JP3698226B2 - 電源装置、放電灯点灯装置および照明装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、直流電圧を高周波電圧に変換するインバータ装置を有する電源装置、この電源装置を用いた放電灯点灯装置および照明装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種装置としては各種のものが多数提案されている。従来技術の一つとして一対のスイッチング装置を互いに直列的に接続したいわゆる直列形インバータを用いた電源装置、放電灯点灯装置が知られている。
【０００３】
この従来技術は、負荷たとえば放電灯と、インダクタおよびコンデンサからなるＬＣ直列共振回路とを含む負荷回路を有し、前記一対のスイッチング装置によるスイッチング出力を負荷回路に供給するようにしている。
【０００４】
また、近年の入力電流の低歪化の要求に対応するためにインバータ装置の入力側に昇圧チョッパからなるアクティブフィルタを設けるようにしたものも提案されている。
【０００５】
このような従来技術においては、インバータ装置への入力電圧値すなわちアクティブフィルタの出力電圧値は、放電灯始動用の高電圧を容易に得られるよう比較的高く設定されていた。また、交流電源電圧値とアクティブフィルタの制御ＩＣとの関係もインバータ装置への入力電圧値の設定に影響していた。すなわち、市販されているアクティブフィルタの制御ＩＣとしては昇圧率を１３０％以上にすることが推奨されている。このため、実効値１００Ｖの交流電圧の場合、インバータ入力電圧すなわちアクティブフィルタの出力電圧は、１１０Ｖ（１０％の電圧変動を考慮）×１．４×１．３＝２００．２Ｖより大きくするのが通常の設計思想であった。
【０００６】
また、負荷回路のインダクタおよびコンデンサによる共振周波数に対し、一対のスイッチング装置のスイッチング周波数を常に大きくするのが通常の設計思想であった。この理由は、スイッチング周波数を共振周波数より小さくすると、進相スイッチングモードになってスイッチング装置のターンオン時に逆向きに大きな無効電流が流れるためである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術は、放電灯の始動させ易さ、アクティブフィルタの制御ＩＣ等の関係からインバータ装置への入力電圧を比較的大きく設定している。したがって、スイッチング装置には比較的高耐圧、大容量のスイッチング素子を用いる必要があり、高価になるという問題がある。また、従来技術は電力損失を考慮した装置全体の効率向上の観点からは設計されていないため、効率向上の余地があった。
【０００８】
本発明は、インバータ装置への入力電圧を低減化して低耐圧、小容量のスイッチング素子の利用を図るとともに、電力損失を低減して効率向上を図れる電源装置、放電灯点灯装置および照明装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の電源装置は、直流電源装置と；互いに直列的に接続された一対のスイッチング装置と、放電灯およびＬＣ直列共振回路を含みスイッチング装置のスイッチング出力を供給される負荷回路とを有し、直流電源装置からの直流電圧を高周波電圧に変換して放電灯に供給するインバータ装置と；を具備し、前記インバータ装置は、放電灯の定常動作時にはＬＣ直列共振回路の共振周波数より低い周波数で一対のスイッチング装置をスイッチングするものであり、前記スイッチング装置から見た負荷回路のインピーダンス位相角ａｒｇ（Ｚ）を０°≦ａｒｇ（Ｚ）≦４０°とし、かつ、前記直流電圧ＶDCおよび前記放電灯の定常動作時の負荷電圧（実効値）ＶLを１．２ＶL≦ＶDC≦２．０ＶLの関係に設定したことを特徴とする。
【００１０】
本願発明者らは、インバータ装置に供給される直流電圧値および負荷回路のインピーダンス位相角と電力損失との関係について種々研究した結果、つぎの仮定を想定した。すなわち、電力損失としてインバータ装置において比重が大きいスイッチング装置におけるスイッチング損失と、インダクタにおける電力損失とは負荷回路のインピーダンス位相角を小さくすることによって低減できる。また、同時にインバータ装置への直流電圧を所定の範囲に設定することによりスイッチング装置およびインダクタにおける電力損失を低減できる。また、負荷の定常動作時のスイッチング周波数をＬＣ直列共振回路の共振周波数より低くすることは、負荷回路のインピーダンス位相角ａｒｇ（Ｚ）との関係においては位相角ａｒｇ（Ｚ）を０°に近づけることができ、インダクタンスＬ値を小さくできることを意味する。したがって、電力損失の減少に寄与する。
【００１１】
図１０は本発明の負荷回路の周波数特性を示す図、図１１は従来における負荷回路の周波数特性を示す図である。図１０および図１１において、ａは無負荷時、ｂは定常負荷時のものを示し、ｃは定常負荷時のスイッチング周波数を示している。従来は、進相モードになることを防止するために、図１１に示す関係となるように負荷回路、スイッチング周波数を設定するのが一般的である。これに対し、本発明は図１０のように設定するから上記のような作用となる。
【００１２】
なお、負荷を含めた負荷回路全体の共振特性に対しては、遅相スイッチングモードになるようなスイッチング周波数とする。また、負荷が始動する以前には、スイッチング周波数をＬＣ直列共振回路の共振周波数より高くすることが好ましい。
