JP2008503866A - ガス放電ランプの駆動方法 - Google Patents
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Abstract
ガス放電ランプは、高周波ランプ電流を用いて駆動される。ランプ駆動回路は、前出のランプ電流を供給するための高周波ブリッジ回路を有する。ランプ電圧が所定のランプ動作電圧を下回る場合にランプが消灯することを防ぐよう、共振回路はランプ駆動回路においてランプと高周波ブリッジ回路との間に設けられる。ブリッジ回路の周波数は、共振回路がガス放電ランプへ供給される電圧を前出のランプ動作電圧よりも高い電圧へと押し上げるよう共振しうる。
Description
本発明は、ガス放電ランプ、特に高輝度ガス放電(HID)ランプの駆動に関する。具体的には、本発明は、ガス放電ランプの駆動方法と、高い力率を有する一段式ガス放電ランプ駆動回路とに関する。
ランプ駆動回路は、ランプが機能することを可能にするために、適切な電圧(及び電流)をガス放電ランプ、特に高輝度放電(HID)ランプに供給するために必要とされる。ランプを点灯させるために点灯電圧が必要とされ、所定の動作電圧及び電流がランプをオンし続けるために必要とされる。
ガス放電ランプ駆動回路、及び特に高輝度ガス放電ランプ駆動回路は、当該技術分野において知られており、例えば、交流主電圧により電源供給されるべき放電ランプとともに使用される。
供給される交流電圧を直流電圧へ変換し、高周波交流電圧を発生させるよう前出の直流電圧を高速切替えブリッジ回路へ供給して、例えば、高周波方形波電圧を供給する。前出の直流電圧を供給するよう、交流供給電圧は、前出のブリッジ回路へ供給される前にランプ駆動回路により整流される。このような駆動回路を用いることは、供給エネルギーが駆動回路により浪費されて、駆動回路効率を悪化させるという欠点を有する。
ある既知のランプ駆動回路設計、及び対応するランプ駆動方法は、力率補正段を有する。しかし、このような力率補正段は、それ自体エネルギーを浪費して、駆動回路効率を悪化させる。
他の既知の駆動回路設計は、力率補正段を削除することを目標としている。APEC1996、W.チェン及びF.リーによる「低THD及び低波高因子を有する改善された充電ポンプ電子バラスト(An improved charge pump electronic ballast with low thd and low crest factor)」では、電力フィードバックを有する一段式変換器が提案されている。このよう駆動回路は、所定の状態の下でしか低い全高調波歪み(THD)を達成しない。前出の所定の状態を実現するよう、駆動回路は複雑になる。このような複雑な駆動回路は、高価であり、不良に対して敏感である。更に、上述された一段式変換器では、エネルギー蓄積が必要である。このようなエネルギー蓄積は、大きな構成要素を必要とし、大きな駆動回路を生じさせる。前出の大きなエネルギー蓄積構成要素は、また、非常に不良に対して敏感である。
APEC1996、W.チェン及びF.リー、「低THD及び低波高因子を有する改善された充電ポンプ電子バラスト(An improved charge pump electronic ballast with low thd and low crest factor)」
APEC1996、W.チェン及びF.リー、「低THD及び低波高因子を有する改善された充電ポンプ電子バラスト(An improved charge pump electronic ballast with low thd and low crest factor)」
本発明は、エネルギー蓄積を伴わない効率的で、簡単で、低コストのガス放電ランプ駆動方法及び駆動回路を提供することを目的とする。
前出の目的は、請求項1に従うガス放電ランプを駆動するための方法と、請求項5に従うガス放電ランプ駆動回路とで達成される。
