JP3829507B2 - 電子バラストおよびｈｉｄランプ制御回路 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、失敗無くＨＩＤランプを点火するのに適し、低コストで回路へのストレスが低い電子バラストおよびＨＩＤランプ制御回路に関するもので、特に、ＨＩＤランプを高周波電圧によって点火して低周波波形によって駆動する電子バラストおよびＨＩＤランプ制御回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電子バラスト、特にパルス始動されるＨＩＤ（高輝度放電）ランプ用のバラストでは、付加的な始動回路（イグナイタ）が必要となる。ランプ製造業者により規定されるその点火パルスの振幅は、製造業者間でまちまちであるが、非常に高いものとなっている。また、そのパルス幅には最小動作必要値があり、これは通常１．５マイクロ秒〜２．５マイクロ秒程度である。このような始動パルス条件に合致させると、イグナイタは複雑になり高価となる。
【０００３】
図１２および図１５は米国特許４，９１２，３７４号に記載の高周波共振点火技術が適用される電子バラストの回路図で、図１３，図１４はそれぞれ図１２に示すハーフブリッジ構成の電子バラストの高周波始動用の制御信号および低周波駆動用の制御信号を示す図で、図１６，図１７はそれぞれ図１５に示すフルブリッジ構成の電子バラストの高周波始動用の制御信号および低周波駆動用の制御信号を示す図である。
【０００４】
図１２に示す電子バラストは、キャパシタＣ１１，Ｃ１２、スイッチＱ１１，Ｑ１２、インダクタＬ１０、キャパシタＣ１０、ランプＬａおよびＨＦドライバPA１１により構成されている一方、図１５に示す電子バラストは、スイッチＱ２１〜Ｑ２４、インダクタＬ２０、キャパシタＣ２０、ランプＬａおよびＨＦドライバPA２１，PA２２により構成されている。
【０００５】
これら電子バラストは、図１３，図１４および図１６，図１７に示すように、高周波始動運転および低周波定常運転でランプを駆動するもので、電子バラストが高周波始動モードで動作すると、デューティサイクル５０％の高周波の矩形波が、ランプを点火すべくインダクタ（Ｌ１０，Ｌ２０）およびキャパシタ（Ｃ１０，Ｃ２０）によって形成される共振回路に加えられ、ランプ点火の検出後、スイッチングモードが低周波定常運転に切り替わる構成になっている。
【０００６】
なお、米国特許５，１８２，７０２号には、調光用の不平衡デューティーサイクル運転の制御手法が開示されている。この不平衡デューティサイクル運転制御によれば、バラストの出力電流を一定のスイッチング周波数に安定制御できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記図１２および図１５の電子バラストでは、定常運転に入る際にランプが容易に立ち消えする課題がある。
【０００８】
図１８は図１２に示すハーフブリッジ構成の電子バラストのランプ電圧・電流波形を示す図、図１９は図１５に示すフルブリッジ構成の電子バラストのランプ電圧・電流波形を示す図で、これらの図をさらに用いて上記課題について詳述する。
【０００９】
運転モードが始動運転から定常運転に切り替えられるとき、図１８および図１９に示すように、検知回路のフィルタ回路（図示せず）に起因する遅延時間が生じる。この遅延時間がグローからアークへの移行中に放電の不安定の原因となって、ランプが容易に立ち消えしてしまう。この現象は、ランプが十分に冷却されていない時にしばしば発生する。
【００１０】
また、上記回路構成では、電力制御段およびインバータ段はハーフブリッジまたはフルブリッジ構成において結合されている。そして、電力制御（降圧チョッパ）段は出力インバータと結合され、その電力回路が定常運転に向かって不連続電流モードで動作するので、音響共鳴が発生することになる。この音響共鳴を防止するには、ランプと並列のキャパシタおよび出力インダクタが十分なフィルタを施してランプ電流の高周波成分を最小に抑えるようにする必要がある。このためには、キャパシタの容量を１／１０マイクロファラッド程度の大きさとしなければならない。ところが、このようにキャパシタの容量が大きく、またインダクタのインダクタンス値が比較的小さいと、高周波始動運転中に非常に大きな循環電流が回路に流れることになる。
【００１１】
本発明の目的は、高周波始動の利点を維持しながら、遅延時間に起因するランプの立消えおよび大循環電流の問題を解消し得る電子バラストおよびＨＩＤランプ制御回路を提供することである。
【００１２】
また、本発明の別の目的は、安価で簡単な回路構成でＨＩＤランプを点火し得る電子バラストおよびＨＩＤランプ制御回路を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための請求項１記載の発明の電子バラストは、高周波始動モードでＨＩＤランプを始動し、始動後、低周波運転モードで前記ＨＩＤランプを駆動する電子バラストであって、前記ＨＩＤランプを点火するための高周波成分と、前記高周波始動モードから前記低周波運転モードへの移行中に点火された前記ＨＩＤランプを保持するための単極または双極のオフセット成分とを含む電圧で前記ＨＩＤランプを駆動する一方、前記ＨＩＤランプの点火直後から前記高周波高電圧を含まずに、前記低周波交流矩形波電圧または制御可能な直流電圧に連続する電圧による電流で前記ＨＩＤランプを駆動するものである。
【００１４】
なお、低周波交流矩形波電圧成分を含む電圧を形成するように直流電圧源をインバートすることによって、前記単極または双極のオフセット成分を発生させる構成でもよい（請求項２）。
【００１５】
また、大デューティサイクルと小デューティサイクルとの間でパワースイッチのデューティサイクルを変調して、前記低周波交流矩形波電圧成分を前記ＨＩＤランプと並列接続される始動キャパシタに発生させる構成でもよい（請求項３）。
【００１６】
また、直流電圧を含む電圧を形成するように直流電圧源をインバートすることによって、前記単極または双極のオフセット成分を発生させる構成でもよい（請求項４）。
【００１７】
また、固定の不平衡デューティサイクルをパワースイッチに与えて直流電圧を前記ＨＩＤランプと並列接続される始動キャパシタに発生させる構成でもよい（請求項５）。
【００１８】
また、連続電流モードで動作する構成でもよい（請求項６）。
【００１９】
また、２つのパワースイッチが交互にオン／オフされるハーフブリッジ構成になっているものでもよい（請求項７）。
【００２０】
また、前記高周波始動モード中は、前記パワースイッチに対するスイッチング周波数を変化させるとともに、前記パワースイッチに対するデューティサイクルを大デューティサイクルから小デューティサイクルにシフトさせる一方、前記低周波運転モード中は、前記パワースイッチに対するスイッチング周波数を固定するとともに、前記パワースイッチに対するデューティサイクルを制御する構成でもよい（請求項８）。
【００２１】
また、２組のパワースイッチが交互にオン／オフされるフルブリッジ構成になっているものでもよい（請求項９）。
【００２２】
また、２組のパワースイッチにより構成されるフルブリッジ構成になっており、前記高周波始動モード中は、２つのパワースイッチが交互にオン／オフされる一方、前記低周波運転モード中は、２つのパワースイッチが低周波で交互にオン／オフされるとともに、他の２つのパワースイッチがそれぞれ前記低周波の交互の半周期中に高周波でオン／オフされる構成でもよい（請求項１０）。
【００２３】
また、インバータを備える構成でもよい（請求項１１）。
【００２４】
また、前記インバータは、前記低周波運転モード中には前記ＨＩＤランプを駆動するために直流電圧源を低周波の矩形波電流源に変換する一方、前記高周波始動モード中には前記ＨＩＤランプを点火するために、低周波交流矩形波電圧または制御可能な直流電圧が加えられた高周波高電圧に前記直流電圧源を変換する構成でもよい（請求項１２）。
【００２５】
また、直流ＨＩＤバラストとして機能する構成でもよい（請求項１３）。
【００２６】
さらに、前記高周波始動モード中は、限流インダクタが前記ＨＩＤランプと並列接続されるキャパシタと共振して直流電圧が加わった高周波高電圧を形成し、ランプ電流が流れると前記ＨＩＤランプを電流ループで制御する構成でもよい（請求項１４）。
【００２７】
請求項１５記載の発明のＨＩＤランプ制御回路は、インバータおよびこのインバータに接続される制御要素を備え、電流を制限するように前記インバータを制御し、直流電圧源を低周波の矩形波電流源に変換してＨＩＤランプを駆動するように電力を制御し、そしてランプ始動中に、低周波交流矩形波電圧または制御可能な直流電圧が加えられた、前記ＨＩＤランプを点火するための高周波高電圧に前記直流電圧源を変換する一方、前記ＨＩＤランプの点火直後から前記高周波高電圧を含まずに、前記低周波交流矩形波電圧または制御可能な直流電圧に連続する電圧による電流で前記ＨＩＤランプを駆動するものである。
