Although plasma display has many advantages such as self-emitting-based good color reproduction capability, wide dynamic contrast ratio, and fast visible conversion response by phosphor layer per sustaining pulse, it has been competing with other flat panel device desperately to capture TV consumer market share. To satisfy price expectations in the consumer electronic appliance market, it has become a key issue to develop a low-cost plasma display. As plasma display uses the plasma discharges for displaying information, it requires high power electronic circuitry covering the whole backside of the panel, which causes a large a large part of the plasma display cost. Thus, it becomes essentially necessary to reduce the cost of the driving circuit for surpassing other displays in cost competitiveness.
To achieve low-cost plasma display, this dissertation suggests two new high performance plasma display driving circuits based on the functional integration. One is proposed for the full-bridge sustaining inverter of the three-electrode driving method and the other for newly developed the two-electrode driving technology.
For the conventional full-bridge sustaining inverter, single energy recovery circuit with asymmetrical operation is proposed. Since the proposed circuit uses only one inductor and two switches without large auxiliary circuit, it shows a simpler structure, less mass, lower cost of production, and fewer devices. Moreover, it can fully change the panel voltage between-$\It{V_S}$ and $\It{V_S}$ with asymmetric energy recovery action without any excessive voltage stress of sustaining inverter and ensure the stable and uniform light emission from the PDP without voltage drop caused by the large discharge current during the transition time.
Secondly, voltage source integrated driving waveform amplifier with energy recovery capability is proposed for the full-bridge sustaining inverter. Different from conventional driving circuit having multiple voltage source and power switches, the proposed circuit can generate various driving waveforms of PDP by using just sustain voltage source and fewer devices. Moreover, the proposed circuit can recover the reactive energy of panel regardless of the slope of the driving waveform, which improves the power efficiency. Since the proposed circuit has the degrees of freedom in programming the waveforms, it also can compensate the driving waveforms to guarantee stable and uniform light emission of the PDP according to the operating temperature and variation of discharge characteristics of the PDP
On the other hands, two-electrode driving method is recently presented to make the low-priced PDP. Since this method is used in one of the two sustain electrodes in the three-electrode type AC-PDP while the other electrode driving board is eliminated, it shows simple structure and half component count compared with those of the conventional three-electrode driving method. However, the on-resistance of sustain switches of half-bridge inverter is twice that of three-electrode driving circuit because the voltage stress of sustain switches should become twice to generate single sustaining waveform with positive and negative polarities. This results in heat problem of sustaining driver caused by the large conduction loss of power switches.
To solve these problems, three-level capacitor clamping single sustaining driver with dual energy recovery path is proposed for the half-bridge sustaining inverter. Since proposed driver lowers the voltage stress of sustain switches by series-connected configuration of switches and clamping capacitor between switches, it uses half voltage rating of sustain switches and, thus, reduces the conduction loss of power switches compared with those of the conventional single sustaining driver. Despite device count possibly increasing, by using low voltage switches and capability to produce zero voltage level in sustaining inverter, the circuit cost does not increase compared with the conventional. In addition, the proposed driver has two energy recovery inductors that are utilized to separate the energy recovery path. This feature reduces the power loss of energy recovery circuit (ERC), which gives an improvement in system efficiency.
Finally, single sustaining driver with full resonant energy recovery operation for horizontal split plasma display panel is proposed. Since each half-bridge inverter supplies single sustaining waveform with positive and negative polarity to one of two parts of the PDP divided horizontally by electrode connection on the driver board, it decreases the conduction loss of sustain switch that each sustain switch handles the half of discharge current of the PDP compared with the conventional. With this feature, the power switch with lower cost and current rating can be used for two sustain inverters in the proposed driver. However, each of the sustain switches is operated separately in the proposed driver. Thus, additional gate drivers for each switch are required compared with previous single driver, which increase the cost of driving circuit. But, the energy recovery circuit in proposed driver shows less components and simper structure than that of the conventional due to full resonant recovery operation of the proposed driver. This factor cancels out increased cost due to additional gate drivers.
