CN1939097A - 放电灯点灯装置 - Google Patents

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CN1939097A CNA2005800105322A CN200580010532A CN1939097A CN 1939097 A CN1939097 A CN 1939097A CN A2005800105322 A CNA2005800105322 A CN A2005800105322A CN 200580010532 A CN200580010532 A CN 200580010532A CN 1939097 A CN1939097 A CN 1939097A
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原田茂树
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Abstract

一种放电灯点灯装置，具有对HID灯(111)供给电力的直流电源(101)；将直流电源(101)的电压传递给HID灯(111)的变压器(105)；连接于直流电源(101)和变压器(105)的初级线圈之间的开关(102)；连接于变压器(105)的次级侧的开关(103、104)；串联地连接于变压器(105)的次级侧线圈的电感器(106)；连接于变压器(105)的次级侧，包含电感器(108)和电容器(110)的串联谐振电路；以及连接于变压器(105)的次级侧，包含电感器(107)和电容器(109)的并联谐振电路，其中，通过开关(102、103、104)的开闭动作，一边间歇地进行从直流电源(101)到变压器(105)的电力投入一边不断地对变压器(105)供给电流。

Description

放电灯点灯装置
技术领域
本发明涉及一种放电灯点灯装置。
背景技术
近年来，作为汽车头灯，高亮度放电灯(下面，记之为HID(HighIntensity Discharge))得到了普及。HID灯与以往使用的卤素灯相比，亮度是2倍的3200lm，耗费功率为一半的35W，寿命也到达2000小时的数倍的长度。
作为以往的使用了HID灯的车载头灯的点灯电路，有诸如专利文献1所记载的放电灯点灯装置。该放电灯点灯装置通过DC-DC升压电路升压由汽车的电池供给直流电压，通过DC-AC换流电路将之变换成400Hz左右的低频交流，提供给HID灯。这样，在专利文献1所开示的放电灯点灯装置中，对HID灯的电力供给为二段构成。
HID灯开始起动时需要外加20kV左右的高压脉冲点灯。为了使之产生该20kV左右的高压脉冲，在以往的HID灯点灯装置中，需要配置了点火变压器和间隙开关的点火部。但是，由于该点火变压器体积大成本高，故成为妨碍HID灯点灯装置的小型化和低成本化的主要原因。
另外，在通过高频驱动点亮HID灯时，由于在放电成长时或稳定点灯时点火变压器的电感分量(1mhz左右)导致产生较多的电力损失，故构成效率低下的主要原因。
专利文献1：特开2002-352989号专利公报
因而，人们要求汽车头灯用点灯装置能进一步的小型化和低成本化。作为实现这一要求的方法，可以考虑从HID灯的点灯装置中去掉点火变压器。如果没有点火变压器，则可以实现小型化和低成本化。此外，此时也可以消除由点火变压器的电感分量导致的电力损失。
但是，即便是去除点火变压器，也需要实现适合于以下所示那样的HID灯的放电特性的电路构成。
HID灯因其动作状态不同HID灯的负载电阻也不同，点灯装置需要的电力也与之相应而不同。
再有，在HID灯关灯后，与在经过长时间后从HID灯冷却了的状态开始点灯起动的冷起动中，HID灯的电阻值低到数十Ω程度的情况相反，在关灯后不久灯还处于热的状态下，开始点灯起动的热起动中，HID灯的电阻值较高。因此，在热起动和冷起动中，开始点灯起动后的光束发亮所需要的电力供给条件不同。
另外，还需要高效率地进行稳定点灯时的35W的电力供给。
发明内容
本发明就是为解决上述这样的课题而完成的，其目的在于获得一种不使用点火变压器而获得适合于高亮度放电灯的放电特性的、可进行高效率的电力供给的放电灯点灯装置。
