JP3982101B2 - 放電灯点灯装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は小さな限流要素を用いて放電灯を安定に点灯する放電灯点灯装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、小さな限流要素を用いて放電灯を安定に点灯する技術として、ランプの特性電圧よりも高い電圧と、ランプの特性電圧よりも低い電圧を交互に高速に切り替えて、ランプ電流を設定範囲に制御しようとする技術が存在する。ランプの特性電圧よりも高い電圧を供給するとランプ電流は増大し、ランプの特性電圧よりも低い電圧を供給するとランプ電流は減少するので、切替えを適切に制御することにより、ランプ電流を制御することができる。以下、その原理について説明する。
【０００３】
一般的に、ランプ（放電灯）を点灯するにはバラスト（限流要素）が必要である。その理由はランプの電気特性が負特性である（つまり負性抵抗を有する）からである。ランプの電流Ｅと電流密度Ｊとの関係は一般に以下の式で示される。Ｊ＝σＥ
ここで、σは導電率と呼ばれ、固体の場合には定数とみなしてよいものである。しかし、気体放電の場合には導電率は以下の式に示されるように電子密度の関数になる。
σ＝ｅｎμ
ただし、ｅは単位電荷、ｎは電子密度、μは移動度である。移動度μは電子温度と圧力の関数であるが一定とみなしてよい。このことから、電流密度（つまり放電電流）はランプ内部の電子密度と電界の２つによって決定されることが分かる。基本的にはランプ電流（電流密度）が決まると、結果として電子密度と電界が決まる、という考え方が最も分かりやすく、しかも現実にそうなっている。一般に電流を増やすと電子密度が増加し、電界はさほど変化しない（実際には多少変化するが、電子密度ほど顕著でない）。
【０００４】
ランプは限流要素無しの電圧源で点灯されると、電子密度が増加してしまい、結果として電流が増加してしまう。その結果、過電流が流れ、諸々のトラブルが生じる。増加する時定数の方が減少する時定数よりも大きいために電子密度は増加する。これを避けるためには、印加する電界を変化させて電子に与えるエネルギーを変化させなければならない。
安定点灯状態から高い電圧源に接続すると、電流は増加し始めるので電圧を低下させる。これはランプ特性電圧（維持電圧）以下まで低下させる必要がある。すると、電流は減少し始めるので、次に電圧を上昇させる。これはランプ特性電圧（維持電圧）以上まで上昇させる必要がある。すると、電流は再び増加し始める。そこで、再び電圧を低下させる。これはランプ特性電圧（維持電圧）以下まで低下させる必要がある。以下、これらの動作を繰り返す。
【０００５】
このように電圧をランプの特性電圧ラインの上下に変化させれば、ランプを安定に点灯できる。実際に電流が増加する時間と減少する時間は、減少が０．数ｍｓｅｃから数ｍｓｅｃのオーダー、増加が数μｓｅｃから数十μｓｅｃ程度と考えられる。
このことから、ランプの特性電圧よりも高い電圧とランプの特性電圧よりも低い電圧とを高速に切り替えてランプ電流を設定範囲に制御すれば、ランプの限流要素を小さくし、或いは削除する形でランプを安定に点灯できることが分かる。また、印加する電圧波形を正弦波状にして、その実効値を上記のようにランプの特性電圧よりも高い電圧とランプの特性電圧よりも低い電圧とに交互に高速に切り替えることによっても安定点灯動作は可能であり、この場合は、正弦波による点灯動作であるので、ランプからのノイズ成分も減少できるという利点がある。
【０００６】
（従来例１）
従来より微小なインダクタとスイッチドキャパシタを利用して直流電源から滑らかな交流出力を得る電力変換回路として、図１２に示すような回路（特願平７−１９０８９４号）がある。本従来例は直流電源ＤＣからスイッチ素子Ｓ６及びダイオードＤ１〜Ｄ５を介して複数個のキャパシタＣ１〜Ｃ５の電圧がほぼ一定の電圧Ｅになるように充電し、前記キャパシタＣ１〜Ｃ５を任意の個数および任意の極性に直列放電することにより、負荷に−５Ｅ，−４Ｅ，−３Ｅ，−２Ｅ，−Ｅ，０，Ｅ，２Ｅ，３Ｅ，４Ｅ，５Ｅの電圧を供給するステップ電圧源と見なせるスイッチドキャパシタ回路ＳＣを構成し、このスイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力Ｖｓｃに微小なインダクタＬｆとキャパシタＣｆより成るフィルタ回路を接続し、キャパシタＣｆに並列に負荷（放電灯５）を接続したものである。制御回路については図示していないが、任意の期間にスイッチ素子Ｓ６をオンしてキャパシタＣ１〜Ｃ５を並列充電するように制御すると共に、負荷に略正弦波の交流電圧が供給されるようにスイッチドキャパシタ回路ＳＣの各スイッチ素子Ｓｉｊ（ｉ＝１〜５，ｊ＝１〜４）を制御するものである。
【０００７】
スイッチドキャパシタ回路ＳＣは、スイッチドキャパシタセルＳＣｂが５個直列に接続された回路より構成される。各スイッチドキャパシタセルＳＣｂは、スイッチ素子Ｓｉ１，Ｓｉ３及びＳｉ２，Ｓｉ４（ｉ＝１〜５）の直列回路と、スイッチ素子Ｓｉ３とＳｉ１の接続点とスイッチ素子Ｓｉ４とＳｉ２の接続点の間にキャパシタＣｉを接続してブリッジを構成したもので、各セルはスイッチ素子Ｓｉ１とＳｉ２の接続点とスイッチ素子Ｓｎ３とＳｎ４の接続点（ｉ＝ｎ＋１，ｎ＝１〜４）を接続することにより直列接続される。スイッチ素子Ｓｉ１とＳｉ２、及びスイッチ素子Ｓｉ３とＳｉ４はそれぞれ相補的に動作する。つまり、一方がオンのとき他方はオフとなるように動作する。さらにこれらのスイッチ素子をボディダイオードを持つＭＯＳＦＥＴで実現する場合、キャパシタＣｉのプラス側がスイッチ素子Ｓｉ２，Ｓｉ４のドレイン、キャパシタＣｉのマイナス側がスイッチ素子Ｓｉ１，Ｓｉ３のソースとなるように直列接続する。
【０００８】
スイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力ＶｓｃはスイッチドキャパシタセルＳＣｂが５個直列に接続された回路の両端のセルから取り出し、具体的にはスイッチ素子Ｓ１１とＳ１２の接続点と、スイッチ素子Ｓ５３とＳ５４の接続点の間に負荷回路を接続する。また、各スイッチドキャパシタセルへの並列充電回路は、ダイオードＤ１〜Ｄ５のカソードを各キャパシタＣ１〜Ｃ５のプラス側に接続し、アノード同士を接続して直流電源ＤＣとスイッチ素子Ｓ６の直列回路に接続し、スイッチ素子Ｓ１１，Ｓ１３，Ｓ２１，…，Ｓ４３，Ｓ５１，Ｓ５３の直列回路（スイッチ列Ａとする）の中点であるスイッチ素子Ｓ３３とＳ３１の接続点に接続する。スイッチ素子Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ２２，…，Ｓ４４，Ｓ５２，Ｓ５４（スイッチ列Ｂとする）をオフして、スイッチ列Ａを全てオンしてスイッチ素子Ｓ６をオンすることにより、キャパシタＣ１，…，Ｃ５を並列にスイッチ列Ｂに接続された側をプラスとして全て同電圧Ｅで充電する。
【０００９】
次に図１３をもとに負荷に交流電圧を供給する制御方法の一例について説明する。初期状態としてキャパシタＣ１，…，Ｃ５が全て電圧Ｅで等しく充電されており、スイッチ列Ａが全てオン、スイッチ列Ｂが全てオフしているとする。
時刻ｔ０にスイッチ素子Ｓ１３がオフ、スイッチ素子Ｓ１４がオンとすると、スイッチ素子Ｓ１１、キャパシタＣ１、スイッチ素子Ｓ１４，Ｓ２１，Ｓ２３，Ｓ３１，Ｓ３３，Ｓ４１，Ｓ４３，Ｓ５１，Ｓ５３の経路でキャパシタＣ１がプラス方向に負荷に接続されてスイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力Ｖｓｃは＋Ｅとなる。
【００１０】
時刻ｔ１にスイッチ素子Ｓ２３がオフ、スイッチ素子Ｓ２４がオンすると、スイッチ素子Ｓ１１、キャパシタＣ１、スイッチ素子Ｓ１４，Ｓ２１、キャパシタＣ２、スイッチ素子Ｓ２４，Ｓ３１，Ｓ３３，Ｓ４１，Ｓ４３，Ｓ５１，Ｓ５３の経路でキャパシタＣ１とＣ２が直列にプラス方向に負荷に接続されてスイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力Ｖｓｃは＋２Ｅとなる。
時刻ｔ２〜ｔ４では同様の制御によりキャパシタＣ３，Ｃ４，Ｃ５も順次プラス方向に直列接続することにより、スイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力Ｖｓｃが順次＋３Ｅ，＋４Ｅ，＋５Ｅとステップ状に上がっていく。
【００１１】
時刻ｔ５にスイッチ素子Ｓ５４がオフ、スイッチ素子Ｓ５３がオンすると、キャパシタＣ５が負荷電流経路から切り離されてスイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力Ｖｓｃは＋４Ｅに下がる。
同様に順次キャパシタＣ４，Ｃ３，Ｃ２，Ｃ１と負荷電流経路から切り離すことによりスイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力Ｖｓｃは階段状に＋３Ｅ，＋２Ｅ，＋Ｅ，０と下がる。
時刻ｔ９に全てのキャパシタＣ１，…，Ｃ５が負荷電流経路から切り離されて、スイッチ列Ａが全てオン、スイッチ列Ｂが全てオフすると、スイッチ素子Ｓ６をオンしてキャパシタＣ１，…，Ｃ５を並列に直流電源ＤＣから充電する。
【００１２】
充電が完了する時刻ｔ１０にスイッチ素子Ｓ６をオフし、スイッチ素子Ｓ１１をオフ、スイッチ素子Ｓ１２をオンすると、スイッチ素子Ｓ１２、キャパシタＣ１、スイッチ素子Ｓ１３，Ｓ２１，Ｓ２３，Ｓ３１，Ｓ３３，Ｓ４１，Ｓ４３，Ｓ５１，Ｓ５３の経路でキャパシタＣ１がマイナス方向に負荷に接続されてスイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力Ｖｓｃが−Ｅとなる。同様の制御によりキャパシタＣ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５も順次マイナス方向に直列接続することによりスイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力Ｖｓｃが順次−２Ｅ，−３Ｅ，−４Ｅ，−５Ｅとステップ状に変化する。
