With the adoption of international standards such as IEC61000-3-2, there is a requirement to develop the electronic ballast for fluorescent lamp which can perform line current harmonic reduction and high input power factor correction (PFC). Among various filtering techniques, the active power factor corrector with a boost converter has been proven to be an effective method. The boost-type PFC circuit is one of the most popular configurations due to the advantages such as low ripple and good regulation of DC-link voltage, low flickering, etc. Nevertheless, the boost converter circuits lead to higher circuit complexity and thus higher product cost. The designer of fluorescent lamp ballast is faced with a variety of consideration and trade-offs that significantly affect the performance and cost of the final product.
In this thesis, several circuits are presented to obtain high power factor correction ability for cost-effective electronic ballast, which is composed of a self-excited series-resonant inverter / parallel resonant inverter and a power factor correction stage with only passive elements such as small capacitors and several diodes.
In the electronic ballast using voltage-fed series-resonant inverter, the power factor correction stage is mainly composed of valley fill DC-link which modified of improved from the conventional valley fill circuit and charge pump capacitors. The modified of improved valley fill circuit can adjust the valley voltage to above half the peak line voltage by changing the value of capacitor connected to the point where the high frequency resonant voltage is occurred in the resonant inverter. To draw the input current from the input line when the line voltage is smaller than the valley voltage, small charge pump capacitors are inserted between the input side and the resonant inverter. Also, to give an filaments preheating ability, small auxiliary resonant tank may be used. The operation mode analyses and experimental results are presented to confirm the utility of the proposed electronic ballast. The resultant input power factor, total harmonic distortion and lamp current crest factor are about 0.99(>0.99), 10%(<15%) and 1.65(<1.7).
In the electronic ballast adopting the current-fed push-pull resonant inverter, several passive power factor correction circuits combined with the secondary-winding or auxiliary-winding of the power transformer in the resonant inverter are presented. In the first type of the presented power factor correction circuit employs modified valley fill circuit with two-level DC-link capacitors combined with the secondary-winding of power transformer in self-excited current-fed push-pull resonant inverter. The optimal design steps are given to select adequate components. By maintaining the DC-link voltage nearly constant and designing the resonant inverter adequately, the lamp voltage and lamp current are kept close to the rated value and the voltage across the switches are maintained constant, independently of changes in AC input voltage. The input current has low harmonic distortion of 12% and measured input power factor of 0.992, which successfully meets the IEC61000-3-2 requirements.
In the second type, the proposed electronic ballast employs a pair of capacitors as charge-pumping elements combined with the auxiliary winding of the power transformer in the self-excited CF-PPRI, resulting in cost-effectiveness and higher efficiency. By maintaining the DC-link voltage nearly constant and utilizing the filaments of the fluorescent lamps connected to the DC-link, the lamp currents are kept close to the rated value during the entire line period. In addition the input power is automatically adjusted according to the number of the lamps. The input line has low harmonic distortion of 7% and high input power factor of 0.996. The measured lamp current crest factor is about 1.62.
Finally, in the third type, the proposed electronic ballast employs a bypassing capacitor and load networks composed of ballast capacitors and small charge pump capacitors as power factor correction circuit combined with the secondary winding of the transformer in the self-excited CF-PPRI, resulting in cost-effectiveness and higher efficiency. By analyzing the principles of power factor correction mathematically, optimum design guidelines were presented. Since the lamps are used in power factor correction stage, the input power is automatically adjusted according to the number of the lamps. The resultant input power factor, THD and lamp current crest factor are 0.994, 8% and 0.62, respectively.
현재 IEC61000-3-2와 같은 국제 표준의 권장 및 채택으로 형광등용 전자식 안정기에 대해 선전류 고조파 성분의 제한, 높은 입력 역률 개선에 대한 요구가 점차 커지고 있다. 전자식 안정기의 설계자들은 종종 저가격의 안정기를 얻기 위해 자려식의 직렬 공진형 인버터를 이용하고 있으며 역률 개선을 위하여 밸리필 직류 링크 회로나 부스트 컨버터 형태의 회로를 첨가하곤 한다. 기존의 밸리필 회로는 간단한 구조로 약 0.95의 역률을 얻을 수 있으나, 총고조파 왜율이 약 40%로 높고 직류 링크의 전압이 전원 전압의 최고치에서 절반까지 120Hz로 변하기 때문에 형광램프의 깜박거림 및 약 1.9의 램프 전류의 CF(crest factor)를 보여 램프의 수명에 상당한 악영향을 미친다는 단점이 있다. 부스트 컨버터 형태의 역률개선회로는 직류 링크 전압의 좋은 레귤레이션 특성과 적은 리플성분을 가지고 있다는 장점이 있지만 주 스위치에 전압 스트레스를 높이고 부가적인 전력소자와 수동소자 및 제어회로를 부가하여 동작시키기 때문에 손실이 많고 가격적인 측면에서 그다지 장점이 될 수 없는 형태의 역률 개선 회로라고 할 수 있다. 한편, 전자식 안정기는 채택한 공진형 인버터의 형태에 따라 전압원 방식과 전류원 방식으로 나눌 수 있는데 각각 응용 분야 및 사용국에 따라 선호도가 각기 달라 이들에 대해 모두 새로운 형태의 간단한 고역률 회로를 개발할 필요성이 있다고 볼 수 있기 때문에 본 논문에서는 이들 안정기에 적합한 여러가지 형태의 수동 역률 개선 회로를 제안하고자 한다.
