JP2003529891A - シングルステージフィードバックインバータを具える調光可能電子式安定器 - Google Patents

シングルステージフィードバックインバータを具える調光可能電子式安定器

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JP2003529891A JP2000591836A JP2000591836A JP2003529891A JP 2003529891 A JP2003529891 A JP 2003529891A JP 2000591836 A JP2000591836 A JP 2000591836A JP 2000591836 A JP2000591836 A JP 2000591836A JP 2003529891 A JP2003529891 A JP 2003529891A
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Abstract

(57)【要約】 シングルステージフィードバックインバータと力率コントローラとを具える高周波数調光可能電子式安定器に関するものであり、前記コントローラが低調光レベルにおいてインバータにより負荷に供給される電力を、100%から10%の負荷変化に対し満足なランプ波高率が維持されるユニットに調整する。安定器を閉ループ構成で動作させ、負荷電流及び/又は電力の平均値を測定するとともに調整することにより可変負荷(調光)に対し満足な負荷電流波高率が得られる。本発明の一つの特徴においては、電子式安定器は駆動信号に応答して高周波数電力を負荷に供給するシングルステージフィードバックインバータと、供給負荷電力により負荷を流れる電流を検知し、負荷電流を表わす電流信号を発生する電流検知手段と、負荷の所望の電力レベルに対応する照明信号を発生する調光手段と、前記シングルステージフィードバックインバータ、前記調光手段及び前記電流検知手段に動作的に接続され、前記インバータを所望の電力レベルを負荷に供給するよう駆動せしめる駆動信号を発生するコントローラとを具え、前記コントローラが検知負荷電流を処理して所望の負荷電力レベルにおいて満足なランプ波高率を維持する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 本発明は、電子式安定器、特にシングルステージフィードバックインバータと
力率コントローラとを具え、可変負荷調光に対し高い入力力率及び良好な負荷電
流波高率を提供する調光可能電子式安定器に関するものである。
【0002】 慣例の電子式安定器は、代表的には、構成要素のサイズが最小になるとともに
ランプ性能が改善されるように十分高い周波数で動作する高周波数インバータを
含んでいる。一般に、商用住居用交流電源で動作するよう設計された電子式安定
器は、代表的には、全波整流器と、インバータを給電する直流エネルギー蓄積キ
ャパシタと、インバータを負荷(例えば蛍光ランプ)に結合する共振回路とを含ん
でいる。これらの慣例の電子式安定器回路はいくつかの機能を提供するプリコン
ディショナ回路も含んでいる。例えば、プリコンディショナ回路は整流器からの
整流ピーク交流電圧出力をブーストするとともにほぼ一定の直流供給電圧を(直
流蓄積キャパシタを経て)インバータに供給する。
【0003】 電子式安定器の分野における不変の目標は、小形で効率が良く安価な電子式安
定器を同時に所要の最小高調波歪みが得られるように設計することにある。最近
この目標を達成した一つの方法は、プリコンディデョナ回路を電子式安定器から
除去し得るシングルステージフィードバックインバータ回路の実現にある。この
回路では、高周波数共振回路から整流器とエネルギー蓄積キャパシタに電流を流
す絶縁ダイオードとの接続点へ帰還接続を設けている。
【0004】 例えば、US特許第5,404,082号(発明者:ヘルナンデス他、タイト
ル「High Frequency Inverter with Power-Line-Controlled Frequency Modulat
ion」)に、シングルステージフィードバックインバータトポロジーを用いる蛍
光ランプ用低コスト電子式安定器が開示されている。この電子式安定器は整流器
から絶縁された蓄積キャパシタに接続された高周波数インバータを含む。ランプ
