KR20110121714A - 공진 변환기 - Google Patents

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KR20110121714A
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마틴 크리스토프
조셉 에이치.에이.엠 제이콥
더크 헨테
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은 전원 회로(101)에 관한 것으로, 전원 회로(101)는, 브릿지 회로(103), 브릿지 회로(103)에 결합되고, 하나 이상의 부하(111)를 포함하는 부하 회로(109)에 결합가능한 적어도 하나의 공진 회로(107), 브릿지 회로(103)와 그 연관된 부하 회로(109) 사이에 결합되어 부하 회로(109)를 브릿지 회로(103)로부터 접속 및 접속해제하기 위한 적어도 하나의 전원 스위칭 유닛(129), 및 상기 전원 스위칭 유닛(129)과 연관된 상기 공진 회로(107)의 공진 전류(Ires)와 동기화하여 적어도 하나의 전원 스위칭 유닛(129)을 제어하기 위한 제어 유닛(131)을 포함한다.

Description

공진 변환기{RESONANT CONVERTER}
본 발명은, 전원 회로와, 전원 회로 및 적어도 하나의 부하 회로를 포함하는 장치에 관한 것이다.
전원 회로는, 특히 스위칭 모드 전원은 본 분야에 널리 알려져 있다. 이와 같은 전원 회로는 소비자 및 비-소비자 제품에 전력을 공급하기 위해 사용된다. 예시적인 응용은, 발광 다이오드(LED) 및/또는 유기 발광 다이오드(OLED) 또는 기타의 조명 시스템, 특히 정확한 색상 제어가 요구되는 조명 시스템, 특히 전문적인 LED 조명 시스템에서 사용되는 LED 열(LED string)의 전력공급이다. 추가의 응용은, LED 백라이팅, "거실 컬러 램프"와 같은 소비자 제품에 사용되는 효과 및 액센트 조명과, 나아가, 일반 조명 응용에서 색상 온도 조정 뿐만 아니라 단일 전원 회로를 갖는 복수의 LED 램프의 단일 LED의 광 출력을 균질화하는 것이다. 이하에서, 용어 "LED"는 OLED 등과 같은 유사한 응용을 위한 총칭적 용어로서 사용된다는 점에 주목해야 한다.
최상으로 적합하고 그에 따라 양호하게는 전술된 응용에서 사용되는 전원 회로는, 특히, 일정한 평균 전류 출력을 갖는, 이하에서는 DSRC-I로 표기되는 불연속 직렬 공진 변환기(discontinuous series resonant converter)이다. 이러한 타입의 변환기의 기능은, 예를 들어 WO 2007/148271 A2 또는 WO 01/45241 A1으로부터 널리 알려져 있기 때문에, 상세히 설명하지 않는다. DSRC-I 변환기는 일정한 평균 전류 출력의 이점을 제공하며, 또한, 어떠한 전류 감지와 전류 제어 루프도 요구되지 않는다. 결과적으로, 전류 감지에 의해 유발되는 손실이 회피되고, DSRC-I는, 다른 공지된 전원 회로에 비해 높은 효율의, 컴팩트하고, 용이한 설계를 제공한다. 무엇보다도, 이것은 개방 및 단락 회로를 방지한다.
기본적인 DSRC-I 토폴로지는, 전원 회로에 결합되는 단일 부하 회로에 전력을 공급하기 위하여, 전원 회로의 단 하나의 출력을 제공한다. 그러나, 일반적인 조명 응용에서 전원 회로의 응용에 관하여, 예를 들어, 적색, 녹색, 및 청색 LED 열과 같은 상이한 색상의 LED 열을 포함하는, 상이한 부하 회로에 전력을 공급하기 위하여, 하나 뿐만 아니라 복수의 출력을 갖는 것이 바람직하다.
예로서, "거실 컬러 램프"는, 적색, 녹색, 및 청색 LED의 방출된 빛을 개별적으로 디밍(dimming)하고 소정의 비율로 혼합함으로써 생성되는 아주 많은 색상수의 빛을 방출할 수 있을 필요가 있다. 따라서, 기본 색상인 적색, 녹색 및 청색(RGB)을 혼합함으로써, 1600만 이상의 색상이 계산적으로 생성될 수 있다. 또한 액정 디스플레이(LCD)의 백라이팅에 관하여, LED는 점점 최선의 기술이 되어 가고 있다. 이로써, 전원 회로는 백라이트 이미지 품질의 관건이다. 구동기, 즉, 전원 회로는, 주간 시야에 대한 높은 휘도 및 야간 시야에 대한 낮은 휘도의 만족스런 디밍 범위를 제공할 수 있어야 한다.
DSRC-I에 대해 흔히 사용되는 디밍 방법은 스위칭 주파수를 감소시키는 것이다. 그러나, 이 방법은 제한적이므로 만족스런 디밍 범위를 제공하지 않는다. 또한, 스위칭 주파수를 감소시키는 것은 복수의 출력을 갖는 DSRC-I의 모든 출력에 영향을 줄 것이다. 결과적으로, 이 방법은, 단일 출력의 개별적 디밍, 그리고 그에 따라, 예를 들어 적색, 녹색, 및 청색 광의 개별적 디밍을 허용하지 않기 때문에, 결과적으로 색상 제어를 허용하지 않는다.
LED 열의 개별적 디밍을 실현하기 위한 시도가 있어 왔다. 예로서, WO 2008/110978호는, 부하를 바이패스하기 위해 부하 회로 내에 추가적인 스위치를 사용하는 방법을 기술하고 있다. 그러나, 부하를 바이패스하는 것은 변환기 안정성에 악영향을 미치고 전체 효율을 감소시킨다.
전술된 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 전원 회로 뿐만 아니라, 변환기 안정성에 부정적 영향을 주지 않고 컴팩트하고 용이한 설계를 갖는 변환기의 개별 출력의 개별 디밍을 허용하는 전원 회로를 포함하는 장치를 제공할 필요가 있다.
