JP2003506818A - モジュール式高周波バラストアーキテクチャ - Google Patents

モジュール式高周波バラストアーキテクチャ

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JP2003506818A JP2001513942A JP2001513942A JP2003506818A JP 2003506818 A JP2003506818 A JP 2003506818A JP 2001513942 A JP2001513942 A JP 2001513942A JP 2001513942 A JP2001513942 A JP 2001513942A JP 2003506818 A JP2003506818 A JP 2003506818A
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テー ワシク イホル
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    • H05B41/392—Controlling the intensity of light continuously using semiconductor devices, e.g. thyristor

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  • Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)
  • Discharge-Lamp Control Circuits And Pulse- Feed Circuits (AREA)

Abstract

(57)【要約】 ２個以上のランプ用モジュール式高周波バラスト。前記モジュールを、インタリーブ又は非インタリーブスイッチング方法において駆動する。別々のランプ動作を、固定及び減光回路に関して与える。プレコンディショナ段のサイズ及びコストにおける減少を、前記インタリーブスイッチング動作によって達成する。前記モジュールを、広い範囲のランプを動作することに関して標準化することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、蛍光灯バラストに関し、より特別には、異なった形式のランプを駆
動する種々の主電源と共に使用され、直列及び並列に有線接続された多数のラン
プの種々の動作に関するモジュール式高周波バラストに関する。
【０００２】 蛍光灯バラストは、広い範囲の製品必要条件を満たさなければならない。これ
らの製品必要条件は、直列及び並列有線接続する１個から４個まで変動するラン
プに関するマルチランプ駆動と、瞬時点灯及びプレヒート点灯と、独立及び非独
立動作と、減光及び固定光出力と、１２０Ｖ、２７７Ｖ及び２４０Ｖ電源を含む
種々の主電源における動作とを含む。さらに、多くの異なった形式のランプの駆
動に加え、異なった安全及び電磁妨害（ＥＭＩ）標準が、異なった製品に関して
要求される。結果として、代表的なバラスト生産者は、フルサービスサプライヤ
ーとして作動するために、２００最小管理単位（ＳＫＵ）を超える多数の個々の
製品タイプを開発し、製造し、ストックしなければならない。
【０００３】 図１に示すのは、以下の構成部分を有する代表的なマルチランプ減光バラスト
システムである。 １．本線入力に応じて力率修正を活性化する力率修正（ＰＦＣ）ブロック２。 ２．高周波負荷リップル電流によって生じた電圧を平滑化し、ピーク電力イベ
ント、例えば点灯中の安定電流供給を与える直流（ＤＣ）バスブロック３。 ３．共振タンク回路６を駆動するハーフブリッジ金属−酸化物−シリコン電界
効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）パワー段を具えるランプインバータ段５に印
加される制御ＤＣ高電圧４。 ４．タンク回路６は、多数のインダクタ及びキャパシタを含んで、２個以上の
ランプのバラストを達成してもよい。加えて、トランジスタを絶縁目的で含めて
もよい。 ５．電極加熱を、通常、インダクタにおける追加の巻線によって得る。加えて