に電流を供給する共振回路がインバータから蓄積キャパシタと整流器の出力端子
との接続点に結合される。共振回路内の帰還キャパシタが高い周波数レートで交
互に整流器から電力を受け、電力を蓄積キャパシタに供給する。インバータ周波
数は低周波数入力の各半サイクル中に整流電圧に対し反対の方向に変化し、ラン
プ波高率を最少にする。
【0005】 シングルステージフィードバックインバータトポロジーを用いる電子式安定器
は、代表的には、所要のランプ波高率を維持しながら可変負荷電力で動作させる
のが望ましい。しかし、前記ヘルナンデスの安定器の開ループ動作(即ちランプ
負荷による電力消費の帰還制御がない)のために100%から10%の負荷変化
時にランプ波高率を低く維持することはできない。これがため、シングルステー
ジフィードバックインバータトポロジーを用いる電子式安定器では可変負荷調光
に閉ループ制御を設けて可変調光中満足なランプ波高率を維持する必要がある。
【0006】 本発明はシングルステージフィードバックインバータと力率コントローラとを
具える高周波数調光可能電子式安定器であり、このコントローラが低調光レベル
において負荷へ供給される電力を、100%から10%の負荷変化に対し満足な
ランプ波高率が維持されるように調整する。可変負荷(調光)に対し満足な負荷電
流波高率は、安定器を閉ループ構成で動作させ、負荷電流及び/又は電力の平均
値を測定し調整することにより得られる。
【0007】 本発明の一つの態様では、電子式安定器は、 駆動信号に応答して高周波数電力を負荷に供給するシングルステージフィード
バックインバータと、 供給負荷電力により負荷を流れる電流を検知し、負荷電流を表わす電流信号を
発生する電流検知手段と、 負荷の所望の電力レベルに対応する照明信号を発生する調光手段と、 前記シングルステージフィードバックインバータ、前記調光手段及び前記電流
検知手段に動作的に接続され、前記インバータを所望の電力レベルを負荷に供給
するよう駆動せしめる駆動信号を発生するコントローラとを具え、 前記コントローラが検知負荷電流を処理して所望の負荷電力レベルにおいて満
足なランプ波高率を維持することを特徴とする。
【0008】 本発明のこれらの特徴及び他の特徴は添付図面を参照して以下に記載する好適
実施例の説明から明らかになる。 図1に示すブロック図は本発明電子式安定器の基本構成要素を示す。この電子
式安定器のシングルステージフィードバックインバータは交流電源10(例えば
120ボルト及び60Hzの標準交流幹線電圧)が安定器を動作させる入力電力
を供給する。電磁妨害(EMI)フィルタ12が高周波数信号及び安定器により
発生される無線周波数雑音(例えば高調波)を濾波し、このような雑音を交流入
力電力から除去する。交流整流回路14が入力交流電力を整流して整流直流電力
を供給する。整流直流電力は直流結合回路16を経て直流エネルギー蓄積装置1
8(例えば電解キャパシタ)に結合される。直流エネルギー蓄積装置18は整流
器14により整流された交流電圧出力のピークよりかなり高い直流電圧を維持す
る。
【0009】 インバータ20が直流蓄積装置18に蓄積された直流電圧を約20KHz〜7
5KHzの間で変化し得る周波数を有する高周波数電圧に変換する。インバータ
20に動作的に結合された共振回路22は安定器の定常状態中の高周波数電圧の
正常範囲より幾分低い周波数で共振するよう構成される。負荷24(例えば蛍光
ランプ)が共振回路22に動作的に結合される。帰還ループが共振回路22を直
流結合回路16内の帰還ノードに接続する。インバータ20の各高周波数サイク
ルの一部分中に、整流器14から電流が引き出される。更に、各高周波数サイク
ルの他の部分中に、充電電流が直流蓄積装置18へ流れる。入力交流電圧の各サ
イクル全体中に、直流蓄積装置18に蓄積される直流エネルギーが整流器14か
らの整流交流電圧のピーク電圧より大きくなる。上述したシングルステージフィ
ードバックインバータ回路の動作は当業者に公知である。その動作の詳細な説明
は、例えばUS特許第5,404,082号(発明者:ヘルナンデス他、タイト
ル「High Frequency Inverter with Power-Line-Controlled Frequency Modulat
ion」)及びUS特許第5,410,221号(発明者:マッタス他、タイトル
