JP2007526608A

JP2007526608A - 太陽電池によるランプ駆動装置

Info

Publication number: JP2007526608A
Application number: JP2007501393A
Authority: JP
Inventors: アーエムヘンドリクス，マヒール
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2004-03-05
Filing date: 2005-02-22
Publication date: 2007-09-13
Also published as: US20070138970A1; DE602005009510D1; EP1728413B1; ATE407543T1; WO2005089030A1; CN1930925A; EP1728413A1

Abstract

ガス放電ランプ（Ｌ）を駆動する能力を有し、太陽エネルギーを動力とするランプ駆動装置（１００；２００）は、第１の基準ノード（Ｖ１）と第２の基準ノード（マス）との間に直列結合された２つの制御可能なスイッチ（１３１，１３２）の第１のブランチと、第１の基準ノード（Ｖ１）と第２の基準ノード（マス）との間に直列結合された２つのバッファキャパシタ（１３３，１３４）の第２のブランチと、一方で２つの制御可能なスイッチ（１３１，１３２）の間の第１のノード（Ｄ）と、他方で２つのバッファキャパシタ（１３３，１３４）の間の第２のノード（Ｅ）との間に接続された出力ブランチ（ＤＥ）とを有するハーフブリッジインバータ、及び２つの制御可能なスイッチ（１３１，１３２）の間の第１のノード（Ｄ）へ直接的に接続された出力部（１１５）を有するブーストコンバータを有する。

Description

本発明は、概して、ガス放電ランプ、具体的には高周波ガス放電ランプ、更に具体的には高周波ＴＬランプを駆動する能力を有するランプ駆動装置に関する。更に具体的には、本発明は、太陽電池によって電力を供給される能力を有するランプ駆動装置に関する。

ガス放電ランプは、一般に知られる。概して、それらは、気密式で放電箱を取り囲む光伝達管と、イオン充填材と、放電箱内で互いに相対して置かれた一対の電極とを有する。夫々の電極は、放電箱からランプ管を介して外部へと広がる関連電流導体へ接続されている。動作中に、電圧は前出の電極を介して印加され、ガス放電は、ランプ電流を前出の電極間に流すよう電極間に発生する。

放電ランプは、通常、交流を供給する電子バラスト又は駆動装置によって駆動される。ランプ駆動装置及び太陽発電装置は、別々に発展してきた。通常、ランプ駆動装置は、主電源から電力を供給されるよう構築され、
− ＡＣ主電源を受けるための入力部と、
− 主電源電圧を直流へ整流するための整流器と、
− 整流された電圧を受け、この電圧をより高い電圧へ変換し、通例、更に、主電源電流に対して力率補正を実行するためのＤＣ／ＤＣ昇圧コンバータと、
− 前出の高い直流電流を適切な振幅のＡＣ（ランプ電流）へ転化するためのハーフブリッジインバータと、
を有する。

インバータは、電流源として機能する。通常、インバータは、約４０から５０ｋＨｚ程度の周波数で動作する。従って、原理上は、ランプは、一定の大きさを有するランプ電流で動作するが、定期的に、非常に短時間（整流期間）内で、対称的にその方向を変化させる。即ち、電極は、夫々の電流周期の５０％の間は陰極として動作し、夫々の電流周期の残りの５０％の間は陽極として動作する。

他方で、太陽エネルギーを受けて、出力電圧を発生させる能力を有する典型的な太陽電圧電源は、
− 光を受けて、出力電流を発生させる能力を有する少なくとも１つの光起電力電池と、
− 光起電力電池からの出力電流を受けて、出力電圧を発生させるブーストコンバータと、
を有する。

通常、太陽電圧電源によって供給される電気エネルギーは、バッテリー又は他の形式の蓄電池（例えば、主電源格子（ｍａｉｎｓｇｒｉｄ））を充電するために使用され、バッテリーは、電気機器の電源として働くために使用される。

ランプ駆動装置では、放電ランプを駆動するために太陽エネルギーを直接的に使用することができることが望ましい。従って、太陽エネルギーを動力とするランプ駆動装置は、典型的な太陽電圧電源の要素及び典型的な放電ランプ駆動装置の要素を組み合わせるよう発展してきた。図１は、従来技術の太陽エネルギーを動力とするランプ駆動装置１の一般的な設計を概略的に示すブロック図である。ランプ駆動装置１は、３つの段、即ち、ブーストコンバータ１０と、パルス幅変調インバータ２０と、ハーフブリッジインバータ３０とを有する。

