JP2006073318A - 放電灯点灯装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 低い電圧で点灯する放電灯を、電力損失を抑制して点灯させる放電灯点灯装置を得る。
【解決手段】 AC電力を生成するHブリッジ形のインバータ回路3を成すスイッチング素子にバイポーラトランジスタ4〜7を使用し、電流検出手段41が検出するインバータ回路3の出力電流に基づいてバイポーラトランジスタ4〜7のベース電流を制御する制御手段17とを備え、放電灯19の点灯直後から放電現象が安定するまでの間、バイポーラトランジスタ4〜7のベースに大きな電流を流し、放電現象が安定した後、バイポーラトランジスタ4〜7のベースに小さな電流を流す。
【選択図】 図1
【解決手段】 AC電力を生成するHブリッジ形のインバータ回路3を成すスイッチング素子にバイポーラトランジスタ4〜7を使用し、電流検出手段41が検出するインバータ回路3の出力電流に基づいてバイポーラトランジスタ4〜7のベース電流を制御する制御手段17とを備え、放電灯19の点灯直後から放電現象が安定するまでの間、バイポーラトランジスタ4〜7のベースに大きな電流を流し、放電現象が安定した後、バイポーラトランジスタ4〜7のベースに小さな電流を流す。
【選択図】 図1
Description
この発明は、自動車等の車両のヘッドランプとして用いられる放電灯や、屋内外施設、倉庫、工場等において照明灯や街灯等として用いられる放電灯を点灯させる放電灯点灯装置に関するものである。
放電灯の中でも、メタルハライドバルブ、高圧ナトリウムバルブ、水銀バルブ等の高輝度放電灯(HID)は光束が大きい、またランプ効率が高い、更に寿命が長いなどの利点を有していることから、従来から屋内外施設、倉庫、工場等において照明灯や街灯等に用いられ、特に自動車等の車両用のヘッドランプとしても利用されるようになった。このような放電灯を実用的に点灯させるため、放電灯点灯装置にはDC/DCコンバータやDC/ACインバータ等の安定化電源と起動用高電圧パルスを発生するイグナイタ(起動装置)が備えられる。
従来の放電灯点灯装置は、例えばDC/ACインバータを構成するスイッチング素子にInsulated−Gate Bipolar Transistor(以下、IGBTと記載する)を使用したものがある。MOSトランジスタ、即ちFETは通電電流が小さく自己発熱が比較的低いDC/ACインバータに適しており、IGBTは通電電流が大きく自己発熱が高くなるDC/ACインバータに適している。IGBTを使用したHブリッジ回路は大きな電流が流れることから、放電灯点灯装置の出力を地絡してもIGBTが破壊されないようにMOSトランジスタやコンデンサを用いた保護回路を備えている(例えば、特許文献1参照)。
また、4つのスイッチングトランジスタでフルブリッジインバータ回路を構成した放電灯点灯装置がある。これは、スイッチングトランジスタにバイポーラトランジスタを使用し、放電灯直流始動回路がランプ始動時からアーク放電を維持するのに十分な状態となる一定時間、タイマ回路からの出力に基づいて四つのスイッチングトランジスタの駆動を停止させておき、低圧直流電源から対角の二つのスイッチングトランジスタにベース電流を供給して放電灯に直流電圧を印加する。一定時間経過後、4つのスイッチングトランジスタに矩形波電圧を印加するものである(例えば、特許文献2参照)。
また、高周波駆動部を第1スイッチング部、第2スイッチング部、放電灯駆動部などで構成し、放電灯駆動部を構成する変圧器を第1及び第2スイッチング部によって駆動させ、変圧器の出力電流によって放電灯を点灯させるものがある。これは、第1及び第2スイッチング部にそれぞれバイポーラトランジスタを使用し、当該第1及び第2スイッチング部、即ち二つのバイポーラトンランジスタからなるハーフブリッジ回路を構成して変圧器を駆動するものである(例えば、特許文献3参照)。
従来の放電灯点灯装置は以上のように構成されているので、水銀を使用していない放電灯へ低い電圧で大きな電流を供給する場合、DC/ACインバータにFETを使用するとFETはドレイン/ソース間の抵抗成分が大きいことから電流の増大に伴う電力損失が大きくなり、またIGBTを使用すると素子の特性から大きな電力損失が生じるため動作効率が良くない。またDC/ACインバータにバイポーラトランジスタを使用するとベース電流を適宜制御しないと消費電流が不用意に大きくなる場合が生じ、電力損失が大きくなるという課題があった。
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、有害な水銀を使用していない低い電圧で点灯する放電灯を効率よく点灯させる放電灯点灯装置を得ることを目的とする。
この発明に係る放電灯点灯装置は、Hブリッジ形のインバータ回路を成すスイッチング素子としてのバイポーラトランジスタと、インバータ回路の出力電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段からの出力電流に基づいてバイポーラトランジスタのベース電流を制御する制御手段とを備えたものである。
この発明によれば、Hブリッジ形のインバータ回路のスイッチング素子としてのバイポーラトランジスタのベース電流を、インバータ回路の出力電流に基づいて制御するように構成したので、ベース電流の供給過多による損失増大を防ぎ、放電灯点灯時の電力損失を軽減することができるという効果がある。