、制御集積回路（ＩＣ）８を使用し、前記インバータ（例えば、ハーフブリッジ
構成）に適切な駆動信号（レベル）１０を発生し、所望の出力レベルを達成する
。前記駆動信号は、前記ＭＯＳＦＥＴのゲートに供給されて前記ＭＯＳＦＥＴを
ターンオン及びターンオフするゲート信号である。よりよい精度に関して、ラン
プ出力信号を感知し、前記制御入力と比較し、適切な駆動レベル１０を設定する
。
【０００４】 ２つの問題が、図１に示し、上述したランプ減光バラストの使用によって広ま
る。第１に、前記既存のシステムは、大抵は１つの構成及び１つの形式のランプ
の駆動専用である。例えば、イリノイ州ローズモントのアドバンストランスフォ
ーマ社によるアドバンスマークＶＩＩ型のような減光バラストにおいて、１個か
ら３個までの直列に接続されたランプを駆動することができる。しかしながら、
主タンク構成部品の値を、ランプの数及び特定のランプ形式に応じて製品モデル
ごとに変化させなければならない。前記直列接続は、４個以上のランプに対する
点灯電圧必要条件によって制限され、追加の大きな無効分が必要になる。
【０００５】 同じ制限は、タンク構成部品を、フィリップスエレクトロニクス高周波（ＨＦ
）−Ｒ型のような並列ランプ駆動における特定のランプ形式に適合させることを
要求する。加えて、平衡トランスを、これらのような構成において使用し、低い
減光レベルにおける構成部品公差を補償し、これは前記バラストのサイズ及びコ
ストを増加させる。
【０００６】 既存の減光設計に関する追加の問題は、独立ランプ動作（ＩＬＯ）の欠如であ
る。前記直列接続状況において、あるランプを除去した場合、全体のチェーンは
壊れ、すべてのランプが消灯する。ランプ除去は、並列接続されたランプ構成に
おいて、安全のために前記インバータをシャットダウンする停止回路を活性化さ
せるかもしれず、再びすべてのランプを消灯させる。
【０００７】 多数の個々のランプ形式をストックすることの開発及び供給の高いコストを減
らすために、バラスト設計の多様性を著しく減らすためにより柔軟なバラスト設
計概念を導入することを含む、種々のアプローチが提案されている。これらの努
力の多くは、電力網の形態と、特に、受動電力要素の組み合わせに焦点を合わせ
ていた。
【０００８】 必要なのは、１個以上のランプに関する直列及び並列ランプ接続用のモジュー
ル式高周波蛍光灯バラストである。前記バラストは、瞬時及びプレヒート点灯と
、独立及び非独立動作と、減光及び固定光出力と、種々の主電源における動作と
に関して使用されなければならない。さらに、前記バラストは、異なった製品ご
とに要求される種々の安全及びＥＭＩ標準を支持しなければならず、多くの異な
った形式のランプを駆動できなければならない。
【０００９】 本発明は、適応性バラストアーキテクチャを２個以上のランプに拡張するモジ
ュール式パワー段概念及び制御方法を説明する。説明したアプローチは、一方に
おいて低コスト集積シリコンパワーモジュール、他方において低コストプログラ
ム可能制御ＩＣの有効性の利点を利用する。モジュール式パワー段の使用は、新
たな方法を前記ランプの駆動において使用できるようにし、その結果、改善され
たファンクショナリティ及び柔軟性を生じ、サイズ及びコスト利益を与える。特
に、前記パワーモジュールを、固定及び減光回路に関する独立ランプ動作と、プ
レコンディショナ段の減少したサイズ及びコストとを得るために、独立してイン
ターリーブスイッチングパターンにおいて動作してもよい。さらに、標準化モジ
ュールをある範囲の製品を通じて使用することにより、多量の製品を作り上げる
ことができ、同時に、重要な構成部分に関するよりよい規模の経済性と、全体と
しての生産ラインに関するより低い不可欠なコストとを達成する。
【００１０】 本発明のモジュール式高周波バラストは、各々のランプを動作する別々のモジ
ュールを含む。前記バラストは、マルチランプ駆動能力を有し、別々のランプ点
灯を与える。各モジュールは、ＤＣ高電圧に応答し、共振タンク回路を駆動する
能動ハーフブリッジトランジスタパワー段を具える少なくとも１つのインバータ
を含む。前記バラストは、さらに、標準共振出力段信号を形成する共振段ＬＣタ