ブーストコンバータ１０は、少なくとも１つの光起電力電池１１と、光起電力電池１１の出力へ結合された１つの端子を有するインダクタ１２と、インダクタ１２の第２の端子と基準電圧（マス（ｍａｓｓ））との間に結合された制御可能なスイッチ１３と、前出のインダクタ１２と前出のスイッチ１３との間のノードＡへ結合された１つの端子を有し、ブーストコンバータ１０の出力部１５へ結合された他の端子を有する整流素子１４とを有する。

パルス幅変調インバータ２０は、前出のブーストコンバータ出力部１５と前出の基準電圧（マス）との間に直列結合された２つの制御可能なスイッチ２１及び２２の第１のブランチを有し、前出の２つの制御可能なスイッチ２１及び２２の間のノードは、Ｂで示されている。パルス幅変調インバータ２０は、前出のブーストコンバータ出力部１５と前出の基準電圧（マス）との間に直列結合された２つの制御可能なスイッチ２３及び２４の第２のブランチを有し、前出の２つの制御可能なスイッチ２３及び２４の間のノードは、Ｃで示されている。

ハーフブリッジインバータ３０は、前出のブーストコンバータ出力部１５と前出の基準電圧（マス）との間に直列結合された２つの制御可能なスイッチ３１及び３２の第３のブランチを有し、前出の２つの制御可能なスイッチ３１及び３２の間のノードは、Ｄで示されている。ハーフブリッジインバータ３０は、前出のブーストコンバータ出力部１５と前出の基準電圧（マス）との間に直列結合された２つキャパシタ３３及び３４の第４のブランチを有し、前出の２つのキャパシタ３３及び３４の間のノードは、Ｅで示されている。ハーフブリッジインバータ３０は、コンバータ３０の前出の２つのノードＤ及びＥの間に直列結合されたランプＬ、キャパシタ３５及びインダクタ３６の配置を更に有する。

パルス幅変調インバータ２０は、インバータ２０の前出の２つのノードＢ及びＣの間でＡＣ主電源入出力部２６に直列結合されたインダクタ２５を更に有する。利用可能な太陽エネルギーが不足している場合には、エネルギーは、ランプＬに電力を供給するためにＡＣ主電源から受けられる。ランプＬによって消費されるよりも利用可能な太陽エネルギーが多い場合には、余剰分は主電源へフィードバックされる。

前出のスイッチは、通常ＭＯＳＦＥＴとして実施されるスイッチであって、簡単のために図１には示されていないスイッチ制御器によって駆動される。

このような従来技術の、太陽エネルギーを動力とするランプ駆動装置１は、幾つかの欠点を有する。当該装置は、多数の構成要素、即ち、少なくとも７つのスイッチと少なくとも３つのインダクタとを有する。更に、３つの変換段のために、光起電力電池１１からランプＬまでには相当なエネルギー損失が存在する。

本発明の重大な目的は、このような欠点を減らすことである。更に具体的には、本発明は、部品点数を減らされて、効率を改善された、太陽エネルギーを動力とするランプ駆動装置を提供することを目的とする。

本発明の重大な態様に従って、駆動装置の性能が維持されることを可能とすると同時にパルス幅変調インバータ段が全く削除されることを可能にするように、ブーストコンバータの出力部は、ハーフブリッジインバータ／コンバータの２つの制御可能なスイッチの間のノードへ直接的に接続され、主電源入出力部は、ランプ及び直列インダクタの直列配置に並列接続される。

本発明の前出の又は他の態様、特徴及び利点について、図面を参照して以下の記述により更に説明する。図面中で、同じ参照番号は、同一又は類似する部分を示す。

図２は、本発明に従う、太陽エネルギーを動力とするランプ駆動装置１００の第１の実施例のブロック図を概略的に示す。装置１００は、ブースト段１１０と、ハーフブリッジインバータ１３０とを有する。

ブーストコンバータ１１０は、少なくとも１つの光起電力電池１１１と、光起電力電池１１１の出力へ結合された１つの端子を有し、ブーストコンバータ１１０の出力部１１５へ結合された１つの端子（本例では陰極）を有する（ダイオードとして示された）整流素子１１４の第１の端子（本例では陽極）へ結合された他の端子を有するインダクタ１１２とを有する。

