KR100640174B1 - 무전극 형광램프 조광 제어용 고주파 공진형 인버터 제어장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 별도의 전극을 사용하지 않고 강 자계로써 유도방전 현상을 이용하기 때문에 긴 수명이 보장됨과 동시에 안정기 출력의 변화에 대해서도 매우 안정적인 발광 측성을 갖는 무전극 형광램프 조광 제어용 고주파 공진형 인버터 제어 장치에 관한 것으로, 특히 인버터 제어 장치에 있어서 무전극 형광램프 구동을 위한 기본 스위칭 주파수의 10분의 1에 해당하는 클록신호를 10분주하는 제 1 카운터; 상기 제 1 카운터의 계수값과 외부로부터 2 디지트의 BCD(Binary Coded Decimal)로 지령된 듀티 명령(Duty instruction)의 1의 자리(First Digit) BCD값의 크기를 비교하는 제 1 비교기; 외부로부터 지령된 듀티 명령의 10의 자리(Second Digit)값에 1을 더하는 가산기; 상기 가산기의 출력과 외부로부터 지령된 듀티 명령의 1의 자리 값 중 어느 하나를 상기 제 1 비교기의 출력에 따라 선택하는 다중화기; 무전극 형광램프 구동을 위한 기본 스위칭 클록신호(CLK)를 10분주하는 제 2 카운터; 상기 다중화기의 출력값과 상기 제 2 카운터의 크기를 비교하여 무전극 형광램프를 구동하는 기간에 해당하는 스위칭 인에이블 신호(TEN)를 출력하는 제 2 비교기; 무전극 형광램프 구동을 위한 기본 스위칭 클록신호(CLK)를 입력받아 인버터의 암단락 방지를 위하여 삽입될 휴지기간(Dead Time)에 해당하는 기간만큼 기본 스위칭 클록신호(CLK)의 앞 부분을 소거하는 제 1 휴지기간삽입회로; 무전극 형광램프 구동을 위한 기본 스위칭 클록신호(CLK)의 반전신호(/CLK)를 입력받아 인버터 의 암단락 방지를 위하여 삽입될 휴지기간(Dead Time)에 해당하는 기간만큼 반전된 기본 스위칭 클록신호(/CLK)의 앞 부분을 소거하는 제 2 휴지기간삽입회로; 상기 제 2 비교기의 출력인 스위칭 인에이블 신호(TEN)와 상기 제 1 휴지기간삽입회로 출력의 논리곱을 취하여 무전극 형광램프 구동용 인버터의 상암 스위칭 신호(Q1)을 출력하는 제 1 앤드게이트; 상기 제 2 비교기의 출력인 스위칭 인에이블 신호(TEN)와 상기 제 2 휴지기간삽입회로 출력의 논리곱을 취하여 무전극 형광램프 구동용 인버터의 하암 스위칭 신호(Q2)을 출력하는 제 2 앤드게이트를 구비함으로써, 디지털로 지령되는 듀티 명령에 따라 무전극 형광램프의 구동 시간을 1% 단위로 제어할 수 있기 때문에 거의 연속적으로 무전극 형광램프의 조도를 제어할 수 있는 새로운 버스트 디밍 기법을 구현한 무전극 형광램프 조광 제어용 고주파 공진형 인버터 제어 장치이다.
Description
도 1은 일반적인 무전극 형광램프의 구조 및 점등원리를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 무전극 형광램프의 등가회로를 나타낸 것이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 적용된 무전극 형광램프용 공진형 인버터를 도시한 회로도 및 등가회로도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일실시예에 의한 버스트 디밍 알고리즘이 적용된 인버터 제어장치를 나타낸 회로블록도 및 그 타임차트이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 의한 버스트 디밍 알고리즘이 적용된 인버터 제어장치를 나타낸 회로블록도 및 그 타임차트이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 실시예에 의한 시비율 변화에 따른 구동신호 및 공진전류를 도시한 그래프이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 실시예에 의한 시비율 변화에 따른 램프전압 및 전류를 도시한 그래프이다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 실시예에 의한 시비율 변화에 따른 램프의 조 광상태를 도시한 도면이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 실시예에 의한 버스트 디밍과 버스트 PWM 평균 시비율 제어를 적용한 경우를 도시한 시비율에 따른 입력전력 및 광속 그래프이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 실시예에 의한 버스트 디밍과 버스트 PWM 평균 시비율 제어를 적용한 경우를 도시한 최대 입력전력 대비 광효율 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
CNT: 카운터 CMP #1: 제 1 비교기
CMP#2: 제 2 비교기 Deadtime 1: 제 1 휴지기간삽입회로
Deadtime 2: 제 2 휴지기간삽입회로 G1: 제 1 앤드게이트
G2: 제 2 앤드게이트 CNT #1: 제 1 카운터
CNT #2: 제 2 카운터 ADD: 가산기
MUX: 다중화기
본 발명은 램프용 공진형 인버터에 관한 것으로, 특히 기존의 형광램프와 달리 가스가 봉입된 방전관의 외부에 전극대신 코일이 감겨진 페라이트 코아가 장착된 무전극 형광램프에 있어서 외부의 인버터로부터 고주파 전압이 인가되면 램프에 자계가 형성되어 방전관 내부의 봉입가스를 여기시켜 발광시키는 무전극 형광램프 조광 제어용 고주파 공진형 인버터 제어 장치에 관한 것이다.
최근 들어 대형건물, 터널 및 공장 등 대규모 조명설비가 시설된 장소에 대해서 자연조도 등의 주변조건에 따라 램프의 광출력을 제어함으로써 전력소비를 절감하기 위한 조광제어기법에 대한 관심과 발명이 활발히 진행되고 있다.
