JP2011009019A6 - 高圧放電灯点灯装置及びこれを用いた照明器具、照明システム - Google Patents

Abstract

【課題】高圧放電灯に対する過剰ストレスを軽減し、スムーズに点灯させることができる高圧放電灯点灯装置を提供する。
【解決手段】直流電源の出力電圧Ｖｄｃを入力とし、少なくともインダクタＬ２、ダイオードＤ２、スイッチング素子Ｑ２を含み、負荷として接続される高圧放電灯ＤＬに必要な電力に変換し、高圧放電灯ＤＬを安定点灯させる電力変換回路と、前記電力変換回路を制御する制御回路３から構成される高圧放電灯点灯装置において、高圧放電灯ＤＬの絶縁破壊直後から所定期間の間、前記電力変換回路のスイッチング素子Ｑ２によるスイッチングオン時間を所定のオン時間Ｔｏｎに固定することでランプ電流を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は高圧水銀ランプやメタルハライドランプなどの高輝度高圧放電灯を点灯させる高圧放電灯点灯装置及びこれを用いた照明器具、照明システムに関するものである。

図１２は従来の高圧放電灯点灯装置の回路図であり、図１３、図１４はその動作波形図である。その詳細な構成と動作については図３の説明において後述することとし、ここでは概略の動作について説明する。高圧放電灯ＤＬが非点灯時には、高圧放電灯ＤＬを始動させる始動モード（絶縁破壊モード）で動作する。このモードでは、降圧チョッパ回路１２は、高圧放電灯ＤＬを良好に始動させるために、高圧放電灯ＤＬの安定点灯時の電圧よりも高い直流電圧を出力する。この直流電圧を極性反転回路１３により矩形波交流電圧に変換して、始動電圧発生回路２を介して高圧放電灯ＤＬに印加する。始動電圧発生回路２は、矩形波交流電圧の極性が反転したときに、電圧応答型のスイッチング素子Ｑ７がオンとなり、始動用高電圧を発生させる。始動用高電圧が高圧放電灯ＤＬに印加され、絶縁破壊し、グロー放電を生じ、その後、アーク放電へ移行すると、点灯判別手段３４により、高圧放電灯ＤＬが始動したことを検出する。これにより、点灯モードへ移行すると、降圧チョッパ回路１２の出力電圧を検出し、出力電圧に応じた所定の電流となるようチョッパ制御部３３により降圧チョッパ回路１２の動作を制御し、極性反転回路１３を介して高圧放電灯ＤＬに矩形波状の適正な電力を供給し、安定に点灯する。高圧放電灯ＤＬは、始動時から徐々に発光管内部が高温・高圧となり、やがて安定な点灯状態となる。

降圧チョッパ回路１２の動作については、一般的な技術であるので省略するが、スイッチング素子Ｑ２は、ＢＣＭ（Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｍｏｄｅ）動作、ＣＣＭ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｍｏｄｅ）動作、ＤＣＭ（Ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｍｏｄｅ）動作のいずれかを行っている。後述のように、ＢＣＭ動作を境界モード、ＣＣＭ動作を連続モード、ＤＣＭ動作を不連続モードと呼ぶこともある。特許文献１（特表平１０−５１１２１８号公報）によれば、これらの動作を用いて高圧放電灯を点灯制御する技術が開示されている。

ここで、制御回路３は高圧放電灯ＤＬのランプ電圧Ｖｌａ（電流、電力でもよい）を検出し、ランプ電圧Ｖｌａに応じてスイッチング素子Ｑ２のＯＮ／ＯＦＦ制御を行い、所望のランプ電力Ｗｌａとなるように調整している。一般的には、この動作は所望のランプ電力Ｗｌａとなるランプ電流Ｉｌａを目標値とし、ランプ電流Ｉｌａ相当の電気量を検出し、その検出値が目標値となるように、スイッチング素子Ｑ２のオン時間Ｔｏｎをフィードバック制御することで実現される。

ところで、制御回路３の制御機能として、マイコンを採用しているような高圧放電灯点灯装置では、マイコンは例えばランプ電圧Ｖｌａなどの検出情報を元に所望のランプ電流Ｉｌａを流せるようなスイッチング動作を行わせるように制御信号を出力するが、電源投入後、また絶縁破壊直後などの初期段階においては、マイコン内に何らかの初期値（プリセット値）を設けておかなければ、所望のランプ電流Ｉｌａとして制御できず、ランプ電流Ｉｌａが流れ過ぎるという状況に陥る。

そこで、絶縁破壊モードの終了直後（絶縁破壊を検出するものを搭載していない場合は電源投入直後）は、ランプ電流Ｉｌａの不定領域を回避するために、制御回路３にＩｐ設定部３９を設ける。そして、図１３のＩｐ固定制御モードに示すように、ランプ電流Ｉｌａに相当するインダクタＬ２の電流ＩＬ２のピーク値Ｉｐをあらかじめ与えられたプリセット値として固定するように、制御回路３は降圧チョッパ回路１２のスイッチング素子Ｑ２を制御する。図１３の動作では、降圧チョッパ回路１２はＢＣＭ動作を行っている。以上の動作により、絶縁破壊直後のランプ電圧Ｖｌａ等の情報が与えられていない状態においても、所望のランプ電流Ｉｌａとなるように制御することができる。