【００２８】
なお、前記ＨＩＤランプを点火させるとともにランプ電力およびランプ電流を制御するのに作用する単一の主インダクタを備える構成でもよい（請求項１６）。
【００２９】
上記構成の本発明について、幾つかの具体例を加えながら説明すると、本発明は、ハーフブリッジまたはフルブリッジのインバータを使用してＨＩＤランプに低周波電流を供給する。また、インバータはランプ電力および電流を制御する。この新しい点火制御技術では、高周波始動モードで、パワースイッチのデューティサイクルが所望の低周波の矩形波形出力または固定振幅の直流信号によって変調されて、ＨＩＤランプへの電圧が、低周波の矩形電圧または直流電圧が加えられた高周波・高電圧になる（後述する図３、図６および図８参照）。高周波・高電圧が放電を開始させ、放電が開始すると、低周波の矩形電圧または直流電圧がＨＩＤランプの放電をグローからアークに移行させるように作用する。このように、遅延時間無しにランプ電流を流すことができ、次いでそのランプ電流を電流ループで制御することが可能になる。これにより、失敗無くＨＩＤランプを点火することができる。
【００３０】
インバータでは、低周波運転モード中、限流インダクタである出力インダクタに電流が連続して流れる。回路には別々の電流および電圧ループがあってランプ電力およびランプ電流を制御する。出力インダクタに流れる電流は制御可能な電流源とみなされる。出力インダクタの連続電流のためにその電流リップルは低くなる。出力電流が低リップルになるから、音響共鳴を避けるために、高周波リップル電流を除去するように、例えばＨＩＤランプと並列のキャパシタおよび出力インダクタによって形成される２次フィルタを使用する必要がなくなる。この場合、ＨＩＤランプと並列のキャパシタの容量はランプ点火に従って決定される。また、キャパシタの容量が低いので、共振の循環電流を可能な限り低くすることが可能になるとともに、高周波始動モード中、ＨＩＤランプを点火するのに十分高い電圧振幅を得ることができる。キャパシタの容量が低いので、ＨＩＤランプをグローからアークに移行させるには共振回路の出力インピーダンスが高くなりすぎてＨＩＤランプが容易に立ち消えてしまうことがある。しかしながら、ＨＩＤランプをグローからアークに移行させるのに十分高い低周波エネルギーがあるので、ＨＩＤランプは好適なランプ始動状態で放電を開始するようになる。この新しい点火制御はまた高周波始動モードで循環電流を低減する連続電流モードに使用される。この回路では、出力インダクタ、キャパシタおよびランプ抵抗の回路網が可変帯域フィルタとなる。このフィルタは、高Ｑ回路として作動すると共振周波数を通過させる高周波バンドパスフィルタとなり、低Ｑ回路として作動するとローパスフィルタとなる。その回路網について、高周波および低周波成分を有する励磁源を使用する場合、ランプ抵抗は可変帯域フィルタを制御するのに使用可能になる。すなわち、上記回路網は、高周波始動モードでランプ抵抗が高いときには高Ｑ高周波帯域フィルタとなる一方、低周波運転モードでランプ抵抗が低いときには低Ｑ低周波帯域フィルタとなる。このように、フィルタの特性が自動的に制御可能になる。また、この新しい点火制御によって高周波および低周波成分を有する励磁源が得られる。この励磁源は、ＨＩＤランプの放電を開始させるのに十分高い高周波電圧を生成し、低周波エネルギーによってＨＩＤランプをグローからアークに自動的に移行させるように、回路網を駆動することが可能である。
【００３１】
また、上記回路では、出力インダクタは２つの機能を果たす。一つの機能は高周波始動モード中に共振インダクタとして動作することであり、他の機能は低周波運転モード中にランプ電力およびランプ電流を制御する限流インダクタとして動作することである。一般的にはこれら２つの機能は相反するものである。共振インダクタとしては、回路網が低出力インピーダンスと成るためにインダクタンス値が低いことが要求され、限流インダクタとしては音響共鳴を避けるために出力電流リップルを低くするようにインダクタンス値が高いことが要求される。この問題を解決する幾つか知られた方法がある。簡単な方法は、高周波始動モードと低周波運転モードとの間でスイッチング周波数を変えることである。すなわち、高周波始動モードではスイッチング周波数を低くして回路網の低出力インピーダンスを達成し、低周波運転モードではスイッチング周波数を高くして出力電流リップルを低減させて音響共鳴を防止する。この方法の代償は、スイッチングロスが増大し、システム全体の効率が低下することである。新しい始動制御によれば、共振点火に使用されるインダクタのインダクタンス値を高くでき、そして低周波運転モードでのスイッチング周波数がほん僅か上昇するだけで済み、出力電流リップルを低減させて音響共鳴を防止できる。システム全体を高効率に維持できるのに適している。
【００３２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施形態に係るハーフブリッジ構成の電子バラストを示す概略配線図、図２は図１の電子バラストにおけるスイッチ用の制御信号を示す図、図３は図１の電子バラストによって駆動されるランプの電圧・電流波形図で、以下これらの図を用いて本実施形態について説明する。
【００３３】
この電子バラストは、直列接続のキャパシタＣ１１，Ｃ１２、これらキャパシタＣ１１，Ｃ１２と並列接続される直列接続のスイッチ（ＦＥＴ）Ｑ１１，Ｑ１２、キャパシタＣ１１，Ｃ１２の接続点と一端が接続されるインダクタＬ１０、このインダクタＬ１０の他端とスイッチＱ１１，Ｑ１２の接続点との間に接続されるランプ（ＨＩＤランプ）Ｌａ、このランプＬａと並列接続されるキャパシタＣ１０、スイッチＱ１１，Ｑ１２駆動用のＨＦドライバ１１、およびこのＨＦドライバ１１を介してスイッチＱ１１，Ｑ１２のオン／オフ制御を行う制御回路１０により構成されている。
【００３４】
ここで、図１に示す本実施形態のハーフブリッジ構成と後述の図４に示す別の実施形態のフルブリッジ構成のどちらを選択するかは、ＨＩＤランプ用電子バラストの電力レベルに応じて決定される。なお、図１および図４の電子バラストの動作原理は殆ど同じである。
【００３５】
図１に示すハーフブリッジ構成の電子バラストでは、インダクタＬ１０は、限流インダクタであり、また共振インダクタでもある。キャパシタＣ１０は共振キャパシタである。スイッチＱ１１，Ｑ１２はダイオード（フリーホイール・ダイオード）Ｄ１１，Ｄ１２を持つパワースイッチである。
【００３６】
このように構成された本電子バラストは、電流ループおよび電圧ループの２つの制御ループを有し、高周波ランプ始動モード（図３の始動運転参照）および低周波出力動作モード（図３の定常運転参照）の２つの動作モードで動作する。これら高周波ランプ始動モードおよび低周波出力動作モードは、これら両モードで共通に使用される図２に示す制御回路１０の制御信号と、ランプ電流が流れ始める時点で特性が急激に変動するインダクタＬ１０、キャパシタＣ１０およびランプＬａにより成る負荷共振回路とによって自動的に切り替えられる構成になっている。以下、これらについて説明する。
【００３７】
まず、定常運転時の低周波出力動作モード（低周波運転モード）について説明すると、スイッチＱ１１、ダイオードＤ１２およびインダクタＬ１０は降圧チョッパ回路を形成する。インダクタＬ１０の電流は連続し、出力電流は電流ループによって制御される。
【００３８】
すなわち、スイッチＱ１１がオンすると、インダクタＬ１０およびランプＬａには、図略の直流大容量電源（電圧源）からエネルギーが供給される。スイッチＱ１１がオフすると、ダイオードＤ１２がオンとなって、インダクタＬ１０に電流が引き続き流れ、インダクタＬ１０のエネルギーがランプＬａに放出される。スイッチＱ１１およびダイオードＤ１２の直流チョッピング中は、インダクタＬ１０の電流が一方に流れ続け、ランプＬａの電流が非常に低いリップル直流電流になる。インダクタＬ１０の電流が非常に低い高周波リップルを持つので、音響共鳴を防ぐべく、ランプＬａに流れる高周波リップル電流を除去するように、ランプＬａと並列のキャパシタＣ１０および出力インダクタＬ１０によって形成される２次フィルタを使用する必要がなくなる。この場合、ランプＬａと並列のキャパシタＣ１０の容量はランプ点火に従って決定可能となる。すなわち、回路の循環電流を可能な限り低くして、ランプＬａを点火するのに十分高い電圧振幅を得ることが可能になる。
【００３９】