ンク回路と、フィラメント過熱トランスと、電源入力を受ける力率補正回路と、
高周波負荷リップル電嶐によって生じる電圧を平滑化し、ピークパワーイベント
中の安定電流供給を与える大電解キャパシタを具える直流バス回路とを含むこと
ができる。制御集積回路は、独立して、個々のモジュールを動作する。
【００１１】 前記制御集積回路は、所望のランプ減光レベルを設定する外部制御入力と、各
ランプからの電圧及び電流情報とを受けることができる。さらに、前記制御集積
回路は、各々のランプを、適切な駆動レベル信号を発生し、所望の出力パワーレ
ベルを達成する駆動レベル信号を各々のインバータに送ることによって、調整す
る。加えて、前記制御集積回路は、個々のランプ電流レベルを感知し、各ランプ
に関する駆動信号のデューティサイクルを別々に調節して良好な調和を達成し、
これによって、バランストランスの必要性を除去し、前記バラストのサイズ及び
重さを減少させる。
【００１２】 本発明の上記目的及び利点を、同様の要素をいくつかの図を通じて同じ参照符
によって示す添付した図面と関連して行うその好適実施例の以下の詳細な説明に
より、当業者によってより容易に理解することができる。
【００１３】 ２ランプバラスト２０に関する本発明の基本システムアーキテクチャを図２に
示す。本発明は、出力部１１において実質上共振する信号を発生する簡単なＬＣ
タンク回路２６に加えて、代表的にはハーフブリッジ形式のインバータ（能動パ
ワー段）１４を含む、簡単な１又は２ランプ直列駆動モジュール２５を規定する
。このシングルランプ駆動モジュールをモジュール１２において複製し、マルチ
ランプ駆動能力を形成する。シングルプログラム可能制御ＩＣ ２８は、バラス
ト２０の動作の管理を受け持つ。
【００１４】 図１に関連して上述したＰＦＣブロック２及びＤＣバスブロック３の機能に加
えて、バラスト２０は、各々が、集積高電圧（ＨＶ）パワーＩＣ １４と、共振
（ＬＣ）回路及び、キャパシタの形態におけるものとすることができるフィラメ
ントヒータを含む段２６ａ及び２６ｂと、共振インダクタ又は別個のフィラメン
ト過熱（電極）に結合された巻線とを具える、２個の同一のランプ駆動モジュー
ル２５及び１２を含む。各ランプの安定状態動作中、各インバータ１４は、前記
共振（ＬＣ）回路の共振周波数に近いがそれより上のスイッチング周波数におい
て動作する。前記フィラメント過熱トランスを、瞬時点灯動作のために遮断する
ことができる。電力を、段２６ａ及び２６ｂを経てランプ２７ａ及び２７ｂに各
々供給する。各モジュールは、ライン２９に沿って制御ＩＣ ２８に供給される
ランプ動作状態（例えば、ランプ電圧及び／又は電流）を標本化し、制御ＩＣ
２８は、前記個々のモジュールを別々に制御する。制御ＩＣ ２８は、外部制御
入力３０を受け入れ、所望のランプ減光レベルを設定する。
【００１５】 図３は、制御ＩＣ ２８の主な機能を示す。制御ＩＣ ２８は、前記スイッチ
ング周波数を設定する発振器３１と、ランプ点灯に関するデューティサイクルを
掃引する傾斜発生器３２と、前記所望の出力光レベルを設定する減光参照部３３
と、点灯シーケンス論理ブロック３４と、特別なランプ点灯を制御するマルチプ
レクサ（ＭＵＸ）機能３５とを含む。加えて、パルス幅変調（ＰＷＭ）機能３６
、３７と、誤差増幅器３８、３９と、ランプ検知回路４０、４１と、出力ドライ
バ４２、４３の２つの組が存在する。
【００１６】 制御ＩＣ ２８は、安定状態動作における双方のランプに関する同じスイッチ
ング周波数及び減光基準レベルを設定してもよい。しかしながら、ＰＷＭ ３６
、３７と誤差増幅器３８、３９と、ランプ検知器４０、４１と、出力ドライバ４
２、４３とによって、別々の制御を、ランプ点灯、減光及び点灯に渡って保持す
る。前記制御機能の実際の実施を、アナログ又はディジタル技術を使用して行う
ことができる。
【００１７】 制御ＩＣ ２８を、図４に示すようなインバータに関する相補的駆動信号を供
給するように設計する。前記インバータ出力がハイの場合、電流は、ハイサイド
スイッチが前進状態である期間の部分中、バッファキャパシタから流れる。位相
が１８０°ずれた２個のインバータを駆動する（すなわち、インタリーブスイッ