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1による放電灯点灯装置の構成を示す回路図である。図示した回路は、マイクロプロセッサ等からなるCPU(制御手段)17の出力端子a〜hから出力される各制御信号によって点灯直後は大きな電流を出力し、また定常点灯時は適切な小さな電流を出力するように、Hブリッジ形のインバータ回路(以下、DC/ACインバータとも記載する)を成すスイッチング素子としての各バイポーラトランジスタのベース電流を制御して、HIDバルブ(放電灯)19を点灯させるものである。この放電灯点灯装置は、DC/DCコンバータ2とインバータ回路3とからなるもので、これらのDC/DCコンバータ2とDC/ACインバータ3の動作はCPU17によって制御される。直流電圧を変圧するDC/DCコンバータ2は、トランスT1、トランジスタスイッチ30、ダイオードD1,D2、及びコンデンサC1,C2により構成される。例えば直流電圧12Vを供給する電源1は、DC/DCコンバータ2の入力部分へ接続され、詳しくは当該DC/DCコンバータ2を構成するトランスT1の一次側巻き線W1の一端へ接続される。一次側巻き線W1には中間タップが設けられており、この中間タップにはMOSトランジスタからなるトランジスタスイッチ30の例えばドレインが接続されている。また、トランジスタスイッチ30のソースは接地されている。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1による放電灯点灯装置の構成を示す回路図である。図示した回路は、マイクロプロセッサ等からなるCPU(制御手段)17の出力端子a〜hから出力される各制御信号によって点灯直後は大きな電流を出力し、また定常点灯時は適切な小さな電流を出力するように、Hブリッジ形のインバータ回路(以下、DC/ACインバータとも記載する)を成すスイッチング素子としての各バイポーラトランジスタのベース電流を制御して、HIDバルブ(放電灯)19を点灯させるものである。この放電灯点灯装置は、DC/DCコンバータ2とインバータ回路3とからなるもので、これらのDC/DCコンバータ2とDC/ACインバータ3の動作はCPU17によって制御される。直流電圧を変圧するDC/DCコンバータ2は、トランスT1、トランジスタスイッチ30、ダイオードD1,D2、及びコンデンサC1,C2により構成される。例えば直流電圧12Vを供給する電源1は、DC/DCコンバータ2の入力部分へ接続され、詳しくは当該DC/DCコンバータ2を構成するトランスT1の一次側巻き線W1の一端へ接続される。一次側巻き線W1には中間タップが設けられており、この中間タップにはMOSトランジスタからなるトランジスタスイッチ30の例えばドレインが接続されている。また、トランジスタスイッチ30のソースは接地されている。
トランスT1の二次側巻き線W2の一端にはダイオードD1のアノードが接続され、ダイオードD1のカソードと二次側巻き線W2の他端との間にはコンデンサC1が接続される。トランスT1の一次側巻き線W1の他端にはダイオードD2のアノードが接続される。ダイオードD2のカソードにはコンデンサC2の一端が接続される。コンデンサC2の他端は接地される。また、コンデンサC2とダイオードD2の接続点は、前述のコンデンサC1と二次側巻き線W2との接続点に接続される。トランジスタスイッチ30のゲートには発振器31が接続され、当該発振器31によって生成されたパルス信号が入力される。発振器31は、CPU17から出力される制御信号により、例えば発振動作の終始や生成するパルス信号のパルス幅及びインターバルなどの発振動作が制御されるように構成されたものである。
DC/ACインバータ3は、NPN型バイポーラトランジスタの出力トランジスタ(スイッチング素子)4〜7、PNP型バイポーラトランジスタのトランジスタ8,28、NPN型バイポーラトランジスタのトランジスタ10,13,20,23、抵抗9,14,24,29,32〜40によって構成される。
DC/DCコンバータ2のダイオードD1のカソードには、DC/ACインバータ3の抵抗9,32の一端が接続される。抵抗9の他端にはトランジスタ8のエミッタが接続される。抵抗32の他端にはトランジスタ8のベースとトランジスタ10のコレクタが接続される。トランジスタ10のエミッタは抵抗34を介して接地される。トランジスタ10のベースは抵抗11の一端と抵抗12の一端に接続される。トランジスタ8のコレクタは出力トランジスタ4のベースに接続される。また、出力トランジスタ4のベースには抵抗36の一端が接続される。抵抗36の他端は出力トランジスタ4のエミッタに接続され、この接続点から出力電力が引き出される。
DC/DCコンバータ2のダイオードD1のカソードには、DC/ACインバータ3の抵抗9,32の一端が接続される。抵抗9の他端にはトランジスタ8のエミッタが接続される。抵抗32の他端にはトランジスタ8のベースとトランジスタ10のコレクタが接続される。トランジスタ10のエミッタは抵抗34を介して接地される。トランジスタ10のベースは抵抗11の一端と抵抗12の一端に接続される。トランジスタ8のコレクタは出力トランジスタ4のベースに接続される。また、出力トランジスタ4のベースには抵抗36の一端が接続される。抵抗36の他端は出力トランジスタ4のエミッタに接続され、この接続点から出力電力が引き出される。
また、出力トランジスタ4のエミッタには出力トランジスタ6のコレクタが接続される。出力トランジスタ6のエミッタは抵抗40を介して接地される。出力トランジスタ6のベースは抵抗14を介してトランジスタ13のエミッタに接続される。また、出力トランジスタ6のベースは抵抗38の一端が接続され、抵抗38の他端は接地される。トランジスタ13のコレクタには電源1の電圧が供給される。トランジスタ13のベースは抵抗15の一端と抵抗16の一端に接続される。また、出力トランジスタ4,5のコレクタにはDC/DCコンバータ2のダイオードD2のカソードが接続され、DC/DCコンバータ2によって昇圧された電圧が供給される。
