CN100531508C

CN100531508C - 准分子放电灯调光装置

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Publication number: CN100531508C
Application number: CNB2004100748076A
Authority: CN
Inventors: 藤原邦彦; 中村雅规
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2004-08-30
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2024-08-30
Also published as: CN1592534A; KR100702912B1; TW200509755A; KR20050022296A; JP4556396B2; US20050057190A1; JP2005078928A; US7015653B2; TWI287947B

Abstract

提供一种可对准分子放电灯进行稳定且大范围调光的准分子放电灯。向准分子放电灯(8)施加kHz波段以上的高频电压，通过变更上述高频电压的频率进行调光的准分子放电灯调光装置中，使上述频率的1/2周期的开启时间和上述准分子放电灯(8)发光所需电荷的充电时间基本一样。这样一来，可以进行稳定的调光。并且，通过对施加到上述准分子放电灯的上述高频电压以具有比上述高频电压频率低的矩形波电压进行调制，可以实现较大范围的调光。

Description

准分子放电灯调光装置

技术领域

本发明涉及到一种准分子放电灯的调光装置。

背景技术

在现有技术中，作为准分子放电灯调光装置，公知的是变更点亮电压或点亮频率进行调光，以及短脉冲调光。

变更施加到准分子放电灯的矩形电压波的点亮频率，而进行调光的装置，公知的有例如特开2002-216993号公报所公开的装置。

一般情况下，施加到准分子放电灯上的高频高电压中，矩形波电压放射出的光的强度可以非常高，所以当准分子放电灯用矩形波电压点亮时，每1/2周期所需充电的电荷量取决于准分子放电灯的电极间的电容以及施加到灯的电压。例如由外管和内管构成的双重管构造的放电容器所构成的准分子放电灯中，当各个管的厚度为2mm、间隙长5mm、注入气体使用Xe、注入气体压力为55Pa时，如果输入功率为8W/cm，用公式Q＝CV＝it表达，则充电时间t为2μsec左右。上述Q为充电的电荷量，C为准分子放电灯的静电电容，V为施加电压，i为电流。

这样一来，变更施加到准分子放电灯的矩形波电压的点亮频率从而进行调光的情况下，由于每1/2周期的占空比是一定的，如果变更点亮频率，那么每1/2周期的开启(ON)时间，即打开全桥式电路的开关用FET的栅极的时间也随着变化。例如开启占空比为20％时，如果点亮频率为100kHz时，则开启时间为2μsec，关断(OFF)时间为8μsec，而当点亮频率为50kHz时，则开启时间为4μsec，关断时间为16μsec。

此外，准分子放电灯进行脉冲调光的装置中，公知的例如有特开平10-97898号公报所公开的装置。该脉冲调光是将数10kHz到数100kHz的高频高电压用比该高频高电压低的频率的脉冲电压进行调制，并将该调制电压施加到准分子放电灯中，通过变更该脉冲电压的开启、关断比率进行调光。

《专利文献1》特开平2002-216993号公报

《专利文献1》特开平10-97898号公报

发明内容

但是，变更施加到准分子放电灯的点亮电压而进行调光的装置中，虽然可以通过提高点亮电压来提高灯的功率，而可以提高准分子放电灯放射出的光的强度，但是随着点亮电压的提高，会出现以下问题：由于和用于发射172nm的准分子光的能级不同的能级的受激量增多，172nm光的发光效率降低。并且如果降低点亮电压，灯的功率变小，又会出现灯灭的问题。

图10表示现有技术中的变更施加到准分子放电灯的点亮电压而进行调光的装置中的灯电压波形、灯电流波形、以及全桥式电路的栅极信号波形。

如图10所示，当开启时间为每1/2周期充电时间以上的时间时，即全桥式电路的开关用FET的栅极开启时间超过充电时间时，如从灯电流波形所见那样，充电结束后，因振荡电流而有逆电流流动。也就是说，在充电结束后，在全桥式电路的FET的栅极开启的时间内，由于变压器的电感成分、负荷的电容成分、以及负荷的电阻成分的作用而发生串联共振，从而发生了对准分子放电灯无法控制的不稳定的放电，很难进行稳定的调光。