「Lamp Ballast with Frequency Modulated Lamp Frequency」)に見ることがで
き、それらの明細書の内容が本明細書中に参考のために含まれているものとする
【0010】 本発明では、可変負荷調光中に負荷により消費される電力を調整する閉ループ
制御回路を設ける。この閉ループ制御回路は負荷のピーク出力電圧を検出するピ
ーク電圧検出器28を含む。負荷電流センサ30が負荷を流れる電流を検知する
。ピーク電圧検出器28及び負荷電流センサ30に動作的に接続されたドライバ
/コントローラ32がピーク電圧検出器28及び負荷電流センサ30から信号を
受信して負荷電力を決定する。ドライバ/コントローラ32は負荷電力を調光イ
ンタフェース34により供給される調光レベル信号に従って調整する。特に、ラ
ンプ照明レベルは方形波電圧波形の周波数を増大及び減少させることにより増大
及び減少させることができる。可変負荷調光中の負荷電力を所要のランプ波高率
が得られるように調整するために、ドライバ/コントローラ32はインバータに
より発生される高周波数波形を調整して適正負荷電圧を供給する。
【0011】 ドライバ/コントローラ回路32に動作的に接続された共振電流センサ26が
共振回路22を流れる電流の量を反映する信号を供給し、コントローラ32がこ
の信号を処理し、インバータ20の周波数を、インバータが誘導性モードで動作
するように調整する。ドライブ制御回路32はUS特許第5,742,134号
(発明者:ワシク他、タイトル「Inverter Driving Scheme」)に開示されてい
る集積チップとして実現することができ、その明細書の内容も本明細書に参考の
ために含まれているものとする。
【0012】 上記のワシクの特許明細書に開示されているドライブコントローラを慣例のシ
ングルステージフィードバックインバータを用いて実現する本発明の電子式安定
器を以下に更に詳細に説明する。図2は図1の電子式安定器の詳細回路図を示す
。安定器の電力源は入力端子1及び2に接続された交流電力幹線である。入力端
子1及び2はラインチョークL1及びL2とキャパシタC1,C2及びC3とか
らなるEMIフィルタを経てダイオードD1−D4からなる全波ブリッジ整流器
に接続される。整流器の負端子(ノードN1)は回路接地点に接続される。整流
器の正端子(ノードN2)は整流された交流電圧Vrecを有する。電圧Vrecは高
速回復ダイオードD5を経てノードN3に結合される。ノードN3は帰還ノード
であり、このノードで帰還ループが共振回路22を直流結合/HF整流器回路1
6(図1)に接続する。高速回復ダイオードD6がノードN3の電圧を蓄積(バ
ッファ)キャパシタC5に結合し、共振回路からの高周波数帰還信号を整流する
よう作用する。
【0013】 トランジスタM1及びM2(NチャネルMOSFETである)がインバータ出
力ノードN5を有する高周波数ハーフブリッジインバータを構成する。スイッチ
M1及びM2は一対のゲートg1及びg2を有する。抵抗RとキャパシタC17がノー
ドN6を経て電気的に接続され且つノードN4と接地との間に直列に接続される
。一対のキャパシタC6及びC7がノードN6で電気的に接続され、且つノード
N5と接地との間に直列に接続される。ツェナーダイオードD9がキャパシタC
7を分路する。キャパシタC6及びC7はインバータの動作中におけるノードN
5の電圧の昇降率を減少させ、インバータにより発生されるスイッチング損失及
びEMIレベルを低減する働きをする。ツェナーダイオードD9はノードN6の
脈動電圧を規定し、キャパシタC17に供給してピンVDDに供給される所要の動
作電流を供給する。直流阻止キャパシタC8と共振インダクタL3がノードN5
と負荷変成器T1の一次巻線との間に直列に接続される。
【0014】 巻線T3(即ち共振電流センサ26)が共振負荷L3に磁気的に結合され、共
振インダクタL3を流れる電流の一部分を検知する。後に詳細に説明するように
、この電流の検知に基づいてスイッチをスイッチング損失が最小になるように零
電圧スイッチングモード(誘導性モード)で動作させる
【0015】 この回路では、ランプ電流がインバータ出力ノードN5から結合(直流阻止)
キャパシタC8と、チョークL3、共振キャパシタC9及び帰還キャパシタC4
