JP2005149954A - 放電灯駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 きわめて低い調光率までチラツキなく調光することができ、しかもその実現のために実装する部品の大型化を避けてコストアップが抑制できる。
【解決手段】 インバータ駆動のための第１、第２のスイッチング手段S1,S2と共に、チラツキ防止回路20のために第３のスイッチング手段S3を設け、第３のスイッチング手段には２個のMOSFET21,22を具備させ、それらの各ドレイン端子同士を共通に接続し、さらに各ソース端子の一方は抵抗R1を介して昇圧トランスT1の１次側端子の一方へ、各ソース端子の残りの一方は直接にまたは抵抗を介して昇圧トランスの残りの１次側端子へ接続した構成にし、第３のスイッチング手段のオン状態でのMOSFET21,22のソース電圧V2,V3の電圧差ΔV2が小さくなるようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、パーソナルコンピュータやナビゲーションなどに使用される液晶表示装置のバックライト光源に適する外面電極型放電ランプを点灯するための放電灯駆動装置に関する。

パーソナルコンピュータ、ナビゲーションシステムなどのディスプレイに使用される液晶表示装置のバックライト光源として、ランプ管内に水銀が封入された冷陰極放電灯が使用されてきたが、近年、有害物質である水銀の代わりにキセノンのような希ガスを封入した放電ランプが開発され、またそれを点灯させるための放電灯駆動装置も開発されている。

図３、図４は、従来の希ガスを放電媒体とする外面電極型放電ランプとして、キセノンを放電媒体とする誘電体バリア放電型放電ランプの構造を示し、図５、図６はその放電ランプを点灯するためのハーフブリッジ構成の放電灯駆動装置の回路構成を示している。

図３、図４に示す希ガス外面電極型放電ランプでは、ガラス管１の内壁に蛍光体２の膜を形成し、またガラス管１内には少なくともキセノンを含んだ放電媒体を封入してある。ガラス管１の少なくとも一端には導入線３を介して内部電極４を封着し、またガラス管１の外壁には、管軸方向に沿って任意形状の導電性物質が外部電極５として設置してある。この外部電極５は、例えば線状の導電物質をガラス管１の外周面に螺旋状に巻き付けたものであり、透光性熱収縮チューブ６で被覆することでガラス管１の表面に固定してある。そして内部電極４には導入線３を介して電圧供給線８を接続し、外部電極５には固定用金属棒７を介して電圧供給線８′を接続してある。

図５、図６に示すように、この希ガス外面電極型放電ランプ１３では、インバータ給電装置９を用いて高周波矩形波電圧をこれらの電極８，８′間に印加することによってガラス管１内で放電を開始させ、放電媒体であるキセノンから紫外線を放出させ、この紫外線を蛍光体２に照射して蛍光体２から可視光を発光させ、それを光源として利用する。

この希ガス外面電極型放電ランプ１３を点灯させるためにはインバータ給電装置９から矩形波電圧を放電ランプの両電極間に印加するのが最適であり、従来、図５、図６に示す回路構成の放電灯駆動装置によって点灯させていた。この放電灯駆動装置では、昇圧トランスＴ１の２次巻線側に希ガス外面電極形蛍光ランプ１３を接続し、１次巻線側の一端には中点バイアス作成用のコンデンサＣ１，Ｃ２を並列に接続し、各々のコンデンサＣ１，Ｃ２を介して電源ＶｃｃとグランドＧＮＤへつなぎ、さらに１次巻線側の残りの一端は直接にあるいはコイル、ダイオード、抵抗のようなインピーダンス成分を持ったインピーダンス素子Ｚ１，Ｚ２若しくはそれらを組みわせた素子群を介在させ、半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２それぞれから高周波の矩形波電圧を供給する。

制御回路１０は電源電圧Ｖｃｃを矩形波直流電圧に整形して２つの波形データを生成し、この波形を駆動信号（１）１１、駆動信号（２）１２として出力し、駆動信号（１）１１が第１のスイッチング素子Ｓ１を動作させ、駆動信号（２）１２が第２のスイッチング素子Ｓ２を動作させるようにしている。

