JP2012529738A

JP2012529738A - パルス電圧を生成する方法及び回路配置

Info

Publication number: JP2012529738A
Application number: JP2012514575A
Authority: JP
Inventors: ディン，アン
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2009-06-11
Filing date: 2010-06-08
Publication date: 2012-11-22
Also published as: US20120074864A1; CN102460929A; EP2441164A1; WO2010143125A1

Abstract

本発明は、ＤＢＤランプ等の負荷を駆動するようＤＣ電源からのＤＣ電圧をパルス電圧に変換する回路配置を提案する。回路配置は、一次巻線及び二次巻線を有する変圧器と、第１の制御可能スイッチブランチと、第２の制御可能スイッチブランチと、制御ユニットとを有する。制御ユニットは、第１及び第２の制御可能スイッチブランチが交互にオンされるよう制御し、それにより、ＤＣ電源からのエネルギの少なくとも一部が第１及び第２の制御可能スイッチブランチの夫々のターンオン期間の間に一次巻線に蓄えられるようにし、且つ、２つの隣接するターンオン期間の間にアイドル期間を残し、それにより、蓄えられたエネルギの少なくとも一部が二次巻線へ移動されて、１つのアイドル期間の間に正パルス電圧を、次のアイドル期間の間に負パルス電圧を交互に生成するようにする。

Description

本発明は、パルス電圧を生成する回路配置及び方法に係り、より具体的には、誘電体バリア放電ランプの動作のためにＤＣ電源からパルス電圧を生成する回路配置及び方法に係る。

少なくとも１つの電極と放電媒質との間に配置される誘電体レイヤを有する放電管内で発生する放電は、無音放電、静穏放電、誘電的に損なわれた放電、又は誘電体バリア放電（ＤＢＤとも呼ばれる。）として知られている。放電管内の放電媒質としてのキセノンのような希ガス充填によるこの種の放電は、ある特別な照明用途のための興味深い候補である。１つの用途は、真空紫外（ＶＵＶとも呼ばれる。）光の生成のためにＤＢＤランプとして幅広く使用される。ＤＢＤランプの特別な利点には、加熱フェーズによらない即座の光生成、一定の光出力及び色温度、無水銀、長寿命等がある。

ＤＢＤランプは、連続励振又はパルス励振により動作可能である。ガス圧変更に関連したパルス運転は、ランプの有意により高い発光効率をもたらすことが示されている。高効率ＤＢＤランプに関し、パルス運転が望まれる一方、ＶＵＶ光への電力の変換の効率が主要目的でない用途においては連続励振が通常は用いられる。低電力範囲において高電圧パルスを生成するための伝統的且つ幅広く使用されるトポロジはフライバック型コンバータであり、これは、変圧器の一次巻線にエネルギを蓄え、一次電流がオフされると、蓄えられたエネルギを変圧器の二次巻線を介してランプへ供給する。しかし、既存のフライバック型コンバータは、最適な放電を与えない単極スキームに基づく。

本発明の目的は、例えば放電ランプを動作させるために、ＤＣ電源からのＤＣ電圧をパルス電圧に変換することができる回路配置を提案することである。

本発明の更なる目的は、ＤＣ電源からのＤＣ電圧をパルス電圧に変換する方法を提案することである。

一態様に従って、本発明は、例えば誘電体バリア放電ランプ（ここでは、ＤＢＤランプと呼ぶ。）等の負荷を動作させ又は駆動するよう、ＤＣ電源からのＤＣ電圧をパルス電圧に変換する回路配置を提案する。当該回路配置は、変圧器、第１の制御可能スイッチブランチ、第２の制御可能スイッチブランチ及び制御ユニットを有する。前記変圧器は、一次巻線及び二次巻線を有する。前記一次巻線は、センタタップ、第１の端子及び第２の端子を有する。一実施形態において、前記センタタップは前記ＤＣ電源の正極へ接続され、前記二次巻線は負荷へ接続されるよう意図される。前記第１の制御可能スイッチブランチは、前記一次巻線の前記第１の端子と前記ＤＣ電源の負極との間に結合される。前記第２の制御可能スイッチブランチは、前記一次巻線の前記第２の端子と前記ＤＣ電源の前記負極との間に結合される。前記制御ユニットは：
前記ＤＣ電源によって前記一次巻線を充電するよう第１の時間期間に前記第１の制御可能スイッチブランチをオンし；
前記一次巻線に蓄えられているエネルギを前記二次巻線へ移して該二次巻線によって第１のパルス電圧を生成するよう第２の時間期間に前記第１の制御可能スイッチブランチをオフし；
前記ＤＣ電源によって前記一次巻線を充電するよう第３の時間期間に前記第２の制御可能スイッチブランチをオンし；且つ
前記一次巻線に蓄えられているエネルギを前記二次巻線へ移して該二次巻線によって前記第１のパルス電圧と極性が逆の第２のパルス電圧を生成するよう第４の時間期間に前記第２の制御可能スイッチブランチをオフする
ように前記第１の制御可能スイッチブランチ及び前記第２の制御可能スイッチブランチを制御するよう構成される。

