JP2008530751A - 高輝度放電ランプを作動させるための方法及び回路装置 - Google Patents

Abstract

直流（ＤＣ）供給ライン（４、６）によって給電される高輝度放電ランプ（２）の作動方法及び回路装置（１）であって、トランス（４０）を備え、一次巻線（４２）がインダクタ（４６）及びコンデンサ（４８）と直列で給電ライン（４、６）に接続され、トランスの二次巻線（４４）が高強度放電ランプ（２）と直列に接続され、スイッチ（５２）がコンデンサ（４８）と直列に接続され、制御回路（５６）がスイッチ（５２）に接続され、これにより、制御装置（５６）は、スイッチにおける電圧（Ｖ_SW）のゼロクロス点を検出した際にスイッチを導通させるように制御し、制御回路は、スイッチを通過する、基準値より大きい電流の値を検出した際に、スイッチを導通させないように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１及び７の前文にそれぞれ記載されているような、高輝度放電（ＨＩＤ）ランプを作動させるための方法及び回路装置に関する。

国際公開第２００４／０６４４５７号は、あるタイプの高輝度放電（ＨＩＤ）ランプである高圧放電ランプを作動させるための回路装置について開示している。前記刊行物に開示された回路は、上述の回路と類似している。

ＨＩＤランプに給電されたときから、ランプの作動はいくつかのフェーズ、すなわちブレークダウンフェーズ、テークオーバーフェーズ、低温から高温へのカソード移行フェーズ、ランアップフェーズ及び定常状態のフェーズを経過する。１９９７年７月１日のジャーナルオブアプライドフィジックス第８２巻において、Ｌ.Ｃ.ピッチフォールド氏外により、これらフェーズに関する詳細が開示されている。

ランプの両端には従来技術の共振点弧部のうちのコンデンサが接続されている。ランプには、この共振点弧部のトランスが直列に接続されている。このトランスは、オートトランスフォーマとすることができる。回路装置への電源をオンにスイッチングすると、制御回路は点弧部のスイッチを交互にオンオフするので、この共振点弧部の前記コンデンサ及びトランスの一次巻線を通過する交流電流を発生する。スイッチング周波数を下げると、点弧電圧も低下する。点弧電圧周波数がスイッチング周波数の倍数となるように、スイッチング周波数を定めなければならない。始動時に前記コンデンサの両端、従ってこのコンデンサに並列に接続されたランプの両端に高電圧が生じる。ある瞬間にランプはブレークダウンする。次にランプの両端の電圧は高レベルのパルス波形を示すことになる。ブレークダウン後、前記共振点弧部によって決定された周波数の交流電流が発生され、この電流が前記コンデンサ及びランプを通過するように送られるよう、点弧部は作動状態に維持される。ランプの両端電圧の比較的低い値を検出すると、ランプはランアップ作動フェーズになっていると見なされ、共振点弧部はオフにスイッチングされる。共振点弧回路によって提供されていない比較的低い周波数の電流は、ランプしか通過しない。直流供給ラインに接続されている一続きの２つのバッファコンデンサのうちの一方のコンデンサには、電源回路（ＡＰＳ）が並列に接続されている。ＡＰＳは、点弧中にハーフブリッジ電圧を一定に維持するのに使用される。

点弧レート、またはランプが点弧するのにかかる時間は、点弧電圧の振幅と、その周波数の積に依存する。従来技術の回路は、高い点弧周波数を許容しない。従って、この回路は点弧を生じさせ且つ持続させるのに必要な前記積の値を得るために、高い点弧電圧を発生させなければならない。このような比較的低い点弧電圧及び高い点弧電圧を得るには、大きな点弧用トランスが必要であり、このことは欠点となっている。