【００１３】
以下、これらの仮定に基づきシミュレーションした結果を図を参照して詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明の放電灯点灯装置の基本構成を示す回路図、図２は直流電圧およびインダクタの電力損失の関係を示す図、図３は直流電圧およびスイッチング装置のスイッチング損失の関係を示す図、図４は直流電圧とインダクタおよびスイッチング装置の電力損失の和との関係を示す図、図５は負荷回路の等価回路図、図６は負荷回路のインピーダンス位相角を示す図、図７は本発明におけるスイッチング装置の電流波形図、図８は従来におけるスイッチング装置の電流波形図である。
【００１５】
図１において、１は直流電源装置であり、２はインバータ装置である。インバータ装置２は互いに直列的に接続された一対のスイッチング装置３、４を有している。また、負荷回路５を有し、この負荷回路５は放電灯６、インダクタ７およびコンデンサ８のＬＣ直列共振回路を含んでいる。９は直流カット用のコンデンサである。このような放電灯点灯装置は前記一対のスイッチング装置３、４が交互にオンオフし、放電灯６に高周波電圧を供給する。図１のものにおいて、インダクタ７は放電灯６の限流素子としても機能している。
【００１６】
この構成において、本願発明者らはまず、負荷回路５のインピーダンス位相角ａｒｇ（Ｚ）を変化させたときの直流電圧ＶDCとインダクタ７の電力損失との関係を計算により求めた。ここで、負荷回路５のインピーダンス位相角ａｒｇ（Ｚ）は図６のように表される。すなわち、負荷回路５の等価回路は図５のように表すことができ、そのインピーダンスＺは、
Ｚ＝ｊωＬ＋｛１／（１／Ｒ＋ｊωＣ）｝
＝ＺR＋ｊ（ＸL−ＸC）である。
【００１７】
なお、Ｒ：負荷６の抵抗値、Ｌ：インダクタ７のインダクタンス値、Ｃ：コンデンサ８の容量値、ＺR＝Ｒ／（１＋ω2Ｃ2Ｒ2）、ＸL＝ωＬ、ＸC＝１／｛ω（１＋ω2Ｃ2Ｒ2）／ω2ＣＲ2）｝である。
【００１８】
また、放電灯６としては、東芝ライテック（株）製けい光ランプFLR40S/M/36を点灯するものとし、ランプ電力：３０．７２Ｗを得、ランプ電圧：約１００Ｖとした。
【００１９】
図２は計算結果を示している。図２から明らかなように、位相角ａｒｇ（Ｚ）が小さい程インダクタ７における電力損失は小さい。位相角ａｒｇ（Ｚ）＝０°のとき電力損失は最小になる。インダクタ７における損失は、Ｋ１（定数）×電流値×電流値×ωＬで決まるが、Ｌ値は位相角ａｒｇ（Ｚ）が大きくなるに伴って相対的に大きくなることが図６からも明らかである。なお、位相角ａｒｇ（Ｚ）＜０°とすることによってＬ値をさらに小さくすることも可能であるが、この場合、進相スイッチングモードになるため除外する。
【００２０】
つぎに、本願発明者らは、負荷回路５のインピーダンス位相角ａｒｇ（Ｚ）を変化させたときの直流電圧ＶDCとスイッチング装置３、４のスイッチング損失との関係を計算により求めた。図３は計算結果を示している。図３も位相角ａｒｇ（Ｚ）が小さい程スイッチング装置３、４におけるスイッチング損失は小さくなり、位相角ａｒｇ（Ｚ）＝０°のとき電力損失は最小になることを示している。すなわち、位相角ａｒｇ（Ｚ）＝０°に近づくにしたがってスイッチング装置の電流と電圧との位相差が零に近づき、したがって、スイッチング損失が減少する。
【００２１】
直流電圧とインダクタ７およびスイッチング装置３、４の電力損失の和との関係は図４のようになる。なお、図４は位相角ａｒｇ（Ｚ）＝０°の場合である。図４から、直流電圧ＶDCが１２０Ｖ≦ＶDC≦２００Ｖであれば電力損失が０．１２５Ｗ以下、１４０Ｖ≦ＶDC≦１８０Ｖであれば電力損失が０．１１０Ｗ以下、直流電圧ＶDC＝１６０Ｖでは電力損失を最小にできることがわかる。
【００２２】
上記直流電圧ＶDCの値を放電灯６の定格ランプ電圧ＶLとの関係で表せば、それぞれ１．２ＶL≦ＶDC≦２．０ＶL、１．４ＶL≦ＶDC≦１．８ＶL、直流電圧ＶDC＝１．６ＶLとなる。そして、この関係は他の放電灯についても同様である。また、位相角ａｒｇ（Ｚ）を変化させても同様な傾向を示し、位相角ａｒｇ（Ｚ）が０°≦ａｒｇ（Ｚ）≦４０°であれば、従来より電力損失を減少できた。
【００２３】
このときのスイッチング装置３、４の電流波形は図７のようになった。すなわち、スイッチング装置３（４）のオン期間Ｔonにスイッチング装置３（４）に流れる共振電流は、ピーク値を過ぎ０に達する以前に遮断されている。換言すると、ピーク値に達するまでの時間Ｔpeakとオン時間Ｔonとの関係は０≦Ｔpeak≦Ｔon/2の関係になる。そして、スイッチング装置３（４）の電流波形が上記関係であり、かつ、位相角ａｒｇ（Ｚ）が０°≦ａｒｇ（Ｚ）≦４０°であれば、インダクタ７およびスイッチング装置３、４の電力損失の和は上記と同様に従来より減少できた。上記のようにスイッチング装置の電流波形、位相角ａｒｇ（Ｚ）を設定することは、直流電圧ＶDC、スイッチング周波数、インダクタ７のインダクタンス値、コンデンサ８の容量値の選定により当業者であれば容易に実施できるものである。
【００２４】
なお、従来のスイッチング装置の電流波形は図８に示すものであり、スイッチング装置は共振電流が略ピーク値に達したときに遮断されるようになっている。また、従来の設計思想（直流電圧を比較的大きくし、かつ、スイッチングモードが常に遅相モードになるようインダクタンスＬ値を大きくする。）では、同じ負荷の場合、位相角ａｒｇ（Ｚ）が略５０°〜６０°であり、電力損失は０．６Ｗ程度であった。