并且，变更点亮频率进行调光时，由于点亮频率一变化，开启时间也随之变化，如同变压器的磁通量密度以B＝Vt/NS表达，时间t随着开关用FET的导通启时间而增大，所以激励电流增大时发生变压器发热的问题。上式中，V为施加到变压器的电压、N为线圈的匝数、S为变压器铁芯的截面面积。

此外，脉冲调光中，虽然可调光的范围可以跨度很大，在约0％-100％的范围内可进行调光，但是需要复杂的控制电路。并且由于要反复进行低频脉冲电压的开启、关断，届时会发生施加到准分子放电灯的电压过冲，从而产生不平均的放电以及异常的放电。并且即使是在开启时间内，由于准分子放电灯的负荷的变动，用作为基准频率的高频电压来点亮的光是不稳定的，所以整体上很难实现稳定的调光。

本发明的目的正是鉴于以上种种问题，提供一种准分子放电灯调光装置，该装置向准分子放电灯施加kHz波段以上的高频电压，通过变更上述高频电压的频率进行调光，可以对准分子放电灯进行稳定且大范围的调光。

本发明中，为了解决上述课题，采用了以下装置。

第一方案的特征在于：一种准分子放电灯调光装置，该装置通过从驱动电路输出的栅极驱动信号而向准分子放电灯施加kHz波段以上的高频电压，通过变更上述高频电压的频率进行调光，使上述频率的1/2周期的开启时间和上述准分子放电灯发光所需电荷的充电时间基本一样。

第二方案的特征在于：根据第一装置，上述准分子放电灯发光所需电荷的充电时间根据灯的电流的主放电时间段设定。

第三方案的特征在于：根据第一装置，上述准分子放电灯发光所需电荷的充电时间根据灯的电流在规定阈值以上流动的时间段设定。

第四方案的特征在于：根据第一装置，施加到上述准分子放电灯上的上述高频电压通过矩形波电压进行调制，其中上述矩形波电压具有比上述高频电压频率低的频率。

第五方案的特征在于：根据第一装置，施加到上述准分子放电灯上的上述高频电压通过将正弦波电压削波为规定阈值以下的电压进行调制，其中上述正弦波电压具有比上述高频电压频率低的频率。

第六方案的特征在于：根据第一装置，施加到上述准分子放电灯的上述高频电压通过将正弦波电压偏置规定的阈值，并且削波到规定阈值以下的电压进行调制，其中上述正弦波电压具有比上述高频电压频率低的频率。

第七方案的特征在于：根据第一装置，检测上述准分子放电灯放射出的放射光的强度，根据上述放射光的放射强度，变更上述高频电压的频率。

根据技术方案1所述的发明，在通过从驱动电路输出的栅极驱动信号而向准分子放电灯施加kHz波段以上的高频电压，通过变更上述高频电压的频率进行调光的准分子放电灯调光装置中，由于使上述频率的1/2周期的开启时间和上述准分子放电灯发光所需电荷的充电时间基本一样，所以充电结束后不会有振荡电流流动，变为关断时间被控制的状态，在关断时间内准分子放电灯中不会发生电压下降，当为了调光进行频率变更的结果是，即使关断时间发生变化，施加到准分子放电灯的电压也不变化，所以可以实现稳定的调光。

根据技术方案2所述的发明，上述准分子放电灯发光所需电荷的充电时间根据灯的电流的主放电时间段设定，所以可以恰当地设定准分子放电灯发光所需电荷的充电时间。

根据技术方案3所述的发明，上述准分子放电灯发光所需电荷的充电时间根据灯的电流在规定阈值以上流动的时间段设定，所以可以容易地设定准分子放电灯发光所需电荷的充电时间。

根据技术方案4所述的发明，施加到上述准分子放电灯上的上述高频电压通过矩形波电压进行调制，其中上述矩形波电压具有比上述高频电压频率低的、导通时间段可变的频率，所以可以通过变更上述高频电压的频率进行调光，同时也可以通过变更矩形波电压的导通时间段进行调光，从而可以对准分子放电灯进行大范围的、稳定的调光。

