In the context of the climate change debates, business in many parts of the world is looking more closely at ways of improving their energy efficiency. Among electronic devices, the information displays have been widely used to interconnect people to machine in many areas. By demand for a large size, high resolution and high image quality, alternating current plasma display panel (AC PDP) has many desirable features over the other competing flat panel display and is expected to wide the market share for the promising digital displays of the next generation.
A PDP is electrically regarded as a capacitive load because of dielectric layer and MgO on electrodes. When high voltage and frequency pulses on a PDP are applied, there are considerable energy loss and an excessive surge displacement current. Therefore, an energy recovery circuit (ERC) is essential to drive the PDP. To conform to this problem, several prior approaches have been proposed. Although most of energy can be injected and recovered by the prior circuits, they still have several drawbacks such as a poor energy recovery capability, considerable heat generation, poor efficiency and low performance. Although the power consumption is restricted worldwide, it can result in poor energy efficiency and in some reason of the climate change and these drawbacks have been serious as the demand for a large sized and high resolution PDP is growing.
To overcome and relieve these problems, new energy recovery circuits and researches for the large sized and high resolution are proposed in this dissertation.
First, a new dual sustaining driver used two-different energy recovery circuits for a large-sized PDP is proposed. The proposed sustaining driver has two H-bridge inverters to be used in splitting a panel into two. Two different ERCs are employed to compensate energy for charging or discharging the panel. When the PDP with the two divided panels are driven by the proposed driver, there are good uniformity in gas discharge and reduction of power consumption by the two different ERCs used in charging and discharging the panel. As results, the proposed sustaining driver has low conduction loss, diminished switching loss of all main power switches and decrease of reactive power consumption for recovering energy. Moreover, production cost can be reduced because of one simplified ERC for discharging the panel and no additional driving circuits.
Secondly, a new dual-path ERC using a current source and a voltage source for a PDP is proposed. The proposed ERC uses the voltage source to charge a panel and the current source to discharge the panel. Thus, the proposed circuit can make the panel charge to $V_S$ and discharge to 0V, fully and it is possible to achieve zero voltage switching (ZVS) of all switches in H-bridge inverter and zero current switching (ZCS) of all switches in the ERC. Moreover, it has less conduction and switching loss in ERC devices by the dual energy recovery paths for charging and discharging the panel. Furthermore, it has features of canceling the gas discharge current, high performance and the low cost ERC components.
Thirdly, a high efficient energy recovery circuit is proposed for PDPs. This energy recovery circuit employs an address voltage source used in an addressing period as the PDP is charged and discharged. Since the proposed ERC uses the address voltage source as a bias point, there is no additional voltage source and the many film capacitors in the prior circuit can be removed. As a result, the proposed circuit can reduce power consumption, switching loss, the heat dissipation and the production cost.
In last, the cost of PDP has been still high and half of the cost has been occupied by driving circuit. Therefore, a cost effective driving waveform and a single sustaining driver (SSD) has already been reported to reduce the cost and size of driving circuit. In this chapter, comparative study on the SSD with single and dual energy recovery paths for the low cost driving PDP system is shown. The SSD has fewer switching devices and reactive components and can be developed with single and dual path energy recovery circuits for charging and discharging PDP. A comparative research on those circuits will be practiced to evaluate performance. As a result, the dual path energy recovery circuit has low power consumption, low surge current and high performance.
In this doctorial dissertation, the researches have been done to reduce the power consumption and to contribute to improve the energy efficiency. As a result, it is expected that proposed energy recovery works can provide to improve the energy efficiency in the PDPs.
최근 에너지 부족과 지구 온난화 문제로 인해 전 세계가 에너지 절약을 위해 노력하고 있다. 따라서, 모든 전자 기기들의 에너지 효율성의 중요성이 점점 증대되고 있다. 이러한 전자 기기들 중에 정보 디스플레이들은 세상과 사람을 연결시켜 주는 매개체로 여러 방면에서 이용되고 있다. 근래에는 평판 디스플레이가 정보 전달 디스플레이로서 역할을 거의 대부분 차지하고 있는데, 평판 디스플레이에는 액정 소자를 이용하는 LCD 디스플레이, 유기물을 이용하는 OLED 디스플레이, 그리고 기체 방전 현상을 이용하는 PDP가 상업화가 되었고, 디지털 방송과 다양한 멀티 미디어 콘텐트 (Contents)를 재생하기 위해 중소형 크기는 LCD TV가 대세를 이루고, 대화면 크기는 PDP TV가 큰 축을 이루고 있다.