図５は、制御回路１０の出力する駆動信号（１）１１によりスイッチング素子Ｓ１がオフし、駆動信号（２）１２によりスイッチング素子Ｓ２がオンすることで、正のランプ電流を作成する状態を示している。図６は、駆動信号（１）１１によりスイッチング素子Ｓ１がオンし、駆動信号（２）１２によりスイッチング素子Ｓ２がオフすることで、負のランプ電流を作成する状態を示している。このように、駆動信号（１）１１、駆動信号（２）１２によって第１、第２のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２が交互にオン／オフを繰り返すことでランプ駆動用の昇圧トランスＴ１の１次巻線電圧も「Ｌ→Ｈ→Ｌ→Ｈ→Ｌ→Ｈ…」を繰り返し、この動作で昇圧トランスＴ１の２次巻線に接続された外面電極型放電ランプ１３に正負のランプ電流を供給する。この動作により、図５、図６の従来例の放電灯駆動装置ではランプ１３に矩形波電圧が継続的に供給され、容量成分を持った希ガス外面電極型蛍光ランプ１３に正負のランプ電流ＩＬが継続的に印加され、輝度の高いランプ点灯が実現できる。

しかしながら、このような従来の放電灯駆動装置では、次のような問題点があった。図５及び図６に示した放電灯駆動装置の場合、たとえばガラス管外径３．２ｍｍ、長さ１７０ｍｍ、ランプ入力Ｖｐ−ｐ２０００Ｖの外面電極放電ランプ１３を点灯・駆動すると、制御回路１０から出力される矩形波駆動信号（１）１１、駆動信号（２）１２により第１のスイッチング素子Ｓ１のオン・オフ動作と第２のスイッチング素子Ｓ２のオフ・オン動作との連動的な繰り返しで、外面電極放電ランプ１３に矩形波電圧が印加されてランプ１３が点灯する。このとき、外面電極放電ランプ１３に対しては、図７に示すような電圧波形および電流波形（昇圧トランス波形）の電力が印加・入力される。

ところで液晶表示装置においては、その表示機能の向上ないし表示品位の向上などの要求に対応し、バックライト光源部における調光が重視されている。すなわち、液晶表示装置においては、表示する画像や表示する場所などによって明るさなどを適度に選択・設定することにより、より効果的な画像表示が可能となる。このように画像表示がより効果的になれば、液晶表示装置の機能向上あるいは応用分野などの拡大となって液晶表示装置の実用性をさらに高めることになる。

しかしながら、図５、図６に示す従来の放電灯駆動装置の場合は、図７に示したようにランプ電流はほぼ一定で安定した波形であるが、ランプ電圧に変動が認められ、いわゆるチラツキ現象を生じる。ここで、スイッチング後の電圧波形は、昇圧トランスＴ１のＬとコンデンサＣ１，Ｃ２の共振回路によってＬＣ発振し、例えば、

の式による共振周波数で共振することに起因するといえる。こうした不都合な現象に伴って、ランプ電圧及びランプ電流の制御による調光にも限界があり、図５、図６に示す回路構成の放電灯駆動装置の場合、その調光率は最大１％程度までであり、それよりも小さい調光率の調光ができなかった。つまり、調光は１００：１が限界であった。

このような従来の放電灯駆動装置の調光率の限界を改善する技術が、特開２００２−２８９３８５号公報（特許文献１）に記載されている。その第２の従来例の放電灯駆動装置は、低輝度時に昇圧トランスの１次側に並列接続された抵抗を、第３のスイッチング素子をオンすることで抵抗に電流を流し、昇圧トランスの１次側の共振周波数を第３のスイッチング素子のオフ時に比べて極めて低くすることで前記昇圧トランスの１次側電圧ひいては放電ランプに供給される２次側電圧のリンギング（ランプ電圧の振動）を抑制し、チラツキの無い安定したランプ点灯を可能にしたものである。