特表平１０−５１１２１８号公報

しかし、従来のような制御を行うと、絶縁破壊直後のように高圧放電灯の挙動が不安定な時はランプ電圧Ｖｌａも変動しやすく、ランプ電圧Ｖｌａが高くなることがある。そのような場合、図１５に示すように、Ｖｌａ≧１４０Ｖの領域では、高圧放電灯に供給される電力が高圧放電灯の定格電力を超えてしまい、高圧放電灯に過剰なストレスを与えてしまうという状況が懸念される。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高圧放電灯に対する過剰ストレスを軽減し、スムーズに点灯させることができる高圧放電灯点灯装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、上記の課題を解決するために、図３に示すように、直流電源（昇圧チョッパ回路１１）と、直流電源の出力電圧Ｖｄｃを入力とし、少なくともインダクタＬ２、ダイオードＤ２、スイッチング素子Ｑ２を含み、負荷として接続される高圧放電灯ＤＬに必要な電力に変換し、高圧放電灯ＤＬを安定点灯させる電力変換回路（降圧チョッパ回路１２）と、前記電力変換回路を制御する制御回路３から構成される高圧放電灯点灯装置において、図１に示すように、高圧放電灯ＤＬの絶縁破壊直後から所定期間の間、前記電力変換回路のスイッチング素子Ｑ２によるスイッチングオン時間を所定のオン時間Ｔｏｎに固定することでランプ電流を制御することを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記オン時間Ｔｏｎは、図２に示すように、前記電力変換回路から高圧放電灯に出力される電力Ｗｌａが高圧放電灯のランプ電圧Ｖｌａの変動に関わらず定格電力以下となるように設定されることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記オン時間Ｔｏｎは、図２に示すように、前記電力変換回路が高圧放電灯の始動立ち上がり時に必要な押し込み電流以上を供給できるように設定されることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記所定期間とは、高圧放電灯のランプ電圧が始動直後よりも高く安定点灯時よりも低い所定の電圧になるまでの期間であることを特徴とする（図４）。

請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記電力変換回路とは降圧チョッパ回路１２であることを特徴とする（図３、図４）。

請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記降圧チョッパ回路１２のスイッチング動作は、前記降圧チョッパ回路１２のインダクタＬ２の回生電流がゼロになったときにスイッチング素子Ｑ２をオンさせるゼロクロス制御であることを特徴とする（図１）。

請求項７の発明は、請求項１の発明において、所定期間以降は、高圧放電灯の状態に応じて、高圧放電灯のランプ電流があらかじめ設定された電流目標値となるように前記オン時間を制御することを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の高圧放電灯点灯装置を具備したことを特徴とする照明器具である（図１１）。

請求項９の発明は、請求項８記載の高圧放電灯点灯装置を具備した照明器具を含んで構成されることを特徴とする照明システムである。

本発明によれば、高圧放電灯の絶縁破壊直後に、高圧放電灯の挙動が不安定でランプ電圧が高くなるような状況下でも高圧放電灯に対する過剰ストレスを回避し、スムーズに点灯させることができる。

本発明の実施形態１の動作波形を示す波形図である。 本発明の実施形態１の動作を説明するための特性図である。 本発明の実施形態１の回路構成を示す回路図である。 本発明の実施形態３の回路構成を示す回路図である。 本発明の実施形態４の動作波形を示す波形図である。 本発明の実施形態４の動作を説明するための特性図である。 本発明の実施形態５の回路構成を示す回路図である。 本発明の実施形態５の動作を説明するための特性図である。 本発明の実施形態６の回路構成を示す回路図である。 本発明の実施形態６の動作波形を示す波形図である。 本発明の実施形態７の照明器具の外観を示す斜視図である。 従来例の回路構成を示す回路図である。 従来例の動作波形を示す波形図である。 従来例の始動電圧発生回路の動作波形を示す波形図である。 従来例の動作を説明するための特性図である。

（実施形態１）
図３は本発明の実施形態１の回路図である。点灯回路１は、全波整流回路ＤＢと、昇圧チョッパ回路１１と、降圧チョッパ回路１２と、極性反転回路１３からなる。全波整流回路ＤＢは、商用交流電源Ｖｓに接続され、その交流電圧を整流し、脈流電圧を出力するダイオードブリッジ回路である。昇圧チョッパ回路１１は、全波整流回路ＤＢで整流された電圧を入力として昇圧された直流電圧Ｖｄｃを出力する。降圧チョッパ回路１２は、直流電圧Ｖｄｃを電源として、高圧放電灯ＤＬに適正な電力を供給するよう制御される。極性反転回路１３は、降圧チョッパ回路２の直流出力を矩形波交流電圧に変換して、高圧放電灯ＤＬに印加する。

昇圧チョッパ回路１１の回路構成について説明する。全波整流回路ＤＢの出力端には、入力コンデンサＣ１が並列接続されると共に、インダクタＬ１とスイッチング素子Ｑ１の直列回路が接続されており、スイッチング素子Ｑ１の両端にはダイオードＤ１を介して平滑コンデンサＣ２が接続されている。スイッチング素子Ｑ１のオン・オフは制御回路３のチョッパ制御部１１ｂにより制御される。スイッチング素子Ｑ１が商用交流電源Ｖｓの商用周波数よりも十分に高い周波数でオン・オフ制御されることにより、全波整流回路ＤＢの出力電圧は、規定の直流電圧Ｖｄｃに昇圧されて平滑コンデンサＣ２に充電されると共に、商用交流電源Ｖｓからの入力電流と入力電圧の位相がずれないように回路に抵抗性を持たせる力率改善制御を行っている。なお、全波整流回路ＤＢの交流入力端に高周波漏洩阻止用のフィルタ回路を設けても良い。