当該回路配置は、ＤＣ電源からのＤＣ電圧を単極パルス電圧に変換することができる。当該回路配置が一サイクルごとに動作する場合に、双極パルス電圧シーケンスが前記二次巻線で生成される。

前記変圧器の低電圧側にある２つのスイッチブランチによれば、トポロジは、例えば単純な構造、低コスト及び低入力電圧に適する等の、従来のフライバック型コンバータの利点のほぼ全てを有する。更に、双極パルス電圧は高いｄＶ／ｄｔを特徴とし、負電圧パルスは、双極パルス電圧シーケンスがＤＢＤランプを動作させるために使用される場合に、最適な放電を与える。

本発明の他の態様に従って、回路配置を用いることによってＤＣ電源からのＤＣ電圧をパルス電圧に変換する方法が提案される。前記回路配置は、変圧器、第１の制御可能スイッチブランチ及び第２の制御可能スイッチブランチを有する。前記変圧器は、ＤＣ電源の正極へ接続されたセンタタップを備える一次巻線と、二次巻線とを有する。前記第１の制御可能スイッチブランチは、前記一次巻線の第１の端子と前記ＤＣ電源の負極との間に結合される。前記第２の制御可能スイッチブランチは、前記一次巻線の第２の端子と前記ＤＣ電源の前記負極との間に結合される。当該方法は：
前記ＤＣ電源によって前記一次巻線を充電するよう第１の時間期間に前記第１の制御可能スイッチブランチをオンするステップ；
前記一次巻線に蓄えられているエネルギを前記二次巻線へ移して該二次巻線によって第１のパルス電圧を生成するよう第２の時間期間に前記第１の制御可能スイッチブランチをオフするステップ；
前記ＤＣ電源によって前記一次巻線を充電するよう第３の時間期間に前記第２の制御可能スイッチブランチをオンするステップ；及び
前記一次巻線に蓄えられているエネルギを前記二次巻線へ移して該二次巻線によって前記第１のパルス電圧と極性が逆の第２のパルス電圧を生成するよう第４の時間期間に前記第２の制御可能スイッチブランチをオフするステップ
を有する。

上記のステップが繰り返される場合に、複数の前記第１及び第２のパルス電圧によって形成される双極パルス電圧シーケンスが実現される。

本発明の実施例に従う回路配置の概略図である。本発明に従う回路配置の例のスイッチ駆動信号及びパルス出力電圧の概略図である。本発明に従う１つの動作状態にある回路配置の例の概略図である。本発明に従う他の動作状態にある回路配置の例の概略図である。

本発明の上記及び他の目的及び特徴は、添付の図面を参照して様々な実施例に係る以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

図１は、本発明に従う例となる回路配置１００の概略図である。回路配置１００は、放電ランプＬの動作のために、ＤＣ電源ＰからのＤＣ電圧Ｖｉｎをパルス電圧Ｖｏｕｔに変換するよう設計されている。放電ランプＬは、紫外光を生成するように誘電体バリア放電のために設計され、一般的に、ランプ管内では少なくとも１つの電極と放電媒質との間に配置される誘電体レイヤが存在する。放電ランプＬの実際の設計は、本発明の実施例に従う回路配置１００又は方法の理解にとって決定的ではない。

回路配置１００は、一次巻線Ｗ１及び二次巻線Ｗ２を有する変圧器Ｔを有する。一次巻線Ｗ１は、センタタップＡ、第１の端子Ｂ及び第２の端子Ｃを有する。結果として、１つのサブ巻線Ｗ１１はセンタタップＡと第１の端子Ｂとの間に形成され、第２のサブ巻線Ｗ１２はセンタタップＡと第２の端子Ｃとの間に形成される。センタタップＡはＤＣ電源Ｐの正極へ接続され、二次巻線Ｗ２は放電ランプＬの電極へ接続される。