ここで、インダクタＬ１０の電流が連続して流れるので、スイッチＱ１１がオフすると、スイッチＱ１２がオンであるかオフであるかにかかわらず、インダクタＬ１０の電流がダイオードＤ１２を通して流れるということに留意するのは重要である。これが、図２に示すように、スイッチＱ１１，Ｑ１２が交互にオン／オフされる理由である。
【００４０】
同様に、スイッチＱ１２およびダイオードＤ１１の直流チョッピング中は、インダクタＬ１０の電流は、スイッチＱ１１およびダイオードＤ１２の直流チョッピングの場合とは反対の方向に連続して流れる。
【００４１】
このように、ランプＬａを駆動する低周波の矩形波電流が得られる。電流ループはインダクタＬ１０の電流を基準電流に追随させてランプ電流を制御させる。インダクタＬ１０を流れる電流の周波数および振幅は基準電流によって決定される。また、電圧ループはランプ電圧を検出して共振電流の振幅を制御する。よって、ランプ電力が制御されることになる。
【００４２】
高周波ランプ始動モード（高周波始動モード）では、スイッチＱ１１，Ｑ１２が交互にオン／オフする。ダイオードＤ１１，Ｄ１２は共振回路に対して無効電流路を提供する。低循環電流共振タンクについては、インダクタＬ１０の高インダクタンス値およびキャパシタＣ１０の低容量値のために、そのタンクの出力インピーダンスが高くなる。ランプＬａが放電を開始すると（ブレークダウンされると）、ランプインピーダンスが低い値に急降下して、回路のＱ値も低い値に急降下する。タンクの出力インピーダンスがランプＬａを駆動するには高すぎるので、ランプＬａはグローからアークに移行できずに立ち消えする。出力インピーダンスを低減してランプＬａをグローからアークに移行させるため、低周波源をタンクに追加する必要がある。高周波・高電圧が回路の共振で発生し、共振回路のＱが高い（約１４〜２０）ので、デューティサイクルを５０％程度に維持する必要がない。高周波ランプ始動モードでは、スイッチＱ１１のデューティサイクルＤＭ１１は矩形波形の低周波出力によって変調、すなわちＰＷＭ制御される。スイッチＱ１２のデューティサイクルＤＭ１２についても同様である。ただし、デューティサイクルＤＭ１１，ＤＭ１２はＤＭ１１＝１−ＤＭ１２の関係を有する。
【００４３】
スイッチＱ１１，Ｑ１２のデューティサイクルが変調されるので、ランプＬａと並列のキャパシタＣ１０の電圧は、等価デューティサイクルＤＭ１１と図略の直流大容量電源の電圧によって振幅が決定される低周波電圧と高周波高電圧とにより成る（図３の始動運転期間中における低周波電圧のオフセット成分が双極となっているランプ電圧参照）。ランプＬａと並列のキャパシタＣ１０の低周波電圧が、ランプＬａが点火されるときそのランプＬａを駆動する低周波エネルギーを供給する。
【００４４】
このように、ランプＬａは、高周波で始動し、次いで低周波に自動的に移行可能となる。ランプ電流がセットアップされると（図３の点火時点で流れると）、電流ループによってランプ電流が基準電流波形に追随してランプ電流が制御される。また、本電子バラストは、高周波始動モードから低周波出力動作モードへ円滑に移行し、図１８および図１９の回路のように遅延時間が生じなくなる。
【００４５】
図４は本発明の別の実施形態に係るフルブリッジ構成の電子バラストを示す概略配線図で、以下この図を用いて本実施形態について説明する。
【００４６】
この電子バラストは、直列接続のスイッチＱ２１，Ｑ２２、これらスイッチＱ２１，Ｑ２２と並列接続されるスイッチＱ２３，Ｑ２４、スイッチＱ２１，Ｑ２２の接続点と一端が接続されるインダクタＬ２０、このインダクタＬ２０の他端とスイッチＱ２３，Ｑ２４の接続点との間に接続されるランプＬａ、このランプＬａと並列接続されるキャパシタＣ２０、スイッチＱ２１，Ｑ２２駆動用のＨＦドライバ２１、スイッチＱ２３，Ｑ２４駆動用のＨＦドライバ２２、これらＨＦドライバ２１，２２を介してスイッチＱ２１〜Ｑ２４のオン／オフ制御を行う制御回路２０により構成されている。
【００４７】
図４に示すフルブリッジ構成の電子バラストでは、インダクタＬ２０は、限流インダクタであり。また共振インダクタでもある。キャパシタＣ２０は共振キャパシタである。スイッチＱ２１〜Ｑ２４は、それぞれダイオード（フリーホイール・ダイオード）Ｄ２１〜Ｄ２４を持つパワースイッチである。
【００４８】
このように構成された本電子バラストは、電流ループおよび電圧ループの２つの制御ループを有し、高周波ランプ始動モードおよび低周波出力動作モードの２つの動作モードで動作する。以下、これらについて説明する。
【００４９】
まず、低周波出力動作モードについて説明すると、スイッチＱ２１、ダイオードＤ２２およびインダクタＬ２０は降圧チョッパ回路を形成する。これらスイッチＱ２１、ダイオードＤ２２およびインダクタＬ２０の直流チョッピング期間中には、スイッチＱ２４は全期間に亘ってオンされる。また、インダクタＬ２０の電流は連続で、出力電流は電流ループによって制御される。スイッチＱ２１がオンすると、図示しない直流大容量電源（電圧源）がインダクタＬ２０およびランプＬａにエネルギーを供給する。スイッチＱ２１がオフすると、ダイオードＤ２２がオンになってインダクタＬ２０に電流を流し続け、インダクタＬ２０がそのエネルギーをランプＬａに放出する。
【００５０】
スイッチＱ２１およびダイオードＤ２２の直流チョッピング中には、インダクタＬ２０の電流は一方向に流れ続け、ランプ電流は非常に低いリップルの直流電流になる。インダクタＬ２０の電流が非常に低い高周波リップルを持つので、音響共鳴を防ぐべく、ランプＬａに流れる高周波リップル電流を除去するように、ランプＬａと並列のキャパシタＣ２０および出力インダクタＬ２０によって形成される２次フィルタを使用する必要がなくなる。この場合、ランプＬａと並列のキャパシタＣ２０の容量はランプ点火に従って決定可能となる。共振タンクの循環電流を可能な限り低くして、ランプＬａを点火するのに十分高い電圧を得ることができる。
【００５１】
ここで、インダクタＬ２０の電流が連続して流れるので、スイッチＱ２１がオフすると、スイッチＱ２２がオンであるかオフであるかにかかわらず、インダクタＬ２０の電流がダイオードＤ２２を通して流れるということに留意するのは重要である。これが、スイッチＱ２２が後述の図５に示すようにスイッチＱ２１と交互にオン／オフまたは後述の図７（ｂ）に示すようにオフされる理由である。
【００５２】
同様に、スイッチＱ２３およびダイオードＤ２４の直流チョッピング中には、スイッチＱ２２は全期間中オンされる。インダクタＬ２０の電流は、スイッチＱ２１およびダイオードＤ２２の直流チョッピングの場合とは反対の方向に連続して流れる。
【００５３】
このように、スイッチＱ２１およびダイオードＤ２２とスイッチＱ２３およびダイオードＤ２４の各直流チョッピングにより、ランプＬａを駆動する低周波の矩形波電流が得られる。この回路では、電流ループがインダクタＬ２０の電流を基準電流に追随させる。インダクタＬ２０の電流の周波数および振幅はその基準電流の周波数および振幅によって決定される。電流ループはランプ電流を制御するものとして作用する。また、この回路では、ランプ電圧を検出して基準電流の振幅を制御する電圧ループが設けられる。このようにして、ランプ電力が制御される。
【００５４】
高周波ランプ始動モードには２つのオプションがある。第１オプションは、スイッチＱ２１，Ｑ２４がスイッチＱ２２，Ｑ２３と交互にオン／オフされて、ダイオードＤ２１〜Ｄ２４が共振回路に対して無効電流路を提供するというものである。第２オプションは、スイッチＱ２４がオンしてスイッチＱ２１，Ｑ２２が交互にオン／オフし、ダイオードＤ２１，Ｄ２２が共振回路に対して無効電流路を提供するというものである。どちらを選択するかは、図示しない直流大容量電源の電圧および循環電流ストレスによって決定される。
【００５５】
図５は第１オプションの場合の制御信号を示す図、図６は図５の制御信号によって駆動されるランプの電圧・電流波形図、図７は第２オプションの場合の制御信号を示す図、図８は図７の制御信号によって駆動されるランプの電圧・電流波形図である。
【００５６】
第１オプションの場合、スイッチＱ２１，Ｑ２４は、図５に示すように、スイッチＱ２２，Ｑ２３と交互にオン／オフされる。インダクタＬ２０のインダクタンス値が高くてキャパシタＣ２０の容量が低いために、共振タンクの出力インピーダンスが高くなる。ランプＬａに電流が流れると、ランプＬａのインピーダンスは低い値に急降下し、回路のＱ値も同様に低い値に急降下する。タンクの出力インピーダンスがランプＬａを駆動するには高すぎるので、ランプＬａはグローからアークに移行できずに立ち消えする。出力インピーダンスを低減してランプＬａをグローからアークに移行させるため、低周波源をタンクに追加する必要がある。高周波・高電圧が回路の共振で発生し、共振回路のＱが高い（約１４〜２０）ので、高周波ランプ始動モードでは、スイッチＱ２１，Ｑ２４のデューティサイクルＤＭ２１が低周波出力矩形波形によって変調、すなわち、ＰＷＭ制御される。スイッチＱ２２，Ｑ２３のデューティサイクルＤＭ２２についても同様である。なお、デューティサイクルＤＭ２１，ＤＭ２２はＤＭ２１＝１−ＤＭ２２の関係を有する。