降圧チョッパ回路１２は負荷である高圧放電灯ＤＬに目標電力を供給するための安定器（電力変換回路）としての機能を有している。また、始動時からアーク放電移行期間を経て安定点灯期間に至るまで高圧放電灯ＤＬに適正な電力を供給するように、制御回路３により降圧チョッパ回路１２の出力電圧を可変制御される。

降圧チョッパ回路１２の回路構成について説明する。直流電源である平滑コンデンサＣ２の正極はスイッチング素子Ｑ２、インダクタＬ２を介してコンデンサＣ３の正極に接続されており、コンデンサＣ３の負極は平滑コンデンサＣ２の負極に接続されている。コンデンサＣ３の負極には回生電流通電用のダイオードＤ２のアノードが接続されており、ダイオードＤ２のカソードはスイッチング素子Ｑ２とインダクタＬ２の接続点に接続されている。

降圧チョッパ回路１２の回路動作について説明する。スイッチング素子Ｑ２は制御回路３のチョッパ制御部１２ｂの出力により高周波でオン・オフ駆動され、スイッチング素子Ｑ２がオンのとき、直流電源である平滑コンデンサＣ２からスイッチング素子Ｑ２、インダクタＬ２、コンデンサＣ３を介して電流が流れ、スイッチング素子Ｑ２がオフのとき、インダクタＬ２、コンデンサＣ３、ダイオードＤ２を介して回生電流が流れる。これにより、直流電圧Ｖｄｃを降圧した直流電圧がコンデンサＣ３に充電される。チョッパ制御部３３によりスイッチング素子Ｑ２のオンデューティ（一周期に占めるオン時間の割合）を変えることにより、コンデンサＣ３に得られる電圧を可変制御できる。

降圧チョッパ回路１２の出力には極性反転回路１３が接続されている。極性反転回路１３はスイッチング素子Ｑ３〜Ｑ６よりなるフルブリッジ回路であり、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ６のペアとＱ４，Ｑ５のペアが極性反転制御回路３１からの制御信号により低周波で交互にオンされることで、降圧チョッパ回路１２の出力電力を矩形波交流電力に変換して高圧放電灯ＤＬに供給するものである。負荷である高圧放電灯ＤＬは、メタルハライドランプや高圧水銀ランプのような高輝度高圧放電灯（ＨＩＤランプ）である。

始動電圧発生回路２は、極性反転回路１３の出力と高圧放電灯ＤＬとの間に２次巻線Ｎ２を接続されたパルストランスＰＴ、両端の電圧が所定値を越えた際にオンする電圧応答型のスイッチング素子Ｑ７、パルストランスＰＴの１次巻線Ｎ１及びスイッチング素子Ｑ７と直列に接続されるコンデンサＣ４、スイッチング素子Ｑ７と並列に接続されてスイッチング素子Ｑ７がオフ時にコンデンサＣ４を充電する抵抗Ｒ１からなる。

次に、制御回路３について説明する。上述の昇圧チョッパ回路１１、降圧チョッパ回路１２、極性反転回路１３は、制御回路３により適正に動作するように制御される。

制御回路３は、昇圧チョッパ回路１１を制御する手段として、昇圧チョッパ回路１１の出力電圧Ｖｄｃを検出する出力検出部１１ａと、出力検出部１１ａにより検出される出力電圧Ｖｄｃが一定の電圧となるようにスイッチング素子Ｑ１を制御するチョッパ制御部１１ｂを備えている。

また、制御回路３は、降圧チョッパ回路１２を制御する手段として、降圧チョッパ回路１２の出力電圧により高圧放電灯ＤＬの点灯・非点灯を判別する点灯判別手段３４と、点灯判別手段３４により点灯判別された後の経過時間を計測するタイマー３５と、スイッチング素子Ｑ２のオンＴｏｎ（固定値）をプリセット値として設定するオン時間設定部３６と、ランプ電圧Ｖｌａの検出値からランプ電流Ｉｌａの目標値を算出するためのＶｌａ−Ｉｌａテーブル３２と、降圧チョッパ回路１２の出力電圧に応じた所定の出力電流となるようにスイッチング素子Ｑ２を制御するチョッパ制御部３３と、極性反転回路１３を制御する手段として、極性反転回路１３のスイッチング素子Ｑ３〜Ｑ６の制御を行う極性反転制御回路３１を備えている。

チョッパ制御部３３は、点灯判別手段３４が点灯状態を判別するまでは無負荷２次電圧として所定の高い直流電圧を出力するようにスイッチング素子Ｑ２を制御する。点灯判別手段３４が点灯状態を判別した後、タイマー３５が所定時間（数秒）を計時するまではオン時間設定部３６により設定されたオン時間Ｔｏｎでスイッチング素子Ｑ２をスイッチング制御する。さらに、タイマー３５が所定時間（数秒）を計時した後は、Ｖｌａ−Ｉｌａテーブル３２により設定されるランプ電流Ｉｌａの目標値を実現するようにスイッチング素子Ｑ２のオンオフを制御する。なお、点灯判別手段を省略し、電源投入後、タイマー３５で計時される所定時間はスイッチング素子Ｑ２のオン時間を、固定のオン時間Ｔｏｎに制御しても良い。

図３では、制御回路３の構成を機能的にブロック化して示しているが、制御回路３の全部または一部をマイクロコンピュータ（例えばＳＴ７２２１５（ＳＴ社製））に置き換えて、ソフトウェアにより制御回路３の機能を実現しても構わない。また、出力検出部１１ａとチョッパ制御部１１ｂの機能は汎用のチョッパ制御ＩＣで実現しても構わない。