回路配置１００は、第１の制御可能スイッチブランチ１０及び第２の制御可能スイッチブランチ２０を更に有する。第１の制御可能スイッチブランチ１０は、一次巻線Ｗ１の第１の端子ＢとＤＣ電源Ｐの負極との間に結合され、一方、第２の制御可能スイッチブランチ２０は、一次巻線Ｗ１の第２の端子ＣとＤＣ電源Ｐの負極との間に結合される。図１に図示されるように、第１の制御可能スイッチブランチ１０は、直列に接続された第１のスイッチＳ１及び第１のダイオードＤ１を有する。第２の制御可能スイッチブランチ２０は、直列に接続された第２のスイッチＳ２及び第２のダイオードＤ２を有する。実施形態において、第１のスイッチＳ１及び第２のスイッチＳ２は、個々に、逆寄生ダイオードを有する。例えば、スイッチがＭＯＳＦＥＴとして選択される場合に、第１のダイオードＤ１及び第２のダイオードＤ２は、夫々、自身の逆寄生ダイオードにより第１のスイッチＳ１及び第２のスイッチＳ２をオンさせる負電圧を回避するために、必須である。他の実施形態においては、第１のスイッチＳ１及び第２のスイッチＳ２は、例えばスイッチがソリッドステートリレーとして選択される場合に、負電圧を許容することができ、第１のダイオードＤ１及び第２のダイオードＤ２は必要とされない。

回路配置１００は、第１の制御ユニット１１及び第２の制御ユニット２１を更に有する。第１の制御ユニット１１は、例えば第１のスイッチ駆動信号を生成することにより、第１のスイッチＳ１がオン又はオフされるように制御するよう構成される。第２の制御ユニット２１は、例えば第２のスイッチ駆動信号を生成することにより、第２のスイッチＳ２がオン又はオフされるように制御するよう構成される。代替的に、制御ユニット１１及び第２の制御ユニット２１は、同じ機能を実施するよう１つの制御ユニットとして結合されてよい。

図２は、回路配置１００の第１及び第２のスイッチ駆動信号並びにパルス出力電圧の概略図である。回路配置１００の動作デューティサイクルは、２つのスイッチＳ１及びＳ２の夫々が１度にオン及びオフし、一方、１つの正電圧パルス及び１つの負電圧パルスが、２つのスイッチＳ１及びＳ２がオフしている期間中に、交互に生成されるように、定義される。回路配置１００の動作原理を明りょうにするために、所与のデューティサイクルに係る回路配置１００の等価回路の展開は、後述されるように、４つの状態に分けられる。

時間ｔ０からｔ１までの第１の期間Ｔ１の間、第１の制御ユニット１１は、第１のスイッチＳ１がオンされるよう制御するために、第１のスイッチ駆動信号Ｖｓ１を生成し、一方、第２のスイッチＳ２はオフされる。この第１の状態における回路配置１００の等価回路が図３に示されている。第１のダイオードＤ１は、ＤＣ電源Ｐ及びセンタタップＡと第１の端子Ｂとの間の第１のサブ巻線Ｗ１１が閉ループを形成するように導通する。第１の端子Ｂでの電圧は零ボルトであると見なされ、一方、センタタップＡでの電圧はＶｉｎに等しいと見なされる。第１のサブ巻線Ｗ１１は充電され、ＤＣ電源Ｐからエネルギを得る。

時間ｔ１からｔ２までの第２の期間Ｔ２の間、第１のスイッチＳ１及び第２のスイッチＳ２は両方ともオフされる。この第２の状態における回路配置１００の等価回路が図４に示されている。第１のサブ巻線Ｗ１１の励振電流は、第１のスイッチＳ１の寄生キャパシタンスＣ１を充電し始める。同時に、変圧器Ｔの一次巻線Ｗ１に蓄えられているエネルギの少なくとも一部は、二次巻線Ｗ２へ移動される。結果として、変圧器Ｔの二次巻線Ｗ２は誘導電流を実現し、例えばおよそ正弦波の半周期を有し且つ正極性を有する第１の電圧パルス、すなわち誘電電圧が、二次巻線Ｗ２の２つの出力端子において生成される。第１の電圧パルスは、放電媒質にランプ管内で放電させる。励振電流が零に低下すると、第１の電圧パルスはピーク値に達し、次いで減少し始める。第１の電圧パルスがほぼ零になると、第２の状態は終了する。