【００５７】
スイッチＱ２１，Ｑ２４およびスイッチＱ２２，Ｑ２３のデューティサイクルが変調されるので、ランプＬａと並列のキャパシタＣ２０の電圧は、等価デューティサイクルＤＭ２１と図略の直流大容量電源の電圧によって振幅が決定される低周波電圧と高周波高電圧とにより成る。ランプＬａと並列のキャパシタＣ２０の低周波電圧が、ランプＬａが点火されるときそのランプＬａを駆動する低周波エネルギーを供給する。
【００５８】
このように、ランプＬａは、高周波で始動し、次いで低周波に自動的に移行可能となる。ランプ電流が流れると、電流ループによってランプ電流が基準電流波形に追随してランプ電流を制御する。また、本電子バラストは、高周波始動モードから低周波出力動作モードへ円滑に移行し、遅延時間を生じさせない。
【００５９】
第２オプションの場合、図７（ａ）に示すように、スイッチＱ２４がオンしてスイッチＱ２１，Ｑ２２が交互にオン／オフするので、共振キャパシタＣ２０の電圧は、スイッチＱ２１のデューティサイクルと直流大容量電源の電圧によって振幅が決定される直流電圧オフセット（図８におけるオフセット成分が単極となっている直流オフセット）が加えられる高周波・高電圧により成る。この高周波・高電圧がランプＬａの放電を開始させる。ランプＬａの放電が開始するとき、キャパシタＣ２０の直流電圧がランプＬａをグローからアークに移行させる。ランプ電流が流れると、電流ループによってランプ電流が基準電流に追随する。このように、本電子バラストは高周波始動モードから低周波出力動作モードに自動的に移行可能で、従来技術のような遅延時間が生じない。すなわち、第２オプションの場合には、例えば従来と同様に、ランプ点火の検出を行い、ランプ点火が検出されると、高周波始動モードを低周波出力動作モードに切り替えるのであるが、図８に示すように、そのモード切替えのために遅延時間が生じたとしても、高周波始動モードにおける直流オフセットの作用によってランプ電流が図８に示すように自動的に低周波の矩形波になるから、実質的に、高周波始動モードから低周波出力動作モードに自動的に移行可能となるのである。ただし、図７（ｂ）は低周波出力動作モード時の制御信号である。
【００６０】
なお、本発明は、図１および図４の回路構成に限らず、図９に示す直流型でＨＩＤランプ用の電子バラストにも適用可能である。この電子バラストは、直流電源と並列接続されるスイッチＱ３１，Ｑ３２、これらスイッチＱ３１，Ｑ３２の接続点と一端が接続されるインダクタＬ３０、このインダクタＬ３０の他端と直流電源の負極性端との間に接続されるランプＬａ、このランプＬａと並列接続されるキャパシタＣ３０、およびスイッチＱ３１，Ｑ３２用の駆動制御回路３０により構成されている。この駆動制御回路３０によるＰＷＭ制御信号を図１０に示し、この制御信号によるランプ電圧・電流波形図を図１１に示す。この電子バラストには、ランプ電流および出力電力を制御する電流ループおよび電圧ループがある。高周波ランプ始動モードでは、スイッチＱ３１，Ｑ３２は、図１０(ａ)に示すように交互にオン／オフされる。限流インダクタＬ３０は、ランプＬａと並列のキャパシタと共振して、ランプＬａの放電を開始させる直流電圧が加えられた高周波高電圧を発生させる。ランプＬａの放電が開始すると、その直流電圧がランプＬａをグローからアークに移行させ、ランプＬａに電流が流れると、ランプ電流が基準電流に追随させられる。電圧ループは入力ランプ電力を制御するように基準電流を制御する。ただし、スイッチＱ３１，Ｑ３１は、それぞれダイオード（フリーホイール・ダイオード）Ｄ３１，Ｄ３２を持つパワースイッチである。また、図１０（ｂ）は低周波出力動作モード時の駆動制御回路３０による制御信号である。
【００６１】
【発明の効果】
以上のことから明らかなように、本発明によれば、高周波始動の利点を維持しながら、遅延時間に起因するランプの立消えおよび大循環電流の問題を解消することができる。また、安価で簡単な回路構成でＨＩＤランプを点火することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るハーフブリッジ構成の電子バラストを示す概略配線図である。
【図２】図１の電子バラストにおけるスイッチ用の制御信号を示す図である。
【図３】図１の電子バラストによって駆動されるランプの電圧・電流波形図である。
【図４】本発明の別の実施形態に係るフルブリッジ構成の電子バラストを示す概略配線図である。
【図５】図４の電子バラストにおけるスイッチに対する第１オプションの場合の制御信号を示す図である。
【図６】図５の制御信号によって駆動される場合のランプ電圧・電流波形図である。
【図７】図４の電子バラストにおけるスイッチに対する第２オプションの場合の制御信号を示す図である。
【図８】図７の制御信号によって駆動される場合のランプ電圧・電流波形図である。
【図９】本発明のさらに別の実施形態に係る電子バラストを示す概略配線図である。
【図１０】図９の電子バラストにおけるスイッチ用の制御信号を示す図である。
【図１１】図１０の制御信号によって駆動される場合のランプ電圧・電流波形図である。
【図１２】高周波共振点火技術が適用される電子バラストの回路図である。
【図１３】図１２に示すハーフブリッジ構成の電子バラストの高周波始動用の制御信号を示す図である。
【図１４】図１２に示すハーフブリッジ構成の電子バラストの低周波駆動用の制御信号を示す図である。
【図１５】高周波共振点火技術が適用される電子バラストの回路図である。
【図１６】図１５に示すフルブリッジ構成の電子バラストの高周波始動用の制御信号を示す図である。
【図１７】図１５に示すフルブリッジ構成の電子バラストの低周波駆動用の制御信号を示す図である。
【図１８】図１２に示すハーフブリッジ構成の電子バラストのランプ電圧・電流波形を示す図である。
【図１９】図１５に示すフルブリッジ構成の電子バラストのランプ電圧・電流波形を示す図である。
【符号の説明】
１０，２０ 制御回路
３０ 駆動制御回路
Ｌ１０，Ｌ２０，Ｌ３０ インダクタ
Ｃ１０，Ｃ２０，Ｃ３０ キャパシタ
Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ２１〜Ｑ２４，Ｑ３１，Ｑ３２ スイッチ
【発明の属する技術分野】
本発明は、失敗無くＨＩＤランプを点火するのに適し、低コストで回路へのストレスが低い電子バラストおよびＨＩＤランプ制御回路に関するもので、特に、ＨＩＤランプを高周波電圧によって点火して低周波波形によって駆動する電子バラストおよびＨＩＤランプ制御回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電子バラスト、特にパルス始動されるＨＩＤ（高輝度放電）ランプ用のバラストでは、付加的な始動回路（イグナイタ）が必要となる。ランプ製造業者により規定されるその点火パルスの振幅は、製造業者間でまちまちであるが、非常に高いものとなっている。また、そのパルス幅には最小動作必要値があり、これは通常１．５マイクロ秒〜２．５マイクロ秒程度である。このような始動パルス条件に合致させると、イグナイタは複雑になり高価となる。
【０００３】
図１２および図１５は米国特許４，９１２，３７４号に記載の高周波共振点火技術が適用される電子バラストの回路図で、図１３，図１４はそれぞれ図１２に示すハーフブリッジ構成の電子バラストの高周波始動用の制御信号および低周波駆動用の制御信号を示す図で、図１６，図１７はそれぞれ図１５に示すフルブリッジ構成の電子バラストの高周波始動用の制御信号および低周波駆動用の制御信号を示す図である。
【０００４】
図１２に示す電子バラストは、キャパシタＣ１１，Ｃ１２、スイッチＱ１１，Ｑ１２、インダクタＬ１０、キャパシタＣ１０、ランプＬａおよびＨＦドライバPA１１により構成されている一方、図１５に示す電子バラストは、スイッチＱ２１〜Ｑ２４、インダクタＬ２０、キャパシタＣ２０、ランプＬａおよびＨＦドライバPA２１，PA２２により構成されている。
【０００５】
これら電子バラストは、図１３，図１４および図１６，図１７に示すように、高周波始動運転および低周波定常運転でランプを駆動するもので、電子バラストが高周波始動モードで動作すると、デューティサイクル５０％の高周波の矩形波が、ランプを点火すべくインダクタ（Ｌ１０，Ｌ２０）およびキャパシタ（Ｃ１０，Ｃ２０）によって形成される共振回路に加えられ、ランプ点火の検出後、スイッチングモードが低周波定常運転に切り替わる構成になっている。