図１は本発明による実施形態１の動作説明のための波形図であり、スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ６のオン・オフ動作、インダクタＬ２の電流、ランプ電圧Ｖｌａを示している。電源投入後の絶縁破壊モードを経て、点灯モードに移行する。点灯モードは、数秒のＴｏｎ固定制御モードと、これに続くＶｌａ−Ｉｌａ制御モードよりなる。以下、各モードについて説明する。

《絶縁破壊モード》
電源投入後、昇圧チョッパ回路１１、降圧チョッパ回路１２、極性反転回路１３が動作を開始する。高圧放電灯ＤＬが始動する前の無負荷時には、降圧チョッパ回路１２の出力電圧は無負荷２次電圧に設定されており、極性反転回路１３が出力極性を反転させる度に、始動電圧発生回路２が高圧パルスを発生させる。

始動電圧発生回路２において、コンデンサＣ４は、パルストランスＰＴの１次巻線Ｎ１、抵抗Ｒ１を介して充電される。コンデンサＣ４の電圧Ｖｃ４は、図１４（ｂ）のように変化する。図１４（ａ）は極性反転回路１３の出力電圧Ｖｏ、図１４（ｃ）は高圧放電灯ＤＬに印加される電圧Ｖｌａである。

電圧応答型のスイッチング素子Ｑ７には、極性反転回路１３の出力電圧とコンデンサＣ４の電圧Ｖｃ４の和が印加されることとなる。極性反転回路１３の出力電圧は、降圧チョッパ回路１２の出力電圧値Ｖｃ３とほぼ同じであり、矩形波電圧の安定時には、スイッチング素子Ｑ７の両端電圧は、｜Ｖｃ３｜−｜Ｖｃ４｜となり、スイッチング素子Ｑ７のオン電圧には達せず、スイッチング素子Ｑ７はオンしない。

しかしながら、矩形波電圧の極性が反転すると、コンデンサＣ４の電圧は、抵抗Ｒ１を介して充電されるため急速には変化せず、スイッチング素子Ｑ７には｜Ｖｃ３｜＋｜Ｖｃ４｜の電圧が印加され、スイッチング素子Ｑ７のオン電圧ＶＢＯに達し、スイッチング素子Ｑ７をオンさせる。これにより、コンデンサＣ３およびＣ４を電源として、パルストランスＰＴの１次巻線Ｎ１には、急峻なパルス電流が流れ、２次巻線Ｎ２には、１次巻線Ｎ１に発生する電圧を巻数比倍した電圧が発生し、高圧放電灯ＤＬに印加される。

これにより、高圧放電灯ＤＬが絶縁破壊されて放電を開始すると、高圧放電灯ＤＬのインピーダンスは急激に低下し、ランプ電圧Ｖｌａが低下する。この変化を点灯判別手段３４により判別することで、点灯モードに移行する。点灯モードにおいては、Ｔｏｎ固定制御モードを経て、Ｖｌａ−Ｉｌａ制御モードに移行するように制御される。

《Ｔｏｎ固定制御モード》
絶縁破壊モード終了直後は、降圧チョッパ回路１２のスイッチング素子Ｑ２がオン時間Ｔｏｎ固定（数マイクロ秒）の高周波動作するように、制御回路３はスイッチング素子Ｑ２を制御する。本実施形態では降圧チョッパ回路１２において、ＢＣＭ（Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｍｏｄｅ）動作を行っている。極性反転回路３の出力が正極性の期間Ｔａと負極性の期間Ｔｂは低周波（数１０Ｈｚ〜数１００Ｈｚ）で切り替わる。

図２はＴｏｎ固定制御モードにおけるランプ電圧Ｖｌａとランプ電流Ｉｌａ、ランプ電力Ｗｌａの関係を示している。絶縁破壊直後の高圧放電灯の挙動が不安定な期間において、ランプ電圧Ｖｌａが高くなった場合でも、定格電力以下の電力を供給することが可能となり、高圧放電灯ＤＬに対する過剰ストレスは回避できる。図２の例では、定格電力が７０Ｗの高圧放電灯において、ランプ電圧Ｖｌａが１４０Ｖ以上の領域（例えば１５０Ｖ）となっても、供給電力が７０Ｗを越えて上昇することはない。

本実施形態では、制御回路３内にタイマー３５を設け、規定した数秒の時間が経過すると、次のＶｌａ−Ｉｌａ制御モードに切り替わるように制御している。

なお、図１の例では、絶縁破壊モードとＴｏｎ固定制御モードとではスイッチング素子Ｑ２のオン時間を変えているが、絶縁破壊を検出する点灯判別手段３４を搭載していない場合には、電源投入直後から降圧チョッパ回路１２のスイッチング素子Ｑ２に対してＴｏｎ固定制御を行わせても良い。絶縁破壊するまでは高圧放電灯ＤＬに電流が流れないため、電源投入直後からＴｏｎ固定制御モードで制御しても問題はない。

以上により、絶縁破壊直後に、制御回路３（例えばマイコン）にランプ電圧Ｖｌａなどの情報が入ってない初期状態においても、高圧放電灯の挙動が不安定でランプ電圧Ｖｌａが高くなるような状況下でも高圧放電灯に対する過剰ストレスを回避し、スムーズに点灯させることができる高圧放電灯点灯装置を提供できる。

《Ｖｌａ−Ｉｌａ制御モード》
Ｖｌａ−Ｉｌａ制御モードに移行すると、降圧チョッパ回路１２は制御回路３（例えばマイコン）内にあらかじめ設定されたＶｌａ−Ｉｌａ（もしくはＶｌａ−Ｗｌａ）テーブル３２により、検出されたランプ電圧Ｖｌａに応じて所望のランプ電流Ｉｌａ（もしくはランプ電力Ｗｌａ）になるように、スイッチング素子Ｑ２のオン時間を決める。この制御モードでもＢＣＭ動作を行っている。ＢＣＭ動作を実現するには、図３では図示していないが、従来例（図１２）と同様に、降圧チョッパ回路１２のチョッパ電流を検出して制御回路３で監視するように構成すると良い。