チング）ことによって、ＤＣバスブロック３（図２）に含まれるＨＶバッファキ
ャパシタから流れたピークリップル電流を、２個のランプを駆動する１個のイン
バータ又は同相で動作する２個のインバータと比較して半分にする。前記バッフ
ァキャパシタのサイズにおける減少を実現することができる。
【００１８】 本発明の他の実施形態によれば、図１３Ａに示すように、モジュール１２’及
び２５’は、インバータ段１４”及び１４’を各々有する。インバータ段１４”
及び１４’は、各々、２個のハーフブリッジインバータ１４ａ、１４ａ’及び１
４ｂ、１４ｂ’を有する。ハーフブリッジインバータ１４ａ、１４ｂは、電力を
、共振（ＬＣ）回路２６ａ’、２６ｂ’を経て、ランプ２７ａ、２７ｂに各々供
給する。フィラメント加熱を、ハーフブリッジインバータ１４ａ’及び１４ｂ’
によって、フィラメント加熱（電極）トランス１３ａ、１３ｂを経て供給し、ラ
ンプ２７ａ、２７ｂのフィラメントを各々調節する。制御ＩＣ ２８’は、制御
ＩＣ ２８と同様であるが、インバータ１４ａ’、１４ｂ’を駆動する追加の回
路網（図示しないが、当該技術分野において既知である）も含む。
【００１９】 モジュール式２ランプ回路のシミュレーションから得られた実際の波形を、通
常（すなわち、同相／非インタリーブ）の場合と、インタリーブスイッチングの
場合とに関して、各々図５及６において示す。これらの図は、インバータ１４、
１４’及び１４”に供給された入力電流５０、６０と、回路２６ａ’、２６ａに
印加されたインバータ出力電圧５１、６１と、回路２６ｂ、２６ｂ’に印加され
たインバータ出力電圧５２、６２と、ランプ電圧５３、６３とを各々示す。（イ
ンタリーブスイッチングに関する）入力電流６０は、（非インタリーブスイッチ
ングに関する）入力電流５０の約２倍の周波数における約半分のピークを有する
。このより高い周波数も、結果としてより小さい電磁妨害（ＥＭＩ）フィルタ必
要条件を生じる。
【００２０】 図７に示すインバータ（ハーフブリッジ）出力波形を、安定状態動作中、発生
してもよい。２個の別個のＰＷＭ回路によって、前記ランプを、わずかに異なっ
たデューティサイクルにおいて動作してもよい。他方のランプと比較して一方の
ランプに関するデューティサイクル７０における小さな調節を行い、タンク回路
素子２６（図２）及び寄生配線容量による構成部品公差を補償してもよい。
【００２１】 並列ランプ出力段の場合において、バランストランスが、代表的に、前記共振
構成部品において分散する通常の構成部品の存在における適度に等しいランプ減
光レベルを達成するために必要である。このシステムにおいて、個々のランプ電
流レベルを、制御ＩＣ ２８によって感知し、各ランプに関するデューティサイ
クルを別々に調節し、良好な調和を達成する。これは、バランストランスの必要
性を除去し、前記バラスとのサイズ及び重さを減少する。
【００２２】 独立ランプドライバは、さらに、前記ランプをわずかに異なった時間において
点灯する可能性を提供し、前記プレコンディショナ段における瞬時負荷を減少す
る。前記ランプを直列に接続したバラストにおいて、連続点灯は、一般的に、１
個以上のランプと交差する始動キャパシタの使用によって成し遂げられる。しか
しながら、始動キャパシタは、低減光レベルにおけるランプ間の光バランスに悪
影響を与える。並列ランプシステムにおいて、前記プレコンディショナ段は、十
分なピークパワーを供給し、すべての前記ランプを同時に点灯することができる
ことを保証しなければならない。これは、安定状態動作に関する前記必要条件に
関する構成部品をオーバーサイズにすることを意味する。始動キャパシタもオー
バーサイズ構成部品も、バラスト２０には必要ない。
【００２３】 図８は、プレヒート段階中に生じるフィラメント加熱波形８１と、図３Ａに従
う動作時の２個のランプの両端間の電圧８２及び８３とを示す。前記プレヒート
段階中、前記ランプドライバは不活性であり、どちらのランプ間にも電圧は存在
しない。
【００２４】 本発明によれば、前記バラストのモジュール式ファンクショナリティは、連続
点灯を、前記点灯掃引をドライバ４２及び４３間で遅延させることによって達成