抵抗11の他端はCPU17の出力端子aへ接続され、抵抗12の他端はCPU17の出力端子bへ接続される。抵抗15の他端はCPU17の出力端子eへ接続され、抵抗16の他端はCPU17の出力端子fへ接続される。
抵抗11の他端はCPU17の出力端子aへ接続され、抵抗12の他端はCPU17の出力端子bへ接続される。抵抗15の他端はCPU17の出力端子eへ接続され、抵抗16の他端はCPU17の出力端子fへ接続される。
また、DC/DCコンバータ2のダイオードD1のカソードには、前述のDC/ACインバータ3の抵抗9,32と共に抵抗29,33の一端が接続される。抵抗29の他端にはトランジスタ28のエミッタが接続される。抵抗33の他端にはトランジスタ28のベースとトランジスタ20のコレクタが接続される。トランジスタ20のエミッタは抵抗35を介して接地される。トランジスタ20のベースは抵抗21の一端と抵抗22の一端に接続される。トランジスタ28のコレクタは出力トランジスタ5のベースに接続される。また、出力トランジスタ5のベースには抵抗37の一端が接続される。抵抗37の他端は出力トランジスタ5のエミッタに接続され、この接続点からAC出力電力が引き出される。また、出力トランジスタ5のエミッタには出力トランジスタ7のコレクタが接続される。出力トランジスタ7のエミッタは前述のように出力トランジスタ6のエミッタと共に抵抗(電流検出手段)40を介して接地される。出力トランジスタ7のベースは抵抗24を介してトランジスタ23のエミッタに接続される。また、出力トランジスタ7のベースは抵抗39を介して接地される。
このように各トランジスタが接続され、出力トランジスタ4〜7によるHブリッジ形のDC/ACインバータ回路が形成される。トランジスタ23のコレクタには電源1の電圧が供給され、そのベースは抵抗25の一端と抵抗26の一端に接続される。
抵抗21の他端はCPU17の出力端子cへ接続され、抵抗22の他端はCPU17の出力端子dへ接続される。抵抗25の他端はCPU17の出力端子gへ接続され、抵抗26の他端はCPU17の出力端子hへ接続される。抵抗40の両端はそれぞれ電流検出器(電流検出手段)41へ接続される。また、電流検出器41は、検出した電流値を示すデータをCPU17へ出力するようにCPU17の入力端子へ接続される。
出力トランジスタ4のエミッタと出力トランジスタ6のコレクタ等との接続点は、イグナイタ18を介してHIDバルブ19の一端へ接続され、出力トランジスタ5のエミッタと出力トランジスタ7のコレクタ等との接続点もイグナイタ18を介してHIDバルブ19の他端へ接続される。
抵抗21の他端はCPU17の出力端子cへ接続され、抵抗22の他端はCPU17の出力端子dへ接続される。抵抗25の他端はCPU17の出力端子gへ接続され、抵抗26の他端はCPU17の出力端子hへ接続される。抵抗40の両端はそれぞれ電流検出器(電流検出手段)41へ接続される。また、電流検出器41は、検出した電流値を示すデータをCPU17へ出力するようにCPU17の入力端子へ接続される。
出力トランジスタ4のエミッタと出力トランジスタ6のコレクタ等との接続点は、イグナイタ18を介してHIDバルブ19の一端へ接続され、出力トランジスタ5のエミッタと出力トランジスタ7のコレクタ等との接続点もイグナイタ18を介してHIDバルブ19の他端へ接続される。
次に動作について説明する。
CPU17は、発振器31へ制御信号を送る。発振器31は、入力した制御信号に基づいてパルス幅やインターバル等のデューティを調整したパルス信号を生成し、このパルス信号をトランジスタスイッチ30のゲートへ与え、トランジスタスイッチ30をON/OFFさせる。電源1により、電圧12Vが印加されているトランスT1の一次側巻き線W1は、トランジスタスイッチ30のON/OFFに伴って電源1から供給される電力エネルギの蓄積と放出を繰り返す。電力エネルギを放出するときに生じる電流はダイオードD2によって整流され、またコンデンサC2によって平滑され、直流電流となってDC/DCコンバータ2から出力される。このときダイオードD2のカソードとコンデンサC2の接続点は例えば42Vの電圧値となって、出力トランジスタ4,5の各コレクタに印加される。このように例えば電源1の電圧12Vを昇圧させた高電圧が、DC/ACインバータ3を構成する高電圧側の出力トランジスタ4,5に印加される。
また、一次側巻き線W1に流れる電流がON/OFFされると、二次側巻き線W2には誘導起電力が生じ、ダイオードD1により整流され、またコンデンサC1により平滑された直流電流が抵抗9,32,29,33に供給される。
CPU17は、発振器31へ制御信号を送る。発振器31は、入力した制御信号に基づいてパルス幅やインターバル等のデューティを調整したパルス信号を生成し、このパルス信号をトランジスタスイッチ30のゲートへ与え、トランジスタスイッチ30をON/OFFさせる。電源1により、電圧12Vが印加されているトランスT1の一次側巻き線W1は、トランジスタスイッチ30のON/OFFに伴って電源1から供給される電力エネルギの蓄積と放出を繰り返す。電力エネルギを放出するときに生じる電流はダイオードD2によって整流され、またコンデンサC2によって平滑され、直流電流となってDC/DCコンバータ2から出力される。このときダイオードD2のカソードとコンデンサC2の接続点は例えば42Vの電圧値となって、出力トランジスタ4,5の各コレクタに印加される。このように例えば電源1の電圧12Vを昇圧させた高電圧が、DC/ACインバータ3を構成する高電圧側の出力トランジスタ4,5に印加される。