以上の動作により、図１に示すランプ電圧Ｖｌａを高圧放電灯ＤＬに安定的に供給し、高圧放電灯ＤＬを所望の電力で点灯させる。

（実施形態２）
実施形態１において、高圧放電灯ＤＬの絶縁破壊直後は不安定な始動立ち上がり時であるため、高圧放電灯ＤＬには電流を押し込むことが重要であるが、図２に示すように、低いランプ電圧Ｖｌａ（図２では１０Ｖ）であっても、例えば定格電力７０Ｗの高圧放電灯の押し込みに必要と言われる１．０Ａを確保することができている。

これにより、始動立ち上がり時の不安定領域での押し込み電流を確保し、立ち消えを防止できる。なお、高圧放電灯の押し込みとは、絶縁破壊直後の不安定なグロー放電状態から安定なアーク放電状態へ移行させるのに必要なエネルギーを注入することを意味する。

（実施形態３）
図４は本発明の実施形態３の回路図である。本実施形態では、図３のタイマー３５に代えて、ランプ電圧Ｖｌａが所定電圧になったことを検出するＶｌａ比較部３８を設けている。上述の図３の例では、Ｔｏｎ固定制御モードの期間を設定するために、制御回路３内にタイマー３５を設けていたが、図５に示すように、Ｖｌａ比較部３８を設け、例えばランプ電圧Ｖｌａが２０Ｖになった時点でＴｏｎ固定制御モードからＶｌａ−Ｉｌａ制御モードに切り替えるように制御しても良い。

高圧放電灯は始動直後はランプ電圧が低くなり、その後、安定点灯状態に近づくにつれてランプ電圧が上昇して行く。そこで、高圧放電灯のランプ電圧が始動直後よりも高く安定点灯時よりも低い所定の電圧（例えば、２０Ｖ）になるまでの時間ではＴｏｎ固定制御モードとすることで、タイマー３５が無くても、制御モードの切替が可能となる。

また、本実施形態では、始動電圧発生回路２の構成が図３とは異なることで、絶縁破壊モードにおける高圧パルスの発生タイミングが図１とは異なる。図４の始動電圧発生回路２は、パルストランスＰＴとコンデンサＣ５とスイッチング素子Ｑ８（例えばサイダックのような電圧応答素子）と抵抗Ｒ２とからなっている。極性反転回路１３より出力された矩形波電圧を受けて、抵抗Ｒ２とコンデンサＣ５の時定数により、コンデンサＣ５の電圧は徐々に充電されていく。コンデンサＣ５の電圧がスイッチング素子Ｑ８のブレークオーバ電圧に達すると、スイッチング素子Ｑ８はＯＮし、コンデンサＣ５に蓄積された電荷をコンデンサＣ５−スイッチング素子Ｑ８−パルストランスＰＴの一次巻線Ｎ１を介して放電させる。この時、パルストランスＰＴの一次巻線Ｎ１に発生したパルス電圧が昇圧され、パルストランスＰＴの二次巻線Ｎ２に高圧パルス電圧を発生させる。そして、この高圧パルス電圧により高圧放電灯ＤＬが放電を開始し、点灯状態に移行する。

上述の図３に示した始動電圧発生回路２では、図１の波形図に示すように、極性反転直後に高圧パルス電圧が発生するが、図４に示す始動電圧発生回路２では、始動用の高圧パルス電圧は不定期に発生する。いずれの始動電圧発生回路においても、高圧放電灯ＤＬが始動した後は、ランプインピーダンスの低下により降圧チョッパ回路１２の出力電圧が低下するので、始動電圧の発生は停止する。なお、図４の実施形態において、図３の始動電圧発生回路を用いても良いし、逆に、図３の実施形態において、図４の始動電圧発生回路を用いても良い。また、後述の実施形態（図９）のように、共振型の始動電圧発生回路を用いても良い。

（実施形態４）
上述の実施形態１〜３においては、Ｔｏｎ固定制御モードにおいて、ＢＣＭ（Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｍｏｄｅ）動作を用いたが、ＤＣＭ（Ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｍｏｄｅ）動作またはＣＣＭ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｍｏｄｅ）動作を用いても良い。

図５は本発明の実施形態４の動作波形図である。本実施形態では、Ｔｏｎ固定制御モードにおいて、降圧チョッパ回路１２のスイッチング素子Ｑ２の動作として、図１に示したようなＢＣＭ動作ではなく、ＤＣＭ動作を用いている。回路構成は図３と同じで良い。

ここで、本実施形態で用いるＤＣＭ動作とは、図５に示すように、チョッパ回路１２のスイッチング素子Ｑ２のオフ時にインダクタＬ２の蓄積エネルギーを放出する回生電流がゼロに戻った後、チョッパ電流が流れない休止期間を経て、スイッチング素子Ｑ２をオンさせる制御である。チョッパ電流が不連続となるので、不連続モードと呼ばれることもある。

不連続モードでは、図６に示すように、チョッパ電流の休止期間が長くなるので、ランプ電力Ｗｌａの大きさは定格電力（破線で示す７０Ｗ）に比べると十分に小さく抑制される。これにより、Ｔｏｎ固定制御モードにおいて、高圧放電灯の挙動が不安定でランプ電圧Ｖｌａが高くなるような状況下でも高圧放電灯に対する過剰ストレスを回避できる。

