JP2012146475A - 放電ランプ点灯装置及びそれを用いた照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放電ランプ点灯装置において、ＰＦＣ回路での昇圧動作を適正化して、始動時に必要な出力電圧を確保しつつも安定点灯時の点灯装置の効率を向上する。
【解決手段】本発明の高圧放電ランプ点灯装置は、入力電圧を昇圧する昇圧回路、昇圧回路の出力から放電ランプに投入する電力を調整して出力する電力調整回路、電力調整回路の出力を交流変換する交流変換回路、電力調整回路及び交流変換回路を制御する制御回路、並びに放電ランプの点灯状態を検出する検出部を備え、制御回路が、検出部によって検出された点灯状態に基づいて昇圧回路の出力電圧を制御するように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は放電ランプの点灯装置及びそれを用いた照明装置に関する。

水銀ランプやメタルハライドランプなどのＨＩＤランプに代表される放電ランプ（以下、「ランプ」という）の点灯装置は、一般に、ＡＣ入力電圧を整流する整流回路、整流されたＡＣ入力電圧を昇圧する昇圧回路、昇圧回路の出力から放電ランプに投入する電力を調整して出力する電力調整回路（降圧チョッパ回路）、電力調整回路の出力を交流変換する交流変換回路、放電ランプを始動させる始動回路、並びに電力調整回路及び交流変換回路を制御する制御回路を備える（例えば、特許文献１）。

昇圧回路は一般に昇圧回路で構成される力率改善回路（ＰＦＣ回路）を兼ねており、ＡＣ入力電圧の脈流に同期してスイッチング幅が制御され、力率改善及び高調波低減が行われる。ＰＦＣ回路による出力電圧は、負荷の電圧（即ち、ランプ電圧）に関係なく、ＰＦＣ回路として制御可能な最低電圧Ｖ０＝√２・Ｖｉｎ＋１０〔Ｖ〕程度以上の電圧に固定される。なお、ＶｉｎはＡＣ入力電圧の実効値である。通常、ランプ始動時には、始動電圧としてランプに高い電圧を印加する必要があるため、ＰＦＣ回路の出力電圧は上記最低電圧Ｖ０より大きな値に設定される。

特開２００６−１４０１４８号公報

通常、ランプが点灯して安定点灯状態となった場合、ランプ両端の電圧Ｖ３は、始動時に必要な電圧Ｖ２の半分以下の電圧となる場合が多い。ここで、ＰＦＣ回路の出力電圧を始動時に必要な電圧Ｖ２に固定した場合、安定点灯時において、入力電圧ＶｉｎをＰＦＣ回路においてＶ２に昇圧し、それを電力調整回路でＶ３に降圧することになる。従って、ＰＦＣ回路での必要以上の昇圧動作による損失が発生するとともに、電力調整回路での大幅な降圧動作による損失が発生することになる。この２箇所での損失によって点灯装置全体の効率が低下してしまう。

そこで、本発明は、ＰＦＣ回路での昇圧動作を適正化して、始動時に必要な出力電圧を確保しつつも安定点灯時の点灯装置の効率を向上することを目的とする。

本発明の放電ランプ点灯装置は、入力電圧を昇圧する昇圧回路、昇圧回路の出力から放電ランプに投入する電力を調整して出力する電力調整回路、電力調整回路の出力を交流変換する交流変換回路、放電ランプを始動させる始動回路、少なくとも電力調整回路及び交流変換回路を制御する制御回路、並びに放電ランプの動作状態を検出する検出部を備え、制御回路が、検出部によって検出された点灯状態に応じて昇圧回路の出力電圧を制御するように構成され、動作状態が、始動回路起動後であってランプ放電開始前の第１の期間における状態、ランプ放電開始後であって安定点灯到達前の第２の期間における状態、及び安定点灯到達後の第３の期間における状態からなり、昇圧回路の出力電圧が第１の期間よりも第３の期間において低くなるように構成される。