대부분의 실내조명용 광원으로 사용되는 형광램프는 백열등에 비해 광의 질이 우수하고, 효율이 높으며 수명이 매우 길다는 장점을 갖는 반면, 점등시 별도의 안정기가 필요하고 정격 이외의 전압이 인가되면 전극의 열화로 인한 흑화현상에 따르는 미점등 현상이 발생하기 때문에 램프 수명이 급격히 감소하게 된다는 단점을 지닌다.
이러한 단점은 형광램프의 조광제어를 가로막는 가장 큰 요인으로써 현재까지 실내조명용 조광제어 시스템은 실용화되지 못하고 있는 실정이다.
6만 시간 이상의 연속 점등시간을 보장하는 무전극 형광램프는 높은 가격과 특정기업의 기술적 독점 등으로 인해 현재 널리 보급되고 있지 않지만, 종래의 형광램프가 램프 양단 전극간의 전계에 의해 발생되는 열전자들에 의해 형광체가 발광하는 것과 달리, 램프 내부 또는 외부에 장착된 코일에서 발생하는 강력한 자계에 의해 램프가 점등된다.
따라서 종래의 형광램프 수명을 결정하는데 있어 가장 큰 영향을 미치는 흑화현상을 무전극 형광램프에서는 피할 수 있는 데, 이와 같이 기존의 형광램프에 비해 크기와 수명 및 출력 등의 다양한 측면에서 우수성이 확인된 무전극 형광램프의 보급화와 조광제어가 시급한 과제로 대두되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 유도방전을 이용한 무전극 형광램프는 전극을 필요로 하지 않기 때문에 긴 수명을 가지며 안정기 출력의 변화에 대해서도 매우 강한 특성을 갖는 무전극 형광램프 조광 제어용 고주파 공진형 인버터 제어 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 공진형 인버터의 주회로는 하프브리지 방식으로 50%의 시비율의 250kHz의 고주파 펄스로 구동되는 두 개의 스위치를 스위칭 주파수 보다 낮은 주파수의 펄스폭 변조를 이용해 온, 오프 동작을 제어하는 버스트 디밍(Burst dimming) 기법을 기초로 하는 무전극 형광램프 조광 제어용 고주파 공진형 인버터 제어 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또다른 목적은, LCD 백라이트의 조광제어에 주로 적용되는 버스트 디밍(Burst dimming) 기법을 기초로 하되, 간단한 디지털 논리회로를 이용한 제어회로를 통해 5% 단위의 시비율로 조도 조절이 가능한 무전극 형광램프 조광 제어용 고주파 공진형 인버터 제어 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또다른 목적은, LCD 백라이트의 조광제어에 주로 적용되는 버스트 디밍(Burst dimming) 기법을 기초로 하되, 버스트(Burst) PWM 평균 시비율 제어 기법으로 다소 정밀한 디지털 논리회로를 통해 1% 단위의 시비율로 조도조절이 가능한 무전극 형광램프 조광 제어용 고주파 공진형 인버터 제어 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 수단은, 무전극 형광램프 조광 제어용 인버터 제어장치에 있어서: 무전극 형광램프 구동을 위한 기본 스위칭 주파수의 10분의 1에 해당하는 클록신호를 10분주하는 제 1 카운터; 상기 제 1 카운터의 계수값과 외부로부터 2 디지트의 BCD(Binary Coded Decimal)로 지령된 듀티 명령(Duty instruction)의 1의 자리(First Digit) BCD값의 크기를 비교하는 제 1 비교기; 외부로부터 지령된 듀티 명령의 10의 자리(Second Digit)값에 1을 더하는 가산기; 상기 가산기의 출력과 외부로부터 지령된 듀티 명령의 1의 자리 값 중 어느 하나를 상기 제 1 비교기의 출력에 따라 선택하는 다중화기; 무전극 형광램프 구동을 위한 기본 스위칭 클록신호(CLK)를 10분주하는 제 2 카운터; 상기 다중화기의 출력값과 상기 제 2 카운터의 크기를 비교하여 무전극 형광램프를 구동하는 기간에 해당하는 스위칭 인에이블 신호(TEN)를 출력하는 제 2 비교기; 무전극 형광램프 구동을 위한 기본 스위칭 클록신호(CLK)를 입력받아 인버터의 암단락 방지를 위하여 삽입될 휴지기간(Dead Time)에 해당하는 기간만큼 기본 스위칭 클록신호(CLK)의 앞 부분을 소거하는 제 1 휴지기간삽입회로; 무전극 형광램프 구동을 위한 기본 스위칭 클록신호(CLK)의 반전신호(/CLK)를 입력받아 인버터의 암단락 방지를 위하여 삽입될 휴지기간(Dead Time)에 해당하는 기간만큼 반전된 기본 스위칭 클록신호(/CLK)의 앞 부분을 소거하는 제 2 휴지기간삽입회로; 상기 제 2 비교기의 출력인 스위칭 인에이블 신호(TEN)와 상기 제 1 휴지기간삽입회로 출력의 논리곱을 취하여 무전극 형광램프 구동용 인버터의 상암 스위칭 신호(Q1)을 출력하는 제 1 앤드게이트; 및 상기 제 2 비교기의 출력인 스위칭 인에이블 신호(TEN)와 상기 제 2 휴지기간삽입회로 출력의 논리곱을 취하여 무전극 형광램프 구동용 인버터의 하암 스위칭 신호(Q2)를 출력하는 제 2 앤드게이트;로 이루어진 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 