本発明に従う方法では、交流電圧は、交流電圧の零から最大電圧までの正弦波の半周期のように変化する直流電圧へと整流される。前記正弦波の半周期は、交流供給電圧の周波数の2倍である周波数を有する。
ランプへ供給される電圧は、動作電圧を下回ることがある。直流電圧は、ほとんど又は全くリップルを有さない直流電圧へ変換されない。従って、直流電圧での周期的な降下を補償するためにランプ駆動回路でエネルギー蓄積は実質的に必要ではない。
本発明に従う駆動回路の高周波ハーフブリッジは、高周波電圧を出力するよう制御回路により制御される。前出の高周波電圧は、例えばガス放電ランプのような放電ランプへ供給される。しかし、高周波ブリッジ出力は、周期的に、上述された所定の動作電圧よりも低くなる。従って、本発明に従う方法及び駆動回路で、共振回路は負荷回路内に設けられる。前出の共振回路は、以下で更に詳細に述べられるように、HIDランプが、ブリッジ出力電圧が前出の動作電圧よりも低くなるたびに消灯することを防ぐ。
駆動回路、及び特にその共振回路は、ブリッジ出力電圧が低下する場合に、共振回路での電圧が増大し、ランプが消灯しないことを確実にするようランプへ(再)点灯電圧を供給するように設計される。
本発明に従うランプ駆動回路は、供給される交流電圧、具体的には主電圧から、高周波部分を除去するよう低域通過入力フィルタを設けられても良い。また、例えば、基本周波数のより高次な高調波及び如何なる高周波雑音信号のような、駆動回路で発生した高周波は、主系統を乱すことがある。入力フィルタは、また、駆動回路内で発生した高周波信号が主系統へ伝送されることを防ぐことができる。
ガス放電ランプを点灯させるために、ブリッジ出力電圧の周波数は、ガス放電ランプへ供給される電圧を押し上げるよう、共振回路の共振周波数又はその高調波へと下げられうる。従って、ランプを点灯させるために必要とされる高電圧は、更なる点灯回路を必要とせずにランプへ供給される。
ランプ駆動回路の動作中に、共振周波数は、ブリッジ回路により出力される供給電圧の周波数の一次又はそれよりも高次の高調波でありうる。このような関係を有するブリッジ出力電圧周波数及び共振周波数を選択することは、ブリッジ回路により出力される電圧が下がる場合に、ランプのインピーダンスが増大するので、共振回路がランプの両端の電圧を押し上げることを確実にする。ランプインピーダンスの前出の増大に起因して、共振回路の減衰は鈍り、共振回路での電圧は増大する。
共振周波数がより高次な高調波である場合に、それは、望ましくは、より高次の奇数高調波である。ブリッジ出力電圧が実質的に高周波方形波であるから、共振周波数は、方形波のフーリエ解析により導出可能な、前出の方形波の基本周波数の一連のより高次の奇数高調波正弦波から構成される。従って、方形波は、共振周波数が方形波の基本周波数のより高次な奇数高調波である場合に、共振回路で共振を発生させるのに適しうる。
実施例で、ランプ回路は、ガス放電回路及び第1の共振器キャパシタンスの並列回路を有する。その並列回路は、インダクタンスに直列に接続されており、第1の共振器キャパシタンス及びインダクタンスは前出の共振回路の一部である。上述したように、ブリッジ回路により出力される供給電圧が下がる場合に、ランプインピーダンスは増大し、ランプ回路の減衰は鈍くなる。この簡単な実施例で、第1の共振器キャパシタンスの両端の電圧は結果として増大して、ランプを含む並列回路両端の電圧は増大する。前出の並列回路での増大した電圧は、ランプが消灯することを防ぐ。
更なる実施例で、第2の共振器キャパシタンスは、前出のインダクタンス及び前出の並列回路に直列に接続されている。第2の共振器キャパシタンスの付加は、第1の共振器キャパシタンスの値を低減することを可能にする。第1の共振器キャパシタンスがより小さくなるとともに、(再)点灯電圧を発生させるのに必要とされる電流も低くなる。更なる手段が力率を改善するために取られても良い。例えば、ハーフブリッジ周波数の周波数変調は、力率が増大するように入力電流を成形しても良い。