【００１３】
スイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力Ｖｓｃが−５Ｅになると、時刻ｔ１６にキャパシタＣ５を電流経路から切り離し、スイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力Ｖｓｃは−４Ｅになる。同様にキャパシタＣ４，Ｃ３，Ｃ２，Ｃ１を電流経路から切り離すことによりスイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力Ｖｓｃは時刻ｔ１９にゼロに戻る。
【００１４】
このように、時刻ｔ０〜ｔ１９の動作を行えばスイッチドキャパシタ回路ＳＣは階段状に−５Ｅ〜５Ｅの振幅を持つ交流電圧を負荷に印加できる。負荷部のインダクタＬｆとキャパシタＣｆにより、スイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力する１ステップの階段波形をフィルタリングして滑らかな波形にすれば、負荷には図１３に示すような滑らかな交流電圧Ｖｏを供給できる。
【００１５】
また、スイッチ素子の切り替えによって、ステップ電圧源の負荷側に接続するキャパシタの個数を変化させれば、供給する正弦波の振幅を変化させることができ、先に説明したランプの特性電圧を上回る電圧と下回る電圧を供給でき、バラストの小型化を達成できるものである。次に、入力電源が交流の場合に、同様のスイッチドキャパシタ関連の技術を用いて、入力電流波形を略正弦波状にする回路方式を従来例２として示す。
【００１６】
（従来例２）
従来例２の回路図を図１４に、各スイッチング素子の制御による回路動作図を図１５に、動作波形図を図１６に、各素子の電流電圧波形を図１７に示す。従来例２の主回路の基本構成は、交流電源ＡＣに全波整流器ＤＢを接続し、その出力にスイッチング素子Ｓｗ１とキャパシタＣ１、及び平滑コンデンサＣ２と負荷Ｚの並列回路を直列に接続し、キャパシタＣ１と並列にキャパシタＣ１の電圧を調整する制御手段を接続する。その制御手段として、インダクタＬ１とスイッチング素子Ｓｗ２，Ｓｗ３、ダイオードＤ１，Ｄ２からなる回路を用いている。回路構成としては、キャパシタＣ１に並列にスイッチング素子Ｓｗ２とインダクタＬ１、ダイオードＤ１を接続し、インダクタＬ１とダイオードＤ１の接続点とグランドの間にスイッチング素子Ｓｗ３を接続する。また、インダクタＬ１の残留エネルギーを負荷回路に送るために、スイッチング素子Ｓｗ２とインダクタＬ１の接続点とグランド間にダイオードＤ２を接続している。
【００１７】
以下、図１４の回路の動作について説明する。まず、交流電源ＡＣから入力される電圧Ｖｉｎは全波整流器ＤＢにより整流されて、脈流電圧Ｖ１を出力として得る。スイッチング素子Ｓｗ１が制御回路からの制御信号でオンすると、キャパシタＣ１と平滑コンデンサＣ２の和の電圧がＶ１まで充電される（図１５（ａ）の状態１）。
【００１８】
次に、スイッチング素子Ｓｗ１がオフした後について述べる。脈流電圧Ｖ１が出力電圧Ｖｏｕｔよりも高い脈流山部では、スイッチング素子Ｓｗ２のみをオンさせる。すると、キャパシタＣ１とインダクタＬ１が直列に接続され、キャパシタＣ１のエネルギーの一部がインダクタＬ１に移動し、磁気エネルギーとなってインダクタＬ１に蓄積される（図１５（ｂ）の状態２−Ａ）。また、脈流電圧Ｖ１が出力電圧Ｖｏｕｔよりも低い脈流谷部では、スイッチング素子Ｓｗ２とＳｗ３をオンさせる。すると、キャパシタＣ１と平滑コンデンサＣ２、インダクタＬ１が直列に接続され、平滑コンデンサＣ２のエネルギーの一部がキャパシタＣ１を充電しながらインダクタＬ１に移動し、磁気エネルギーとなってインダクタＬ１に蓄積される（図１５（ｂ）の状態２―Ｂ）。インダクタＬ１に流れる電流は共振的な波形となるが、今の場合、キャパシタＣ１（及び平滑コンデンサＣ２）とインダクタＬ１で決まる共振の周期に対して微小区間での動作を示しているので、電流の変化はほぼ直線的に描かれている。上記のような過程によってインダクタＬ１に一時蓄積されたエネルギーは、スイッチング素子Ｓｗ２（及びＳｗ３）をオフした瞬間にダイオードＤ２がオンし、ダイオードＤ１を介して負荷回路に全て送られる（図１５（ｃ）の状態３）。
【００１９】
このようにしてキャパシタＣ１に蓄積された余分なエネルギーをインダクタＬ１によって負荷回路に送り、効率良くキャパシタＣ１の電圧調整を行うものである。回路状態１と状態３は同時に行われてもよい。この繰り返しで平滑コンデンサＣ２の電圧は徐々に増加していく。また、キャパシタＣ１は、およそ脈流電圧Ｖ１と出力電圧Ｖｏｕｔの差の電圧を記億させることにより、スイッチング素子Ｓｗ１のオン時には、入力電圧とキャパシタＣ１を直列に接続し、負荷回路に一定電圧を供給する。さらに、スイッチング素子Ｓｗ１のオン直前のキャパシタＣ１と平滑コンデンサＣ２の電圧の和Ｖ２の波形が全波整流出力Ｖ１の波形と相似形になるようにスイッチング素子Ｓｗ２（及びＳｗ３）のオン時間を制御することで入力電流波形の包絡線を入力電圧波形と相似にし、入力高調波歪を抑制する。また、この相似比をスイッチング素子Ｓｗ２（及びＳｗ３）のオン時間の調整によって変えることにより入力電流のピーク値が変化し、出力電圧は上下する。このことにより、この回路は出力電圧の調整が可能である。
【００２０】
このように、交流電源ＡＣに整流器ＤＢを接続し、その出力にスイッチング素子Ｓｗ１とキャパシタＣ１、及び平滑コンデンサＣ２と負荷Ｚの並列回路を直列に接続し、キャパシタＣ１と並列に、インダクタＬ１とスイッチング素子Ｓｗ２，Ｓｗ３、ダイオードＤ１，Ｄ２からなる回路によってキャパシタＣ１の電圧を調整する制御手段を接続し、この制御手段によってキャパシタＣ１の電圧を制御することにより、入力高調波歪の抑制及び入力電流値の調整、出力電圧の調整を行うことができ、また、動作周波数を高くとることによって各キャパシタやインダクタ、スイッチング素子を小さくすることができるので、任意の一定電圧を発生できる小型の電源装置を提供できるものである。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
従来例１の直流電源Ｅとして、従来例２の出力電圧Ｖｏｕｔを用いれば、入力電流歪・高調波の抑制機能を持つ電力変換装置を実現できると考えられる。しかしながら、その場合、ＰＦＣ部（従来例２）と電力変換部（従来例１）のそれぞれにスイッチドキャパシタを用いるので、直列的に回路が接続されることになり、回路構成部品が多くなったり、効率が低下するという課題があった。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、小さな限流素子を用いて放電灯を安定に点灯させる電力変換装置に、入力電流歪・高調波の抑制機能を持たせることにより、特別な力率改善回路が不要で、安価で信頼性の高い放電灯点灯装置を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明の放電灯点灯装置によれば、上記の課題を解決するために、電圧源となる電力変換用キャパシタＣｉと該キャパシタＣｉの極性を反転するブリッジ回路より成るセルを複数直列的に接続したステップ電圧発生手段１と、交流電源に交流入力端を接続され、一方の直流出力端をステップ電圧発生手段の一端に接続され、他方の直流出力端を第１のスイッチ素子を介してステップ電圧発生手段の他端に接続された整流手段と、ステップ電圧発生手段１のキャパシタＣｉの瞬時の直列接続個数の変化で前記交流電源よりも高周波の略交流波形を生成して放電灯５に供給し、略交流波形は放電灯５の特性電圧よりも高いものと低いものを選択的に交互に放電灯５に供給して安定に点灯させる動作を行うと共に、ステップ電圧発生手段１のキャパシタの瞬時の直列接続された電圧が瞬時の交流電源電圧Ｖｉｎの大きさよりも低く且つキャパシタの瞬時の直列接続個数が異なる場合に比べて瞬時の交流電源電圧との電圧差が小さいタイミングで第１のスイッチ素子をＯＮさせて、ステップ電圧発生手段１の両端を整流手段の出力に接続して略正弦波状の入力電流を交流電源から取り込むことを特徴とするものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
本発明の実施例１の回路図を図１に示す。この回路では、従来例で説明したスイッチドキャパシタ回路等を利用したステップ電圧発生手段１を備え、入力電源Ｖｉｎとステップ電圧発生手段１の間にスイッチ手段Ｓｗ１を設け、負荷としての放電灯５に接続されたフィルタ手段４とステップ電圧発生手段１の間にスイッチ手段Ｓｗ２を設けたものであり、ステップ電圧発生手段１は入力電源Ｖｉｎのゼロクロス時に供給するエネルギーを蓄積するエネルギー蓄積手段３を有する。ここで、スイッチ手段Ｓｗ１，Ｓｗ２はステップ電圧発生手段１と兼用しても良い。また、フィルタ手段４は無くても動作は可能である。
【００２４】
以下、この回路の動作の概要を説明する。図２は入力電源Ｖｉｎの１周期を示したもので、ステップ電圧発生手段１を用いて入力電流Ｉｉｎを引き込み、放電灯５に電力を供給しながら、一部のエネルギーをエネルギー蓄積手段３に蓄え、入力電圧が低いときには、その蓄えたエネルギーを使って放電灯５の点灯を維持する。入力エネルギーの取り込み時においては、ステップ電圧発生手段１の直列接続されたキャパシタの電圧が段数に応じて変化して行く所謂包絡線が瞬時の入力電圧Ｖｉｎと同じか低い範囲で、その波形が入力電圧と（ｋ・Ｖｉｎのように）比例するように、その段数を（例えばｔ１〜ｔ２は１段、ｔ２〜ｔ３は２段というように）制御し、入力電源Ｖｉｎに接続すれば、入力電源Ｖｉｎからステップ電圧発生手段１のキャパシタに充電される時に流れる入力電流Ｉｉｎをほぼ正弦波状に維持することが可能となり、入力歪を改善することができる。
