JP2005073305A - 高周波インバータおよび放電ランプ点灯装置 - Google Patents
高周波インバータおよび放電ランプ点灯装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】オンデューティが所定値以下になるか、デッドタイム比が所定値以上になって出力電圧波形に大きな歪が生じて出力低下や負荷の動作異常が発生するのを防止した高周波インバータを提供する。
【解決手段】高周波インバータＨＦＩは、デッドタイムを挟んで交互にスイッチングする一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を含んで構成されたインバータ主回路ＩＮＶと、その一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の両方またはいずれか一方、インダクタＬ１および帰還回路ＦＢＣを含むチョッパ回路ＢＵＣと、一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチングにおけるオンデューティまたはデッドタイムを制御する制御手段ＣＣと、一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチングにおけるオンデューティが所定値以下にならないか、またはデッドタイム比が所定値以上にならないように制限するリミッタＬＭとを具備している。
【選択図】図１
【解決手段】高周波インバータＨＦＩは、デッドタイムを挟んで交互にスイッチングする一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を含んで構成されたインバータ主回路ＩＮＶと、その一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の両方またはいずれか一方、インダクタＬ１および帰還回路ＦＢＣを含むチョッパ回路ＢＵＣと、一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチングにおけるオンデューティまたはデッドタイムを制御する制御手段ＣＣと、一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチングにおけるオンデューティが所定値以下にならないか、またはデッドタイム比が所定値以上にならないように制限するリミッタＬＭとを具備している。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交互にスイッチングする一対のスイッチング素子を備えた高周波インバータおよびこれを備えた放電ランプ点灯装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
交互にスイッチングする一対のスイッチング素子を備えた高周波インバータにおいて、一対のスイッチング素子をチョッパのスイッチング素子として兼用して昇圧チョッパを複合化した放電ランプ点灯装置は、既に知られている（例えば、非特許文献１参照。）。このものは高周波インバータのスイッチング素子とチョッパ回路のスイッチング素子を兼用するので、配線基板の実装面積を小さくして装置の小形、軽量化とコストダウンを図ることができる。
【０００３】
また、昇圧チョッパを複合化した放電ランプ点灯装置において、スイッチング素子をＰＷＭ制御することにより、高周波出力の調整機能を付与することができる。この高周波出力の調整機能を利用することにより、電源電圧変動や負荷変動に対して負荷への出力を調整して一定化したり、調光など高周波出力調節を行ったりすることが可能になる。
【０００４】
【非特許文献１】
日本照明学会２０００年５月発行「照明学会誌 第８４巻第５号」第２７３〜２８０頁
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この種のＰＷＭ制御において、オンデューティをある値以下にする、あるいは一対のスイッチング素子によるオン期間の間のデッドタイムをある値以上にすると、出力電圧波形に大きな歪が生じて出力低下、明るさのちらつきや負荷の放電ランプの立ち消えなどが発生するという問題があった。
【０００５】
本発明は、オンデューティが所定値以下になるか、デッドタイム比が所定値以上になって出力電圧波形に大きな歪が生じて出力低下や負荷の動作異常が発生するのを防止した高周波インバータを提供することを目的とする。
【０００６】
また、本発明は、オンデューティが所定値以下になるか、デッドタイム比が所定値以上になって出力電圧波形に大きな歪が生じて出力低下や放電ランプの明るさのちらつきや立ち消えなどの動作異常が発生するのを防止して安定な点灯を維持する放電ランプ点灯装置を提供することを他の目的とする。
【０００７】
【課題を達成するための手段】
請求項１の発明の高周波インバータは、デッドタイムを挟んで交互にスイッチングする一対のスイッチング素子を含んで構成されたインバータ主回路と；
インバータ主回路における一対のスイッチング素子の両方またはいずれか一方、インダクタおよび帰還回路を含むチョッパ回路と；一対のスイッチング素子のスイッチングにおけるオンデューティまたはデッドタイムを制御する制御手段と；一対のスイッチング素子のスイッチングにおけるオンデューティが所定値以下にならないように、またはデッドタイム比が所定値以上にならないように制限するリミッタと；を具備していることを特徴としている。
【０００８】
本発明および以下の各発明において、特に指定しない限り用語の定義および技術的意味は次による。
【０００９】
＜高周波インバータについて＞ 本発明において、「高周波」とは、周波数１ｋＨｚ以上、好ましくは可聴周波数の限界を超える２０ｋＨｚ以上、より好ましくはリモコンの搬送周波数より高い４０ｋＨｚ以上をいう。「インバータ」とは、交流−交流間変換装置をいい、本発明において「高周波インバータ」とは、低周波交流を高周波交流に変換する回路手段を意味する。
【００１０】
＜インバータ主回路について＞ 本発明におけるインバータ主回路は、少なくともデッドタイムを挟んで高周波で交互にスイッチングする一対のスイッチング素子およびスイッチング素子を駆動するための駆動信号発生回路を備えていて、高周波出力を発生するインバータ主回路であればどのような構成であってもよい。例えば、ハーフブリッジ形インバータ、フルブリッジ形インバータ、中性点降圧形インバータなどを用いることができる。なお、ハーフブリッジ形インバータは、順方向に揃えて直列接続した一対のスイッチング素子を直流電源（平滑コンデンサを含む。）に接続してなり、一対のスイッチング素子の交互スイッチングによって高周波出力を得る構成である。また、フルブリッジ形インバータは、ブリッジ回路の４辺にスイッチング素子が接続していて、互いに対向する２辺のスイッチング素子を交互にスイッチングさせ、入力端に直流電圧を接続して、出力端から交流出力を得る構成である。さらに、中性点降圧形インバータは、低周波交流を整流して直流に変換するとともに、直流をスイッチングによって高周波に変換する手段であり、一対のスイッチング素子の直列回路と一対の整流素子の直列回路とを並列接続してブリッジ回路を形成して、そのブリッジ回路の交流入力端に低周波交流電源を接続した構成において、一対のスイッチング素子の交互スイッチングによって高周波出力を得る構成である。そして、低周波交流を直流に変換するには、主として一対の整流素子が作用する。また、直流を高周波に変換するには、一対のスイッチング素子が作用する。
【００１１】
本発明において、インバータ主回路における一対のスイッチング素子は、直接直列接続している態様および他の回路素子、例えば抵抗器などを介して間接的に直列接続した態様のいずれであってもよい。また、一対のスイッチング素子および一対の整流素子は、機能上一対として作用することができればよく、一対の両方またはいずれか一方がそれぞれ複数の素子により構成されていることを許容する。さらに、スイッチング素子は、高周波でスイッチング可能な可制御なスイッチング素子であれば、どのような構成であってもよく、例えばバイポーラトランジスタ、ＦＥＴなどを用いることができる。
【００１２】
また、駆動信号発生回路は、スイッチング素子のスイッチングを制御するための駆動信号を発生してスイッチング素子に供給する手段である。したがって、駆動信号発生回路には、スイッチング素子の構成に応じて既知の回路を適宜選択して用いればよい。
【００１３】
＜チョッパ回路について＞ 本発明において、「チョッパ回路」とは、直流電流のスイッチングによりインダクタの両端間に生じる逆起電力を帰還して、ある電圧の直流電圧を電圧の異なる他の直流電圧に変換する手段をいう。そして、降圧形、昇圧形、逆極性形などいずれの形式のチョッパ回路であってもよい。インダクタは、チョッパ専用であってもよいし、出力用トランスを兼ねていてもよい。逆起電力を帰還するための帰還回路は、どのような構成であってもよい。なお、直流電流のスイッチングは、インバータ主回路における一対のスイッチング素子の両方またはいずれか一方が兼用される。
