 현상을 회피하기 위함이다.
이후, 검출된 램프 전압이 10 내지 390볼트 내에 있으면, 램프가 점등된 것으로 판단하고, 이를 벗어나면 램프가 소등된 것으로 판단한다(S330).
만일, 램프가 점등된 것으로 판단되면, S320 단계를 반복하고, 램프가 소등된 것으로 판단되면, S310 단계를 반복한다.
도 4는 도 1에서 보조공진기동부(140)가 없는 경우의 공진기동시 파형도로서, 도4(a)는 공진 기동 주파수를 스위핑시키는 파형도, 도4(b)는 공진 기동시 램프 양단에 인가되는 전압파형도, 도4(c)는 공진 기동시 스위칭 소자에 흐르는 전류파형도이다.
L1, C1에 의해서 기동시키는 경우 공진 기동 주파수를 스위핑하여 공진주파수 부근에 이르게 되면, 램프 양단에 4kV 정도의 고전압이 인가되고, 스위칭 소자에 160암페어 정도의 대전류가 흐르게 된다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 공진기동시 파형도로서, 도5(a)는 공진 기동 주파수를 스위핑시키는 파형도, 도5(b)는 공진 기동시 램프 양단에 인가되는 전압파형도, 도5(c)는 공진 기동시 스위칭 소자에 흐르는 전류파형도이다.
보조공진기동부(140)를 이용하여 공진 기동시키는 경우, 공진 기동 주파수를 스위핑하여 공진주파수(160kHz) 부근에 이르게 되면, 램프 양단에 4kV의 고전압이 인가되기는 하나, 스위칭 소자에는 7암페어 정도의 작은 전류가 흐르게 되어 점등효율을 제고할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 램프의 점등 여부를 판단하기 위한 검출전압 등가회로도이다.
도 6(a) 및 도 6(b)는 램프가 점등되지 않은 경우 스위칭 소자의 온 오프에 따른 검출전압을 보여주기 위한 회로도이고, 도 6(c) 및 도 6(d)는 램프가 점등된 경우 스위칭 소자의 온 오프에 따른 검출전압을 보여주기 위한 회로도이다. 예컨대, PFC 승압회로부(110)의 출력전압을 400볼트, 점등시 램프전압을 100볼트, 리액터에 인가되는 전압을 0으로 가정하면, 램프 소등시 노드 D에서의 검출 전압은 0볼트 또는 400볼트이고, 램프 점등시 노드 D에서의 검출 전압은 100볼트 또는 300볼트이다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
110: PFC 승압회로부
120: 인버터
130: 주공진기동부
140: 보조공진기동부
150: 램프전압검출부
160: 콘트롤러
170: 전압검출부
180: 전류검출부
190: 램프

Claims (5)

  1. 고휘도 방전 램프를 점등시키는 전자식 안정기에 있어서,
    상용교류전원을 인가받아 상기 상용교류전원을 정류하고, 역률을 보정함과 아울러 승압하여 출력하는 역률보정/승압회로부;
    상기 역률보정/승압회로부의 출력단에 결합되며, 두쌍의 스위칭 소자가 교번적으로 동작하는 인버터;
    상기 인버터의 출력단에 직렬연결되어 상기 램프의 기본 공진회로를 제공하는 주공진기동부;
    상기 램프와 상기 주공진기동부 사이에 연결되어 구성되며, 상기 램프의 기동시에 기동 공진 주파수를 제공하는 보조공진기동부;
    상기 인버터 내 스위칭소자의 스위칭을 제어함으로써 상기 램프를 기동 및 구동시키는 콘트롤러;
    상기 램프와 병렬연결되어 상기 램프에 인가되는 램프전압을 검출하는 램프전압검출부;
    상기 주공진기동부의 리액터 2차측에 연결되어 상기 인버터의 출력단에 인가되는 전압을 검출하는 전압검출부; 및
    상기 인버터의 입력단에 연결되어 상기 인버터에 흘러드는 전류를 검출하는 전류검출부를 포함하고,
    상기 콘트롤러는 스위칭이 시작되면 램프 기동 주파수를 상기 기동 공진 주파수보다 소정치 높은 주파수로부터 상기 기동 공진 주파수로 스위핑하고, 정상 상태에 이르게 되면, 상기 두쌍의 스위칭 소자 중 적어도 어느 한쌍의 스위칭 소자에 대하여 서로 상이한 주파수로 동작시키는 것을 특징으로 하는 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 콘트롤러는 상기 램프전압이 10 내지 390볼트 내에 있으면, 상기 램프가 점등된 것으로 판단하고, 이를 벗어나면 상기 램프가 소등된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 고휘도 방전 램프용 전자식 안정기.
  5. 삭제
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