JP2005183348A

JP2005183348A - 共振インバータ用高圧安定器

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Publication number: JP2005183348A
Application number: JP2003432283A
Authority: JP
Inventors: Yangu-Giru Park; パク，ヤング−ギル
Original assignee: KOSEI JAPAN KK
Current assignee: KOSEI JAPAN KK
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2003-12-26
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2023-12-26
Also published as: KR20050062671A; JP4421890B2

Abstract

【課題】ゼロ電圧スイッチングを用いてスイッチング素子の損失を最小化し、ランプの出力電圧及び電流を検出し帰還させ出力周波数を制御することによって一定した電力制御が行えて安定器効率を９７%以上維持させる共振インバータ用高圧安定器を提供する。
【解決手段】出力制御部は周波数可変型集積回路を内蔵してランプ駆動用出力周波数を制御し、初期ランプ起動時の出力周波数とランプ点灯後の出力周波数を可変制御し、ランプ点灯失敗、回路の過電流や過電圧時に出力を遮断して回路及びランプを保護するよう構成し、前記インバータ部に流れる電流と前記ランプに流れる出力電流を検出して過電流やランプ点灯失敗時出力を遮断するよう前記出力制御部に連結される保護部と、前記イグナイター部に印加される電圧と前記ランプに流れる出力電流を検出して前記出力制御部に帰還させ出力制御部が適切な出力制御を行うよう連結される帰還部をさらに構成してなる。
【選択図】図２

Description

本発明は街路灯のような産業用ランプを点灯させる安定器に係り、さらに詳しくはゼロ電圧スイッチングを用いてスイッチング素子の損失を最小化し、初期ランプ起動時に出力周波数を可変して安定的に点灯できるようにし、ランプの出力電圧及び電流を検出し帰還させ出力周波数を制御することによって一定した電力制御が行えて安定器効率を９７%以上維持させる共振インバータ用高圧安定器に関する。

従来の産業用ランプを駆動する安定器は、殆んど磁気式安定器である。

このような磁気式安定器は入力力率が低く、体積が大きくて重たく、入力電圧の変動によってランプ出力がそのまま変動される問題点がある。

また、ランプが始動され完全点灯するまで数分間正常なランプ電流より遥かに高い電流が流れて消費電力の無駄遣いなど安定器の効率が約９０％に及ばない問題点がある。

従って、これを改善するためにゼロ電圧スイッチング方式の安定器が開示されているが、このような方式の安定器も初期ランプ起動時、無理な出力制御によってランプが過熱され点灯が失敗したり、ランプ点灯後にも安定的な出力制御に問題が発生して安定器出力の高効率が期待できなかった。

本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、本発明の目的は産業用ランプに用いられるもので、ゼロ電圧スイッチングを用いてスイッチング素子の損失を最小化し、初期ランプ起動時に出力周波数を可変して安定的に点灯できるようにし、ランプの出力電圧及び電流を検出し帰還させ出力周波数を極めて精密に制御することによって一定した電力制御が行えて安定器の効率を９７％以上維持させる共振インバータ用高圧安定器を提供するところにある。

前述した目的を達成するための本発明は、入力電源のサージを除去したり交流成分のノイズをフィルタリングするフィルタ部と、該フィルタ部を通して入力された信号を直流に整流する整流部と、前記整流部を通して入力される電圧を一定した昇圧電圧に出力する定電圧部と、周波数可変型(ＶＣＭ)用集積回路を内蔵してランプ駆動用出力周波数を制御し、初期ランプ起動時の出力周波数とランプ点灯後の出力周波数を可変制御し、ランプ点灯失敗、回路の過電流や過電圧時に出力を遮断して回路及びランプを保護する出力制御部と、前記定電圧部から出力される電圧を入力され、前記出力制御部の出力周波数によってスイッチング素子をオンオフ断続してゼロ電圧スイッチング出力を行うインバータ部と、ＬＣＣ共振型回路構成で前記インバータ部の出力によって高圧を生成してランプに印加するイグナイター部と、前記インバータ部に流れる電流と前記ランプに流れる出力電流を検出して過電流やランプ点灯失敗時出力を遮断するよう前記出力制御部に連結される保護部と、前記イグナイター部に印加される電圧と前記ランプに流れる出力電流を検出して前記出力制御部に帰還させ出力制御部が適切な出力制御を行うように連結される帰還部とから構成される特徴がある。