することを可能にする。前記プレコンディショナ段に関するピークパワー必要条
件を、最小にすることができる。いずれの実施形態（図２又は３Ａ）においても
、一方のランプドライバに対するデューティサイクルを、十分なランプ電圧が発
生し、前記ランプが点灯するまで増加させる。前記デューティサイクルにおける
増加は、図３Ａ回路において前記プレヒート段階後のみに生じる。この第１ラン
プに印加される電圧の上昇は、前記第１ランプがその安定状態モードの動作にな
るまでである。前記第１ランプがその安定状態モードの動作になった直後、第２
ランプインバータを掃引して前記第２ランプを点灯し、続いて、前記第２ランプ
がその安定状態モードの動作になるように、前記ランプに印加される電圧を上昇
させる。前記ランプをほぼ同時に点灯しようとしないことによって、前記プレコ
ンディショナによって要求されるピークパワーは最小化され、その結果、潜在的
なサイズ及びコストの節約が生じる。
【００２５】 別々のランプ点灯は、ＩＬＯを与えるためにも必要かもしれない。例えば、あ
るランプを除去及び交換すると同時に、他のランプは点灯し続ける場合である。
別々の点灯掃引は、交換したランプを点灯するのを確実にすることができる。さ
らに、ＩＬＯは、あるランプを前記バラストから除去する場合、残りのランプが
点灯しつづけることを要求する。これを、上述したモジュール式システムによっ
て達成することができる。図９は、あるランプを除去した場合の電圧波形を示す
。この場合において、段２に接続されたランプを、参照符９１によって示す時点
において除去した。
【００２６】 前記ランプ除去に応じて、ランプ検知機能４０、４１（図２）は、あるランプ
がもはや存在しないことを認識する。これを、一般的に、無負荷の出力段１１に
関する出力電圧が、前記ランプが存在する場合の出力電圧より高いかどうかを感
知することによって達成する。前記ランプがもはや存在しない場合、このランプ
に関するインバータは停止し、もはや動作しない（すなわち、制御ＩＣ２８によ
って駆動される）。負荷のない（例えば、ランプが存在しない）前記モジュール
の出力電圧がゼロに低下するため、絶縁トランスの必要なしに、独立ランプ動作
と安全に結合することができる。これは、結果として、前記バラストのさらなる
小型化とコストの減少とを生じることができる。
【００２７】 本発明を、その説明的で好適な実施形態の参照と共に示し、説明したが、当業
者には、形態及び詳細における上記及び他の変化を、添付した請求の範囲によっ
てのみ限定されるべき本発明の精神及び範囲から逸脱することなしに行ってもよ
いことを理解されるであろう。例えば、本発明は、ＰＦＣブロック２及びＤＣバ
スブロック３を含む必要はなく、むしろ、調整された又は調整されていないＤＣ
電圧をモジュール１２及び１４に印加する回路網を含むことができる。同様に、
各インバータ出力のランプとの結合は、共振ＬＣ回路を含む必要はなく、むしろ
、どのような好適な電流制限素子（例えば、インダクタ、キャパシタ、又は、イ
ンダクタ及びキャパシタの非共振組み合わせ）を含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 代表的な先行技術のマルチランプ減光バラストシステムのブロック図
である。
【図２】 本発明の第１実施形態による２ランプバラストシステムのブロック図
である。
【図３】 制御集積回路の主な機能のブロック図であり、Ａは本発明の他の実施
形態によるモジュールのブロック図である。
【図４】 図３の制御集積回路から２ハーフブリッジ段に供給される相補的駆動
信号のグラフである。
【図５】 非インタリーブスイッチングパターンの下でのモジュール式２ランプ
回路に関する波形のグラフである。
【図６】 インタリーブスイッチングパターンの下でのモジュール式２ランプ回
路に関する波形のグラフである。
【図７】 ランプの安定動作中に発生されたハーフブリッジ出力波形のグラフで
ある。
【図８】 プレヒート段階中に生じるフィラメント加熱波形と、２個のランプの
両端間の電圧とから成る、始動中の連続点灯波形のグラフである。