また、一次側巻き線W1に流れる電流がON/OFFされると、二次側巻き線W2には誘導起電力が生じ、ダイオードD1により整流され、またコンデンサC1により平滑された直流電流が抵抗9,32,29,33に供給される。
CPU17は、出力端子a〜hから論理値H(以下“H”と記載する)を示す例えば5.0Vの電圧、あるいは論理値L(以下“L”と記載する)を示す0Vの電圧を有する制御信号を出力する。これらの制御信号は前述のように各抵抗を介してそれぞれのトランジスタ10,13,20,23のベースに供給され、これらのトランジスタの動作を制御し、さらに出力トランジスタ4〜7の動作を制御する。また、HIDバルブ19へAC電力を供給する出力トランジスタ4〜7はHブリッジ回路を構成していることから、CPU17は、出力トランジスタ4,7をON状態としたとき、出力トランジスタ5,6をOFF状態とし、また出力トランジスタ5,6をON状態としたとき、出力トランジスタ4,7をOFF状態とするように制御する。この制御は、CPU17が例えば八種類の制御信号を生成して、それぞれ出力端子a〜hから出力し、出力トランジスタ4,7と出力トランジスタ5,6とを交互にON/OFFさせ、Hブリッジ回路を動作させてAC電力を出力させるものである。
イグナイタ18は、HIDバルブ19を消灯状態から点灯させるとき、出力トランジスタ4〜7から出力される電力に、当該HIDバルブ19が放電を開始する高電圧を重畳する。この起動動作は、HIDバルブ19が放電を開始し、点灯するまでの所定の期間だけ行われる。
イグナイタ18は、HIDバルブ19を消灯状態から点灯させるとき、出力トランジスタ4〜7から出力される電力に、当該HIDバルブ19が放電を開始する高電圧を重畳する。この起動動作は、HIDバルブ19が放電を開始し、点灯するまでの所定の期間だけ行われる。
DC/ACインバータ3は次のように動作する。
初めにHブリッジ回路を構成する出力トランジスタ4〜7のうち、AC電力の低電圧側を出力する出力トランジスタ6,7とそのドライブ回路等の詳細動作を説明する。トランジスタ13は、出力トランジスタ6のベース電流を制御して当該出力トランジスタ6の動作を制御するもので、抵抗14,38と共に出力トランジスタ6のドライブ回路(定電流出力手段)を構成する。トランジスタ13のベースには、前述のように接続されている二つの抵抗15,16を介してCPU17の制御信号が入力される。
初めにHブリッジ回路を構成する出力トランジスタ4〜7のうち、AC電力の低電圧側を出力する出力トランジスタ6,7とそのドライブ回路等の詳細動作を説明する。トランジスタ13は、出力トランジスタ6のベース電流を制御して当該出力トランジスタ6の動作を制御するもので、抵抗14,38と共に出力トランジスタ6のドライブ回路(定電流出力手段)を構成する。トランジスタ13のベースには、前述のように接続されている二つの抵抗15,16を介してCPU17の制御信号が入力される。
CPU17の出力端子a〜hから出力される制御信号は、前述のように“H”を示す5.0Vあるいは“L”を示す0Vのいずれかの電圧なので、例えば、抵抗15と抵抗16とを同じ値に揃えて回路構成すると、出力端子eから“L”が出力され、出力端子fから同じく“L”が出力された場合は、トランジスタ13のベースに0Vの電圧が印加される。また、出力端子eから“H”が出力され、出力端子fから“L”が出力された場合にはトランジスタ13のベースに2.5Vの電圧が印加される。また、出力端子eと出力端子fの両方から“H”が出力された場合は5.0Vの電圧が印加される。このようにトランジスタ13のベース電圧はCPU17の出力端子e,fからそれぞれ出力される二つの制御信号によって制御され、これに伴って当該トランジスタ13のコレクタ/エミッタ間に流れる電流が制御される。即ち、出力トランジスタ6のドライブ回路の出力電流は、抵抗15,16やトランジスタ13などの電気特性により定められる複数の電流値のうち、CPU17によっていずれかの電流値に制御され、この電流が出力トランジスタ6のベース電流として供給されて当該出力トランジスタ6の出力電流が制御される。
例えば、出力トランジスタ6のドライブ回路を構成するトランジスタ13のベースへ、前述のように0V、2.5V、5.0Vのいずれかの電圧を印加する場合に、2.5V及び5.0Vの電圧を印加したとき出力トランジスタ6をON状態とするように当該ドライブ回路を構成することもできる。これは、二種類のベース電流値で出力トランジスタ6をON状態とし、出力トランジスタ6の出力電流を大小二つの電流値のいずれかに制御できることを示している。
前述の説明では、抵抗15と抵抗16の値を同一にそろえて構成しているが、それぞれ別な抵抗値として構成すると、いずれか一方の抵抗に“H”の制御信号を、他方に“L”の制御信号を出力した場合に二種類の電圧が生じる場合があり、このように各抵抗値を設定したときには、ON状態の出力トランジスタ6の動作制御をさらに精細に行うことができる。例えば、抵抗15を1kΩ、抵抗16を2kΩとして回路構成すると、制御端子e,fのどちらも“L”の制御信号を出力しているときは、前述と同様に0Vの電圧になり、制御端子eが5.0Vの“H”で制御端子fが0Vの“L”のときは1.7Vの電圧になる。制御端子eが0Vの“L”で制御端子fが5.0Vの“H”のときは3.4Vの電圧になる。また、制御端子e,fのどちらも5.0Vの“H”のときは前述と同様に5.0Vの電圧になる。