【００２５】
したがって、請求項１記載の発明では、位相角ａｒｇ（Ｚ）が０°≦ａｒｇ（Ｚ）≦４０°、入力電圧ＶDCが２ＶL≦ＶDC≦２．０ＶLであることを規定した。
【００２６】
請求項１および以下の発明において、特にことわらない場合を除き、直流電源装置はどのような構成であってもよい。たとえば、昇圧チョッパからなるアクティブフィルタ、シリーズドロッパ、あるいは平滑コンデンサ等を用いることができる。また、直流電源装置とは、インバータ装置からみて直流電圧を供給するものを総合したもので、単体であるか複数であるかを問わない。また、負荷としては、代表的には放電灯であるが、溶接機、モータ等どのようなものであってもよい。さらには、直流負荷であってもよい。直流負荷の場合、負荷の入力段に整流装置を設ければよい。さらに、負荷は１個でも複数個でもよく、これらを直列的、並列的に設けることができる。直列的に設けた場合、合計の負荷電圧が本発明の負荷電圧に相当する。さらにまた、スイッチング装置はバイポーラ形トランジスタ、電界効果形トランジスタ等どのようなものでもよいが、スイッチング損失を低減できるという点では、オン抵抗が小さく、スイッチング速度の速いものが好ましい。また、本願において、「直列的」、「並列的」とは、互いに直接直列または直接並列関係にある場合の他に、他の部品が介在している場合も含むことを意味している。
【００２７】
請求項２記載の電源装置は、直流電源装置と；互いに直列的に接続された一対のスイッチング装置と、放電灯と、インダクタおよびコンデンサの直列共振回路とを含み、スイッチング装置のスイッチングに基づいて直流電源装置からの直流電圧を高周波電圧に変換して放電灯に供給するインバータ装置と；を具備し、
【００２８】
前記インバータ装置は、放電灯の定常動作時にはＬＣ直列共振回路の共振周波数より低い周波数で一対のスイッチング装置をスイッチングするものであり、
【００２９】
前記スイッチング装置におけるスイッチング損失および前記インダクタにおける電力損失の和が最小値近傍になるように、直流電圧値、スイッチング周波数、インダクタのインダクタンス値およびコンデンサの容量値を設定し、かつ、前記スイッチング装置から見た負荷回路のインピーダンス位相角ａｒｇ（Ｚ）を０°≦ａｒｇ（Ｚ）≦４０°とし、かつ、前記直流電圧Ｖ DC および前記放電灯の定常動作時の負荷電圧（実効値）Ｖ L を１．２Ｖ L ≦Ｖ DC ≦２．０Ｖ L の関係に設定したことを特徴とする。
【００３０】
本発明において、スイッチング損失および前記インダクタにおける電力損失の和が最小値近傍とは、最小値を含み、最小値×１．１の範囲を意味するものとする。このような範囲になるように、直流電圧値、スイッチング周波数、インダクタのインダクタンス値およびコンデンサの容量値を選定することは、当業者であれば容易である。たとえば請求項１のように設定してもよい。
【００３１】
請求項３記載の電源装置は、直流電源装置と；互いに直列的に接続された一対のスイッチング装置と、放電灯およびＬＣ直列共振回路を含みスイッチング装置のスイッチング出力を供給される負荷回路とを有し、直流電源装置からの直流電圧を高周波電圧に変換して放電灯に供給するインバータ装置と；を具備し、前記インバータ装置は、放電灯の定常動作時にはＬＣ直列共振回路の共振周波数より低い周波数で一対のスイッチング装置をスイッチングするものであり、前記各スイッチング装置は、スイッチング装置に流れる共振電流がピーク値を過ぎ０に達する以前にオフされるように交互にオンオフされ、かつ、前記スイッチング装置から見た負荷回路のインピーダンス位相角ａｒｇ（Ｚ）を０°≦ａｒｇ（Ｚ）≦４０°とし、かつ、前記直流電圧Ｖ DC および前記放電灯の定常動作時の負荷電圧（実効値）Ｖ L を１．２Ｖ L ≦Ｖ DC ≦２．０Ｖ L の関係に設定したことを特徴とする。
【００３２】
請求項４記載の電源装置は、直流電源装置と；互いに直列的に接続された一対のスイッチング装置と、放電灯およびＬＣ直列共振回路を含みスイッチング装置のスイッチング出力を供給される負荷回路とを有し、直流電源装置からの直流電圧を高周波電圧に変換して放電灯に供給するインバータ装置と；を具備し、前記インバータ装置は、放電灯の定常動作時にはＬＣ直列共振回路の共振周波数より低い周波数で一対のスイッチング装置をスイッチングするものであり、前記各スイッチング装置は、オン時間中にスイッチング装置に流れる共振電流がピーク値に達するまでの時間をＴpeak、オン時間をTonとしたとき、０≦Ｔpeak≦Ton/2の関係になるように交互にオンオフされ、かつ、前記スイッチング装置から見た負荷回路のインピーダンス位相角ａｒｇ（Ｚ）を０°≦ａｒｇ（Ｚ）≦４０°とし、かつ、前記直流電圧Ｖ DC および前記放電灯の定常動作時の負荷電圧（実効値）Ｖ L を１．２Ｖ L ≦Ｖ DC ≦２．０Ｖ L の関係に設定したことを特徴とする。
【００３３】
請求項５記載の電源装置は、請求項１記載の電源装置において、前記直流電圧ＶDCおよび前記放電灯の定常動作時の負荷電圧ＶLの関係が１．４ＶL≦ＶDC≦１．８ＶLであることを特徴とする。請求項５の発明によれば、上述したように、一層電力損失を低減できる。
【００３４】
