JP2009508458A - 制御されたｅ級直流−交流変換器 - Google Patents

Abstract

直流電源（２）よって供給される直流（ＤＣ）入力電圧を交流（ＡＣ）出力電圧へと変換することは、共振回路（１０，１２，１６，１８）及び負荷（６）の直列接続へインダクタ（８）を介して直流入力電圧を供給するステップと、その直列接続、共振回路（１０，１２，１６，１８）及び負荷（６）へ供給される電圧のオン及びオフを交互に切り替えるステップとを有する。入力電圧は、具体的には直流−直流バックコンバータを配置することによって、制御された大きさを有して直流電圧を構成するよう制御される。直流−直流バックコンバータは、直流電源（２）へ接続され、第２のスイッチ（２２）及びフリーホイーリングダイオード（２４）を有する。フリーホイーリングダイオード（２４）は、インダクタ（８）、共振回路（１０，１２，１６，１８）及び負荷（６）の直列接続へ並列に接続される。

Description

本発明は、請求項１の前提部に記載されるような、直流（ＤＣ）入力電圧を交流（ＡＣ）出力電圧に変換する方法に関し、また、請求項４の前提部に記載されるようなＥ級ＤＣ−ＡＣ変換器に関する。

ＵＳ６００８５８９は、具体的には、その図５ａを参照して、上記のようなＤＣ−ＡＣ変換方法及びＥ級ＤＣ−ＡＣ変換器を開示する。

変換器の負荷はランプである。

負荷へ供給される電力を制御するために、変換器のスイッチが交互にオン及びオフにされるところの周波数を制御すること、及び／又は、変換器の共振回路へスイッチコンデンサを適用することが提案される。いずれの場合にも、スイッチがオン及びオフにされるところの周波数は、おおよそ共振回路の共振周波数であるべきである。これは、利用可能な周波数範囲を制限し、それに伴って、制御される出力電力の範囲をも制限する。確かに、ランプが高圧放電（ＨＩＤ）ランプである場合は、周波数範囲は所謂音響共振フリーウィンドウ（free window）を十分に超えうる。それを下回ると、放電アークはランプ内部の圧力波により振動しうる。圧力波は、Ｅ級ＤＣ−ＡＣ変換器のスイッチング周波数に関連するから、光出力は不安定になり、ランプは破裂することさえある。このようなウィンドウは、５ｋＨｚほどの小ささでありうる。ＨＩＤランプの通常動作中は、そのインピーダンスは抵抗性であるが、その抵抗値は、例えば、その温度及びそれを流れる電流などの様々な状況に依存して、大いに変化しうる。結果として、Ｅ級ＤＣ−ＡＣ変換器のスイッチのスイッチング周波数を介して負荷に対する出力電力を制御することは極めて困難である。
ＵＳ６００８５８９

本発明は、上述されるような従来技術の欠点を解消することを目的とする。

本発明の上記目的は、請求項１に記載される方法を提供することによって達成される。

しかるに、当該Ｅ級ＤＣ−ＡＣ変換器の共振回路へ供給される平均ＤＣ電圧、ひいては出力電力は、ほとんど努力せずに幅広い範囲にわたって制御され得、一方、負荷がＨＩＤランプである場合は、音響共振フリーウィンドウ内に留まる。

本発明の上記目的は、請求項４に記載されるＥ級ＤＣ−ＡＣ変換器を提供することによって達成される。

本発明は、添付の図面に関連して、以下の例となる記載から次第に明らかとなるであろう。

図１に示される回路は、直流電圧（ＤＣ）電源２を有する。ＤＣ電源２は、先行技術のＥ級ＤＣ−ＡＣ変換器４へ接続されている。次いで、このＤＣ−ＡＣ変換器４は負荷６へ接続されている。図１に示される先行技術のＥ級ＤＣ−ＡＣ変換器４は、例えば、ＵＳ６００８５８９（特に、その図５参照。）によって開示されるような基本的な形式から成る。しかし、本発明は、このようなＥ級コンバータを有して使用されることに限定されない。