従来の回路装置の別の欠点は、この回路装置が別の電源回路を使用しなければならず、これによって回路が全体としてより複雑かつ高価となることである。

本発明の目的は、上記従来の方法及び回路の欠点を解決することにある。

本発明の上記目的は、請求項１記載の方法を提供することによって達成される。

共振回路の電圧のゼロクロス点において、一次電流の発生を制御することによって、電流の発生によるスイッチング損失を低減する。従って、点弧部の高いスイッチング周波数及び高い共振周波数を使用できる。この結果、比較的高い共振周波数を使用すると、点弧状態に達し、この状態を持続するのに、より低い点弧電圧で済む。従って、トランスは小さくてよく、コスト的により効果的である。他方、トランスの一次電圧が高いことにより、低巻線比、低い二次インダクタンス、更により小さいサイズ及び少ないコストですむ。

上記目的は請求項７記載の回路装置を提供することによっても達成される。

一次巻線が点弧共振部の追加インダクタ及びコンデンサと直列に接続されている飽和タイプのトランスを使用することが好ましい。この結果、トランスが飽和すると、トランスの一次巻線内の電流の増加レートが制限される。従って、トランスの二次電流、またはランプの回路のショートが、一次巻線の電流及び電圧に大きな影響を与えることはない。前記電流及び電圧は、基本的には点弧共振部の追加インダクタ及びコンデンサによって決定される。従って、かかる回路装置は極めてロバストである。

添付図面を参照し、次の説明を読めば、本発明が次第により明らかとなろう。

図１は、高輝度放電（ＨＩＤ）ランプ２を作動させるための回路装置１の回路図を示す。この回路装置は、２本の直流ＤＣ供給ライン４及び６を備える。ライン６の電圧がゼロであるとすると、ライン４上のＤＣ供給電圧は正となる。

この回路装置１は、更にダウンコンバータも備える。このコンバータの構成は本発明の一部を構成するものでない。従って、このコンバータの一部のみを示し、特に、供給ライン４及び６に直列に接続されている２つのスイッチ回路である。前記スイッチ回路のうちの１つは、順方向バイアスがかけられたダイオード８とＭＯＳＦＥＴスイッチ１０の直列回路と、この直列回路に並列な、逆方向バイアスがかけられたダイオード１２を備える。他方のスイッチ回路は、順方向バイアスがかけられたダイオード１４とＭＯＳＦＥＴスイッチ１６の直列回路と、この直列回路に並列な、逆方向バイアスがかけられたダイオード１８とを備える。これらスイッチ回路は、共通接続点又はノード２０を有する。

供給ライン４及び６には、共通ノード２６を有し、例えば数百ナノファラッドのオーダーの２つの小型フィルタコンデンサ２２と２４の直列回路も接続されている。インダクタ２８が、ノード２０及び２６に接続されている。これらコンデンサ２２及び２４は、インダクタ２８を通過する電流の高周波の交番変化をフィルタリングするために使用されている。供給ライン４及び６には、共通ノード３４を有し、例えば４７μＦの比較的大きい２つのバッファコンデンサ３０と３２の直列回路も接続されている。これらバッファコンデンサ３０及び３２は、ノード３４における電圧（ハーフブリッジ電圧）を実質的に一定に維持するのに使用されている。ノード２６及び３４には、ランプ２と点弧回路３６の直列回路が接続されている。

正常に作動する間、ダウンコンバータの制御回路（図示せず）は、一方のスイッチ１０又は１６をターンオンし、その間、それぞれ他方のスイッチ１６及び１０をターンオフするようなパルスシーケンスを発生する。このパルスは高周波、例えば２０〜５００ｋＨｚで発生される。パルスシーケンスは、可能な場合にはダイナミックに、ランプ２にＤＣ電流が供給されるように選択され、これはスイッチ制御パルスシーケンスの前記高周波よりも低い周波数で電流の向きが変わる。比較的低周波でのかかる整流が、ランプの適正な作動を維持するために必要である。このような作動方式及びその実施は、本発明の一部を構成するものでない。