각종 디스플레이 관련 조사 기관에서는 점점 고객들은 실제 사람의 눈과 같은 영상과 좀 더 큰 화면 사이즈를 원하고 있다. 디스플레이 뱅크란 조사 기관에 의하면 2011년에는 Full High Definition (FHD)와 같은 고해상도 디스플레이가 전 세계 시장의 30%이상을 차지하고 있다. 따라서 점점 고해상도 대 화면이 될수록 사용하는 전력양도 함께 증가되게 된다. 다른 한가지 중요한 점은, 이미 유럽이나 북미 지역은 각종 전자기기들의 동작 중 전력소모를 제한하고, 디스플레이를 제작 시 사용하는 재료들은 친환경 재료를 사용하도록 제한하는 그린 디스플레이를 권고 하고 있다. 이 중 전력 소모는 앞서 이야기한 에너지 부족과 지구 온난화 문제로 인해 중요한 점으로 미국 환경 보호국에서는 디스플레이의 화면 크기에 따라 동작 중 최대 전력을 엄격하게 제한하여 판매까지 제한하고 있다.
이러한 가운데 PDP 디스플레이는 상대적으로 다른 여타 디스플레이에 비해 전력 소모가 크다는 약점을 가지고 있다. 전기 에너지를 빛 에너지로 바꾸는 에너지 변환 효율을 높여 PDP의 휘도를 높이기 위해, 기체 조성비를 바꾸어 유지 방전 전압을 높이거나 유지 방전 펄스(pulse)의 개수를 높이는 연구가 진행 되었다. 즉 각 가정에서 전기 에너지가 빛 에너지로 변하는 최종 단계인 유지 구간에서의 구동 회로의 전력 소모를 줄이는 것이 그린 디스플레이가 되기 위한 해결책이다. PDP는 전기적으로 구조적으로 용량성 부하 특성을 보인다. 이러한 용량성 부하에 고전압의 사각파 펄스 (pulse)를 가하게 되면 높은 에너지 손실, 서지(surge)성 전류, 심각한 회로 발열, 그리고 전자파 장애 등의 문제가 발생하게 된다. 이를 최소화하기 위해서 용량성 부하의 특성을 갖기 때문에 PDP에 에너지를 최소한의 전력 소모를 통해 투여 및 회수하는 에너지 회수 회로가 반드시 필요하게 되고, 전력 소모를 줄이기 위해서는 에너지 회수 회로에 대한 연구가 중요하다고 생각된다.
따라서 본 논문에서는 기존의 에너지 회수 회로보다 전력 소모를 경감 시키고 나아가 전체 PDP 디스플레이의 전력소모를 줄이기 위해 세가지 관점에서 연구를 진행 하였다.
첫째, 대화면 PDP 디스플레이에 적합한 두 가지 다른 에너지 회수 회로를 갖는 양단 유지 구동 회로를 제안하였다. 제안한 구동 회로는 패널을 두 개로 분리하여 두 개의 H-bridge 인버터와 패널을 충전하기 위한 투입 에너지 회수 회로와 패널을 방전 시키기 위한 회수 에너지 회수 회로로 구성되어 있다. 투입 에너지 회수 회로와 회수 에너지 회수 회로를 통해 에너지 회수 투여 동작 시 전력 소모를 최소화할 수 있다. 기존에 패널 분할에 사용되는 구동회로를 새로운 전구간 회로를 필요로 했지만, 제안한 회로를 기존의 전구간 회로와 구동 파형을 사용할 수 있다. 따라서 제안한 구동 회로는 적은 도통 손실과 스위칭 손실을 갖게 되고 회수 에너지 회로의 간단한 구조로 저가격을 이룰 수 있는 장점을 갖고 있다.