<발명의 개요>
간단한 제어와 결합된 개별적 전범위 디밍(full range dimming) 및 높은 효율을 제공하는 전원 회로를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명의 제1 양태에서, 전원 회로는:
- 브릿지 회로,
- 상기 브릿지 회로에 결합되고, 하나 이상의 부하를 포함하는 부하 회로에 결합가능한 적어도 하나의 공진 회로,
- 상기 브릿지 회로와 그 연관된 부하 회로 사이에 결합되어 상기 부하 회로를 상기 브릿지 회로로부터 접속 및 접속해제하기 위한 적어도 하나의 전원 스위칭 유닛, 및
- 상기 전원 스위칭 유닛과 연관된 상기 공진 회로의 공진 전류와 동기화하여 상기 적어도 하나의 전원 스위칭 유닛을 제어하기 위한 제어 유닛을 포함한다.
전원 스위칭 유닛의 갯수는 양호하게는 공진 회로의 갯수에 대응하는데, 즉, 다른 말로, 적어도 하나의 전원 스위칭 유닛이 각각의 공진 회로에 할당된다.
따라서, 제어 유닛에 의해 브릿지 회로의 원하는 갯수의 스위칭 사이클 동안 부하를 접속 및 접속해제하는 부하 회로당 단 하나의 전원 스위칭 유닛을 전원 회로, 특히 적어도 하나의 공진 회로에 삽입함으로써 전범위 디밍이 달성된다. 또한, 이 방법에 대하여 어떠한 양방향 차단 스위치도 요구되지 않기 때문에, 이 전원 스위칭 유닛은 매우 용이하게 게이팅(gated)될 수 있으며 통상의 MOSFET이면 충분하다. 추가적으로, 소정의 LED 열을 인터리빙하는 이점이 제공된다. 또한, DSRC-I 변환기 자체의 앞서 언급한 이점들은 이 수정판에서도 여전히 유효하다. 결과적으로, 어떠한 전류 감지와 제어도 요구되지 않는다. 또한, 제로로의 개별적 전범위 디밍이 허용되면서, 한편으로 모든 디밍 레벨에서 높은 효율이 제공된다. 전체적으로, 본 발명은, 특히, 단 하나의 중앙 변환기로 수개의 상이한 LED 열을 개별적으로 제어하는 이점을 제공한다.
본 발명의 추가적 양태에서, 복수의 공진 회로가 브릿지 회로에 결합되고, 각각의 공진 회로는 부하 회로에 결합되며, 각각의 부하 회로는 전원 회로의 출력을 구성하는, 전원 회로가 제공된다. 양호하게는, 공진 회로마다, 하나의 전원 스위칭 유닛이 제공되고, 한편으로는 전원 스위칭 유닛은 특히 각각의 공진 회로의 일부를 형성한다. 따라서, 각각의 공진 회로에는 양호하게는 전원 스위칭 유닛이 제공된다.
특히, 전원 회로에는 양호하게는 3개의 공진 회로가 제공되며, 한편 제1 공진 회로는 하나 이상의 적색 LED 및/또는 OLED를 포함하는 부하 회로에 결합되고, 제2 공진 회로는 하나 이상의 녹색 LED 및/또는 OLED를 포함하는 부하 회로에 결합되고, 제3 공진 회로는 하나 이상의 청색 LED 및/또는 OLED를 포함하는 부하 회로에 결합된다. 이러한 구성에서, 각각의 부하 회로의 상이한 색상의 LED들이 개별적으로 제어되어 원하는 색상 혼합을 생성할 수 있기 때문에, 각각의 장치에 의해 방출되는 광의 색상을 제어하는 것이 가능하다.
본 발명의 추가적 양태에서, 브릿지 회로가 반-브릿지(half bridge)에 기초하는, 전원 회로가 제공된다. 그러나, 브릿지 회로가 전-브릿지에 기초하는 것도 역시 가능하다.
앞서 언급한 바와 같이, DSRC-I의 디밍은 기본적으로 스위칭 주파수를 감소시킴으로써 실현된다. 이 방법은 양호하게는 전-브릿지 DSRC-I에서 사용되는데, 이것은, 만일 스위칭 주파수가 감소된다면, 이하에서 더 상세히 설명되는 제로 전압 스위칭(ZVS) 스너버(snubber) 회로에서의 추가 전류의 피크값이 일정하게 남아 있기 때문이다. 반-브릿지 구성에서 이 전류는, 만일 스위칭 주파수가 감소한다면, 증가한다. 따라서, 반-브릿지 DSRC-I는, 스위칭 주파수를 변동시킴으로써 디밍이 수행될 때, 좋지 않은 디밍 해결책을 제공한다. 그러나, 본 발명은 반-브릿지 회로 뿐만 아니라 전-브릿지를 이용함으로써 실행될 수 있지만, 반-브릿지 구성을 이용하는 것이 훨씬 선호되는데, 이것은 브릿지 회로를 구현하기 위해서는 단 2개의 스위치만이 요구되고 이로써 스위치의 용이한 제어가 제공되기 때문이다.
본 발명의 추가적인 양태에서, 전원 스위칭 유닛이 부하 회로의 하나 이상의 부하에 직렬 접속되는, 전원 회로가 제공된다.
이것은 부하가 바이패스되지 않는다는 이점을 제공하는데, 부하의 바이패스는 변환기 안정성에 악영향을 주고 전반적 효율의 감소로 이어진다. 오히려, 부하는 원하는 갯수의 스위칭 사이클 동안 전원 회로로부터 간단히 접속해제된다. 이 점에서, 용어 "접속해제"는 부하 회로로부터 브릿지 회로로 되돌아가는 전류 흐름이 전원 스위칭 유닛에 의해 차단된다는 것을 의미한다.
본 발명의 추가적 양태에서, 제어 유닛이, 공진 회로의 공진 주파수의 절반에 해당하는 브릿지 회로의 최대 스위칭 주파수를 제공하도록 구성된, 전원 회로가 제공된다. 또한, 제어 유닛은 양호하게는, 복수의 공진 회로가 사용되지만 공진 회로들이 상이한 공진 주파수를 정의하는 경우 양호하게는 가장 낮은 공진 주파수의 절반에 해당하는 브릿지 회로의 최대 스위칭 주파수를 제공하도록 구성된다. 제어 유닛은 전원 스위칭 유닛을 구동하는 제어 유닛일 수 있지만, 브릿지 회로만을 구동하는 별개의 제어 유닛일 수도 있다.