根据技术方案5所述的发明，施加到上述准分子放电灯上的上述高频电压通过将正弦波电压削波为规定阈值以下的电压进行调制，其中上述正弦波电压具有比上述高频电压频率低的、可变的频率，所以可以通过变更上述高频电压的频率进行调光，同时可以通过变更上述被削波的正弦波电压的频率进行调光，从而可以对准分子放电灯实现大范围的、稳定的调光。

根据技术方案6所述的发明，施加到上述准分子放电灯的上述高频电压通过将正弦波电压偏置规定的阈值，并且削波到规定阈值以下的电压进行调制，其中上述正弦波电压具有比上述高频电压频率低的、可变的频率，所以可以通过变更上述被偏置并被削波的正弦波电压的频率进行调光，从而可以对准分子放电灯实现大范围的、稳定的调光。

根据技术方案7所述的发明，检测上述准分子放电灯放射的放射光的强度，根据上述放射光的放射强度变更上述高频电压的频率，所以可以根据放射光的强度进行调光。

附图说明

图1：是表示本发明第一实施方式下的准分子放电灯调光装置的构成的图。

图2：是表示图1所示的准分子放电灯调光装置的各部分的电流及信号波形的图。

图3：是表示图1所示的准分子放电灯调光装置的断续器电路4的输出电压波形及全桥式电路5的输出电压波形的图。

图4：是表示本发明第二实施方式下的准分子放电灯调光装置的构成的图。

图5：是表示图4所示的准分子放电灯调光装置的断续器电路4的输出电压波形及全桥式电路5的输出电压波形的图。

图6：是表示本发明第三实施方式下的准分子放电灯调光装置的构成的图。

图7：是表示图6所示的准分子放电灯调光装置的断续器电路4的输出电压波形及全桥式电路5的输出电压波形的图。

图8：是表示本发明第四实施方式下的准分子放电灯调光装置的构成的图。

图9：是表示本发明的准分子放电灯调光装置中的灯电压波形、灯电流波形、以及全桥式电路的栅极信号波形的图。

图10：现有技术中使用全桥式电路的准分子放电灯调光装置中的灯电压波形、灯电流波形、以及全桥式电路的栅极信号波形的图。

具体实施方式

本发明的第一实施方式参照图1至图3进行说明。

图1是表示本发明实施方式相关的准分子放电灯调光装置的构成的图。图2是表示图1所示的准分子放电灯调光装置的各部分的电流波形、信号波形的图，图3(a)是表示图1所示的断续器电路4的输出电压波形，图(b)表示图1所示的全桥式电路5的输出电压波形的图。

在图1中，1表示直流电源部；2表示商用电源；3表示整流器；4表示断续器电路；5表示全桥式电路；6表示检测灯电流的电流检测器；7表示变压器；8表示准分子放电灯；9表示发生矩形波信号的矩形波发生电路；10表示断续器电压用PWM控制电路，该电路根据矩形波发生电路9输出的矩形波信号，发送导通关断断续器电路4的开关元件的信号；11表示电压检测器；12表示对用电流检测器6检测到的灯电流进行整流的电流检测电路；13表示TTL电平波形整形电路，通过内置的比较器，对从电流检测电路12输入的整流灯电流和作为阈值的比较电平信号进行比较，将电流信号变换为整形脉冲信号；14表示逻辑电路；15表示PWM控制电路，输出用于控制全桥式电路5的各个开关元件的PWM脉冲信号；16表示驱动电路。

图2中，(1)表示电流检测器12检测到的灯电流波形；(2)表示TTL电平波形整形电路13中的对从电流检测电路12输入的灯电流进行整流的整流灯电流波形与比较电平信号的对比；(3)表示从TTL电平波形整形电路13输出到逻辑电路14的、与具有比比较电平信号大的灯电流时间段所对应的时间段内输出的整形脉冲信号波形；(4)、(5)表示从PWM控制电路15输入到逻辑电路14的PWM脉冲信号；(6)、(7)表示逻辑电路14中取得整形脉冲信号和PWM脉冲信号的逻辑“与”值，从驱动电路16输出到全桥式电路5的各开关元件的栅极驱动信号。