【０００６】
なお、米国特許５，１８２，７０２号には、調光用の不平衡デューティーサイクル運転の制御手法が開示されている。この不平衡デューティサイクル運転制御によれば、バラストの出力電流を一定のスイッチング周波数に安定制御できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記図１２および図１５の電子バラストでは、定常運転に入る際にランプが容易に立ち消えする課題がある。
【０００８】
図１８は図１２に示すハーフブリッジ構成の電子バラストのランプ電圧・電流波形を示す図、図１９は図１５に示すフルブリッジ構成の電子バラストのランプ電圧・電流波形を示す図で、これらの図をさらに用いて上記課題について詳述する。
【０００９】
運転モードが始動運転から定常運転に切り替えられるとき、図１８および図１９に示すように、検知回路のフィルタ回路（図示せず）に起因する遅延時間が生じる。この遅延時間がグローからアークへの移行中に放電の不安定の原因となって、ランプが容易に立ち消えしてしまう。この現象は、ランプが十分に冷却されていない時にしばしば発生する。
【００１０】
また、上記回路構成では、電力制御段およびインバータ段はハーフブリッジまたはフルブリッジ構成において結合されている。そして、電力制御（降圧チョッパ）段は出力インバータと結合され、その電力回路が定常運転に向かって不連続電流モードで動作するので、音響共鳴が発生することになる。この音響共鳴を防止するには、ランプと並列のキャパシタおよび出力インダクタが十分なフィルタを施してランプ電流の高周波成分を最小に抑えるようにする必要がある。このためには、キャパシタの容量を１／１０マイクロファラッド程度の大きさとしなければならない。ところが、このようにキャパシタの容量が大きく、またインダクタのインダクタンス値が比較的小さいと、高周波始動運転中に非常に大きな循環電流が回路に流れることになる。
【００１１】
本発明の目的は、高周波始動の利点を維持しながら、遅延時間に起因するランプの立消えおよび大循環電流の問題を解消し得る電子バラストおよびＨＩＤランプ制御回路を提供することである。
【００１２】
また、本発明の別の目的は、安価で簡単な回路構成でＨＩＤランプを点火し得る電子バラストおよびＨＩＤランプ制御回路を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための請求項１記載の発明の電子バラストは、高周波始動モードでＨＩＤランプを始動し、始動後、低周波運転モードで前記ＨＩＤランプを駆動する電子バラストであって、前記ＨＩＤランプを点火するための高周波成分と、前記高周波始動モードから前記低周波運転モードへの移行中に点火された前記ＨＩＤランプを保持するための単極または双極のオフセット成分とを含む電圧で前記ＨＩＤランプを駆動する一方、前記ＨＩＤランプの点火直後から前記高周波高電圧を含まずに、前記低周波交流矩形波電圧または制御可能な直流電圧に連続する電圧による電流で前記ＨＩＤランプを駆動するものである。
【００１４】
なお、低周波交流矩形波電圧成分を含む電圧を形成するように直流電圧源をインバートすることによって、前記単極または双極のオフセット成分を発生させる構成でもよい（請求項２）。
【００１５】
また、大デューティサイクルと小デューティサイクルとの間でパワースイッチのデューティサイクルを変調して、前記低周波交流矩形波電圧成分を前記ＨＩＤランプと並列接続される始動キャパシタに発生させる構成でもよい（請求項３）。
【００１６】
また、直流電圧を含む電圧を形成するように直流電圧源をインバートすることによって、前記単極または双極のオフセット成分を発生させる構成でもよい（請求項４）。
【００１７】
また、固定の不平衡デューティサイクルをパワースイッチに与えて直流電圧を前記ＨＩＤランプと並列接続される始動キャパシタに発生させる構成でもよい（請求項５）。
【００１８】
また、連続電流モードで動作する構成でもよい（請求項６）。
【００１９】
また、２つのパワースイッチが交互にオン／オフされるハーフブリッジ構成になっているものでもよい（請求項７）。
【００２０】
また、前記高周波始動モード中は、前記パワースイッチに対するスイッチング周波数を変化させるとともに、前記パワースイッチに対するデューティサイクルを大デューティサイクルから小デューティサイクルにシフトさせる一方、前記低周波運転モード中は、前記パワースイッチに対するスイッチング周波数を固定するとともに、前記パワースイッチに対するデューティサイクルを制御する構成でもよい（請求項８）。
【００２１】
また、２組のパワースイッチが交互にオン／オフされるフルブリッジ構成になっているものでもよい（請求項９）。
【００２２】
また、２組のパワースイッチにより構成されるフルブリッジ構成になっており、前記高周波始動モード中は、２つのパワースイッチが交互にオン／オフされる一方、前記低周波運転モード中は、２つのパワースイッチが低周波で交互にオン／オフされるとともに、他の２つのパワースイッチがそれぞれ前記低周波の交互の半周期中に高周波でオン／オフされる構成でもよい（請求項１０）。
【００２３】
また、インバータを備える構成でもよい（請求項１１）。
【００２４】
また、前記インバータは、前記低周波運転モード中には前記ＨＩＤランプを駆動するために直流電圧源を低周波の矩形波電流源に変換する一方、前記高周波始動モード中には前記ＨＩＤランプを点火するために、低周波交流矩形波電圧または制御可能な直流電圧が加えられた高周波高電圧に前記直流電圧源を変換する構成でもよい（請求項１２）。
【００２５】
また、直流ＨＩＤバラストとして機能する構成でもよい（請求項１３）。
【００２６】
さらに、前記高周波始動モード中は、限流インダクタが前記ＨＩＤランプと並列接続されるキャパシタと共振して直流電圧が加わった高周波高電圧を形成し、ランプ電流が流れると前記ＨＩＤランプを電流ループで制御する構成でもよい（請求項１４）。
【００２７】
請求項１５記載の発明のＨＩＤランプ制御回路は、インバータおよびこのインバータに接続される制御要素を備え、電流を制限するように前記インバータを制御し、直流電圧源を低周波の矩形波電流源に変換してＨＩＤランプを駆動するように電力を制御し、そしてランプ始動中に、低周波交流矩形波電圧または制御可能な直流電圧が加えられた、前記ＨＩＤランプを点火するための高周波高電圧に前記直流電圧源を変換する一方、前記ＨＩＤランプの点火直後から前記高周波高電圧を含まずに、前記低周波交流矩形波電圧または制御可能な直流電圧に連続する電圧による電流で前記ＨＩＤランプを駆動するものである。
【００２８】
なお、前記ＨＩＤランプを点火させるとともにランプ電力およびランプ電流を制御するのに作用する単一の主インダクタを備える構成でもよい（請求項１６）。
【００２９】
上記構成の本発明について、幾つかの具体例を加えながら説明すると、本発明は、ハーフブリッジまたはフルブリッジのインバータを使用してＨＩＤランプに低周波電流を供給する。また、インバータはランプ電力および電流を制御する。この新しい点火制御技術では、高周波始動モードで、パワースイッチのデューティサイクルが所望の低周波の矩形波形出力または固定振幅の直流信号によって変調されて、ＨＩＤランプへの電圧が、低周波の矩形電圧または直流電圧が加えられた高周波・高電圧になる（後述する図３、図６および図８参照）。高周波・高電圧が放電を開始させ、放電が開始すると、低周波の矩形電圧または直流電圧がＨＩＤランプの放電をグローからアークに移行させるように作用する。このように、遅延時間無しにランプ電流を流すことができ、次いでそのランプ電流を電流ループで制御することが可能になる。これにより、失敗無くＨＩＤランプを点火することができる。
【００３０】