【００２５】
次に、図３は高周波出力の２周期を示したもので、図３のｔ０〜ｔ２のように、放電灯５の特性電圧Ｖｌａよりも高い電圧を出力するには、ステップ電圧発生手段１により多くのキャパシタを直列に接続し、図３のｔ２〜ｔ４のように、放電灯５の特性電圧Ｖｌａよりも低い電圧を出力するには、ステップ電圧発生手段１により少ないキャパシタを直列に接続して、その包絡線が略正弦波状になるように接続個数を制御し、フィルタ手段４を経由して放電灯５を点灯させる。
【００２６】
例えば、入力電源電圧Ｖｉｎがステップ電圧発生手段１の３段分の電圧よりも高く、４段分の電圧よりも低いタイミング（図２のｔ３〜ｔ４、ｔ７〜ｔ８）では、出力波形を作るために切り替えていくキャパシタの直列接続個数が３つになったときに、入力電源Ｖｉｎとステップ電圧発生手段１との接続も行えば、出力と同時に入力の取り込みも行えるようになる。また、入力と出力の周波数の違いから、同じような入力電圧に対して非常に多くの回数分、入力電流を引き込む動作となる。このように、ステップ電圧発生手段を入力電流の引き込みと高周波出力電圧発生の両方に用いることによって、部品点数等を少なくでき、限流要素を小さくしながら効率向上、低ノイズ化を図れるものである。
【００２７】
（実施例２）
本発明の実施例２の回路図を図４に示す。この回路でも同様に、従来例で説明したスイッチドキャパシタ回路等を利用したステップ電圧発生手段１を備え、入力電源Ｖｉｎとステップ電圧発生手段１の間にスイッチ手段Ｓｗ１とキャパシタへの突入電流を回避する等の目的のインピーダンス素子Ｚ１を設け、また、負荷としての放電灯５とステップ電圧発生手段１の間にフィルタ手段４を設けたものである。フィルタ手段４は、微小インダクタＬｆとキャパシタＣｆよりなる。ステップ電圧発生手段１は、入力電源Ｖｉｎのゼロクロス時に供給するエネルギーを蓄積するために、平滑コンデンサＣ０のようなエネルギー蓄積手段を有しており、ステップ電圧発生手段１との間にスイッチ手段Ｓｗ３とインピーダンス素子Ｚ２を設けている。ここで、スイッチ手段Ｓｗ１，Ｓｗ３はステップ電圧発生手段１と兼用しても良い。また、フィルタ手段４、インピーダンス素子Ｚ１，Ｚ２は無くても動作は可能である。
【００２８】
この実施例においても、実施例１と同様に、ステップ電圧発生手段を入力電流の引き込みと高周波出力電圧発生の両方に用いることにより、部品点数を少なくし、限流要素を小さくしながら効率向上と低ノイズ化を図れる放電灯点灯装置を提供できるものである。
【００２９】
（実施例３）
本発明の実施例３の回路図を図５に示す。この回路でも同様に、従来例で説明したスイッチドキャパシタ回路等を利用したステップ電圧発生手段１を備え、入力電源Ｖｉｎとステップ電圧発生手段１の間にダイオードＤ１０１とキャパシタへの突入電流を回避する等の目的のインピーダンス素子Ｚ３を設け、負荷としての放電灯５とステップ電圧発生手段１の間に、微小インダクタＬｆとキャパシタＣｆよりなるフィルタ手段４を有している。ステップ電圧発生手段１は、入力電源Ｖｉｎのゼロクロス時に供給するエネルギーを蓄積するために、平滑コンデンサＣ０のようなエネルギー蓄積手段を有しており、ステップ電圧発生手段１との間にダイオードＤ１０２とインピーダンス素子Ｚ３を設けている。フィルタ手段４、インピーダンス素子Ｚ３は無くても動作は可能である。
【００３０】
この回路の動作の特徴については実施例１と同様であるが、平滑コンデンサＣ０に蓄えられる電圧が脈流電圧Ｖ１１よりも高くなると、ダイオードＤ１０１とダイオードＤ１０２が同時にオンすることが無くなり、入力から平滑コンデンサＣ０に直接の電流が流れず、ステップ電圧発生手段１を入力電流の引き込みと高周波出力電圧発生の両方に用いることになり、部品点数を少なくし、限流要素を小さくしながら効率向上と低ノイズ化を図れる放電灯点灯装置を提供できるものである。
【００３１】
（実施例４）
本発明の実施例４の回路図を図６に示す。この実施例は、実施例３をより具体的にしたものである。スイッチ素子Ｓ１１〜Ｓ５４並びにキャパシタＣ１〜Ｃ５で構成されたスイッチドキャパシタ回路部の構成と動作は従来例に準ずるものとする。インダクタＬ３は脈流電圧Ｖ１１からスイッチドキャパシタ回路部側へ電流が流れる場合に、電位差によって急峻な電流が流れて効率が低下するのを防ぐ役割を担うものであり、ダイオードＤ３はインダクタＬ３の回生電流によりキャパシタＣ５を充電するために設けられている。
【００３２】
本実施例の回路動作を図７に示す。時刻ｔ０において、入力電源電圧Ｖｉｎを整流した脈流電圧Ｖ１１が、ステップ電圧発生手段のキャパシタを３個直列接続した３段分の電圧よりも高く、４段分の電圧よりも低いタイミングであるとして説明する。まず、時刻ｔ０でスイッチ素子Ｓ１４，Ｓ１１がオンし、スイッチ素子Ｓ１２，Ｓ１３がオフすると、スイッチドキャパシタ回路においては、キャパシタＣ１が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはキャパシタＣ１の電圧になる。このとき、スイッチ素子Ｓ７１はオフし、スイッチドキャパシタ回路は入力電源とは切り離されている。
【００３３】
次に、時刻ｔ１でスイッチ素子Ｓ２４，Ｓ２１がオンし、スイッチ素子Ｓ２２，Ｓ２３がオフすると、キャパシタＣ１，Ｃ２の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ１＋Ｃ２の電圧になる。時刻ｔ２でスイッチ素子Ｓ３４，Ｓ３１がオンし、スイッチ素子Ｓ３２，Ｓ３３がオフすると、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ１＋Ｃ２＋Ｃ３の電圧になる。
【００３４】
このとき、入力電源からエネルギーを取り込むベく、スイッチ素子Ｓ７１をオンするので、ダイオードＤ１、スイッチ素子Ｓ７１、インダクタＬ３を介してキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３の直列回路への充電と出力への電流供給が行われる。このとき、入力電流が急峻になることを防ぐためにインダクタＬ３に蓄えられたエネルギーは、ダイオードＤ３を介してキャパシタＣ５へ充電される。
【００３５】
時刻ｔ３でスイッチ素子Ｓ４４，Ｓ４１がオンし、スイッチ素子Ｓ４２，Ｓ４３がオフすると、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４の電圧になり、出力への電流供給が行われるが、ダイオードＤ１がオフして入力電源Ｖｉｎからの充電電流は流れなくなる。時刻ｔ４でスイッチ素子Ｓ５４，Ｓ５１がオンし、スイッチ素子Ｓ５２，Ｓ５３がオフすると、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力ＶｓｃはＣ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ５の最大の出力電圧になる。また、このとき、スイッチ素子Ｓ８１がオンする。平滑コンデンサＣ０の電圧Ｖｄｃがスイッチドキャパシタ回路の出力Ｖｓｃよりも低ければ、スイッチドキャパシタ回路側から平滑コンデンサＣ０への充電が行われ、逆に高ければ平滑コンデンサＣ０からスイッチドキャパシタ回路の各キャパシタへの充電が行われる。
【００３６】
時刻ｔ５でスイッチ素子Ｓ８１がオフし、平滑コンデンサＣ０との充放電は停止し、時刻ｔ５からは、これまでとは逆にスイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力Ｖｓｃが減少していき、時刻ｔ７でスイッチ素子Ｓ７１がオフして入力電源からのエネルギーの取り込みは停止する。ここから時刻ｔ２０までは入力からのエネルギーの取り込みは停止したままで、時刻ｔ２０からは再び時刻ｔ０と同様な回路動作となる。
【００３７】
ここで、入力電源電圧Ｖｉｎを整流した脈流電圧Ｖ１１がステップ電圧発生手段のキャパシタを３個直列接続した３段分の電圧よりも高く、４段分の電圧よりも低いタイミングであるとして説明してきたが、脈流電圧Ｖ１１がステップ電圧発生手段のキャパシタを２個直列接続した２段分の電圧よりも高く、３段分の電圧よりも低いタイミングであれば、スイッチ素子Ｓ７１がオンするタイミングを時刻ｔ１〜ｔ８とし、脈流電圧Ｖ１１がステップ電圧発生手段のキャパシタを４個直列接続した４段分の電圧よりも高く、５段分の電圧よりも低いタイミングであれば、スイッチ素子Ｓ７１がオンするタイミングを時刻ｔ３〜ｔ６とすれば、幅広い入力電圧値での入力電流の取り込みが可能となり、入力電流歪が改善できる。
【００３８】
入力電圧の山部では、多くのキャパシタを直列接続して入力を引き込むため、入力電圧との電圧差が大きくなって、多くのエネルギーを引き込んで平滑コンデンサＣ０側に充電し、入力電圧の谷部では、逆に少ないキャパシタを直列接続して入力を引き込むため、入力電圧との電圧差が小さくなって、少ないエネルギーを引き込んで平滑コンデンサＣ０からのエネルギー供給が増加する動作となる。
【００３９】
さらに、入力電源からの電流引き込み時に充電されるキャパシタは、キャパシタＣ１から順番でなくても良く、スイッチ素子Ｓ１１〜Ｓ５４の制御によって接続するキャパシタをどれにするかを選択出来るものであり、平均的な充電回数が各キャパシタで等しい方がキャパシタ間での電圧のばらつきが少なくなり、効率の向上や出力波形の歪の少なさが顕著になる。本実施例も小さな限流要素を用いて効率向上と低ノイズ化を図れる放電灯点灯装置を提供できるものである。
【００４０】
（実施例５）