請求項６記載の電源装置は、請求項１または５記載の電源装置において、前記直流電圧ＶDCが略１．６ＶLであることを特徴とする。請求項６の発明によれば、最も電力損失を低減できる。本発明において、略１．６ＶLとは、±１０％の範囲を許容することを意味する。
【００３５】
請求項７記載の電源装置は、直流電源装置と；互いに直列的に接続された一対のスイッチング装置と、一対のスイッチング装置の一方に入力巻線を並列的に接続されたトランスと、トランスの出力巻線に接続された放電灯およびＬＣ直列共振回を含む負荷回路とを有し、直流電源装置からの直流電圧を高周波電圧に変換して放電灯に供給するインバータ装置と；を具備し、前記インバータ装置は、放電灯の定常動作時にはＬＣ直列共振回路の共振周波数より低い周波数で一対のスイッチング装置をスイッチングするものであり、前記トランスの出力巻線から見た負荷回路のインピーダンス位相角ａｒｇ（Ｚ）を０°≦ａｒｇ（Ｚ）≦４０°とし、前記トランスの出力巻線の電圧ＶS（ピーク−ピーク）および前記放電灯の定常動作時の負荷電圧（実効値）ＶLを１．２ＶL≦ＶS≦２．０ＶLの関係に設定したことを特徴とする。
【００３６】
本発明は、図９に示すように、負荷６の定常動作時の負荷電圧ＶLと直流電圧ＶDCとの関係でステップアップ用、ステップダウン用あるいは絶縁用等のためにトランス１０を用いる場合についてなされたものである。負荷回路５のインピーダンス位相角ａｒｇ（Ｚ）については、請求項１記載の発明と同様の理由により規定している。トランス１０の出力巻線の電圧ＶSおよび前記負荷６の定常動作時の負荷電圧（実効値）ＶLとの関係については、インダクタ７における電力損失に着目した場合、トランス１０の出力巻線の電圧ＶS（ピーク−ピーク）の大きさが請求項１記載の発明の直流電圧ＶDCの大きさに相当するため、同様の理由により規定している。
【００３７】
本発明において、トランス１０は絶縁形、単巻形のいずれであってもよい。また、直流カットコンデンサ９をトランス１０の入力巻線と直列接続してもよい。
【００３８】
請求項８記載の電源装置は、請求項７記載のものにおいて、出力巻線の電圧ＶSおよび負荷の定常動作時の負荷電圧ＶLを１．４ＶL≦ＶS≦１．８ＶLの関係に設定したことを特徴とする。
【００３９】
請求項９記載の電源装置は、請求項７または８記載のものにおいて、出力巻線の電圧ＶSを略１．６ＶLに設定したことを特徴とする。
【００４０】
請求項１０記載の電源装置は、請求項１、２、５ないし９のいずれか一記載のものにおいて、負荷回路のインピーダンス位相角ａｒｇ（Ｚ）を０°≦ａｒｇ（Ｚ）≦２４°に設定したことを特徴とする。本発明によれば、インピーダンス位相角ａｒｇ（Ｚ）をより０°に近い範囲に規定したので、一層電力損失を減少できる。
【００４１】
請求項１１記載の発明は、請求項１ないし１０のいずれか一記載のものにおいて、直流電源装置は交流電圧を整流する整流装置と；整流装置の出力を昇圧および平滑化して前記インバータ装置に出力する直流化手段と；を具備し、直流化手段の出力電圧ＶDCおよび交流電圧（実効値）ＶINの関係をＶDC≧１．８０ＶINとしたことを特徴とする。
【００４２】
本発明は、直流化手段として昇圧チョッパからなるアクティブフィルタを用いる場合を考慮しており、アクティブフィルタの制御を安定に行うには、昇圧比を交流電圧のピーク値の１．３倍程度以上にすることが知られ、推奨されている。したがって、ＶDC≧１．８０ＶINとすれば、１．８０／２1/2が約１．２８となり、１．３に近付けることができる。
【００４３】
本発明によれば、アクティブフィルタを用いることができ、交流電源からの入力電流の歪を低減できる。また、アクティブフィルタを安定に制御できる。
【００４４】
請求項１２記載の発明は、請求項１ないし１１のいずれか一記載の電源装置において、前記放電灯が定常動作時の負荷電流値を検出し、負荷電流値が予め設定された所定値になるように直流電源装置を制御する制御手段を備えたことを特徴とする。本発明は、負荷変動、電源変動等により負荷電流が変化した場合でも、直流電源装置の出力電圧を制御する。したがって、負荷の定電流化を図れる。
【００４５】
請求項１３記載の発明は、請求項１ないし１２のいずれか一記載の電源装置において、定常動作時の負荷電圧Ｖ L が定格ランプ電圧であることを特徴とする。放電灯としては、熱陰極形、冷陰極形、高輝度放電灯等どのようなものであってもよい。
【００４６】
請求項１４記載の発明は、請求項１３記載の放電灯点灯装置において、前記放電灯の点灯前は直流電源装置の出力電圧値に対応した検出信号で直流電源装置の出力電圧が一定化するように直流電源装置を制御し、前記放電灯の点灯後はランプ電流値に対応した信号でランプ電流が一定化するように直流電源装置を制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
【００４７】
本発明は、放電灯の始動前には直流電源装置の出力電圧を一定化するから、直流電源装置の出力が過大化することがない。また、放電灯の点灯後はランプ電流が一定化するから、後述するようにインバータ装置の出力特性が定電圧性を有する場合にも放電灯を安定点灯できる。なお、放電灯が熱陰極形の場合、フィラメント予熱時、始動電圧印加時に合わせてインバータ装置のスイッチング周波数を変化させることが好ましい。すなわち、フィラメント予熱時にはフィラメント予熱には好適であるが始動には至らない電圧値となるようなスイッチング周波数とする。ついで、始動電圧印加時には放電灯が始動し得る電圧値となるようなスイッチング周波数とする。