低域通過入力フィルタは、第1の入力フィルタキャパシタンスと、入力フィルタ変圧器と、第2の入力フィルタキャパシタンスとを有しても良い。入力フィルタのこのような実施例で、第1の入力フィルタキャパシタンスは、入力フィルタの第1及び第2の入力端子の間に接続されても良く、第2の入力フィルタキャパシタンスは、入力フィルタの第1及び第2の出力端子の間に接続されても良い。入力フィルタ変圧器の第1の巻線は、入力フィルタの第1の入力端子と第1の出力端子との間に接続されても良い。入力フィルタ変圧器の第2の巻線は、第2の入力端子と第2の出力端子との間に接続されても良い。このような入力フィルタは、高周波信号が2つの別個の回路、この場合には例えば主系統及びランプ駆動回路の間でやり取りされることを妨げるための、当該技術分野において知られるフィルタ形式であるEMIフィルタである。
以下、本発明について、限定されない例となる実施形態を示す添付の図面を参照して更に詳細に説明する。
図1は、ガス放電ランプ駆動回路20と、それに接続されたガス放電ランプ10とを概略的に表す。ランプ駆動回路20は、例えば、50Hz又は60Hzの周波数により主電圧を交互にする交流電圧電源70へ更に接続されている。
ランプ駆動回路20は、入力フィルタ30と、整流器回路40と、ハーフブリッジ回路50とを有する。ランプ10は、共振回路60へ接続されている。共振回路60は、ガス放電ランプ10とともに、ハーフブリッジ回路50の負荷回路を形成する。本発明に従うランプ駆動回路20は、如何なるエネルギー蓄積回路又は如何なる力率補正回路も有さない。
電圧電源70により供給される交流電圧は、入力フィルタ30によりフィルタをかけられる。入力フィルタ30は、入力電圧から高周波信号を除去して、場合により、高周波信号が主電圧電源のような交流電圧電源70へ伝送されることを妨げるための、例えば、当該技術分野において周知である電磁干渉(EMI)フィルタのような低域通過フィルタである。
整流器回路40は、入力フィルタ30からフィルタ処理された交流電圧を受け取り、その電圧を整流する。整流器回路40は、周知のフルダイオードブリッジ回路であっても良いが、同様に如何なる他のアクティブ又はパッシブ整流器回路であっても良い。整流器回路40は、直流電圧からは如何なるリップルも取り除かないので、エネルギー蓄積は必要とされない。
交流電圧が如何なるリップルの除去も伴わずに整流されるので、結果として得られる直流電圧は、供給される電圧の周波数の2倍である周波数、例えば、50Hz主電圧が電圧電源70により供給される場合には100Hzにより、最大電圧から零まで変化する。しかし、ガス放電ランプ10は、所定の動作電圧を下回る電圧が供給されうる場合に消灯される。
ハーフブリッジ回路50は、大きなリップルを有する前出の直流電圧を受け取る。ハーフブリッジ回路50は、ガス放電ランプ10へ高周波交流電流を供給するよう構成される。ガス放電ランプ10は、ランプ10の可視的な光点滅(light flickering)を防ぐよう高周波交流電流を供給される。
高周波電流は、共振回路60及びガス放電ランプ10を有する負荷回路へ供給される。しかし、ハーフブリッジ回路50により供給される高周波電流は、ハーフブリッジ回路50へ供給される直流電圧に存在するリップルの低周波により強さが変化する。結果として、ハーフブリッジ回路50により供給される電流は、周期的に、即ち、リップル周波数の周波数により、非常に低くなるので、ガス放電ランプ10を消灯させないままとすることができない。
ガス放電ランプ10の前出の消灯を防ぐよう、負荷回路は、ランプ10及び共振回路60を有する。ランプ10が消える恐れがある場合に、共振回路60は、高電圧が負荷回路で発生するように、具体的には、高電圧がランプの両端で発生するように共振する。それにより、発生した高電圧は、ランプ10が消灯することを防ぐ。
