JP2005124373A - 高周波インバータ装置および放電ランプ点灯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
インバータのスイッチング素子と帰還回路を分離してスイッチング素子の信頼性を向上した高周波インバータ装置およびこれを用いた放電ランプ点灯装置を提供する。
【解決手段】
高周波インバータ装置ＨＦＩは、高周波で交互にスイッチングする直列接続した一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２と；その一方と直列接続して直流電源ＤＣに接続するインダクタＬ１、一方のスイッチング素子Ｑ２がオン状態からオフした時にインダクタに生じる逆起電力を帰還する第１の整流素子Ｄ１を含む帰還回路ＦＢＣおよび一対のスイッチング素子の一方Ｑ２を備えたチョッパ回路ＤＣＨと；その帰還出力により充電されるコンデンサＣ１と；一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の直列回路ＳＳＷおよびコンデンサＣ１の間を順方向に直列接続して閉回路を形成する第２の整流素子Ｄ２と；を具備している。
【選択図】
図１

Description

本発明は、一対の直列的に接続したスイッチング素子を備えた高周波インバータ装置およびこれを備えた放電ランプ点灯装置に関する。

商用交流電源のような低周波交流電源を用いて例えば放電ランプを高周波で点灯する照明用電子安定器における高調波対策は、パッシブフィルタ方式、アクティブフィルタ方式（例えば、非特許文献１参照。）および部分平滑方式に区分される。また、アクティブフィルタ方式には、チョッパ方式、チャージポンプ方式およびチャージポンプ＋チョッパ方式がある。
「照明学会誌」第８４巻第５号、２０００年５月発行、第２７３頁〜第２８０頁「チョッパ兼用インバータ式点灯回路の動作解析」

ところが、パッシブフィルタにおいては、負荷に直列のインダクタおよび並列のコンデンサを接続してそれらの共振周波数を電源周波数の３倍に共振するように回路定数を選択するが、特にインダクタには電力容量の大きなものを必要とするので、小形、軽量化を図ることができない。

アクティブフィルタにおいては、チョッパ形の場合、インバータとは別に独立した昇圧チョッパ回路を配設するので、部品点数が多くなり、コストアップを招く。また、チャージポンプ方式およびチャージポンプ＋チョッパ方式などのチョッパ兼用インバータは、インバータのスイッチング素子をアクティブフィルタのスイッチング素子として兼用するいわゆる複合形であるが、回路構成が複雑であったり、十分な平滑化作用が得られなかったりするなどの問題がある。

また、チョッパ兼用インバータは、そのスイッチング素子にＦＥＴを用いる場合、ＦＥＴの寄生ダイオードを帰還回路として用いる回路構成が採用されている。このため、寄生ダイオードの順方向電流による損失が生じ、これがドレイン−ソース間損失に加わるので、スイッチング素子における負担が大きくなり、スイッチング素子の短寿命化、回路全体の信頼性が低下するという問題がある。

部分平滑回路においては、最近の厳しい入力電流高調波規格を満足することができない。

本発明は、インバータのスイッチング素子と帰還回路を分離してスイッチング素子の信頼性を向上した高周波インバータ装置およびこれを用いた放電ランプ点灯装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明の高周波インバータ装置は、高周波で交互にスイッチングする直列接続した一対のスイッチング素子と；一対のスイッチング素子の一方と直列接続して直流電源に接続するインダクタ、一方のスイッチング素子がオン状態からオフした時にインダクタに生じる逆起電力を帰還する第１の整流素子を含む帰還回路および一対のスイッチング素子の一方を備えたチョッパ回路と；帰還回路の帰還出力により充電されるコンデンサと；一対のスイッチング素子の直列回路およびコンデンサの間を順方向に直列接続して閉回路を形成する第２の整流素子と；を具備していることを特徴としている。

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。

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。

＜一対のスイッチング素子について＞ 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。さらにまた、一対のスイッチング素子の交互スイッチングは、一方のスイッチング素子のオンから他方のスイッチング素子のオンへ移行する間に同時オフ状態が形成されるように行われるのを許容する。

また、一対のスイッチング素子は、交互に高周波でスイッチングを行い、そのうちの一方がチョッパ回路のスイッチング素子として機能するとともに、その両方が直流エネルギーを高周波エネルギーに変換するためのインバータ回路のスイッチング素子として機能する。インバータ回路は、特段限定されないが、回路が比較的簡単になるので、好ましくはハーフブリッジ形インバータ回路を構成するのがよい。