ここで、検出部が電力調整回路の出力電圧を検出するように構成され、上記第３の期間において、電力調整回路の出力電圧の上昇に応じて昇圧回路の出力電圧が上昇するように構成してもよい。
また、検出部が電力調整回路の出力電圧を検出するように構成され、第３の期間において、電力調整回路の出力電圧が所定値以下の場合には昇圧回路の出力電圧が一定に固定され、電力調整回路の出力電圧が所定値を超えた場合には昇圧回路の出力電圧が電力調整回路の出力電圧に対して所定値だけ高くなるように構成してもよい。
さらに、入力電圧の値（Ｖｉｎ）を検出する入力電圧検出部を備え、昇圧回路の出力電圧が√２×Ｖｉｎ＋１０［Ｖ］以上になるように構成することが望ましい。

即ち、本発明では、入力電圧を昇圧する昇圧回路、昇圧回路の出力から放電ランプに投入する電力を調整して出力する電力調整回路、電力調整回路の出力を交流変換する交流変換回路、電力調整回路及び交流変換回路を制御する制御回路、並びに放電ランプの点灯状態を検出する検出部を備えた放電ランプ点灯装置において、制御回路が、検出部によって検出された点灯状態に基づいて昇圧回路の出力電圧を制御するように構成される。

本発明はまた、上記の放電ランプ点灯装置、放電ランプ点灯装置に接続された放電ランプ、及び放電ランプが取り付けられる照明器具を備えた照明装置を提供する。

本発明の放電ランプ点灯装置のブロック図である。 本発明による放電ランプ点灯装置の制御を示す図である。 本発明の第３の実施例による放電ランプ点灯装置の制御を示す図である。 本発明の第３の実施例による放電ランプ点灯装置の制御を示す図である。 本発明の実施例による照明装置の図である。 従来例による放電ランプ点灯装置の制御を示す図である。

本発明の基本構成．
図１は、水銀ランプやメタルハライドランプなどのＨＩＤランプに代表される放電灯（以下、「ランプ」という）を点灯する本発明の放電ランプ点灯装置のブロック図である。点灯装置は、ＡＣ入力電圧を整流する整流回路５、整流回路５の出力を昇圧する昇圧回路（ＰＦＣ回路）１０、ＰＦＣ回路１０の出力からランプ６０に投入する電力を調整して出力する電力調整回路２０、電力調整回路２０の出力を交流変換する交流変換回路３０、ランプ６０を始動させる始動回路４０、及び各構成要素を制御する制御回路５０を備える。なお、図１においては、ＡＣ入力電源及び整流回路５を示しているが、入力電源がＤＣ電源である場合は、整流回路５はなくてもよい。また、整流回路５をＰＦＣ回路１０に含め、後述する入力電圧検出部１１を交流部分に設けてもよい。

ＰＦＣ回路１０は、周知の昇圧チョッパ回路等で構成され、その入力側には入力電圧検出部１１が接続され、出力側にはＰＦＣ出力電圧検出部１２が接続される。ＰＦＣ回路１０の設定出力電圧は、入力電圧検出部１１によって検出されるＡＣ入力電圧の実効値Ｖｉｎに応じて決定される。設定出力電圧はＰＦＣ回路が力率改善機能を発揮できる最低出力電圧Ｖ０以上に設定される必要がある。なお、Ｖ０＝√２・Ｖｉｎ＋１０〔Ｖ〕程度である。また、ＰＦＣ回路１０は、入力電圧検出部１１によって検出されるＡＣ入力電圧の脈流に合わせてスイッチング動作（スイッチングパルス幅）が制御され、電源高調波を低減する機能も有する。

ＰＦＣ回路１０の出力は平滑コンデンサ１３によって平滑化され、ＰＦＣ出力電圧検出部１２で検出される電圧が設定出力電圧に一致するようにＰＦＣ回路１０がフィードバック制御される。即ち、ＰＦＣ回路１０が昇圧チョッパ回路で構成される場合、昇圧チョッパ回路が入力電圧検出部１１及びＰＦＣ出力電圧検出部１２の検出値に応じて適切にＰＷＭ制御される。

電力調整回路２０は、周知の降圧チョッパ回路等で構成され、その出力側に電力調整回路出力電圧検出部２１が接続される。電力調整回路２０は、電力調整回路出力電圧検出部２１で検出される出力電圧と不図示の電流検出部で検出される出力電流の乗算値（即ち、出力電力）が設定値で一定となるように定電力制御される。なお、例えば、ランプ電圧が低い期間等においては、電力調整回路２０は、不図示の電流検出部で検出される出力電流が設定値（例えば、最大定格値）で一定となるように定電流制御されるようにすることもできる。電力調整回路２０が降圧チョッパ回路で構成される場合には、そのＰＷＭ幅が制御されて上記の定電力制御又は定電流制御が行われる。上記設定値は制御回路５０で決定される。