からなる直列共振回路とを経て直接供給される。ダイオードD5及びD6が非導
通のとき、全ランプ電流が帰還キャパシタC4を経て流れる。
【0016】 負荷回路は複数の直列接続ランプL1及びL2を含む。負荷回路は、当業者に
既知のように、予熱動作段階中にフィラメント加熱を与えるように動作するキャ
パシタC10,C12及びC13も含む。キャパシタC11は直流電力がランプに供給さ
れるのを阻止して、ランプの寿命を長くする。負荷電流に比例する信号が電流変
成器T2(即ち負荷電流センサ30)により磁気的に結合され、この信号が集積
回路IC100(後に詳述する)において、可変負荷レベルにおける負荷電力を満
足なランプ波高率が維持されるように制御するのに使用される。
【0017】 IC100は複数のピンを有し、インバータのスイッチM1及びM2を駆動及び
制御する。IC100の動作及びその内部回路構成の詳細な説明は上述したUS特
許第5,742,134号のワシク他の特許明細書に見ることができ、ここでは
省略する。本発明に関連するIC100のいくつかの顕著な特徴及び機能について
は以下に概略的に説明する。
【0018】 ピンVDDはノードN6に接続され、IC100動作用のバイアス電圧(約12
V)を供給する。ピンRrefと接地との間に接続された抵抗R10はALPHA IC100
内の基準電流を設定するよう作用する。基準電流は特に最小インバータ周波数を
調整するのに使用される。ピンCFと接地との間に直列に接続された抵抗R9及
びキャパシタC15はIC100内の電流制御発振器(CCO)の周波数を設定する
。ピンCPと接地との間に接続されたキャパシタC18は予熱サイクルと無発振/
待機モードの双方のタイミングをとるために使用される。GNDピンは直接接地
される。ピンG1は抵抗R1及びダイオードD7の並列接続を経てスイッチング
M1のゲートg1に接続される。同様に、ピンG2は抵抗R2及びダイオードD8
の並列接続を経てスイッチングM2のゲートg2に接続される。ピンFVDDはキャパ
シタC21を経てノードN5に接続され、IC100のフローティング電圧を表わす
(キャパシタC21は上側ゲートスイッチドライバM1にエネルギーを供給する)
【0019】 ピンRINDは巻線T3と接地との間に直列に接続された抵抗R6とキャパシタC
16のノードにN9に電気的に結合される。ピンRINDの入力電圧は共振インダクタ
L3を流れる電流レベルの測定値である。共振インダクタL3を流れる電流を測
定して、インバータが容量性動作モード内又はその近くにあるのか(即ち共振イ
ンダクタL3を流れる電流がスイッチM1両端間の電圧より進んでるとき)を決
定する。近容量性動作モードでは、共振インダクタL3を流れる電流はスイッチ
M1の両端間電圧に近いがそれより進まない。ワシクの特許明細書に詳細に記載
されているように、RINDピンに動作的に接続されたIC100の内部インダクタ電
流検知回路がスイッチM1又はM2の順方向導通が生起するのか本体ダイオード
導通(基板からドレインへの導通)が生起するのか検出する。インバータが容量
性動作モード又は近容量性動作モードにあるとき、インダクタ電流検知回路はイ
ンダクタ周波数を急速に上昇させて、インバータが誘導性モード(即ちその非導
通状態中のスイッチM2の両端間電圧が共振インダクタL3を流れる電流より進
相するモード)で動作するようにする。IC100はピンRINDの電圧を検知して共
振インダクタL3を流れる電流の振幅も調整する。
【0020】 ピンLI2は抵抗R8を経て電流検知変成器T2に接続される。ピンLI1は
抵抗R7を経て接地される。ピンLI1及びLI2を流れる電流の差は負荷(ラ
ンプ)を流れる電流の測定値である。この検知電流は、全負荷動作中及び可変調
光動作中に満足なランプ波高率が得られるように、IC100により(後に述べる
ように)処理される。
【0021】 ピンVLはダイオードD10及びキャパシタC14の並列接続からなる回路網に接
続され、ランプに供給されるピーク負荷電圧を(変成器T1の二次巻線の一部分
を介して)検出する。VLピンは特にランプ電力を調整してランプ負荷を過電圧
状態から保護するのに使用される。VLピンへの電流入力はピークランプ電圧(
即ちノードN10のスケーリングされた電圧により抵抗R5を流れる電流)に比例
する。ピンVLに流れる電流が内部回路によりピンLI1及びLI2間の差電流