留意すべきは、場合により、ただ１つのダイオードによって交流電圧を整流することにより、直流電圧源２は極性を変化させずに、その大きさが変化する点である。

Ｅ級ＤＣ−ＡＣ変換器４は、１つの端子、仮にＤＣ電源２の陽極端子と、負荷６の１つの端子との間に直列且つ以下の順序で接続されたチョークコイル、即ち、より一般的には、第１のインダクタ８及び第２のインダクタ１０と、第１のコンデンサ１２とを有する。他の端子、仮にＤＣ電源２の陰極端子及び負荷６の他の端子は、互いに接続されている。半導体スイッチ１４は、ＭＯＳＦＥＴであっても良く、ＤＣ電源２の陰極端子と、インダクタ８及び１０の間の相互接続との間に接続されている。第２のコンデンサ１６は、スイッチ１４に並列に接続されている。第３のコンデンサ１８は、ＤＣ電源２の陰極端子と、第２のインダクタ１０と第１のコンデンサ１２との間の相互接続との間に接続されている。

第２のインダクタ１０及び３つのコンデンサ１２、１６、１８は、共振回路を構成する。

第１のインダクタ８は、スイッチ１４がオン又はオフにされる場合に、主に、インダクタ８及び１０の間のノードを通って流れる電流を保持する目的がある。

図１に示される回路の通常動作中は、スイッチ１４は、クロック信号を供給されることによって規則的にオン及びオフとされる。クロック信号の周波数は、共振回路の共振周波数に一致する。結果として、交流（ＡＣ）は、変換器４によって生成されて、負荷６へ供給されうる。

負荷６が高圧ガス放電（ＨＩＤ）ランプである場合は、通電中に、ランプは抵抗器のように動作する。しかし、ランプの抵抗は、様々な理由のために大いに変化しうる。その理由の１つは、ランプ温度、従って、ランプを通って流れる電流である。ランプの抵抗のかかる変化が無視されうる場合は、光出力も大いに変化しうる。光出力のこのような変動を回避すべく、電力制御が必要とされる。先行技術の電力制御器を用いて、負荷（ランプ）６の両端の出力電圧及び負荷６を流れる電流は測定され、それらの積は基準値と比較されて、誤差を提供し、その誤差に依存して、スイッチ１４へ供給されるクロック信号の周波数は、誤差が減少するように変更される。幾つかの先行技術の電力制御器により、共振回路４の共振周波数は、更なるコンデンサに直列な電子スイッチを制御することによって、その更なるコンデンサを１又は幾つかのコンデンサ１２、１６、１８に並列に接続し、あるいは、それらのコンデンサから切り離すことによって変更される。

負荷がＨＩＤランプである場合、ランプ６への出力電力を制御するようスイッチ１４へのクロック信号の周波数を変化させることは、所謂音響共振フリーウィンドウを超えることをもたらす。このようなウィンドウを超えるクロック周波数により、ＨＩＤランプの放電アークは振動し、光出力は不安定になり、ランプは破裂することさえある。ランプの種類に依存して、音響共振フリーウィンドウは、５ｋＨｚほどの小ささでありうる。明らかなように、このことは、ランプの実際の状態範囲内で適切である電力制御器を提供することを極めて困難にする。

共振回路へ無効成分を接続すること又は共振回路から無効成分を切り離すことによって共振周波数を変化させることは、費用増大という更なる欠点を有する。

上述される欠点を解消すべく、本発明に従って、Ｅ級ＤＣ−ＡＣ変換器４へ供給されるＤＣ変換器は、測定される出力電力と基準値との間の誤差に依存して制御される。

従って、図２に示される図は、ＤＣ−ＤＣダウンコンバータ、即ちバックコンバータ２０を有する。バックコンバータ２０は、ＤＣ電源２へＥ級ＤＣ−ＡＣ変換器４に直列に接続された、例えばＭＯＳＦＥＴのようなスイッチ２２と、Ｅ級ＤＣ−ＡＣ変換器４へ並列に接続され、且つ、その陰極を第１のインダクタ８へ接続されたダイオード２４と、Ｅ級ＤＣ−ＡＣ変換器４の第１のインダクタ８とを有する。Ｅ級ＤＣ−ＡＣ変換器４は、バックコンバータ２０とともに、本発明に従って、制御されたＥ級ＤＣ−ＡＣ変換器２６を形成する。

スイッチ２２は、制御器（図示せず。）によって供給されるパルス制御信号によって制御される。制御信号の周波数は、第１のスイッチ１４へのクロック信号の周波数とは異なっても良い。制御信号のデューティサイクルは、測定される出力電力値と基準値との間の誤差（符号を含む。）に依存する。