【００１４】
＜制御手段について＞ 制御手段は、一対のスイッチング素子のスイッチングにおけるオンデューティまたはデッドタイム比を制御する手段であり、所望に応じて電源電圧や出力電圧に応動したり、外部信号に応動して上記オンデューティまたはデッドタイム比を制御するように構成することができる。オンデューティを制御する場合、スイッチングの周期が一定であるがオン時間とオフ時間との比率すなわちオンデューティ比を変化させる。デッドタイム比を制御する場合、例えばオン時間が一定であるがデッドタイムを変化させる。したがって、後者の例の場合には周期が変化する。
【００１５】
また、制御手段は、例えばスイッチング素子の駆動信号を発生する駆動信号発生回路を制御して、その発生する駆動信号の発生位相や周期したがって周波数を制御することにより、一対のスイッチング素子のスイッチングを制御する。
【００１６】
＜リミッタについて＞ リミッタは、一対のスイッチング素子のスイッチングにおけるオンデューティが所定値以下にならないように、またはデッドタイム比が所定値以上にならないように制限する手段であり、所定値は予め適切な値に定めることができる。なお、オンデューティは、スイッチングの１周期に対するオン期間の比をいう。また、デッドタイム比は、デッドタイムの１周期に対するオン期間の比をいう。しかし、所定値として好適な値は、本発明者の検討によると、オンデューティでは２０％、デッドタイム比では３０％であった。
【００１７】
オンデューティが所定値以下にならないように、またはデッドタイム比が所定値以上にならないように制限するために用いるリミッタとしては、具体的な構成が特段限定されないが、例えば以下のように構成することができる。すなわち、制御手段とスイッチング素子の駆動回路との間にリミッタを介在させて、ＰＷＭ制御やデッドタイム比制御のための制御信号が所定値範囲から逸脱するような値でスイッチング素子の駆動信号発生回路に制御入力しようとしても、これを阻止して安定な動作状態を維持するように構成する。さらに具体的に説明すれば、このためのリミッタは、例えばコンパレータ、鋸歯状ないし三角波などの掃引波形発生回路およびリミッタ値決定回路により構成することができる。コンパレータの出力により駆動回路を作動させ、コンパレータの一方の入力端子に掃引波形発生回路の出力を供給し、他方の入力端子にリミッタ値決定回路を経由してオンデューティやデッドタイム比を制御するための制御信号源としての制御手段を接続する。なお、「リミッタ値決定回路を経由」するとは、制御信号がリミッタ値を超えている場合にのみ当該制御信号を通過させるが、超えていない場合にはリミッタ値が入力される意味である。したがって、制御信号がリミッタ値決定回路から供給されるリミッタ値以下のときであっても、コンパレータはリミッタ値による出力を生じる。
【００１８】
＜本発明の作用について＞ 本発明においては、以上の構成を具備していることにより、インバータ主回路およびチョッパ回路の両者を兼ねるスイッチング素子の制御信号が所定値範囲から逸脱するような値であっても、制御手段とスイッチング素子の駆動回路との間に介在させたリミッタが、当該制御信号がスイッチング素子の駆動信号発生回路に制御入力するのを阻止するので、高周波インバータの出力電圧波形に大きな歪が生じて出力低下や動作異常が発生するのを防止して安定な高周波電圧発生動作を維持することができる。
【００１９】
請求項２の発明の放電ランプ点灯装置は、請求項１記載の高周波インバータと；高周波インバータにより発生した高周波出力電圧に共振する共振回路を備えた負荷回路と；負荷回路に接続した放電ランプと；を具備していることを特徴としている。
【００２０】
＜負荷回路について＞ 負荷回路は、インバータ主回路の高周波交流電圧の出力に共振する共振回路を備えている。また、負荷回路は、インバータ主回路の高周波交流電圧が得られる回路上の適当な位置に接続することができる。例えば、インバータ主回路がハーフブリッジ形インバータや中性点降圧形インバータを構成する場合には、一対のスイッチング素子における一方の両端間に接続された負荷回路中に放電ランプを接続することができる。また、中性点降圧形インバータの場合には、低周波交流電源と直列接続するチョッパ回路のインダクタを共振インダクタとするとともに共振コンデンサを附加して共振回路を形成することにより負荷回路を構成して、上記インダクタと直列または並列に負荷を接続することもできる。なお、上記の接続態様において、高周波成分のみを選択して抽出するために、インダクタに２次巻線を巻装して出力トランスを構成し、当該出力トランスを経由して放電ランプを付勢することができる。
【００２１】
共振回路は、一対のスイッチング素子の交互スイッチングにより発生した高周波電圧に共振する。そして、共振インダクタおよび共振コンデンサにより形成されている。なお、「インダクタ」とは、インダクタンスを有する回路手段を意味し、チョークコイルのようなものに限定されない。したがって、１次側から見て適当なインダクタンスを有すればトランスなどであってもよい。そうして、共振回路は、放電ランプの始動時には共振により高電圧を形成して、これを放電ランプに印加することにより始動を促進するとともに、共振によって高周波電圧の波形を正弦波に整形する。
【００２２】
また、放電ランプの始動のために、負荷回路の共振回路による共振電圧だけでは不足の場合には、別設のイグナイタをそこから発生する高電圧パルスが放電ランプに印加されるように負荷回路に接続することができる。
【００２３】
＜放電ランプについて＞ 放電ランプは、どのようなものでもよく、例えば蛍光ランプなどの低圧放電ランプやメタルハライドランプなどの高圧放電ランプを用いることができる。なお、低圧放電ランプは、熱陰極形電極および冷陰極形電極のいずれを封装しているものであってもよい。
【００２４】
また、放電ランプは、高周波電圧の共振出力が印加されるような負荷回路上の適当な位置に接続される。なお、負荷回路に接続される放電ランプの数は複数であってもよい。
【００２５】
＜本発明の作用について＞ 本発明は、以上の構成を具備していることにより、放電ランプの明るさのちらつきや立ち消えなどの動作異常が発生するのを防止して安定な点灯を維持させることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００２７】
図１ないし図４は、本発明の高周波インバータおよび放電ランプ点灯装置における第１の実施の形態を示し、図１は装置全体を示す回路図、図２は要部を示す回路図、図３はスイッチング素子の駆動信号を説明する波形図、図４は高周波インバータの出力特性を示すグラフである。本実施の形態において、放電ランプ点灯装置は、高周波インバータＨＦＩ、負荷回路ＬＣおよび放電ランプＤＬからなる。
【００２８】
＜高周波インバータＩＮＶ＞ 高周波インバータＨＦＩは、インバータ主回路ＩＮＶ、チョッパ回路ＢＵＣ、制御手段ＣＣ、リミッタＬＭ、平滑コンデンサＣ１からなり、その入力端子ｔ１およびｔ２が低周波交流電源ＡＣに接続し、負荷回路ＬＣを介して放電ランプＤＬを高周波点灯する。
【００２９】
（インバータ主回路ＩＮＶ） は、中性点形降圧インバータ回路を構成しており、一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の直列回路と、一対の整流素子Ｄ１、Ｄ２の直列回路とを順方向の閉回路を形成するように並列接続して形成され、一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の接続点ｊ１と、一対の整流素子Ｄ１、Ｄ２の接続点ｊ２との間が交流入力端となる。そして、交流入力端ｊ１、ｊ２には、後述するチョッパ回路ＢＵＣのインダクタＬ１を直列に介して低周波交流電源ＡＣが接続している。
【００３０】
また、インバータ主回路ＩＮＶは、駆動信号発生回路ＤＣを備えている。そして、一対のスイッチィング素子Ｑ１、Ｑ２が駆動信号発生回路ＤＣから発生する駆動信号を供給されて高周波でスイッチングを行う。
【００３１】
（チョッパ回路ＢＵＣ） チョッパ回路ＢＵＣは、インダクタＬ１、帰還回路ＦＢＣおよび一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２からなり、後述する平滑コンデンサＣ１を充電する。インダクタＬ１は、ブリッジ形整流・変換回路ＢＲＣの交流入力端ｊ１、ｊ２において高周波交流電源ＡＣと直列接続している。帰還回路ＦＢＣは、２つの整流素子Ｄ３、Ｄ４からなり、一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２に逆並列接続している。したがって、帰還回路の２つの整流素子Ｄ３、Ｄ４は、一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２がＭＯＳＦＥＴからなる場合、ＭＯＳＦＥＴのドレイン・ソース間に等価的に逆並列接続する寄生ダイオードを利用することができる。帰還回路ＦＢＣからの帰還出力は、整流素子Ｄ３のアノード側の接続点ｊ３と、整流素子Ｄ４のカソード側の接続点ｊ４との間に現れる。