【図９】 あるランプを除去したときの電圧波形のグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０５Ｂ 41/282 Ｈ０５Ｂ 41/392 Ｌ 41/392 41/29 Ｃ Ｆターム(参考） 3K072 AA02 AB02 AB03 AB06 AB07 AB08 AC02 AC11 BA05 BB01 CA16 DA02 DB01 DC02 DC04 DC07 DC08 DD01 DD04 DE02 DE04 DE06 GA03 GB03 GB12 HA05 HA06 HA10 3K098 CC40 CC41 CC62 CC70 DD20 DD22 DD28 DD35 DD37 DD43 DD46 EE03 EE08 EE12 EE14 EE17 EE18 EE28 EE32 EE40 FF03 FF04 5H007 BB03 CA02 CB12 CC07 CC09 CC12 DC02 EA02

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも２個のランプにおいて給電するモジュール式高周波バ
    ラストにおいて、 各々が少なくとも１個のインバータを含む、各々のランプ用のモジュールと、 各々のモジュールを別々に動作し、各々のランプから少なくとも１つのランプ
    動作状態を受けるコントローラとを具えることを特徴とする、モジュール式高周
    波バラスト。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載のモジュール式高周波バラストにおいて、前記少
    なくとも１個のモジュールが、フィラメント過熱トランス及び共振ＬＣ回路をさ
    らに含み、前記少なくとも１個のモジュールが、第１インバータ及び第２インバ
    ータを含み、前記第１インバータが、電力を、前記共振ＬＣ回路を経て供給し、
    第１ランプを点灯させ、前記第２インバータが、電力を、前記フィラメント過熱
    トランスを経て供給し、前記第１ランプを前記第１ランプのプレヒート段階中に
    調節することを特徴とする、モジュール式高周波バラスト。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載のモジュール式高周波バラストにおいて、前記少
    なくとも１つのランプ動作状態が、ランプ電圧及びランプ電流を含むことを特徴
    とする、モジュール式高周波バラスト。
  4. 【請求項４】 請求項１に記載のモジュール式高周波バラストにおいて、前記イ
    ンバータをハーフブリッジ形式としたことを特徴とする、モジュール式高周波バ
    ラスト。
  5. 【請求項５】 請求項１に記載のモジュール式高周波バラストにおいて、電源入
    力を受ける力率補正回路と、高周波負荷リップル電嶐によって生じる電圧を平滑
    化し、ピークパワーイベント中の安定電流供給を与える電解キャパシタを具える
    直流バス回路とをさらに含むことを特徴とする、モジュール式高周波バラスト。
  6. 【請求項６】 請求項１に記載のモジュール式高周波バラストにおいて、前記コ
    ントローラが、各々のインバータのスイッチング周波数を制御する駆動信号を発
    生することを特徴とする、モジュール式高周波バラスト。
  7. 【請求項７】 請求項１に記載のモジュール式高周波バラストにおいて、少なく
    とも２個の前記モジュールを、互いに約１８０°ずれた位相で動作することを特
    徴とする、モジュール式高周波バラスト。
  8. 【請求項８】 請求項６に記載のモジュール式高周波バラストにおいて、前記コ
    ントローラが、個々のランプ電流レベルを感知し、各々の前記インバータに供給
    される駆動信号のデューティサイクルを調節することを特徴とする、モジュール
    式高周波バラスト。
  9. 【請求項９】 請求項１に記載のモジュール式高周波バラストにおいて、前記コ
    ントローラが、さらに、所望のランプ減光レベルを表す信号に応答することを特
    徴とする、モジュール式高周波バラスト。
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