前述の説明では、抵抗15と抵抗16の値を同一にそろえて構成しているが、それぞれ別な抵抗値として構成すると、いずれか一方の抵抗に“H”の制御信号を、他方に“L”の制御信号を出力した場合に二種類の電圧が生じる場合があり、このように各抵抗値を設定したときには、ON状態の出力トランジスタ6の動作制御をさらに精細に行うことができる。例えば、抵抗15を1kΩ、抵抗16を2kΩとして回路構成すると、制御端子e,fのどちらも“L”の制御信号を出力しているときは、前述と同様に0Vの電圧になり、制御端子eが5.0Vの“H”で制御端子fが0Vの“L”のときは1.7Vの電圧になる。制御端子eが0Vの“L”で制御端子fが5.0Vの“H”のときは3.4Vの電圧になる。また、制御端子e,fのどちらも5.0Vの“H”のときは前述と同様に5.0Vの電圧になる。
バイポーラトランジスタのトランジスタ13は、図1に示したように抵抗15,16によって一定のベース電圧が供給され、抵抗14を介して定電流を出力する回路を構成する。トランジスタ13にベース電圧が与えられたとき、トランジスタ13のエミッタ電圧は、ベース電圧からダイオード一個分の電圧降下が生じた値になり、ベース電圧から約0.7V降下した値になる。またトランジスタ13は、ベース電圧値に応じて一定値の電流がコレクタに流れるように作用する。このとき、コレクタ電流は概ねエミッタ電流と同じ値になる。このエミッタ電流値は当該トランジスタ13のエミッタ電圧と抵抗14によって決定される。例えば、トランジスタ13のベース電圧が2.5Vのときは、2.5V−0.7V=1.8Vとなって、エミッタ電圧が1.8Vになる。また、ベース電圧が5.0Vのときは、5.0V−0.7V=4.3Vとなって、エミッタ電圧が4.3Vになる。このようなトランジスタ13のエミッタ電圧が抵抗14に印加され、トランジスタ13のベース電圧に対応した一定の電流が出力トランジスタ6のベースへ出力される。即ち、トランジスタ13のコレクタに印加される電源1の値によらず、ここで例示した動作ではトランジスタ13のベース電圧2.5Vまたは5.0Vに応じたそれぞれの定電流が出力トランジスタ6のベースに流れる。なお、出力トランジスタ6のベース電圧は抵抗14と抵抗38によって定められた値が印加される。
出力トランジスタ6は、このようにして供給されたベース電流によってOFF状態あるいはON状態が切り替えられ、またON状態においてコレクタに流れる電流値が制御され、HIDバルブ19に流れる電流を制御する。
図1に示した出力トランジスタ7及びそのドライブ回路(定電流出力手段)は、ここまで説明した出力トランジスタ6及びそのドライブ回路と同様に動作する。抵抗25は抵抗15に対応し、抵抗26は抵抗16に、トランジスタ23はトランジスタ13に、抵抗24は抵抗14に、抵抗39は抵抗38に対応し、また出力トランジスタ7は出力トランジスタ4に対応するもので、それぞれ同様に回路動作を行う。これらの回路動作は、CPU17の出力端子g,hから出力される制御信号のタイミング等が異なり、各動作タイミングが異なるのみなので、ここでは出力トランジスタ7とそのドライブ回路等の動作説明を省略する。
図1に示した出力トランジスタ7及びそのドライブ回路(定電流出力手段)は、ここまで説明した出力トランジスタ6及びそのドライブ回路と同様に動作する。抵抗25は抵抗15に対応し、抵抗26は抵抗16に、トランジスタ23はトランジスタ13に、抵抗24は抵抗14に、抵抗39は抵抗38に対応し、また出力トランジスタ7は出力トランジスタ4に対応するもので、それぞれ同様に回路動作を行う。これらの回路動作は、CPU17の出力端子g,hから出力される制御信号のタイミング等が異なり、各動作タイミングが異なるのみなので、ここでは出力トランジスタ7とそのドライブ回路等の動作説明を省略する。
続いてAC電力の高電圧側を出力する出力トランジスタ4,5とそのドライブ回路等の詳細動作を説明する。
トランジスタ10は、CPU17から出力される制御信号に基づいてトランジスタ8のベース電流を制御し、トランジスタ8は出力トランジスタ4のベース電流を制御し、抵抗9,32,34,36,トランジスタ10と共に出力トランジスタ4のドライブ回路(定電流出力手段)を構成する。トランジスタ10のベースには、二つの抵抗11,12を介してCPU17の制御信号が入力される。CPU17の出力端子a,bから出力される各制御信号は、前述のように“H”を示す5Vあるいは“L”を示す0Vのいずれかの電圧なので、例えば、抵抗11と抵抗12とを同じ値に揃えて回路構成すると、前述の抵抗15,16を例示して説明した動作と同様になり、トランジスタ13と同様に0V、2.5V、5.0Vのいずれかの電圧がトランジスタ10のベースに印加され、当該トランジスタ10のコレクタ/エミッタ間に流れる電流が制御される。
トランジスタ10は、CPU17から出力される制御信号に基づいてトランジスタ8のベース電流を制御し、トランジスタ8は出力トランジスタ4のベース電流を制御し、抵抗9,32,34,36,トランジスタ10と共に出力トランジスタ4のドライブ回路(定電流出力手段)を構成する。トランジスタ10のベースには、二つの抵抗11,12を介してCPU17の制御信号が入力される。CPU17の出力端子a,bから出力される各制御信号は、前述のように“H”を示す5Vあるいは“L”を示す0Vのいずれかの電圧なので、例えば、抵抗11と抵抗12とを同じ値に揃えて回路構成すると、前述の抵抗15,16を例示して説明した動作と同様になり、トランジスタ13と同様に0V、2.5V、5.0Vのいずれかの電圧がトランジスタ10のベースに印加され、当該トランジスタ10のコレクタ/エミッタ間に流れる電流が制御される。