【００３２】
（制御手段ＣＣ） 制御手段ＣＣは、一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の交互スイッチングに対してＰＷＭ制御を加えるためにＰＷＭ制御信号を発生する回路手段である。ＰＷＭ制御信号は、電源電圧の変動に応じて駆動信号のオンデューティを所要に制御することにより、高周波インバータの電源変動率を改善することができる。
【００３３】
（リミッタＬＭ） リミッタＬＭは、図１に示すように、制御手段ＣＣとインバータ主回路ＩＮＶの駆動信号発生回路ＤＣとの間に介在しており、また図２に示すように、コンパレータＣＰ、掃引波形発生回路ＳＳＧおよびリミッタ値決定回路ＬＤＣからなる。コンパレータＣＰは、演算増幅器からなり、一対の制御入力端子および単一の出力端子を有している。出力端子は、駆動回路の制御入力端に接続している。そして、コンパレータＣＰの出力信号は、駆動信号のオンデューティを制御する。掃引波形発生回路ＳＳＧは、繰り返し周波数がスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチング周波数に等しい鋸歯状波を発生し、コンパレータＣＰの一方の制御入力端子に入力する。リミッタ値決定回路ＬＶＤは、オンデューティの下限値を決定するもので、リミッタ値と制御信号が比較されて制御信号がリミッタ値より大きいときには制御信号がコンパレータＣＰの他方の制御入力端子に供給されるが、反対にリミッタ値の方が制御信号より大きいときには、当該リミッタ値がコンパレータＣＰの他方の制御入力端子に供給されるように構成されている。
【００３４】
（平滑コンデンサＣ１） 平滑コンデンサＣ１は、電解コンデンサからなり、帰還回路ＦＢＣの帰還出力が現れる接続点ｊ３、ｊ４間に接続していて、帰還出力により充電される。
【００３５】
＜負荷回路ＬＣ＞ 負荷回路ＬＣは、直流カットコンデンサＣ２および共振回路ＲＣの直列回路を備えているとともに、その直列回路の両端がスイッチング素子Ｑ２に並列接続して形成された閉回路により構成されている。直流カットコンデンサＣ２は、その一端がスイッチング素子Ｑ１およびＱ２の接続点に接続し、他端が共振回路ＲＣに接続している。共振回路ＲＣは、共振インダクタＬ２および共振コンデンサＣ３の直列回路からなる。
【００３６】
＜放電ランプＤＬ＞ 放電ランプＤＬは、例えば蛍光ランプからなり、負荷回路ＬＣの共振コンデンサＣ３に並列接続している。
【００３７】
＜回路動作＞ 次に、本実施の形態における回路動作について説明する。
【００３８】
まず、最初に通常の回路動作について説明する。すなわち、低周波交流電源ＡＣを投入したときに、低周波交流電源ＡＣの極性が高周波インバータＨＦＩの入力端子ｔ２が正の電圧になる場合であると、高周波インバータＨＦＩは、インバータ主回路ＩＮＶの整流素子Ｄ１に対して順方向になる極性において、一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２が高周波で交互にスイッチングを行うと、スイッチング素子Ｑ１がオン時に低周波交流電源ＡＣ→インバータ主回路ＩＮＶの整流素子Ｄ１→スイッチング素子Ｑ１→チョッパ回路ＢＵＣのインダクタＬ１→低周波交流電源ＡＣの閉回路を電流が流れ、インダクタＬ１に電磁エネルギーが蓄積される。
【００３９】
上記に続いてスイッチング素子Ｑ１がオフすると、チョッパ回路ＢＵＣのインダクタＬ１に蓄積された電磁エネルギーが放出されて逆起電力がインダクタＬ１の両端に現れる。この逆起電力によってインダクタＬ１→低周波交流電源ＡＣ→整流素子Ｄ１→平滑コンデンサＣ１→帰還回路ＦＢＣの整流素子Ｄ４→インダクタＬ１の閉回路を電流が流れ、平滑コンデンサＣ１が充電される。
【００４０】
以上の回路動作において、チョッパ回路ＢＵＣが昇圧チョッパとして動作するので、平滑コンデンサＣ１の充電電圧は、スイッチング素子Ｑ１のオンデューティに比例的に依存するものの昇圧されてインダクタＬ１の降下電圧より高くなる。
【００４１】
一方、平滑コンデンサＣ１の充電電荷は、以下に説明するように放電する。そして、一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２および負荷回路ＬＣは、ハーフブリッジ形インバータとして動作して放電ランプＤＬを高周波点灯する。すなわち、スイッチング素子Ｑ１がオンすると、平滑コンデンサＣ１→スイッチング素子Ｑ１→負荷回路ＬＣの直流カットコンデンサＣ２→共振インダクタＬ２→共振コンデンサＣ３→平滑コンデンサＣ１の閉回路を平滑コンデンサＣ１の放電電流が流れ、共振インダクタＬ２に電磁エネルギーが蓄積されるとともに、共振コンデンサＣ３が充電される。
【００４２】
次に、スイッチング素子Ｑ１がオフすると、インダクタＬ２に逆起電力が生じて、共振インダクタＬ２→共振コンデンサＣ３→帰還回路ＦＢＣの整流素子Ｄ４→直流カットコンデンサＣ２→共振インダクタＬ２の閉回路を電流が流れてインダクタＬ２蓄積された電磁エネルギーが放出され、共振コンデンサＣ３は、さらに充電される。
【００４３】
続いてスイッチング素子Ｑ２がオンすると、共振コンデンサＣ３に蓄積されていた電荷が放出されて共振コンデンサＣ３→共振インダクタＬ２→直流カットコンデンサＣ２→スイッチング素子Ｑ２→共振コンデンサＣ３の閉回路を電流が流れる。
【００４４】
低周波交流電源の極性が同じ半波の間、以上の回路動作が繰り返えされることによって、負荷回路ＬＣの共振コンデンサＣ３に並列接続する放電ランプＤＬは、共振コンデンサＣ３の両端に現れる高周波交流電圧の共振電圧が印加されるので、始動し、その後引き続いて高周波点灯する。
【００４５】
次に、低周波交流電源ＡＣの極性が反転して高周波インバータＨＦＩの入力端子ｔ１が正の電圧になると、高周波インバータＨＦＩは、インバータ主回路ＩＮＶの整流素子Ｄ２に対して順方向になり、一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２が高周波で交互にスイッチングを行うと、スイッチング素子Ｑ２がオン時に低周波交流電源ＡＣ→チョッパ回路ＢＵＣのインダクタＬ１→スイッチング素子Ｑ２→整流素子Ｄ２→低周波交流電源ＡＣの閉回路を電流が流れ、インダクタＬ１に電磁エネルギーが蓄積される。
【００４６】
上記に続いてスイッチング素子Ｑ２がオフすると、チョッパ回路ＢＵＣのインダクタＬ１に蓄積された電磁エネルギーが放出されて逆起電力がインダクタＬ１の両端に現れる。この逆起電力によってインダクタＬ１→帰還回路ＦＢＣの整流素子Ｄ３→平滑コンデンサＣ１→整流素子Ｄ２→インダクタＬ１の閉回路を電流が流れ、平滑コンデンサＣ１が充電される。
【００４７】
以上の回路動作において、チョッパ回路ＢＵＣが昇圧チョッパとして動作するので、平滑コンデンサＣ１の充電電圧は、オンデューティに比例的に依存するものの昇圧されてインダクタＬ１の電圧降下より高くなる。
【００４８】
一方、平滑コンデンサＣ１の充電電荷は、前述と同様に放電する。
【００４９】
次に、高周波インバータＨＦＩのＰＷＭ制御における保護動作について説明する。以上説明した回路動作において、高周波インバータＨＦＩの一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は、そのスイッチングが駆動信号により制御され、図３に示すようにスイッチング素子Ｑ１に供給する駆動信号Ｓ１と、スイッチング素子Ｑ２に供給する駆動信号Ｓ２との間にはデッドタイムｔＤがある。駆動信号Ｓ１、Ｓ２は、駆動信号発生回路ＤＣから発生し、時間ｔＯＮの間スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をそれぞれオンさせ、時間ｔＯＦＦの間オフする。駆動信号発生回路ＤＣが発生する駆動信号は、制御手段から送出される制御信号によりスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオン時間ｔＯＮおよびオフ時間ｔＯＦＦの時間幅を変化させてＰＷＭ制御を行う。ＰＷＭ制御において、オンデューティはｔＯＮ／（ｔＯＮ＋ｔＯＦＦ）（％）であり、デッドタイム比はｔＤ／（ｔＯＮ＋ｔＯＦＦ）（％）である。
【００５０】