第２の状態において、第１の端子Ｂは正になり、一方、第２の端子Ｃでの電圧は負になる。第２のスイッチＳ２が逆寄生ダイオード（図示せず。）を有する場合に、この逆寄生ダイオードは導通する。この状況において、たとえ第２のスイッチＳ２がオフされるとしても、閉ループは逆寄生ダイオードによっても形成され得、第２の端子Ｃでの電圧がむしろ低い値にクランプされることを引き起こす。これは、第１のサブ巻線Ｗ１１の誘導電圧をむしろ高いレベルに達するよう制限する。更に、二次巻線Ｗ２の２つの出力端子において生成される誘導電圧は、然るべく低レベルでありうる。第２のダイオードＤ２により、かかる閉ループは逆寄生ダイオードによって形成され得ない。従って、第１のサブ巻線Ｗ１１の誘導電圧は数百ボルトに達することができ、従って、第１の電圧パルスのピーク値は、ランプＬの点灯要件を満足するよう、数千ボルトに達することができる。

時間ｔ２からｔ３までの第３の期間Ｔ３の間、第２の制御ユニット２１は、第２のスイッチＳ２がオンされるよう制御するために、第２のスイッチ駆動信号Ｖｓ２を生成し、一方、第１のスイッチＳ１はオフされる。サブ巻線Ｗ１２は充電され、ＤＣ電源Ｐからエネルギを得る。

時間ｔ３からｔ４までの第４の期間Ｔ４の間、第１のスイッチＳ１及び第２のスイッチＳ２は両方ともオフされる。第１の電圧パルスに対して極性が逆である、すなわち負極性を有する第２の電圧パルスが、二次巻線Ｗ２の２つの出力端子において生成される、すなわち二次巻線において生成される。

第３及び第４の状態は、厳密に第１及び第２の状態の反対であり、故に、詳細な説明は繰り返されない。

回路配置１００が複数のサイクルについて動作する場合に、複数の第１の電圧パルス及び第２の電圧パルスによって形成されるパルス電圧シーケンスが実現され得る。結果として、第１の制御可能スイッチブランチ１０及び第２の制御可能スイッチブランチ２０は交互にオンされ、それにより、ＤＣ電源Ｐからのエネルギの少なくも一部は、一次巻線Ｗ１において蓄えられ、第１の制御可能スイッチブランチ１０及び第２の制御可能スイッチブランチ２０の２つの隣接するターンオン期間の間のアイドル期間Ｔ２及びＴ４の夫々の間に、蓄えられたエネルギの少なくとも一部は、電圧パルスを生成するよう二次巻線Ｗ２へ移動される。従って、双極パルス電圧シーケンスは二次巻線Ｗ２において生成される。

代替的に述べられるように、第１のスイッチ駆動信号及び第２のスイッチ駆動信号は、略１８０度の位相差を有して略等しいスイッチング期間を有する。すなわち、Ｔ１はＴ３に略等しい。代替的に、Ｔ２はＴ４に略等しい。アイドル時間Ｔ２及びＴ４は、変圧器Ｔの寄生キャパシタンス及び励振インダクタンス並びにランプ固有のキャパシタンスによって形成される発振回路の発振周期によって決定される。発振周期はアイドル時間の２倍に略等しく、すなわち、第２の期間Ｔ２は第４の期間Ｔ４に略等しく、発振周期の半分に略等しい。２つのスイッチＳ１及びＳ２の対称な駆動により、変圧器Ｔは内在的に電圧平衡にされる。

通常、ＤＣ電圧Ｖｉｎは約数十ボルト、例えば１２ボルトであり、パルス電圧Ｖｏｕｔのピーク値は数キロボルト、例えば５キロボルトであってよい。Ｔ１（又はＴ３）及びＴ２（又はＴ４）の値はマイクロ秒範囲にあり、通常、Ｔ２（又はＴ４）は、Ｔ１（又はＴ３）よりも著しく短い。従って、双極パルス電圧シーケンスは高いｄＶ／ｄｔを特徴とする。ＤＢＤランプに関し、パルス電圧のそのような高い立ち上がりレートは、高い光出力効率を達成するという利点をもたらす。

文脈中、語「略（approximately）」は、２又はそれ以上の態様の間で比較が行われる場合に許容差が存在してよいことを意味し、かかる許容差は、対象の関連する技術分野において受け入れられる。

上記の実施形態は本発明の実施例に過ぎない。開示される実施形態に係る他の変形は、図面、本開示及び添付の特許請求の範囲から、請求される発明を実施する際に当業者によって理解されて達成され得る。そのような変形も本発明の適用範囲内にあると考えられるべきである。特許請求の範囲及び明細書において、語「有する（comprise）」及びその活用形の使用は他の要素又はステップを除かず、冠詞「１つの（a又はan）」は複数個を除かない。