【００４８】
請求項１５記載の発明は、請求項１４記載の放電灯点灯装置において、前記直流電源装置の出力電圧値に対応した検出信号と前記ランプ電流値に対応した信号とは高値優先で制御手段に作用するようになされているとともに、前記放電灯は互いに並列的に複数個接続され、各放電灯のランプ電流に対応した信号の和が直流電源装置の出力電圧値に対応した検出信号と比較され、かつ、全部の放電灯が定格点灯することにより直流電源装置の出力電圧値に対応した検出信号より大きくなるように設定されていることを特徴とする。
【００４９】
本発明は、互いに並列的に接続された複数個の放電灯の全部が点灯することによって、ランプ電流に応じた信号で直流電源装置を制御するから、全ての放電灯は確実に点灯する。
【００５０】
請求項１６記載の照明装置は、照明器具本体と；照明器具本体に設けられた放電灯と；放電灯を点灯する請求項１４または１５記載の放電灯点灯装置と；を具備していることを特徴とする。本発明は、請求項１４または１５記載の放電灯点灯装置と同様な作用を有する照明装置である。
【００５１】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の第１の実施形態を説明する。
【００５２】
図１２は本発明の第１の実施形態の回路図である。８１は交流電源たとえば５０Ｈｚ、１００Ｖの商用電源である。８２は直流電源装置で、高周波阻止フィルタ８３を介して交流電源８１からの交流電圧を入力して平滑化直流電圧を出力する。この実施形態のものは、フィルタ８３の両出力端に接続された一対のダイオード８４、８５、これらダイオード８４、８５に対して並列的に設けられた一対のスイッチング素子８６、８７を有する。そして、一対のダイオード８４、８５の中間と、一対のスイッチング素子８６、８７の中間とは接続されている。また、一対のダイオード８４、８５の各カソードおよび一対のスイッチング素子８６、８７の非共通接続端の間にそれぞれインダクタ８８、８９が設けられている。さらに、一方のスイッチング素子８６と並列に平滑用のコンデンサ９０が接続され、平滑用のコンデンサ９０の正極端と各スイッチング素子８６、８７の非共通接続端との間にダイオード９１、９２が設けられている。一対のスイッチング素子８６、８７をオンオフする制御手段は図示を省略してあるが、市販の制御ＩＣ等にて構成し得るものである。また、スイッチング周波数としては交流電源８１の周波数の２倍を越えるもので特に制限はないが、装置の小形化、効率、雑音の点から２０ＫＨｚ〜２００ＫＨｚの間にするのが好ましい。
【００５３】
インバータ装置２は、その回路構成は図１のものと同様である。なお、インバータ装置２のスイッチング制御手段も図示を省略してあるが、周知の制御ＩＣ等により適宜構成し得る。また、スイッチング周波数も直流電源装置８２と同様に２０ＫＨｚ〜２００ＫＨｚにするのが好ましい。本実施形態の各構成の詳細はつぎのとおりである。
【００５４】
負荷６：東芝ライテック（株）製けい光ランプFLR40S/M/36（定格ランプ電圧１００Ｖ）
インダクタ７：０．４３７ｍＨ
コンデンサ８：６．８６ｎＦ
ＬＣ共振周波数：９１．９ＫＨｚ
負荷回路５のインピーダンス位相角ａｒｇ（Ｚ）＝０°
負荷６の定常動作時のスイッチング周波数：５０ＫＨｚ一定
負荷電力：３０．７２Ｗ
つぎに、本実施形態の作用を説明する。直流電源装置８２においては、交流電源８１の出力がダイオード８４側が＋の期間では、スイッチング素子８６のオン期間に交流電源８１−高周波阻止フィルタ８３−インダクタ８８−スイッチング素子８６−ダイオード８５−高周波阻止フィルタ８３−交流電源８１に電流が流れる。また、交流電源８１−高周波阻止フィルタ８３−インダクタ８８−スイッチング素子８６−スイッチング素子８７の寄生ダイオード−インダクタ８９−高周波阻止フィルタ８３−交流電源８１の経路にも電流が流れる。スイッチング素子８６がオフすると、インダクタ８８の蓄積エネルギがインダクタ８８−ダイオード９１−平滑用のコンデンサ９０−ダイオード８４−インダクタ８８の経路で放出され、交流電源８１の電圧とプラスされて平滑用のコンデンサ９０を充電する。
【００５５】
交流電源８１の出力がダイオード８５側が＋の期間では、スイッチング素子８７のオン期間に交流電源８１−高周波阻止フィルタ８３−インダクタ８９−スイッチング素子８７−ダイオード８４−高周波阻止フィルタ８３−交流電源８１に電流が流れる。また、交流電源８１−高周波阻止フィルタ８３−インダクタ８９−スイッチング素子８７−スイッチング素子８６の寄生ダイオード−インダクタ８８−高周波阻止フィルタ８３−交流電源８１の経路にも電流が流れる。スイッチング素子８７がオフすると、インダクタ８９の蓄積エネルギがインダクタ８９−ダイオード９２−平滑用のコンデンサ９０−ダイオード８５−インダクタ８９の経路で放出され、交流電源８１の電圧とプラスされて平滑用のコンデンサ９０を充電する。そして、直流電源装置８２の出力電圧を１８０Ｖに設定した。
【００５６】
本実施形態の直流電源装置８２は、ダブルスイッチング素子形式であるため、入力側のダイオード８４、８５が２個でよく、シングルスイッチング素子形式である従来のように全波整流器を用いるものに比し、ダイオードの数を減らすことができる。したがって、ダイオードにおける電力損失を約１／２にできる。反面、本実施形態のものは、従来に比し、インダクタ８８、８９およびスイッチング素子８６、８７における合計の電力損失が増えるが、トータルでは従来のものより約３０％電力損失を低減でき、直流電源装置８２単体の効率を９７．６％と高いものにできた。