본 발명의 추가적인 양태에서, 제어 유닛이 공진 전류의 두번째 음의 반파(negative half-wave) 동안에 전원 스위칭 유닛을 스위칭 온 또는 오프하도록 구성된, 전원 회로가 제공된다. 이것은, 공진 전류가 전원 스위칭 회로의 바디 다이오드(body diode) 상에서 정류되며 제로에 도달한 후에 멈추기 때문에 유익하다. 만일 부하가 스위칭 오프되면, 공진 전류의 두번째 음의 반파와 동일한 시구간에서 각각의 전원 스위칭 유닛, 특히 각각의 MOSFET을 스위칭 온함으로써 부하는 다시 스위칭 온 된다.
청구항 1에 정의된 전원 회로와 적어도 하나의 부하 회로를 포함하는 장치를 제공하는 것이 본 발명의 또 다른 목적이다.
본 발명의 추가적 양태에서, 공진 회로에 결합가능한 각각의 부하 회로가 하나 이상의 LED 및/또는 하나 이상의 OLED를 포함하고 각각은 상이한 색상을 갖는, 장치가 제공된다. 따라서, 각각의 부하 회로, 즉, 전원 회로의 각각의 출력은, 특정한 색상, 특히 적색, 녹색, 또는 청색의 적어도 하나의 LED/OLED를 포함할 수 있다. 이것은 이들 부하 회로들 각각을 디밍하고 이에 의해 상이한 색상의 LED들 각각을 개별적으로 디밍하는 이점을 제공한다.
본 발명의 추가적 양태에서, 적어도 하나의 부하 회로가 역평행(anti-parallel) 구성을 갖는 LED 열을 포함하는 장치가 제공된다. 이것은 교류(AC)에 의해 부하가 작동될 수 있다는 이점을 제공한다.
본 발명의 추가적 양태에서, 적어도 하나의 부하 회로와 상호작용하는 적어도 하나의 감광성 컴포넌트가 제공되는 장치가 제공된다. 이것은 시스템 고장 또는 손상된 LED의 용이한 검출뿐만 아니라 LED의 캘리브레이팅 또는 경년 효과(aging effect)의 보상을 허용한다. 무엇보다도, 감광성 컴포넌트에 의해 완벽한 색상 제어가 가능하다.
결과적으로, 부하 회로를 효과적으로 디밍하고 특히 정확한 색상 제어를 수행하기 위한 신규한 전원 회로 및 이 전원 회로를 포함하는 대응하는 장치가 제공된다. 이들 요건에 대한 해결책이 본 발명에서 기술된다.
본 발명의 이들 및 다른 양태들은 이하에서 기술되는 실시예를 참조하여 명백해고 명료해질 것이다.
이하의 도면에서,
도 1은 부하 회로에 결합된 본 분야에 공지된 전원 회로의 블록도를 도시한다;
도 2는 부하 회로에 결합된 본 분야에 공지된 또 다른 전원 회로의 블록도를 도시한다;
도 3은 총 3개의 부하 회로에 결합된 본 발명에 따른 전원 회로의 블록도를 도시한다;
도 4는 공진 회로의 공진 전류 신호를 도시한다;
도 5는 본 발명에 따른 장치의 개략도를 도시한다;
도 6은 본 발명에 따른 장치의 실시예의 개략도를 도시한다.
도 1은 본 분야에 공지된 전원 회로(1)의 블록도를 도시한다. 전원 회로(1)는 브릿지 회로(3)를 포함하고 전원(5)에 결합된다. 전원(5)은 직류 전압원 Vin이다. 전원 회로(1)는 공진 회로(7)를 더 포함하고, 적어도 하나의 부하, 도 1에서는 함께 부하열(13)을 형성하는 총 4개의 부하(11)를 포함하는 부하 회로(9)에 결합된다. 부하(11)는, 전원 회로(1)에 의해 전력을 공급받는 LED, OLED 또는 기타의 것일 수 있다.
도 1에 도시된 브릿지 회로(3)는, 도 1에서는 예시적인 MOSFET인 4개의 스위치 M1, M2, M3, 및 M4를 포함하는 전-브릿지(full bridge)에 기초한다. 스위치 M1, M2, M3, 및 M4의 스위칭 상태, 즉, 이들이 스위치 온인지 스위치 오프인지는 도 1에 예시되지 않은 제어 유닛에 의해 제어된다.
또한, 스너버 회로(snubber circuit, 15)는, 인덕턴스 Lzvs와 커패시턴스 Czvs를 포함하는 브릿지 회로(3)의 일부를 형성한다. 스너버 회로(15)는, 스위칭 손실의 감소로 이어지는 제로 전압 스위칭(ZVS)을 달성하기 위하여 MOSFET의 (내부) 커패시턴스를 방전하기 위해 요구되는 추가적인 전류 Izvs를 제공한다. 따라서, 스너버 회로(15)는 높은 효율과 추가 ZVS를 달성하는 역할을 하는 한편, ZVS는 본 분야에 공지되어 있기 때문에 이하에서 더 상세히 설명되지 않는다. 스너버 회로(15)는 또한, 공진 회로(7)와 함께 변압기에 통합될 수 있다. ZVS를 달성하기 위해 다른 수단을 취할 수 있다는 것에 주목해야 한다.
전원 회로(1) 및 부하 회로(9)는 소비자 또는 비-소비자 제품일 수 있는 장치(17)를 구성한다.
공진 회로(7)는, 도 1에서 직렬로 접속되어 있는 인덕턴스 Lres와 커패시턴스 Cres를 포함한다. 인덕턴스 Lres 및 커패시턴스 Cres는 공진 회로(7)의 공진 주파수와 공진 임피던스를 정의한다. 따라서, 브릿지 회로(3) 및 공진 회로(7)는 함께 직렬 공진 변환기를 형성한다.