第２のスイッチ２２がオンされると、電流はＤＣ電源２、Ｅ級ＤＣ−ＡＣ変換器４及び負荷６を通って流れうる。第２のスイッチ２２がその後にオフされると、ダイオード２４により、電流はＥ級ＤＣ−ＡＣ変換器４及び負荷６を通って流れるよう保持される。従って、ダイオード２４は、フリーホイーリング（freewheeling）ダイオードと呼ばれる。保持された電流は、第２のスイッチが再びオンされるまで、減少しうる。従って、第２のスイッチ２２及びダイオード２４の追加は実用的である。これは、単に、これらの素子が回路、特にＥ級ＤＣ−ＡＣ変換器４へ接続されるためである。Ｅ級ＤＣ−ＡＣ変換器４は、サステイン素子、具体的には既に存在する第１のインダクタ８を有し、それとともにバックコンバータ２０を提供する。

誤差に依存して第２のスイッチ２２への制御信号のデューティサイクルを変化させることによって、ダイオード２４の両端のＤＣ電圧は変更され、従って、Ｅ級コンバータの出力電圧、出力電流及び出力電力は然るべく変化する。制御信号のデューティサイクルは、ダウンコンバータの連続的な又は不連続の動作モードに依存して、誤差を減少させるように、即ち、ある時間の間は少なくとも平均して、変更される。

本発明に従う制御されたＥ級コンバータ２６により、共振回路１０、１２、１６、１８の共振周波数は、負荷６へ供給される出力電力を制御するために変更される必要はない。このような改善は、僅かの努力によって、具体的に、周知のＥ級コンバータ４の入力で簡単なバックコンバータ２０を提供することによって得られる。

回路の定常状態動作の間の出力電力を制御する改善は、また、図示される回路において負荷６であるＨＩＤランプの起動期間の間に、より高い準備期間（run-up）電流を生成することを可能にする。

添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の適用範囲を逸脱することなく、当業者は様々な変形を行うことができる点に留意すべきである。例えば、E級ＤＣ−ＡＣ変換器４は、変圧器を有すること等の異なった構成を有しても良く、バックコンバータ２０は、既に存在する第１のインダクタ８のインダクタ８に直列な独自のインダクタを設けられても良い。また、第２のスイッチ２２は、図示されている以外の、ＤＣ電源２の他の（陽極）端子へ接続されても良い。

先行技術のＥ級ＤＣ−ＡＣ変換器の回路図を示す。 本発明に従う制御されたＥ級ＤＣ−ＡＣ変換器の回路図を示す。

Claims (7)

1. 直流入力電圧をインダクタへ供給し、該インダクタへ供給される前記電圧のオン及びオフを交互に切り替えるステップと、オン及びオフを切り替えられる前記電圧を、負荷へ接続される共振回路へ供給するステップとを有し、前記直流入力電圧を交流出力電圧に変換する方法であって、
   前記インダクタへ供給される前記電圧は、制御された大きさを有する直流電圧を構成するよう制御される、ことを特徴とする方法。
2. 前記インダクタへ供給される前記電圧を制御するステップは、前記直流電圧のオン及びオフを交互に切り替え、前記入力電圧がオフに切り替えられている場合は、前記インダクタを通って流れる電流を保持するステップを有する、こと特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記直流電圧を切り替えるステップは、前記負荷へ供給されるべき所望の電力に依存するオン／オフ比を有して行われる、ことを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 負荷、インダクタ及び第１のスイッチへ接続された出力部を有する共振回路を有し、前記インダクタは、直流電圧源へ前記共振回路に直列に結合され、前記第１のスイッチは、前記共振回路に並列に接続されるＥ級直流−交流変換器であって、
   当該Ｅ級変換器の入力部には、前記直流電圧源から前記インダクタを通って前記共振回路へ供給される平均直流電圧を制御する制御された直流−直流変換器が配置される、ことを特徴とするＥ級直流−交流変換器。
5. 前記インダクタは、前記制御された直流−直流変換器の一部である、ことを特徴とする請求項４記載のＥ級直流−交流変換器。
6. 前記直流−直流変換器は、前記インダクタに直列に前記直流電圧源へ接続される第２のスイッチと、前記インダクタ、前記共振回路及び前記負荷の直列接続に並列に前記第２のスイッチへ結合されるフリーホイーリングダイオードとを有する、ことを特徴とする請求項４又は５記載のＥ級直流−交流変換器。
7. 前記第２のスイッチは、前記負荷へ供給されるべき所望の電力に依存するオン／オフ比でオン及びオフを切り替えられるよう構成される、ことを特徴とする請求項４乃至６のうちいずれか一項記載のＥ級直流−交流変換器。

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