This thesis focuses low cost solution for high performance electronic ballast.
First part introduces a gate-driven mixed mode excitation that is applicable to dimmable electronic ballasts. The proposed approach combines the characteristics of self-oscillating mode and external excitation. In the mixed mode excitation, the MOSFETs in an electronic ballast are turned on by the resonant current and turned off by the gate driver, which is triggered by a low voltage control IC, which is fabricated in a 3.3V standard CMOS process. It can substitute for expensive high voltage IC.
Second part introduces variable current control scheme and control IC that improves crest factor of electronic ballast with cheap passive PFC circuit instead of expensive active PFC circuit. Lamp current is fed back to control IC and its envelope is controlled to maintain acceptable crest factor without degrading performance of passive PFC circuit. Using this scheme, crest factor is 1.46 and power factor is 0.99. Harmonic distortions meet international standard.
Third part introduces a digital control IC for closed loop power control of electronic ballast. Digital integration method which extends the resolution of digital control IC is proposed. To verify this idea digital control IC having 4bit ADC is designed using 0.35um CMOS process. Simulation result shows 4 times resolution extension effect and experiment result shows 3 times resolution extension effect. This idea can be applied to the resonant inverter such as electronic ballast whose output current is sinusoidal. Using this idea the complexity and area of digital control IC for electronic ballasts can be reduced and implementation of low cost digital control IC is possible.
오늘날 인공 조명으로 형광등이 널리 사용되고 있다. 지난 수 십 년간 형광등을 구동하는 전자식 안정기에 대한 연구가 진행되어 왔으며 그 연구의 초점은 에너지 효율 개선에 맞춰져 왔다. 따라서 전자식 안정기용 제어 IC에 대한 연구는 그리 많지 않았다. 그러나 최근 들어 홈 네트워크 시스템의 도입과 감성 조명에 대한 수요 증가로 인해 지능형 조명 장치에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 지능형 조명 장치는 등의 전력을 조절할 수 있고 외부 네트워크와의 통신 기능을 갖춰야 한다. 이를 간단하면서 값싸게 구현하기 위해서는 제어 IC가 필수적이라 할 수 있다. 본 논문에서는 이러한 지능형 고성능 전자식 안정기에 적합한 제어 IC 구현을 중점으로 다루고 있다.
첫 번째 주제는 조도 조절이 가능한 전자식 안정기에 적용 가능한 혼합형 게이트 구동 방식에 대한 내용이다. 제안된 방식은 자려식 게이트 구동 방식과 타려식 게이트 구동 방식의 특성을 혼합한 형태로서 전자식 안정기의 공진 전류를 이용해 MOSFET을 켜고 이를 끌 때는 제어 IC에 의해 시동되는 별도의 게이트 드라이버가 끄는 구조를 갖고 있다. 이때 제어 IC는 0.35um 3.3V CMOS 공정을 통해 제작되었으며 따라서 값비싼 고전압 제어 IC에 비해 silicon 면적을 매우 작게 차지하기 때문에 이를 대체할 수 있다.
두 번째 주제는 값 비싼 능동형 역률 보정회로를 값 싼 수동형 역률 보정회로로 대체한 전자식 안정기에서 등의 전류 파고율을 개선하는 제어 IC에 관한 내용이다. 등에 흐르는 전류를 간접적으로 센스한 후, 이 전류 크기 변화를 일정 수준 이하로 제어함으로써 수동형 역률 보정회로의 성능을 떨어뜨리지 않고 국제 규격이 요구하는 수준의 파고율을 얻을 수 있었다. 실험을 통해 파고율은 1.46, 역률은 0.99 그리고 입력 전류 왜곡은 국제 표준을 만족시키는 결과를 얻었다.
세 번째 주제는 전자식 안정기용 디지털 제어 IC 설계에 관한 내용이다. 디지털 제어의 해상도는 디지털 제어 IC내의 아날로그-디지털 컨버터(ADC)의 해상도에 의해 결정되는데 높은 해상도를 얻기 위해서는 ADC가 디지털 제어 IC에서 차지하는 면적이 커져야 한다. 본 논문에서는 ADC의 해상도보다 높은 제어 해상도를 얻어내는 디지털 적분 방식을 제안하고 이를 검증하였다. 이를 위해 0.35um 3.3V CMOS 공정을 이용해 4bit ADC를 내장한 디지털 제어 IC를 제작하였다. 실험을 통해 4배의 해상도 확장 효과를 확인하였고 실험을 통해 3배의 해상도 확장을 확인했다. 이 방식은 전자식 안정기와 같은 공진형 인버터 혹은 컨버터에 사용될 수 있다.