브릿지 회로(3)의 스위치 M1, M2, M3, 및 M4는 양호하게는 50%의 듀티 사이클과 함께 쌍별로 스위칭된다. 하위 스위치들에 대해 75%, 상위 스위치들에 대해 25%와 같은 다른 듀티 사이클이 스위치들에 적용될 수 있다는 것에 주목해야 한다. 또한, 브릿지 회로(3)의 최대 스위칭 주파수는 양호하게는 공진 회로(7)의 공진 주파수의 절반이다.
전원(5)으로부터의 직류 전류에 응답하여, 브릿지 회로(3)는 스위칭 주파수에서 전압 신호를 공진 회로(7)에 전달하고, 이어서 공진 회로(7)는 교류 전류 Ires를 부하 회로(9)에 전달한다.
또한, 공진 회로(7) 또는 부하 회로(9)의 일부를 형성할 수 있는 분리 다이오드(decoupling diode, 19)가 제공된다. 무엇보다도, 평활 커패시턴스 Cout은 부하열(13)과 병렬로 접속되고, 이것은 부하(11)에서의 맥동 전류(pulsating current)를 회피한다. 평활 커패시턴스 Cout은 강제적인 것은 아니고 생략될 수 있음에 주목해야 한다.
도 2는, 부하 회로(9')에 결합된 본 분야에 공지된 추가의 전원 회로(1')의 블록도를 도시한다. 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 전원 회로(1')의 브릿지 회로(3')는 전-브릿지 대신에 반-브릿지에 기초한다는 점에서 전원 회로(1')는 도 1에 예시된 전원 회로(1)와 상이하다. 따라서, 반-브릿지는, 예시적인 MOSFET인 2개의 스위치 M1 및 M2만을 포함한다. 다시 한번, 스위치 M1 및 M2를 제어하는 구동기는 도 2에 예시되어 있지 않다.
도 1의 전원 회로(1)와는 대조적으로, 1차 권선 N1 및 2차 권선 N2를 포함하는 변압기(21)가 도 2의 전원 회로(1')에 제공되며, 이것은 부하 회로(9')와 공진 회로(7)에 결합되고, 공진 회로(7)는 다시 한번 공진 주파수와 공진 임피던스를 정의하는 인덕턴스 Lres와 커패시턴스 Cres를 포함한다. 변압기(21)는 입력 전압 Vin을 더 높거나 더 낮은 출력 레벨 Vout으로 변환하는 역할을 하며, 전원 회로(1')에 반드시 제공될 필요는 없다. 오히려, 이것은 전압 증배(voltage doubler) 회로와 같은 기타의 추가적인 컴포넌트에 의해 대체되거나 그냥 생략될 수 있다.
도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 부하 회로(9')는 2개의 분리 다이오드(19) 뿐만 아니라, 역평행(anti-parallel) 구성으로 배열된 2개의 LED 열(13)을 포함한다. 이들 각각에는 평활 커패시턴스 Cout1과 Cout2가 제공된다. 부하 구성은 가변적이고 응용에 따라 변동할 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 1의 전원 회로(1)와 도 2의 전원 회로(1') 양자 모두는, 양자 모두가 전류를 감지하지 않고 일정한 평균 출력 전류 Iout을 제공하는 기본적인 DSRC-I 구성을 보여주고 있다. 양호하게는 전원 회로(1')의 반-브릿지 구성은, 전-브릿지의 경우보다 더 적은 컴포넌트가 요구되고 제어 신호가 다루기 쉽기 때문에, 선호되어 사용된다는 점에 주목해야 한다.
도 1 및 도 2로부터, 전원 회로들(1 및 1') 양자 모두는, 예시적인 복수의 부하(11), 특히 부하열(13)을 포함하는 부하 회로(9, 9')에 결합된 공진 회로(7)를 포함한다. 부하(11) 또는 부하열(13)은 각각 LED 또는 OLED일 수 있다.
만일 소정의 소비자 또는 비-소비자 응용에 대해 색상이 제어되어야 한다면, 전원 회로에 적어도 3개의 출력, 즉, 3개의 부하(9, 9')가 제공하는 한편, 3개의 부하 회로 각각은 적어도 하나의 상이한 색상의 LED를 포함하고, 예를 들어, 한 부하 회로는 적어도 하나의 적색 LED를 포함하고, 또 다른 부하 회로는 적어도 하나의 녹색 LED를 포함하고, 세번째 부하 회로는 적어도 하나의 청색 LED를 포함한다면, 유익할 것이다. 그 다음, 상이한 부하 회로들의 상이한 색상의 광은 소정의 비율로 혼합되어 원하는 색상을 생성할 수 있다. 따라서, 부하 회로(9)의 적어도 하나의 부하(11)는 색상 제어를 수행하기 위하여 개별적으로 디밍될(dimmed) 필요가 있다.
지금까지, 디밍(dimming)은 통상, 브릿지 회로(3, 3')의 스위칭 주파수를 변동시킴으로써 수행되며, 이것은 전술된 바와 같은 단점을 초래한다. 특히, 상이한 출력들, 즉 상이한 부하 회로(9, 9')의 개별적 전범위 디밍(full range dimming)은 이 방법에서는 실현가능하지 않은데, 이것은 스위칭 주파수에서의 변화는 모든 부하 회로에서 비슷하게 전류에 영향을 주기 때문이다. 대조적으로, 본 발명은 임의 갯수의 부하 회로(9)의 개별적 전범위 디밍을 제공하여, 많은 수의 응용에 대한 색상 제어를 허용한다.
도 3은, 총 3개의 부하 회로(109, 109', 및 109")에 결합된 본 발명에 따른 전원 회로(101)의 개략도를 도시한다. 부하 회로(109, 109', 및 109") 각각은 차례로, 역평행 구성으로 접속된 2개의 부하열(113)로 결합된 다수의 부하(111)를 포함한다.
부하 회로 그 자체의 갯수 뿐만 아니라 부하 회로(109, 109', 및 109") 당 부하(111)의 갯수도 변동할 수 있다. 따라서, LED 등일 수 있는 하나의 부하(111)를 포함하는 단 하나의 부하 회로(109)를 제공하는 것이 가능하다. 그러나, 본 발명은, 만일 적어도 3개의 부하 회로(109, 109', 및 109")가 전원 회로(101)에 결합가능하다면, 특히 유익하다.