제 1 및 제 2 카운터는 10진 카운터(MOD-10)인 것을 특징으로 하며, 상기 제 1 및 제 2 앤드게이트는 일정 주파수의 기본 스위칭 클록신호를 디밍 PWM신호의 시비율 구간 동안만 스위칭신호를 발생시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 기술적 수단은, 무전극 형광램프 조광 제어용 인버터 제어장치에 있어서: 무전극 형광램프 구동을 위한 기본 스위칭 클록 신호를 계수하는 카운터; 상기 카운터의 계수 데이터와 외부로부터 지령된 PWM 주기 데이터(PWM Duration Data)의 크기를 비교하는 제 1 비교기; 상기 카운터의 계수 데이터와 외부로부터 지령된 듀티비 데이터(Duty ratio Data)의 크기를 비교하는 제 2비교기; 상기 제 1 비교기와 제 2 비교기에서 출력되는 신호를 제공받되 제 1 비교기의 상승에지에서 세트되고 제 2 비교기의 상승에지에서 리세트되어 무전극 형광램프를 구동하는 기간에 해당하는 스위칭 인에이블 신호(TEN)를 출력하는 SR 래치; 무전극 형광램프 구동을 위한 기본 스위칭 클록신호(CLK)를 입력받아 인버터의 암단락 방지를 위하여 삽입될 휴지기간(Dead Time)에 해당하는 기 간만큼 기본 스위칭 클록신호(CLK)의 앞 부분을 소거하는 제 1 휴지기간삽입회로; 무전극 형광램프 구동을 위한 기본 스위칭 클록신호(CLK)의 반전신호(/CLK)를 입력받아 인버터의 암단락 방지를 위하여 삽입될 휴지기간(Dead Time)에 해당하는 기간만큼 반전된 기본 스위칭 클록신호(/CLK)의 앞 부분을 소거하는 제 2 휴지기간삽입회로; 상기 SR 래치의 출력인 스위칭 인에이블 신호(TEN)와 상기 제 1 휴지기간삽입회로 출력의 논리곱을 취하여 무전극 형광램프 구동용 인버터의 상암 스위칭 신호(Q1)을 출력하는 제 1 앤드게이트; 및 상기 SR 래치의 출력인 스위칭 인에이블 신호(TEN)와 상기 제 2 휴지기간삽입회로 출력의 논리곱을 취하여 무전극 형광램프 구동용 인버터의 하암 스위칭 신호(Q2)을 출력하는 제 2 앤드게이트;로 이루어진 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 제 1 및 제 2 앤드게이트는 일정 주파수의 기본 스위칭 클록신호를 디밍 PWM신호의 시비율 구간 동안만 스위칭신호를 발생시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기준 스위칭 클록신호(CLK)를 소정 주파수로 분주한 PWM주기 신호(Ts)의 시비율(D)을 결정하여 디밍 PWM신호를 발생하도록 구성한 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 살펴보고자 한다.
도 1은 일반적인 무전극 형광램프의 구조 및 점등원리를 나타내는 개념도이고, 도 2는 무전극 형광램프를 도시한 등가 회로도이다.
종래의 형광램프와 달리 가스가 봉입된 방전관 외부에 전극대신 코일이 감겨진 페라이트 코아가 장착된 램프로써 외부의 인버터로부터 고주파 전압이 인가되면 램프에 자계가 형성되어 방전관 내부의 봉입가스를 여기시켜 발광되는 광원으로 기존의 형광램프에 비해 긴 수명을 가지고, 소형이며, 고출력에 적합하다. 또한 순간점등이 이루어지고, 전광속 및 효율, 광색, 온도특성 등이 우수하다.
이와 같이 무전극 형광램프는 유도코일에 고주파의 고전압이 인가됨으로써 점등된다. 방전이 개시될 때까지 방전관은 무부하로 취급되는 한편, 방전 후는 등가적으로 순수한 저항으로 볼 수 있다.
유도코일과 방전관과의 결합계수를 k, 방전관의 등가저항을 Rp, 유도코일의 권선수를 n이라 하면, 무전극 형광램프와 유도코일은 n1의 공심 변압기에 Rp인 저항이 접속된 등가회로로 표시할 수 있으며, 이를 도 2와 같이 나타낼 수 있다.
도 2의 등가회로로부터 유도코일의 양단 b, c의 임피던스(ZL)는 다음 수학식 1과 같이 구할 수 있다.
단, 
은 
이고,
상기 수학식 1에서, Lo는 b, c 단자에서 본 여자 인덕턴스이고, ωs는 스위칭 각주파수를 나타낸다.
그리고 해석을 용이하게 하기 위해 임피던스(ZL)는 저항(R)과 인덕턴스(Lr)가 병렬로 접속된 것으로 보면, 다음 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 적용된 반브리지 형태의 무전극 형광램프용 고주파 공진형 인버터를 도시한 기본회로 및 등가회로도로서, 스위치(Q1, Q2)는 턴-온 및 턴-오프시 모두 영전압 스위칭이 이루어짐으로 스위칭 손실을 방지할 수 있다.
무전극 형광램프의 점등전의 공진 인덕터(L)를 포함한 전체 공진회로의 리액턴스(X)로부터 병렬 공진주파수(fox) 및 직렬 공진주파수(frx)를 구하면 아래 수학식 3과 같다.
동일한 방법으로 점등 후의 병렬 공진주파수(fo)와 직렬 공진주파수(fr)를 구하면 아래 수학식 4와 같다.
도 3a의 회로에서 인버터 커패시터(Cs)의 값이 충분히 크다면 도 3b의 등가회로와 같이 공진회로에 인가되는 전압은 직류성분이 제거된 구형파 교류전원(Vi)으로 대치될 수 있다.