次に、一対のスイッチング素子の直列回路が構成要素として含まれるハーフブリッジ形インバータ回路の構成について説明する。ハーフブリッジ形インバータ回路は、一対のスイッチング素子の直列回路と、一対の電位源の直列回路とを並列接続してブリッジ回路を形成し、一対のスイッチング素子の接続点と、一対の電位源の接続点との間に負荷を接続してなり、一対のスイッチング素子が交互にスイッチングを行い、一対の電位源が互いに同一極性を示す方向に直列接続する基本回路構造を有している。そして、一対のスイッチング素子の交互スイッチングによって負荷に交互方向に電流が流れて、直流−交流変換が行われる。実際には、一対の電位源は、共振コンデンサなどにより構成することができ、またそのうち一方の共振コンデンサを省略することができる。

また、負荷は、一対のスイッチング素子の交互スイッチングによって振動電圧が発生する回路上の任意の位置に接続することができる。例えば、後述するチョッパ回路のインダクタに２次巻線を磁気結合させて出力トランスを構成し、当該２次巻線に負荷を接続することができる。また、上記ブリッジ回路に負荷を導電的に接続するだけでなく、出力トランスを介して絶縁的に接続することもできる。さらに、負荷回路に直流成分が流れないように直流カットコンデンサを直列に挿入することができる。なお、出力トランスを用いることにより、１次対２次巻数比を任意に設定できるので、所望値の出力電圧を得ることが可能になる。

＜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することにより、ある電圧の直流電圧を異なる電圧の他の直流電圧に変換する手段をいう。そして、インダクタ、第１の整流素子、および前記一対のスイッチング素子の一方を備えていて、以下説明するように構成されている。

すなわち、インダクタは、一対のスイッチング素子の一方と直列接続して直流電源間に接続する。これにより、インダクタおよび一方のスイッチング素子の直列回路が直流電源の両極間に接続してなるチョッピング回路が形成される。なお、インダクタは、チョッパ専用であってもよいし、例えば高周波インバータ装置の出力トランスを兼ねていてもよい。

帰還回路は、インダクタに生じた逆起電力を帰還するために作用し、第１の整流素子を含んで構成されている。そして、第１の整流素子は、インダクタの逆起電力の極性に対して順方向になって帰還作用を行う。また、第１の整流素子は、インダクタの逆起電力を直接帰還するように接続してもよいし、直流電源を直列に介して帰還してもよい。後者の場合、帰還電圧は、直流電源電圧に重畳して帰還されるので、昇圧チョッパ的な動作を行わせて、昇圧して高周波電圧を得ることができる。さらに、第１の整流素子は、スイッチング素子との間に後述する第２の整流素子が介在するので、一対のスイッチング素子がＦＥＴからなる場合であっても、そのいずれの寄生ダイオードとは別設のものとなる。

一対のスイッチング素子の一方は、チョッパ回路内において、高周波でスイッチングを行って直流電圧をチョッピングすることにより、インダクタに逆起電力を発生させるように作用する。そして、インダクタと直列接続して直流電源の両極間に接続するチョッピング回路を形成する。

＜コンデンサについて＞ コンデンサは、チョッパ回路の帰還電流により充電され、その電荷を一対のスイッチング素子を経由して放電させることにより、高周波エネルギーに変換するための一時的な直流エネルギー蓄積手段として作用する。したがって、コンデンサは、所要の電荷蓄積能力を確保するために、静電容量の大きな電解コンデンサを用いるのが好ましい。この場合、コンデンサは、直流電源電圧のリップルを少なくとも部分的に平滑化作用を奏するように機能させることができる。

＜第２の整流素子について＞ 第２の整流素子は、帰還電流で充電されたコンデンサの電荷を一対のスイッチング素子を含むインバータ回路部分に放電させて高周波に変換するための放電回路を形成する。そのために、第２の整流素子は、一対のスイッチング素子の直列回路とコンデンサ、したがってチョッパ回路との間に順方向に直列接続して、コンデンサ、第２の整流素子および一対のスイッチング素子の直列回路を含む閉回路を形成する。