また、ＢＣＭ動作とは、上述の図１に示したように、チョッパ回路１２のスイッチング素子Ｑ２のオフ時にインダクタＬ２の蓄積エネルギーを放出する回生電流がゼロに戻ったタイミングでスイッチング素子Ｑ２をオンさせる制御であり、境界モードあるいはゼロクロス制御と呼ばれることもある。

さらに、図示はしないが、ＣＣＭ動作とは、チョッパ回路１２のスイッチング素子Ｑ２のオフ時にインダクタＬ２の蓄積エネルギーを放出する回生電流がゼロに戻る前に、スイッチング素子Ｑ２をオンさせる制御である。チョッパ電流が連続的に流れるので、連続モードと呼ばれることもある。

（実施形態５）
上述の実施形態１〜４においては、降圧チョッパ回路１２において、スイッチング素子Ｑ２の制御にＴｏｎ固定制御モードを実現してきた。本実施形態では、降圧チョッパ回路１２以外の電力変換回路の一例として昇降圧チョッパ回路１４を用いた構成について説明する。

図７は本発明の実施形態５の回路図である。図３の実施形態において、降圧チョッパ回路１２を昇降圧チョッパ回路１４に置き換えたものである。図３の構成に比べると、インダクタＬ２とダイオードＤ２の配置が逆になっている。また、極性反転回路１３のスイッチング素子Ｑ３〜Ｑ６の導通方向が逆になっている。

昇降圧チョッパ回路１４の回路動作について説明する。スイッチング素子Ｑ２は制御回路３のチョッパ制御部３３の出力により高周波でオン・オフ駆動され、スイッチング素子Ｑ２がオンのとき、直流電源である平滑コンデンサＣ２からスイッチング素子Ｑ２、インダクタＬ２を介して電流が流れ、スイッチング素子Ｑ２がオフのとき、インダクタＬ２、コンデンサＣ３、ダイオードＤ２を介して回生電流が流れる。これにより、直流電圧Ｖｄｃを昇圧あるいは降圧した直流電圧がコンデンサＣ３に充電される。チョッパ制御部３３によりスイッチング素子Ｑ２のオンデューティ（一周期に占めるオン時間の割合）を変えることにより、コンデンサＣ３に得られる電圧を可変制御できる。コンデンサＣ３の電圧極性は、降圧チョッパ回路１２（図３）の場合とは逆極性となる。

本実施形態ではＴｏｎ固定制御モード以外は実施形態１と同等であるので重複する説明は省略し、Ｔｏｎ固定制御モードのみ説明する。

《Ｔｏｎ固定制御モード》
昇降圧チョッパ回路１４のスイッチング素子Ｑ２がオン時間Ｔｏｎ固定（数マイクロ秒）の高周波動作するように制御回路３はスイッチング素子Ｑ２を制御する。本実施形態では昇降圧チョッパ回路１４において、一例としてＤＣＭ動作を行っている。

図８はＴｏｎ固定制御モードにおけるランプ電圧Ｖｌａとランプ電流Ｉｌａ、ランプ電力Ｗｌａの関係を示している。絶縁破壊直後の高圧放電灯の挙動が不安定な期間において、ランプ電圧Ｖｌａが高くなった場合でも、定格電力以下の電力を供給することが可能となり、高圧放電灯ＤＬに対する過剰ストレスは回避できる。図８の例では、定格電力が７０Ｗの高圧放電灯において、ランプ電圧Ｖｌａが１４０Ｖ以上の領域（例えば１５０Ｖ）となっても、供給電力が７０Ｗを越えて上昇することはない。

これにより、絶縁破壊直後に、制御回路３（例えばマイコン）にランプ電圧Ｖｌａなどの情報が入ってない初期状態においても、高圧放電灯ＤＬが不安定でランプ電圧Ｖｌａが高くなる状況下でも高圧放電灯ＤＬに対する過剰ストレスを回避し、スムーズに点灯させることができる高圧放電灯点灯装置を実現できる。

なお、絶縁破壊直後は始動立ち上がり時であるため、基本的にはランプ電圧Ｖｌａは低く、電流を押し込むことが重要であるが、図８に示すように、低いランプ電圧Ｖｌａ（図８では１０Ｖ）であっても、例えば定格電力７０Ｗの高圧放電灯の押し込みに必要と言われる１．０Ａを確保することができている。

（実施形態６）
図９は本発明による実施形態６の回路図、図１０はその動作説明図である。実施形態１〜５と異なる点は、降圧チョッパ回路１２と極性反転回路１３を一体化した極性反転型降圧チョッパ回路１５を用いた点と、始動電圧発生回路２として共振型昇圧回路を用いた点である。

極性反転型降圧チョッパ回路１５は、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の接続点とスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の接続点の間に、降圧チョッパ回路の出力フィルタとなるインダクタＬ２とコンデンサＣ３の直列回路を接続したものである。

始動電圧発生回路２は、パルストランスＰＴとコンデンサＣ４からなる共振回路で構成され、極性反転型降圧チョッパ回路１５に印加された直流電圧Ｖｄｃを電源として、極性反転型降圧チョッパ回路１５のスイッチング素子Ｑ３〜Ｑ６の高周波的なスイッチング動作により、高圧放電灯ＤＬに印加される始動・再始動のための共振昇圧電圧を発生する。なお、共振用のコンデンサＣ４と直列に抵抗が接続されていても良い。