其中，从PWM控制电路15输出的PWM脉冲信号例如是占空比为40％，频率为100kHz，通过对该频率的变更，可以对准分子放电灯8进行调光。

根据发明的本实施方式，如图2的(6)、(7)所示，栅极驱动信号只在进行图2的(1)所示的准分子放电灯8发光所需的主放电的时间段内，全桥式电路5的开关元件被驱动，在此灯电流时间段以外是关断的。其结果是，施加到准分子放电灯8的高频电压的1/2周期的开启时间，和准分子放电灯8发光所需的电荷充电时问基本相同，在充电结束的同时，全桥式电路5的开关元件的栅极被关断。

这样，根据发明的本实施方式，通过检测流入到准分子放电灯8的电流的换向，反馈充电时间，可以切实地使充电时间和矩形波状施加电压的1/2周期的开启时间相一致，所以当全桥式电路5的开关元件关断时，如图9所示，充电结束后，灯的电流没有变为振荡电流，并且灯的电压也保持一定值。即，不产生图10所示的充电结束后的振荡的灯电流，而变为关断时间被控制的状态。这样一来，关断时间内准分子放电灯中不产生电压下降，即使为了调光变动频率，关断时间变化时，由于施加到准分子放电灯8的电压不发生变化，也可以进行稳定的调光。

并且，由于开关元件的开启时间和发光所需的电荷充电时间基本相同，即使变更频率开启时间也不变，这样以公式B＝Vt/NS表达的磁通量密度的B不发生变化，所以不产生激励电流，可以抑制变压器的发热。

进一步，若依本发明的本实施方式，根据矩形波发生电路9的矩形波信号，断续器电路4通过从断续器电压用PWM控制电路10输出的信号进行控制，所以从断续器电路4输出如图3(a)所示的矩形波电压。因此，全桥式电路5中，在输入该矩形波电压的时间内，全桥式电路5的开关元件被驱动，从全桥式电路5可以输出如图3(b)所示的通过矩形波电压调制的高频电压。其结果是，如上所述，通过对发送到全桥式电路5的开关元件的栅极驱动信号的频率的变更，可以实现调光，同时也可以通过变更从断续器电路4输出的矩形波电压的大小及导通时间进行调光。其结果是，可以进行双重调光，从而实现对准分子放电灯大范围的、稳定的调光。

对本发明的第二实施方式参照图4及图5进行说明。

图4是表示本发明本实施方式下的准分子放电灯调光装置的构成的图，图5(a)是表示断续器电路4的输出电压波形，图5(b)表示全桥式电路5的输出电压波形的图。

图4中，17表示发生正弦波信号的正弦波发生电路；18是电压限制电路，该电路输出将从正弦波发生电路17输入的正弦波信号用在正负方向上具有规定阈值的信号进行削波的信号。其他构成基本和图1所示的同一符号的构成相同，所以省略其说明。

根据本发明的本实施方式，由于从正弦波发生电路17输出的正弦波信号通过电压限制电路18被规定的阈值所削波，所以从断续器电压用PWM控制电路10将正弦波信号被削波的信号输出到断续器电路4。其结果是，从断续器电路4，输出如图5(a)所示的正弦波电压被削波的电压。当该被削波的电压输入到全桥式电路5时，全桥式电路5中，由于在该被削波的电压被输入的时间内，全桥式电路5的开关元件被驱动，所以全桥式电路5中，可以输出如图5(b)所示的通过被削波的电压调制的高频电压。其结果是，和第一实施方式下的准分子放电灯调光装置所述一样，通过变更发送到全桥式电路5的开关元件的、驱动电路16输出的栅极驱动信号的频率，可以进行调光，同时也可以通过变更由断续器电路4输出的被削波的电压的频率进行调光。因此，可以进行双重调光，从而实现对准分子放电灯大范围的、稳定的调光。