스위칭 주파수가 직렬 공진주파수에 근접하면 공진회로의 임피던스는 기본파 성분인 스위칭 주파수에 대해서 가장 작게 나타나며, 고조파 성분에 대해서는 상대적으로 매우 큰 임피던스를 갖게 된다. 즉, 구형파 교류전원을 기본파 성분만 고려하여 정현파 교류전원으로 대치한 회로로써 해석이 가능해진다. 따라서 공진회로의 양단전압은 아래 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
단, 
임.
이때의 램프의 양단전압 vc(t)는 아래 수학식 6과 같이 구해진다.
단, 
상기 인덕터(L)에 흐르는 전류(i(t))는 아래 수학식 7과 같이 구해진다.
단, 
상기 점등 전 램프의 양단전압(vcx(t))과 인덕터 전류(ix(t))는 수학식 6 및 수학식 7에 R=∞를 대입하면 아래 수학식 8과 같이 구해진다.
이와 같이 작동하는 고주파 공진형 인버터를 채용한 무전극 형광램프의 조광제어를 위하여 두 가지 알고리즘을 제안하고자 하는 데, 제안하는 방식들은 기본적으로 LCD 백라이트용 CCFL 조광제어에 주로 사용되는 버스트 디밍(Burst dimming) 기법을 기초로 한다.
그러나, 일반적으로 수 와트(W) 정도의 낮은 정격전력을 갖는 CCFL을 대상으로 하는 버스트 디밍 방식을 수백 와트(W)급의 방전등에 그대로 적용할 수는 없다. 특히, CCFL용 공진형 인버터의 스위칭 주파수는 대략 50∼70kHz 범위이며 조광제어 버스트 디밍 주파수는 수백Hz 대역으로 매우 낮다.
따라서 일반적인 버스트 디밍 기법을 250kHz의 스위칭 동작으로 점등되는 무전극 형광램프에 적용하게 될 경우 가청 주파수 영역에서 인덕터의 진동으로 인해 심각한 소음이 발생하게 될 뿐만 아니라 지속적인 램프의 재점등(reignition) 동작으로 인해 광효율의 저하를 피할 수 없게 된다.
이에 따라 본 발명에서는 조광제어 알고리즘에서 디밍 PWM 주파수는 공진형 인버터의 스위칭 주파수인 250kHz의 1/10배 정도의 주파수로 선정하여 가청주파수 대역의 소음을 피할 수 있도록 하였다.
그럼, 버스트 디밍 알고리즘을 살펴보면, 그 기본원리는 일정 주파수의 기본 스위칭 펄스를 디밍 PWM 신호의 시비율(D) 구간 동안만 동작, 스위칭 신호를 발생시켜 인버터 출력측의 평균전력을 제어함으로써 램프의 조도를 제어하는 방식이다.
제안된 방식에서 디밍 PWM 신호의 주파수가 지나치게 낮을 경우 가청 주파수 영역에서 인덕터의 진동으로 인해 소음이 발생할 수 있다.
따라서 디밍 PWM 신호는 가청 주파수 영역 이상에서 제어되어야 한다.
또한, 공진형 인버터의 스위치 동작은 PWM 신호에 따른 스위치들의 단속 구간동안 공진전류의 안정과 확실한 영전압 스위칭을 위해 두 개의 스위치 턴-온 및 턴-오프되는 시점을 항상 시비율(D) 신호와 동기시키는 것이 바람직하다.
이러한 조건에 부합하는 아날로그 제어회로를 구성하기란 대단히 어렵고 현실적으로 적용하는데 한계를 갖게 된다.
따라서 본 발명에서는 디지털 제어회로를 구성하였다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일실시예에 의한 버스트 디밍 알고리즘의 인버터 제어장치를 나타낸 회로블록도 및 그 타임차트로서, 카운터(CNT), 제 1 비교기(CMP #1), 제 2 비교기(CMP #2), SR 래치, 제 1 앤드게이트(G1) 및 제 2 앤드게이 트(G2) 등으로 이루어져 있다.
상기 카운터(CNT)는 무전극 형광램프 구동을 위한 기본 스위칭 클록 신호(CLK)를 계수하도록 구성되어 있고, 제 1 비교기(CMP #1)는 카운터(CNT)의 계수 데이터와 외부로부터 지령된 PWM 주기 데이터(PWM Duration Data)의 크기를 비교하도록 구성되어 있고, 제 2 비교기(CMP#2)는 카운터(CNT)의 계수 데이터와 외부로부터 지령된 듀티비 데이터(Duty ratio Data)의 크기를 비교하도록 구성되어 있고, SR래치는 제 1 비교기(CMP #1)와 제 2 비교기(CMP #2)에서 출력되는 신호를 제공받되 제 1 비교기(CMP #1)의 상승에지에서 세트되고 제 2 비교기(CMP #2)의 상승에지에서 리세트되어 무전극 형광램프를 구동하는 기간에 해당하는 스위칭 인에이블 신호(TEN)를 출력하도록 구성되어 있고, 제 1 휴지기간삽입회로(Deadtime 1)는 무전극 형광램프 구동을 위한 기본 스위칭 클록신호(CLK)를 입력받아 인버터의 암단락 방지를 위하여 삽입될 휴지기간(Dead Time)에 해당하는 기간만큼 기본 스위칭 클록신호(CLK)의 앞 부분을 소거하도록 구성되어 있고, 제 2 휴지기간삽입회로(Deadtime 2)는 무전극 형광램프 구동을 위한 기본 스위칭 클록신호(CLK)의 반전신호(/CLK)를 입력받아 인버터의 암단락 방지를 위하여 삽입될 휴지기간(Dead Time)에 해당하는 기간만큼 반전된 기본 스위칭 클록신호(/CLK)의 앞 부분을 소거하도록 구성되어 있고, 제 1 앤드게이트(G1)는 SR 래치의 출력인 스위칭 인에이블 신호(TEN)와 상기 제 1 휴지기간삽입회로(Deadtime 1) 출력의 논리곱을 취하여 무전극 형광램프 구동용 인버터의 상암 스위칭 신호(Q1)을 출력하도록 구성되어 있고, 제 2 앤드게이트(G2) 는 상기 SR 래치의 출력인 스위칭 인에이블 신호(TEN)와 상기 제 2 휴지기간삽입회로(Deadtime 2) 출력의 논리곱을 취하여 무전극 형광램프 구동용 인버터의 하암 스위칭 신호(Q2)을 출력하도록 구성되어 있다.