【００５７】
インバータ装置２においては、直流電源装置８２からの直流電圧を供給されて高周波電圧に変換して負荷６を付勢する。負荷６の定常動作時においては、スイッチング周波数が５０ＫＨｚで、負荷６に電力３０．７２Ｗを供給すると、スイッチング装置３、４およびインダクタ７における電力損失を低減でき、インバータ装置２における効率を９８．１％と高いものにできた。本実施形態の直流電源装置８２との総合効率でも９５．３％であった。
【００５８】
つぎに、本発明の第２の実施形態を説明する。図１３は本発明の第２の実施形を示す回路図である。図１または図１２と同じまたは対応する部分には同じ符号を付してある。本実施形態は、２個の負荷６、６たとえば放電灯を互いに並列的に設けたものである。インダクタ７およびコンデンサ８もそれぞれの負荷６、６に対応している。９５は制御手段で、各負荷６、６の点灯前は直流電源装置８２の出力電圧値に対応した検出信号で直流電源装置８２の出力電圧が一定化するように直流電源装置を制御し、前記負荷６、６の点灯後はランプ電流値に対応した信号でランプ電流が一定化するように直流電源装置８２を制御する。
【００５９】
制御手段９５は、直流電源装置８２の出力電圧に対応した信号を検出する電圧検出手段９６、各負荷６、６のランプ電流に対応した信号を検出する電流検出手段９７、９７、両信号のうち大きい方の信号に応じて直流電源装置８２の出力電圧を制御する出力制御手段９８を有している。電流検出手段９７、９７は互いの検出信号がプラスされる（または両者のアンドをとる）ようになっている。そして、電圧検出手段９６と、電流検出手段９７、９７とは、各電流検出手段９７、９７が定常動作時のランプ電流に対応した信号を検出することによって電圧検出手段９６の検出信号より大きくなる関係になされている。なお、電流検出手段９７、９７のみとし（電圧検出手段９６省略）、これら電流検出手段９７、９７の検出信号の大きい方の信号で出力制御手段９８を制御するようにしてもよい。
【００６０】
また、本実施形態は、インバータ制御手段９９を有している。インバータ制御手段９９は各負荷６、６の両端電圧を検出する負荷電圧検出手段１００、１００と、負荷電圧検出手段１００、１００のうちの大きい方の検出信号に応じてインバータ装置のスイッチング周波数を制御する周波数制御手段１０１を有している。周波数制御手段１０１はタイマ、時定数回路等の計時手段（図示しない。）を有し、計時手段によりスイッチング周波数を変化させるようにしている。また、周波数制御手段１０１は、電流検出手段９７、９７からの点灯信号を受けてスイッチング周波数を変化するようになっている。なお、周波数制御手段１０１は、負荷電圧検出手段１００、１００からの電圧信号でスイッチング周波数を変化するものであってもよい。
【００６１】
つぎに、本実施形態の作用を説明する。電源投入時等の負荷６、６の始動時であって、計時手段が所定時間を計時するまでは、スイッチング周波数を負荷６、６が始動し得ないで、フィラメント予熱に好適な出力になるように設定する。たとえば、ＬＣ共振回路の共振周波数が９１．９ＫＨｚの場合、１２０ＫＨｚとする。また、この場合、直流電源装置８２の出力電圧は自己の出力電圧に応じて一定化制御される（たとえば２５０Ｖ）。ついで、計時手段が所定時間を計時すると、スイッチング周波数をフィラメント予熱時より低く（たとえば１００ＫＨｚ）して負荷６、６に始動点灯可能な電圧を印加する。したがって、負荷６、６は始動点灯し、電流検出手段９７、９７はランプ電流を検出する。この信号は出力制御手段９８に供給され、以後この信号に応じて直流電源装置８２の出力電圧を制御する。負荷６、６がともに点灯すると、負荷電圧検出手段１００、１００からの信号を受け周波数制御手段１０１はスイッチング周波数をさらに低く（たとえば５０ＫＨｚ）する。また、出力制御手段９８に対する検出信号は電流検出手段９７、９７からの信号が電圧検出手段９６からの信号よりも大きくなり、以後はランプ電流が一定化するように直流電源装置の出力電圧を制御する。これにより、図１３に示すように、定電圧特性を示す負荷６、６の負荷カーブに対して交差角度を大きくして安定点灯できる。これに対して、本実施形態のようにランプ電流一定化制御を行わない場合は、インバータ装置の負荷特性も定電圧性を示し安定点灯が困難になることがあった。
【００６２】
図１４は照明装置の一実施形態を示す簡略図である。１１１は照明器具本体で、放電灯６を支持している。１１２は照明器具本体１１１の一部を構成する反射対であり、１１３はソケットである。そして、以上説明した本発明の放電灯点灯装置のいずれかが前記放電灯６を点灯するために用いられる。放電灯点灯装置を照明器具本体１１１内に設けるか、外部に設けるかは任意である。
【００６３】
【発明の効果】
請求項１ないし４記載の発明は、負荷回路のインピーダンス位相角およびインバータ装置に入力する直流電圧値、スイッチング装置の電流波形を特定のものにしたから、インバータ装置におけるスイッチング装置およびインダクタの電力損失を減少して効率を向上できる。さらに、定常動作時のスイッチング周波数をインバータ装置におけるＬＣ直列共振回路の共振周波数より小さくしたので、ＬＣ直列共振回路のインダクタンス値を小さくすることができ、このことからも電力損失を小さくできる。
