JP2004039390A

JP2004039390A - 高圧放電ランプ点灯装置

Info

Publication number: JP2004039390A
Application number: JP2002193501A
Authority: JP
Inventors: Giichi Suzuki; 鈴木　義一; Tomoyoshi Arimoto; 有本　智良
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2002-07-02
Filing date: 2002-07-02
Publication date: 2004-02-05
Also published as: CN1476285A; US20040004449A1; EP1379110A1; US6815910B2

Abstract

【課題】フルブリッジ型インバータ回路のデッドタイム時の立ち消えを防止し、また、インバータ回路の出力矩形波の立ち上がり、立ち下がり時間の遅れを短縮し放射光が瞬間的に暗くなるという現象が生ずるのを防止すること。
【解決手段】フルブリッジ型インバータ回路２が出力する交流矩形波電流が供給され放電ランプ３が点灯する。フルブリッジ型インバータ回路２の駆動に際し、スイッチング素子Ｑ２〜５を全てオフにする期間（デッドタイムＴｄ）が設けられており、これにより放電ランプ３の立ち消えを防止するため、フルブリッジ型インバータ回路２の後段に、インダクタンスＬ２が設けられる。そして、インダクタンスＬ２の値ＬＬ　を、ＬＬ　≧ＶＬ　／ＩＬ　・Ｔｄ（放電ランプの点灯電圧ＶＬ　、電流ＩＬ　、デッドタイムをＴｄ）とし、該インダクタンスに蓄えられるエネルギーにより、デッドタイムの間に放電ランプ３に電流を流す。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶プロジュクター等に使われる高圧放電ランプを点灯するための高圧放電ランプ点灯装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子回路を用いて、矩形波で高圧放電ランプを点灯させる点灯回路としては、例えば図５に示す回路が知られている。
図５に示す回路は、点灯回路を、スイッチング素子Ｑ１と、直流電源と、スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５、ダイオートＤ２〜Ｄ５からなるフルブリッジ回路２と、イグナイタ４とから構成したものである。
同図に示す点灯回路は、直流電源からフルブリッジ回路２に電圧、電流を供給しながら、フルブリッジ回路２のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ５、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４を交互にオンにして、高圧放電ランプ３に交流矩形波電圧を供給し、高圧放電ランプ３を点灯させるようにしたものである。
また、高圧放電ランプの始動時には、上記イグナイタ４からランプ３に高電圧パルスを印加して、ランプを始動する。
【０００３】
上記構成のランプ点灯装置においては、フルブリッジ回路２のクロスカレントを防止し、フルブリッジ回路２を構成しているスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５や電力制御スイツチング素子Ｑ１の破損を防ぐため、デッドタイムＴｄと呼ばれるフルブリッジ回路２のスイッチング素子Ｑ２〜５を全てオフにする期間を設けることが通常行われている。
なお、デッドタイムＴｄを設けず、電力制御用スイッチング素子Ｑ１の後段に設けられるチョークコイルＬ１でブリッジ回路のクロスカレントを一定値以下に制限し素子の破損を防ぐ場合もあるが、素子の損失の増大やノイズの発生などの不都合が生じることが多い。従って、一般的にはデッドタイムを設けることが通例である。