制御回路３は、昇圧チョッパ回路１１のスイッチング素子Ｑ１と、極性反転型降圧チョッパ回路１５のスイッチング素子Ｑ３〜Ｑ６を制御している。制御回路３は、昇圧チョッパ回路１１の出力電圧Ｖｄｃを検出する出力検出部１１ａと、出力検出部１１ａの検出結果に応じて、スイッチング素子Ｑ１を制御するチョッパ制御部１１ｂを有している。また、高圧放電灯ＤＬの状態を検出する出力検出部１５ａと、その検出結果により高圧放電灯ＤＬの点灯・非点灯を判別する点灯判別手段３４を備えている。

Ｖｌａ−Ｉｌａテーブル３２は、出力検出部１５ａにより検出された高圧放電灯ＤＬの両端電圧に応じて、スイッチング素子Ｑ５およびＱ６の動作周波数およびＯＮ期間を決定する機能を備えている。Ｖｌａ−Ｉｌａテーブル３２の出力は、極性反転・出力制御回路１５ｂを通して、Ｖｌａ−Ｉｌａ制御モードにおいて、各スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ６を制御する。タイマー３５は、点灯判別手段３４の判別結果を受けて絶縁破壊後の経過時間を計測する。

以下、本実施形態の電源投入後の動作について説明する。
《絶縁破壊モード》
高圧放電灯ＤＬが非点灯状態である無負荷時には、図１０の絶縁破壊モードのように、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ６がＯＮ、スイッチング素子Ｑ４，Ｑ５がＯＦＦの期間ｔ１と、スイッチング素子Ｑ４，Ｑ５がＯＮ、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ６がＯＦＦの期間ｔ２を設け、ｔ１，ｔ２の期間はＴｘの周期で交番させるように、制御回路３はスイッチング素子Ｑ３〜Ｑ６を制御する。このときの動作周波数は、図９の始動電圧発生回路２の共振周波数をｆｒとすると、ｆｒ／（２ｎ＋１）（ｎ＝０，１，２，…）の周波数近傍に設定している。この動作により、始動用高電圧が発生する。この動作により発生する電圧をパルストランスＰＴの１次巻線ｎ１と２次巻線ｎ２の巻数比により昇圧した電圧Ｖｐ（図１０のＶｌａに相当する）が高圧放電灯ＤＬの両端間に印加されることにより高圧放電灯ＤＬは絶縁破壊する。

《高周波予熱モード》
高周波予熱モードは、点灯モードに入るまでに高圧放電灯ＤＬの予熱に最適な高周波電流を確保するモードである。本モードと絶縁破壊モードの合計時間は一定であり、高圧放電灯が絶縁破壊するまでの期間次第で、本モードの期間Ｔｙが決まる。図１０では、絶縁破壊モードと高周波予熱モードを区別しているが、高周波予熱モードは絶縁破壊モードでのスイッチングの続きであり、高圧放電灯ＤＬが絶縁破壊をすることで、図１０のようなＶｌａ及びＩｌａの波形になる。タイマー３５あるいは点灯判別手段３４の判別信号により、高圧放電灯ＤＬを安定に点灯するための点灯モードに切替える。点灯モードは、Ｔｏｎ固定制御モードとＶｌａ−Ｉｌａ制御モードに分けられる。

《点灯モード》
極性反転型降圧チョッパ回路１５は、点灯モードでは、スイッチング素子Ｑ３とＱ４が所定の周波数（数１００Ｈｚ程度）で交互にＯＮ／ＯＦＦし、その際、スイッチング素子Ｑ５およびＱ６は、スイッチング素子Ｑ３がＯＮの期間では、スイッチング素子Ｑ６が所定の周波数（数１０ｋＨｚ程度）でＯＮ／ＯＦＦし、スイッチング素子Ｑ４がＯＮの期間では、スイッチング素子Ｑ５が所定の周波数（数１０ｋＨｚ程度）でＯＮ／ＯＦＦする動作を繰り返す。この極性反転型降圧チョッパ動作により、高圧放電灯ＤＬには、低周波の矩形波交流電圧が印加される。このとき、コンデンサＣ３とインダクタＬ２は降圧チョッパ回路のフィルタ回路として機能し、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６に内蔵された逆並列ダイオードは降圧チョッパ回路の回生電流通電用ダイオードとして機能する。

《Ｔｏｎ固定制御モード》
高周波予熱モードの終了直後は、Ｔｏｎ固定制御モードで動作する。Ｔｏｎ固定制御モードでは、スイッチング素子Ｑ４がＯＮ、スイッチング素子Ｑ５がオン時間Ｔｏｎ固定（数マイクロ秒）の数１０Ｋ〜数１００ＫＨｚの高周波動作でＯＮ／ＯＦＦし、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ６がＯＦＦする期間Ｔａと、スイッチング素子Ｑ３がＯＮ、スイッチング素子Ｑ６がオン時間Ｔｏｎ固定（数マイクロ秒）の数１０Ｋ〜数１００ＫＨｚの高周波動作でＯＮ／ＯＦＦし、スイッチング素子Ｑ４，Ｑ５がＯＦＦする期間Ｔｂとを設ける。各期間Ｔａ，Ｔｂは、数１０Ｈｚ〜数１００Ｈｚの低周波の周期で交番させるように、制御回路３はスイッチング素子Ｑ３〜Ｑ６を制御する。本実施形態では、ＢＣＭ動作を行っている。

以上の動作により、絶縁破壊直後の高圧放電灯の挙動が不安定な期間において、ランプ電圧Ｖｌａが高電圧（例えば１５０Ｖ）になった場合でも定格電力以下の電力を供給することが可能となり、高圧放電灯ＤＬに対する過剰ストレスは回避できる。