前述のようにCPU17の制御信号により制御されたトランジスタ10のコレクタ電流は、概ねトランジスタ8のベース電流になり、ベース電圧に応じたコレクタ電流がトランジスタ10に流れることによりトランジスタ8のベース電流が制御される。図1に例示した回路では、トランジスタ10がNPN型バイポーラトランジスタで、トランジスタ8がPNP型バイポーラトランジスタなので、トランジスタ10がトランジスタ8のベースから電流を引き込むように作用する。なお、トランジスタ10のエミッタ電流は抵抗34によってその値が定められ、ベース電圧と対応するエミッタ電流値が決定する。このエミッタ電流と概ね同じ電流値がコレクタに流れる。
トランジスタ8のベースには、抵抗32によって定められる電圧が印加され、前述のようにトランジスタ10によって制御される電流が流れる。この制御されたベース電流値に応じてトランジスタ8のコレクタ/エミッタ間に電流が流れ、当該エミッタ電流が出力トランジスタ4のベースへ与えられる。トランジスタ8のエミッタ電流値は抵抗9によって定められ、当該エミッタ電流値と概ね同じ電流がコレクタに流れる。このようにトランジスタ10によってトランジスタ8のコレクタ電流が制御され、さらに出力トランジスタ4のベース電流が制御される。高電圧側の出力トランジスタ4は、コレクタにDC/DCコンバータ3のダイオードD2から出力される高電圧の電力が供給され、また高電圧の電力を出力することから、そのベースに印加される電圧も低電圧側の出力トランジスタ6のベース電圧に比べて高い値になる。出力トランジスタ4のベースには、ダイオードD1等から高電圧の電力が供給されるトランジスタ8を介することにより、トランジスタ10によって直接ドライブされる場合よりも高い電圧が印加され、また、トランジスタ10によるドライブよりも大きな電流が流れる。このように、AC電力の高電圧側を出力する出力トランジスタ4には、トランジスタ8、抵抗32,9等により構成される定電流回路(レベルシフト回路)により、当該出力トランジスタ4のON/OFF状態の切り替え、またON状態において出力電流値を制御することが可能な大きさを有するベース電流が生成され、前述のように供給される。なお、出力トランジスタ4のベース電圧は抵抗36によって定められる。
出力トランジスタ4のドライブ回路の出力電流即ち当該出力トランジスタ4のベース電流は、トランジスタ10のベースに印加されるいずれかの電圧により定められ、当該トランジスタ10のベース電圧を制御するCPU17により、前述のトランジスタ13のベース電圧の制御と同様に適宜、設定変更され、また出力トランジスタ4のベース電流は、前述の出力トランジスタ6のベース電流のように複数の値のうち、いずれかの定電流値にCPU17の出力端子a,bから出力される制御信号によって制御され、当該出力トランジスタ4の出力電流が制御される。
出力トランジスタ4は、このようにして供給されたベース電流によってOFF状態あるいはON状態が切り替えられ、またON状態においてコレクタに流れる電流値が制御され、HIDバルブ19に流れる高電圧側の電流を制御する。
図1に示した出力トランジスタ5及びそのドライブ回路は、ここまで説明した出力トランジスタ4及びそのドライブ回路と同様に動作する。抵抗21は抵抗11に対応し、抵抗22は抵抗12に、トランジスタ20はトランジスタ10に、抵抗35は抵抗34に、抵抗33は抵抗32に、抵抗29は抵抗9に、抵抗37は抵抗36に、トランジスタ28はトランジスタ8に対応し、また出力トランジスタ5は出力トランジスタ4に対応するもので、それぞれ同様に回路動作を行う。これらの回路動作は、CPU17の出力端子c,dから出力される制御信号のタイミング等が異なることから、各動作タイミングが異なるのみなので、ここでは出力トランジスタ5とそのドライブ回路等の動作説明を省略する。
図1に示した出力トランジスタ5及びそのドライブ回路は、ここまで説明した出力トランジスタ4及びそのドライブ回路と同様に動作する。抵抗21は抵抗11に対応し、抵抗22は抵抗12に、トランジスタ20はトランジスタ10に、抵抗35は抵抗34に、抵抗33は抵抗32に、抵抗29は抵抗9に、抵抗37は抵抗36に、トランジスタ28はトランジスタ8に対応し、また出力トランジスタ5は出力トランジスタ4に対応するもので、それぞれ同様に回路動作を行う。これらの回路動作は、CPU17の出力端子c,dから出力される制御信号のタイミング等が異なることから、各動作タイミングが異なるのみなので、ここでは出力トランジスタ5とそのドライブ回路等の動作説明を省略する。
図2は、電界効果トランジスタ(以下FETと記載する)、IGBT、及びバイポーラトランジスタの出力電流と電力損失との関係を示す説明図である。この図は、縦軸に各素子がある動作を行って電流を出力するときに生じる電力損失を示し、横軸に各素子から出力される電流を示したグラフである。
DC/ACインバータ3のHブリッジ回路にFETを使用する場合、FETはゲート電圧の制御によって動作することから、小さな電力のゲート駆動回路を備えるだけでよいが、ドレイン/ソース間には抵抗成分が存在することから、ドレイン/ソース間に流れる電流の増大と共に電圧降下が増大する。このドレイン/ソース間の電流は出力電流と概ね同じ大きさを有するものである。FETは、図2に示したように出力電流が増大すると、電力損失は二次曲線を描くように急激に増大する。IGBTをHブリッジ回路に使用する場合もFETと同様に簡単なゲート駆動回路を備えるだけでよいが、IGBTの電気的構成は複数のバイポーラトランジスタをダーリントン接続したものと等価なことから、コレクタ/エミッタ間の電圧降下が単一のバイポーラトランジスタに比べて大きくなり1V以上になる。図2に示したように、IGBTは出力電流を大きくするとFETに比べて電力損失が小さくなることから大電流を出力する回路に適しているが、出力電流を一定の値より小さくして動作させるとFETに比べて電力損失が大きくなる。