しかし、デッドタイムのある低周波矩形波が高圧放電ランプに印加されると高圧放電ランプに流れる電流に切れ目が生じ、立ち消えやリードピークを生じる等、不都合を生じる場合がある。
【０００４】
デッドタイムＴｄよる電流の切れ目の発生を防ぐものとして、例えば、特公平６−１０１３８８公報に記載されるものが知られている。
上記公報に記載されるものは、ランプと直列に設けたインダクタンスを設け、この直列回路と並列にコンデンサを設けてＬＣ共振回路を形成し、矩形波のデッドタイム期間に、上記インダクタンスとコンデンサとで直列共振を発生させ、振動電流をランプに流すことにより電流の流れない期間をなくすようにしたものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記公報に記載される方法では、例えばＣ３＝０．１μＦのような大きなコンデンサがフルブリッジ回路の後段に接続されることになる。このため、フルブリッジ回路２のスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５の矩形波出力を急峻にすることが困難であり、高圧放電ランプの放射光が、瞬間的に暗くなるという好ましくない現象を生ずる。投射型のプロジェクター装置の光源に適用するには、このような明るさの低下は致命的な問題となる。またＬ２にも１ｍＨという大きなものを用いる必要があり、点灯電源の小型化・軽量化が困難である。
さらに、Ｃ３，Ｌ２を上記のような値とした場合、高圧放電ランプに流す振動電流は周波数約１６ｋＨｚ、周期約６３μｓｅｃとなり、これによる波形の振動やオーバーシュート、アンダーシュートが生じやすくなる。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、本発明の目的は、デッドタイム期間を設けてスイッチング素子を駆動するフルブリッジ型インバータ回路を用いた高圧放電ランプ点灯装置において、デッドタイム時の立ち消えを防止し、また、インダクタンスＬ，コンデンサＣ等の影響によるインバータ回路の出力矩形波の立ち上がり、立ち下がり時間の遅れを短縮し、放射光が瞬間的に暗くなるという現象が生ずるのを防止することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を本発明においては、以下のように解決する。
（１）４個のスイッチング素子がブリッジ型に接続され、全てのスイッチング素子をオフとするデッドタイムを設けながら交流電流を高圧放電ランプに給電するインバータ回路を有する給電装置を備えた高圧放電ランプ点灯装置において、インバータ回路の前段に、上記デッドタイムのときに前記高圧放電ランプに対して電流を供給するループを形成するためのコンデンサを設けるとともに、上記インバータ回路の後段に、高圧放電ランプと直列に接続され、上記コンデンサとともに上記ループを形成するインダクタンス要素とを設ける。
そして、前記インダクタンス要素のインダクタンスＬの値ＬＬ　を、該インダクタンスに蓄えられるエネルギーにより、上記デッドタイムの間に上記高圧放電ランプに電流を流し続けることができる値以上とする。
すなわち、上記インダクタンスＬの値ＬＬ　を、放電ランプの点灯電圧をＶＬ　、放電ランプに流れる電流をＩＬ　、上記デッドタイムをＴｄ（秒）としたとき、ＬＬ　≧ＶＬ　／ＩＬ　・Ｔｄになるようにする。
（２）上記（１）において、インダクタンス要素の少なくとも一部を、イグナイタトランスで形成する。
本発明は上記構成としたので、上記インダクタンス要素に蓄えられたエネルギーによりデッドタイムの間にも高圧放電ランプに電流を流すことができ、交流矩形波のデッドタイムにより生ずる立ち消えを防止することができる。また、上記インダクタンス要素の値ＬＬ　を大きな値とする必要はないので、交流矩形波の立ち上がり、立ち下がりを急峻にすることができ、高圧放電ランプが瞬間的に暗くなるといった問題を改善することができ、さらには点灯電源の小型、軽量化もはかれる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例を用いて説明する。