図2は、本発明に従うガス放電ランプ駆動回路20の実施例を表す。入力フィルタ30は、2つのフィルタ部30A及び30Bに分けられる。第1のフィルタ部30Aは、第1の入力フィルタキャパシタンスC1と、入力フィルタ変圧器T1と、第2の入力フィルタキャパシタンスC2とを有する。第1の入力フィルタキャパシタンスC1は、入力フィルタ部30Aの第1の入力端子IN1と第2の入力端子IN2との間に接続されている。第2の入力フィルタキャパシタンスC2は、入力フィルタ部30Aの第1の出力端子OUT1と第2の出力端子OUT2との間に接続されている。入力フィルタ変圧器T1の第1の巻線W1は、入力フィルタ部30Aの第1の入力端子IN1と第1の出力端子OUT1との間に接続されている。入力フィルタ変圧器T1の第2の巻線W2は、入力フィルタ部30Aの第2の入力端子IN2と第2の出力端子OUT2との間に接続されている。
第2の入力フィルタ部30Bは、第3の入力フィルタキャパシタンスC3を有し、整流器回路40の後に設けられている。整流器回路40は、当該技術分野においてよく知られたブルブリッジ構成で4つのダイオードD1〜D4を有する。
共振回路及びガス放電ランプ10を有する負荷回路並びにハーフブリッジ回路は、参照番号80により示される。ハーフブリッジ回路は、2つのトランジスタQ1及びQ2と、2つのダイオードD5及びD6と、2つのキャパシタンスC5及びC6とを有する。共振回路は、インダクタンスI1と、キャパシタンスC4とを有する。トランジスタQ1及びQ2を制御する制御回路は図示されていない。制御回路は、前出のトランジスタQ1及びQ2のゲートG1及びG2の夫々へ接続されている。
入力フィルタ30及び整流器回路40は、当該技術分野において知られる回路である。キャパシタンスC3は、エネルギー蓄積キャパシタとしてではなく、低域通過フィルタとして機能する比較的小さなキャパシタンスであることが知られる。キャパシタンスC3は、整流器回路40により出力される電圧における如何なる高い周波数部分も除去するよう意図される。
整流器回路40(及び入力フィルタ部30B)により出力される直流電圧は、ハーフブリッジ回路50へ供給される。ゲートG1及びG2へ接続される制御回路は、交流電圧が負荷端子L1及びL2の間で発生するように交互にトランジスタQ1及びQ2を切り替える。従って、交流電圧は、共振回路60及びランプ10を有する負荷回路の両端で発生する。制御回路による切替えの周波数は、負荷回路に亘る交流電圧の周波数を決定する。
動作において、即ち、ランプ10が点灯する場合に、負荷回路を流れる交流電流は、ガス放電ランプ10でアークを発生させる。アークをオンさせたままとするよう、ランプ10の両端の電圧は、所定の動作電圧よりも高いことが必要とされる。ハーフブリッジ回路50へ供給される直流電圧でのリップルに起因して、ハーフブリッジ回路50により出力される交流電圧は、周期的に前出の動作電圧を下回る。
前出の交流電圧が実質的に零まで低下する場合に、ランプ電流は実質的に零まで低下し、それにより、ランプ10には高インピーダンスが生ずる。高ランプインピーダンスに起因して、負荷回路の減衰(damping)は鈍り、結果として共振回路は強く共振する。共振回路のこのような共振は、負荷回路に亘る、具体的にはランプ10の両端の電圧を押し上げ、それによりランプ10が消灯することを防ぐ。
共振回路の表される実施例は、適切な共振回路の簡単な例である。共振回路は、例えば、インダクタンスI1に直列な更なるキャパシタンスを有する、より複雑な回路であっても良い。このような更なるキャパシタンスは、例えば、回路の力率を改善するために、第1のキャパシタンスC4の値を低減させることができる。
ハーフブリッジ回路の周波数及び共振回路の共振周波数は、共振周波数が前出の動作周波数と同じであるように、又はそれが動作周波数のより高次の奇数高調波でありうるように調整される。従って、共振回路は、交流電圧が動作電圧を下回った場合に共振しうる。