図８は、低調光動作状態での第２の従来例の放電灯駆動装置の回路構成を示し、図９は実際のランプ電圧、ランプ電流の波形、図１０はその時の回路各部の電圧の波形である。図８は、低調光時にＭＯＳＦＥＴあるいはフォトカプラで構成した第３のスイッチ回路Ｓ３をオンすることで抵抗Ｒ１に電流が流れ、昇圧トランスＴ１の１次側巻線電圧と２次側巻線電圧のリンギングを抑制した場合を表している。図１０において、Ｖ１は昇圧トランスＴ１の１次側のうち第１、第２のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２側の電圧である。またＶ２，Ｖ３は各ドレイン電圧、Ｖ４，Ｖ５は各ゲート電圧を表している。

図８を用いて第２の従来例の動作を説明する。制御回路１６は第１、第２の矩形波駆動信号（１）１１、第２の矩形波駆動信号（２）１２と共に第３の駆動信号（３）１４を作成して出力する。この制御回路１６は、マイクロコンピュータやカウンタを用いて任意に、任意の駆動信号を発生できる外部回路である。この制御回路１６からの第３の駆動信号（３）１４によってスイッチング素子Ｓ４がオン、スイッチング素子Ｓ５がオフすることで、両ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧Ｖ４，Ｖ５にハイ電圧（＝Ｖｃｃ）が印加されると、第３のスイッチ回路Ｓ３がオン状態となって抵抗Ｒ１に電流が流れる。こうして抵抗Ｒ１に電流が流れれば、抵抗Ｒ１により共振周波数が低くなり、リンギングが抑制される。

逆に第３の駆動信号（３）１４によってスイッチング素子Ｓ４がオフ、スイッチング素子Ｓ５がオンすることで、両ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧Ｖ４，Ｖ５にロー電圧（＝ＧＮＤ）が印加されると、第３のスイッチ回路Ｓ３がオフ状態となり、抵抗Ｒ１が昇圧トランスＴ１の１次巻線とは切り離されることとなる。

しかしながら、昇圧トランスＴ１の２次側に接続された希ガス誘電体バリア放電型の外面電極型放電ランプを点灯させるためには高圧の矩形波状のランプ電圧が必要になるため、昇圧トランスの１次側には大電流を流さなければならない。その場合、図８に示すような第３のスイッチ回路の半導体スイッチング素子としてフォトカプラ構成やフォトカプラと同じ一般的なＭＯＳＦＥＴの接続構成にすれば、図１０中のＶ２，Ｖ３の電圧差ΔＶ１が第３のスイッチ回路内の半導体スイッチング素子のオン電圧となり、スイッチング素子自体の温度が著しく高くなる。放電ランプ１３のチラツキを改善するために半導体スイッチング素子をオンすることが可能な調光率範囲は、素子の温度を考慮すると非常に狭い範囲（概ね０％〜約２．５％）に限られる。逆に、例えば１０％のような比較的高い調光率域まで半導スイッチング素子をオンする必要がある場合には、第３のスイッチ回路用に大型のパッケージ（例えばＴＯタイプ）の半導体スイッチング素子を使用せざるをえず、基板への部品実装に制約が発生してしまい、またコストアップの要因ともなる問題点があった。
特開２００２−２８９３８５号公報