図１は、本発明の第１の実施例の高圧放電ランプ点灯装置の構成を示す図である。
同図に示すように、本実施例の回路は、直流電圧が供給される降圧チョッパ回路１と、降圧チョッパ回路１の出力側に接続され、直流電圧を交流矩形波電圧に変換し高圧放電ランプ３（以下放電ランプ３という）に供給するフルブリッジ型インバータ回路２（以下ではフルブリッジ回路２という）と、放電ランプ３に直列接続されたインダクタンスＬ２から構成される。
なお、前記したように、ランプの始動時に高圧パルスを放電ランプ３に印加するためイグナイタ装置が上記放電ランプ３に直列に接続されるが、同図では省略されている。
上記放電ランプ３は、前記したように投射型のプロジェクター装置等の光源として使用される例えばショートアーク型超高圧放電ランプであり、例えば以下の放電ランプを使用することができる。
・発光管の内容積：１００ｍｍ^３
・電極間距離：１．０ｍｍ
・水銀封入量：０．２５ｍｇ／ｍｍ^３
・希ガス：アルゴンを１００Ｔｏｒｒ封入
また、上記放電ランプの点灯条件は以下の通りである。
・ランプ電力：８０〜４００Ｗの範囲であって、例えば２００Ｗ
・ランプ電流：０．６〜７．０Ａの範囲であって、例えば２．８Ａ
・ランプ電圧：６０〜１３０Ｖの範囲であって、例えば７０Ｖ
【０００８】
降圧チョッパ回路１は、スイッチング素子Ｑ１と、ダイオードＤ１とインダクタンスＬ１と平滑コンデンサＣ１から構成され、図示しない制御回路により上記スイッチング素子Ｑ１のオン／オフ比が制御され、フルブリッジ回路２を介して放電ランプ３に供給される電流あるいは電力が制御される。
フルブリッジ回路２は、ブリッジ状に接続されたトランジスタやＦＥＴからなるスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５と、該スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５に逆並列に接続されたダイオードＤ２〜Ｄ５から構成される。
上記スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５は、図示しない駆動回路により駆動され、放電ランプ３に交流矩形波電流を供給して、放電ランプ３を点灯させる。
すなわち、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ５、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４を交互にオンにして、降圧チョッパ回路１→スイッチング素子Ｑ２→放電ランプ３→インダクタンスＬ１→スイッチング素子Ｑ５→降圧チョッパ回路１、および、降圧チョッパ回路１→スイッチング素子Ｑ４→インダクタンスＬ１→放電ランプ３→スイッチング素子Ｑ３→降圧チョッパ回路１の経路で放電ランプ３に交流矩形波電流を供給し、放電ランプ３を点灯させる。
上記スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５を駆動するに際し、スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５の同時オンを防止するため、前記したように、交流矩形波の極性切り替わり時に、スイッチング素子Ｑ２〜５を全てオフにする期間（デッドタイムＴｄ）が設けられる。
なお、放電ランプ３に供給される交流矩形波出力の周波数は６０〜１０００Ｈｚの範囲であり、例えば２００Ｈｚである。また、上記デッドタイム期間は、通常０．５μｓ〜１０μｓの範囲内であり、交流矩形波出力の周波数が２００Ｈｚの場合は、デッドタイムＴｄは例えば１μｓ程度に選定される。
【０００９】
本実施例においては、上記デッドタイム期間のおける放電ランプ３の立ち消えを防止するため、フルブリッジ回路２の出力側に、放電ランプ３と直列接続されたインダクタンスＬ２（インダクタンス要素）が設けられる。このインダクタンスＬ２に蓄えられるエネルギーにより、矩形波の極性切り替わり時のデッドタイム期間に、該インダクタンスＬ２、ダイオードＤ２〜Ｄ５、降圧チョッパ回路１の平滑コンデンサＣ１で形成されるループを介して放電ランプ３に電流を流し、放電ランプ３の立ち消えを防ぐ。