ガス放電ランプ10を点灯させるよう、ハーフブリッジ回路は、共振回路の共振周波数よりも高い周波数で動作を開始する。その場合に、動作周波数は、動作周波数が前出のように共振周波数又はその高調波に近くなるまで共振周波数へと下げられる。このような電圧及び電流を共振回路へ供給することは、共振回路の共振を生じさせる。それによって、共振回路の共振は、ランプ10を点灯させるのに十分な電圧をガス放電ランプ10の両端で発生させる。その後、動作中に、ハーフブリッジ回路は、前出の動作周波数で動作を維持する。
図3A〜3Cは、本発明に従うランプ駆動回路における多数のノードでの時間tの関数としての理論電圧Vを示す。図3Aは、入力として主電圧を有する入力フィルタによって出力される交流電圧を示す。交流主要供給電圧は、例えば、50Hzの周波数を有する正弦波である。入力フィルタは、高周波信号が主電圧電源へ伝送されることを防ぐ。
整流器回路により出力される直流電圧は図3Bに示される。直流電圧におけるリップルの周波数は、供給された交流電圧の正弦周波数の2倍の周波数であり、従って、リップルの周波数は100Hzである。ハーフブリッジ回路は、図3Bで示される直流電圧を受け取り、高周波切替えによりハーフブリッジ回路は、図3Cで示される電圧を出力する。出力電圧は、図3Aで示される供給交流電圧の正弦波周波数に対応する正弦低周波包絡線を有する高周波交流電圧である。
図3A〜3Cで示される電圧は、理論であって、それらがハーフブリッジ回路へ接続された負荷回路に依存して異なりうることを意味する。また、回路で使用される構成要素の理想的でない特性は、図3A〜3Cに示された電圧の実際の形状及び値に影響を及ぼしうる。
図4は、時間tの関数として本発明の実施例において測定されたガス放電ランプ電流I1及びランプ電圧V1を示す。信号の高い周波数に起因して、実際の信号は、もはや区別可能ではなく、しかし、包絡線のみは見ることができる(図3C参照。)。信号I1及びV1は、50Hzの主電圧を用いて取得され、期待されうるように、示されるランプ電流包絡線は100Hzの周波数及び実質的に正弦曲線の形状を有する。
示されるランプ電圧包絡線は、正弦曲線形状を有していない。ランプ電流I1の正弦波の零交点t1で、電圧V1の包絡線は実質的に零である。その場合に、共振回路は電圧V1を押し上げ、ランプは点灯する。ランプが点灯すると、ランプ電流I1は流れ始める。電流がランプを流れるとともに、共振回路は減衰し、電圧V1は、ランプの動作電圧を依然として上回る所定レベルまで低下する。ランプ電流I1が再度零となると、ランプ電圧V1は零まで低下して、共振回路を励振し、それにより新しい周期を開始する。
図5は、図4で示されるのと同じランプ電圧V1を示す。更に、図5は、図2で示された実施例の負荷回路内の共振回路のインダクタンスを流れる電流Iiを示す。示される時間スケールは、図4の時間スケールと同一である。ランプ電圧V1は、より小さなスケールで示されるが、図4で示されるものとやはり同じである。
インダクタンス電流Iiは、明らかに、正弦波の開始及び終了時にランプ電流I1とは異なる。コイルを流れる電流Iiは、回路内の共振に起因して、ランプを流れる電流I1が実質的に零である場合に押し上げられる。この共振効果は、ランプが消灯することを防ぐために用いられる。
ここで開示される本発明に従うガス放電ランプ駆動回路は、特に、高輝度ガス放電(HID)ランプを駆動するのに適する。例えば園芸用途のような、ランプの特に高輝度な用途は、駆動回路の高効率のために、開示されるランプ駆動回路から恩恵を受けうる。
上述した実施例は簡単で、且つエネルギー効率が良い。しかし、本発明は、表された実施例に限定されず、前出の実施例が本発明の適用範囲を損なわない範囲で如何に変更されうるかは当業者には明らかである。例えば、高周波ハーフブリッジ回路は、フルブリッジ回路により置換され、入力フィルタ回路は、供給電圧から高周波信号を除去するのに適した如何なる他の低域通過フィルタによっても置換されうる。