倍され、ランプ電流とランプ電圧との積を表わす整流交流信号を発生し、この信
号が負荷電力の調整に使用される。低調光レベル(15%以下の負荷レベル)に
対しては、ピーク負荷電圧と負荷電流の測定値を用いて負荷電力を調整するのが
好ましい。しかし、高調光レベル(15%より上)に対しては、負荷電力調整は
検知負荷電流を処理することにより達成するのが好ましい点に注意されたい。
【0022】 ピンCRECTから整流交流電流が抵抗R12と、キャパシタC20と、抵抗R13及び
キャパシタC19の直列接続との並列接続を経て接地へ流れ、これによりこの交流
電流は負荷の平均電力(負荷電圧×負荷電流)に対応する直流電圧に変換される
【0023】 DIMピンは調光制御インタフェース(図示せず)に接続される。DIMピン
に供給される電圧は調光制御インタフェースにより設定される照明レベルに対応
する(DIMピンの電圧は直流電圧である)。ランプL1及びL2の所望の照明
レベルはDIMピンの電圧により設定される。CRECTピンの電圧がIC100内の帰
還回路によりDIMピンの電圧に等しくせしめられる。この帰還ループはランプ
電圧検知回路(即ち上述したピーク検出回路及びピンVL並びにピンVLと関連
するIC100の内部回路)及びランプ電流検知回路(即ち変成器T2及びピンL
I2並びにピンLI1及びLI2と関連するIC100の内部回路)を含む。イン
バータスイッチング周波数がこの帰還ループに基づいて調整され、CREDTピンの
電圧がDIMピンの電圧に等しくされる。CRECT電圧は0.3ボルトから3.0
ボルトの間で変化し、IC100がDIMピンの電圧を0.3から3.0ボルトの
間にクランプする。DIMピンに供給される信号は、当業者に既知の異なる方法
、例えば位相角制御調光方法により供給し、交流入力幹線電圧の位相の一部分を
カットオフするようにすることもできる。このような方法は入力幹線電圧のカッ
トオフ位相角をDIMピンに供給される直流信号に変換する。
【0024】 最初に、ランプを点弧するとき、CRECTピンの電圧は零である。ランプの電流
が増大するにつれて、CRECTピンから流れる電流(ランプ電圧とランプ電流の積
に比例する)がキャパシタC20を充電する。インバータのスイッチング周波数が
、CRECTピンの電圧がDIMピンの電圧に等しくなるまで、増大又は減少する。
一般に、0.3ボルトの電圧は全負荷出力の10%に対応し、3ボルトの電圧は
全(100%)光出力に対応する。
【0025】 上述したICコントローラ100を慣例のシングルステージフィードバックイ
ンバータトポロジーで実現することにより、電子式安定器が可変負荷状態で動作
しているときも満足なランプ波高率を維持することができる。図3a,3b及び
3cを参照すると、図2の回路の試験結果は満足な波高率が可変負荷に対し得ら
れることを示している。例えば,図3aは、100%(調光なし)の負荷電流に
対し1.6以下のランプ波高率が得られることを示す。図3bは50%の負荷電
流に対し1.8以下のランプ波高率を示す。図3cは10%の負荷電流に対し2
.0以下のランプ波高率を示す。
【0026】 以上、図面を参照して説明のための実施例について記載したが、本発明はこれ
らの特定の実施例にのみ限定されず、当業者であれば本発明の範囲から逸脱する
ことなく種々の変更や変形を加えることが可能であり、このような変更や変形の
すべてが本発明の範囲内に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例に係る電子式安定器のブロック図である。
【図2】 本発明の一実施例に係る図1に示す電子式安定器の詳細回路図である
【図3】 a,b及びcは図2に示す回路の試験結果、即ち種々の調光レベルで
得られるランプ波高率を示す試験結果を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 3K072 AB03 BA03 BC01 BC03 CA11 CA16 CB04 DD04 EB05 EB07 FA05 GA03 GB12 GC04 3K098 CC41 CC56 CC57 CC62 DD22 DD35 EE13 EE14 EE28 FF03 FF04 GG02 【要約の続き】 を処理して所望の負荷電力レベルにおいて満足なランプ 波高率を維持する。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 駆動信号に応答して高周波数電力を負荷に供給するシングルステ