本発明に係る出力制御部は初期ランプ起動時は出力周波数を２５０ＫＨｚから始めて一定に減少させ制限値である１１３ＫＨｚにダウンさせて出力し、初期ランプ起動後ランプが点灯される瞬間には一定時間経過後出力周波数を６５ＫＨｚにダウンさせて出力し、それからランプ点灯後の出力周波数はランプの出力電流及び電圧によって６５ＫＨｚ〜８０ＫＨｚ範囲で可変制御する特徴がある。

本発明に係る出力制御部は、ランプ初期起動時出力周波数は四つの段階よりなる１周期を１回にして、点灯成功時まで６回出力制御する特徴がある。

本発明は産業用ランプに用いられるもので、ゼロ電圧スイッチングを用いてスイッチング素子の損失を最小化し、初期ランプ点灯時に出力周波数を可変して安定的に点灯動作を行えるようにし、ランプの出力電圧及び電流を検出し帰還させ出力周波数を極めて精密に制御することによって一定した電力制御が行えて安定器の効率を９７%以上維持できる利点がある。

以下、添付した図面に基づき本発明をさらに詳述する。

図１は本発明に係る共振インバータ用高圧安定器の全体回路ブロック図である。

同図によれば、本発明に係る共振インバータ用高圧安定器は入力電源ＡＣのサージを除去したり、交流成分のノイズをフィルタリングするフィルタ部１０と、該フィルタ部１０を通して入力された信号を直流に整流する整流部２０と、該整流部２０を通して入力される電圧を一定した昇圧電圧に出力する定電圧部３０と、周波数可変型（ＶＣＭ：ＶｏｌｔａｇｅＣｏｎｔｒｏｌＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）用集積回路（ＩＣ）を内蔵してランプ駆動用出力周波数を制御し、初期ランプ起動時の出力周波数とランプ点灯後の出力周波数を可変制御し、ランプ点灯失敗、回路の過電流や過電圧時に出力を遮断して回路及びランプを保護する出力制御部４０と、前記定電圧部３０から出力される電圧を入力され、前記出力制御部４０の出力周波数でスイッチング素子をオンオフ断続してゼロ電圧スイッチング出力を行うインバータ部５０と、ＬＣＣ共振型回路構成として前記インバータ部５０の出力によって高圧を生成してランプ７０に印加するイグナイター部６０と、前記インバータ部５０に流れる電流と前記ランプ７０に流れる出力電流を検出して過電流やランプ点灯失敗時出力を遮断するよう前記出力制御部５０に連結される保護部８０と、前記イグナイター部６０に印加される電圧と前記ランプ７０に流れる出力電流を検出して前記出力制御部５０に帰還させ、出力制御部６０が適切な出力制御を行うよう連結される帰還部９０とから構成される。

前記本発明に係る共振インバータ用高圧安定器のさらに詳しい回路が図２に示されている。

図２は本発明に係る共振インバータ用高圧安定器のインバータ部５０及びイグナイター部６０の詳細回路図である。

図に示した通り、定電圧部３０はインバータ部５０に所定の直流電圧ＶＤＣを供給する。

前記インバータ部５０は二つのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２及び抵抗Ｒｓが直列連結され、両端には前記定電圧部３０の出力電圧Ｖ_ＤＣが印加されるよう構成され、前記スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のドレイン及びソース端子の間にはそれぞれダイオードＤ１、Ｄ２及びキャパシタＣ１、Ｃ２が並列連結される。