ＨＩＤランプに給電されたときから、ランプの作動はいくつかのフェーズ、すなわちブレークダウンフェーズ、テークオーバーフェーズ、低温から高温へのカソード移行フェーズ、ランアップフェーズ及び定常状態のフェーズを経過する。ランプ２がブレークダウンする直前に、ランプ２の両端に高電圧が生じる。ランプ２がブレークダウンする（ランプは導通状態となる）と、ランプのインピーダンスは極めて大幅に低下する。この結果、ランプ２の両端間電圧が低下する。この電圧は低く、ランプ２の導通状態を自ら維持する。ランプがブレークダウンする際に、ランプ２が消灯するのを防止するため、点弧回路が使用されている。図１は、本発明に係るそのような点弧回路３６の一実施例を示す。

点弧回路３６は一次巻線４２と二次巻線４４とを有するトランス４０を備える。ランプ２に対して点弧回路３６を直列に接続しているのは、前記二次巻線４４である。一次巻線４２は、供給ライン４と６との間でインダクタ４６とコンデンサ４８と直列に接続されており、この場合、コンデンサ４８は供給ライン６に接続されている。コンデンサ４８のターミナル、すなわち接続ノード５０は、ＭＯＳＦＥＴスイッチ５２と抵抗器５４の直列回路に接続されており、この場合、抵抗器５４は、供給ライン６に接続されている。ＭＯＳＦＥＴ５２のドレイン、ゲート及びソースは、制御回路５６のＺ入力端、Ｇ出力端及びＰ入力端にそれぞれ接続されている。この制御回路は、ＳＴ−マイクロエレクトロニクス社のＬ６５６２と表示されているような、市販されている集積回路とすることができる。この制御回路は、Ｚ入力端における電圧Ｖ_SWを測定し、この電圧のゼロクロス点を検出する。抵抗器５４は小さい抵抗値を有し、この抵抗を通過する電流、従って、トランス４０の一次巻線４２とインダクタ４６とＭＯＳＦＥＴ５２とを通過する電流Ｉ_primを測定するのに使用される。この制御回路は、Ｐ入力端における電圧を測定し、この電圧と基準値とを比較する。前記基準値は、ＭＯＳＦＥＴスイッチ５２を制御する、Ｇ出力端におけるゲート電圧Ｖ_gを制御回路が変えなければならない電流Ｉ_primの値に相当している。この基準値は電流基準値Ｉ_refとも称す。

点弧回路３６は次のように作動する。

供給ライン４及び６に電源電圧が印加されると、制御回路５６はスイッチ５２を導通させるように制御する。トランス４０の一次巻線４２と、インダクタ４６と、コンデンサ４８と、スイッチ５２を電流Ｉ_primが通過する。この電流Ｉ_primは増加する。測定された電流が電流基準値Ｉ_refに達すると、制御回路５６はスイッチ５２を導通させないように制御する。そして、一次巻線４２と、インダクタ４６と、コンデンサ４８の直列回路に蓄積されたエネルギーは、この直列回路を共振させる。従って、この直列回路は共振回路とも称される。

図２には、共振回路を通過する電流Ｉ_primが示されている。トランス４０が飽和タイプのものである場合、このトランスは一次巻線電流Ｉ_primのサイクル時間のうちの一部の間で、エネルギーを二次巻線４４に伝えない。図２は、時間ｔ２からトランスが飽和状態から復帰し、エネルギーの伝達が生じ得ることを示している。この結果、一次巻線電流Ｉ_primは、図２に電圧Ｖ_secで示されるような電圧パルスを二次巻線４４の両端に誘導する。

図２における時間ｔ１にて、Ｚ入力端で電圧Ｖ_SWのゼロクロスが検出されると、制御回路５６はスイッチ５２を導通させるように制御する。図２における時間ｔ３にて、電流基準値に達すると、制御回路はスイッチ５２を導通させないように制御する。時間ｔ１とｔ３との間で供給ラインから共振回路へエネルギーが送られるので、共振状態が持続する。