本発明はこのような従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、きわめて低い調光率までチラツキなく調光することができ、しかもその実現のために実装する部品の大型化が避けられ、コストアップも抑制できる放電灯駆動装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明の放電灯駆動装置は、オン／オフの位相が互いに逆となる第１、第２の１対のパルス駆動信号と第３のパルス駆動信号を生成・出力する制御回路と、前記制御回路から出力される第１、第２のパルス駆動信号を入力する昇圧トランスと、前記制御回路から出力される第１、第２のパルス駆動信号それぞれに対応して介挿させた第１及び第２のスイッチング手段と、前記第１、第２のスイッチング手段と昇圧トランスの１次側との間に直列に介挿させた一方向に電流を流す一方向性電流素子と、前記制御回路から出力される第３のパルス駆動信号に応答して開閉する第３のスイッチング手段及び抵抗成分を有する素子が直列に接続され、前記昇圧トランスの１次側と並列に配置接続されたチラツキ防止回路と、前記昇圧トランスの２次側端子間に接続配置された放電電極の少なくとも一方が発光管外周面に設けられた外面電極型放電ランプとを備え、前記第３のスイッチング手段は、前記抵抗成分を有する素子と直列に接続され、前記第３の駆動信号によってオン／オフされる１対のＭＯＳＦＥＴを含み、当該１対のＭＯＳＦＥＴのドレイン端子側を共通接続し、一方のＭＯＳＦＥＴのソース端子を前記抵抗成分を有する素子を介して前記昇圧トランスの１次側端子の一方へ接続し、他方のＭＯＳＦＥＴのソース端子を前記昇圧トランスの残りの１次側端子へ接続したことを特徴とするものである。

本発明によれば、第３のスイッチング素子として、２個のＭＯＳＦＥＴをそれらの各ドレイン端子同士を共通に接続し、さらに各ソース端子の一方は抵抗を介して昇圧トランスの１次側端子の一方へ、各ソース端子の残りの一方は直接にまたは抵抗を介して昇圧トランスの残りの１次側端子へ接続したので、オン電圧の低い第３のスイッチング素子を構成することができ、きわめて低い調光率までチラツキなく調光することができ、しかもその実現のために実装する部品の大型化が避けられ、コストアップも抑制できる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図１は本発明の１つの実施の形態の放電灯駆動装置の回路構成を示している。この図１において、図８に示した第２の従来例と共通する回路要素には共通の符号を付して示してある。

本実施の形態の特徴は抵抗Ｒ１と第３のスイッチ回路Ｓ３１で構成されるチラツキ防止回路２０にある。第３のスイッチ回路Ｓ３１は、図８に示した第２の従来例と同様、制御回路１６の出力する第３の駆動信号（３）１４とその反転信号１５によって逆位相でオン／オフ動作するスイッチング素子Ｓ４，Ｓ５、このスイッチング素子Ｓ４，Ｓ５の接続中点に対してゲートＧが抵抗素子Ｒ２，Ｒ３それぞれを介して接続された１対のＭＯＳＦＥＴ２１，２２から構成されている。そして１対のＭＯＳＦＥＴ２１，２２は、第２の従来例のフォトカプラ構成のようにそれらのソース端子Ｓ同士を共通接続するのではなく、ドレイン端子Ｄ同士を共通接続してあり、さらに各ソース端子Ｓの一方は抵抗Ｒ１を介して昇圧トランスＴ１の１次側端子の一方へ、各ソース端子Ｓの残りの一方は直接にまたは抵抗を介して昇圧トランスＴ１の残りの１次側端子へ接続してある。これによって、オン電圧の低い第３のスイッチ回路Ｓ３１を構成している。

本実施の形態の放電灯駆動装置では、第２の従来例と同様の動作を行うが、ＭＯＳＦＥＴ２１，２２同士を上述した状態で接続したことで、第３のスイッチ回路Ｓ３１の動作中には、常に２個のＭＯＳＦＥＴ２１，２２は寄生ダイオードの経路で電流が流れないため、これらのＭＯＳＦＥＴ２１，２２の温度上昇を低く抑えられる。

図２には本実施の形態の放電灯駆動装置における回路各部の実際の電圧波形を示してある。この図２において、Ｖ１は昇圧トランスＴ１の１次側のうち第１、第２のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２側の電圧である。またＶ２，Ｖ３は各ソース電圧、Ｖ４，Ｖ５は各ゲート電圧を表している。図２から、第３のスイッチ回路Ｓ３１のＭＯＳＦＥＴ２１，２２にかかる電圧Ｖ２，Ｖ３の電圧差ΔＶ２は、図１０に示した第２の実施の形態の場合の電圧差ΔＶ１よりも極めて小さいことがわかる。