Therefore, it is expected that the proposed plasma display driving circuits in this dissertation are well suitable to the next generation high performance and high efficiency consumer affordable PDP TV set.
정보 디스플레이 소자로서 50년 이상 CRT(Cathode Ray Tube)가 그 독점적인 지위를 누려왔지만 부피가 너무 크고 무게가 많이 나갈 뿐만 아니라 20인치 이상 대형화 하는데 어려움이 있었다. 이를 해결하기 위하여 새로운 평판 디스플레이 소자로서 액정을 이용하는 LCD(Liquid Crystal Panel)와 플라즈마 상태를 이용하는 PDP(Plasma Display Panel)에 대한 연구가 활발히 이루어졌고 최근 10년 들어서 성공적으로 상용화되었다. 상용화 초기에는 각 소자의 제조공정 제약으로 인해 LCD는 주로 20인치 이하가 생산되고 PDP는 40인치 이상이 생산되어 시장을 분할하였다. 하지만 LCD가 80인치 제품의 연구개발에 성공하여 40인치 이상의 제품을 상용화 하므로서 PDP와 시장에서의 경계벽이 사라지고 치열한 시장 쟁탈전을 벌이고 있다. 현재 두 디스플레이 소자 사이에 화질 차이는 거의 없기 때문에 PDP의 수요확대를 위해서는 패널의 고정세 및 대형화 기술뿐만 아니라 가격을 낮추기 위한 원가 절감이 절실한 상황이다. PDP 모듈의 가격을 분석해 보면 구동 및 전원 회로부가 원가의 70%를 차지하여 이를 줄이기 위한 노력이 필요한 시점인 것이다. 하지만 기존의 구동 및 전원 회로부는 ADS(Address Display Separation) 구동 파형에 일대일로 대응하도록 회로가 구성되어 있어 회로 구조가 복잡하고 가격이 높은 문제가 있다. 이를 해결하기 위하여 본 논문에서는 유사 기능의 집적, 구동보드 통합 그리고 전원 및 구동 시스템 통합을 통하여 새로운 저가형 고성능 플라즈마 디스플레이 구동 회로 연구를 진행하였다.
논문의 전반부에는 기존의 풀-브리지 서스테인 구동회로에 기반한 새로운 고성능 저가형 플라즈마 디스플레이 구동 회로를 제안하였다. 첫째로 기존 X및 Y전극 각각에 위치한 에너지 회수 회로의 기능을 집적하여 한 전극에만 에너지 회수부가 위치한 비대칭 동작을 갖는 단일 에너지 회수 회로를 제안하였다. 제안한 회로는 큰 보조 회로 없이 단지 하나의 인덕터와 두 개의 스위치로 구성되기 때문에 간단한 구조 및 적은 부피, 저가격을 이룰 수 있다. 더불어서 비대칭 에너지 회수 동작을 통해 서스테인 인버터 스위치에 추가적인 전압 스트레스 없이 패널 전압을 -VS에서 VS까지 완전히 충전 시킬 수 있기 때문에 서스테인 파형의 천이구간에서 큰 방전전류에 의한 전압 강하 없이 PDP의 안정한 가스 방전을 보장하게 된다. 둘째로 리셋 및 스캔 구동 회로 및 전원 회로를 집적한 에너지 회수 능력이 있는 전압원 집적 구동 파형 증폭기를 제안하였다. 복수의 전압원과 전력 스위치를 갖는 기존의 리셋 및 스캔 구동회로와 달리 제안된 구동 파형 증폭기는 서스테인 전압원만을 사용하여 PDP의 다양한 구동 파형을 생성할 수 있다. 더불어 제안된 회로는 구동 파형의 기울기에 관계없이 패널의 무효전력을 효과적으로 회수할 수 있는 장점이 있어 전력 효율을 개선할 수 있다. 또한 제안된 회로는 구동 파형을 원하는 상황에 따라 요구되는 파형을 생성할 수 있기 때문에 PDP의 동작 환경이나 PDP의 방전 특성 편차에 따라서 안정한 가스 방전을 보장하기 위하여 구동파형을 보상할 수 있는 장점이 있다.