インバータでは、低周波運転モード中、限流インダクタである出力インダクタに電流が連続して流れる。回路には別々の電流および電圧ループがあってランプ電力およびランプ電流を制御する。出力インダクタに流れる電流は制御可能な電流源とみなされる。出力インダクタの連続電流のためにその電流リップルは低くなる。出力電流が低リップルになるから、音響共鳴を避けるために、高周波リップル電流を除去するように、例えばＨＩＤランプと並列のキャパシタおよび出力インダクタによって形成される２次フィルタを使用する必要がなくなる。この場合、ＨＩＤランプと並列のキャパシタの容量はランプ点火に従って決定される。また、キャパシタの容量が低いので、共振の循環電流を可能な限り低くすることが可能になるとともに、高周波始動モード中、ＨＩＤランプを点火するのに十分高い電圧振幅を得ることができる。キャパシタの容量が低いので、ＨＩＤランプをグローからアークに移行させるには共振回路の出力インピーダンスが高くなりすぎてＨＩＤランプが容易に立ち消えてしまうことがある。しかしながら、ＨＩＤランプをグローからアークに移行させるのに十分高い低周波エネルギーがあるので、ＨＩＤランプは好適なランプ始動状態で放電を開始するようになる。この新しい点火制御はまた高周波始動モードで循環電流を低減する連続電流モードに使用される。この回路では、出力インダクタ、キャパシタおよびランプ抵抗の回路網が可変帯域フィルタとなる。このフィルタは、高Ｑ回路として作動すると共振周波数を通過させる高周波バンドパスフィルタとなり、低Ｑ回路として作動するとローパスフィルタとなる。その回路網について、高周波および低周波成分を有する励磁源を使用する場合、ランプ抵抗は可変帯域フィルタを制御するのに使用可能になる。すなわち、上記回路網は、高周波始動モードでランプ抵抗が高いときには高Ｑ高周波帯域フィルタとなる一方、低周波運転モードでランプ抵抗が低いときには低Ｑ低周波帯域フィルタとなる。このように、フィルタの特性が自動的に制御可能になる。また、この新しい点火制御によって高周波および低周波成分を有する励磁源が得られる。この励磁源は、ＨＩＤランプの放電を開始させるのに十分高い高周波電圧を生成し、低周波エネルギーによってＨＩＤランプをグローからアークに自動的に移行させるように、回路網を駆動することが可能である。
【００３１】
また、上記回路では、出力インダクタは２つの機能を果たす。一つの機能は高周波始動モード中に共振インダクタとして動作することであり、他の機能は低周波運転モード中にランプ電力およびランプ電流を制御する限流インダクタとして動作することである。一般的にはこれら２つの機能は相反するものである。共振インダクタとしては、回路網が低出力インピーダンスと成るためにインダクタンス値が低いことが要求され、限流インダクタとしては音響共鳴を避けるために出力電流リップルを低くするようにインダクタンス値が高いことが要求される。この問題を解決する幾つか知られた方法がある。簡単な方法は、高周波始動モードと低周波運転モードとの間でスイッチング周波数を変えることである。すなわち、高周波始動モードではスイッチング周波数を低くして回路網の低出力インピーダンスを達成し、低周波運転モードではスイッチング周波数を高くして出力電流リップルを低減させて音響共鳴を防止する。この方法の代償は、スイッチングロスが増大し、システム全体の効率が低下することである。新しい始動制御によれば、共振点火に使用されるインダクタのインダクタンス値を高くでき、そして低周波運転モードでのスイッチング周波数がほん僅か上昇するだけで済み、出力電流リップルを低減させて音響共鳴を防止できる。システム全体を高効率に維持できるのに適している。
【００３２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施形態に係るハーフブリッジ構成の電子バラストを示す概略配線図、図２は図１の電子バラストにおけるスイッチ用の制御信号を示す図、図３は図１の電子バラストによって駆動されるランプの電圧・電流波形図で、以下これらの図を用いて本実施形態について説明する。
【００３３】
この電子バラストは、直列接続のキャパシタＣ１１，Ｃ１２、これらキャパシタＣ１１，Ｃ１２と並列接続される直列接続のスイッチ（ＦＥＴ）Ｑ１１，Ｑ１２、キャパシタＣ１１，Ｃ１２の接続点と一端が接続されるインダクタＬ１０、このインダクタＬ１０の他端とスイッチＱ１１，Ｑ１２の接続点との間に接続されるランプ（ＨＩＤランプ）Ｌａ、このランプＬａと並列接続されるキャパシタＣ１０、スイッチＱ１１，Ｑ１２駆動用のＨＦドライバ１１、およびこのＨＦドライバ１１を介してスイッチＱ１１，Ｑ１２のオン／オフ制御を行う制御回路１０により構成されている。
【００３４】
ここで、図１に示す本実施形態のハーフブリッジ構成と後述の図４に示す別の実施形態のフルブリッジ構成のどちらを選択するかは、ＨＩＤランプ用電子バラストの電力レベルに応じて決定される。なお、図１および図４の電子バラストの動作原理は殆ど同じである。
【００３５】
図１に示すハーフブリッジ構成の電子バラストでは、インダクタＬ１０は、限流インダクタであり、また共振インダクタでもある。キャパシタＣ１０は共振キャパシタである。スイッチＱ１１，Ｑ１２はダイオード（フリーホイール・ダイオード）Ｄ１１，Ｄ１２を持つパワースイッチである。
【００３６】
このように構成された本電子バラストは、電流ループおよび電圧ループの２つの制御ループを有し、高周波ランプ始動モード（図３の始動運転参照）および低周波出力動作モード（図３の定常運転参照）の２つの動作モードで動作する。これら高周波ランプ始動モードおよび低周波出力動作モードは、これら両モードで共通に使用される図２に示す制御回路１０の制御信号と、ランプ電流が流れ始める時点で特性が急激に変動するインダクタＬ１０、キャパシタＣ１０およびランプＬａにより成る負荷共振回路とによって自動的に切り替えられる構成になっている。以下、これらについて説明する。
【００３７】
まず、定常運転時の低周波出力動作モード（低周波運転モード）について説明すると、スイッチＱ１１、ダイオードＤ１２およびインダクタＬ１０は降圧チョッパ回路を形成する。インダクタＬ１０の電流は連続し、出力電流は電流ループによって制御される。
【００３８】
すなわち、スイッチＱ１１がオンすると、インダクタＬ１０およびランプＬａには、図略の直流大容量電源（電圧源）からエネルギーが供給される。スイッチＱ１１がオフすると、ダイオードＤ１２がオンとなって、インダクタＬ１０に電流が引き続き流れ、インダクタＬ１０のエネルギーがランプＬａに放出される。スイッチＱ１１およびダイオードＤ１２の直流チョッピング中は、インダクタＬ１０の電流が一方に流れ続け、ランプＬａの電流が非常に低いリップル直流電流になる。インダクタＬ１０の電流が非常に低い高周波リップルを持つので、音響共鳴を防ぐべく、ランプＬａに流れる高周波リップル電流を除去するように、ランプＬａと並列のキャパシタＣ１０および出力インダクタＬ１０によって形成される２次フィルタを使用する必要がなくなる。この場合、ランプＬａと並列のキャパシタＣ１０の容量はランプ点火に従って決定可能となる。すなわち、回路の循環電流を可能な限り低くして、ランプＬａを点火するのに十分高い電圧振幅を得ることが可能になる。
【００３９】
ここで、インダクタＬ１０の電流が連続して流れるので、スイッチＱ１１がオフすると、スイッチＱ１２がオンであるかオフであるかにかかわらず、インダクタＬ１０の電流がダイオードＤ１２を通して流れるということに留意するのは重要である。これが、図２に示すように、スイッチＱ１１，Ｑ１２が交互にオン／オフされる理由である。
【００４０】
同様に、スイッチＱ１２およびダイオードＤ１１の直流チョッピング中は、インダクタＬ１０の電流は、スイッチＱ１１およびダイオードＤ１２の直流チョッピングの場合とは反対の方向に連続して流れる。
【００４１】
このように、ランプＬａを駆動する低周波の矩形波電流が得られる。電流ループはインダクタＬ１０の電流を基準電流に追随させてランプ電流を制御させる。インダクタＬ１０を流れる電流の周波数および振幅は基準電流によって決定される。また、電圧ループはランプ電圧を検出して共振電流の振幅を制御する。よって、ランプ電力が制御されることになる。
【００４２】
高周波ランプ始動モード（高周波始動モード）では、スイッチＱ１１，Ｑ１２が交互にオン／オフする。ダイオードＤ１１，Ｄ１２は共振回路に対して無効電流路を提供する。低循環電流共振タンクについては、インダクタＬ１０の高インダクタンス値およびキャパシタＣ１０の低容量値のために、そのタンクの出力インピーダンスが高くなる。ランプＬａが放電を開始すると（ブレークダウンされると）、ランプインピーダンスが低い値に急降下して、回路のＱ値も低い値に急降下する。タンクの出力インピーダンスがランプＬａを駆動するには高すぎるので、ランプＬａはグローからアークに移行できずに立ち消えする。出力インピーダンスを低減してランプＬａをグローからアークに移行させるため、低周波源をタンクに追加する必要がある。高周波・高電圧が回路の共振で発生し、共振回路のＱが高い（約１４〜２０）ので、デューティサイクルを５０％程度に維持する必要がない。高周波ランプ始動モードでは、スイッチＱ１１のデューティサイクルＤＭ１１は矩形波形の低周波出力によって変調、すなわちＰＷＭ制御される。スイッチＱ１２のデューティサイクルＤＭ１２についても同様である。ただし、デューティサイクルＤＭ１１，ＤＭ１２はＤＭ１１＝１−ＤＭ１２の関係を有する。