ここで、電力調整回路出力電圧検出部２１が検出する出力電圧は実質的にランプ電圧に対応する。従って、電力調整回路出力電圧検出部２１によって、後述するランプの動作状態を検出することができる。

交流変換回路３０は、周知のフルブリッジ回路等で構成され、一般に、電力調整回路２０の直流出力が５０〜１ｋＨｚ程度の矩形波交流電流に変換されてランプ６０に投入される。

始動回路４０は、ランプ６０の始動時に交流変換回路３０の出力電圧に高圧パルス（数ｋＶ〜十数ｋＶ）を重畳してランプ６０に印加するための周知の回路で構成される。上記高圧パルスによってランプ６０が絶縁破壊を起こし、交流変換回路３０の出力電圧によってその放電がグロー放電として維持され、その後グロー放電がアーク放電に移行する。始動回路４０はランプの放電開始後は実質的に機能しない。なお、始動回路４０は、制御回路５０によって内部の半導体スイッチが制御されて高圧パルスを発生させるものであってもよいし、それに印加される電圧に応じて高圧パルスを発生させるものであってもよい。

本発明の放電ランプ点灯装置の動作を説明するにあたり、まず従来の放電ランプ点灯装置の動作を、図５を参照して説明する。
図５に示すように、ランプの動作状態には、始動回路４０の起動後であってランプ放電開始前のランプ始動前期（第１の期間）における状態、ランプ放電開始後であってランプ電圧が一定となる前のランプ始動期（第２の期間）における状態、及びランプ電圧が一定となった安定点灯到達後のランプ安定点灯期（第３の期間）における状態からなる。

図５において、ＰＦＣ回路出力電圧Ｖ１（実線）はランプ始動に必要な電圧Ｖ２に固定される。ランプ始動電圧Ｖ２は、後述するように例えば３００Ｖ〜４５０Ｖ程度が想定される。電力調整回路２０は電力調整回路出力電圧Ｖ３（破線）としてランプ電圧に略等しい電圧を出力するよう制御される。ランプ始動前期（ランプ放電開始前）は無負荷状態であるから、電力調整回路出力電圧Ｖ３はランプ始動電圧Ｖ２に等しい。その後ランプの放電が開始されてランプ始動期に入ると、ランプ電圧は数十Ｖ程度まで低下してから徐々に上昇し、安定していくので、電力調整回路出力電圧Ｖ３もその電圧上昇に対応して制御される。ランプ安定点灯期に入ると、電力調整回路出力電圧Ｖ３はランプ安定電圧Ｖ４に略等しくなる。即ち、ランプ安定点灯期では、ＰＦＣ回路１０は入力電圧Ｖｉｎをランプ始動電圧Ｖ２に昇圧し、ＰＦＣ回路出力電圧Ｖ１として出力する。電力調整回路２０はＰＦＣ回路出力電圧Ｖ１をランプ安定電圧Ｖ４に降下し、電力調整回路出力電圧Ｖ３として出力する。ランプ安定電圧Ｖ４は、ランプの種類によって異なるが、約６０〜２５０Ｖ程度が想定される。

このように従来の制御では、ＰＦＣ回路出力電圧Ｖ１は常にランプ始動電圧Ｖ２に固定されているため、ランプ安定点灯期では、電力調整回路２０においてΔＶ＝Ｖ２−Ｖ４の電圧を降下させていることになる。ＰＦＣ回路１０の入力側から見ると、この電圧差ΔＶ（数十〜数百Ｖ）をＰＦＣ回路１０で余計に昇圧してから電力調整回路２０でまた降下させることになるため、ＰＦＣ回路１０と電力調整回路２０でそれぞれ不要な損失が発生していることになる。本実施例では、このランプ安定点灯期における電圧差ΔＶを小さくして上記の２箇所での回路損失を低減するものである。