그리고, 상기 제 1 앤드게이트(G1) 및 제 2 앤드게이트(G2)의 출력단에는 도 3a와 같은 인버터의 구동스위치(Q1, Q2)가 각각 설치되어 있는 데, 복수의 구동스위치(Q1, Q2)는 상기 제 1 앤드게이트(G1) 및 제 2 앤드게이트(G2)의 출력단을 통해 소정 시비율을 갖는 점/소등제어 또는 조광제어신호에 따라 각각 스위칭 작동되어 무전극 형광램프로 인가되는 전원을 제어하게 된다.
아울러, 상기 제 1 앤드게이트(G1) 및 제 2 앤드게이트(G2)는 입력신호인 SR 래치의 PWM스위칭 신호(TEN)와 기본 스위칭 클록신호(CLK) 간에 암단락을 방지하기 위해 적절한 데드타임을 통해 제공받도록 구성되어 있다.
이와 같이 구성된 인버터 제어장치는 기본 스위칭 클록은 250kHz이며, 이 클록신호를 카운터(CNT)를 이용해 카운팅하여 미리 결정된 PWM주기 신호(Ts) 및 시비율(D)의 값과 디지털 비교기(CMP #1, CMP #2)를 이용해 비교하여 SR 래치를 동작시킴으로써 스위칭 구간 신호(TEN)를 발생시킨다.
여기서, 시비율(D)는 아래 수학식 9와 같이 정의한다.
공진형 인버터의 스위치(Q1 및 Q2)의 구동신호는 기본 스위칭 클록신호(CLK)와 이 신호의 반전 신호(/CLK)를 스위칭 구간 신호(TEN)에 대해 논리곱을 행함으로써 만들어진다. 이때 두 신호(CLK, TEN) 간에는 암단락 방지를 위해 적정한 데드타임(Dead Time)을 부가하여야 한다.
도 4a에서 PWM 신호 정보가 스위칭 주파수의 1/10인 25kHz로 결정된다면 10% 단위로 시비율을 제어할 수 있다. 만약, 보다 정밀한 조도 제어가 필요할 경우 도 3a의 스위치(Q1)가 스위치(Q2) 보다 1회 더 동작하도록 제어함으로써 5% 단위로 제어가 가능해 진다.
그러나 이러한 제어방식은 간단한 제어회로의 구성을 갖기 때문에 비교적 경제적이긴 하지만 공진형 인버터의 조광제어 범위가 최대 5% 단위로 제한되게 된다.
상기 도 4a 및 도 4b보다 더 정밀한 조광제어 알고리즘을 도 5와 같이 제안한다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 의한 버스트 디밍 알고리즘의 인버터 제어장치를 나타낸 회로블록도 및 그 타임차트로서, 제 1 카운터(CNT #1), 제 1 비교기(CMP #1), 가산기(ADD), 다중화기(MUX), 제 2 카운터(CNT #2), 제 2 비교기(CMP #2), 제 1 앤드게이트(G1) 및 제 2 앤드게이트(G2) 등으로 이루어져 있다.
상기 제 1 카운터(CNT #1)는 무전극 형광램프 구동을 위한 기본 스위칭 주파수의 10분의 1에 해당하는 클록신호를 10분주하도록 구성되어 있고, 제 1 비교기(CMP #1)는 제 1 카운터(CNT #1)의 계수값과 외부로부터 2디지트의 BCD(Binary Coded Decimal)로 지령된 듀티 명령(Duty instruction)의 1의 자리(First Digit) BCD값의 크기를 비교하도록 구성되어 있고, 가산기(ADD)는 외부로부터 지령된 듀티 명령의 10의 자리(Second Digit)값에 1을 더하도록 구성되어 있고, 다중화기(MUX)는 가산기(ADD)의 출력과 외부로부터 지령된 듀티 명령의 1의 자리 값 중 어느 하나를 상기 제 1 비교기(CMP #1)의 출력에 따라 선택하도록 구성되어 있고, 제 2 카운터(CNT #2)는 무전극 형광램프 구동을 위한 기본 스위칭 클록신호(CLK)를 10 분주하도록 구성되어 있고, 제 2 비교기(CMP #2)는 다중화기(MUX)의 출력값과 상기 제 2 카운터(CNT #2)의 크기를 비교하여 무전극 형광램프를 구동하는 기간에 해당하는 스위칭 인에이블 신호(TEN)를 출력하도록 구성되어 있고, 제 1 휴지기간삽입회로(Deadtime 1)는 무전극 형광램프 구동을 위한 기본 스위칭 클록신호(CLK)를 입력받아 인버터의 암단락 방지를 위하여 삽입될 휴지기간(Dead Time)에 해당하는 기간만큼 기본 스위칭 클록신호(CLK)의 앞 부분을 소거하도록 구성되어 있고, 제 2 휴지기간삽입회로(Deadtime 2)는 무전극 형광램프 구동을 위한 기본 스위칭 클록신호(CLK)의 반전신호(/CLK)를 입력받아 인버터의 암단락 방지를 위하여 삽입될 휴지기간(Dead Time)에 해당하는 기간만큼 반전된 기본 스위칭 클록신호(/CLK)의 앞 부분을 소거하도록 구성되어 있고, 제 1 앤드게이트(G1)는 제 2 비교기(CMP #2)의 출력인 스위칭 인에이블 신호(TEN)와 상기 제 1 휴지기간삽입회로(Deadtime 1) 출력의 논리곱을 취하여 무전극 형광램프 구동용 인버터의 상암 스위칭 신호(Q1)을 출력하도록 구성되어 있고, 제 2 앤드게이트(G2)는 제 2 비교기(CMP #2)의 출력인 스위칭 인에이블 신호(TEN)와 상기 제 2 휴지기간삽입회로(Deadtime 2) 출력의 논리곱을 취하여 무전극 형광램프 구동용 인버터의 하암 스위칭 신호(Q2)를 출력하도록 구성되어 있다.