涉及本发明的放电灯点灯装置具有：向放电灯供给电力的直流电源、将直流电源的电压传递给放电灯的变压器；连接于直流电源和变压器的初级线圈之间的电力投入用开关元件；以及连接于变压器的初级侧的第1及第2开关元件，其中，通过电力投入用开关元件、第1开关元件以及第2开关元件的开闭动作，间歇地进行从直流电源到变压器的电力投入，即使在没有从直流电源到变压器的电力投入时，也使电流在变压器初级侧进行回流。
根据本发明，即使在没有来自直流电源的电力投入时也可使电流在变压器的初级侧进行回流，由此就可以减少开关的次数而降低损失，并且提高对放电灯的电力供给的效率。
附图说明
图1所示是基于本发明实施形态1的高亮度放电灯点灯装置的构成电路图；
图2所示是基于本发明实施形态1的、外加到各个开关的门信号和流经各个开关的电流的时间波形关系图；
图3所示是基于本发明实施形态1的、使外加到各个开关的门信号变化时的电流路径图；
图4所示是基于本发明实施形态1的流经各元件的电流的时间波形图；
图5所示是基于本发明实施形态1的流经各开关的电流波形图；
图6所示是基于本发明实施形态1的从HID灯的开始起动到稳定点灯的动作步骤的流程图；
图7所示是说明基于本发明实施形态2的、来自直流电源的电流的供给控制的图；
图8所示是说明基于本发明实施形态3的、来自直流电源的电流的供给控制的图；
图9所示是说明基于本发明实施形态3的、来自直流电源的电流的供给控制的图；
图10所示是基于本发明实施形态4的、高亮度放电灯点灯装置的电感器的构成图；
图11所示是基于本发明实施形态4的、高亮度放电灯点灯装置的电感器的构成图；
图12所示是基于本发明实施形态5的、流经电容器的电流的大小关系和流经HID灯的电流的关系图。
具体实施方式
为了更详细地说明本发明，下面将根据附图对用于实施本发明的最佳的形态进行说明。
实施形态1
图1所示是基于本发明实施形态1的高亮度放电灯点灯装置100的构成电路图。
如图所示那样，高亮度放电灯点灯装置100具有直流电源101、开关(电力投入用开关元件)102、开关(第1开关元件)103、开关(第2开关元件)104、变压器105、电感器(第1电感元件)106、电感器(第3电感元件)107、电感器(第2电感元件)108、电容器(第1电容器)109、电容器(第2电容器)110、HID灯(放电灯)111。
另外，设直流电源101的电压为V，电感器106的电感为L1、电感器107的电感为Lp、电感器108的电感为Ls，电容器109的电容为Cp，电容器110的电容为Cs。
开关102设置在直流电源101和变压器105的初级侧线圈之间，作为对变压器的电力投入的开关。在变压器105的初级侧进一步设置有开关103和开关104。
在变压器105的次级侧线圈上，串联地连接着电感器06，并联地连接着电感器107。在变压器105的次级侧线圈和HID灯之间连接着电感器108、电容器109、电容器110。
此外，在实施形态1中，是通过外加直流电压起动HID灯111，但没有图示HID灯111的直流电压外加部。
在开关102、103、104中，可以使用MOSFET、功率管、IGBT等电力用半导体功率器件。或者，也可以使用利用SiC、GaN等宽能带半导体制成电力用半导体功率器件。
变压器105是推挽式(push-pull)变压器，初级侧线圈的中心和直流电源101经由开关102连接着。变压器105的初级侧和次级侧的绕组比采用即便是在HID灯111的电阻变高时也可以供给额定的电力的值。具体言之就是，例如，在直流电源101的电压降低了时也可以通过变压器105的次级线圈获得所需要的电压的绕组比。这里，此处采用的绕组比约为1∶1∶17。不过，绕组比的值并非仅限于此。
在变压器105的次级侧，利用电感器108和电容器110构成串联谐振电路，利用电感器107和电容器109构成并联谐振电路，以便能够高效地供给适合于HID灯111的负载的电力。
其次，对动作过程进行说明。
在HID灯111中，有A.放电待机、B.放电起动、C.过渡放电、D.稳定放电这4种动作状态。由于各个动作状态的HID灯111的负载电阻值不同，故需要配合动作状态高效地供给电力。下面，对B.放电起动、C.过渡放电、以及D.稳定放电进行概略说明。
B.放电起动
如果在HID灯111上外加10kV左右的直流电压，则HID灯111破坏绝缘开始放电。在此，进行该直流电压下的放电起动。在以往的放电灯点灯装置中，由于采用20kV左右的直流电压进行点灯起动，故需要用于产生该冲击电压的点火变压器。