【００６４】
請求項５および６記載の発明は、直流電圧値をさらに望ましい値に特定したもので、一層効率向上を図れる。
【００６５】
請求項７記載の発明は、トランスを用いる場合であって、請求項１記載の発明と同様に効率を向上できる。
【００６６】
請求項８および９記載の発明は、請求項７記載の発明に対し、さらに望ましい値に特定したもので、一層効率向上を図れる。
【００６７】
請求項１０記載の発明は、以上の発明に対し、負荷回路のインピーダンス位相角をさらに望ましい値に特定したもので、一層効率向上を図れる。
【００６８】
請求項１１記載の発明は、直流電源装置としてアクティブフィルタ等の直流化手段を用いるものであって、交流電源電圧および直流電圧値の関係を特定したので、直流化手段を安定に制御できるとともに、交流電源からの入力電流を低歪化できる。
【００６９】
請求項１２記載の発明は、定常動作時の負荷電流に応じて直流電源装置を制御するようにしたので、負荷電流を一定化できる。
【００７０】
請求項１３記載の発明は、負荷を放電灯としたものであって、高効率の放電灯点灯装置を提供できる。
【００７１】
請求項１４記載の発明は、放電灯の始動前には直流電源装置の出力電圧を一定化するか ら、直流電源装置の出力が過大化することがない。また、放電灯の点灯後はランプ電流が一定化するから、後述するようにインバータ装置の出力特性が定電圧性を有する場合にも放電灯を安定点灯できる。なお、放電灯が熱陰極形の場合、フィラメント予熱時、始動電圧印加時に合わせてインバータ装置のスイッチング周波数を変化させることが好ましい。
【００７２】
請求項１５記載の発明は、互いに並列的に接続された複数個の放電灯の全部が点灯することによって、ランプ電流に応じた信号で直流電源装置を制御するから、全ての放電灯は確実に点灯できる。
【００７３】
請求項１６記載の発明は、以上の発明と同様に効率を向上した照明装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の放電灯点灯装置の基本的構成を示す回路図
【図２】直流電圧およびインダクタの電力損失の関係を示す図
【図３】直流電圧およびスイッチング装置の電力損失の関係を示す図
【図４】直流電圧とインダクタおよびスイッチング装置の電力損失の和との関係を示す図
【図５】負荷回路の等価回路図
【図６】負荷回路のインピーダンス位相角を示す図
【図７】本発明におけるスイッチング装置の電流波形図
【図８】従来におけるスイッチング装置の電流波形図
【図９】本発明の放電灯点灯装置の一実施形態を示す回路図
【図１０】本発明の負荷回路の周波数特性を示す図
【図１１】従来における負荷回路の周波数特性を示す図
【図１２】本発明の放電灯点灯装置の他の実施形態を示す回路図
【図１３】本発明の放電灯点灯装置の他の実施形態を示す回路図
【図１４】図９に示す実施形態の負荷特性と放電灯の負荷カーブを示す図
【図１５】本発明の照明装置の一実施形態を示す図
【符号の説明】
１…直流電源装置
２…インバータ装置
３、４…スイッチング装置
５…負荷回路
６…負荷

Claims (16)

1. 直流電源装置と；互いに直列的に接続された一対のスイッチング装置と、放電灯およびＬＣ直列共振回路を含みスイッチング装置のスイッチング出力を供給される負荷回路とを有し、直流電源装置からの直流電圧を高周波電圧に変換して放電灯に供給するインバータ装置と；を具備し、
   前記インバータ装置は、放電灯の定常動作時にはＬＣ直列共振回路の共振周波数より低い周波数で一対のスイッチング装置をスイッチングするものであり、
   前記スイッチング装置から見た負荷回路のインピーダンス位相角ａｒｇ（Ｚ）を０°≦ａｒｇ（Ｚ）≦４０°とし、かつ、前記直流電圧ＶDCおよび前記放電灯の定常動作時の負荷電圧（実効値）ＶLを１．２ＶL≦ＶDC≦２．０ＶLの関係に設定したことを特徴とする電源装置。
2. 直流電源装置と；互いに直列的に接続された一対のスイッチング装置と、放電灯と、インダクタおよびコンデンサの直列共振回路とを含み、スイッチング装置のスイッチングに基づいて直流電源装置からの直流電圧を高周波電圧に変換して放電灯に供給するインバータ装置と；を具備し、
   前記インバータ装置は、放電灯の定常動作時にはＬＣ直列共振回路の共振周波数より低い周波数で一対のスイッチング装置をスイッチングするものであり、
   前記スイッチング装置におけるスイッチング損失および前記インダクタにおける電力損失の和が最小値近傍になるように、直流電圧値、スイッチング周波数、インダクタのインダクタンス値およびコンデンサの容量値を設定し、かつ、前記スイッチング装置から見た負荷回路のインピーダンス位相角ａｒｇ（Ｚ）を０°≦ａｒｇ（Ｚ）≦４０°とし、かつ、前記直流電圧Ｖ DC および前記放電灯の定常動作時の負荷電圧（実効値）Ｖ L を１．２Ｖ L ≦Ｖ DC ≦２．０Ｖ L の関係に設定したことを特徴とする電源装置。
3. 直流電源装置と；互いに直列的に接続された一対のスイッチング装置と、放電灯およびＬＣ直列共振回路を含みスイッチング装置のスイッチング出力を供給される負荷回路とを有し、直流電源装置からの直流電圧を高周波電圧に変換して放電灯に供給するインバータ装置と；を具備し、
   前記インバータ装置は、放電灯の定常動作時にはＬＣ直列共振回路の共振周波数より低い周波数で一対のスイッチング装置をスイッチングするものであり、