本发明的第三实施方式下参照图6及图7进行说明。

图6是表示本发明的本实施方式下的准分子放电灯调光装置的构成的图，图7(a)是表示断续器电路4的输出电压波形，图7(b)表示全桥式电路5的输出电压波形的图。

图6中，19表示将从正弦波发生电路17输入的正弦波信号偏置规定阈值(第二阈值)的加法电路；20是电压限制电路，该电路输出将从加法电路19输入的偏置信号用具有规定阈值(第一阈值)的信号削波的信号。其他构成基本和图1及图4所示的同一标号的构成相同，所以省略其说明。

根据本发明的本实施方式，从正弦波发生电路输出的正弦波信号在加法电路19中被偏置规定的阈值(第二阈值)。即，正弦波信号中重叠有直流信号。然后，从加法电路19输出的被偏置的信号在电压限制电路20中，通过规定的阈值(第一阈值)被削波。因此，断续器电压用PWM控制电路10将被偏置、并被削波的信号输出至断续器电路4。其结果是，在断续器电路4中输出如图7(a)所示的正弦波电压被偏置并被削波的电压。该被偏置并被削波的电压输入到全桥式电路5，在全桥电路5中，在该被偏置且被削波的电压输入的时间内，由于全桥电路5的开关元件被驱动，全桥式电路5中，可以输出以如图7(b)一样被偏置且被削波的电压所调制的高频电压。其结果是，和第一实施方式下的准分子放电灯调光装置所述一样，通过变更发送到全桥式电路5的开关元件的、从驱动电路16输出的栅极驱动信号的频率，可以进行调光，同时也可以通过变更由断续器电路4输出的被偏置且被削波的电压频率进行调光。因此，可以进行双重调光，从而实现对准分子放电灯大范围的、稳定的调光。

本发明的第四实施方式参照图8进行说明。

图8是表示本发明实施方式下的准分子放电灯调光装置的构成的图。

图8中，21表示检测准分子放电灯8的放射光的强度的检测器，22表示对光检测器21检测出的光电流进行整流的光检测电路。此外，由于其他构成基本和图1所示的同一标号的构成相同，所以省略其说明。

根据本发明的本实施方式，在本发明第一实施方式的基础上，将发送到全桥式电路5的开关元件的栅极驱动信号的频率，根据从准分子放电灯8放射出的放射光的强度进行变化，从而可以实现调光。

Claims

1.一种准分子放电灯调光装置，该装置通过从驱动电路输出的栅极驱动信号而向准分子放电灯施加kHz波段以上的高频电压，通过变更所述高频电压的频率进行调光，其特征在于：

使所述频率的1/2周期的开启时间和所述准分子放电灯发光所需电荷的充电时间基本一样。

2.根据权利要求1所述的准分子放电灯调光装置，其特征在于：

所述准分子放电灯发光所需电荷的充电时间根据灯的电流的主放电时间段设定。

3.根据权利要求1所述的准分子放电灯调光装置，其特征在于：

所述准分子放电灯发光所需电荷的充电时间根据灯的电流在规定阈值以上流动的时间段设定。

4.根据权利要求1所述的准分子放电灯调光装置，其特征在于：

施加到所述准分子放电灯上的所述高频电压通过矩形波电压进行调制，其中所述矩形波电压的频率低于所述高频电压的频率。

5.根据权利要求1所述的准分子放电灯调光装置，其特征在于：

施加到所述准分子放电灯上的所述高频电压通过将正弦波电压削波为规定阈值以下的电压进行调制，其中所述正弦波电压的频率低于所述高频电压的频率。

6.根据权利要求1所述的准分子放电灯调光装置，其特征在于：

施加到所述准分子放电灯的所述高频电压通过将正弦波电压偏置规定的阈值，并且削波到规定阈值以下的电压进行调制，其中所述正弦波电压的频率低于所述高频电压的频率。

7.根据权利要求1所述的准分子放电灯调光装置，其特征在于：

检测所述准分子放电灯放射出的放射光的强度，根据所述放射光的放射强度，变更所述高频电压的频率。