本実施の形態においては、オンデューティの値がリミッタＬＭを経由して予め定められた一定の範囲内において制御手段ＣＣにより制御される。リミッタＬＭのリミッタ値決定回路ＬＤＣは、本実施の形態において、リミッタ値をオンデューティが３０％になるような値に設定されている。すなわち、図３において、制御信号Ｓ１、Ｓ２の値がリミッタＬＭのリミッタ値決定回路ＬＤＣにより設定されるリミッタ値より大きいときには当該制御信号が駆動信号発生回路ＤＣに制御入力する。しかし、制御信号Ｓ１、Ｓ２がリミッタ値以下のときには当該制御信号は駆動信号発生回路ＤＣに制御入力されないで、その代わりリミッタ値が制御入力する。したがって、放電ランプＤＬに現れるランプ電圧は、制御信号Ｓ１、Ｓ２の如何にかかわらず高周波インバータＨＦＩの出力波形が乱れるようなことがなくなり、常に図４において直線Ｂ以上の領域が示す安定動作域において動作することになる。したがって、図４において直線Ｂ未満の領域が示す不安定動作域に陥るようなことがなくなる。なお、図４において、横軸は電源電圧を、縦軸はオンデューティを、それぞれ示す。また、曲線Ａは、高周波インバータＨＦＩの出力特性を示している。
【００５１】
以下、図５ないし図８を参照して本発明におけるその他の実施の形態について説明する。なお、各図において、図１と同一部分については同一符号を付して説明は省略する。
【００５２】
図５は、本発明の放電ランプ点灯装置における第２の実施の形態を示す回路図である。本実施の形態は、高周波インバータＨＦＩのインバータ主回路ＩＮＶがハーフブリッジ形インバータである点で図１と異なる。すなわち、高周波インバータＨＦＩのインバータ主回路ＩＮＶは、直列接続した一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を主体として構成され、直流電源ＤＣの正極がチョッパ回路ＢＵＣのインダクタＬ１を介して一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の接続点ｊ１に接続し、負極がスイッチング素子Ｑ２のソースに接続している。
【００５３】
チョッパ回路ＢＵＣは、インダクタＬ１、帰還回路ＦＢＣおよびスイッチング素子Ｑ２により昇圧チョッパとして構成されている。帰還回路ＦＢＣは、図示の回路上の位置に接続した整流素子Ｄ３により構成されている。
【００５４】
次に、回路動作について説明する。直流電源ＤＣを投入すると、スイッチング素子Ｑ２がオンしたときに、直流電源ＤＣの正極→インダクタＬ１→直流電源ＤＣの負極の閉回路内を電流が流れ、インダクタＬ１はその内部に電磁エネルギーが蓄積される。スイッチング素子Ｑ２がオフすると、インダクタＬ１に蓄積された電磁エネルギーがインダクタＬ１→整流素子Ｄ３→平滑コンデンサＣ１→直流電源ＤＣの負極→インダクタＬ１の閉回路内を電流が流れ、平滑コンデンサＣ１は充電される。
【００５５】
次に、スイッチング素子Ｑ１がオンすると、平滑コンデンサＣ１→スイッチング素子Ｑ１→直流カットコンデンサＣ２→共振回路ＲＣ→平滑コンデンサＣ１の閉回路内を平滑コンデンサＣ１の充電電荷の放電電流が流れ、共振回路ＲＣの共振コンデンサＣ３が充電される。続いてスイッチング素子Ｑ２がオンすると、コンデンサＣ３→インダクタＬ２→直流カットコンデンサＣ２→スイッチング素子Ｑ２→コンデンサＣ３の閉回路内をコンデンサＣ３の蓄積電荷が放電する。
【００５６】
負荷回路ＬＣにおいて共振コンデンサＣ３に並列接続している放電ランプＤＬは、コンデンサＣ３の両端間に現れる高周波交流電圧の共振電圧が印加されて始動し、点灯する。
【００５７】
図６は、本発明の放電ランプ点灯装置における第３の実施の形態を示す回路図である。本実施の形態は、直流電源ＤＣの極性が反対である点で図５と異なる。すなわち、直流電源ＤＣは、その正極が整流素子Ｄ５を順方向に介してスイッチング素子Ｑ１のドレインおよび平滑コンデンサＣ１の正極に接続し、負極がチョッパ回路ＢＵＣのインダクタＬ１を介して一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の接続点ｊ１に接続している。
【００５８】
チョッパ回路ＢＵＣは、帰還回路ＦＢＣが図示の回路上の位置に接続した整流素子Ｄ４およびＤ５により構成されている。
【００５９】
次に、回路動作について説明する。直流電源ＤＣを投入すると、スイッチング素子Ｑ１がオンしたときに、直流電源ＤＣの正極→整流素子Ｄ５→スイッチング素子Ｑ１→インダクタＬ１→直流電源ＤＣの負極の閉回路内を電流が流れ、インダクタＬ１はその内部に電磁エネルギーが蓄積される。スイッチング素子Ｑ１がオフすると、インダクタＬ１に蓄積された電磁エネルギーがインダクタＬ１→直流電源ＤＣ→整流素子Ｄ５→平滑コンデンサＣ１→整流素子Ｄ２→インダクタＬ１の閉回路内を電流が流れ、平滑コンデンサＣ１は充電される。
【００６０】
平滑コンデンサＣ１の充電電荷の放電による一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の交互スイッチングによるハーフブリッジ形インバータとしての動作およびその結果としての放電ランプＤＬの始動、点灯については図５の実施の形態におけるのと同様である。
【００６１】
図７は、本発明の放電ランプ点灯装置における第４の実施の形態を示す回路図である。本実施の形態は、直流電源ＤＣに代えて低周波交流電源ＡＣ、ブリッジ形整流回路ＢＲＣおよび高周波バイパスコンデンサＣ４を用いている点で図５と異なる。
【００６２】
すなわち、低周波交流電源ＡＣは、ブリッジ形整流回路ＢＲＣの交流入力端間に接続している。ブリッジ形整流回路ＢＲＣの直流出力端は、図５の直流電源ＤＣと同様に接続している。高周波バイパスコンデンサＣ４は、ブリッジ形整流回路ＢＲＣの直流出力端間に並列接続している。したがって、回路動作は、図５と基本的には同様である。しかし、チョッパ回路ＢＵＣの帰還回路ＦＢＣは、整流素子Ｄ３およびブリッジ形整流回路ＢＲＣにより構成されている。
【００６３】
図８は、本発明の放電ランプ点灯装置における第５の実施の形態を示す回路図である。本実施の形態は、直流電源ＤＣおよび整流素子Ｄ５に代えて低周波交流電源ＡＣ、ブリッジ形整流回路ＢＲＣおよび高周波バイパスコンデンサＣ４を用いている点で図６と異なる。したがって、回路動作は、図６と概ね同様である。しかし、チョッパ回路ＢＵＣの帰還回路ＦＢＣは、整流素子Ｄ４およびブリッジ形整流回路ＢＲＣにより構成されている。
【００６４】
以上の各実施の形態において、リミッタＬＭの構成および作用は図１および図３に示し、かつ、説明したのと同様である。
【００６５】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、一対のスイッチング素子のスイッチングにおけるオンデューティが所定値以下にならないように、またはデッドタイム比が所定値以上にならないように制限するリミッタを具備していることにより、オンデューティが所定値以下になるか、デッドタイム比が所定値以上になって出力電圧波形に大きな歪が生じて出力低下や負荷の動作異常が発生するのを防止した高周波インバータを提供することができる。
【００６６】
請求項２の発明によれば、請求項１記載の高周波インバータと、高周波インバータにより発生した高周波出力電圧に共振する共振回路を備えた負荷回路と、負荷回路に接続した放電ランプとを具備していることにより、オンデューティが所定値以下になるか、デッドタイム比が所定値以上になって放電ランプの明るさのちらつきや立ち消えなどの動作異常が発生するのを防止して安全な点灯を維持する放電ランプ点灯装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高周波インバータおよび放電ランプ点灯装置における第１の実施の形態の装置全体を示す回路図
【図２】同じく要部を示す回路図
【図３】同じくスイッチング素子の駆動信号を説明する波形図
【図４】同じく高周波インバータの出力特性を示すグラフ
【図５】本発明の放電ランプ点灯装置における第２の実施の形態を示す回路図
【図６】本発明の放電ランプ点灯装置における第３の実施の形態を示す回路図
【図７】本発明の放電ランプ点灯装置における第４の実施の形態を示す回路図
【図８】本発明の放電ランプ点灯装置における第５の実施の形態を示す回路図
【符号の説明】
ＢＵＣ…チョッパ回路、Ｃ１…平滑コンデンサ、Ｃ２…直流カットコンデンサ、Ｃ３…共振コンデンサ、ＣＣ…制御手段、Ｄ１〜Ｄ４……整流素子、ＤＣ……駆動信号発生回路、ＤＬ…放電ランプ、ＦＢＣ…帰還回路、ＨＦＩ…高周波インバータ、ＩＮＶ…インバータ主回路、Ｌ１…インダクタ、Ｌ２…共振インダクタ、ＬＣ…負荷回路、ＬＭ…リミッタ、Ｑ１、Ｑ２…スイッチング素子、ＲＣ…共振回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、交互にスイッチングする一対のスイッチング素子を備えた高周波インバータおよびこれを備えた放電ランプ点灯装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