本発明の実施例５の回路図を図８に示す。この実施例は、実施例２をより具体的にしたものである。スイッチ素子Ｓ１１〜Ｓ５４並びにキャパシタＣ１〜Ｃ５で構成されたスイッチドキャパシタ回路部の構成と動作は従来例に準ずるものとする。インダクタＬ３は脈流電圧Ｖ１１からスイッチドキャパシタ回路部側へ電流が流れる場合に、電位差によって急峻な電流が流れて効率が低下するのを防ぐ役割を担うものであり、ダイオードＤ３はインダクタＬ３の回生電流によりキャパシタＣ５を充電するために設けられている。
【００４１】
本実施例の回路動作を図９に示す。時刻ｔ０において、入力電源電圧Ｖｉｎを整流した脈流電圧Ｖ１１がステップ電圧発生手段のキャパシタを３個直列接続した３段分の電圧よりも高く、４段分の電圧よりも低いタイミングであるとして説明する。まず、時刻ｔ０でスイッチ素子Ｓ１４，Ｓ１１がオンし、スイッチ素子Ｓ１２，Ｓ１３がオフすると、スイッチドキャパシタ回路においては、キャパシタＣ１が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはキャパシタＣ１の電圧になる。このとき、スイッチ素子Ｓ９１はオフし、入力電源とは切り離されているが、スイッチ素子Ｓ１１１，Ｓ１１２はオンし、キャパシタＣ１と平滑コンデンサＣ０が接続され、エネルギーの充放電が行われる。図示していないが、スイッチ素子Ｓ１２１，Ｓ１２２，Ｓ１３１，Ｓ１３２，Ｓ１４１，Ｓ１４２，Ｓ１５１，Ｓ１５２はオフしている。
【００４２】
時刻ｔ１でスイッチ素子Ｓ２４，Ｓ２１がオンし、スイッチ素子Ｓ２２，Ｓ２３がオフすると、キャパシタＣ１，Ｃ２の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力はＣ１＋Ｃ２の電圧になる。時刻ｔ２でスイッチ素子Ｓ３４，Ｓ３１がオンし、スイッチ素子Ｓ３２，Ｓ３３がオフすると、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力はＣ１＋Ｃ２＋Ｃ３の電圧になる。このとき、入力電源からエネルギーを取り込むべく、スイッチ素子Ｓ９１をオンするので、ダイオードＤ１、スイッチ素子Ｓ９１、インダクタＬ３を介してキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３の直列回路への充電と出力への電流供給が行われる。また、入力電流が急峻になることを防ぐためのインダクタＬ３に蓄えられたエネルギーは、ダイオードＤ３を介してキャパシタＣ５へ充電される。
【００４３】
時刻ｔ３でスイッチ素子Ｓ４４，Ｓ４１がオンし、スイッチ素子Ｓ４２，Ｓ４３がオフすると、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４の電圧になり、出力への電流供給が行われるが、ダイオードＤ１がオフして入力電源からの充電電流は流れなくなる。時刻ｔ４でスイッチ素子Ｓ５４，Ｓ５１がオンし、スイッチ素子Ｓ５２，Ｓ５３がオフすると、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ５の最大の出力電圧になる。
【００４４】
時刻ｔ５からは、これまでとは逆に電圧が減少していき、時刻ｔ７でスイッチ素子Ｓ９１がオフして入力からのエネルギーの取り込みは停止する。ここから時刻ｔ２０までは、入力からのエネルギーの取り込みは停止したままで時刻ｔ２０に至る。
【００４５】
時刻ｔ２０でスイッチ素子Ｓ２４，Ｓ２１がオンし、スイッチ素子Ｓ２２，Ｓ２３がオフし、スイッチ素子Ｓ１１，Ｓ１３がオンし、スイッチ素子Ｓ１４，Ｓ１２がオフすると、スイッチドキャパシタ回路としてはキャパシタＣ２が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはキャパシタＣ２の電圧になる。このとき、スイッチ素子Ｓ９１はオフし、入力電源とは切り離されているが、スイッチ素子Ｓ１２１，Ｓ１２２はオンし、キャパシタＣ２と平滑コンデンサＣ０が接続され、エネルギーの充放電が行われる。図示していないが、スイッチ素子Ｓ１１１，Ｓ１１２，Ｓ１３１，Ｓ１３２，Ｓ１４１，Ｓ１４２，Ｓ１５１，Ｓ１５２はオフしている。
【００４６】
時刻ｔ２１でスイッチ素子Ｓ３４，Ｓ３１がオンし、スイッチ素子Ｓ３２，Ｓ３３がオフすると、キャパシタＣ２，Ｃ３の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ２＋Ｃ３の電圧になる。時刻ｔ２２でスイッチ素子Ｓ４４，Ｓ４１がオンし、スイッチ素子Ｓ４２，Ｓ４３がオフすると、キャパシタＣ２，Ｃ３，Ｃ４の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ２＋Ｃ３＋Ｃ４の電圧になる。このとき、入力電源からエネルギーを取り込むべく、スイッチ素子Ｓ９１をオンするので、ダイオードＤ１、スイッチ素子Ｓ９１、インダクタＬ３を介してキャパシタＣ２，Ｃ３，Ｃ４の直列回路への充電と出力への電流供給が行われる。また、入力電流が急峻になることを防ぐためのインダクタＬ３に蓄えられたエネルギーは、ダイオードＤ３を介してキャパシタＣ５へ充電される。
【００４７】
時刻ｔ２３でスイッチ素子Ｓ５４，Ｓ５１がオンし、スイッチ素子Ｓ５２，Ｓ５３がオフすると、キャパシタＣ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ２＋Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ５の電圧になり、出力への電流供給が行われるが、ダイオードＤ１がオフして入力電源からの充電電流は流れなくなる。時刻ｔ２４でスイッチ素子Ｓ１４，Ｓ１１がオンし、スイッチ素子Ｓ１２，Ｓ１３がオフすると、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ５の最大の出力電圧になる。時刻ｔ２５からは、これまでとは逆に電圧が減少していき、時刻ｔ２７でスイッチ素子Ｓ９１がオフして入力からのエネルギーの取り込みは停止する。
【００４８】
ここで、時刻ｔ２０までとの差異は、接続されるキャパシタとして、キャパシタＣ１が最後に接続されるようになり、常に平滑コンデンサＣ０とキャパシタＣ２が接続され、エネルギーの充放電が行われている点である。キャパシタがつながっていく順番をサイクル毎に変更していくことによって、各キャパシタＣ１〜Ｃ５の電圧のばらつきを低減しながら、幅広い入力電圧値にて入力電流の取り込みが可能となり、入力電流歪が改善できる。また、平滑コンデンサＣ０の電圧はキャパシタ１個分の電圧と等しくなるため、低い耐圧の素子を使用することが可能となって、コスト的にも有利になる。
【００４９】
本実施例も入力電圧の山部では、多くのキャパシタを直列接続して入力を引き込むため入力電圧との電圧差が大きくなって多くのエネルギーを引き込んで、平滑コンデンサＣ０側に充電し、入力電圧の谷部では、逆に少ないキャパシタを直列接続して入力を引き込むため入力電圧との電圧差が小さくなって少ないエネルギーを引き込んで、平滑コンデンサＣ０からのエネルギー供給が増加する動作が可能となり、小さな限流要素を用いて、効率向上と低ノイズ化を図れる放電灯点灯装置を提供できるものである。
【００５０】
（実施例６）
本発明の実施例６の回路図を図１０に示す。この実施例も、実施例２をより具体的にしたものである。スイッチ素子Ｓ１１〜Ｓ５４並びにキャパシタＣ１〜Ｃ５で構成されたスイッチドキャパシタ回路部の構成と動作は従来例に準ずるものとする。インダクタＬ３は脈流電圧Ｖ１１からスイッチドキャパシタ回路部側へ電流が流れる場合に、電位差によって急峻な電流が流れて効率が低下するのを防ぐ役割を担うものであり、ダイオードＤ３はインダクタＬ３の回生電流によりキャパシタＣ５を充電するために設けられている。
【００５１】
本実施例の回路動作を図１１に示す。時刻ｔ０において、入力電源電圧Ｖｉｎを整流した脈流電圧Ｖ１１がステップ電圧発生手段のキャパシタを１個接続した１段分の電圧よりも高く、２段分の電圧よりも低いタイミングであるとして説明する。まず、時刻ｔ０でスイッチ素子Ｓ１４，Ｓ１１がオンし、スイッチ素子Ｓ１２，Ｓ１３がオフすると、スイッチドキャパシタ回路においては、キャパシタＣ１が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはキャパシタＣ１の電圧になる。このとき、入力電源からエネルギーを取り込むべく、スイッチ素子Ｓ９１をオンするので、ダイオードＤ１、スイッチ素子Ｓ９１、インダクタＬ３を介してキャパシタＣ１への充電と出力への電流供給が行われる。また、入力電流が急峻になることを防ぐためのインダクタＬ３に蓄えられたエネルギーはダイオードＤ３を介してキャパシタＣ５へ充電される。図示していないが、スイッチ素子Ｓ１３１，Ｓ１３２，Ｓ１４１，Ｓ１４２，Ｓ１５１，Ｓ１５２はオフしている。
【００５２】
次に、時刻ｔ１でスイッチ素子Ｓ２４，Ｓ２１がオンし、スイッチ素子Ｓ２２，Ｓ２３がオフすると、キャパシタＣ１，Ｃ２の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ１＋Ｃ２の電圧になり、出力への電流供給が行われるが、ダイオードＤ１がオフして入力電源からの充電電流は流れなくなる。時刻ｔ２でスイッチ素子Ｓ３４，Ｓ３１がオンし、スイッチ素子Ｓ３２，Ｓ３３がオフすると、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ１＋Ｃ２＋Ｃ３の電圧になる。このとき、スイッチ素子Ｓ１３１，Ｓ１３２はオンし、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３の直列回路と平滑コンデンサＣ０が接続され、エネルギーの充放電が行われる。
【００５３】