   前記各スイッチング装置は、スイッチング装置に流れる共振電流がピーク値を過ぎ０に達する以前にオフされるように交互にオンオフされ、かつ、前記スイッチング装置から見た負荷回路のインピーダンス位相角ａｒｇ（Ｚ）を０°≦ａｒｇ（Ｚ）≦４０°とし、かつ、前記直流電圧Ｖ DC および前記放電灯の定常動作時の負荷電圧（実効値）Ｖ L を１．２Ｖ L ≦Ｖ DC ≦２．０Ｖ L の関係に設定したことを特徴とする電源装置。
4. 直流電源装置と；互いに直列的に接続された一対のスイッチング装置と、放電灯およびＬＣ直列共振回路を含みスイッチング装置のスイッチング出力を供給される負荷回路とを有し、直流電源装置からの直流電圧を高周波電圧に変換して放電灯に供給するインバータ装置と；を具備し、
   前記インバータ装置は、放電灯の定常動作時にはＬＣ直列共振回路の共振周波数より低い周波数で一対のスイッチング装置をスイッチングするものであり、
   前記各スイッチング装置は、オン時間中にスイッチング装置に流れる共振電流がピーク値に達するまでの時間をＴpeak、オン時間をTonとしたとき、０≦Ｔpeak≦Ton/2の関係になるように交互にオンオフされ、かつ、前記スイッチング装置から見た負荷回路のインピーダンス位相角ａｒｇ（Ｚ）を０°≦ａｒｇ（Ｚ）≦４０°とし、かつ、前記直流電圧Ｖ DC および前記放電灯の定常動作時の負荷電圧（実効値）Ｖ L を１．２Ｖ L ≦Ｖ DC ≦２．０Ｖ L の関係に設定したことを特徴とする電源装置。
5. 前記直流電圧ＶDCおよび前記放電灯の定常動作時の負荷電圧ＶLの関係が１．４ＶL≦ＶDC≦１．８ＶLであることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
6. 前記直流電圧ＶDCが略１．６ＶLであることを特徴とする請求項１または５記載の電源装置。
7. 直流電源装置と；互いに直列的に接続された一対のスイッチング装置と、一対のスイッチング装置の一方に入力巻線を並列的に接続されたトランスと、トランスの出力巻線に接続された放電灯およびＬＣ直列共振回を含む負荷回路とを有し、直流電源装置からの直流電圧を高周波電圧に変換して放電灯に供給するインバータ装置と；を具備し、
   前記インバータ装置は、放電灯の定常動作時にはＬＣ直列共振回路の共振周波数より低い周波数で一対のスイッチング装置をスイッチングするものであり、
   前記トランスの出力巻線から見た負荷回路のインピーダンス位相角ａｒｇ（Ｚ）を０°≦ａｒｇ（Ｚ）≦４０°とし、前記トランスの出力巻線の電圧ＶS（ピーク−ピーク）および前記放電灯の定常動作時の負荷電圧（実効値）ＶLを１．２ＶL≦ＶS≦２．０ＶLの関係に設定したことを特徴とする電源装置。
8. 前記トランスの出力巻線の電圧ＶSおよび前記放電灯の定常動作時の負荷電圧ＶLが１．４ＶL≦ＶS≦１．８ＶLであることを特徴とする請求項７記載の電源装置。
9. 前記トランスの出力巻線の電圧ＶSが略１．６ＶLであることを特徴とする請求項７または８に記載の電源装置。
10. 負荷回路のインピーダンス位相角ａｒｇ（Ｚ）が０°≦ａｒｇ（Ｚ）≦２４°であることを特徴とする請求項１、２、５ないし９のいずれか一記載の電源装置。
11. 前記直流電源装置は交流電圧を整流する整流装置と；整流装置の出力を昇圧および平滑化して前記インバータ装置に出力する直流化手段と；を具備し、
    直流化手段の出力電圧ＶDCおよび交流電圧（実効値）ＶINをＶDC≧１．８０ＶINの関係に設定したことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか一記載の電源装置。
12. 前記放電灯が定常動作時の負荷電流値を検出し、負荷電流値が予め設定された所定値になるように直流電源装置を制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか一記載の電源装置。
13. 請求項１ないし１２のいずれか一記載の電源装置において、定常動作時の負荷電圧Ｖ L が定格ランプ電圧であることを特徴とする放電灯点灯装置。
14. 前記放電灯の点灯前は直流電源装置の出力電圧値に対応した検出信号で直流電源装置の出力電圧が一定化するように直流電源装置を制御し、前記放電灯の点灯後はランプ電流値に対応した信号でランプ電流が一定化するように直流電源装置を制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項１３記載の放電灯点灯装置。
15. 前記直流電源装置の出力電圧値に対応した検出信号と前記ランプ電流値に対応した信号とは高値優先で制御手段に作用するようになされているとともに、前記放電灯は互いに並列的に複数個接続され、各放電灯のランプ電流に対応した信号の和が直流電源装置の出力電圧値に対応した検出信号と比較され、かつ、全部の放電灯が定格点灯することにより直流電源装置の出力電圧値に対応した検出信号より大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項１４記載の放電灯点灯装置。
16. 照明器具本体と；照明器具本体に設けられた放電灯と；放電灯を点灯する請求項１４または１５記載の放電灯点灯装置と；を具備していることを特徴とする照明装置。

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