交互にスイッチングする一対のスイッチング素子を備えた高周波インバータにおいて、一対のスイッチング素子をチョッパのスイッチング素子として兼用して昇圧チョッパを複合化した放電ランプ点灯装置は、既に知られている（例えば、非特許文献１参照。）。このものは高周波インバータのスイッチング素子とチョッパ回路のスイッチング素子を兼用するので、配線基板の実装面積を小さくして装置の小形、軽量化とコストダウンを図ることができる。
【０００３】
また、昇圧チョッパを複合化した放電ランプ点灯装置において、スイッチング素子をＰＷＭ制御することにより、高周波出力の調整機能を付与することができる。この高周波出力の調整機能を利用することにより、電源電圧変動や負荷変動に対して負荷への出力を調整して一定化したり、調光など高周波出力調節を行ったりすることが可能になる。
【０００４】
【非特許文献１】
日本照明学会２０００年５月発行「照明学会誌 第８４巻第５号」第２７３〜２８０頁
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この種のＰＷＭ制御において、オンデューティをある値以下にする、あるいは一対のスイッチング素子によるオン期間の間のデッドタイムをある値以上にすると、出力電圧波形に大きな歪が生じて出力低下、明るさのちらつきや負荷の放電ランプの立ち消えなどが発生するという問題があった。
【０００５】
本発明は、オンデューティが所定値以下になるか、デッドタイム比が所定値以上になって出力電圧波形に大きな歪が生じて出力低下や負荷の動作異常が発生するのを防止した高周波インバータを提供することを目的とする。
【０００６】
また、本発明は、オンデューティが所定値以下になるか、デッドタイム比が所定値以上になって出力電圧波形に大きな歪が生じて出力低下や放電ランプの明るさのちらつきや立ち消えなどの動作異常が発生するのを防止して安定な点灯を維持する放電ランプ点灯装置を提供することを他の目的とする。
【０００７】
【課題を達成するための手段】
請求項１の発明の高周波インバータは、デッドタイムを挟んで交互にスイッチングする一対のスイッチング素子を含んで構成されたインバータ主回路と；
インバータ主回路における一対のスイッチング素子の両方またはいずれか一方、インダクタおよび帰還回路を含むチョッパ回路と；一対のスイッチング素子のスイッチングにおけるオンデューティまたはデッドタイムを制御する制御手段と；一対のスイッチング素子のスイッチングにおけるオンデューティが所定値以下にならないように、またはデッドタイム比が所定値以上にならないように制限するリミッタと；を具備していることを特徴としている。
【０００８】
本発明および以下の各発明において、特に指定しない限り用語の定義および技術的意味は次による。
【０００９】
＜高周波インバータについて＞ 本発明において、「高周波」とは、周波数１ｋＨｚ以上、好ましくは可聴周波数の限界を超える２０ｋＨｚ以上、より好ましくはリモコンの搬送周波数より高い４０ｋＨｚ以上をいう。「インバータ」とは、交流−交流間変換装置をいい、本発明において「高周波インバータ」とは、低周波交流を高周波交流に変換する回路手段を意味する。
【００１０】
＜インバータ主回路について＞ 本発明におけるインバータ主回路は、少なくともデッドタイムを挟んで高周波で交互にスイッチングする一対のスイッチング素子およびスイッチング素子を駆動するための駆動信号発生回路を備えていて、高周波出力を発生するインバータ主回路であればどのような構成であってもよい。例えば、ハーフブリッジ形インバータ、フルブリッジ形インバータ、中性点降圧形インバータなどを用いることができる。なお、ハーフブリッジ形インバータは、順方向に揃えて直列接続した一対のスイッチング素子を直流電源（平滑コンデンサを含む。）に接続してなり、一対のスイッチング素子の交互スイッチングによって高周波出力を得る構成である。また、フルブリッジ形インバータは、ブリッジ回路の４辺にスイッチング素子が接続していて、互いに対向する２辺のスイッチング素子を交互にスイッチングさせ、入力端に直流電圧を接続して、出力端から交流出力を得る構成である。さらに、中性点降圧形インバータは、低周波交流を整流して直流に変換するとともに、直流をスイッチングによって高周波に変換する手段であり、一対のスイッチング素子の直列回路と一対の整流素子の直列回路とを並列接続してブリッジ回路を形成して、そのブリッジ回路の交流入力端に低周波交流電源を接続した構成において、一対のスイッチング素子の交互スイッチングによって高周波出力を得る構成である。そして、低周波交流を直流に変換するには、主として一対の整流素子が作用する。また、直流を高周波に変換するには、一対のスイッチング素子が作用する。
【００１１】
本発明において、インバータ主回路における一対のスイッチング素子は、直接直列接続している態様および他の回路素子、例えば抵抗器などを介して間接的に直列接続した態様のいずれであってもよい。また、一対のスイッチング素子および一対の整流素子は、機能上一対として作用することができればよく、一対の両方またはいずれか一方がそれぞれ複数の素子により構成されていることを許容する。さらに、スイッチング素子は、高周波でスイッチング可能な可制御なスイッチング素子であれば、どのような構成であってもよく、例えばバイポーラトランジスタ、ＦＥＴなどを用いることができる。
【００１２】
また、駆動信号発生回路は、スイッチング素子のスイッチングを制御するための駆動信号を発生してスイッチング素子に供給する手段である。したがって、駆動信号発生回路には、スイッチング素子の構成に応じて既知の回路を適宜選択して用いればよい。
【００１３】
＜チョッパ回路について＞ 本発明において、「チョッパ回路」とは、直流電流のスイッチングによりインダクタの両端間に生じる逆起電力を帰還して、ある電圧の直流電圧を電圧の異なる他の直流電圧に変換する手段をいう。そして、降圧形、昇圧形、逆極性形などいずれの形式のチョッパ回路であってもよい。インダクタは、チョッパ専用であってもよいし、出力用トランスを兼ねていてもよい。逆起電力を帰還するための帰還回路は、どのような構成であってもよい。なお、直流電流のスイッチングは、インバータ主回路における一対のスイッチング素子の両方またはいずれか一方が兼用される。
【００１４】
＜制御手段について＞ 制御手段は、一対のスイッチング素子のスイッチングにおけるオンデューティまたはデッドタイム比を制御する手段であり、所望に応じて電源電圧や出力電圧に応動したり、外部信号に応動して上記オンデューティまたはデッドタイム比を制御するように構成することができる。オンデューティを制御する場合、スイッチングの周期が一定であるがオン時間とオフ時間との比率すなわちオンデューティ比を変化させる。デッドタイム比を制御する場合、例えばオン時間が一定であるがデッドタイムを変化させる。したがって、後者の例の場合には周期が変化する。
【００１５】
また、制御手段は、例えばスイッチング素子の駆動信号を発生する駆動信号発生回路を制御して、その発生する駆動信号の発生位相や周期したがって周波数を制御することにより、一対のスイッチング素子のスイッチングを制御する。
【００１６】
＜リミッタについて＞ リミッタは、一対のスイッチング素子のスイッチングにおけるオンデューティが所定値以下にならないように、またはデッドタイム比が所定値以上にならないように制限する手段であり、所定値は予め適切な値に定めることができる。なお、オンデューティは、スイッチングの１周期に対するオン期間の比をいう。また、デッドタイム比は、デッドタイムの１周期に対するオン期間の比をいう。しかし、所定値として好適な値は、本発明者の検討によると、オンデューティでは２０％、デッドタイム比では３０％であった。
【００１７】
オンデューティが所定値以下にならないように、またはデッドタイム比が所定値以上にならないように制限するために用いるリミッタとしては、具体的な構成が特段限定されないが、例えば以下のように構成することができる。すなわち、制御手段とスイッチング素子の駆動回路との間にリミッタを介在させて、ＰＷＭ制御やデッドタイム比制御のための制御信号が所定値範囲から逸脱するような値でスイッチング素子の駆動信号発生回路に制御入力しようとしても、これを阻止して安定な動作状態を維持するように構成する。さらに具体的に説明すれば、このためのリミッタは、例えばコンパレータ、鋸歯状ないし三角波などの掃引波形発生回路およびリミッタ値決定回路により構成することができる。コンパレータの出力により駆動回路を作動させ、コンパレータの一方の入力端子に掃引波形発生回路の出力を供給し、他方の入力端子にリミッタ値決定回路を経由してオンデューティやデッドタイム比を制御するための制御信号源としての制御手段を接続する。なお、「リミッタ値決定回路を経由」するとは、制御信号がリミッタ値を超えている場合にのみ当該制御信号を通過させるが、超えていない場合にはリミッタ値が入力される意味である。したがって、制御信号がリミッタ値決定回路から供給されるリミッタ値以下のときであっても、コンパレータはリミッタ値による出力を生じる。