本実施の形態の放電灯駆動装置では、第３のスイッチ回路Ｓ３１のスイッチング要素であるＭＯＳＦＥＴ２１，２２に例えばＳＯＰ８のような小型のものの使用が可能となり、大型パッケージ（例えば、ＴＯ）のフォトカプラやトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴを使用しなくても部品の温度を低く抑えることができ、その上に基板面積の縮小も図れる。さらに、チラツキ改善のため、外面電極型放電ランプ１３の特性上２．５％〜１０％の調光率域まで半導体スイッチ素子をオンする必要がある場合でも、オン時の部品温度が低くなることからそれらを動作させることが可能となる。このため、本実施の形態の放電灯駆動装置は、部品の温度の低減、基板面積の縮小、高輝度が要求される車載用のナビゲーションやＴＶモニターに使用される液晶表示装置のバックライト光源用の点灯回路へ導入可能である。

本発明の１つの実施の形態の放電灯駆動装置の回路図。 上記実施の形態の放電灯駆動装置の回路各部の電圧波形図。 従来の誘電体バリア放電型放電ランプの正面図。 上記の誘電体バリア放電型放電ランプの断面図。 第１の従来例の第１のスイッチング状態の回路図。 第１の従来例の第２のスイッチング状態の回路図。 第１の従来例のランプ電圧、ランプ電流の波形図。 第２の従来例の回路図。 第２の従来例のランプ電圧、ランプ電流の波形図。 第２の従来例の回路各部の電圧波形図。

符号の説明

１ ガラス管
２ 蛍光体
４ 内部電極
５ 外部電極
９ 給電装置
１０ 制御回路
１１ 駆動信号（１）
１２ 駆動信号（２）
１３ 外面電極放電ランプ
１４ 駆動信号（３）
１５ 反転信号
２０ チラツキ防止回路
２１ ＭＯＳＦＥＴ
２２ ＭＯＳＦＥＴ
Ｓ１ 第１のスイッチング素子
Ｓ２ 第２のスイッチング素子
Ｓ３ 第３のスイッチ回路
Ｔ１ 昇圧トランス
Ｃ１，Ｃ２ 中点バイアス用コンデンサ
Ｚ１，Ｚ２ インピーダンス素子
Ｖ１ トランスの１次巻線の電圧
Ｖ２，Ｖ３ ＭＯＳＦＥＴのソース側の電圧
Ｖ４，Ｖ５ ＭＯＳＦＥＴのゲート側の電圧
Ｒ１ 抵抗

Claims (1)

1. オン／オフの位相が互いに逆となる第１、第２の１対のパルス駆動信号と第３のパルス駆動信号を生成・出力する制御回路と、
   前記制御回路から出力される第１、第２のパルス駆動信号を入力する昇圧トランスと、
   前記制御回路から出力される第１、第２のパルス駆動信号それぞれに対応して介挿させた第１及び第２のスイッチング手段と、
   前記第１、第２のスイッチング手段と昇圧トランスの１次側との間に直列に介挿させた一方向に電流を流す一方向性電流素子と、
   前記制御回路から出力される第３のパルス駆動信号に応答して開閉する第３のスイッチング手段及び抵抗成分を有する素子が直列に接続され、前記昇圧トランスの１次側と並列に配置接続されたチラツキ防止回路と、
   前記昇圧トランスの２次側端子間に接続配置された放電電極の少なくとも一方が発光管外周面に設けられた外面電極型放電ランプとを備え、
   前記第３のスイッチング手段は、前記抵抗成分を有する素子と直列に接続され、前記第３の駆動信号によってオン／オフされる１対のＭＯＳＦＥＴを含み、当該１対のＭＯＳＦＥＴのドレイン端子側を共通接続し、一方のＭＯＳＦＥＴのソース端子を前記抵抗成分を有する素子を介して前記昇圧トランスの１次側端子の一方へ接続し、他方のＭＯＳＦＥＴのソース端子を前記昇圧トランスの残りの１次側端子へ接続したことを特徴とする放電灯駆動装置。
   
   

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