부하(111)의 구성도 역시 변동될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 도 3에서, 이들은 부하열(113)의 형태로 단순히 예시적으로 구성되어 있는 한편, 부하 회로(109, 109', 및 109") 마다, 특히 역평행 식으로 구성되어 있는, 즉 반대 극성을 갖는, 2개의 부하열(113)이 제공된다.
전원 회로(101)는, 반- 브릿지 회로에 기초한 브릿지 회로(103)를 포함하며, 한편, 반- 브릿지 회로와 그 이점은 도 2의 정황에서 앞서 설명되었다. 전원 회로(101)는, 적어도 하나의, 도 3에서는 총 3개의 공진 회로(107, 107', 및 107")를 더 포함한다. 공진 회로(107, 107', 및 107") 각각은 차례로 부하 회로(109, 109', 및 109")에 결합가능하다.
브릿지 회로(103)의 스위치 M1 및 M2는 양호하게는, 제어 유닛에 의해 제어되며, 제어 유닛은, 50%의 듀티 사이클과, 공진 회로(107, 107', 및 107")의 공진 주파수의 절반에 해당하는 최대 스위칭 주파수로 브릿지 회로를 스위칭하도록 구성되는 한편, 공진 회로는 인덕턴스 Lres와 커패시턴스 Cres로 구성된다. Lres와 Cres의 크기결정은 각각의 공진 회로(107, 107', 및 107")에서 달라질 수 있다. 특히, 하나 이상의 공진 회로의 공진 주파수는 다른 공진 회로의 공진 주파수와는 상이할 수 있다. 이 경우, 브릿지 회로의 최대 스위칭 주파수는 공진 회로의 공진 주파수의 절반이라는 조건을 이행하기 위하여 가장 낮은 공진 주파수를 갖는 공진 회로(107, 107', 또는 107")는, 브릿지 회로(103)의 스위칭 주파수에 대한 한계를 결정한다. 이 경우, 제어 유닛은 복수의 공진 회로(107, 107', 및 107")의 가장 낮은 공진 주파수의 절반에 해당하는 브릿지 회로(103)의 최대 스위칭 주파수를 제공하도록 구성된다.
본 발명에 따라 부하(111)의 개별적 디밍을 위해, 전원 회로(101)는, 전원 회로(101)로부터 하나 이상의 부하(111)를 접속 또는 접속해제하는 적어도 하나의 전원 스위칭 유닛(129)을 포함한다. 전원 스위칭 유닛(129)은, 브릿지 회로(103)로부터 부하 회로(109)를 접속 및 접속해제하기 위해 브릿지 회로(103)와 그 연관된 부하 회로(109) 사이에 결합된다. 전원 스위칭 유닛(129)을 구동하기 위한 제어 유닛(131)은, 상기 전원 스위칭 유닛(129)과 연관되어 있는 공진 회로(107, 107', 및 107")의 공진 전류 Ires와 동기화하여 전원 스위칭 유닛(129)을 스위치 온 또는 오프하도록 구성되며, 이하에서 더 상세히 기술된다.
게다가, 적어도 하나의 스위칭 유닛(129)은 양호하게는 MOSFET이다. 그러나, 전원 스위칭 유닛(129)은 또한, 브릿지 회로(103)로부터 하나 이상의 부하(111)와 부하 회로(109)를 각각 접속 또는 접속해제하는데 적합한 기타 임의의 컴포넌트를 포함할 수 있다. 전원 스위칭 유닛(129)은 또한, 복수의 컴포넌트를 포함할 수 있다.
도 3으로부터, 특히, 공진 회로(107, 107', 및 107")에는 적어도 하나의 스위칭 유닛(129)이 제공된다는 것이 명백하다. 양호하게는, 공진 회로의 갯수는 전원 스위칭 유닛(129)의 갯수에 대응한다. 적어도 하나의 스위칭 유닛(129)은 부하 회로(109, 109', 및 109")의 하나 이상의 부하(111)에 직렬 접속되는데, 즉, 전원 스위칭 유닛(129)은 브릿지 회로(103)와 각각의 부하 회로(107, 107', 또는 107") 사이에 상호접속된다는 점에 주목해야 한다. 따라서, 그 결과, 공진 인덕턴스 Lres, 공진 커패시턴스 Cres, 부하(111)의 엔티티(entity), 및 전원 스위칭 유닛(129)이 직렬 접속된다.
다양한 응용에 대하여 전원 회로(101)를 이용하기 위하여, 양호하게는 복수의 공진 회로(107, 107', 및 107")가 브릿지 회로(103)에 결합되고 각각의 공진 회로(107, 107', 및 107")은 차례로 적어도 하나의 부하 회로(109, 109', 109")에 결합될 수 있다. 공진 회로(107, 107', 및 107")에 결합가능한 각각의 부하 회로(109, 109', 109")는 하나 이상의 LED 및/또는 하나 이상의 OLED를 포함할 수 있다.
도 3으로부터, 본 발명에 따른 장치(117)는 전원 회로(101), 즉 브릿지 회로(103), 공진 회로(107, 107', 및 107"), 스위칭 유닛(129) 및 부하 회로(109, 109', 109")를 포함한다는 것이 명백하다.
도 3에 도시된 본 발명의 양호한 실시예는 다음과 같은 구성을 포함한다: 전원 회로(101)는 3개의 공진 회로(107, 107', 107")를 포함하는 한편, 제1 공진 회로(107)는 적어도 하나의 적색 LED 및/또는 OLED를 포함하는 부하 회로(109)에 결합되고, 제2 공진 회로(107')는 적어도 하나의 녹색 LED 및/또는 OLED를 포함하는 부하 회로(109')에 결합되고, 제3 공진 회로(107")는 적어도 하나의 청색 LED 및/또는 OLED를 포함하는 부하 회로(109")에 결합된다.
만일 부하(111)가 LED 또는 OLED라면, 상이한 색상의 (O)LED의 가변 광 출력이 실현될 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 전원 스위칭 유닛(129)은 예시적인 MOSFET이지만, 기타 임의의 적절한 타입의 스위칭 장치가 적용될 수 있다.