【００１８】
＜本発明の作用について＞ 本発明においては、以上の構成を具備していることにより、インバータ主回路およびチョッパ回路の両者を兼ねるスイッチング素子の制御信号が所定値範囲から逸脱するような値であっても、制御手段とスイッチング素子の駆動回路との間に介在させたリミッタが、当該制御信号がスイッチング素子の駆動信号発生回路に制御入力するのを阻止するので、高周波インバータの出力電圧波形に大きな歪が生じて出力低下や動作異常が発生するのを防止して安定な高周波電圧発生動作を維持することができる。
【００１９】
請求項２の発明の放電ランプ点灯装置は、請求項１記載の高周波インバータと；高周波インバータにより発生した高周波出力電圧に共振する共振回路を備えた負荷回路と；負荷回路に接続した放電ランプと；を具備していることを特徴としている。
【００２０】
＜負荷回路について＞ 負荷回路は、インバータ主回路の高周波交流電圧の出力に共振する共振回路を備えている。また、負荷回路は、インバータ主回路の高周波交流電圧が得られる回路上の適当な位置に接続することができる。例えば、インバータ主回路がハーフブリッジ形インバータや中性点降圧形インバータを構成する場合には、一対のスイッチング素子における一方の両端間に接続された負荷回路中に放電ランプを接続することができる。また、中性点降圧形インバータの場合には、低周波交流電源と直列接続するチョッパ回路のインダクタを共振インダクタとするとともに共振コンデンサを附加して共振回路を形成することにより負荷回路を構成して、上記インダクタと直列または並列に負荷を接続することもできる。なお、上記の接続態様において、高周波成分のみを選択して抽出するために、インダクタに２次巻線を巻装して出力トランスを構成し、当該出力トランスを経由して放電ランプを付勢することができる。
【００２１】
共振回路は、一対のスイッチング素子の交互スイッチングにより発生した高周波電圧に共振する。そして、共振インダクタおよび共振コンデンサにより形成されている。なお、「インダクタ」とは、インダクタンスを有する回路手段を意味し、チョークコイルのようなものに限定されない。したがって、１次側から見て適当なインダクタンスを有すればトランスなどであってもよい。そうして、共振回路は、放電ランプの始動時には共振により高電圧を形成して、これを放電ランプに印加することにより始動を促進するとともに、共振によって高周波電圧の波形を正弦波に整形する。
【００２２】
また、放電ランプの始動のために、負荷回路の共振回路による共振電圧だけでは不足の場合には、別設のイグナイタをそこから発生する高電圧パルスが放電ランプに印加されるように負荷回路に接続することができる。
【００２３】
＜放電ランプについて＞ 放電ランプは、どのようなものでもよく、例えば蛍光ランプなどの低圧放電ランプやメタルハライドランプなどの高圧放電ランプを用いることができる。なお、低圧放電ランプは、熱陰極形電極および冷陰極形電極のいずれを封装しているものであってもよい。
【００２４】
また、放電ランプは、高周波電圧の共振出力が印加されるような負荷回路上の適当な位置に接続される。なお、負荷回路に接続される放電ランプの数は複数であってもよい。
【００２５】
＜本発明の作用について＞ 本発明は、以上の構成を具備していることにより、放電ランプの明るさのちらつきや立ち消えなどの動作異常が発生するのを防止して安定な点灯を維持させることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００２７】
図１ないし図４は、本発明の高周波インバータおよび放電ランプ点灯装置における第１の実施の形態を示し、図１は装置全体を示す回路図、図２は要部を示す回路図、図３はスイッチング素子の駆動信号を説明する波形図、図４は高周波インバータの出力特性を示すグラフである。本実施の形態において、放電ランプ点灯装置は、高周波インバータＨＦＩ、負荷回路ＬＣおよび放電ランプＤＬからなる。
【００２８】
＜高周波インバータＩＮＶ＞ 高周波インバータＨＦＩは、インバータ主回路ＩＮＶ、チョッパ回路ＢＵＣ、制御手段ＣＣ、リミッタＬＭ、平滑コンデンサＣ１からなり、その入力端子ｔ１およびｔ２が低周波交流電源ＡＣに接続し、負荷回路ＬＣを介して放電ランプＤＬを高周波点灯する。
【００２９】
（インバータ主回路ＩＮＶ） は、中性点形降圧インバータ回路を構成しており、一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の直列回路と、一対の整流素子Ｄ１、Ｄ２の直列回路とを順方向の閉回路を形成するように並列接続して形成され、一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の接続点ｊ１と、一対の整流素子Ｄ１、Ｄ２の接続点ｊ２との間が交流入力端となる。そして、交流入力端ｊ１、ｊ２には、後述するチョッパ回路ＢＵＣのインダクタＬ１を直列に介して低周波交流電源ＡＣが接続している。
【００３０】
また、インバータ主回路ＩＮＶは、駆動信号発生回路ＤＣを備えている。そして、一対のスイッチィング素子Ｑ１、Ｑ２が駆動信号発生回路ＤＣから発生する駆動信号を供給されて高周波でスイッチングを行う。
【００３１】
（チョッパ回路ＢＵＣ） チョッパ回路ＢＵＣは、インダクタＬ１、帰還回路ＦＢＣおよび一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２からなり、後述する平滑コンデンサＣ１を充電する。インダクタＬ１は、ブリッジ形整流・変換回路ＢＲＣの交流入力端ｊ１、ｊ２において高周波交流電源ＡＣと直列接続している。帰還回路ＦＢＣは、２つの整流素子Ｄ３、Ｄ４からなり、一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２に逆並列接続している。したがって、帰還回路の２つの整流素子Ｄ３、Ｄ４は、一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２がＭＯＳＦＥＴからなる場合、ＭＯＳＦＥＴのドレイン・ソース間に等価的に逆並列接続する寄生ダイオードを利用することができる。帰還回路ＦＢＣからの帰還出力は、整流素子Ｄ３のアノード側の接続点ｊ３と、整流素子Ｄ４のカソード側の接続点ｊ４との間に現れる。
【００３２】
（制御手段ＣＣ） 制御手段ＣＣは、一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の交互スイッチングに対してＰＷＭ制御を加えるためにＰＷＭ制御信号を発生する回路手段である。ＰＷＭ制御信号は、電源電圧の変動に応じて駆動信号のオンデューティを所要に制御することにより、高周波インバータの電源変動率を改善することができる。
【００３３】
（リミッタＬＭ） リミッタＬＭは、図１に示すように、制御手段ＣＣとインバータ主回路ＩＮＶの駆動信号発生回路ＤＣとの間に介在しており、また図２に示すように、コンパレータＣＰ、掃引波形発生回路ＳＳＧおよびリミッタ値決定回路ＬＤＣからなる。コンパレータＣＰは、演算増幅器からなり、一対の制御入力端子および単一の出力端子を有している。出力端子は、駆動回路の制御入力端に接続している。そして、コンパレータＣＰの出力信号は、駆動信号のオンデューティを制御する。掃引波形発生回路ＳＳＧは、繰り返し周波数がスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチング周波数に等しい鋸歯状波を発生し、コンパレータＣＰの一方の制御入力端子に入力する。リミッタ値決定回路ＬＶＤは、オンデューティの下限値を決定するもので、リミッタ値と制御信号が比較されて制御信号がリミッタ値より大きいときには制御信号がコンパレータＣＰの他方の制御入力端子に供給されるが、反対にリミッタ値の方が制御信号より大きいときには、当該リミッタ値がコンパレータＣＰの他方の制御入力端子に供給されるように構成されている。
【００３４】
（平滑コンデンサＣ１） 平滑コンデンサＣ１は、電解コンデンサからなり、帰還回路ＦＢＣの帰還出力が現れる接続点ｊ３、ｊ４間に接続していて、帰還出力により充電される。
【００３５】
＜負荷回路ＬＣ＞ 負荷回路ＬＣは、直流カットコンデンサＣ２および共振回路ＲＣの直列回路を備えているとともに、その直列回路の両端がスイッチング素子Ｑ２に並列接続して形成された閉回路により構成されている。直流カットコンデンサＣ２は、その一端がスイッチング素子Ｑ１およびＱ２の接続点に接続し、他端が共振回路ＲＣに接続している。共振回路ＲＣは、共振インダクタＬ２および共振コンデンサＣ３の直列回路からなる。