그리고, 상기 제 1 앤드게이트(G1) 및 제 2 앤드게이트(G2)의 출력단에는 도 3a와 같은 인버터의 구동스위치(Q1, Q2)가 각각 설치되어 있는 데, 복수의 구동스위치(Q1, Q2)는 상기 제 1 앤드게이트(G1) 및 제 2 앤드게이트(G2)의 출력단을 통해 소정 시비율(D)을 갖는 점/소등제어 또는 조광제어신호에 따라 각각 스위칭 작동되어 무전극 형광램프으로 인가되는 전원을 제어하게 된다.
아울러, 상기 제 1 및 제 2 카운터(CNT #1, CNT #2)는 10진 카운터(MOD-10)이며, 상기 제 1 앤드게이트(G1) 및 제 2 앤드게이트(G2)는, 입력신호인 제 2 비교기(CMP #2)의 PWM스위칭 신호(TEN)와 기본 스위칭 클록신호(CLK) 간에 암단락을 방지하기 위해 적절한 데드타임을 통해 제공받도록 구성되어 있다.
이와 같이 구성된 버스트 PWM 평균 시비율 제어 알고리즘은 도 4a 및 도 4b에서 제안된 버스트 디밍(Burst dimming) 방식에 비해 훨씬 더 정밀한 조광제어가 가능하다.
도 5a의 블록 회로도에서 기본 스위칭 주파수는 250kHz이며, 기본 스위칭 주파수의 1/10로 분주된 클록펄스를 10진 카운터(MOD-10; 10개의 카운터 순서를 반복하는 카운터)를 이용해 카운팅함으로써 1% 단위의 정밀한 조광제어가 가능해 진다.
상기 카운터(CNT #1, CNT #2)는 입력 펄스를 받아서 정해진 순서의 상태를 반복하는 순차 회로로서, 제 1 카운터(CNT #1)는 25kHz의 펄스신호를 카운팅한 값을 외부 제어기로부터 입력되는 1자리 값에 해당되는 BCD 코드와 비교하여 다중화기(MUX)의 제어신호로 사용된다.
상기 제 1 비교기(CMP #1)로부터 발생하는 제어신호에 의해 다중화기(MUX)의 출력은 외부 제어기로부터 입력되는 10자리 값의 BCD코드와 이 값보다 1만큼 더 큰 값 중에서 제 1 비교기(CMP #1)의 조건 만족에 따라 선택적으로 절환시켜 제 2 비교기(CMP #2)의 B입력단자에 공급된다.
그리고, 제 2 비교기(CMP #2)는 A입력단자에는 제 2 카운터(CNT #2)에 의해 기본 스위칭 주파수를 카운팅한 값이 인가되어 다중화기(MUX)의 출력신호와 비교되어 활성신호(DA 또는 DB)를 발생시킨다. 결과적으로 인버터 스위치(Q1, Q2)의 구동신호는 이 활성신호(DA 또는 DB)가 발생할 경우에만 출력될 수 있다.
도 5b의 타임차트를 통해 조광제어 알고리즘은 더욱 명확히 설명된다. 도 5b에서 T가 10Ts이며, T가 TA+TB라고 한다면, 제안된 버스트 PWM 평균 시비율 제어 알고리즘을 통한 시비율은 다음과 같이 정의할 수 있다.
실시예
제안된 조광제어 기법을 근거로 하여 무전극 형광램프용 공진형 인버터를 제작 실험을 실시하였다. 제작된 공진형인버터에 적용된 주요 정수는 다음과 같다.
Vdc: 400[V], 스위칭주파수(fs): 250[kHz], Q1/Q2: IRF840(500V, 8A), 공진인덕터(L): 232[uH], 커패시터(Cs): 100[nF], 커패시터(Cp): 2.2[nF], 기본 공진주파수(fr): 222.77 [kHz], Lamp: Endura 100W(Osram) 이다.
본 발명에서 제안하는 두 가지 조광기법을 적용하였을 때 시비율(D)의 변화에 대한 스위칭 패턴과 공진회로에 흐르는 전류(ir)의 변화를 도 6에 도시하였다.
도 6a 내지 6c에서 보여주는 바와 같이 시비율이 50% 이상의 영역에서 공진전류는 시비율에 대해 무난히 제어됨을 보여주는 반면, 도 6d와 같이 시비율이 매우 낮은 구간에서 공진전류는 급격히 변동하게 되고 단속구간동안의 링잉(ringing)현상도 심해지는 특성을 보인다.
시비율(D)의 변화에 대한 램프전압(Vlamp) 및 램프전류(ilamp)의 파형을 도 7에 도시하였다.
앞서 살펴본 공진전류의 변화와 같이 램프전압과 램프전류 역시 시비율이 클 경우 비교적 안정적인 변화를 나타나지만, 시비율이 매우 작은 영역에서 심한 변동이 발생한다. 그러나 단속구간동안 공진전류의 파형과는 달리 심한 링잉현상 없이 비교적 안정적인 파형을 유지하는 것을 알 수 있다.