時刻ｔ３でスイッチ素子Ｓ４４，Ｓ４１がオンし、スイッチ素子Ｓ４２，Ｓ４３がオフすると、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４の電圧になる。時刻ｔ４でスイッチ素子Ｓ５４，Ｓ５１がオンし、スイッチ素子Ｓ５２，Ｓ５３がオフすると、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ５の最大の出力電圧になる。
【００５４】
時刻ｔ５からは、これまでとは逆に電圧が減少していき、時刻ｔ７でスイッチ素子Ｓ１３１，Ｓ１３２がオフし、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３の直列回路と平滑コンデンサＣ０のエネルギーの充放電を停止する。また、時刻ｔ９でスイッチ素子Ｓ９１がオフして入力電源からのエネルギーの取り込みを停止する。ここから時刻ｔ２０までは、入力からのエネルギーの取り込みは停止したままで時刻ｔ２０に至る。
【００５５】
時刻ｔ２０でスイッチ素子Ｓ２４，Ｓ２１がオンし、スイッチ素子Ｓ２２，Ｓ２３がオフし、スイッチ素子Ｓ１１，Ｓ１３がオンし、スイッチ素子Ｓ１４，Ｓ１２がオフすると、スイッチドキャパシタ回路においては、キャパシタＣ２が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはキャパシタＣ２の電圧になる。このとき、入力電源からエネルギーを取り込むベく、スイッチ素子Ｓ９１をオンするので、ダイオードＤ１、スイッチ素子Ｓ９１、インダクタＬ３を介してキャパシタＣ２への充電と出力への電流供給が行われる。また、入力電流が急峻になることを防ぐためのインダクタＬ３に蓄えられたエネルギーはダイオードＤ３を介してキャパシタＣ５へ充電される。図示していないが、スイッチ素子Ｓ１３１，Ｓ１３２，Ｓ１４１，Ｓ１４２，Ｓ１５１，Ｓ１５２はオフしている。
【００５６】
時刻ｔ２１でスイッチ素子Ｓ３４，Ｓ３１がオンし、スイッチ素子Ｓ３２，Ｓ３３がオフすると、キャパシタＣ２，Ｃ３の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ２＋Ｃ３の電圧になり、出力への電流供給が行われるが、ダイオードＤ１がオフして入力電源からの充電電流は流れなくなる。時刻ｔ２２でスイッチ素子Ｓ４４，Ｓ４１がオンし、スイッチ素子Ｓ４２，Ｓ４３がオフすると、キャパシタＣ２，Ｃ３，Ｃ４の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ２＋Ｃ３＋Ｃ４の電圧になる。このとき、スイッチ素子Ｓ１４１，Ｓ１４２はオンし、キャパシタＣ２，Ｃ３，Ｃ４の直列回路と平滑コンデンサＣ０が接続され、エネルギーの充放電が行われる。
【００５７】
時刻ｔ２３でスイッチ素子Ｓ５４，Ｓ５１がオンし、スイッチ素子Ｓ５２，Ｓ５３がオフすると、キャパシタＣ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ２＋Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ５の電圧になる。時刻ｔ２４でスイッチ素子Ｓ１４，Ｓ１１がオンし、スイッチ素子Ｓ１２，Ｓ１３がオフすると、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ５の最大の出力電圧になる。時刻ｔ２４〜ｔ２５では、スイッチ素子Ｓ１４１，Ｓ１４２を一時的にオフさせる。これは、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の直列回路が平滑コンデンサＣ０に接続されることを避けるためである。
【００５８】
時刻ｔ２５からはスイッチ素子Ｓ１４１，Ｓ１４２が再びオンとなり、これまでとは逆に電圧が減少していき、時刻ｔ２７でスイッチ素子Ｓ１４１，Ｓ１４２がオフし、キャパシタＣ２，Ｃ３，Ｃ４の直列回路と平滑コンデンサＣ０のエネルギーの充放電を停止する。また、時刻ｔ２９でスイッチ素子Ｓ９１がオフして入力電源からのエネルギーの取り込みを停止する。
【００５９】
ここで、時刻ｔ２０までとの差異は、接続されるキャパシタとして、キャパシタＣ１が最後に接続されるようになり、平滑コンデンサＣ０とキャパシタＣ２，Ｃ３，Ｃ４の直列回路が接続され、エネルギーの充放電が行われている点である。キャパシタがつながっていく順番をサイクル毎に変更していくことによって、各キャパシタの電圧のばらつきを低減しながら、幅広い入力電圧値にて入力電流の取り込みが可能となり、入力電流歪が改善できる。
【００６０】
また、図示していないが、時刻ｔ２〜ｔ３及び時刻ｔ６〜ｔ７において、スイッチ素子Ｓ１４１，Ｓ１４２，Ｓ１５１，Ｓ１５２をオンすることで、キャパシタＣ３，Ｃ４，Ｃ５が並列接続され、これとキャパシタＣ１，Ｃ２を直列に接続した回路と平滑コンデンサＣ０が接続され、エネルギーの充放電が行われる。同様に、時刻ｔ２２〜ｔ２３及び時刻ｔ２６〜ｔ２７においてスイッチ素子Ｓ１５１，Ｓ１５２をオンすることで、キャパシタＣ４，Ｃ５が並列接続され、これとキャパシタＣ２，Ｃ３を直列に接続した回路と平滑コンデンサＣ０が接続され、エネルギーの充放電が行われる。このような動作の組合せにより、各キャパシタの電圧のばらつきをさらに低減することができる。
【００６１】
さらに、本実施例では、平滑コンデンサＣ０の電圧はキャパシタ３個分と等しくなるため、脈流電圧の周波数に応じた平滑コンデンサＣ０の電圧リップルが小さくなり、各キャパシタの脈流電圧の周波数に応じた電圧リップルも小さくなるので、負荷に流れる電流の波高率も低減される。
【００６２】
本実施例も入力電圧の山部では、多くのキャパシタを直列接続して入力を引き込むため入力電圧との電圧差が大きくなって多くのエネルギーを引き込んで、平滑コンデンサＣ０側に充電し、入力電圧の谷部では、逆に少ないキャパシタを直列接続して入力を引き込むため入力電圧との電圧差が小さくなって少ないエネルギーを引き込んで、平滑コンデンサＣ０からのエネルギー供給が増加する動作が可能となり、小さな限流要素を用いて、効率向上と低ノイズ化を図れる放電灯点灯装置を提供できるものである。
【００６３】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、階段状波形を発生するステップ電圧源を用いることにより限流素子の大幅な削減が可能であり、また、このステップ電圧源を用いて交流電圧源からの入力電流を引き込む動作を行わせることにより、入力電流歪・高調波の抑制が可能な放電灯点灯装置を安価に提供できるという効果がある。
【００６４】
請求項２の発明によれば、素子に流れる瞬時値の高い電流をインピーダンス素子により制限することにより、一層の小型化を可能とする効果がある。
【００６５】
請求項４の発明によれば、回路のスイッチ素子数の削減により低コスト化を可能とする効果がある。請求項５の発明によれば、電荷を蓄えるコンデンサやスイッチ素子の耐電圧を低減し、低コスト化を可能とする効果がある。請求項６の発明によれば、電荷を蓄えるコンデンサやスイッチ素子の耐電圧をバランスよく低減し、コスト低減を可能とする効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１のブロック回路図である。
【図２】本発明の実施例１の入力波形を示す波形図である。
【図３】本発明の実施例１の出力波形を示す波形図である。
【図４】本発明の実施例２のブロック回路図である。
【図５】本発明の実施例３のブロック回路図である。
【図６】本発明の実施例４の回路図である。
【図７】本発明の実施例４の動作波形図である。
【図８】本発明の実施例５の回路図である。
【図９】本発明の実施例５の動作波形図である。
【図１０】本発明の実施例６の回路図である。
【図１１】本発明の実施例６の動作波形図である。
【図１２】従来例１の回路図である。
【図１３】従来例１の動作説明図である。
【図１４】従来例２の回路図である。
【図１５】従来例２の動作説明のための回路図である。
【図１６】従来例２の入力交流電源の半周期分の動作波形図である。
【図１７】従来例２の各部の電流電圧波形を示す波形図である。
【符号の説明】
１ ステップ電圧発生手段
２ 制御手段
３ エネルギー蓄積手段
４ フィルタ手段
５ 放電灯
Ｖｉｎ 入力交流電源
Ｃ０ 平滑コンデンサ
Ｓｗ１ スイッチ手段
Ｓｗ２ スイッチ手段
【発明の属する技術分野】
本発明は小さな限流要素を用いて放電灯を安定に点灯する放電灯点灯装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、小さな限流要素を用いて放電灯を安定に点灯する技術として、ランプの特性電圧よりも高い電圧と、ランプの特性電圧よりも低い電圧を交互に高速に切り替えて、ランプ電流を設定範囲に制御しようとする技術が存在する。ランプの特性電圧よりも高い電圧を供給するとランプ電流は増大し、ランプの特性電圧よりも低い電圧を供給するとランプ電流は減少するので、切替えを適切に制御することにより、ランプ電流を制御することができる。以下、その原理について説明する。
【０００３】
一般的に、ランプ（放電灯）を点灯するにはバラスト（限流要素）が必要である。その理由はランプの電気特性が負特性である（つまり負性抵抗を有する）からである。ランプの電流Ｅと電流密度Ｊとの関係は一般に以下の式で示される。Ｊ＝σＥ
ここで、σは導電率と呼ばれ、固体の場合には定数とみなしてよいものである。しかし、気体放電の場合には導電率は以下の式に示されるように電子密度の関数になる。
σ＝ｅｎμ