一例として、インダクタ４６が２５０μＨの値を有し、コンデンサ４８が８.２ｎＦの値を有し、Ｉ_primが３Ａのピーク値を有する場合、二次巻線４４で電圧Ｖ_secのピーク値が得られた。Ｖ_secのかかる電圧パルスのシーケンスが、引き続いて起こる低温から高温へのカソード移行フェーズに到達するのにかかった時間の間、２００Ｗのランプ２をテークオーバーフェーズに維持できた。一次巻線電流Ｉ_primは、わずか１４μｓのサイクル時間しか有しておらず、これにより高い二次電圧パルスを発生でき、トランスのサイズを小さくできた。スイッチ５２における電圧Ｖ_SWは、８５０Ｖの高いピーク値を有していた。従って、二次巻線の両端の電圧も高いピーク値を有していた。この結果、トランス４０の巻線４２と４４の巻数比は小さくてよいので、二次巻線のインダクタンスの値を小さくでき、よってトランス４０と点弧回路３０を全体として小さくすることができた。

トランス４０は、飽和タイプのものであるので、二次巻線４４又はランプ２の短絡は、トランス４０の一次巻線側における電圧Ｖ_SW及び電流Ｉ_primに大きな影響を与えない。これによって、点弧回路、よって回路装置が全体としてロバストとなる。

低温から高温へのカソード移行フェーズに到達したとき、またはその直後にランプ２の正常な作動フェーズに達したときに、点弧回路３６の作動を停止できる。これを行うために、ランプ２のインピーダンスの変化を検出できる。ランプ２は点弧回路３６に対する負荷であるので、ランプのインピーダンス変化により一次巻線電流Ｉ_primが変化する。従って、制御回路５６がスイッチ５２を導通するよう（または導通しないよう）制御する時間も変化する。従って、スイッチ５２の導通時間と基準値とを比較することにより、制御回路５６はスイッチ５２がそれ以上導通しないように制御することを決定できる。

ランプのインピーダンスの変化に基づき、ランプ２の作動状態を検出する代わりに、またはその検出に加え、電源電圧を印加してから特定の時間の後に、点弧回路３６の作動を停止させるためにタイマーを使用することもできる。

以上で、高輝度放電ランプを作動させるための回路装置の好ましい実施例について説明した。本発明は添付した特許請求の範囲によって決定され、本発明の範囲内で、前記好ましい実施例について変形が可能であることが理解できるはずである。

本発明による高輝度放電ランプを作動させるための回路装置の一実施例を示す図である。 図１に示された回路装置が作動している間に生じる電圧と電流のタイムチャートを示す。

符号の説明

１ 回路装置
２ 高輝度放電ランプ
４、６ 供給ライン
８ ダイオード
１０ ＭＯＳＦＥＴスイッチ
１４ ダイオード
２０ ノード
２２、２４ フィルタコンデンサ
２６ 共通ノード
２８ インダクタ
３０、３２ コンデンサ
３６ 点弧回路
４０ トランス
４２ 一次巻線
４４ 二次巻線
５２ ＭＯＳＦＥＴスイッチ
５４ 抵抗器
５６ 制御回路

Claims (12)