전원 스위칭 유닛(129)은 양호하게는 제어 유닛(131)에 의해 제어되고, 제어 유닛(131)은 브릿지 회로(103)의 스위치 M1 및 M2를 제어하도록 추가적으로 구성될 수 있다. 이 경우, 전원 스위칭 회로(129) 뿐만 아니라 브릿지 회로(103)를 제어하기 위해 단 하나의 제어 유닛이 요구된다.
도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 공진 회로(107, 107', 및 107") 각각에는 전원 스위칭 유닛(129)이 제공된다. 공진 회로(107)의 전원 스위칭 회로(129)는 도 3에서 MR로 표기되어 있으며, 공진 회로(107')의 전원 스위칭 유닛(129)은 MG로서 표기되어 있고, 공진 회로(107")의 전원 스위칭 유닛(129)은 MB로서 표기되어 있다. 표기는, 부하 회로(109)의 부하(111)는 양호하게는 적색 LED이고, 부하 회로(109')의 부하(111)는 양호하게는 녹색 LED이며, 부하 회로(109")의 부하(111)는 양호하게는 청색 LED 임을 표시한다.
각각의 전원 스위칭 유닛(129)은 각각의 부하(111)에 직렬 접속되거나 브릿지 회로(103)와 그 연관된 부하 회로(109) 사이에 결합된다. 이하에서, 전원 스위칭 유닛(129)의 동작이 더 상세히 설명될 것이다. 용어 "부하(111)"는 임의의 갯수의 부하 뿐만 아니라 LED 및/또는 OLED와 같은 상이한 타입의 부하를 포함할 수 있는 총칭적 용어로서만 사용되는 한편, 부하의 구성도 또한 임의적이라는 것을 이해할 것이다.
부하 회로(109, 109', 109")의 부하(111)를 제어하기 위하여, 전원 스위칭 유닛(129)은 제어 유닛(131)에 의해 스위칭 온 또는 오프된다. 만일 예를 들어 광 출력을 감소시키기 위하여, 부하(111), 특히 하나 이상의 LED가 접속해제되어야 한다면, 전원 스위칭 유닛(129)은, 양호하게는 공진 전류 Ires의 두번째 음의 반파(negative half-wave) 동안에, 즉, 도 4에 도시된 기간 t0 동안에 스위치 오프되며, 한편 도 4는 시간 t의 변화에 따라 기본적인, 중단되지 않는 공진 전류 Ires를 도시한다. 추가적으로, 브릿지 회로(103)의 주기적 시간 Tswitch가 도 4에 도시되어 있다. 공진 전류 Ires가 AC이더라도, 어떠한 양방향 차단 스위치도 요구되지 않는다는 것을 이해할 것이다.
전원 스위칭 유닛(129), 즉 MOSFET을 스위칭 오프한 후에, 공진 전류 Ires는 MOSFET의 도시되지 않은 진성 바디 다이오드(intrinsic body diode) 상에서 정류되며 도 4에 예시된 시간 tx에서 제로에 도달한 후에 멈춘다. 추가적인 전류 흐름은 발생하지 않는데, 이것은 MOSFET의 바디 다이오드가 추가 전류 흐름을 차단하는 식으로 공진 커패시턴스 Cres가 충전되기 때문이다. 따라서, 부하 회로(109)로부터 브릿지 회로(103)로 되돌아가는 전류 흐름은 전원 스위칭 유닛(129)에 의해 방지된다. 이 상태에서, 부하(111)는 전원 회로(101)로부터 접속해제된다.
각각의 전원 스위칭 유닛(129)을 스위칭 오프함으로써 부하(111)가 스위칭 오프, 즉, 전원 회로(101)로부터 접속해제된 상황으로부터, 부하(111)는, 각각의 전원 스위칭 유닛(129)을 스위칭 온함으로써 다시 한번 스위칭 온되고, 한편 스위칭 온은 양호하게는, 전원 스위칭 유닛(129)을 스위칭 오프하는 시구간과 동일한 시구간 t0, 즉 공진 전류 Ires의 두번째 음의 반파 동안에 수행된다. 그 결과, 공진 전류 Ires는, 특히, 전-브릿지가 적용되는 경우, 마치 어떠한 중단도 발생하지 않은 것처럼 시간 tx 후에 두번째 양의 반파와 함께 재시작할 것이다.
만일 도 3에 도시된 바와 같이 반-브릿지가 적용된다면, 공진 전류 Ires의 두번째 양의 반파는 양호하게는, 단지 시간 tx 만이 아니라 시구간 t0에서 전원 스위칭 유닛(129)을 스위칭 온 한 직후에 재시작한다. 따라서, 만일 반-브릿지를 사용하는 경우, 공진 전류 Ires의 두번째 양의 반파는 시간 tx 이전에 시작할 수 있다. 그러나, 이것은, 특히 충분히 높은 출력 전압이 적용되는 경우, 두번째 양의 반파의 만료 후에 전류는 소정 기간 동안 제로에 머무르기 때문에, 어떠한 문제도 일으키지 않을 것이다.
스위칭 손실을 감소시키기 위하여, 전원 스위칭 유닛(129)은 양호하게는 시구간 t0에서 가능한한 늦게, 즉, 시간 tx에 가능한한 가깝게 스위칭된다. 무엇보다도, 이것은, 반-브릿지가 적용되고 그에 따라 공진 전류 Ires의 후속된 두번째 양의 반파가 시간 tx 이전에 이미 개시하는 경우 시간 tx 이전에 전원 스위칭 유닛(129)을 스위칭하는 문제를 해결할 것이다.
따라서, 부하 회로(109, 109', 및 109")의 광 출력은, 브릿지 회로(103)의 생략되는 스위칭 사이클 Tswitch의 갯수를 변동시키는 것에 의해서만 변동될 수 있다.
공진 전류 Ires가 전원 스위칭 유닛(129)의 스위칭을 위해 스위칭 기간 또는 스위칭 사이클 Tswitch의 두번째 음의 반파에 있을 때, 즉 시구간 t0에 있을 때에 대한 정보는 브릿지 회로(103)의 스위칭 신호로부터 얻어진다. 공진 전류 Ires의 행동은 알려져 있기 때문에 그 관계는 매우 단순하다. 따라서, 전원 스위칭 유닛(129)의 스위칭 동작은 반-브릿지 또는 전-브릿지 회로(103)의 스위칭 신호에 적응된다.