ハーフブリッジインバータ１３０は、第１の基準電圧Ｖ１と第２の基準電圧（マス）との間に直列結合された２つの制御可能なスイッチ１３１及び１３２の第１のブランチを有し、前出の２つの制御可能なスイッチ１３１及び１３２の間のノードは、Ｄで示されている。ハーフブリッジインバータ１３０は、第１の基準電圧Ｖ１と第２の基準電圧（マス）との間に直列結合された２つのバッファキャパシタ１３３及び１３４の第２のブランチを有し、前出の２つのキャパシタ１３３及び１３４の間のノードは、Ｅで示されている。ハーフブリッジインバータ１３０は、コンバータ１３０の前出の２つのノードＤ及びＥの間に接続された出力ブランチＤＥを更に有する。示された実施例では、出力ブランチＤＥは、コンバータ１３０の前出の２つのノードＤ及びＥの間に直列結合されたランプＬ、キャパシタ１３５及びインダクタ１３６の配置を有する。この点において、ランプＬは、コンバータ１３０の一部ではない事が分かる。即ち、コンバータ１３０は、ランプＬを受けるためのランプ出力部を有する。しかし、当業者には明らかであろうところのこのような詳細は、図２には表されない。

基準電圧Ｖ１は、外部電源によって供給されるのではなく、２つのスイッチ１３１及び１３２の昇圧変換動作により主電源及び／又は太陽電池から引き出されるので、第１のスイッチ１３１と第１のバッファキャパシタ１３３との間のノードは、以後、「第１の基準ノード」と示される。同様に、第２のスイッチ１３２と第２のバッファキャパシタ１３４との間のノード（マス）は、以後、「第２の基準ノード」と示される。

ハーフブリッジインバータ１３０は、コンバータ１３０の２つのノードＤ及びＥの間で、即ち、ランプＬ、キャパシタ１３５及びインダクタ１３６の配置に並列に、ＡＣ主電源入出力部１３８に直列結合されたインダクタ１３７を更に有する。利用可能な太陽エネルギーが不足している場合には、エネルギーは、ランプＬに動力を供給するためにＡＣ主電源から受けられる。この場合に、スイッチは、キャパシタ１３３及び１３４にエネルギーを蓄える電圧倍増ブーストコンバータとして機能する。同時に、これらのスイッチは、これらのキャパシタ１３３及び１３４から供給されるインバータとして機能し、エネルギーをランプＬへ伝送する。２つのエネルギーの流れは、（必要な２自由度を与える）ＰＷＭ及びＦＭの混合によりスイッチ１３１及び１３２を駆動することによって独立に制御可能である。ランプＬによって消費されるよりも利用可能な太陽エネルギーの方が多い場合には、余剰分は主電源１３８へフィードバックされる。

前出のスイッチは、通常ＭＯＳＦＥＴとして実施されるスイッチであって、スイッチ制御器１４０によって駆動される。

本発明に従う第１の太陽エネルギーを動力とするランプ駆動装置１００を図１に表される従来技術の駆動装置１と比較すると、本発明の駆動装置１００は、構成部品、特にスイッチの数がより少ないことが直ぐに明白となるであろう。即ち、本実施例では、第１のスイッチ１３１及び第２のスイッチ１３２のたった２つのスイッチで足りる。第１のスイッチ１３１は、（従来技術のスイッチ２１及び２３に相当する）上側のインバータスイッチと、（従来技術のスイッチ３１に相当する）上側のハーフブリッジスイッチとの２重の機能を実行する。第２のスイッチ１３２は、（従来技術のスイッチ１３に相当する）ブーストスイッチと、（従来技術のスイッチ２２及び２４に相当する）下側のインバータスイッチと、（従来技術のスイッチ３２に相当する）下側のハーフブリッジスイッチとの３重の機能を実行する。

スイッチ制御器１４０は、一般的に当業者に知られるように、２つのスイッチが同時に導通しないように気をつけながら、２つのスイッチ１３１及び１３２を導通又は非導通のいずれか一方の状態へ制御するための制御信号を発生させる。スイッチ制御器１４０は、周波数変調（ＦＭ）及びパルス幅変調（ＰＷＭ）の組合せにより２つのスイッチを駆動するよう構成される。更に具体的には、スイッチ制御器１４０は、ある所望のランプ電流を得るように２つのスイッチ１３１及び１３２の切替え周波数を設定し、且つ、ある所望の主電源電流を得るようにスイッチのデューティーサイクル（即ち、切替え周期全体に対するスイッチのオン期間の比）を設定するよう構成される。望ましくは、スイッチは、主電源周期の間に一定の切替え周波数を維持するよう制御される。