둘째, 기존의 상업화되어 있는 Weber 에너지 회수 회로의 전력 소모를 개선하기 위해 전류원과 전압원을 이용하여, 두 다른 에너지 회수 경로를 갖는 새로운 에너지 회수 회로를 제안하였다. 기존의 에너지 회수 회로는 단순 공진 현상을 이용하여 기생 성분으로 인해 패널의 에너지를 완벽하게 회수 및 투여를 못하기 때문에 전력 소모가 발생하게 되어 발열이나 반도체 소자의 신뢰성이 문제가 되고 있다. 이를 해결하기 위해 패널에 에너지를 투여하는 경우는 공진의 전압 바이어스(bias)를 어드레스(address) 전압원을 이용해 패널 전압을 완벽하게 충전할 수 있다. 또한 패널 전압을 방전시키는 경우는 미리 인덕터 전류를 축적하여 그 전류원을 통해 패널의 에너지를 완벽하게 회수할 수 있게 된다. 이로 인해 H-bridge의 전력 반도체 소자의 영전압 스위칭을 이룰 있고, 전류원이 사용되었음에도 불구하고 에너지 회수 회로에서의 반도체 소자의 영전류 스위칭을 이룰 수 있다. 또한 에너지 회수 경로를 분리하여 에너지 회수 회로에 존재하는 기생 성분으로 인한 부가적인 단점을 해결하여 높은 에너지 변환 효율을 이룰 수 있다.
셋째, PDP는 ADS 구동 방식으로 구동되게 되는데, 영상정보를 기억할 때 사용되는 어드레스 전압은 유지 구간시 사용하지 않기 때문에 이 어드레스 전압을 이용하여 고효율 저가격의 새로운 에너지 회수 회로를 제안하였다. 기존의 회로에서 에너지 회수 동작 시 필요한 전압원을 사용되지 않던 어드레스 전원을 사용하면서 추가적인 전압원을 제거하여 저가격을 이룰 수 있다. 앞서 와 같이 패널을 충전하는 경우는 전압원을 이용하여 완벽하게 패널을 충전할 수 있고, 동시에 H-bridge 인버터 스위치의 영전압 스위칭을 이룰 수 있다. 패널의 에너지를 회수할 시에는 전류원을 이용하여 마찬가지로 완벽한 에너지 회수 동작과 스위칭 에너지 손실은 최소화하여, 적은 전력 소모와 발열 문제를 해결 할 수 있다.
넷째, PDP의 제조 가격은 주로 구동회로가 반 이상을 차지할 정도로 구동회로의 저가격화가 PDP 가격을 저감할 수 있는 해결책이다. 이에, PDP의 저가격을 위해서 기존에 세 구동보드를 두개의 구동 보드로 줄이기 위해 IGBT 전력 반도체를 이용한 단일 유지 구간 구동회로가 제안되었다. 하지만 기존 회로보다 에너지 회수 회로의 발열 문제가 좀 심하기 때문에, 단일 에너지 회수 경로와 두가지 에너지 회수 경로를 갖는 단일 유지 구간 구동회로의 비교 연구를 수행하였다. 두가지 에너지 회수 경로를 갖는 단일 유지 구간 구동회로는 에너지 회수 동작이 끝난 후 에너지 회수 회로의 반도체 소자에 존재하는 커패시터로 인한 환류 전류가 단일 에너지 회수 경로 보다 더 작게 된다. 또한 에너지 회수 동작에 필요한 인덕터의 사이즈와 발열이 두 가지 에너지 회수 경로의 경우가 우수하고, 에너지 회수 동작 시 발생하는 에너지 회수 회로의 반도체 디바이스의 스위칭 손실도 더 적다는 점을 비교 연구를 통해 알게 되었다. 이러한 세가지 이유로 인해, 두가지 에너지 회수 경로를 갖는 단일 유지 구동 회로가 최대 유지 펄스(pulse)를 가할 때 약 20W 이상의 전력소모를 저감 시킬 수 있었다. 따라서 두 가지 에너지 회수 경로를 갖는 단일 유지 구동 회로가 저가격 구동 PDP 시스템에 적합하다는 결론을 얻었다.
본 논문에서, 수행한 패널 분할에 적합한 유지 구간 구동회로와 기생 성분으로 인한 에너지 회수 동작의 단점을 해결하는 어드레스 전원을 이용한 에너지 회수 회로 및 에너지 회수 경로에 관한 비교 연구를 통해, PDP의 전력 소모를 줄일 수 있고 에너지 변환 효율을 증가시킬 수 있었다. 따라서 본 연구를 통해, PDP의 전력 소모 문제를 일정 부분 해결함으로써, 에너지 고갈로 인한 여러 가지 세계 각국의 규제를 만족하면서 높은 에너지 변환 효율을 갖는 그린(Green) PDP 디스플레이가 되기 위한 기반이 될 것이라 기대 된다.