DC/ACインバータ3のHブリッジ回路にFETを使用する場合、FETはゲート電圧の制御によって動作することから、小さな電力のゲート駆動回路を備えるだけでよいが、ドレイン/ソース間には抵抗成分が存在することから、ドレイン/ソース間に流れる電流の増大と共に電圧降下が増大する。このドレイン/ソース間の電流は出力電流と概ね同じ大きさを有するものである。FETは、図2に示したように出力電流が増大すると、電力損失は二次曲線を描くように急激に増大する。IGBTをHブリッジ回路に使用する場合もFETと同様に簡単なゲート駆動回路を備えるだけでよいが、IGBTの電気的構成は複数のバイポーラトランジスタをダーリントン接続したものと等価なことから、コレクタ/エミッタ間の電圧降下が単一のバイポーラトランジスタに比べて大きくなり1V以上になる。図2に示したように、IGBTは出力電流を大きくするとFETに比べて電力損失が小さくなることから大電流を出力する回路に適しているが、出力電流を一定の値より小さくして動作させるとFETに比べて電力損失が大きくなる。
一般的なバイポーラトランジスタのコレクタ/エミッタ間に生じる電圧降下は、IGBTと同様に通電電流によらず略一定である。また、コレクタ/エミッタ間に生じる電圧降下は、IGBTより低く数百mV程度である。そのためバイポーラトランジスタは、図2に示したように、他の素子に比べて出力電流が大きくなった場合でも電力損失が小さく、大電流が流れる回路に適している。このようなバイポーラトランジスタは、コレクタ電流に見合う電流をベースに流し込む必要があり、回路素子として使用するときは十分なベース電流を供給できるドライブ回路を備えなければならない。また、バイポーラトランジスタを使用するときベース電流による電力損失が発生する。一定のベース電流による電力損失は、図2に斜線で示したようにバイポーラトランジスタの電力損失をかさ上げするもので、出力電流が小さい動作ではFETやIGBTよりも電力損失が大きくなる要因になっている。
図3は、FET、IGBT、及びバイポーラトランジスタの各素子内の電圧降下と温度との関係を示す説明図である。この図は、縦軸に各素子内に生じる電圧降下の大きさを示し、横軸に各素子の温度を示したグラフである。FETは高温下において、ドレイン/ゲート間の抵抗値が増大し、電圧降下も大きくなる。前述の説明を含めてFETは小さい電流の負荷に対して構成した回路に適している。IGBT及びバイポーラトランジスタは、コレクタ/エミッタ間の電圧降下が高温になるほど低下する特性を有し、FETに比べて高温になる回路等に適している。このような各素子の特性を考慮すると、大きな電流を出力するDC/ACインバータ回路には、回路動作中の発熱や電力損失等の諸条件からバイポーラトランジスタが最も適している。
一般に車両のヘッドランプに使用される放電灯は、定常点灯時に35Wの電力を要し、85Vの電圧を印加したとき0.4Aの電流が流れるもので、比較的消費電流が小さく車両に搭載される放電灯点灯装置にはFETが広く使用されていた。しかし環境問題に対応して車両のヘッドランプに水銀を使用しない放電灯が使用されるようになり、動作効率や装置外形のサイズなどを考慮するとFETを使用したDC/ACインバータ回路を用いることが好ましくなくなった。水銀を使用しない放電灯は、水銀を使用したものと同じ定格電力35Wであれば、点灯に要する電圧は低くなって42V、流れる電流は倍増して0.83Aになる。従って水銀を使用しない放電灯には、大電流出力に効率よく対応できるIGBTあるいはバイポーラトランジスタを使用したDC/ACインバータ回路が適している。IGBTあるいはバイポーラトランジスタを使用するとき、電力損失となるコレクタ/エミッタ間の電圧降下に着目すれば、前述のようにバイポーラトランジスタが有利である。
そこで本発明では、Hブリッジ回路を構成するスイッチング素子にバイポーラトランジスタを使用してDC/ACインバータ3を構成している。
そこで本発明では、Hブリッジ回路を構成するスイッチング素子にバイポーラトランジスタを使用してDC/ACインバータ3を構成している。
車両のヘッドランプに使用される放電灯には、点灯直後の光量を確保するため、点灯直後から放電現象が安定するまで大電力を供給する必要がある。このときの電流値のみに適応させてDC/ACインバータ3を構成すると、当該DC/ACインバータ3のHブリッジを形成している出力トランジスタ4〜7には常に大きなベース電流を供給することになり、出力トランジスタ4〜7のベース電流による電力損失が増大してしまう。そこで、DC/ACインバータ3のHブリッジを構成する各トランジスタ4〜7から、HIDバルブ19の点灯直後には大電流を出力し、その後定常点灯となったことを検出して各出力トランジスタ4〜7のベース電流を小さくするようにCPU17が制御する。電流検出器41は、DC/ACインバータ3の出力電流、即ちHIDバルブ19に流れる電流を図1に示した抵抗40の両端電圧から検出する。電流検出器41は、抵抗40の両端電圧を入力して前述の出力電流の値を示すデータを生成する。