일반적으로 높은 입력 전원 전압을 이용하거나 간단한 구조의 안정기를 원하는 경우에는 하프 브리지 형태의 병렬 공진 회로나 직병렬 공진 회로를 이용한 전압원 방식의 전자식 안정기를 사용한다. 이 경우 본 논문에서는 기존의 밸리필 회로를 조금 수정한 변형된 밸리필 회로를 직류 링크단으로 이용하고 입력 전원 전압이 밸리 전압보다 낮은 구간에서도 입력 전류를 형성하기 위해 전하 펌프 커패시터를 입력단과 공진형 인버터의 고주파로 변동하는 한 부분에 연결을 시켜 역률을 개선한 새로운 형태의 전자식 안정기를 제안한다. 변형된 밸리필 회로는 기존의 밸리필 회로에 간단히 다이오드와 커패시터를 부가하여 밸리전압을 입력 전원 전압의 반에 해당하는 전압보다 높일 수 있어서 램프 전류의 CF를 상당히 개선시킬 수 있다는 특징을 가지고 있고, 또한 공진형 인버터의 공진 인덕터에 부가 권선을 감아 이를 작은 보조 공진회로를 거쳐 직류 링크 커패시터에 연결함으로써 초기 방전시에 충분한 필라멘트 예열시간을 확보하는 방식도 제안한다.
입력 전원 전압이 낮은 경우에는 일반적으로 초기 방전시에 높은 Q의 특성을 나타내고, 방전후에는 낮은 Q의 특성을 나타내는 병렬 공진형 인버터를 주로 이용하게 되는데, 특히 다등 구동을 원하는 경우에는 전류원 방식의 병렬 공진형 인버터가 많이 이용되고 있다. 이러한 경우에도 일반적으로 역률 개선 회로는 앞에서 언급한 부스트 컨버터의 형태를 많이 이용하고 있으나 본 논문에서는 공진형 인버터의 전력 트랜스포머의 2차측을 입력단에 연결한 단일단 구조의 간단한 역률 개선 방식을 제안한다.
전류원 방식의 공진형 인버터의 전력 트랜스포머의 2차측을 입력 정류단과 직류 링크 커패시터 사이에 연결하여 사용함에 있어서도 3가지의 다른 방식이 제안 된다. 첫째는, 전력 트랜스포머의 2차측에 나타나는 전압의 크기가 일반적으로 직류 링크 전압보다 상당히 크기 때문에 입력 전원 전압이 거의 영인 부근에서 입력 전류의 상당한 상승부분이 생기는 문제점을 해결하기 위해 변형된 밸리필 형태의 직류 링크단을 구성하여 역률을 개선한 형태이고, 둘째로는, 입력 전원 전압의 최대치와 직류 링크 전압의 크기와 거의 비슷한 크기의 전압원을 만들기 위해 전력 트랜스포머에 부가 권선을 감아 이를 형광등의 필라멘트와 전력 조절용 커패시터를 통해 입력단에 연결한 구조를 제안한다. 세번째로는, 전력 트랜스포머의 2차측의 높은 전압에 의해 생기는 급작스런 전류의 변화를 해결하기 위해 간단히 2차측과 부하 회로망에 바이패스 커패시터를 부가하여 회로를 대폭 간략화된 구조를 제시한다.
이상의 전류원 방식의 공진형 인버터를 채택한 전자식 안정기에 있어서 역률 개선의 원리와 설계 조건을 분석하고 이를 토대로 실험을 통해 제안된 전자식 안정기의 유용성을 검증한다.
결론적으로, 전압원 방식의 전자식 안정기에서는 변형된 밸리필 직류 링크와 전하 펌프 커패시터를 이용한 역률 개선 회로를 채택하고, 전류원 방식의 전자식 안정기에서는 공진형 인버터내의 전력 트랜스포머의 2차측과 부하 회로망을 입력단에 연결함으로써 여러가지 형태의 단일단 전자식 안정기를 구현하게 된다.
본 논문에서 제안한 모든 전자식 안정기는 국제적인 선전류 고조파 성분의 제한에 관한 규제를 모두 만족시킴과 동시에 부하 램프의 효율적인 사용을 위한 새로운 형태의 단일단 전력 변환 회로를 채택함으로써 성능대비 제품의 구성 비용을 상당히 줄일 수 있어 향후 전자식 안정기의 개발에 상당한 기여를 할 것으로 기대한다.