시비율(D)의 변화에 따른 램프의 조광상태를 관찰한 사진을 도 8에 나타내었으며, 시비율(D)의 변화에 따라 램프의 조광이 잘 제어됨을 확인할 수 있다.
도 9는 두 가지 제안된 방식별 시비율(D)의 변화에 대한 인버터 입력전력 변화비 및 램프 광속의 변화비를 나타낸 그래프이다.
실험결과 두 방식 모두 약 35%의 시비율에서 50%의 광속이 측정되었고, 시비율이 35% 이상의 범위에서 입력전력 변화비와 램프 광속 변화비가 거의 일치하지만, 그 이하의 범위에서는 입력전력의 변화에 비해 광속의 변화가 심하게 발생한다는 사실을 확인할 수 있다.
특히 도 9a에서 보여주는 바와 같이 버스트 디밍 방식을 적용할 경우, 5% 단위의 정밀하지 못한 조광제어가 이루어지고, 이러한 단점은 특히 낮은 조도범위에서 조광제어를 어렵게 만든다.
반면, 도 9b의 버스트 PWM 평균 시비율 제어를 적용한 조광제어의 경우 1%단위의 정밀한 조도제어가 가능하기 때문에 낮은 시비율 범위에서도 광속의 변화를 정밀하게 제어할 수 있다.
이러한 특성은 도 10의 최대 입력전력대비 광효율의 그래프를 통해 더욱 명확히 확인할 수 있다.
도 7a를 통해 5% 단위의 버스트 디밍 방식을 적용할 경우 0.4 이하의 시비율에서 최대 입력전력대비 광효율은 급격히 저하될 뿐만 아니라, 5% 단위의 시비율 제어는 스위칭 동작의 종단에서 발생하는 전원측 회생모드로 인해 저역률 운전이 되고, 이로 인해 0.4이상의 시비율에서도 최대 입력전력 대비 광효율의 변화가 심하게 발생함을 확인할 수 있다.
반면, 버스트 PWM 평균 시비율 제어를 적용할 경우 광효율은 0.4이하의 범위에서 변화가 심하게 발생하지만 1% 단위의 시비율로 완만한 제어가 가능함을 알 수 있다. 또한 0.4 이상의 시비율에서도 개선된 버스트 디밍 기법을 적용했을 때와는 달리 매우 안정적인 최대 입력전력대비 광효율을 얻을 수 있다.
그러나 두 방식 모두 최대치의 35%이상의 시비율에 대하여 정격대비 90% 이상의 효율을 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 시비율 1로 연속 운전할 때 보다 버스트 디밍을 적용하여 시비율 0.4 내지 0.8 구간에서 운전할 때의 최대 입력전력 대비 광효율이 오히려 높게 관찰되었다.
따라서, 본 발명에서는 두 가지 방식의 무전극 형광램프 조광제어 알고리즘을 제안하였는 데, 제안한 두 가지 조광제어 알고리즘은 다음과 같다.
첫째, 250kHz의 고주파 펄스로 구동되는 스위치를 스위칭 주파수보다 매우 낮은 PWM 변조 파형과 동기시켜 온 오프를 제어하는 버스트 디밍 기법이고, 둘째 한 주기 동안 10번의 PWM의 발생시키고 이 PWM 신호의 시비율을 적절히 제어함으로써 1% 단위의 정밀한 조광제어가 가능하도록 하는 버스트 PWM 평균 시비율 제어기법이다.
첫 번째 방식의 경우, 제어회로 구성이 간단하므로 경제적이긴 하지만 조광제어 범위가 최대 5% 단위로 제어되므로, 낮은 시비율에서 정밀하게 조도를 조절할 수 없다는 단점이 있다.
두 번째 방식의 경우, 1% 단위의 정밀한 조광제어가 가능하므로, 낮은 시비율에서도 비교적 정밀한 조도 조절이 가능하지만, 제어회로의 구성이 다소 복잡해진다.
그러나 두 가지 방식 모두 실험결과 35%의 시비율에서 최고치의 50%의 광속을 얻을 수 있었으며, 입력전력 대비 광효율은 최대 입력전력의 35% 이상의 입력전 력에 대하여 90% 이상의 높은 최대 입력전력 대비 광효율을 얻을 수 있었다.
상기에서 본 발명의 특정한 실시예가 설명 및 도시되었지만, 본 발명이 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같은 변형된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명에 첨부된 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
따라서, 본 발명에서는 유도방전을 이용한 무전극 형광램프는 전극을 필요로 하지 않기 때문에 긴 수명을 가지며, 안정기 출력의 변화에 대해서도 매우 강한 특성을 갖는 무전극 형광램프 조광제어용 고주파 공진형 인버터 제어 장치를 제공할 수 있다.
또한, 디지털 논리회로를 이용하여 버스트 디밍 PWM 온 듀티를 무전극 형광램프의 기본 스위칭 주기와 동기시켜 1% 단위로 세밀하게 제어함으로써 거의 연속적인 조도 조절이 가능하다는 이점이 있다.