논문의 후반부에는 최근에 구동 회로의 가격을 낮추기 위하여 많이 연구되고 있는 2전극 구동 방식의 하프-브리지 서스테인 구동회로를 기반으로 새로운 고성능 저가형 플라즈마 디스플레이 구동 회로를 제안하였다. 2전극 구동 방식은 3전극 AC-PDP의 두 서스테인 전극중에 하나만을 사용하여 구동 하므로서 다른쪽 전극의 구동회로를 제거할 수 있기 때문에 기존 3전극 구동 방식에 비해 절반의 회로 소자수와 간단한 구조를 갖는 특징이 있다. 하지만 양전압과 음전압을 갖는 단일 서스테인 구동 파형을 생성하기 위해서는 하프-브리지 인버터 스위치들의 내압이 기존 방식의 두 배가 되어야 하기 때문에 서스테인 스위치들의 온 저항 또한 3전극 구동 방식의 스위치들에 비해 두 배가 되어야 한다. 이로 인해 전력 스위치에 매우 큰 도통 손실이 발생하여 서스테인 구동회로에 심각한 발열을 야기한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 논문에서는 첫째로 세개의 출력 전압을 생성하면서 두개의 에너지 회수 경로를 갖고 캐패시터로 스위치 내압을 보장하는 단일 서스테인 구동회로를 제안하였다. 제안된 회로는 단일 서스테인 인버터의 전력 스위치를 직렬로 연결하고 그 사이에 클램핑 캐패스터를 연결하여 전력 스위치의 내압을 기존 단일 서스테인 회로에 비해 절반으로 낮출 수 있다. 이로 인해 낮은 온 저항을 갖는 스위치를 사용 하므로서 도통 손실을 저감할 수 있는 특징이 있다. 스위치를 직렬로 연결하므로서 전체 소자수가 증가할 수 있는 단점이 있지만 제안된 회로는 음과 양의 서스테인 전압 이외에 영전압 또한 패널에 인가할 수 있기 때문에 전구간 구동회로의 영전압 인가회로를 서스테인 구동회로로 흡수할 수 있으므로 기존 방식에 비해 가격이 상승하지는 않는다. 더불어 에너지 회수 경로를 두개의 인덕터를 사용하여 분리 하므로서 에너지 회수 회로의 전력 손실을 줄여 전체 시스템 효율을 개선할 수 있는 특징을 갖고 있다. 둘째로 단일 서스테인 인버터의 발열을 줄이고 더불어 에너지 회수 회로의 효율을 증가시키기 위하여 수평으로 분할된 화면을 위해 완전한 한 주기 공진을 하는 단일 서스테인 구동회로를 제안한다. 제안된 회로는 PDP를 수평으로 분리하여 각각 하프-브리지 인버터로 양과 음전압의 단일 서스테인 구동파형을 인가하기 때문에 기존 회로에 비해 인버터 스위치에 절반의 가스 방전 전류가 흐르므로 도통 손실을 줄일 수 있는 특징이 있다. 하지만 수평 분할한 패널을 각각 구동하여야 하므로 기존 구동회로에 비해 게이트 드라이버가 증가하여 가격이 상승할 수 있다. 하지만 완전한 한 주기 에너지 회수 동작을 보이는 새로운 에너지 회수 회로가 매우 간단한 구조에 기존 회로에 비해 내압이 낮은 소자를 사용할 수 있기 때문에 추가적인 게이트 드라이버 사용에 따른 가격 상승을 상쇄하게 된다. 더불어 제안된 에너지 회수 회로부가 기존 회로에 비해 패스 다이오드가 제거되었기 때문에 높은 에너지 회수 효율을 얻을 수 있는 특징이 있다.
제안된 새로운 고성능 플라즈마 디스플레이 구동 회로들을 검증하기 위하여 42HD PDP를 위한 시제품을 제작하고 실험적으로 검증하였다. 본 논문에서 제안된 회로들은 앞으로 개발될 고성능 고효율 PDP TV 제작에 적합할 뿐만 아니라 용량성 부하 특성을 갖는 다른 응용분야에도 널리 적용될 수 있을 것이다.