브릿지 회로(103), 즉 스위치 M1 및 M2의 스위칭 사이클은 전원 스위칭 유닛(129)을 스위칭 온 및 오프하는 동안 중단되지 않는다. 또한, 브릿지 회로(103)는 개개의 부하(111)의 디밍에 의해 중단되거나 영향받지 않기 때문에 완전 제로 전압 스위칭과 더불어 지속적으로 동작한다.
각각의 전원 스위칭 유닛(129), 즉, MR, MG, 및 MB는 완전히 서로 독립적으로 스위칭 온 및 오프될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 전원 스위칭 유닛(129)이 스위칭 온 또는 오프되는 기간인 스위칭 사이클 Tswitch의 갯수도 또한 가변적이며 서로 독립되어 있다. 결과적으로, 전원 스위칭 유닛(129)에 결합되는 각각의 부하(109, 109', 109")는, 브릿지 회로(103)의 원하는 갯수의 스위칭 사이클 동안에 각각의 전원 스위칭 유닛(129)을 스위칭 온 또는 오프함에 의해서만 개별적으로 제어될 수 있다.
많은 수의 전원 스위칭 유닛(129)이 제공될 수 있으며, 각각은 하나 이상의 LED, OLED 등의 개별적 전범위 디밍을 실현한다는 것이 명백하다. 이로써, 단 하나의 중앙 변환기, 즉, 하나의 중앙 브릿지 회로(103)만이 요구된다.
본 발명에 따르면, 부하는, 변환기 안정성에 악영향을 미치는, 부하(111)에 병렬 접속된 전원 스위칭 유닛에 의해 바이패스되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 본 발명에 따르면, 전원 스위칭 유닛(129)은 오히려 부하의 바이패싱을 피하기 위하여 부하(111)에 직렬 접속된다. 대신에, 부하는, 전원 스위칭 유닛(129)이 브릿지 회로(103)로 되돌아가는 전류 흐름을 차단하기 때문에, 브릿지 회로(103)의 원하는 갯수의 스위칭 사이클 Tswitch 동안에 접속해제된다. 한편, 전원 회로(101)는, 부하(111)가 바이패스되지는 않지만 전류 흐름이 차단되기 때문에, 전원 스위칭 유닛(129)에 의해 전혀 영향받지 않는다.
결과적으로, 본 발명은 제로로의 개별적 전범위 디밍의 이점을 제공하며, 한편 개개의 부하(111)의 디밍 동안에 완전한 ZVS 동작도 역시 유지된다. 본 발명의 또 다른 이점은 낮은 추가적 손실인데, 이것은 낮은 RDSon을 갖는 MOSFET이 사용될 있기 때문이다. 또한, 전원 회로 토폴로지는, 임의의 원하는 개수의 부하 회(109) 및 부하(111)까지 그리고 이와 더불어 원하는 갯수의 개개의 디밍가능한 LED까지 향상될 수 있다. 마지막으로, 본 발명에서는 전체 입력 전류 리플을 감소시키기 위해 LED의 인터리빙이 역시 가능하다.
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명에 대해 양호하게 사용되는 DSRC-I는 반-브릿지 대신에 전-브릿지 구성을 포함할 수 있다. 그러나, 반-브릿지의 주요 이점은, 전원 스위칭 유닛(129)의 소스, 즉, MOSFET의 소스가 접지에 접속된다는 것이다. 결과적으로, 이 MOSFET을 구동하는 것은 매우 쉽다. 또한, 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이 더 적은 수의 컴포넌트가 요구된다: 전원 회로(101) 및 3개의 부하 회로(109, 109', 및 109")를 포함하는 장치(117)는, 각각의 부하 회로(107)에 대해 개별적 디밍 기능을 실현하기 위해 3개의 전원 스위칭 유닛(129)과 2개의 스위치 M1 및 M2만을 요구한다.
도 5는, 부하 회로(109, 109', 및 109")와, 브릿지 회로(103)를 포함하는 전원 회로(101)와, 공진 회로(107, 107', 및 107")와, 전원 스위칭 유닛(129)을 포함하는, 본 발명에 따른 장치(117)의 개략도를 도시한다. 상이한 색상의 LED의 개별적 디밍을 위해 단 하나의 중앙 변환기 유닛만이 요구된다는 것이 명백해진다. 부하 회로(109, 109', 및 109")와 브릿지 회로(103) 사이에 게재된 개별적 전범위 디머(dimmer)는, 연관된 전원 스위칭 유닛(129)을 갖는 공진 회로(107, 107', 및 107")를 포함한다. 도 5로부터, 제어 유닛(131)은 전원 스위칭 유닛(129)과 브릿지 회로(103)를 동시에 구동하도록 구성되어 있다는 것이 추가적으로 명백하다.
LED의 광 출력은 기본적으로 전류에 비례하기 때문에, 전원 회로(101)는, DSRC-I의 일정한 평균 전류 출력 행동 때문에 임의의 피드백 루프를 필요로 하지 않고 원하는 모든 색상을 생성할 수 있다. 그러나, LED의 온도 또는 경년 변화는 LED의 광-대-전류 비율에 영향을 줄 수 있다. 만일 광 출력이 더욱 정확해야 한다면, 각각의 LED의 광은 광센서와 같은 감광성 컴포넌트, 특히 포토다이오드에 의해 감지될 수 있다. 그 다음 광 출력은, 간단히, 대응하는 부하 전류를 조정함으로써 제어될 수 있다. 광 출력을 감지하는 것은, 부하 전류를 감지하는 것보다 더 낮은 손실과 더 많은 이점을 제공하기 때문에 유익하다.
예를 들어, 이것은 시스템 고장 또는 손상된 LED의 용이한 검출뿐만 아니라 LED의 캘리브레이팅 또는 경년 효과의 보상을 허용한다. 무엇보다도, 감광성 컴포넌트에 의해 완벽한 색상 제어가 가능하다.