    ージフィードバックインバータ電力回路と、 供給される負荷電力により負荷を流れる電流を検知し、負荷電流を表わす電流
    信号を発生する電流検知手段と、 負荷の所望の電力レベルに対応する照明信号を発生する調光手段と、 前記シングルステージフィードバックインバータ、前記調光手段及び前記電流
    検知手段に動作的に接続され、前記電流信号と前記照明信号とに依存して、前記
    インバータを所望の電力レベルを負荷に供給するよう駆動せしめる駆動信号を発
    生するコントローラと、 を具えることを特徴とする電子式安定器。
  2. 【請求項2】 前記負荷のピーク電圧を検出する電圧検出手段を更に具え、前記
    コントローラが、前記電流信号と検出ピーク電圧との積に比例する電力信号と前
    記照明信号とに依存して駆動信号を発生することを特徴とする請求項1記載の電
    子式安定器。
  3. 【請求項3】 前記負荷電流検知手段が、負荷からの電圧を磁気的に結合する変
    成器と、該変成器に接続され、前記コントローラに前記電流信号を供給する抵抗
    回路網とを含むことを特徴とする請求項1記載の電子式安定器。
  4. 【請求項4】 前記インバータが容量性モード又は近容量性モードで動作してい
    るとき、これを検出する手段を更に具え、前記コントローラが前記インバータの
    周波数を変化せしめて前記インバータを誘導動作モードで動作せしめる駆動信号
    を発生することを特徴とする請求項1記載の電子式安定器。
  5. 【請求項5】 前記シングルステージフィードバックインバータ回路が、 交流電力源に接続する入力手段と、 入力交流電力を整流する全波整流器と、 帰還点を有する直流結合回路と、 前記全波整流器に前記直流結合回路を経て接続され、整流された交流電力を蓄
    積する直流エネルギー蓄積装置と、 前記直流エネルギー蓄積装置に結合され、高周波数電力をコントローラから供
    給される駆動信号により決まるインバータ周波数で供給するハーフブリッジイン
    バータ回路と、 前記ハーフブリッジインバータを負荷に動作的に接続する回路であって、少な
    くとも一つの共振インダクタと一つの帰還キャパシタとを具える共振回路と、 前記共振回路を前記直流結合回路の前記帰還点に動作的に接続して高周波数電
    力を前記直流エネルギー蓄積装置に供給する帰還接続手段と、 を具えることを特徴とする請求項1記載の電子式安定器。
  6. 【請求項6】 前記直流結合回路が前記整流器と前記帰還点との間に接続された
    第1ダイオードと、前記帰還点と前記直流エネルギー蓄積装置との間に接続され
    た第2ダイオードとを具え、前記共振帰還キャパシタが前記帰還点と前記共振イ
    ンダクタとの間に接続されていることを特徴とする請求項5記載の電子式安定器
  7. 【請求項7】 シングルステージフィードバックインバータにより高周波数電力
    を少なくとも一つの蛍光ランプに供給するステップと、 供給された電力の結果として負荷を流れる電流の少なくとも一部分を検知する
    ステップと、 検知した負荷電流をコントローラで処理するステップと、 前記コントローラにより前記検知した負荷電流信号に依存して駆動信号を発生
    させ、前記シングルステージフィードバックインバータ回路により負荷に供給さ
    れる高周波数電力を満足なランプ波高率が得られるように調整するステップと、
    を具えることを特徴とする電子式安定器内の電力制御方法。
  8. 【請求項8】 照明レベル信号をコントローラに供給するステップと、前記照明
    レベル信号に応答して前記コントローラにより駆動信号を発生させ、負荷に供給
    される電力を調整するステップを更に具えることを特徴とする請求項7記載の方
    法。
  9. 【請求項9】 ピーク負荷電圧を検出するステップと、検出ピーク負荷電圧を検
    出負荷電流と一緒に処理して負荷電力を決定するステップを更に具えることを特
    徴とする請求項7記載の方法。
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