すなわち、上記デッドタイム期間に、インダクタンスＬ２に蓄えているエネルギーにより、電流をインダクタンスＬ２→放電ランプ３→ダイオードＤ２→平滑コンデンサＣ１→ダイオードＤ５→インダクタンスＬ２、または、インダクタンスＬ２→ダイオードＤ４→平滑コンデンサＣ１→ダイオードＤ３→放電ランプ３→インダクタンスＬ２のループで流すことにより、フルブリッジからの矩形波電流が無い期間にも放電ランプ３に電流を流す。
【００１０】
図２に上記デッドタイム期間に放電ランプに流れる電流を模式的に示す。
同図において、Ｔｄはデッドタイム期間であり、この期間にインダクタンスＬ２に蓄えられたエネルギーにより、前記したループで同図の点線に示すように電流を流す。
上記インダクタンスＬ２に蓄えられるエネルギーの大きさは、同図の斜線部分の面積以上のエネルギーが必要である。
ここで、上記デッドタイム期間をＴｄ（秒）、上記矩形波電圧の大きさ（放電ランプに印加される電圧：点灯電圧という）をＶＬ　（Ｖ）、放電ランプ３に流れる電流をＩＬ　（Ａ）、インダクタンスＬ２の大きさをＬＬ　（Ｈ）とすると、イクダクタンスＬ２に蓄えられるエネルギーは、１／２×ＬＬ　×ＩＬ^２である。また、ランプ電力をＷ（＝ＶＬ　×ＩＬ　）とすると、上記斜線部分のエネルギーは１／２×Ｗ×Ｔｄとなる。
したがって、上記デッドタイム期間に放電ランプ３に電流を流し続けるためには、１／２×Ｌ×Ｉ^２≧１／２×Ｗ×Ｔｄである必要がある。
上記式は、１／２×ＬＬ　×ＩＬ^２≧１／２×ＶＬ　×ＩＬ　×Ｔｄと書き換えることができるから、上記インダクタンスＬ２の値は、以下のような値に選定する必要がある。
ＬＬ　≧ＶＬ　／ＩＬ　×Ｔｄ
【００１１】
上記条件を満たすインダクタンスＬ２を放電ランプ３に直列に接続することにより、デッドタイム期間Ｔｄの間、放電ランプ３に電流を供給することができ、立ち消えを防止することができる。
前記点灯条件の場合、上記インダクタンスＬ２の値は、２０μＨ〜６００ｐＨの範囲の値となり、例えば３００ｐＨ程度となる。
なお、前記したように、放電ランプ３に直列にイグナイタ装置が接続される場合には、上記インダクタンスＬ２のインダクタンス値と、上記イグナイタ装置のインダクタンス値の和が上記値になるようにインダクタンスＬ２の値を選定すればよい。
また、上記インダクタンスＬ２に蓄えられたエネルギーは、平滑コンデンサＣ１を介して前記したようなループで流れ、平滑コンデンサＣ１に充電されるので、平滑コンデンサＣ１の電圧上昇を抑えるため、平滑コンデンサＣ１の値は、０．１μＦ以上とするのが望ましく、好ましくは、０．２μＦ〜１μＦの範囲内とするがよい。
【００１２】
本実施例では、上記のように、放電ランプ３に直列にインダクタンスＬ２を設け、該インダクタンスＬ２の値をＬＬ　≧ＶＬ　／ＩＬ　×Ｔｄのように選定しているので、デッドタイム期間にも、インダクタンスＬ２に蓄えられたエネルギーにより放電ランプ３に電流を流し続けることができ、放電ランプ３の立ち消えを防止することができる。
また、インダクタンスＬ２の値も上記のように２０μＨ〜６００ｐＨ程度の大きさであり、前記公知例（特公平６−１０１３８８公報）のように容量の大きなインダクタンスＬ、コンデンサＣを用いる必要がないので、フルブリッジ回路が出力する交流矩形波の立ち上がり、立ち下がりを急峻にすることができ、前記した放電ランプが瞬間的に暗くなるといった問題が生ずることがない。
【００１３】
図３は本発明の第２の実施例を示す図である。
本実施例は、放電ランプ３に直列に接続されるイグナイタ装置のイグナイタトランスのインダクタンスを上記デッドタイム期間に放電ランプ３に電流を流すためのエネルギーを蓄えるインダクタンスとして利用した実施例を示している。
同図において、前記図１に示したものと同一のものには同一の符号が付されており、本実施例においては、前記インダクタンスＬ２に代えてイグナイタ装置４のイグナイタトランスＴｒＩが放電ランプ３に直列に接続され、また、イグナイタ装置４が発生する高圧パルスをバイパスするためのパスコンＣｐ１が上記放電ランプ３とイグナイタトランスＴｒＩの直列回路に並列に接続されている。