Claims (6)
- 무전극 형광램프 조광 제어용 인버터 제어장치에 있어서:무전극 형광램프 구동을 위한 기본 스위칭 주파수의 10분의 1에 해당하는 클록신호를 10분주하는 제 1 카운터;상기 제 1 카운터의 계수값과 외부로부터 2 디지트의 BCD(Binary Coded Decimal)로 지령된 듀티 명령(Duty instruction)의 1의 자리(First Digit) BCD값의 크기를 비교하는 제 1 비교기;외부로부터 지령된 듀티 명령의 10의 자리(Second Digit)값에 1을 더하는 가산기;상기 가산기의 출력과 외부로부터 지령된 듀티 명령의 1의 자리 값 중 어느 하나를 상기 제 1 비교기의 출력에 따라 선택하는 다중화기;무전극 형광램프 구동을 위한 기본 스위칭 클록신호(CLK)를 10 분주하는 제 2 카운터;상기 다중화기의 출력값과 상기 제 2 카운터의 크기를 비교하여 무전극 형광램프를 구동하는 기간에 해당하는 스위칭 인에이블 신호(TEN)를 출력하는 제 2 비교기;무전극 형광램프 구동을 위한 기본 스위칭 클록신호(CLK)를 입력받아 인버터의 암단락 방지를 위하여 삽입될 휴지기간(Dead Time)에 해당하는 기간만큼 기본 스위칭 클록신호(CLK)의 앞 부분을 소거하는 제 1 휴지기간삽입회로;무전극 형광램프 구동을 위한 기본 스위칭 클록신호(CLK)의 반전신호(/CLK)를 입력받아 인버터의 암단락 방지를 위하여 삽입될 휴지기간(Dead Time)에 해당하는 기간만큼 반전된 기본 스위칭 클록신호(/CLK)의 앞 부분을 소거하는 제 2 휴지기간삽입회로;상기 제 2 비교기의 출력인 스위칭 인에이블 신호(TEN)와 상기 제 1 휴지기간삽입회로 출력의 논리곱을 취하여 무전극 형광램프 구동용 인버터의 상암 스위칭 신호(Q1)을 출력하는 제 1 앤드게이트; 및상기 제 2 비교기의 출력인 스위칭 인에이블 신호(TEN)와 상기 제 2 휴지기간삽입회로 출력의 논리곱을 취하여 무전극 형광램프 구동용 인버터의 하암 스위칭 신호(Q2)를 출력하는 제 2 앤드게이트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무전극 형광램프 조광 제어용 고주파 공진형 인버터 제어 장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 제 1 및 제 2 카운터는 10진 카운터(MOD-10)인 것을 특징으로 하는 무전극 형광램프 조광 제어용 고주파 공진형 인버터 제어 장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 제 1 및 제 2 앤드게이트는 일정 주파수의 기본 스위칭 클록신호를 디밍 PWM신호의 시비율 구간 동안만 스위칭신호를 발생시키되, 상기 버스트 PWM 평균 시비율(D)은 아래 수학식 11에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 무전극 형광램프 조광 제어용 고주파 공진형 인버터 제어 장치.
단, T는 10*Ts 이며, T는 TA + TB 임. - 무전극 형광램프 조광 제어용 인버터 제어장치에 있어서:무전극 형광램프 구동을 위한 기본 스위칭 클록 신호를 계수하는 카운터;상기 카운터의 계수 데이터와 외부로부터 지령된 PWM 주기 데이터(PWM Duration Data)의 크기를 비교하는 제 1 비교기;상기 카운터의 계수 데이터와 외부로부터 지령된 듀티비 데이터(Duty ratio Data)의 크기를 비교하는 제 2 비교기;상기 제 1 비교기와 제 2 비교기에서 출력되는 신호를 제공받되 제 1 비교기의 상승에지에서 세트되고 제 2 비교기의 상승에지에서 리세트되어 무전극 형광램 프를 구동하는 기간에 해당하는 스위칭 인에이블 신호(TEN)를 출력하는 SR 래치;무전극 형광램프 구동을 위한 기본 스위칭 클록신호(CLK)를 입력받아 인버터의 암단락 방지를 위하여 삽입될 휴지기간(Dead Time)에 해당하는 기간만큼 기본 스위칭 클록신호(CLK)의 앞 부분을 소거하는 제 1 휴지기간삽입회로;무전극 형광램프 구동을 위한 기본 스위칭 클록신호(CLK)의 반전신호(/CLK)를 입력받아 인버터의 암단락 방지를 위하여 삽입될 휴지기간(Dead Time)에 해당하는 기간만큼 반전된 기본 스위칭 클록신호(/CLK)의 앞 부분을 소거하는 제 2 휴지기간삽입회로;상기 SR 래치의 출력인 스위칭 인에이블 신호(TEN)와 상기 제 1 휴지기간삽입회로 출력의 논리곱을 취하여 무전극 형광램프 구동용 인버터의 상암 스위칭 신호(Q1)을 출력하는 제 1 앤드게이트; 및상기 SR 래치의 출력인 스위칭 인에이블 신호(TEN)와 상기 제 2 휴지기간삽입회로 출력의 논리곱을 취하여 무전극 형광램프 구동용 인버터의 하암 스위칭 신호(Q2)을 출력하는 제 2 앤드게이트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무전극 형광램프 조광 제어용 고주파 공진형 인버터 제어 장치.
- 청구항 4에 있어서,상기 제 1 및 제 2 앤드게이트는 일정 주파수의 기본 스위칭 클록신호를 디 밍 PWM신호의 시비율 구간 동안만 스위칭신호를 발생시키되, 상기 시비율(D)은 아래 수학식 12에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 무전극 형광램프 조광 제어용 고주파 공진형 인버터 제어 장치.
단, 상기 TEN은 SR 래치의 출력인 무전극 형광램프를 구동하는 기간에 해당하는 스위칭 인에이블 신호(TEN)이고, Ts는 PWM주기 신호임. - 청구항 4에 있어서,상기 기준 스위칭 클록신호(CLK)를 소정 주파수로 분주한 PWM주기 신호(Ts)의 시비율(D)을 결정하여 디밍 PWM신호를 발생하도록 구성한 것을 특징으로 하는 무전극 형광램프 조광 제어용 고주파 공진형 인버터 제어 장치.
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2005
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