ただし、ｅは単位電荷、ｎは電子密度、μは移動度である。移動度μは電子温度と圧力の関数であるが一定とみなしてよい。このことから、電流密度（つまり放電電流）はランプ内部の電子密度と電界の２つによって決定されることが分かる。基本的にはランプ電流（電流密度）が決まると、結果として電子密度と電界が決まる、という考え方が最も分かりやすく、しかも現実にそうなっている。一般に電流を増やすと電子密度が増加し、電界はさほど変化しない（実際には多少変化するが、電子密度ほど顕著でない）。
【０００４】
ランプは限流要素無しの電圧源で点灯されると、電子密度が増加してしまい、結果として電流が増加してしまう。その結果、過電流が流れ、諸々のトラブルが生じる。増加する時定数の方が減少する時定数よりも大きいために電子密度は増加する。これを避けるためには、印加する電界を変化させて電子に与えるエネルギーを変化させなければならない。
安定点灯状態から高い電圧源に接続すると、電流は増加し始めるので電圧を低下させる。これはランプ特性電圧（維持電圧）以下まで低下させる必要がある。すると、電流は減少し始めるので、次に電圧を上昇させる。これはランプ特性電圧（維持電圧）以上まで上昇させる必要がある。すると、電流は再び増加し始める。そこで、再び電圧を低下させる。これはランプ特性電圧（維持電圧）以下まで低下させる必要がある。以下、これらの動作を繰り返す。
【０００５】
このように電圧をランプの特性電圧ラインの上下に変化させれば、ランプを安定に点灯できる。実際に電流が増加する時間と減少する時間は、減少が０．数ｍｓｅｃから数ｍｓｅｃのオーダー、増加が数μｓｅｃから数十μｓｅｃ程度と考えられる。
このことから、ランプの特性電圧よりも高い電圧とランプの特性電圧よりも低い電圧とを高速に切り替えてランプ電流を設定範囲に制御すれば、ランプの限流要素を小さくし、或いは削除する形でランプを安定に点灯できることが分かる。また、印加する電圧波形を正弦波状にして、その実効値を上記のようにランプの特性電圧よりも高い電圧とランプの特性電圧よりも低い電圧とに交互に高速に切り替えることによっても安定点灯動作は可能であり、この場合は、正弦波による点灯動作であるので、ランプからのノイズ成分も減少できるという利点がある。
【０００６】
（従来例１）
従来より微小なインダクタとスイッチドキャパシタを利用して直流電源から滑らかな交流出力を得る電力変換回路として、図１２に示すような回路（特願平７−１９０８９４号）がある。本従来例は直流電源ＤＣからスイッチ素子Ｓ６及びダイオードＤ１〜Ｄ５を介して複数個のキャパシタＣ１〜Ｃ５の電圧がほぼ一定の電圧Ｅになるように充電し、前記キャパシタＣ１〜Ｃ５を任意の個数および任意の極性に直列放電することにより、負荷に−５Ｅ，−４Ｅ，−３Ｅ，−２Ｅ，−Ｅ，０，Ｅ，２Ｅ，３Ｅ，４Ｅ，５Ｅの電圧を供給するステップ電圧源と見なせるスイッチドキャパシタ回路ＳＣを構成し、このスイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力Ｖｓｃに微小なインダクタＬｆとキャパシタＣｆより成るフィルタ回路を接続し、キャパシタＣｆに並列に負荷（放電灯５）を接続したものである。制御回路については図示していないが、任意の期間にスイッチ素子Ｓ６をオンしてキャパシタＣ１〜Ｃ５を並列充電するように制御すると共に、負荷に略正弦波の交流電圧が供給されるようにスイッチドキャパシタ回路ＳＣの各スイッチ素子Ｓｉｊ（ｉ＝１〜５，ｊ＝１〜４）を制御するものである。
【０００７】
スイッチドキャパシタ回路ＳＣは、スイッチドキャパシタセルＳＣｂが５個直列に接続された回路より構成される。各スイッチドキャパシタセルＳＣｂは、スイッチ素子Ｓｉ１，Ｓｉ３及びＳｉ２，Ｓｉ４（ｉ＝１〜５）の直列回路と、スイッチ素子Ｓｉ３とＳｉ１の接続点とスイッチ素子Ｓｉ４とＳｉ２の接続点の間にキャパシタＣｉを接続してブリッジを構成したもので、各セルはスイッチ素子Ｓｉ１とＳｉ２の接続点とスイッチ素子Ｓｎ３とＳｎ４の接続点（ｉ＝ｎ＋１，ｎ＝１〜４）を接続することにより直列接続される。スイッチ素子Ｓｉ１とＳｉ２、及びスイッチ素子Ｓｉ３とＳｉ４はそれぞれ相補的に動作する。つまり、一方がオンのとき他方はオフとなるように動作する。さらにこれらのスイッチ素子をボディダイオードを持つＭＯＳＦＥＴで実現する場合、キャパシタＣｉのプラス側がスイッチ素子Ｓｉ２，Ｓｉ４のドレイン、キャパシタＣｉのマイナス側がスイッチ素子Ｓｉ１，Ｓｉ３のソースとなるように直列接続する。
【０００８】
スイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力ＶｓｃはスイッチドキャパシタセルＳＣｂが５個直列に接続された回路の両端のセルから取り出し、具体的にはスイッチ素子Ｓ１１とＳ１２の接続点と、スイッチ素子Ｓ５３とＳ５４の接続点の間に負荷回路を接続する。また、各スイッチドキャパシタセルへの並列充電回路は、ダイオードＤ１〜Ｄ５のカソードを各キャパシタＣ１〜Ｃ５のプラス側に接続し、アノード同士を接続して直流電源ＤＣとスイッチ素子Ｓ６の直列回路に接続し、スイッチ素子Ｓ１１，Ｓ１３，Ｓ２１，…，Ｓ４３，Ｓ５１，Ｓ５３の直列回路（スイッチ列Ａとする）の中点であるスイッチ素子Ｓ３３とＳ３１の接続点に接続する。スイッチ素子Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ２２，…，Ｓ４４，Ｓ５２，Ｓ５４（スイッチ列Ｂとする）をオフして、スイッチ列Ａを全てオンしてスイッチ素子Ｓ６をオンすることにより、キャパシタＣ１，…，Ｃ５を並列にスイッチ列Ｂに接続された側をプラスとして全て同電圧Ｅで充電する。
【０００９】
次に図１３をもとに負荷に交流電圧を供給する制御方法の一例について説明する。初期状態としてキャパシタＣ１，…，Ｃ５が全て電圧Ｅで等しく充電されており、スイッチ列Ａが全てオン、スイッチ列Ｂが全てオフしているとする。
時刻ｔ０にスイッチ素子Ｓ１３がオフ、スイッチ素子Ｓ１４がオンとすると、スイッチ素子Ｓ１１、キャパシタＣ１、スイッチ素子Ｓ１４，Ｓ２１，Ｓ２３，Ｓ３１，Ｓ３３，Ｓ４１，Ｓ４３，Ｓ５１，Ｓ５３の経路でキャパシタＣ１がプラス方向に負荷に接続されてスイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力Ｖｓｃは＋Ｅとなる。
【００１０】
時刻ｔ１にスイッチ素子Ｓ２３がオフ、スイッチ素子Ｓ２４がオンすると、スイッチ素子Ｓ１１、キャパシタＣ１、スイッチ素子Ｓ１４，Ｓ２１、キャパシタＣ２、スイッチ素子Ｓ２４，Ｓ３１，Ｓ３３，Ｓ４１，Ｓ４３，Ｓ５１，Ｓ５３の経路でキャパシタＣ１とＣ２が直列にプラス方向に負荷に接続されてスイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力Ｖｓｃは＋２Ｅとなる。
時刻ｔ２〜ｔ４では同様の制御によりキャパシタＣ３，Ｃ４，Ｃ５も順次プラス方向に直列接続することにより、スイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力Ｖｓｃが順次＋３Ｅ，＋４Ｅ，＋５Ｅとステップ状に上がっていく。
【００１１】
時刻ｔ５にスイッチ素子Ｓ５４がオフ、スイッチ素子Ｓ５３がオンすると、キャパシタＣ５が負荷電流経路から切り離されてスイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力Ｖｓｃは＋４Ｅに下がる。
同様に順次キャパシタＣ４，Ｃ３，Ｃ２，Ｃ１と負荷電流経路から切り離すことによりスイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力Ｖｓｃは階段状に＋３Ｅ，＋２Ｅ，＋Ｅ，０と下がる。
時刻ｔ９に全てのキャパシタＣ１，…，Ｃ５が負荷電流経路から切り離されて、スイッチ列Ａが全てオン、スイッチ列Ｂが全てオフすると、スイッチ素子Ｓ６をオンしてキャパシタＣ１，…，Ｃ５を並列に直流電源ＤＣから充電する。
【００１２】
充電が完了する時刻ｔ１０にスイッチ素子Ｓ６をオフし、スイッチ素子Ｓ１１をオフ、スイッチ素子Ｓ１２をオンすると、スイッチ素子Ｓ１２、キャパシタＣ１、スイッチ素子Ｓ１３，Ｓ２１，Ｓ２３，Ｓ３１，Ｓ３３，Ｓ４１，Ｓ４３，Ｓ５１，Ｓ５３の経路でキャパシタＣ１がマイナス方向に負荷に接続されてスイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力Ｖｓｃが−Ｅとなる。同様の制御によりキャパシタＣ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５も順次マイナス方向に直列接続することによりスイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力Ｖｓｃが順次−２Ｅ，−３Ｅ，−４Ｅ，−５Ｅとステップ状に変化する。
【００１３】
スイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力Ｖｓｃが−５Ｅになると、時刻ｔ１６にキャパシタＣ５を電流経路から切り離し、スイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力Ｖｓｃは−４Ｅになる。同様にキャパシタＣ４，Ｃ３，Ｃ２，Ｃ１を電流経路から切り離すことによりスイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力Ｖｓｃは時刻ｔ１９にゼロに戻る。
【００１４】
このように、時刻ｔ０〜ｔ１９の動作を行えばスイッチドキャパシタ回路ＳＣは階段状に−５Ｅ〜５Ｅの振幅を持つ交流電圧を負荷に印加できる。負荷部のインダクタＬｆとキャパシタＣｆにより、スイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力する１ステップの階段波形をフィルタリングして滑らかな波形にすれば、負荷には図１３に示すような滑らかな交流電圧Ｖｏを供給できる。
【００１５】