【００３６】
＜放電ランプＤＬ＞ 放電ランプＤＬは、例えば蛍光ランプからなり、負荷回路ＬＣの共振コンデンサＣ３に並列接続している。
【００３７】
＜回路動作＞ 次に、本実施の形態における回路動作について説明する。
【００３８】
まず、最初に通常の回路動作について説明する。すなわち、低周波交流電源ＡＣを投入したときに、低周波交流電源ＡＣの極性が高周波インバータＨＦＩの入力端子ｔ２が正の電圧になる場合であると、高周波インバータＨＦＩは、インバータ主回路ＩＮＶの整流素子Ｄ１に対して順方向になる極性において、一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２が高周波で交互にスイッチングを行うと、スイッチング素子Ｑ１がオン時に低周波交流電源ＡＣ→インバータ主回路ＩＮＶの整流素子Ｄ１→スイッチング素子Ｑ１→チョッパ回路ＢＵＣのインダクタＬ１→低周波交流電源ＡＣの閉回路を電流が流れ、インダクタＬ１に電磁エネルギーが蓄積される。
【００３９】
上記に続いてスイッチング素子Ｑ１がオフすると、チョッパ回路ＢＵＣのインダクタＬ１に蓄積された電磁エネルギーが放出されて逆起電力がインダクタＬ１の両端に現れる。この逆起電力によってインダクタＬ１→低周波交流電源ＡＣ→整流素子Ｄ１→平滑コンデンサＣ１→帰還回路ＦＢＣの整流素子Ｄ４→インダクタＬ１の閉回路を電流が流れ、平滑コンデンサＣ１が充電される。
【００４０】
以上の回路動作において、チョッパ回路ＢＵＣが昇圧チョッパとして動作するので、平滑コンデンサＣ１の充電電圧は、スイッチング素子Ｑ１のオンデューティに比例的に依存するものの昇圧されてインダクタＬ１の降下電圧より高くなる。
【００４１】
一方、平滑コンデンサＣ１の充電電荷は、以下に説明するように放電する。そして、一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２および負荷回路ＬＣは、ハーフブリッジ形インバータとして動作して放電ランプＤＬを高周波点灯する。すなわち、スイッチング素子Ｑ１がオンすると、平滑コンデンサＣ１→スイッチング素子Ｑ１→負荷回路ＬＣの直流カットコンデンサＣ２→共振インダクタＬ２→共振コンデンサＣ３→平滑コンデンサＣ１の閉回路を平滑コンデンサＣ１の放電電流が流れ、共振インダクタＬ２に電磁エネルギーが蓄積されるとともに、共振コンデンサＣ３が充電される。
【００４２】
次に、スイッチング素子Ｑ１がオフすると、インダクタＬ２に逆起電力が生じて、共振インダクタＬ２→共振コンデンサＣ３→帰還回路ＦＢＣの整流素子Ｄ４→直流カットコンデンサＣ２→共振インダクタＬ２の閉回路を電流が流れてインダクタＬ２蓄積された電磁エネルギーが放出され、共振コンデンサＣ３は、さらに充電される。
【００４３】
続いてスイッチング素子Ｑ２がオンすると、共振コンデンサＣ３に蓄積されていた電荷が放出されて共振コンデンサＣ３→共振インダクタＬ２→直流カットコンデンサＣ２→スイッチング素子Ｑ２→共振コンデンサＣ３の閉回路を電流が流れる。
【００４４】
低周波交流電源の極性が同じ半波の間、以上の回路動作が繰り返えされることによって、負荷回路ＬＣの共振コンデンサＣ３に並列接続する放電ランプＤＬは、共振コンデンサＣ３の両端に現れる高周波交流電圧の共振電圧が印加されるので、始動し、その後引き続いて高周波点灯する。
【００４５】
次に、低周波交流電源ＡＣの極性が反転して高周波インバータＨＦＩの入力端子ｔ１が正の電圧になると、高周波インバータＨＦＩは、インバータ主回路ＩＮＶの整流素子Ｄ２に対して順方向になり、一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２が高周波で交互にスイッチングを行うと、スイッチング素子Ｑ２がオン時に低周波交流電源ＡＣ→チョッパ回路ＢＵＣのインダクタＬ１→スイッチング素子Ｑ２→整流素子Ｄ２→低周波交流電源ＡＣの閉回路を電流が流れ、インダクタＬ１に電磁エネルギーが蓄積される。
【００４６】
上記に続いてスイッチング素子Ｑ２がオフすると、チョッパ回路ＢＵＣのインダクタＬ１に蓄積された電磁エネルギーが放出されて逆起電力がインダクタＬ１の両端に現れる。この逆起電力によってインダクタＬ１→帰還回路ＦＢＣの整流素子Ｄ３→平滑コンデンサＣ１→整流素子Ｄ２→インダクタＬ１の閉回路を電流が流れ、平滑コンデンサＣ１が充電される。
【００４７】
以上の回路動作において、チョッパ回路ＢＵＣが昇圧チョッパとして動作するので、平滑コンデンサＣ１の充電電圧は、オンデューティに比例的に依存するものの昇圧されてインダクタＬ１の電圧降下より高くなる。
【００４８】
一方、平滑コンデンサＣ１の充電電荷は、前述と同様に放電する。
【００４９】
次に、高周波インバータＨＦＩのＰＷＭ制御における保護動作について説明する。以上説明した回路動作において、高周波インバータＨＦＩの一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は、そのスイッチングが駆動信号により制御され、図３に示すようにスイッチング素子Ｑ１に供給する駆動信号Ｓ１と、スイッチング素子Ｑ２に供給する駆動信号Ｓ２との間にはデッドタイムｔＤがある。駆動信号Ｓ１、Ｓ２は、駆動信号発生回路ＤＣから発生し、時間ｔＯＮの間スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をそれぞれオンさせ、時間ｔＯＦＦの間オフする。駆動信号発生回路ＤＣが発生する駆動信号は、制御手段から送出される制御信号によりスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオン時間ｔＯＮおよびオフ時間ｔＯＦＦの時間幅を変化させてＰＷＭ制御を行う。ＰＷＭ制御において、オンデューティはｔＯＮ／（ｔＯＮ＋ｔＯＦＦ）（％）であり、デッドタイム比はｔＤ／（ｔＯＮ＋ｔＯＦＦ）（％）である。
【００５０】
本実施の形態においては、オンデューティの値がリミッタＬＭを経由して予め定められた一定の範囲内において制御手段ＣＣにより制御される。リミッタＬＭのリミッタ値決定回路ＬＤＣは、本実施の形態において、リミッタ値をオンデューティが３０％になるような値に設定されている。すなわち、図３において、制御信号Ｓ１、Ｓ２の値がリミッタＬＭのリミッタ値決定回路ＬＤＣにより設定されるリミッタ値より大きいときには当該制御信号が駆動信号発生回路ＤＣに制御入力する。しかし、制御信号Ｓ１、Ｓ２がリミッタ値以下のときには当該制御信号は駆動信号発生回路ＤＣに制御入力されないで、その代わりリミッタ値が制御入力する。したがって、放電ランプＤＬに現れるランプ電圧は、制御信号Ｓ１、Ｓ２の如何にかかわらず高周波インバータＨＦＩの出力波形が乱れるようなことがなくなり、常に図４において直線Ｂ以上の領域が示す安定動作域において動作することになる。したがって、図４において直線Ｂ未満の領域が示す不安定動作域に陥るようなことがなくなる。なお、図４において、横軸は電源電圧を、縦軸はオンデューティを、それぞれ示す。また、曲線Ａは、高周波インバータＨＦＩの出力特性を示している。
【００５１】
以下、図５ないし図８を参照して本発明におけるその他の実施の形態について説明する。なお、各図において、図１と同一部分については同一符号を付して説明は省略する。
【００５２】
図５は、本発明の放電ランプ点灯装置における第２の実施の形態を示す回路図である。本実施の形態は、高周波インバータＨＦＩのインバータ主回路ＩＮＶがハーフブリッジ形インバータである点で図１と異なる。すなわち、高周波インバータＨＦＩのインバータ主回路ＩＮＶは、直列接続した一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を主体として構成され、直流電源ＤＣの正極がチョッパ回路ＢＵＣのインダクタＬ１を介して一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の接続点ｊ１に接続し、負極がスイッチング素子Ｑ２のソースに接続している。
【００５３】
チョッパ回路ＢＵＣは、インダクタＬ１、帰還回路ＦＢＣおよびスイッチング素子Ｑ２により昇圧チョッパとして構成されている。帰還回路ＦＢＣは、図示の回路上の位置に接続した整流素子Ｄ３により構成されている。
【００５４】
次に、回路動作について説明する。直流電源ＤＣを投入すると、スイッチング素子Ｑ２がオンしたときに、直流電源ＤＣの正極→インダクタＬ１→直流電源ＤＣの負極の閉回路内を電流が流れ、インダクタＬ１はその内部に電磁エネルギーが蓄積される。スイッチング素子Ｑ２がオフすると、インダクタＬ１に蓄積された電磁エネルギーがインダクタＬ１→整流素子Ｄ３→平滑コンデンサＣ１→直流電源ＤＣの負極→インダクタＬ１の閉回路内を電流が流れ、平滑コンデンサＣ１は充電される。