また、前記スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のゲート端子が前記出力制御部４０の出力端子Ｇ１、Ｇ２にそれぞれ連結されスイッチング信号を印加されるよう構成され、前記スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の出力がイグナイター部６０に印加されるよう構成される。

前記抵抗Ｒｓに流れる電流ｉ_Ｓは保護部８０の入力端に入力させ、前記スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２に流れる過電流を検出するよう構成される。

本発明によれば、前記スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は電界効果トランジスタＦＥＴが望ましい。

一方、イグナイター部６０はランプの安全点灯のためにキャパシタＣｓとインダクタＬｓを直列連結して直列共振回路を構成し、かつランプの初期起動のためにインダクタＬｓと直列連結されたキャパシタＣＰ１、ＣＰ２を並列連結して並列共振回路を構成し、前記キャパシタＣｓの入力端には前記インバータ部５０の出力が印加されるよう構成される。

前記イグナイター部６０のキャパシタＣＰ２の両端には電圧検出器ＰＴが連結され、前記電圧検出器ＰＴの出力が帰還部９０の入力端に印加されるよう構成される。

また、前記イグナイター部６０の出力端にはランプ７０が連結され、前記ランプ７０の一端には電流検出器ＣＴが介在され、前記電流検出器ＣＴの出力が保護部８０及び帰還部９０の入力端に印加されるよう構成される。

前記保護部８０は電流検出器ＣＴの検出値、すなわちランプ７０に流れる電流を検出したり、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２に流れる電流、すなわち抵抗Ｒｓに流れる電流ｉ_Ｓを検出して、過電流が検出されればこれを出力制御部４０に印加して出力制御部４０の出力を中止させる。

前記帰還部９０は電流検出器ＣＴの検出値、すなわちランプ７０に流れる電流と、電圧検出器ＰＴの検出値、すなわちイグナイター部６０のキャパシタＣＰ２の両端に印加される電圧を検出して、これを前記出力制御部４０に入力して、前記出力制御部４０は前記入力された出力電流及び電圧に対応される適切な周波数を出力制御するようになり、過電圧検出時は出力を中止させ回路及びランプ７０を保護するようになる。

このように構成される本発明に係る安定器の出力周波数による各部の動作波形を図３を参照して説明する。

図３の(Ａ)及び(Ｂ)は出力制御部４０の出力端Ｇ１、Ｇ２を通してスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のゲート端子に入力される波形である。

まず、時点ｔ_１でスイッチング素子Ｑ１がターンオフされれば、インダクタ電流ｉ_Ｌによってスイッチング素子Ｑ１が両端の連結されたキャパシタＣ１は充電され時間Ｔ_ｂの間スイッチング素子Ｑ１のドレイン-ソース間両端電圧Ｖｄｓ１は図３の（Ｃ）のように入力電圧Ｖ_ＤＣほど上昇される。

一方、既にオフされていたスイッチング素子Ｑ２のドレイン-ソース間両端電圧Ｖｄｓ２は図３の（Ｄ）のように入力電圧Ｖ_ＤＣで０Ｖ（ゼロ電圧）に減少される。前記スイッチング素子Ｑ２のドレイン-ソース間両端電圧Ｖｄｓ２は０Ｖに減少された以降にもインダクタ電流ｉＬによってスイッチング素子Ｑ２のダイオードＤ２が導通されることによって一定時間Ｔ_ｃゼロ電圧０Ｖを維持するようになる。