なお、放電灯の高周波予熱モード直後は始動立ち上がり時であるため、基本的にはランプ電圧Ｖｌａは低電圧であり、高周波予熱モードと同等に電流を押し込むことが重要であるが、Ｔｏｎの時間を高圧放電灯の始動立ち上がり時に必要な押し込み電流以上を供給できるように設定することで、立ち消えを回避できる。このように、Ｔｏｎ固定制御モードでは、始動直後の不安定期において、制御回路３でランプ電圧Ｖｌａ等の情報が適切に得られなくてもランプ電流Ｉｌａの不定領域を回避できる。

本Ｔｏｎ固定制御モードは制御回路３内にタイマー３５を設けて規定した数秒値経過すると次のＶｌａ−Ｉｌａ制御モードに切り替わるように制御している。

《Ｖｌａ−Ｉｌａ制御モード》
Ｖｌａ−Ｉｌａ制御モードに移行すると、スイッチング素子Ｑ４がＯＮ、スイッチング素子Ｑ５が数１０Ｋ〜数１００ＫＨｚの高周波動作（Ｔｏｎは固定しない）でＯＮ／ＯＦＦし、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ５がＯＦＦである期間Ｔａと、スイッチング素子Ｑ３がＯＮ、スイッチング素子Ｑ６が数１０Ｋ〜数１００ＫＨｚの高周波動作（Ｔｏｎは固定しない）でＯＮ／ＯＦＦし、スイッチング素子Ｑ４，Ｑ５がＯＦＦである期間Ｔｂとを設け、各期間Ｔａ，Ｔｂは数１０Ｈｚ〜数１００Ｈｚの低周波の周期で交番させるように制御回路３はスイッチング素子Ｑ３〜Ｑ６を制御する。本実施形態ではＢＣＭ動作を行っている。

以上の動作により、図１０に示すランプ電流Ｉｌａ及びランプ電圧Ｖｌａの波形を高圧放電灯ＤＬに安定的に供給し、高圧放電灯ＤＬを所望の電力で点灯させる。このモードでは制御回路３（例えばマイコン）内にあらかじめ設定されたＶｌａ−Ｉｌａテーブル（もしくはＶｌａ−Ｗｌａテーブル）により、検出されたＶｌａに応じた所望のＩｌａ（もしくはＷｌａ）を流せるようなスイッチングを行わせる信号を出す。

高圧放電灯ＤＬは、始動直後はランプ両端電圧が低く、発光管内部が高温・高圧になるにつれてランプ両端電圧が上昇し、定格値に至り、安定点灯状態になる。Ｖｌａ−Ｉｌａ制御モードでは、出力検出部１５ａにより高圧放電灯ＤＬの状態を検出し、高圧放電灯ＤＬの両端電圧に応じて、スイッチング素子Ｑ５、Ｑ６のＯＮ期間を適正に制御することにより、適正な電力が高圧放電灯ＤＬに供給されるように制御し、高圧放電灯ＤＬを安定点灯させる。

（実施形態７）
本発明の高圧放電灯点灯装置を用いた照明器具の構成を図１１に示す。図中、ＤＬは高圧放電灯、１６は点灯装置の回路を格納した安定器、１７は高圧放電灯ＤＬを装着した灯体、１８は配線である。これらの照明器具を複数組み合わせて照明システムを構築しても良い。図１１（ａ）、（ｂ）はそれぞれスポットライトに高圧放電灯を用いた例、（ｃ）はダウンライトに高圧放電灯を用いた例である。

これらの点灯装置として前述の高圧放電灯点灯装置を用いて実現することで立ち消えなく毎回確実に高圧放電灯を安定点灯させることが可能な照明器具を提供することができる。また、これらの照明器具を複数台組み合わせて照明システムを構成しても構わない。

ＤＬ 高圧放電灯
１１ 昇圧チョッパ回路
１２ 降圧チョッパ回路
３ 制御回路

Claims (9)

1. 直流電源と、
   直流電源の出力電圧を入力とし、少なくともインダクタ、ダイオード、スイッチング素子を含み、負荷として接続される高圧放電灯に必要な電力に変換し、高圧放電灯を安定点灯させる電力変換回路と、
   前記電力変換回路を制御する制御回路から構成される高圧放電灯点灯装置において、
   高圧放電灯の絶縁破壊直後から所定期間の間、前記電力変換回路のスイッチング素子によるスイッチングオン時間を所定のオン時間に固定することでランプ電流を制御することを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
2. 請求項１において、前記オン時間は、前記電力変換回路から高圧放電灯に出力される電力が高圧放電灯のランプ電圧の変動に関わらず定格電力以下となるように設定されることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
3. 請求項２において、前記オン時間は、前記電力変換回路が高圧放電灯の始動立ち上がり時に必要な押し込み電流以上を供給できるように設定されることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、前記所定期間とは、高圧放電灯のランプ電圧が始動直後よりも高く安定点灯時よりも低い所定の電圧になるまでの期間であることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、前記電力変換回路とは降圧チョッパ回路であることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
6. 請求項５において、前記降圧チョッパ回路のスイッチング動作は、前記降圧チョッパ回路のインダクタの回生電流がゼロになったときにスイッチング素子をオンさせるゼロクロス制御であることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
7. 請求項１〜６のいずれかにおいて、所定期間以降は、高圧放電灯の状態に応じて、高圧放電灯のランプ電流があらかじめ設定された電流目標値となるように前記オン時間を制御することを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の高圧放電灯点灯装置を具備したことを特徴とする照明器具。
9. 請求項８記載の高圧放電灯点灯装置を具備した照明器具を含んで構成されることを特徴とする照明システム。

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