CPU17は、電流検出器41から出力電流の値を示すデータを入力し、このデータが示す出力電流値と当該CPU17に予め設定されている電流値とを比較して、各出力トランジスタ4〜7のベース電流が所定の電流値となるように出力端子a〜hから出力される制御信号を生成する。各制御信号は前述のように抵抗11,12,15,16,21,22,25,26を介して、それぞれトランジスタ10,13,20,23のベースに入力される。CPU17は、当該放電灯点灯装置が起動され、消灯しているHIDバルブ19を点灯させるとき、出力トランジスタ4〜7のベースに大きな電流が供給されるように、例えば全ての制御信号を“H”として出力する。DC/ACインバータ3が動作を開始し、前述のように各出力トランジスタ4〜7から出力電流が出力され、電流検出器41がこの出力電流を検出すると、CPU17は電流検出器41からDC/ACインバータ3の出力電流を示すデータ、即ちHIDバルブ19に流れる電流を示すデータを入力する。前述のようにHIDバルブ19が点灯された直後は、HIDバルブ19に大きな電流が流れるため、このデータは大電流値を示すものになる。
CPU17は、DC/ACインバータ3が起動してHIDバルブ19へ出力電流の供給が開始されたとき、電流検出器41から取得したデータが、例えば予め設定されている電流値3Aのような大電流を示すように各制御信号を生成する。この後、HIDバルブ19の放電現象が安定するとHIDバルブ19に流れる電流が小さくなる。電流検出器41から出力されるデータが、HIDバルブ19の定常点灯時の電流を示すようになったとき、例えば予め設定されている電流値0.4Aを示すようになったとき、この出力電流値を維持するように電流検出器41から取得したデータを監視しながら出力トランジスタ4〜7の各ベース電流を小さくする制御を行い、その後、HIDバルブ19が点灯している間この出力電流値を維持するように制御する。このように定常点灯時のように出力電流が小さくなるとき、出力トランジスタ4〜7のベース電流を抑制することにより、バイポーラトランジスタのベース電流による電力損失を抑制することができる。
以上のように実施の形態1によれば、DC/ACインバータ3のHブリッジ回路にバイポーラトランジスタの出力トランジスタ4〜7を使用し、CPU17が出力トランジスタ4〜7のベース電流を制御することによりHIDバルブ19へ出力する電流を適宜制御するようにしたので、大きな電流を供給するときの電力損失を軽減すると共にベース電流の供給過多による損失増大を防ぐことによりDC/ACインバータ3の電力損失を軽減することができるという効果がある。
また、電源1の負担が軽減され、各出力トランジスタ4〜7等の放熱量を抑制することができ、また放熱器等を小型化して当該装置の小型化を図ることができるという効果がある。
また、電源1の負担が軽減され、各出力トランジスタ4〜7等の放熱量を抑制することができ、また放熱器等を小型化して当該装置の小型化を図ることができるという効果がある。
1 電源、2 DC/DCコンバータ、3 DC/ACインバータ、4〜7 出力トランジスタ(バイポーラトランジスタ)、8,10,13,20,23,28 トランジスタ、9,14,24,29,32〜40 抵抗、11,12,15,16,21,22,25,26 抵抗、17 CPU(制御手段)、18 イグナイタ、19 HIDバルブ(放電灯)、30 トランジスタスイッチ、31 発振器、41 電流検出器(電流検出手段)、C1,C2 コンデンサ、D1,D2 ダイオード、T1 トランス、W1 一次側巻き線、W2 二次側巻き線。
Claims (4)
- 放電灯へ供給するAC電力を生成するHブリッジ形のインバータ回路を備えた放電灯点灯装置において、
前記インバータ回路を成すスイッチング素子としてのバイポーラトランジスタと、
前記インバータ回路の出力電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段からの出力電流に基づいて前記バイポーラトランジスタのベース電流を制御する制御手段とを備えた放電灯点灯装置。 - 制御手段は、放電灯の点灯を開始するときバイポーラトランジスタのベースに大電流が流れるように制御し、定常点灯時はベース電流を小さくするように制御することを特徴とする請求項1記載の放電灯点灯装置。
- 制御手段から入力する制御信号に応じて一定の電流をバイポーラトランジスタのベースへ出力する定電流出力手段を備えたことを特徴とする請求項1記載の放電灯点灯装置。
- 定電流出力手段は、制御手段から入力する制御信号を、インバータ回路を成す高電圧側バイポーラトランジスタの駆動電流に変換し、前記高電圧側バイポーラトランジスタのベースへ出力するレベルシフト回路を備えたことを特徴とする請求項3記載の放電灯点灯装置。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2004254526A JP2006073318A (ja) | 2004-09-01 | 2004-09-01 | 放電灯点灯装置 |
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CN109863689A (zh) * | 2016-10-31 | 2019-06-07 | 三菱电机株式会社 | 电动机驱动装置及空调机 |
-
2004
- 2004-09-01 JP JP2004254526A patent/JP2006073318A/ja active Pending
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