スイッチ１３１及び１３２の切替え周波数並びにデカップリングキャパシタ１３５のインピーダンスは、ランプＬが主電源１３８から直接的に電力を供給され得ないように選択される。通常、主電源周波数は、ほぼ５０から６０Ｈｚ程度であり、スイッチの動作周波数は、この主電源周波数を優に超えるよう、望ましくは２０ｋＨｚより低くないよう選ばれる。ランプＬが高周波ＴＬランプである場合には、ほぼ４０から５０ｋＨｚ程度の動作周波数が適当である。

主電源周波数とスイッチ動作周波数との間で大きな隔たりを選ぶことにより、デカップリングキャパシタ１３５が主電源周波数に関しては比較的高いインピーダンスを有し、スイッチ動作周波数に関して比較的低いインピーダンスを有するように、デカップリングキャパシタ１３５に対して適切な値を選ぶことが比較的簡単に可能となる。このことは、ランプＬがバッファキャパシタから高周波電流を受けることを可能にすると同時に、主電源がランプＬへ直接的に流れることを防ぐ。同様に、高周波成分が主電源に達することを防ぐために主電源１３８が高いインピーダンスを有するように、主電源１３８に直列なインダクタ１３７に対して適切な値を選ぶことは、比較的簡単に可能となる。

図３は、本発明に従う太陽エネルギーを動力とするランプ駆動装置２００の第２の実施例を概略的に示す。第２の実施例は、更なるスイッチ１１３がブースト段１１０に加えられている点を除いて第１の実施例と同一である。更なるスイッチ１１３は、一方でインダクタ１１２と整流素子１１４との間のノードＡと、他方で第２の基準ノード（マス）との間に接続されている。この更なるスイッチ１１３の機能は、従来技術の駆動装置１のブーストコンバータ１０におけるスイッチ１３に相当する。

ランプ駆動装置の設計時に、理想的には同時に最適化されるべき３つの重要な性能パラメータが存在する：
１ａ）利用可能な太陽エネルギーが存在せず、あるいは不足し、駆動装置が主電源からエネルギーを消費する場合の電力品質。望ましくは、電力品質は、ほぼ１程度の力率と、３０％より少ない全高調波歪みとを有する；
１ｂ）太陽エネルギーに余剰がある場合に、主電源へ供給される電力の電力品質（即ち、多量の太陽光及び／又はほとんど若しくは全くないランプ電力消費）；
２）一定ランプ電力、即ち、リップル及びフリッカの含まれていない光出力；
３）最大電力点トラッキング、即ち、常に最大電力が太陽電池から取られるような設定。

独立に駆動される３つの個別のコンバータ段を有する、図１で表される従来技術の駆動装置１では、ブーストコンバータ段１０の設定は、第３のパラメータ（最大電力点トラッキング）の必要条件を満足するよう最適化され、ハーフブリッジ段３０の設定は、第２のパラメータ（リップル及びフリッカの含まれていない光出力）の必要条件を満足するよう最適化され、インバータ段２０の設定は、第１のパラメータ（電力品質）の必要条件を満足するよう最適化される。

基本的には独立に制御可能な３つのスイッチを有する図３の実施例では、前出のパラメータの３つ全てを独立に制御することが可能である。２つのスイッチしか有さない点で有利である図２の実施例では、前出のパラメータの２つしか独立に最適化され得ないと考えられる。しかし、図２では、両スイッチの切替え周波数を同時に、且つ、夫々のスイッチのデューティーサイクルを個々に変化させることが可能である。平均デューティーサイクルは、主電源電流を制御し、一方、デューティーサイクルの差は、２つのバッファキャパシタ１３３、１３４での電圧平衡が変えられるよう制御する。この電圧平衡は、下側のスイッチの必要なデューティーサイクル及び周波数に影響を及ぼし、従って、最大電力点トラッキングに間接的に影響を及ぼす。

当業者には明らかなように、本発明は上述した実施例には限定されず、幾つかの変形及び改良が添付の特許請求の範囲に定義された本発明の保護適用範囲内で可能である。

例えば、ランプＬ、キャパシタ１３５及びインダクタ１３６の直列配置に並列に、又は、この直列に代わって、整流器を駆動する変圧器は、本発明に従う駆動装置１００、２００が、また、バッテリー充電器出力を供給されるように、接続され得る。