＜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、直流電源を投入すると、一対のスイッチング素子が高周波で、かつ、交互にスイッチングを開始する。そうして、一方のスイッチング素子がオンしたときに、直流電源から直流電流がほぼ直線的に増加しながら当該スイッチング素子およびインダクタを流れ、インダクタの内部に電磁的なエネルギーが蓄積される。

次に、一方のスイッチング素子がオフすると、インダクタに通流していた電流が急激に遮断される。このとき、インダクタに蓄積されていた電磁的エネルギーが放出されて、今まで流れていた電流を継続させる方向に逆起電力が発生する。そして、逆起電力により、帰還回路中に帰還電流が第１の整流素子を介してコンデンサに流れて当該コンデンサを充電する。

一方のスイッチング素子の上記オフに続いて他方のスイッチング素子がオンすると、コンデンサに充電されていた電荷が第２の整流素子を経由して他方のスイッチング素子に流入する。そして、一対のスイッチング素子を構成要素とするインバータ回路に放電電流が流れるので、インバータ回路に接続する負荷には高周波電圧における一方の極性の半波が印加される。また、これとともに例えば共振コンデンサが充電されるように構成される。

次に、他方のスイッチング素子がオフして、一方のスイッチング素子がオンすると、インバータ動作によって負荷には高周波電圧における他方の極性の半波が印加される。共振コンデンサが配設される場合、上記共振コンデンサが一方のスイッチング素子を経由して放電して負荷には上記と反対方向の電流が流れる。

以後、上記の動作が高周波で連続して繰り返されるので、負荷には高周波電圧が印加し、したがって負荷は高周波で付勢される。そして、以上の回路動作を通じてチョッパ回路のインダクタに生じた逆起電力に伴う帰還電流は、スイッチング素子とは別設の第１の整流素子を有する帰還回路を流れてコンデンサを充電するので、帰還動作が行われてもスイッチング素子にかかる負担が増えないので、スイッチング素子の短寿命化および回路全体の信頼性低下を回避することができる。

また、チョッパ回路が直流電源を経由しないで帰還するように構成されている場合には、以下の利点がある。

１．一対のスイッチング素子の耐圧が相対的に低くなるので、スイッチング素子のオン抵抗が小さくなって変換効率が向上するとともに、信頼性が向上する。

２．チョッパ回路のコンデンサに電解コンデンサを用いる場合、当該コンデンサの耐圧が相対的に低くなるので、小形のコンデンサを用いることができ、高周波インバータ装置の小形化および低コスト化に寄与する。

＜その他の構成について＞ 本発明の必須構成要素ではないが、所望により以下の構成を付加することができる。これにより、高周波インバータ装置の性能が向上したり、機能が追加されたりする。

１．（直流電源について） 直流電源は、高周波エネルギーに変換される直流エネルギーを供給する手段であるが、バッテリー電源および交流整流化電源などどのような構成であってもよい。なお、交流整流化電源は、未平滑であってもよいし、完全または部分的な平滑化されたものであってもよい。

２．（高周波フィルタ回路について） 高周波フィルタ回路は、直流電源として交流整流化電源などを用いる場合に、高周波インバータ装置側から直流電源へ高周波ノイズが流出しないようにするための手段である。既知の種々の回路構造を適宜選択して用いることができる。

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装置と；高周波インバータ装置の出力端間に接続された放電ランプと；を具備していることを特徴としている。

放電ランプは、高周波インバータ装置を主体として構成される放電ランプ点灯装置の負荷として作動する。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。また、放電ランプは、高周波電圧の振動出力が現れる回路上の適当な位置に接続される。例えば、チョッパ回路のインダクタと並列的に、または直列的に放電ランプを接続することができる。また、チョッパ回路とは別に形成されるインバータ回路に放電ランプを接続することができる。例えば、チョッパ回路とは別に一対のスイッチング素子を構成要素とするハーフブリッジ形インバータ回路を形成して、その内部に放電ランプを接続することができる。
なお、上記のいずれの接続態様においても、高周波成分のみが抽出されて放電ランプを付勢するように直流カットコンデンサや絶縁形の出力トランスを介して放電ランプを接続するのが望ましい。

そうして、本発明においては、直流電源を投入すると、直流電圧がチョッパ回路により所望の直流電圧に変換され、さらに変換された直流電圧がインバータ回路により高周波電圧に変換されて放電ランプに印加されるので、放電ランプは高周波点灯する。