도 6은 감광성 컴포넌트(133, 133', 133")를 포함하는 본 발명에 따른 장치(117')의 개략도를 도시한다. 양호하게는, 적어도 하나의 감광성 컴포넌트(133, 133', 133")가 적어도 하나의 부하 회로(109, 109', 109"), 특히 부하 회로의 부하(111)에 할당된다. 각각의 부하(111)가 감광성 컴포넌트(133)와 연관되는 것도 생각해 볼 수 있다. 장치(117') 내의 전류가 특별히 알려져 있는 영역들이 도 6에서 135, 135', 135"로 표기되어 있다. 이들 전류는 감광성 컴포넌트(133)의 감지 결과에 따라 특히 제어 유닛(131)에 의해 조정될 수 있으며, 한편 감광성 컴포넌트(133, 133', 133")의 감지 결과는 예로서 상호접속(137, 137', 137")에 의해 제어 유닛(131)에 공급된다.
본 발명의 도면 및 전술된 설명에서 상세히 도시되고 논의되었지만, 이와 같은 도시 및 설명은 예증적 또는 예시적인 것으로 간주되어야 하며 제한적인 것이 아니다; 본 발명은 개시된 실시예만으로 한정되지 않는다. 도면, 개시된 내용, 및 첨부된 특허청구범위의 연구로부터, 특허청구된 본 발명을 실시하는데 있어서 개시된 실시예에 대한 기타의 변형이 당업자에 의해 이해되고 시행될 수 있다.
특허청구범위에서, 용어 "포함하는"은 기타의 요소나 단계를 배제하는 것이 아니며, 부정 관사 "한" 또는 "하나의"는 복수를 배제하지 않는다. 하나의 요소 또는 기타의 유닛이 청구항에서 인용하는 수개의 항목들의 기능을 이행할 수 있다. 소정의 수단들이 서로 다른 종속항에서 인용되고 있는 단순한 사실이, 이득을 위해 이들 수단들의 조합이 사용될 수 없다는 것을 나타내는 것이 아니다.
청구항 내의 임의의 참조 부호는 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

Claims (15)

  1. 전원 회로(101)로서,
    - 브릿지 회로(103),
    - 상기 브릿지 회로(103)에 결합되고, 하나 이상의 부하(111)를 포함하는 부하 회로(109)에 결합가능한, 적어도 하나의 공진 회로(107),
    - 상기 브릿지 회로(103)와 그 연관된 부하 회로(109) 사이에 결합되어 상기 부하 회로(109)를 상기 브릿지 회로(103)로부터 접속 및 접속해제하기 위한 적어도 하나의 전원 스위칭 유닛(129), 및
    - 상기 전원 스위칭 유닛(129)과 연관된 상기 공진 회로(107)의 공진 전류(Ires)와 동기화하여 상기 적어도 하나의 전원 스위칭 유닛(129)을 제어하기 위한 제어 유닛(131)
    을 포함하는 전원 회로(101).
  2. 제1항에 있어서, 복수의 공진 회로(107, 107', 107")가 상기 브릿지 회로(103)에 결합되고, 각각의 공진 회로(107, 107', 107")는 부하 회로(109, 109', 109")에 결합가능한, 전원 회로(101).
  3. 제1항에 있어서, 상기 브릿지 회로(103)는 반-브릿지(half bridge)를 포함하는, 전원 회로(101).
  4. 제1항에 있어서, 상기 브릿지 회로(103)는 전-브릿지(full bridge)를 포함하는, 전원 회로(101).
  5. 제1항에 있어서, 각각의 공진 회로(107, 107', 107")에는 적어도 하나의 전원 스위칭 유닛(129)이 제공되는, 전원 회로(101).
  6. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전원 스위칭 유닛(129)은 상기 부하 회로(109, 109', 109")의 상기 하나 이상의 부하(111)와 직렬 접속되는, 전원 회로(101).
  7. 제1항에 있어서, 상기 제어 유닛은, 상기 공진 회로(107)의 공진 주파수의 절반에 해당하는 상기 브릿지 회로(103)의 최대 스위칭 주파수를 제공하도록 되어있는, 전원 회로(101).
  8. 제1항에 있어서, 상기 제어 유닛은, 복수의 공진 회로(107, 107', 107")의 가장 낮은 공진 주파수의 절반에 해당하는 상기 브릿지 회로(103)의 최대 스위칭 주파수를 제공하도록 되어있는, 전원 회로(101).
  9. 제1항에 있어서, 3개의 공진 회로(107, 107', 107")를 포함하고, 제1 공진 회로(107)는 적어도 하나의 적색 LED 및/또는 OLED를 포함하는 부하 회로(109)에 결합되고, 제2 공진 회로(107')는 적어도 하나의 녹색 LED 및/또는 OLED를 포함하는 부하 회로(109')에 결합되고, 제3 공진 회로(107")는 적어도 하나의 청색 LED 및/또는 OLED를 포함하는 부하 회로(109")에 결합되는, 전원 회로(101).
  10. 제1항에 있어서, 상기 전원 스위칭 유닛(129)은 트랜지스터, 특히 MOSFET 트랜지스터인, 전원 회로(101).
  11. 제1항에 있어서, 상기 제어 유닛(131)은, 상기 공진 전류(Ires)의 두번째 음의 반파(negative half-wave) 동안에 상기 전원 스위칭 유닛(129)을 스위칭 온 또는 오프하도록 되어있는, 전원 회로(101).
  12. 제1항에 정의된 전원 회로(101)와 적어도 하나의 부하 회로(109)를 포함하는 장치(117, 117').
  13. 제12항에 있어서, 공진 회로(107)에 결합가능한 각각의 부하 회로(109, 109', 109")는 하나 이상의 LED 및/또는 하나 이상의 OLED를 포함하는, 장치(117, 117').
  14. 제12항에 있어서, 상기 부하 회로(109, 109', 109") 중 적어도 하나는 역평행(anti-parallel) 구성을 갖는 LED 열(LED string, 113)들을 포함하는, 장치(117, 117').
  15. 제12항에 있어서, 적어도 하나의 부하 회로(109, 109', 109")와 상호작용하는 적어도 하나의 감광성 컴포넌트(133)가 제공되는, 장치(117, 117').
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