C.过渡放电
所谓的过渡放电，指的是从放电起动开始到HID灯111内部的卤化物金属稳定放电的稳定放电的时间。在过渡放电过程中，为了持续放电，尽快增强光束，必须供给充足的电力。特别是适用于车载头灯的情况，在点灯起动后数秒内必须增强光束。
因HID灯111关灯后经过时间的长度不同，其放电起动后的HID灯111的电阻值不同，故所需要的供给电力亦不同。这里，将关灯后经过较短时间开始点灯起动的情况称之为热起动，其点灯起动后的HID灯111的电阻值为数百Ω。反之，将关灯后经过较长时间后开始点灯起动的情况称之为冷起动，其点灯起动后的HID灯111的电阻值为数十Ω的低值。
D.稳定放电
稳定放电是在HID灯111内部进行稳定的放电的状态，在该期间内，需要高效地供给恒定的电力。在实施形态1中，稳定放电期间供给的电力为35W。
在稳定放电状态下，高亮度放电点灯装置100进行驱动频率为数十kHz的高频点灯动作。如果高频点亮HID灯111，则由于声音共鸣现象，HID灯111内的电弧将不稳定，会产生闪变或变暗等。为了防止该情况发生，应变动高频电力供给的驱动频率。由此，可以即使是在数十kHz的驱动频率下也可以使HID灯111稳定点亮。
其次，对根据实施形态1的、高亮度放电点灯装置100冷起动时过渡放电期间的电力供给进行说明。
为了高效地对负载供给电力，需要在变压器105的初级侧降低开关损失和开关导通损失。
具体言之就是，首先置开关102于接通(ON)。此时，将开关103或者开关104之一置于接通便会供给来自直流电源101的电力。在置开关102于恒定时间后，断开(OFF)开关102。此后，同时置开关103和开关104于接通，电流通过变压器105的初级侧线圈、开关103、开关104连续流经变压器105的初级侧电路。此时，在变压器105的次级侧，电流将流经包含电感器106、107、108，电容器109、110以及HID灯111的所有的电路部分。
图2所示是外加到变压器105的初级电路的各个开关的门信号(gate signal)和流经各个开关的电流的时间波形的关系图。
另外，图3是使外加到各开关的门信号变化时的电流流经路径图。
如图2所示那样，开始，如果使开关102和开关103的门信号于接通，则电流流经开关102和开关103，不能流经开关104(图3的a)。此后，如果置开关102的门信号于断开，置开关103和开关104于接通，则电流流经开关103和开关104，不能流经开关102(图3的b)。一个周期后，这次置开关102和开关104于接通，置开关103的门信号于断开。此时，电流流经开关102和开关104，不能流经开关103。然后，如果置开关102的门信号于断开，置开关103和开关104于接通，则电流流经开关103和开关104，不能流经开关102。
通过反复上述的动作，可以边间歇地进行来自直流电源101的电力供给，边连续地对变压器105的次级电路供给电力。
根据这种方法，可以在冷起动的点灯起动时的低负载时，实现高效的电力供给。
即，在开关102的门信号为断开的过程中，由于不供给来自电源的电力，故可以实现高效的电力供给。
另外，在断开开关102的门信号时，流经变压器105初级侧的电流变小，导通损失变小。而由于在开关103和开关104存在电流的回流时间，故可以减少括号102、开关103以及开关104的开关次数，开关损失变小。
具体言之就是，在实施形态1中，在冷起动时的过渡放电期间，将持续对HID灯111供给70W左右的电力进行放电，迅速产生光束。
图4给出的是流经各元件的电流的时间波形图。如图所示的那样，即使是在断开开关102的门信号的期间，各元件也流经有电流。
在接通和断开开关102的门信号时，变压器105的初级侧线圈与次级侧线圈的实质的绕组比变化，在断开开关102的门信号时，由于相对于次级侧的电流，初级侧的实效电流变小，故流经开关103和开关104的电流变小，可以减少在初级侧的电力损失。
另外，图5给出的是流经各开关的电流的波形图。如图4以及图5所示的那样，在接通和断开开关102的门信号时，流经开关103或者开关104的电流的峰值在变化。这里，作为初级侧的电力损失，有如开关元件的导通损失等。