【００５５】
次に、スイッチング素子Ｑ１がオンすると、平滑コンデンサＣ１→スイッチング素子Ｑ１→直流カットコンデンサＣ２→共振回路ＲＣ→平滑コンデンサＣ１の閉回路内を平滑コンデンサＣ１の充電電荷の放電電流が流れ、共振回路ＲＣの共振コンデンサＣ３が充電される。続いてスイッチング素子Ｑ２がオンすると、コンデンサＣ３→インダクタＬ２→直流カットコンデンサＣ２→スイッチング素子Ｑ２→コンデンサＣ３の閉回路内をコンデンサＣ３の蓄積電荷が放電する。
【００５６】
負荷回路ＬＣにおいて共振コンデンサＣ３に並列接続している放電ランプＤＬは、コンデンサＣ３の両端間に現れる高周波交流電圧の共振電圧が印加されて始動し、点灯する。
【００５７】
図６は、本発明の放電ランプ点灯装置における第３の実施の形態を示す回路図である。本実施の形態は、直流電源ＤＣの極性が反対である点で図５と異なる。すなわち、直流電源ＤＣは、その正極が整流素子Ｄ５を順方向に介してスイッチング素子Ｑ１のドレインおよび平滑コンデンサＣ１の正極に接続し、負極がチョッパ回路ＢＵＣのインダクタＬ１を介して一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の接続点ｊ１に接続している。
【００５８】
チョッパ回路ＢＵＣは、帰還回路ＦＢＣが図示の回路上の位置に接続した整流素子Ｄ４およびＤ５により構成されている。
【００５９】
次に、回路動作について説明する。直流電源ＤＣを投入すると、スイッチング素子Ｑ１がオンしたときに、直流電源ＤＣの正極→整流素子Ｄ５→スイッチング素子Ｑ１→インダクタＬ１→直流電源ＤＣの負極の閉回路内を電流が流れ、インダクタＬ１はその内部に電磁エネルギーが蓄積される。スイッチング素子Ｑ１がオフすると、インダクタＬ１に蓄積された電磁エネルギーがインダクタＬ１→直流電源ＤＣ→整流素子Ｄ５→平滑コンデンサＣ１→整流素子Ｄ２→インダクタＬ１の閉回路内を電流が流れ、平滑コンデンサＣ１は充電される。
【００６０】
平滑コンデンサＣ１の充電電荷の放電による一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の交互スイッチングによるハーフブリッジ形インバータとしての動作およびその結果としての放電ランプＤＬの始動、点灯については図５の実施の形態におけるのと同様である。
【００６１】
図７は、本発明の放電ランプ点灯装置における第４の実施の形態を示す回路図である。本実施の形態は、直流電源ＤＣに代えて低周波交流電源ＡＣ、ブリッジ形整流回路ＢＲＣおよび高周波バイパスコンデンサＣ４を用いている点で図５と異なる。
【００６２】
すなわち、低周波交流電源ＡＣは、ブリッジ形整流回路ＢＲＣの交流入力端間に接続している。ブリッジ形整流回路ＢＲＣの直流出力端は、図５の直流電源ＤＣと同様に接続している。高周波バイパスコンデンサＣ４は、ブリッジ形整流回路ＢＲＣの直流出力端間に並列接続している。したがって、回路動作は、図５と基本的には同様である。しかし、チョッパ回路ＢＵＣの帰還回路ＦＢＣは、整流素子Ｄ３およびブリッジ形整流回路ＢＲＣにより構成されている。
【００６３】
図８は、本発明の放電ランプ点灯装置における第５の実施の形態を示す回路図である。本実施の形態は、直流電源ＤＣおよび整流素子Ｄ５に代えて低周波交流電源ＡＣ、ブリッジ形整流回路ＢＲＣおよび高周波バイパスコンデンサＣ４を用いている点で図６と異なる。したがって、回路動作は、図６と概ね同様である。しかし、チョッパ回路ＢＵＣの帰還回路ＦＢＣは、整流素子Ｄ４およびブリッジ形整流回路ＢＲＣにより構成されている。
【００６４】
以上の各実施の形態において、リミッタＬＭの構成および作用は図１および図３に示し、かつ、説明したのと同様である。
【００６５】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、一対のスイッチング素子のスイッチングにおけるオンデューティが所定値以下にならないように、またはデッドタイム比が所定値以上にならないように制限するリミッタを具備していることにより、オンデューティが所定値以下になるか、デッドタイム比が所定値以上になって出力電圧波形に大きな歪が生じて出力低下や負荷の動作異常が発生するのを防止した高周波インバータを提供することができる。
【００６６】
請求項２の発明によれば、請求項１記載の高周波インバータと、高周波インバータにより発生した高周波出力電圧に共振する共振回路を備えた負荷回路と、負荷回路に接続した放電ランプとを具備していることにより、オンデューティが所定値以下になるか、デッドタイム比が所定値以上になって放電ランプの明るさのちらつきや立ち消えなどの動作異常が発生するのを防止して安全な点灯を維持する放電ランプ点灯装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高周波インバータおよび放電ランプ点灯装置における第１の実施の形態の装置全体を示す回路図
【図２】同じく要部を示す回路図
【図３】同じくスイッチング素子の駆動信号を説明する波形図
【図４】同じく高周波インバータの出力特性を示すグラフ
【図５】本発明の放電ランプ点灯装置における第２の実施の形態を示す回路図
【図６】本発明の放電ランプ点灯装置における第３の実施の形態を示す回路図
【図７】本発明の放電ランプ点灯装置における第４の実施の形態を示す回路図
【図８】本発明の放電ランプ点灯装置における第５の実施の形態を示す回路図
【符号の説明】
ＢＵＣ…チョッパ回路、Ｃ１…平滑コンデンサ、Ｃ２…直流カットコンデンサ、Ｃ３…共振コンデンサ、ＣＣ…制御手段、Ｄ１〜Ｄ４……整流素子、ＤＣ……駆動信号発生回路、ＤＬ…放電ランプ、ＦＢＣ…帰還回路、ＨＦＩ…高周波インバータ、ＩＮＶ…インバータ主回路、Ｌ１…インダクタ、Ｌ２…共振インダクタ、ＬＣ…負荷回路、ＬＭ…リミッタ、Ｑ１、Ｑ２…スイッチング素子、ＲＣ…共振回路
Claims (2)
- デッドタイムを挟んで交互にスイッチングする一対のスイッチング素子を含んで構成されたインバータ主回路と；
インバータ主回路における一対のスイッチング素子の両方またはいずれか一方、インダクタおよび帰還回路を含むチョッパ回路と；
一対のスイッチング素子のスイッチングにおけるオンデューティまたはデッドタイムを制御する制御手段と；
一対のスイッチング素子のスイッチングにおけるオンデューティが所定値以下にならないように、またはデッドタイム比が所定値以上にならないように制限するリミッタと；を具備していることを特徴とする高周波インバータ。 - 請求項１記載の高周波インバータと；
高周波インバータにより発生した高周波出力電圧に共振する共振回路を備えた負荷回路と；
負荷回路に接続した放電ランプと；を具備していることを特徴とする放電ランプ点灯装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003208266A JP2005073305A (ja) | 2003-08-21 | 2003-08-21 | 高周波インバータおよび放電ランプ点灯装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003208266A JP2005073305A (ja) | 2003-08-21 | 2003-08-21 | 高周波インバータおよび放電ランプ点灯装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2005073305A true JP2005073305A (ja) | 2005-03-17 |
Family
ID=34401619
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003208266A Pending JP2005073305A (ja) | 2003-08-21 | 2003-08-21 | 高周波インバータおよび放電ランプ点灯装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2005073305A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008059764A1 (fr) * | 2006-11-13 | 2008-05-22 | Harison Toshiba Lighting Corporation | Appareil d'éclairage à lampe à décharge |
-
2003
- 2003-08-21 JP JP2003208266A patent/JP2005073305A/ja active Pending
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