図２に本発明による放電ランプ点灯装置の動作例を示す。図５に示した従来例と同様に、電力調整回路２０は電力調整回路出力電圧Ｖ３（破線）としてランプ電圧に略等しい電圧を出力するよう制御される。即ち、ランプ始動前期（ランプ放電開始前）は、電力調整回路出力電圧Ｖ３はランプ始動電圧Ｖ２に等しい。その後ランプの放電が開始されてランプ始動期に入ると、ランプ電圧は数十Ｖ程度まで低下してから徐々に上昇し、安定していくので、電力調整回路出力電圧Ｖ３もその電圧上昇に対応して制御される。ランプ安定点灯期に入ると、電力調整回路出力電圧Ｖ３はランプ安定電圧Ｖ４に略等しくなる。

図２に示す本発明は、図５に示した従来例とはＰＦＣ回路１０の動作が異なる。ＰＦＣ回路出力電圧Ｖ１（実線）は、ランプ始動前期及びランプ始動期においてはランプ始動電圧Ｖ２に固定されるが、ランプ安定点灯期においてはＶ４＋αに低減される（α＜ΔＶ）。即ち、ランプ安定点灯期では、ＰＦＣ回路１０は入力電圧Ｖｉｎを出力電圧Ｖ４＋αに昇圧し、電力調整回路２０は入力電圧Ｖ４＋αを出力電圧Ｖ４に降下する。

このように、ランプ安定点灯期において、電力調整回路２０は電圧αだけを降下させることになる。ＰＦＣ回路１０の入力側から見ると、ＰＦＣ回路１０ではＶｉｎをＶ４＋αだけ昇圧して、電力調整回路２０ではαだけを降圧すればよいので、従来例（図５）に比べてＰＦＣ回路１０及び電力調整回路２０それぞれの損失を低減することができる。
従って、本発明によると、ＰＦＣ回路１０での昇圧動作を適正化して、始動時に必要な出力電圧を確保しつつも安定点灯時の点灯装置の効率を向上することができる。

上記の基本構成に基づいて、以下に実施例を示す。
本発明の第１の実施例では、上記の基本構成をＡＣ１００Ｖ入力時（Ｖｉｎ＝１００〔Ｖ〕）における一般的なメタルハライドランプの制御に適用する。
図２で示した動作において、ランプ始動電圧Ｖ２は約３００Ｖであり、ランプ安定点灯期のＰＦＣ回路出力電圧Ｖ１は√２Ｖｉｎ＋１０〔Ｖ〕以上である約１７０Ｖとする。本実施例では、ランプ安定点灯期において、従来例の動作と比べて１３０Ｖ（＝３００Ｖ−１７０Ｖ）に対応する分だけＰＦＣ回路１０での昇圧動作及び電力調整回路２０での降圧動作に伴う回路損失を低減できることになる。

本発明の第２の実施例では、上記の基本構成をＡＣ２００Ｖ入力時（Ｖｉｎ＝２００〔Ｖ〕）における一般的な産業用ＵＶランプ点灯装置の制御に適用する。
図２で示した動作において、ランプ始動電圧Ｖ２は約４５０Ｖであり、ランプ安定点灯期のＰＦＣ回路出力電圧Ｖ１は√２Ｖｉｎ＋１０〔Ｖ〕以上である約３００Ｖとする（なお、産業用ＵＶランプのランプ安定電圧Ｖ４は２５０Ｖ程度である）。本実施例では、ランプ安定点灯期において、従来例の動作と比べて、１５０Ｖ（＝４５０Ｖ−３００Ｖ）に対応する分だけＰＦＣ回路１０での昇圧動作及び電力調整回路２０での降圧動作に伴う回路損失を低減できることになる。特に、ランプ電力の大きい（数ｋＷ程度の）産業用ＵＶランプにおいては、この回路損失低減の効果が大きい。

なお、ＰＦＣ回路出力電圧Ｖ１と電力調整回路出力電圧Ｖ３の差の下限は、その後段の電力調整回路２０の駆動回路が発生させることができる最大Ｏｎ−Ｄｕｔｙによって決まる（本実施例では、最大Ｏｎ−Ｄｕｔｙは約８３％である）。従って、最大Ｏｎ−Ｄｕｔｙが大きな駆動回路（ドライバＩＣ素子）を使用することにより、ＰＦＣ回路出力電圧Ｖ１と電力調整回路出力電圧Ｖ３の差を小さくすることができ、即ち、電圧Ｖ３に対して電圧Ｖ１を低くすることができ、さらに効率上昇効果を高めることができる。