添付の特許請求の範囲と同じく上記において、「有する」は、他の要素又はステップを除外しているわけではなく、「1つの」は、複数個を除外しているわけではないことが理解されるべきである。更に、特許請求の範囲の如何なる参照符号も、本発明の適用範囲を限定するよう解釈されるべきではない。
Claims (9)
- ガス放電ランプを駆動するための方法であって:
二相整流電圧を出力する整流器回路へ交流供給電圧を供給するステップ;
高周波ブリッジ回路へ高周波制御信号を供給するステップ;
高周波ブリッジ出力電圧を出力する前記高周波ブリッジ回路へ前記二相整流電圧を供給するステップ;及び
前記ガス放電ランプ及び共振回路を有する負荷回路へ前記ブリッジ出力電圧を供給するステップ;
を有し、
前記ブリッジ出力電圧の周波数は、前記ガス放電ランプの定常状態動作の間に前記共振回路が、前記ブリッジ出力電圧が所定の動作電圧よりも低くなるたびに、所定の点灯電圧よりも高い電圧へと前記ガス放電ランプへ供給される電圧を押し上げるよう共振するように制御される、ことを特徴とする方法。 - 低域通過入力フィルタ回路により前記交流供給電圧にフィルタをかけるステップを更に有する、請求項1記載の方法。
- 前記ブリッジ出力電圧の周波数は、前記ガス放電ランプを点灯させるために前記ガス放電ランプへ供給される電圧を押し上げるよう、前記共振回路の共振周波数又は該共振周波数の高調波へと下げられる、ことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記共振回路の共振周波数は、前記ブリッジ出力電圧の周波数の一次又はそれ以上の高次の奇数高調波である、ことを特徴とする請求項1記載の方法。
- ガス放電ランプを駆動するための一段式ガス放電ランプ駆動回路であって:
交流供給電圧を整流する整流器回路;
二相整流電圧を受け取るために前記整流器回路の出力端子へ接続された入力端子を有する高周波ブリッジ回路;
該ブリッジ回路へ高周波制御信号を供給する制御回路;及び
前記ガス放電ランプ及び共振回路を有し、高周波ブリッジ出力電圧を受け取るために前記ブリッジ回路へ接続された負荷回路;
を有し、
前記ブリッジ出力電圧の周波数は、前記ガス放電ランプの定常状態動作の間に前記共振回路が、前記ブリッジ出力電圧が所定の動作電圧よりも低くなるたびに、所定の点灯電圧よりも高い電圧へと前記ガス放電ランプへ供給される電圧を押し上げるよう共振するように前記制御回路によって制御される、ことを特徴とする一段式ガス放電ランプ駆動回路。 - 高周波信号にフィルタをかける低域通過入力フィルタを更に有し、
前記整流器回路の入力端子は、フィルタ処理された交流供給電圧を受け取るために前記入力フィルタの出力端子へ接続される、
ことを特徴とする請求項5記載の一段式ガス放電ランプ駆動回路。 - 前記負荷回路は、前記ガス放電ランプ及び第1のキャパシタンスの並列回路を有し、
該並列回路は、インダクタンスに直列に接続され、
前記キャパシタンス及び前記インダクタンスは、前記共振回路の一部である、
ことを特徴とする請求項5記載の一段式ガス放電ランプ駆動回路。 - 第2のキャパシタンスは、前記インダクタンス及び前記並列回路に直列に接続される、ことを特徴とする請求項7記載の一段式ガス放電ランプ駆動回路。
- 前記低域通過入力フィルタは、第1の入力フィルタキャパシタンスと、入力フィルタ変圧器と、第2の入力フィルタキャパシタンスとを有し、
前記第1の入力フィルタキャパシタンスは、前記入力フィルタの第1及び第2の入力端子の間に接続され、
前記第2の入力フィルタキャパシタンスは、前記入力フィルタの第1及び第2の出力端子の間に接続され、
前記入力フィルタ変圧器の第1の巻線は、前記入力フィルタの前記第1の入力端子と前記第1の出力端子との間に接続され、
前記入力フィルタ変圧器の第2の巻線は、前記入力フィルタの前記第2の入力端子と前記第2の出力端子との間に接続される、
ことを特徴とする請求項6記載の一段式ガス放電ランプ駆動回路。
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