また、スイッチ素子の切り替えによって、ステップ電圧源の負荷側に接続するキャパシタの個数を変化させれば、供給する正弦波の振幅を変化させることができ、先に説明したランプの特性電圧を上回る電圧と下回る電圧を供給でき、バラストの小型化を達成できるものである。次に、入力電源が交流の場合に、同様のスイッチドキャパシタ関連の技術を用いて、入力電流波形を略正弦波状にする回路方式を従来例２として示す。
【００１６】
（従来例２）
従来例２の回路図を図１４に、各スイッチング素子の制御による回路動作図を図１５に、動作波形図を図１６に、各素子の電流電圧波形を図１７に示す。従来例２の主回路の基本構成は、交流電源ＡＣに全波整流器ＤＢを接続し、その出力にスイッチング素子Ｓｗ１とキャパシタＣ１、及び平滑コンデンサＣ２と負荷Ｚの並列回路を直列に接続し、キャパシタＣ１と並列にキャパシタＣ１の電圧を調整する制御手段を接続する。その制御手段として、インダクタＬ１とスイッチング素子Ｓｗ２，Ｓｗ３、ダイオードＤ１，Ｄ２からなる回路を用いている。回路構成としては、キャパシタＣ１に並列にスイッチング素子Ｓｗ２とインダクタＬ１、ダイオードＤ１を接続し、インダクタＬ１とダイオードＤ１の接続点とグランドの間にスイッチング素子Ｓｗ３を接続する。また、インダクタＬ１の残留エネルギーを負荷回路に送るために、スイッチング素子Ｓｗ２とインダクタＬ１の接続点とグランド間にダイオードＤ２を接続している。
【００１７】
以下、図１４の回路の動作について説明する。まず、交流電源ＡＣから入力される電圧Ｖｉｎは全波整流器ＤＢにより整流されて、脈流電圧Ｖ１を出力として得る。スイッチング素子Ｓｗ１が制御回路からの制御信号でオンすると、キャパシタＣ１と平滑コンデンサＣ２の和の電圧がＶ１まで充電される（図１５（ａ）の状態１）。
【００１８】
次に、スイッチング素子Ｓｗ１がオフした後について述べる。脈流電圧Ｖ１が出力電圧Ｖｏｕｔよりも高い脈流山部では、スイッチング素子Ｓｗ２のみをオンさせる。すると、キャパシタＣ１とインダクタＬ１が直列に接続され、キャパシタＣ１のエネルギーの一部がインダクタＬ１に移動し、磁気エネルギーとなってインダクタＬ１に蓄積される（図１５（ｂ）の状態２−Ａ）。また、脈流電圧Ｖ１が出力電圧Ｖｏｕｔよりも低い脈流谷部では、スイッチング素子Ｓｗ２とＳｗ３をオンさせる。すると、キャパシタＣ１と平滑コンデンサＣ２、インダクタＬ１が直列に接続され、平滑コンデンサＣ２のエネルギーの一部がキャパシタＣ１を充電しながらインダクタＬ１に移動し、磁気エネルギーとなってインダクタＬ１に蓄積される（図１５（ｂ）の状態２―Ｂ）。インダクタＬ１に流れる電流は共振的な波形となるが、今の場合、キャパシタＣ１（及び平滑コンデンサＣ２）とインダクタＬ１で決まる共振の周期に対して微小区間での動作を示しているので、電流の変化はほぼ直線的に描かれている。上記のような過程によってインダクタＬ１に一時蓄積されたエネルギーは、スイッチング素子Ｓｗ２（及びＳｗ３）をオフした瞬間にダイオードＤ２がオンし、ダイオードＤ１を介して負荷回路に全て送られる（図１５（ｃ）の状態３）。
【００１９】
このようにしてキャパシタＣ１に蓄積された余分なエネルギーをインダクタＬ１によって負荷回路に送り、効率良くキャパシタＣ１の電圧調整を行うものである。回路状態１と状態３は同時に行われてもよい。この繰り返しで平滑コンデンサＣ２の電圧は徐々に増加していく。また、キャパシタＣ１は、およそ脈流電圧Ｖ１と出力電圧Ｖｏｕｔの差の電圧を記億させることにより、スイッチング素子Ｓｗ１のオン時には、入力電圧とキャパシタＣ１を直列に接続し、負荷回路に一定電圧を供給する。さらに、スイッチング素子Ｓｗ１のオン直前のキャパシタＣ１と平滑コンデンサＣ２の電圧の和Ｖ２の波形が全波整流出力Ｖ１の波形と相似形になるようにスイッチング素子Ｓｗ２（及びＳｗ３）のオン時間を制御することで入力電流波形の包絡線を入力電圧波形と相似にし、入力高調波歪を抑制する。また、この相似比をスイッチング素子Ｓｗ２（及びＳｗ３）のオン時間の調整によって変えることにより入力電流のピーク値が変化し、出力電圧は上下する。このことにより、この回路は出力電圧の調整が可能である。
【００２０】
このように、交流電源ＡＣに整流器ＤＢを接続し、その出力にスイッチング素子Ｓｗ１とキャパシタＣ１、及び平滑コンデンサＣ２と負荷Ｚの並列回路を直列に接続し、キャパシタＣ１と並列に、インダクタＬ１とスイッチング素子Ｓｗ２，Ｓｗ３、ダイオードＤ１，Ｄ２からなる回路によってキャパシタＣ１の電圧を調整する制御手段を接続し、この制御手段によってキャパシタＣ１の電圧を制御することにより、入力高調波歪の抑制及び入力電流値の調整、出力電圧の調整を行うことができ、また、動作周波数を高くとることによって各キャパシタやインダクタ、スイッチング素子を小さくすることができるので、任意の一定電圧を発生できる小型の電源装置を提供できるものである。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
従来例１の直流電源Ｅとして、従来例２の出力電圧Ｖｏｕｔを用いれば、入力電流歪・高調波の抑制機能を持つ電力変換装置を実現できると考えられる。しかしながら、その場合、ＰＦＣ部（従来例２）と電力変換部（従来例１）のそれぞれにスイッチドキャパシタを用いるので、直列的に回路が接続されることになり、回路構成部品が多くなったり、効率が低下するという課題があった。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、小さな限流素子を用いて放電灯を安定に点灯させる電力変換装置に、入力電流歪・高調波の抑制機能を持たせることにより、特別な力率改善回路が不要で、安価で信頼性の高い放電灯点灯装置を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明の放電灯点灯装置によれば、上記の課題を解決するために、電圧源となる電力変換用キャパシタＣｉと該キャパシタＣｉの極性を反転するブリッジ回路より成るセルを複数直列的に接続したステップ電圧発生手段１と、交流電源に交流入力端を接続され、一方の直流出力端をステップ電圧発生手段の一端に接続され、他方の直流出力端を第１のスイッチ素子を介してステップ電圧発生手段の他端に接続された整流手段と、ステップ電圧発生手段１のキャパシタＣｉの瞬時の直列接続個数の変化で前記交流電源よりも高周波の略交流波形を生成して放電灯５に供給し、略交流波形は放電灯５の特性電圧よりも高いものと低いものを選択的に交互に放電灯５に供給して安定に点灯させる動作を行うと共に、ステップ電圧発生手段１のキャパシタの瞬時の直列接続された電圧が瞬時の交流電源電圧Ｖｉｎの大きさよりも低く且つキャパシタの瞬時の直列接続個数が異なる場合に比べて瞬時の交流電源電圧との電圧差が小さいタイミングで第１のスイッチ素子をＯＮさせて、ステップ電圧発生手段１の両端を整流手段の出力に接続して略正弦波状の入力電流を交流電源から取り込むことを特徴とするものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
本発明の実施例１の回路図を図１に示す。この回路では、従来例で説明したスイッチドキャパシタ回路等を利用したステップ電圧発生手段１を備え、入力電源Ｖｉｎとステップ電圧発生手段１の間にスイッチ手段Ｓｗ１を設け、負荷としての放電灯５に接続されたフィルタ手段４とステップ電圧発生手段１の間にスイッチ手段Ｓｗ２を設けたものであり、ステップ電圧発生手段１は入力電源Ｖｉｎのゼロクロス時に供給するエネルギーを蓄積するエネルギー蓄積手段３を有する。ここで、スイッチ手段Ｓｗ１，Ｓｗ２はステップ電圧発生手段１と兼用しても良い。また、フィルタ手段４は無くても動作は可能である。
【００２４】
以下、この回路の動作の概要を説明する。図２は入力電源Ｖｉｎの１周期を示したもので、ステップ電圧発生手段１を用いて入力電流Ｉｉｎを引き込み、放電灯５に電力を供給しながら、一部のエネルギーをエネルギー蓄積手段３に蓄え、入力電圧が低いときには、その蓄えたエネルギーを使って放電灯５の点灯を維持する。入力エネルギーの取り込み時においては、ステップ電圧発生手段１の直列接続されたキャパシタの電圧が段数に応じて変化して行く所謂包絡線が瞬時の入力電圧Ｖｉｎと同じか低い範囲で、その波形が入力電圧と（ｋ・Ｖｉｎのように）比例するように、その段数を（例えばｔ１〜ｔ２は１段、ｔ２〜ｔ３は２段というように）制御し、入力電源Ｖｉｎに接続すれば、入力電源Ｖｉｎからステップ電圧発生手段１のキャパシタに充電される時に流れる入力電流Ｉｉｎをほぼ正弦波状に維持することが可能となり、入力歪を改善することができる。
【００２５】
次に、図３は高周波出力の２周期を示したもので、図３のｔ０〜ｔ２のように、放電灯５の特性電圧Ｖｌａよりも高い電圧を出力するには、ステップ電圧発生手段１により多くのキャパシタを直列に接続し、図３のｔ２〜ｔ４のように、放電灯５の特性電圧Ｖｌａよりも低い電圧を出力するには、ステップ電圧発生手段１により少ないキャパシタを直列に接続して、その包絡線が略正弦波状になるように接続個数を制御し、フィルタ手段４を経由して放電灯５を点灯させる。
【００２６】
例えば、入力電源電圧Ｖｉｎがステップ電圧発生手段１の３段分の電圧よりも高く、４段分の電圧よりも低いタイミング（図２のｔ３〜ｔ４、ｔ７〜ｔ８）では、出力波形を作るために切り替えていくキャパシタの直列接続個数が３つになったときに、入力電源Ｖｉｎとステップ電圧発生手段１との接続も行えば、出力と同時に入力の取り込みも行えるようになる。また、入力と出力の周波数の違いから、同じような入力電圧に対して非常に多くの回数分、入力電流を引き込む動作となる。このように、ステップ電圧発生手段を入力電流の引き込みと高周波出力電圧発生の両方に用いることによって、部品点数等を少なくでき、限流要素を小さくしながら効率向上、低ノイズ化を図れるものである。
【００２７】