本発明の第３の実施例では、上記の基本構成を超高圧水銀ランプの点灯装置及びメタルハライドランプの点灯装置の制御に適用する。超高圧水銀ランプ及びメタルハライドランプは、その特性上、ランプ寿命が進むにつれてランプ安定電圧Ｖ４が上昇し、それに伴い電力調整回路出力電圧Ｖ３も上昇する。そこで、電力調整回路出力電圧Ｖ３がＰＦＣ回路出力電圧Ｖ１に近づくと、電力調整回路２０（降圧チョッパ回路の場合）が最大Ｏｎ−Ｄｕｔｙで駆動されてもランプ点灯を維持することができなくなる場合がある。そのため、ランプ安定電圧Ｖ４（電力調整回路出力電圧Ｖ３）の上昇に伴い、ＰＦＣ回路出力電圧Ｖ１を上昇させる必要がある。言い換えると、ＰＦＣ回路出力電圧Ｖ１をランプ電圧（≒電力調整回路出力電圧Ｖ３）に応じて上昇させて、α＝Ｖ１−Ｖ３を所定値以上に維持することが望ましい。

例えば、図３Ａに示すように、寿命早期においては（長期的視点において）一定としていた安定点灯期のＰＦＣ回路出力電圧Ｖ１を、寿命の所定時点（Ｌ１）から電力調整回路出力電圧Ｖ３（ランプ安定電圧Ｖ４）に追従して上昇させるようにしてもよい。即ち、電力調整回路出力電圧Ｖ３が閾値Ｖ_ｔｈ（例えば、１４５Ｖ程度）以下の場合にはＰＦＣ回路出力電圧Ｖ１が一定値に固定され、電力調整回路出力電圧Ｖ３が閾値Ｖ_ｔｈを超えた場合にはＰＦＣ回路出力電圧Ｖ１が電力調整回路出力電圧Ｖ３に対して所定値（例えば、３５Ｖ程度）だけ高くなるようにしてもよい。なお、ランプ電圧は上述したように電力調整回路出力電圧検出部２１によって検出できる。

また、図３Ｂに示すように、寿命が進むにつれてランプ安定点灯期のＰＦＣ回路出力電圧Ｖ１を段階的に上昇させるようにしてもよい。例えば、電力調整回路出力電圧Ｖ３が閾値Ｖ_ｔｈを超えた場合にはＰＦＣ回路出力電圧Ｖ１が所定値（例えば、３５Ｖ程度）上昇するようにしてもよい。なお、図３ＢにおいてはＰＦＣ回路出力電圧Ｖ１の上昇を１段としているが、これを複数段としてもよい。

本実施例により、電力損失の低減を行いながらも、ランプ寿命末期でも確実に点灯維持を行うことができる。

図４に、本発明の第４の実施例として、上述の放電ランプ点灯装置を用いた照明装置を示す。図の照明装置はランプ６０及びそれが取り付けられる照明器具７０並びに上述の放電ランプ点灯装置８０からなり、放電ランプ点ランプ装置８０からの出力線がランプ６０の電極に接続されている。なお、図は実施例を模擬的に図示したものであり、寸法、配置などは図面通りではない。
本実施例によれば、省エネで高効率の照明装置を得ることができる。

上記に本発明の最も好適な実施例を示したが、本発明は以下のように変形可能である。
（１）上記実施例では、昇圧回路１０として一般的なＰＦＣ回路１０を示したが、昇圧回路１０は、一般的なＰＦＣ回路に限らず、入力電流波形を整形するとともに入力電圧に対し出力電圧を昇圧させることができる回路であれば、他の構成の回路であってもよい。

（２）上記実施例では、入力電源としてＡＣ電源を用いたが、入力電源がＤＣ電源である場合にも本発明を適用できる。直流入力の場合、昇圧回路１０には力率改善機能や高調波低減機能はなくてもよい。