なお、本発明の必須構成要件ではないが、所望によりイグナイタなどの始動回路を付加することができる。イグナイタは、放電ランプの始動のために、インバータ回路に得られる共振回路による共振電圧だけでは不足の場合に用いられる。そして、高周波インバータを主体とする放電ランプ点灯装置において、放電回路に対して別設され、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放電回路に接続することができる。

請求項１の発明によれば、インバータのスイッチング素子と帰還回路を分離してスイッチング素子の信頼性を向上した高周波インバータ装置を提供することができる。

請求項２の発明によれば、請求項１による効果を奏する放電ランプ点灯装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の高周波インバータ装置および放電ランプ点灯装置を実施するための第１の形態を示す回路図である。図において、高周波インバータ装置ＨＦＩは、一対のスイッチング素子の直列回路ＳＳＷ、チョッパ回路ＤＣＨ、コンデンサＣ１、第２の整流素子Ｄ２およびインバータ回路ＩＮＶからなる。また、放電ランプ点灯装置ＤＬＯは、高周波インバータ装置ＨＦＩおよび放電ランプＤＬからなり、放電ランプＤＬを高周波点灯する。なお、ＤＣは直流電源である。直流電源ＤＣは、商用交流電源からなる低周波交流電源にブリッジ形全波整流回路を組み合わせて構成されている。

一対のスイッチング素子の直列回路ＳＳＷは、一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２からなる。一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は、Ｎ形のＭＯＳＦＥＴからなり、同一極性に直列接続している。

チョッパ回路ＤＣＨ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の直列回路ＳＳＷにおける一方のスイッチング素子Ｑ２からなる。インダクタＬ１は、一方のスイッチング素子Ｑ２と直列接続して直流電源ＤＣの両極間に接続している。帰還回路ＦＢＣは、第１の整流素子Ｄ１からなり、そのアノードがインダクタＬ１および直流電源ＤＣの負極との間に接続している。一方のスイッチング素子Ｑ２は、そのドレインが直流電源ＤＣの正極に接続し、ソースがインダクタＬ１に接続することによってチョッピング回路を形成している。

コンデンサＣ１は、電解コンデンサからなり、チョッパ回路ＤＣＨの帰還出力を一時的に蓄積するように作用する。すなわち、コンデンサＣ１の正極は、第１の整流素子Ｄ１のカソードに接続し、負極はインダクタＬ１のスイッチング素子Ｑ２側のソース側の端部に接続している。

第２の整流素子Ｄ２は、コンデンサＣ１と一対のスイッチング素子の直列回路ＳＳＷとの間に介在して、コンデンサＣ１の正極、第２の整流素子Ｄ２および一対のスイッチング素子の直列回路ＳＳＷおよびコンデンサＣ１の負極からなる閉回路を形成する。

インバータ回路ＩＮＶは、一対のスイッチング素子の直列回路ＳＳＷおよび一対の共振コンデンサＣ２、Ｃ３の直列回路ＳＣを備えたハーフブリッジ形インバータからなる。すなわち、一対のスイッチング素子の直列回路ＳＳＷと一対の共振コンデンサＣ２、Ｃ３の直列回路ＳＣとは並列接続し、一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の接続点と、一対の共振コンデンサＣ２、Ｃ３の接続点との間に負荷である放電ランプＤＬが接続している。

次に、本形態における回路動作について説明する。

直流電源ＤＣを投入すると、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。その中で、スイッチング素子Ｑ２がオンすると、直流電源ＤＣ、スイッチング素子Ｑ２、インダクタＬ１および直流電源ＤＣの閉回路からなるチョッピング回路が形成される。そして、直流電源ＤＣから流入した電流がインダクタＬ１に直線的に増加しながら流れる。その結果、インダクタＬ１に電磁エネルギーが蓄積される。

次に、スイッチング素子Ｑ２がオフすると、チョッピング回路に流れていた電流が急激に遮断されるため、インダクタＬ１に蓄積されていた電磁エネルギーが放出されてインダクタＬ１に流れていた電流を継続させようとする方向に逆起電力が発生する。この逆起電力が帰還回路に印加されるので、帰還回路ＦＢＣ中に帰還電流が流れる。帰還電流は、第１の整流素子Ｄ１を経由してコンデンサＣ１に流入してこれを充電する。