従って、前記時間Ｔ_ｃ内の時点ｔ_３でスイッチング素子Ｑ２をターンオンさせることによってゼロ電圧を達成するようになる。

そして、スイッチング素子Ｑ１のゼロ電圧スイッチング動作も時区間ｔ_４〜ｔ_６で前述したような過程で進行される。

図３の（Ｅ）はインダクタ電流ｉ_Ｌを示す波形であり、（Ｆ）は抵抗Ｒｓに流れる電流ｉ_Ｓを示す波形である。

本発明によれば、出力制御部４０はランプ７０の初期起動時とランプ点灯時、それからランプ点灯後の出力周波数を可変制御する。

まず、初期起動時は出力周波数を２５０ＫＨｚから始めて一定に減少させ制限値である１１３ＫＨｚにダウンさせる。

これはランプ初期起動時高圧の印加によってランプが過熱されることを防ぐためのことである。
初期ランプ起動後、ランプが点灯される瞬間には一定時間経過後出力周波数を６５ＫＨｚにダウンさせる。さらに具体的には、ランプが点灯される瞬間、１〜２秒ほどの時間カウントを行った後現在出力されている１１３ＫＨｚの出力周波数を６５ＫＨｚにダウンさせる。これは、ランプを保護するためのことである。

そして、ランプ点灯後の出力周波数はランプの出力電流及び電圧によって可変制御し、出力周波数は６５ＫＨｚ〜８０ＫＨｚ範囲で制御される。

図４は本発明のランプ点灯時初期起動周波数の出力波形図である。

図に示した通り、本発明に係る安定器の初期ランプ駆動時の出力周波数は四つの段階よりなる１周期を１回にして６回出力制御する。

前記１周期は四つの段階、すなわち１／４周期、２／４周期、３／４周期及び４／４周期よりなり、前記１／４周期はスイッチング素子のオンオフ出力（３秒）を２４秒間維持する段階であり、前記２／４周期はスイッチング素子の出力をオフ状態で２４秒間維持する段階であり、前記３／４周期はスイッチング素子のオンオフ出力（３秒）を２４秒間維持する段階であり、前記４／４周期はスイッチング素子の出力をオフ状態で２分１０秒（１３０秒）間維持する段階である。

従って、前記１周期は総３分２２秒、すなわち２０２秒になる。

前記初期ランプ起動時出力周波数を図４のように可変制御することは、ランプの過熱を防止し、初期点灯成功率を高めるためのことである。

本発明によれば、初期ランプ起動時、前述したように１周期を１回にして周波数を出力し、６回繰り返してランプが点灯されなけれんば点灯失敗と判断してこれ以上の出力を遮断する。

前述したように構成される本発明に係る安定器の動作を図５の流れ図に基づき説明する。

まず、電源ＡＣを印加してランプの点灯を開始する（Ｓ１０過程）。

フィルタ部１０は印加される電源のサージ電圧を除去したり交流成分のノイズをフィルタリングして整流部２０に印加する。前記整流部２０は印加された交流電圧を直流電源に伝播整流して脈流波形を定電圧部３０に出力する。

前記脈流波形の整流信号を印加された定電圧部３０は入力される電圧を一定した電圧Ｖ_ＤＣに昇圧してインバータ部５０に入力する。

そして、出力制御部４０は内蔵された周波数可変型（ＶＯＭ）集積回路を介して初期ランプ起動時の周波数を出力制御する。

この際の出力周波数は初期２５０ＫＨｚから１１３ＫＨｚに順次にダウンさせて出力し、図４のように１周期を１回にする初期起動周波数を出力する（Ｓ１１過程）。

従って、前記出力制御部４０の出力端Ｇ１、Ｇ２に図３の（Ａ）及び（Ｂ）のように交代に出力されるスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のゲート信号に応じてインバータ部５０のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２はオンオフ駆動され、この際インダクタ電流ｉ_Ｌによってスイッチング素子Ｑ１のドレイン-ソース間両端電圧Ｖｄｓ１及びスイッチング素子Ｑ２のドレイン-ソース間両端電圧Ｖｄｓ２は図３の（Ｃ）と（Ｄ）のように時間（ｔ_２〜ｔ_３）（Ｔ_Ｃ）及び時間（ｔ_５〜ｔ_６）でゼロ電圧スイッチングされ、図３の(Ｅ)のような一定した波形の電流ｉ_Ｌをイグナイター部６０に出力させる。

前記インバータ部５０からの出力はイグナイター部６０のキャパシタＣ_Ｓと高圧トランスであるインダクタＬ_Ｓに印加され、同時に高圧キャパシタＣＰ１、ＣＰ２に充電される。