Claims

ＤＣ電源からのＤＣ電圧をパルス電圧に変換する回路配置であって：
一次巻線及び二次巻線を有し、前記一次巻線がセンタタップ、第１の端子及び第２の端子を有し、前記センタタップが前記ＤＣ電源の正極へ接続され、前記二次巻線が負荷へ接続される変圧器；
前記一次巻線の前記第１の端子と前記ＤＣ電源の負極との間に結合される第１の制御可能スイッチブランチ；
前記一次巻線の前記第２の端子と前記ＤＣ電源の前記負極との間に結合される第２の制御可能スイッチブランチ；及び
前記第１の制御可能スイッチブランチ及び前記第２の制御可能スイッチブランチを：
前記ＤＣ電源によって前記一次巻線を充電するよう第１の時間期間に前記第１の制御可能スイッチブランチをオンし；
前記一次巻線に蓄えられているエネルギを前記二次巻線へ移して該二次巻線によって第１のパルス電圧を生成するよう第２の時間期間に前記第１の制御可能スイッチブランチをオフし；
前記ＤＣ電源によって前記一次巻線を充電するよう第３の時間期間に前記第２の制御可能スイッチブランチをオンし；且つ
前記一次巻線に蓄えられているエネルギを前記二次巻線へ移して該二次巻線によって前記第１のパルス電圧と極性が逆の第２のパルス電圧を生成するよう第４の時間期間に前記第２の制御可能スイッチブランチをオフする
ように制御するよう構成される制御ユニット
を有する回路配置。
前記制御ユニットは、前記第１の制御可能スイッチブランチ及び前記第２の制御可能スイッチブランチを夫々制御する第１のスイッチ駆動信号及び第２のスイッチ駆動信号を生成するよう構成され、前記第１のスイッチ駆動信号及び前記第２のスイッチ駆動信号は、略等しいスイッチング周期を有し且つ略１８０度の位相差を有する、
請求項１に記載の回路配置。
前記第２の時間期間は、前記第４の時間期間に略等しく、前記変圧器に固有の寄生キャパシタンス及び励振インダクタンス並びに前記負荷の固有キャパシタンスによって形成される発振回路の発振周期の半分に略等しい、
請求項１に記載の回路配置。
前記第１の制御可能スイッチブランチは、ソリッドステートリレーを有する、
請求項１に記載の回路配置。
前記第１の制御可能スイッチブランチは、直列接続されたＭＯＳＦＥＴスイッチ及びダイオードを有する、
請求項１に記載の回路配置。
前記第２の制御可能スイッチブランチは、ソリッドステートリレーを有する、
請求項１に記載の回路配置。
前記第２の制御可能スイッチブランチは、直列接続されたＭＯＳＦＥＴスイッチ及びダイオードを有する、
請求項１に記載の回路配置。
請求項１乃至５のうちいずれか一項に記載の回路配置と、前記負荷として使用される誘電体バリア放電ランプとを有する照明システム。
ＤＣ電源の正極へ接続されたセンタタップを備える一次巻線と二次巻線とを有する変圧器と、前記一次巻線の第１の端子と前記ＤＣ電源の負極との間に結合される第１の制御可能スイッチブランチと、前記一次巻線の第２の端子と前記ＤＣ電源の前記負極との間に結合される第２の制御可能スイッチブランチとを有する回路配置を用いることによって、ＤＣ電源からのＤＣ電圧をパルス電圧に変換する方法であって：
前記ＤＣ電源によって前記一次巻線を充電するよう第１の時間期間に前記第１の制御可能スイッチブランチをオンするステップ；
前記一次巻線に蓄えられているエネルギを前記二次巻線へ移して該二次巻線によって第１のパルス電圧を生成するよう第２の時間期間に前記第１の制御可能スイッチブランチをオフするステップ；
前記ＤＣ電源によって前記一次巻線を充電するよう第３の時間期間に前記第２の制御可能スイッチブランチをオンするステップ；及び
前記一次巻線に蓄えられているエネルギを前記二次巻線へ移して該二次巻線によって前記第１のパルス電圧と極性が逆の第２のパルス電圧を生成するよう第４の時間期間に前記第２の制御可能スイッチブランチをオフするステップ
を有する方法。
前記第１の時間期間は、前記第３の時間期間に略等しい、
請求項９に記載の方法。
前記第２の時間期間は、前記第４の時間期間に略等しく、前記変圧器に固有の寄生キャパシタンス及び励振インダクタンス並びに前記パルス電圧が供給される負荷の固有キャパシタンスによって形成される発振回路の発振周期の半分に略等しい、
請求項９に記載の方法。