图6所示是从HID灯111的起动开始到稳定点灯为止的动作步骤的流程图。在外加直流电压使HID灯111开始点灯起动后，数百微秒的时间是放电成长时间，需要供给较多的电力。在该期间内，判断HID灯111的状态是否相当于冷起动。具体言之就是，如果判断HID灯111的阻抗低，则转移到上述的低负载时的电力供给动作，此后，转移到稳定状态。
由此，可以提高冷起动时的电力供给的效率。
另外，在本实施形态1中，为了提高稳定放电时的电力供给的效率，在变压器105的次级侧设计了基于电容器和电感器的谐振电路，设定了元件的值，以使之能够在变动的驱动频率的中心频率附近具有谐振频率。这里，分布取各个元件的值为Cs＝3nF、Cp＝3nF、Ls＝0.3mH、Lp＝0.25mH。
不过，只要谐振频率是可以对应提供给HID灯111的电力的驱动频率的值即可，也可以是其他的值。
进而，在变压器105的次级侧串联地连接着电感器106。由此，可以实现冷起动时的电力供给效率化。这里，取L1＝0.1 mH。
如以上那样，根据实施形态1，在关灯后经过了长时间的高亮度放电灯点灯装置100中，可以高效率地在HID灯111的点灯起动后的过渡放电期间对HID灯111供给电力。此外，由于是外加直流电压起动，以及没有产生以往为起动HID灯111所需要的短脉冲的点火变压器，故可以小型化高亮度放电灯点灯装置100。
实施形态2
在实施形态2中，通过基于流经变压器105的次级线圈的电流周期确定开关102的接通、断开定时，可以对HID灯111供给所期望的电力。
图7所示是说明基于实施形态2的来自直流电源101的电流供给控制的图。
在这里，相对于流经变压器105的次级线圈的电流周期，取开关102的接通时间为振动周期的N/2(N为自然数)倍。例如，在例1中，开关102的接通时间为振动周期的1/2倍，断开时间为振动周期的2/2倍。在例2中，开关102的接通时间为振动周期的2/2倍，断开时间为振动周期的4/2倍。在例3中，开关102的接通时间按照振动周期的3/2倍、2/2倍、1/2倍以不同的时间动作。断开时间为振动周期的3/2倍以及1/2倍。开关102的接通、断开的控制可以如例1或例2那样，以同样的定时周期性地进行。或者也可以如例3那样，以不同的接通时间和断开时间进行接通、断开动作。
在断开开关102时，可以使流经变压器105次级线圈的电流为0。此外，通过使开关102的断开时间为流经变压器105所次级线圈的电流的振动周期的N/2倍，可以使断开开关103以及开关104时的电流为0，减少开关损失、提高电力供给的效率。
另外，相对于使开关102的断开时间为流经变压器105次级线圈的电流的振动周期的N/2倍，也可以通过任务比调整长度，对HID灯111供给所期望的电力。
如以上那样，根据实施形态2，由于可以基于流经变压器105次级线圈的电流的振动周期调整开关102的接通时间，故可以在点亮关灯后经过了较长时间的HID灯111时，利用点灯起动后的过渡放电时间高效地对HID灯111供给电力。
实施形态3
在实施形态3中，通过基于流经开关103和开关104的电流周期来确定开关102的接通、断开定时，对HID灯111供给所期望的电力。
此时，取开关102的断开时间为开关103和开关104的振动周期的N倍。
例如，在图2中，取开关102的接通时间为开关103和开关104的电流的振动周期的1/2倍。此外，取开关102的断开时间为开关103和开关104的电流的振动周期的1倍。
另外，在图8所示的例中，取开关102的接通时间为开关103和开关104的电流的振动周期的1/2倍，开关102的断开时间为开关103和开关104的电流的振动周期的2倍。在图9所示的例中，取开关102的接通时间为开关103和开关104的电流的振动周期的2/2倍，开关102的断开时间为开关103和开关104的电流的振动周期的2倍。
再有，通过对应变压器105的次级侧的负载电流或者负载功率变化开关102的断开时间，还可以进一步高效地进行电力供给。此时，也可以变化开关102的接通的任务比。这里，开关102的接通、断开的控制既可以如图2、图8以及图9所示的那样按相同的定时周期地进行，也可以使接通时间和断开时间变化。
另外，相对于使开关102的断开时间为流经变压器105次级线圈的电流的振动周期的N/2倍，也可以采用任务比调整长度，对HID灯111供给所期望的电力。
如以上那样，根据实施形态3，由于可以基于流经开关103和开关104的电流的振动周期调整开关102的接通时间，故可以在点亮关灯后经过了较长时间的HID灯111时，利用点灯起动后的过渡放电时间高效地对HID灯111供给电力。