そして、前記高圧キャパシタＣＰ１、ＣＰ２の充放電によってランプ７０には高圧が印加され、前記ランプ７０は点灯のための起動を開始する。

ここで注意すべき点は、前記インダクタＬ_Ｓと高圧キャパシタＣＰ１、ＣＰ２が並列共振状態になればかなり大きい電流が流れるようになってスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２が破損されるため、前記出力周波数は並列共振周波数を避けて発生させる。

このような１回の起動周波数出力が行われれると、ランプ７０の一端に連結された電流検出器ＣＴの電流値を保護部８０を通して検出してランプ７０に電流が流れていることが感知されれば、初期ランプ起動が成功したと判断し、ランプ７０に電流が流れていないことが感知されれば、初期ランプ起動が失敗したと判断する。

従って、電流検出器ＣＴを通して電流が検出されなければ点灯失敗と判断して再び１回の起動周波数出力を行う（Ｓ１２〜Ｓ１５過程）。

前記過程Ｓ１１の起動周波数出力を最大６回繰り返し、６回を経過してもランプ７０に電流が流れなければ最終点灯失敗（ランプ不良またはランプ未連結）と判断して、出力制御部４０は出力を中止してスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をオフさせる（Ｓ１６過程）。

一方、前記電流検出器ＣＴ及び保護部８０を通してランプ７０に電流が流れることが感知されランプ７０の点灯が成功すれば、出力制御部４０の現在出力されている周波数、すなわち１１３ＫＨｚを一定時間（１〜２秒）維持した後、出力周波数を６５ＫＨｚにダウンさせて出力する（Ｓ１７、Ｓ１８過程）。

これは、出力周波数をダウンさせてランプ７０を保護するためのものである。

そして、電流検出器ＣＴ及び電圧検出器ＰＴから検出される電流及び電圧とインバータ部５０のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２に流れる電流ｉ_Ｓを保護部８０及び帰還部９０を通して検出する（Ｓ１９過程）。

前記検出結果、過電流や過電圧が検出されれば、出力制御部４０は出力を中止させスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をオフさせ、前記過電流や過電圧でない場合、前記検出されたランプ出力電圧及び電流によって出力周波数を６５ＫＨｚ〜８０ＫＨｚ範囲で可変制御するようになる（Ｓ２０〜Ｓ２２過程）。

ゼロ電圧スイッチングを用いてスイッチング素子の損失を最小化し、初期ランプ起動時に出力周波数を可変して安定的に点灯できるようにし、ランプの出力電圧及び電流を検出し帰還させ出力周波数を制御することによって一定した電力制御が行えて安定器効率を９７%以上維持させる共振インバータ用高圧安定器に適用される。

本発明に係る共振インバータ用高圧安定器の全体回路ブロック図である。本発明に係る共振インバータ用高圧安定器のインバータ部及びイグナイター部の詳細回路図である。本発明に係る共振インバータ用高圧安定器の各部動作波形図である。本発明のランプ点灯時初期起動周波数の出力波形図である。本発明に係る共振インバータ用高圧安定器の制御流れ図である。

符号の説明

１０: フィルタ部２０: 整流部
３０: 定電圧部４０: 出力制御部
５０: インバータ部６０: イグナイター部
７０: ランプ８０: 保護部
９０: 帰還部Ｑ１、Ｑ２: スイッチング素子
Ｄ１、Ｄ２: ダイオードＣ１、Ｃ２、Ｃ_Ｓ、ＣＰ１、ＣＰ２: キャパシタ
Ｌ_Ｓ: インダクタＣＴ: 電流検出器
ＰＴ：電圧検出器Ｒｓ：抵抗