上記イグナイタトランスＴｒＩのインダクタンス値は、前記したようにＬＬ　≧ＶＬ　／ＩＬ　×Ｔｄの条件を満たす値に選定されている。
本実施例の回路の動作は、前記第１の実施例と同様であり、フルブリッジ回路２のスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５を、図示しない駆動回路により駆動し放電ランプ３に交流矩形波電流を供給して、放電ランプ３を点灯させる。
また、デッドタイム期間中は、イグナイタトランスＴｒＩに蓄えているエネルギーにより、電流をイグナイタトランスＴｒＩ→放電ランプ３→ダイオードＤ２→平滑コンデンサＣ１→ダイオードＤ５→イグナイタトランスＴｒＩ、または、イグナイタトランスＴｒＩ→ダイオードＤ４→平滑コンデンサＣ１→ダイオードＤ３→放電ランプ３→イグナイタトランスＴｒＩのループで流し、放電ランプ３に電流を流す。
【００１４】
本実施例においても、上記のように、デッドタイム期間にも、イグナイタトランス４ａに蓄えられたエネルギーにより放電ランプ３に電流を流し続けることができ、放電ランプ３の立ち消えを防止することができる。
また、イグナイタトランスＴｒＩのインダクタンスの値も前記第１の実施例で説明したように２０μＨ〜〜６００ｐＨ程度の大きさなので、フルブリッジ回路が出力する交流矩形波の立ち上がり、立ち下がりを急峻にすることができ、前記した放電ランプが瞬間的に暗くなるといった問題が生ずることがない。
なお、上記パスコンＣｐ１は、イグナイタ装置４が発生する高圧パルスをバイパスさせるパスコンとして機能すればよいので、その容量値は、４０００ｐＦ以下、好ましくは、１０００ｐＦ〜２０００ｐＦ程度でよい。
なお、前記公知例（特公平６−１０１３８８公報）でも、放電ランプとインダクタンスの直列回路に並列にコンデンサが接続されているが、このコンデンサは、前記したようにインダクタンスとコンデンサとで直列共振を発生させ振動電流をランプに流すためのものであり、上記コンデンサとしては例えば０．１μＦ程度のコンデンサを用いる必要がある。これに対し、本実施例で用いられる上記パスコンＣｐ１の容量は４０００ｐＦ以下でよく、上記パスコンＣｐ１を設けても、交流矩形波電圧の立ち上がり、立ち下がりへの影響は少なく、放電ランプ３が瞬間的に暗くなるといった問題が生ずることはない。
【００１５】
図４は本発明の第３の実施例を示す図であり、本実施例は、フルブリッジ回路２の出力側にコモンモードチョークＬ３を設け、イグナイタ装置の高圧パルスにより、フルブリッジ回路などの電子部品の破損を防ぐようにした実施例を示している。
同図において、前記図３に示したものと同一のものには同一の符号が付されており、本実施例は、第２の実施例と同様、イグナイタ装置４のイグナイタトランス４ａのインダクタンスを上記デッドタイム期間に放電ランプ３に電流を流すためのエネルギーを蓄えるインダクタンスとして利用したものである。
上記イグナイタトランス４ａのインダクタンス値は、前記したようにＬＬ　≧ＶＬ　／ＩＬ　×Ｔｄの条件を満たす値に選定されている。
また、フルブリッジ回路２の出力側には、イグナイタ装置の高圧パルスの通過を阻止するコモンモードチョークＬ３と、該高圧パルスをバイパスするためのパスコンＣｐ１，Ｃｐ２が接続されている。
本実施例の回路の動作は、前記第２の実施例と同様であり、フルブリッジ回路２のスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５を、図示しない駆動回路により駆動し放電ランプ３に交流矩形波電流を供給して、放電ランプ３を点灯させる。