さらに、スイッチング素子Ｑ１がオンすると、コンデンサＣ１の電荷がコンデンサＣ１、第２の整流素子Ｄ２、スイッチング素子Ｑ１、放電ランプＤＬ、共振コンデンサＣ３およびコンデンサＣ１の閉回路内を放電する。これにより、放電ランプＤＬには高周波電圧における一方の極性の半波が印加されるとともに、共振コンデンサＣ３が充電される。

次に、スイッチング素子Ｑ１がオフして、スイッチング素子Ｑ２がオンすると、共振コンデンサＣ３の電荷が共振コンデンサＣ３、放電ランプＤＬ、スイッチング素子Ｑ２および共振コンデンサＣ３の閉回路内を放電して、放電ランプＤＬには高周波電圧における他方の極性の半波が印加される。また、これと同時に、直流電源ＤＣからチョッピング回路内を電流が流れ、チョッパ回路ＤＣＨが動作してコンデンサＣ１が充電される。

以後も、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繰り返す結果、以上の動作が繰り返し継続的に行われて、放電ランプＤＬには発生した高周波電圧が連続して印加されるので、放電ランプＤＬは高周波点灯する。

以下、図２ないし図４を参照して本発明を実施するためのその他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。

図２は、本発明の高周波インバータ装置および放電ランプ点灯装置を実施するための第２の形態を示す回路図である。本形態は、インバータ回路ＩＮＶが共振コンデンサＣ２を省略している点で異なる。

図３は、本発明の高周波インバータ装置および放電ランプ点灯装置を実施するための第２の形態を示す回路図である。本形態は、インバータ回路ＩＮＶが共振コンデンサＣ２を省略しているとともに、インダクタＬ１に磁気結合して構成した絶縁形の出力トランスＯＴおよび直流電源ＤＣに並列接続した共振コンデンサＣ３を含んでインバータ回路ＩＮＶが構成されている点で異なる。

図４は、本発明の高周波インバータ装置および放電ランプ点灯装置を実施するための第２の形態を示す回路図である。本形態は、インバータ回路ＩＮＶの共振コンデンサＣ２が第２の整流素子Ｄ２を介してスイッチング素子Ｑ２に並列接続するとともに、インダクタＬ１に磁気結合して構成した絶縁形の出力トランスＯＴおよび直流電源ＤＣに並列接続した共振コンデンサＣ３を含んでインバータ回路ＩＮＶが構成されている点で異なる。

本発明の高周波インバータ装置および放電ランプ点灯装置を実施するための第１の形態を示す回路図 本発明の高周波インバータ装置および放電ランプ点灯装置を実施するための第２の形態を示す回路図 本発明の高周波インバータ装置および放電ランプ点灯装置を実施するための第３の形態を示す回路図 本発明の高周波インバータ装置および放電ランプ点灯装置を実施するための第４の形態を示す回路図

符号の説明

Ｃ１…コンデンサ、Ｃ２、Ｃ３…共振コンデンサ、Ｄ１……第１の整流素子、Ｄ２……第２の整流素子、ＤＬ…放電ランプ、ＤＣ…直流電源、ＤＣＨ…チョッパ回路、ＤＬＯ…放電ランプ点灯装置、ＦＢＣ…帰還回路、ＨＦＩ…高周波インバータ装置、ＩＮＶ…インバータ回路、Ｌ１…インダクタ、Ｑ１、Ｑ２…スイッチング素子、ＳＳＷ…一対のスイッチング素子の直列回路

Claims (2)

1. 高周波で交互にスイッチングする直列接続した一対のスイッチング素子と；
   一対のスイッチング素子の一方と直列接続して直流電源に接続するインダクタ、一方のスイッチング素子がオン状態からオフした時にインダクタに生じる逆起電力を帰還する第１の整流素子を含む帰還回路および一対のスイッチング素子の一方を備えたチョッパ回路と；
   帰還回路の帰還出力により充電されるコンデンサと；
   一対のスイッチング素子の直列回路およびコンデンサの間を順方向に直列接続して閉回路を形成する第２の整流素子と；
   を具備していることを特徴とする高周波インバータ装置。
2. 請求項１記載の高周波インバータ装置と；
   高周波インバータ装置の負荷として接続された放電ランプと；
   を具備していることを特徴とする放電ランプ点灯装置。

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