【００４３】
スイッチＱ１１，Ｑ１２のデューティサイクルが変調されるので、ランプＬａと並列のキャパシタＣ１０の電圧は、等価デューティサイクルＤＭ１１と図略の直流大容量電源の電圧によって振幅が決定される低周波電圧と高周波高電圧とにより成る（図３の始動運転期間中における低周波電圧のオフセット成分が双極となっているランプ電圧参照）。ランプＬａと並列のキャパシタＣ１０の低周波電圧が、ランプＬａが点火されるときそのランプＬａを駆動する低周波エネルギーを供給する。
【００４４】
このように、ランプＬａは、高周波で始動し、次いで低周波に自動的に移行可能となる。ランプ電流がセットアップされると（図３の点火時点で流れると）、電流ループによってランプ電流が基準電流波形に追随してランプ電流が制御される。また、本電子バラストは、高周波始動モードから低周波出力動作モードへ円滑に移行し、図１８および図１９の回路のように遅延時間が生じなくなる。
【００４５】
図４は本発明の別の実施形態に係るフルブリッジ構成の電子バラストを示す概略配線図で、以下この図を用いて本実施形態について説明する。
【００４６】
この電子バラストは、直列接続のスイッチＱ２１，Ｑ２２、これらスイッチＱ２１，Ｑ２２と並列接続されるスイッチＱ２３，Ｑ２４、スイッチＱ２１，Ｑ２２の接続点と一端が接続されるインダクタＬ２０、このインダクタＬ２０の他端とスイッチＱ２３，Ｑ２４の接続点との間に接続されるランプＬａ、このランプＬａと並列接続されるキャパシタＣ２０、スイッチＱ２１，Ｑ２２駆動用のＨＦドライバ２１、スイッチＱ２３，Ｑ２４駆動用のＨＦドライバ２２、これらＨＦドライバ２１，２２を介してスイッチＱ２１〜Ｑ２４のオン／オフ制御を行う制御回路２０により構成されている。
【００４７】
図４に示すフルブリッジ構成の電子バラストでは、インダクタＬ２０は、限流インダクタであり。また共振インダクタでもある。キャパシタＣ２０は共振キャパシタである。スイッチＱ２１〜Ｑ２４は、それぞれダイオード（フリーホイール・ダイオード）Ｄ２１〜Ｄ２４を持つパワースイッチである。
【００４８】
このように構成された本電子バラストは、電流ループおよび電圧ループの２つの制御ループを有し、高周波ランプ始動モードおよび低周波出力動作モードの２つの動作モードで動作する。以下、これらについて説明する。
【００４９】
まず、低周波出力動作モードについて説明すると、スイッチＱ２１、ダイオードＤ２２およびインダクタＬ２０は降圧チョッパ回路を形成する。これらスイッチＱ２１、ダイオードＤ２２およびインダクタＬ２０の直流チョッピング期間中には、スイッチＱ２４は全期間に亘ってオンされる。また、インダクタＬ２０の電流は連続で、出力電流は電流ループによって制御される。スイッチＱ２１がオンすると、図示しない直流大容量電源（電圧源）がインダクタＬ２０およびランプＬａにエネルギーを供給する。スイッチＱ２１がオフすると、ダイオードＤ２２がオンになってインダクタＬ２０に電流を流し続け、インダクタＬ２０がそのエネルギーをランプＬａに放出する。
【００５０】
スイッチＱ２１およびダイオードＤ２２の直流チョッピング中には、インダクタＬ２０の電流は一方向に流れ続け、ランプ電流は非常に低いリップルの直流電流になる。インダクタＬ２０の電流が非常に低い高周波リップルを持つので、音響共鳴を防ぐべく、ランプＬａに流れる高周波リップル電流を除去するように、ランプＬａと並列のキャパシタＣ２０および出力インダクタＬ２０によって形成される２次フィルタを使用する必要がなくなる。この場合、ランプＬａと並列のキャパシタＣ２０の容量はランプ点火に従って決定可能となる。共振タンクの循環電流を可能な限り低くして、ランプＬａを点火するのに十分高い電圧を得ることができる。
【００５１】
ここで、インダクタＬ２０の電流が連続して流れるので、スイッチＱ２１がオフすると、スイッチＱ２２がオンであるかオフであるかにかかわらず、インダクタＬ２０の電流がダイオードＤ２２を通して流れるということに留意するのは重要である。これが、スイッチＱ２２が後述の図５に示すようにスイッチＱ２１と交互にオン／オフまたは後述の図７（ｂ）に示すようにオフされる理由である。
【００５２】
同様に、スイッチＱ２３およびダイオードＤ２４の直流チョッピング中には、スイッチＱ２２は全期間中オンされる。インダクタＬ２０の電流は、スイッチＱ２１およびダイオードＤ２２の直流チョッピングの場合とは反対の方向に連続して流れる。
【００５３】
このように、スイッチＱ２１およびダイオードＤ２２とスイッチＱ２３およびダイオードＤ２４の各直流チョッピングにより、ランプＬａを駆動する低周波の矩形波電流が得られる。この回路では、電流ループがインダクタＬ２０の電流を基準電流に追随させる。インダクタＬ２０の電流の周波数および振幅はその基準電流の周波数および振幅によって決定される。電流ループはランプ電流を制御するものとして作用する。また、この回路では、ランプ電圧を検出して基準電流の振幅を制御する電圧ループが設けられる。このようにして、ランプ電力が制御される。
【００５４】
高周波ランプ始動モードには２つのオプションがある。第１オプションは、スイッチＱ２１，Ｑ２４がスイッチＱ２２，Ｑ２３と交互にオン／オフされて、ダイオードＤ２１〜Ｄ２４が共振回路に対して無効電流路を提供するというものである。第２オプションは、スイッチＱ２４がオンしてスイッチＱ２１，Ｑ２２が交互にオン／オフし、ダイオードＤ２１，Ｄ２２が共振回路に対して無効電流路を提供するというものである。どちらを選択するかは、図示しない直流大容量電源の電圧および循環電流ストレスによって決定される。
【００５５】
図５は第１オプションの場合の制御信号を示す図、図６は図５の制御信号によって駆動されるランプの電圧・電流波形図、図７は第２オプションの場合の制御信号を示す図、図８は図７の制御信号によって駆動されるランプの電圧・電流波形図である。
【００５６】
第１オプションの場合、スイッチＱ２１，Ｑ２４は、図５に示すように、スイッチＱ２２，Ｑ２３と交互にオン／オフされる。インダクタＬ２０のインダクタンス値が高くてキャパシタＣ２０の容量が低いために、共振タンクの出力インピーダンスが高くなる。ランプＬａに電流が流れると、ランプＬａのインピーダンスは低い値に急降下し、回路のＱ値も同様に低い値に急降下する。タンクの出力インピーダンスがランプＬａを駆動するには高すぎるので、ランプＬａはグローからアークに移行できずに立ち消えする。出力インピーダンスを低減してランプＬａをグローからアークに移行させるため、低周波源をタンクに追加する必要がある。高周波・高電圧が回路の共振で発生し、共振回路のＱが高い（約１４〜２０）ので、高周波ランプ始動モードでは、スイッチＱ２１，Ｑ２４のデューティサイクルＤＭ２１が低周波出力矩形波形によって変調、すなわち、ＰＷＭ制御される。スイッチＱ２２，Ｑ２３のデューティサイクルＤＭ２２についても同様である。なお、デューティサイクルＤＭ２１，ＤＭ２２はＤＭ２１＝１−ＤＭ２２の関係を有する。
【００５７】
スイッチＱ２１，Ｑ２４およびスイッチＱ２２，Ｑ２３のデューティサイクルが変調されるので、ランプＬａと並列のキャパシタＣ２０の電圧は、等価デューティサイクルＤＭ２１と図略の直流大容量電源の電圧によって振幅が決定される低周波電圧と高周波高電圧とにより成る。ランプＬａと並列のキャパシタＣ２０の低周波電圧が、ランプＬａが点火されるときそのランプＬａを駆動する低周波エネルギーを供給する。
【００５８】
このように、ランプＬａは、高周波で始動し、次いで低周波に自動的に移行可能となる。ランプ電流が流れると、電流ループによってランプ電流が基準電流波形に追随してランプ電流を制御する。また、本電子バラストは、高周波始動モードから低周波出力動作モードへ円滑に移行し、遅延時間を生じさせない。
【００５９】
第２オプションの場合、図７（ａ）に示すように、スイッチＱ２４がオンしてスイッチＱ２１，Ｑ２２が交互にオン／オフするので、共振キャパシタＣ２０の電圧は、スイッチＱ２１のデューティサイクルと直流大容量電源の電圧によって振幅が決定される直流電圧オフセット（図８におけるオフセット成分が単極となっている直流オフセット）が加えられる高周波・高電圧により成る。この高周波・高電圧がランプＬａの放電を開始させる。ランプＬａの放電が開始するとき、キャパシタＣ２０の直流電圧がランプＬａをグローからアークに移行させる。ランプ電流が流れると、電流ループによってランプ電流が基準電流に追随する。このように、本電子バラストは高周波始動モードから低周波出力動作モードに自動的に移行可能で、従来技術のような遅延時間が生じない。すなわち、第２オプションの場合には、例えば従来と同様に、ランプ点火の検出を行い、ランプ点火が検出されると、高周波始動モードを低周波出力動作モードに切り替えるのであるが、図８に示すように、そのモード切替えのために遅延時間が生じたとしても、高周波始動モードにおける直流オフセットの作用によってランプ電流が図８に示すように自動的に低周波の矩形波になるから、実質的に、高周波始動モードから低周波出力動作モードに自動的に移行可能となるのである。ただし、図７（ｂ）は低周波出力動作モード時の制御信号である。