Claims

入力電源のサージを除去したり交流成分のノイズをフィルタリングするフィルタ部１０と、
該フィルタ部１０を通して入力された信号を直流に整流する整流部２０と、
該整流部２０を通して入力される電圧を一定した昇圧電圧に出力する定電圧部３０と、
周波数可変型用集積回路を内蔵してランプ駆動用出力周波数を制御し、初期ランプ起動時の出力周波数とランプ点灯後の出力周波数を可変制御し、ランプ点灯失敗、回路の過電流や過電圧時に出力を遮断して回路及びランプを保護する出力制御部４０と、
前記定電圧部３０から出力される電圧を入力され、前記出力制御部４０の出力周波数によってスイッチング素子をオンオフ断続してゼロ電圧スイッチング出力を行うインバータ部５０と、
ＬＣＣ共振型回路構成で前記インバータ部５０の出力によって高圧を生成してランプ７０に印加するイグナイター部６０と、
前記インバータ部５０に流れる電流と前記ランプ７０に流れる出力電流を検出して、過電流やランプ点灯失敗時出力を遮断するよう前記出力制御部５０に連結される保護部８０と、
前記イグナイター部６０に印加される電圧と前記ランプ７０に流れる出力電流を検出して前記出力制御部５０に帰還させ、出力制御部６０が適切な出力制御を行うよう連結される帰還部９０で構成されることを特徴とする共振インバータ用高圧安定器。
前記出力制御部４０は初期ランプ起動時には出力周波数を２５０ＫＨｚから始めて一定に減少させ制限値である１１３ＫＨｚにダウンさせて出力し、
初期ランプ起動後ランプが点灯される瞬間には一定時間経過後出力周波数を６５ＫＨｚにダウンさせて出力し、
ランプ点灯後の出力周波数はランプの出力電流及び電圧によって６５ＫＨｚ〜８０ＫＨｚ範囲で可変制御することを特徴とする請求項１に記載の共振インバータ用高圧安定器。
前記出力制御部４０はランプ初期起動時出力周波数は四つの段階よりなる１周期を１回にして、点灯成功時まで６回出力制御することを特徴とする請求項２に記載の共振インバータ用高圧安定器。
前記１周期はスイッチング素子のオンオフ出力(３秒)を２４秒間維持する段階(１/４周期)と、スイッチング素子の出力をオフ状態で２４秒間維持する段階(２/４周期)と、スイッチング素子のオンオフ出力(３秒)を２４秒間維持する段階(３/４周期)と、スイッチング素子の出力をオフ状態で２分１０秒(１３０秒)間維持する段階(４/４周期)よりなることを特徴とする請求項３に記載の共振インバータ用高圧安定器。
前記インバータ部５０は二つのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２及び抵抗Ｒｓが直列連結され、両端には前記定電圧部３０の出力電圧Ｖ_ＤＣが印加されるよう構成され、前記スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のドレイン及びソース端子との間にはそれぞれダイオードＤ１、Ｄ２及びキャパシタＣ１、Ｃ２が並列連結され、前記スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のゲート端子が出力制御部４０の出力端子Ｇ１、Ｇ２にそれぞれ連結されスイッチング信号を印加されるよう構成されることを特徴とする請求項１に記載の共振インバータ用高圧安定器。
前記イグナイター部６０はランプの安全点灯のためにキャパシタＣｓとインダクタＬｓを直列連結して直列共振回路を構成し、同時にランプの初期起動のためにインダクタＬｓと直列連結されたキャパシタＣＰ１、ＣＰ２を並列連結して並列共振回路を構成してなることを特徴とする請求項１に記載の共振インバータ用高圧安定器。
前記イグナイター部６０のキャパシタＣＰ２の両端には電圧検出器ＰＴがさらに連結されることを特徴とする請求項６に記載の共振インバータ用高圧安定器。
前記イグナイター部６０の出力端に連結されたランプ７０の一端には電流検出器ＣＴが介されることを特徴とする請求項１に記載の共振インバータ用高圧安定器。
前記保護部８０はインバータ部５０の抵抗Ｒｓに流れる電流ｉ_Ｓを検出するよう連結されることを特徴とする請求項１に記載の共振インバータ用高圧安定器。