实施形态4
在实施形态4中，使构成于变压器105次级侧的各个电感器的构成采用了更理想的构成。
图10以及图11所示是基于实施形态4的、高亮度放电灯点灯装置100的电感器的构成图。在图10中，使用同一芯(core)形成了变压器105次级侧的电感器106、电感器107、电感器108中的任意的二个。由此，可以降低高亮度放电灯点灯装置100的体积。
另外，在图11中，利用变压器105次级侧线圈的漏电感形成了串联地连接于变压器105的次级线圈的电感器106。由此，可以降低高亮度放电灯点灯装置100的体积。
如以上那样，根据实施形态4，通过降低变压器105次级侧的电感器的体积，可以小型化高亮度放电灯点灯装置100。
实施形态5
在实施形态5中，将电容器109的容量值Cp和电容器110的容量值Cs设定为更理想的值。
图12给出了Cp、Cs的值与流经HID灯111和电容器109的电流的关系。如图所示的那样，在Cp和Cs的值相等时，流经HID灯111和电容器109的电流相等。而在Cs大于Cp时，流经HID灯111的电流大于流经电容器109的电流。即，通过使Cs取大于Cp的值，可以使更多的电流流经HID灯111，更多地对HID灯111供给电力。
如以上那样，根据实施形态5，通过使电容器的容量值Cs取大于电容器109的容量值Cp的值，可以更好地提高对HID灯111的电力供给的效率。
产业上的可利用性
如以上那样，涉及本发明的放电灯点灯装置可适用于车载用头灯等用途。

Claims (10)

1.一种放电灯点灯装置，其特征在于，具有：
向放电灯供给电力的直流电源；
将上述直流电源的电压传递给上述放电灯的变压器；
连接于上述直流电源和上述变压器的初级线圈之间的电力投入用开关元件；以及
连接于上述变压器的初级侧的第1及第2开关元件，
其中，通过上述电力投入用开关元件、第1开关元件以及第2开关元件的开闭动作，间歇地进行从上述直流电源到上述变压器的电力投入，即使在没有从上述直流电源到上述变压器的电力投入时，也使电流在变压器初级侧进行回流。
2.根据权利要求1所记载的放电灯点灯装置，其特征在于：
在将电力投入用开关元件设为接通之际，将第1开关元件或第2开关元件中的某一方设为接通以从直流电源供给电力，
在将上述电力投入用开关元件设为断开之际，同时将第上述1开关元件和上述第2开关元件设为接通以使电流在变压器的初级侧进行流动，并且使电流在上述变压器的次级侧的全部电路中进行流动。
3.根据权利要求1所记载的放电灯点灯装置，其特征在于：
基于流经变压器的次级侧线圈的电流的周期来确定电力投入用开关元件的接通、断开的定时。
4.根据权利要求1所记载的放电灯点灯装置，其特征在于：
基于流经变压器的次级侧的负载电流或者负载功率来确定电力投入用开关元件的接通、断开的定时。
5.根据权利要求1所记载的放电灯点灯装置，其特征在于：
基于流经第1开关元件及第2开关元件的电流的周期来确定电力投入用开关元件的接通、断开的定时。
6.根据权利要求2所记载的放电灯点灯装置，其特征在于：
在放电灯的冷起动时，在放电成长期间之后，将电力投入用开关设为接通之际，将第1开关元件或第2开关元件中的某一方设为接通以直流电源供给电力，
在将上述电力投入用开关元件设为断开之际，同时将上述第1开关元件和上述第2开关元件设为接通以使电流在变压器的初级侧进行流动，并且在使电流在上述变压器的次级侧的全部电路中进行流动以后，转移到稳定状态。
7.根据权利要求1所记载的放电灯点灯装置，其特征在于，具有：
串联地连接于变压器的次级侧线圈的第1电感元件；
连接于上述变压器的次级侧，包含第2电感元件和第1电容器的串联谐振电路；和
连接于上述变压器的次级侧，包含第3电感元件和第2电容器的并联谐振电路，
其中，使用同一芯形成上述第1到第3电感元件之中的任意两个。
8.根据权利要求7所记载的放电灯点灯装置，其特征在于：
使用变压器次级线圈的漏电感形成第1电感元件。
9.根据权利要求1所记载的放电灯点灯装置，其特征在于：
第1电容器的容量值大于等于第2电容器的容量值。
10.根据权利要求1所记载的放电灯点灯装置，其特征在于：
变压器是推挽式变压器。
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