従来技術の太陽エネルギーを動力とするランプ駆動装置の一般的な設計を概略的に示すブロック図である。本発明に従う、太陽エネルギーを動力とするランプ駆動装置の第１の実施例の一般的な設計を概略的に示すブロック図である。本発明に従う太陽エネルギーを動力とするランプ駆動装置の第２の実施例の一般的な設計を概略的に示すブロック図である。

Claims

ガス放電ランプを駆動する能力を有し、太陽エネルギーを動力とするランプ駆動装置であって，
第１の基準ノードと第２の基準ノードとの間に直列に結合された２つの制御可能なスイッチの第１のブランチ；
前記第１の基準ノードと前記第２の基準ノードとの間に直列に結合された２つのバッファキャパシタの第２のブランチ；及び
一方が前記２つの制御可能なスイッチの間の第１のノードと、他方が前記２つのバッファキャパシタの間の第２のノードとの間に接続された出力ブランチ；
を有するハーフブリッジインバータと，
前記２つの制御可能なスイッチの間の前記第１のノードへ直接的に接続された出力部を有するブーストコンバータと，
を有する駆動装置。
前記出力ブランチは、ランプ出力部と、デカップリングキャパシタと、インダクタとの直列配置を有することを特徴とする請求項１記載の駆動装置。
前記出力ブランチは、インダクタと、ＡＣ主電源入出力部との直列配置を有することを特徴とする請求項１記載の駆動装置。
前記出力ブランチは、ランプ出力部と、デカップリングキャパシタと、インダクタとの第１の直列配置を有し、更に、インダクタと、ＡＣ主電源入出力部との第２の直列配置を有し、
該第２の直列配置は、前記第１の直列配置へ並列に接続されることを特徴とする請求項１記載の駆動装置。
スイッチ制御器は、主電源周波数を優に超える切替え周波数で、望ましくは２０ｋＨｚより低くない切替え周波数で、更に望ましくはほぼ４０から５０ｋＨｚ程度の切替え周波数で、前記２つのスイッチを駆動するよう構成されることを特徴とする請求項４記載の駆動装置。
前記デカップリングキャパシタは、前記主電源周波数に関して比較的高いインピーダンスを有し、スイッチ動作周波数に関して比較的低いインピーダンスを有することを特徴とする請求項５記載の駆動装置。
前記インダクタは、スイッチ動作周波数に関して比較的高いインピーダンスを有し、前記主電源周波数に関して比較的低いインピーダンスを有することを特徴とする請求項５記載の駆動装置。
前記出力ブランチは、整流器を駆動する変圧器を有することを特徴とする請求項１記載の駆動装置。
前記２つのスイッチを導通又は非導通のいずれか一方の状態へ制御するための制御信号を発生させるよう構成されたスイッチ制御器を更に有し、
該スイッチ制御器は、周波数変調及びパルス幅変調の組合せにより前記２つのスイッチを駆動するよう構成されることを特徴とする請求項１記載の駆動装置。
前記スイッチ制御器は、ある所望のランプ電流を得るように前記２つのスイッチの切替え周波数を設定し、且つ、ある所望の主電源電流を得るように前記２つのスイッチのデューティーサイクルを設定するよう構成されることを特徴とする請求項９記載の駆動装置。
前記スイッチ制御部は、一定の切替え周波数を維持するようよう構成されることを特徴とする請求項１０記載の駆動装置。
前記スイッチ制御部は、前記２つのスイッチに対して共通の切替え周波数を設定し、且つ、前記２つのスイッチに対して個々のデューティーサイクルを設定するよう構成されることを特徴とする請求項１０記載の駆動装置。
前記ブーストコンバータは、
少なくとも１つの光起電力電池と、
該光起電力電池の出力へ結合された１つの端子を有し、整流素子の第１の端子へ結合された他の端子を有するブーストインダクタと、
当該ブーストコンバータの出力部へ結合された出力端子を有する前記整流素子と、
を有することを特徴とする請求項１記載の駆動装置。
前記ブーストコンバータは、一方で前記ブーストインダクタと前記整流素子との間のノードと、他方で前記第２の基準ノードとの間に接続された更なる制御可能なスイッチを更に有することを特徴とする請求項１３記載の駆動装置。