また、デッドタイム期間中は、イグナイタトランスＴｒＩに蓄えているエネルギーにより、電流をイグナイタトランスＴｒＩ→放電ランプ３→コモンモードチョークＬ３→ダイオードＤ２→平滑コンデンサＣ１→ダイオードＤ５→コモンモードチョークＬ３→イグナイタトランスＴｒＩ、または、イグナイタトランスＴｒＩ→コモンモードチョークＬ３→ダイオードＤ４→平滑コンデンサＣ１→ダイオードＤ３→コモンモードチョークＬ３→放電ランプ３→イグナイタトランスＴｒＩのループで流し、放電ランプ３に電流を流す。
なお、コモンモードチョークＬ３には逆方向の電流が流れるので、それぞれの電流により生ずる磁束は相互に打ち消しあい、上記ループに流れる電流には影響を与えない。
【００１６】
本実施例においても、前記第１、第２の実施例と同様、デッドタイム期間にも、イグナイタトランス４ａに蓄えられたエネルギーにより放電ランプ３に電流を流し続けることができ、放電ランプ３の立ち消えを防止することができる。また、フルブリッジ回路が出力する交流矩形波の立ち上がり、立ち下がりを急峻にすることができ、前記した放電ランプが瞬間的に暗くなるといった問題が生ずることがない。
さらに、上記パスコンＣｐ１，Ｃｐ２は、前記第３の実施例と同様、比較的小さな容量でいいので、交流矩形波電圧の立ち上がり、立ち下がりへの影響は少なく、放電ランプ３が瞬間的に暗くなるといった問題が生ずることはない。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、フルブリッジ回路の出力側に、インダクタンスを設け、該インダクタンスの値を、ＬＬ　≧ＶＬ　／ＩＬ　・Ｔｄ（放電ランプの点灯電圧をＶＬ　、放電ランプに流れる電流をＩＬ　、上記デッドタイムをＴｄ）としたので、交流矩形波のデッドタイムにより生ずる立ち消えを防止するとともに、交流矩形波の立ち上がり、立ち下がりを急峻にすることができ、放電ランプが瞬間的に暗くなるといった問題を改善することができる。
このため、本発明の高圧放電ランプ点灯装置を投射型プロジェクターの光源に適用すれば、プロジェクターの画像品質を改善することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の高圧放電ランプ点灯装置の構成を示す図である。
【図２】デッドタイム期間に放電ランプに流れる電流を模式的に示す図である。
【図３】本発明の第２の実施例の高圧放電ランプ点灯装置の構成を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施例の高圧放電ランプ点灯装置の構成を示す図である。
【図５】放電ランプ点灯装置の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１　　　　　降圧チョッパ回路
２　　　　　フルブリッジ回路
３　　　　　放電ランプ
４　　　　　イグナイタ装置
Ｃ１　　　　平滑コンデンサ
Ｃｐ１，Ｃｐ２　パスコン
Ｄ１〜Ｄ５　ダイオード
Ｌ１，Ｌ２　インダクタンス
Ｌ３　　　　コモンモードチョーク
Ｑ１〜Ｑ５　スイッチング素子
ＴｒＩ　　　　イグナイタトランス

Claims

石英ガラスからなる放電容器に一対の電極が対向配置した高圧放電ランプと、この高圧放電ランプに放電電流を供給する給電装置から構成される高圧放電ランプ点灯装置であって、
前記給電装置は、４個のスイッチング素子がブリッジ型に接続されて、全てのスイッチング素子をオフとするデッドタイムを設けながら交流電流を前記高圧放電ランプに給電するインバータ回路と、
このインバータ回路の前段に接続されて、前記デッドタイムのときに前記高圧放電ランプに対して電流を供給するループを形成するためのコンデンサと、
前記インバータ回路の後段であって前記高圧放電ランプと直列に接続されるとともに、前記コンデンサとともに、前記ループを形成するインダクタンス要素とを有し、前記インダクタンス要素のインダクタンスＬの値ＬＬ　（Ｈ）を、
放電ランプの点灯電圧をＶＬ　（Ｖ）、放電ランプに流れる電流をＩＬ　（Ａ）、上記デッドタイムをＴｄ（秒）としたとき、ＬＬ　≧ＶＬ　／ＩＬ　・Ｔｄになるように定めた
ことを特徴とする高圧放電ランプ点灯装置。
前記インダクタンス要素の少なくとも一部は、イグナイタトランスで形成された
ことを特徴とする請求項１の高圧放電ランプ点灯装置。