1. 直流（ＤＣ）電源電圧をＤＣ供給ラインに印加するステップと、
   前記電源電圧から交流（ＡＣ）電圧を発生するステップと、
   高圧放電ランプがブレークダウンし得るように、このランプに前記ＡＣ電圧を印加するステップと、
   前記ランプと直列に接続されたトランスの二次巻線にＡＣ点弧電圧を発生させるように、共振回路の一部であるトランスの一次巻線にＡＣ一次電流を発生させるステップと、を備え、
   前記ＡＣ点弧電圧が、前記ブレークダウンに続く前記ランプのテークオーバーフェーズ中にランプのブレークダウンを維持するのに適した周波数及び振幅を有し、前記共振回路の接続点を前記供給ラインの一方に一時的に繰り返し接続することにより、前記共振回路の共振が持続されるようになっている高圧放電ランプを作動させる方法であって、
   前記ＤＣ電源電圧を印加する前に、前記共振回路を双方の供給ラインに接続するステップと、
   前記ランプを前記トランスのみにより前記共振回路に接続するステップと、
   前記テークオーバーフェーズ中に、前記共振回路の前記接続点における電圧をモニタするステップと、前記一次電流をモニタするステップと、前記モニタした電圧のゼロクロスを検出したときに、前記共振回路の前記接続点を前記一方の供給ラインに接続し、前記一次電流の大きさが基準値よりも大きくなったとき、前記接続点と前記一方の供給ラインとの間の接続を切断するステップと、備えることを特徴とする高圧放電ランプを作動させる方法。
2. 前記一次電流の大きさが飽和レベルを超える、前記一次電流のサイクル時間の一部の間で前記トランスが飽和するように、前記トランス及び前記一次電流が定められ、前記トランスの一次巻線と直列にインダクタが接続されていることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記ランプのテークオーバーフェーズの終了後、前記一次電流の発生を停止することを特徴とする、請求項１又は２記載の方法。
4. 前記モニタ中にモニタした電圧及びモニタした一次電流から、前記ランプの作動状態を導き出し、前記ランプの作動状態としてのテークオーバーフェーズの終了の検出後、前記一次電流の発生を停止することを特徴とする、請求項３記載の方法。
5. 前記共振回路の前記接続点が前記一方の供給ラインに接続されている時間の長さから、前記ランプの作動状態を導き出すことを特徴とする、請求項４記載の方法。
6. 前記ＤＣ電源電圧の印加から、所定時間長さのタイムアウト後、前記一次電流の発生を停止することを特徴とする、請求項３記載の方法。
7. トランス及びコンデンサを有する共振点弧部を備え、前記トランスの一次巻線がスイッチと直列で直流（ＤＣ）供給ラインに接続され、前記トランスの二次巻線が高輝度放電ランプと直列に接続されており、
   前記ランプの少なくともテークオーバーフェーズの間、前記共振点弧部の共振を持続するレートで前記スイッチを導通及び非導通に制御するように前記スイッチに接続された制御回路を更に備えた、直流（ＤＣ）供給ラインによって給電される高輝度放電ランプを作動させるための回路装置であって、
   前記トランスの前記一次巻線及び前記コンデンサが前記ＤＣ供給ラインと直列に接続され、前記スイッチが前記コンデンサと並列に接続されており、
   前記制御回路は、前記スイッチにおける電圧のゼロクロスを検出した際に前記スイッチを導通させるように制御し、前記制御回路は、前記スイッチを通過する、基準値より大きい電流の値を検出した際に前記スイッチを導通させないように制御することを特徴とする回路装置。
8. 前記トランスは飽和トランスであり、
   インダクタが、前記トランスの前記一次巻線及び前記コンデンサと直列に接続されていることを特徴とする、請求項７記載の回路装置。
9. 前記制御回路は、前記ランプのテークオーバーフェーズ後、前記スイッチを導通させないようにこのスイッチを制御し、非導通状態を維持することを特徴とする、請求項７又は８記載の回路装置。
10. 前記制御回路は、前記ランプの作動状態をモニタし、前記制御回路は、前記ランプの作動状態としてのテークオーバーフェーズの完了の検出後、前記スイッチを導通させる前記スイッチの制御を終了することを特徴とする、請求項９記載の回路装置。
11. 前記制御回路は、前記スイッチが導通している時間を測定し、前記制御回路は、測定した時間が基準値を経過したときに、前記スイッチを導通させる前記スイッチの制御を終了することを特徴とする、請求項１０記載音回路装置。
12. 前記制御回路は、前記スイッチの最初の制御からの所定の時間長さのタイムアウト後、前記スイッチを非導通状態となるように制御し、このスイッチの非導通状態を維持することを特徴とする、請求項９記載の回路装置。

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