【００６０】
なお、本発明は、図１および図４の回路構成に限らず、図９に示す直流型でＨＩＤランプ用の電子バラストにも適用可能である。この電子バラストは、直流電源と並列接続されるスイッチＱ３１，Ｑ３２、これらスイッチＱ３１，Ｑ３２の接続点と一端が接続されるインダクタＬ３０、このインダクタＬ３０の他端と直流電源の負極性端との間に接続されるランプＬａ、このランプＬａと並列接続されるキャパシタＣ３０、およびスイッチＱ３１，Ｑ３２用の駆動制御回路３０により構成されている。この駆動制御回路３０によるＰＷＭ制御信号を図１０に示し、この制御信号によるランプ電圧・電流波形図を図１１に示す。この電子バラストには、ランプ電流および出力電力を制御する電流ループおよび電圧ループがある。高周波ランプ始動モードでは、スイッチＱ３１，Ｑ３２は、図１０(ａ)に示すように交互にオン／オフされる。限流インダクタＬ３０は、ランプＬａと並列のキャパシタと共振して、ランプＬａの放電を開始させる直流電圧が加えられた高周波高電圧を発生させる。ランプＬａの放電が開始すると、その直流電圧がランプＬａをグローからアークに移行させ、ランプＬａに電流が流れると、ランプ電流が基準電流に追随させられる。電圧ループは入力ランプ電力を制御するように基準電流を制御する。ただし、スイッチＱ３１，Ｑ３１は、それぞれダイオード（フリーホイール・ダイオード）Ｄ３１，Ｄ３２を持つパワースイッチである。また、図１０（ｂ）は低周波出力動作モード時の駆動制御回路３０による制御信号である。
【００６１】
【発明の効果】
以上のことから明らかなように、本発明によれば、高周波始動の利点を維持しながら、遅延時間に起因するランプの立消えおよび大循環電流の問題を解消することができる。また、安価で簡単な回路構成でＨＩＤランプを点火することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るハーフブリッジ構成の電子バラストを示す概略配線図である。
【図２】図１の電子バラストにおけるスイッチ用の制御信号を示す図である。
【図３】図１の電子バラストによって駆動されるランプの電圧・電流波形図である。
【図４】本発明の別の実施形態に係るフルブリッジ構成の電子バラストを示す概略配線図である。
【図５】図４の電子バラストにおけるスイッチに対する第１オプションの場合の制御信号を示す図である。
【図６】図５の制御信号によって駆動される場合のランプ電圧・電流波形図である。
【図７】図４の電子バラストにおけるスイッチに対する第２オプションの場合の制御信号を示す図である。
【図８】図７の制御信号によって駆動される場合のランプ電圧・電流波形図である。
【図９】本発明のさらに別の実施形態に係る電子バラストを示す概略配線図である。
【図１０】図９の電子バラストにおけるスイッチ用の制御信号を示す図である。
【図１１】図１０の制御信号によって駆動される場合のランプ電圧・電流波形図である。
【図１２】高周波共振点火技術が適用される電子バラストの回路図である。
【図１３】図１２に示すハーフブリッジ構成の電子バラストの高周波始動用の制御信号を示す図である。
【図１４】図１２に示すハーフブリッジ構成の電子バラストの低周波駆動用の制御信号を示す図である。
【図１５】高周波共振点火技術が適用される電子バラストの回路図である。
【図１６】図１５に示すフルブリッジ構成の電子バラストの高周波始動用の制御信号を示す図である。
【図１７】図１５に示すフルブリッジ構成の電子バラストの低周波駆動用の制御信号を示す図である。
【図１８】図１２に示すハーフブリッジ構成の電子バラストのランプ電圧・電流波形を示す図である。
【図１９】図１５に示すフルブリッジ構成の電子バラストのランプ電圧・電流波形を示す図である。
【符号の説明】
１０，２０ 制御回路
３０ 駆動制御回路
Ｌ１０，Ｌ２０，Ｌ３０ インダクタ
Ｃ１０，Ｃ２０，Ｃ３０ キャパシタ
Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ２１〜Ｑ２４，Ｑ３１，Ｑ３２ スイッチ
Claims (16)
- 高周波始動モードでＨＩＤランプを始動し、始動後、低周波運転モードで前記ＨＩＤランプを駆動する電子バラストであって、
前記ＨＩＤランプを点火するための高周波成分と、前記高周波始動モードから前記低周波運転モードへの移行中に点火された前記ＨＩＤランプを保持するための単極または双極のオフセット成分とを含む電圧で前記ＨＩＤランプを駆動する一方、
前記ＨＩＤランプの点火直後から前記高周波成分を含まずに、前記低周波運転モードに移行して、前記オフセット成分を含む電圧に連続する電圧による単極または双極の電流で前記ＨＩＤランプを駆動する
電子バラスト。 - 低周波交流矩形波電圧成分を含む電圧を形成するように直流電圧源をインバートすることによって、前記単極または双極のオフセット成分を発生させる請求項１記載の電子バラスト。
- 大デューティサイクルと小デューティサイクルとの間でパワースイッチのデューティサイクルを変調して、前記低周波交流矩形波電圧成分を前記ＨＩＤランプと並列接続される始動キャパシタに発生させる請求項２記載の電子バラスト。
- 直流電圧を含む電圧を形成するように直流電圧源をインバートすることによって、前記単極または双極のオフセット成分を発生させる請求項１記載の電子バラスト。
- 固定の不平衡デューティサイクルをパワースイッチに与えて直流電圧を前記ＨＩＤランプと並列接続される始動キャパシタに発生させる請求項４記載の電子バラスト。
- 連続電流モードで動作する請求項１記載の電子バラスト。
- ２つのパワースイッチが交互にオン／オフされるハーフブリッジ構成になっている請求項１記載の電子バラスト。
- 前記高周波始動モード中は、前記パワースイッチに対するスイッチング周波数を変化させるとともに、前記パワースイッチに対するデューティサイクルを大デューティサイクルから小デューティサイクルにシフトさせる一方、前記低周波運転モード中は、前記パワースイッチに対するスイッチング周波数を固定するとともに、前記パワースイッチに対するデューティサイクルを制御する請求項７記載の電子バラスト。
- ２組のパワースイッチが交互にオン／オフされるフルブリッジ構成になっている請求項１記載の電子バラスト。
- ２組のパワースイッチにより構成されるフルブリッジ構成になっており、前記高周波始動モード中は、２つのパワースイッチが交互にオン／オフされる一方、前記低周波運転モード中は、２つのパワースイッチが低周波で交互にオン／オフされるとともに、他の２つのパワースイッチがそれぞれ前記低周波の交互の半周期中に高周波でオン／オフされる請求項１記載の電子バラスト。
- インバータを備える請求項１記載の電子バラスト。
- 前記インバータは、前記低周波運転モード中には前記ＨＩＤランプを駆動するために直流電圧源を低周波の矩形波電流源に変換する一方、前記高周波始動モード中には前記ＨＩＤランプを点火するために、低周波交流矩形波電圧または制御可能な直流電圧が加えられた高周波高電圧に前記直流電圧源を変換する請求項１１記載の電子バラスト。
- 直流ＨＩＤバラストとして機能する請求項１記載の電子バラスト。
- 前記高周波始動モード中は、限流インダクタが前記ＨＩＤランプと並列接続されるキャパシタと共振して直流電圧が加わった高周波高電圧を形成し、ランプ電流が流れると前記ＨＩＤランプを電流ループで制御する請求項１３記載の電子バラスト。
- インバータおよびこのインバータに接続される制御要素を備え、電流を制限するように前記インバータを制御し、直流電圧源を低周波の矩形波電流源に変換してＨＩＤランプを駆動するように電力を制御し、そしてランプ始動中に、低周波交流矩形波電圧または制御可能な直流電圧が加えられた、前記ＨＩＤランプを点火するための高周波高電圧に前記直流電圧源を変換する一方、
前記ＨＩＤランプの点火直後から前記高周波高電圧を含まずに、前記低周波交流矩形波電圧または制御可能な直流電圧に連続する電圧による電流で前記ＨＩＤランプを駆動する
ＨＩＤランプ制御回路。 - 前記ＨＩＤランプを点火させるとともにランプ電力およびランプ電流を制御するのに作用する単一の主インダクタを備える請求項１５記載のＨＩＤランプ制御回路。
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