（３）上記実施例では、電力調整回路及び交流変換回路が独立した降圧チョッパ回路及びフルブリッジ回路からなる構成を示したが、電力調整回路が交流変換回路と一体化した回路構成（ハーフブリッジ、プッシュプル等）を用いる場合でも、本発明の昇圧回路の構成をその前段に適用できる。

（４）上記実施例では、ＰＦＣ回路出力電圧Ｖ１の降下をランプ安定点灯期に行うものと示したが、ランプ始動期に行うことも可能である。但し、ランプ始動期（一般に、ランプ電圧が低く、定電流制御が行われる期間）においてはランプ電流値が高くなるため、電力調整回路２０における電流に起因する損失を考慮する必要がある。

（５）上記実施例３では、ランプ電圧の上昇に伴いＰＦＣ回路出力電圧Ｖ１を上昇させるものを示したが、ランプ電極先端における突起の成長等によりランプ電圧が減少した場合には、ランプ電圧の減少に伴いＰＦＣ回路出力電圧Ｖ１を減少させるようにしてもよい。但し、この場合もＰＦＣ回路出力電圧Ｖ１を√２Ｖｉｎ＋１０〔Ｖ〕以上とする必要がある。

１０．ＰＦＣ回路（昇圧回路）
１１．入力電圧検出部
１２．ＰＦＣ出力電圧検出部
１３．平滑コンデンサ
２０．電力調整回路
２１．電力調整回路出力電圧検出部
３０．交流変換回路
４０．始動回路
５０．制御回路
６０．放電ランプ
７０．照明器具
８０．放電ランプ点灯装置

Claims (6)

1. 入力電圧を昇圧する昇圧回路、該昇圧回路の出力から放電ランプに投入する電力を調整して出力する電力調整回路、該電力調整回路の出力を交流変換する交流変換回路、前記放電ランプを始動させる始動回路、少なくとも前記電力調整回路及び前記交流変換回路を制御する制御回路、並びに前記放電ランプの動作状態を検出する検出部を備えた放電ランプ点灯装置であって、
   前記制御回路が、前記検出部によって検出された点灯状態に応じて前記昇圧回路の出力電圧を制御するように構成され、
   前記動作状態が、前記始動回路起動後であってランプ放電開始前の第１の期間における状態、該ランプ放電開始後であって安定点灯到達前の第２の期間における状態、及び該安定点灯到達後の第３の期間における状態からなり、
   前記昇圧回路の出力電圧が前記第１の期間よりも前記第３の期間において低くなるように構成された放電ランプ点灯装置。
2. 請求項１の放電ランプ点灯装置において、前記検出部が前記電力調整回路の出力電圧を検出するように構成され、前記第３の期間において、前記電力調整回路の出力電圧の上昇に応じて前記昇圧回路の出力電圧が上昇するように構成された放電ランプ点灯装置。
3. 請求項２の放電ランプ点灯装置において、前記第３の期間において、前記電力調整回路の出力電圧が所定値以下の場合には前記昇圧回路の出力電圧が一定に固定され、前記電力調整回路の出力電圧が所定値を超えた場合には前記昇圧回路の出力電圧が前記電力調整回路の出力電圧に対して所定値だけ高くなるように構成された放電ランプ点灯装置。
4. 請求項１の放電ランプ点灯装置であって、さらに、前記入力電圧の値（Ｖｉｎ）を検出する入力電圧検出部を備え、
   前記昇圧回路の出力電圧が√２×Ｖｉｎ＋１０［Ｖ］以上になるように構成された放電ランプ点灯装置。
5. 入力電圧を昇圧する昇圧回路、該昇圧回路の出力から放電ランプに投入する電力を調整して出力する電力調整回路、該電力調整回路の出力を交流変換する交流変換回路、前記電力調整回路及び前記交流変換回路を制御する制御回路、並びに前記放電ランプの点灯状態を検出する検出部を備えた放電ランプ点灯装置であって、
   前記制御回路が、前記検出部によって検出された点灯状態に基づいて前記昇圧回路の出力電圧を制御するように構成された放電ランプ点灯装置。
6. 請求項１から５いずれか一項に記載の放電ランプ点灯装置、該放電ランプ点灯装置に接続された前記放電ランプ、及び該放電ランプが取り付けられる照明器具を備えた照明装置。

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