（実施例２）
本発明の実施例２の回路図を図４に示す。この回路でも同様に、従来例で説明したスイッチドキャパシタ回路等を利用したステップ電圧発生手段１を備え、入力電源Ｖｉｎとステップ電圧発生手段１の間にスイッチ手段Ｓｗ１とキャパシタへの突入電流を回避する等の目的のインピーダンス素子Ｚ１を設け、また、負荷としての放電灯５とステップ電圧発生手段１の間にフィルタ手段４を設けたものである。フィルタ手段４は、微小インダクタＬｆとキャパシタＣｆよりなる。ステップ電圧発生手段１は、入力電源Ｖｉｎのゼロクロス時に供給するエネルギーを蓄積するために、平滑コンデンサＣ０のようなエネルギー蓄積手段を有しており、ステップ電圧発生手段１との間にスイッチ手段Ｓｗ３とインピーダンス素子Ｚ２を設けている。ここで、スイッチ手段Ｓｗ１，Ｓｗ３はステップ電圧発生手段１と兼用しても良い。また、フィルタ手段４、インピーダンス素子Ｚ１，Ｚ２は無くても動作は可能である。
【００２８】
この実施例においても、実施例１と同様に、ステップ電圧発生手段を入力電流の引き込みと高周波出力電圧発生の両方に用いることにより、部品点数を少なくし、限流要素を小さくしながら効率向上と低ノイズ化を図れる放電灯点灯装置を提供できるものである。
【００２９】
（実施例３）
本発明の実施例３の回路図を図５に示す。この回路でも同様に、従来例で説明したスイッチドキャパシタ回路等を利用したステップ電圧発生手段１を備え、入力電源Ｖｉｎとステップ電圧発生手段１の間にダイオードＤ１０１とキャパシタへの突入電流を回避する等の目的のインピーダンス素子Ｚ３を設け、負荷としての放電灯５とステップ電圧発生手段１の間に、微小インダクタＬｆとキャパシタＣｆよりなるフィルタ手段４を有している。ステップ電圧発生手段１は、入力電源Ｖｉｎのゼロクロス時に供給するエネルギーを蓄積するために、平滑コンデンサＣ０のようなエネルギー蓄積手段を有しており、ステップ電圧発生手段１との間にダイオードＤ１０２とインピーダンス素子Ｚ３を設けている。フィルタ手段４、インピーダンス素子Ｚ３は無くても動作は可能である。
【００３０】
この回路の動作の特徴については実施例１と同様であるが、平滑コンデンサＣ０に蓄えられる電圧が脈流電圧Ｖ１１よりも高くなると、ダイオードＤ１０１とダイオードＤ１０２が同時にオンすることが無くなり、入力から平滑コンデンサＣ０に直接の電流が流れず、ステップ電圧発生手段１を入力電流の引き込みと高周波出力電圧発生の両方に用いることになり、部品点数を少なくし、限流要素を小さくしながら効率向上と低ノイズ化を図れる放電灯点灯装置を提供できるものである。
【００３１】
（実施例４）
本発明の実施例４の回路図を図６に示す。この実施例は、実施例３をより具体的にしたものである。スイッチ素子Ｓ１１〜Ｓ５４並びにキャパシタＣ１〜Ｃ５で構成されたスイッチドキャパシタ回路部の構成と動作は従来例に準ずるものとする。インダクタＬ３は脈流電圧Ｖ１１からスイッチドキャパシタ回路部側へ電流が流れる場合に、電位差によって急峻な電流が流れて効率が低下するのを防ぐ役割を担うものであり、ダイオードＤ３はインダクタＬ３の回生電流によりキャパシタＣ５を充電するために設けられている。
【００３２】
本実施例の回路動作を図７に示す。時刻ｔ０において、入力電源電圧Ｖｉｎを整流した脈流電圧Ｖ１１が、ステップ電圧発生手段のキャパシタを３個直列接続した３段分の電圧よりも高く、４段分の電圧よりも低いタイミングであるとして説明する。まず、時刻ｔ０でスイッチ素子Ｓ１４，Ｓ１１がオンし、スイッチ素子Ｓ１２，Ｓ１３がオフすると、スイッチドキャパシタ回路においては、キャパシタＣ１が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはキャパシタＣ１の電圧になる。このとき、スイッチ素子Ｓ７１はオフし、スイッチドキャパシタ回路は入力電源とは切り離されている。
【００３３】
次に、時刻ｔ１でスイッチ素子Ｓ２４，Ｓ２１がオンし、スイッチ素子Ｓ２２，Ｓ２３がオフすると、キャパシタＣ１，Ｃ２の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ１＋Ｃ２の電圧になる。時刻ｔ２でスイッチ素子Ｓ３４，Ｓ３１がオンし、スイッチ素子Ｓ３２，Ｓ３３がオフすると、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ１＋Ｃ２＋Ｃ３の電圧になる。
【００３４】
このとき、入力電源からエネルギーを取り込むベく、スイッチ素子Ｓ７１をオンするので、ダイオードＤ１、スイッチ素子Ｓ７１、インダクタＬ３を介してキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３の直列回路への充電と出力への電流供給が行われる。このとき、入力電流が急峻になることを防ぐためにインダクタＬ３に蓄えられたエネルギーは、ダイオードＤ３を介してキャパシタＣ５へ充電される。
【００３５】
時刻ｔ３でスイッチ素子Ｓ４４，Ｓ４１がオンし、スイッチ素子Ｓ４２，Ｓ４３がオフすると、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４の電圧になり、出力への電流供給が行われるが、ダイオードＤ１がオフして入力電源Ｖｉｎからの充電電流は流れなくなる。時刻ｔ４でスイッチ素子Ｓ５４，Ｓ５１がオンし、スイッチ素子Ｓ５２，Ｓ５３がオフすると、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力ＶｓｃはＣ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ５の最大の出力電圧になる。また、このとき、スイッチ素子Ｓ８１がオンする。平滑コンデンサＣ０の電圧Ｖｄｃがスイッチドキャパシタ回路の出力Ｖｓｃよりも低ければ、スイッチドキャパシタ回路側から平滑コンデンサＣ０への充電が行われ、逆に高ければ平滑コンデンサＣ０からスイッチドキャパシタ回路の各キャパシタへの充電が行われる。
【００３６】
時刻ｔ５でスイッチ素子Ｓ８１がオフし、平滑コンデンサＣ０との充放電は停止し、時刻ｔ５からは、これまでとは逆にスイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力Ｖｓｃが減少していき、時刻ｔ７でスイッチ素子Ｓ７１がオフして入力電源からのエネルギーの取り込みは停止する。ここから時刻ｔ２０までは入力からのエネルギーの取り込みは停止したままで、時刻ｔ２０からは再び時刻ｔ０と同様な回路動作となる。
【００３７】
ここで、入力電源電圧Ｖｉｎを整流した脈流電圧Ｖ１１がステップ電圧発生手段のキャパシタを３個直列接続した３段分の電圧よりも高く、４段分の電圧よりも低いタイミングであるとして説明してきたが、脈流電圧Ｖ１１がステップ電圧発生手段のキャパシタを２個直列接続した２段分の電圧よりも高く、３段分の電圧よりも低いタイミングであれば、スイッチ素子Ｓ７１がオンするタイミングを時刻ｔ１〜ｔ８とし、脈流電圧Ｖ１１がステップ電圧発生手段のキャパシタを４個直列接続した４段分の電圧よりも高く、５段分の電圧よりも低いタイミングであれば、スイッチ素子Ｓ７１がオンするタイミングを時刻ｔ３〜ｔ６とすれば、幅広い入力電圧値での入力電流の取り込みが可能となり、入力電流歪が改善できる。
【００３８】
入力電圧の山部では、多くのキャパシタを直列接続して入力を引き込むため、入力電圧との電圧差が大きくなって、多くのエネルギーを引き込んで平滑コンデンサＣ０側に充電し、入力電圧の谷部では、逆に少ないキャパシタを直列接続して入力を引き込むため、入力電圧との電圧差が小さくなって、少ないエネルギーを引き込んで平滑コンデンサＣ０からのエネルギー供給が増加する動作となる。
【００３９】
さらに、入力電源からの電流引き込み時に充電されるキャパシタは、キャパシタＣ１から順番でなくても良く、スイッチ素子Ｓ１１〜Ｓ５４の制御によって接続するキャパシタをどれにするかを選択出来るものであり、平均的な充電回数が各キャパシタで等しい方がキャパシタ間での電圧のばらつきが少なくなり、効率の向上や出力波形の歪の少なさが顕著になる。本実施例も小さな限流要素を用いて効率向上と低ノイズ化を図れる放電灯点灯装置を提供できるものである。
【００４０】
（実施例５）
本発明の実施例５の回路図を図８に示す。この実施例は、実施例２をより具体的にしたものである。スイッチ素子Ｓ１１〜Ｓ５４並びにキャパシタＣ１〜Ｃ５で構成されたスイッチドキャパシタ回路部の構成と動作は従来例に準ずるものとする。インダクタＬ３は脈流電圧Ｖ１１からスイッチドキャパシタ回路部側へ電流が流れる場合に、電位差によって急峻な電流が流れて効率が低下するのを防ぐ役割を担うものであり、ダイオードＤ３はインダクタＬ３の回生電流によりキャパシタＣ５を充電するために設けられている。
【００４１】
本実施例の回路動作を図９に示す。時刻ｔ０において、入力電源電圧Ｖｉｎを整流した脈流電圧Ｖ１１がステップ電圧発生手段のキャパシタを３個直列接続した３段分の電圧よりも高く、４段分の電圧よりも低いタイミングであるとして説明する。まず、時刻ｔ０でスイッチ素子Ｓ１４，Ｓ１１がオンし、スイッチ素子Ｓ１２，Ｓ１３がオフすると、スイッチドキャパシタ回路においては、キャパシタＣ１が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはキャパシタＣ１の電圧になる。このとき、スイッチ素子Ｓ９１はオフし、入力電源とは切り離されているが、スイッチ素子Ｓ１１１，Ｓ１１２はオンし、キャパシタＣ１と平滑コンデンサＣ０が接続され、エネルギーの充放電が行われる。図示していないが、スイッチ素子Ｓ１２１，Ｓ１２２，Ｓ１３１，Ｓ１３２，Ｓ１４１，Ｓ１４２，Ｓ１５１，Ｓ１５２はオフしている。
【００４２】
時刻ｔ１でスイッチ素子Ｓ２４，Ｓ２１がオンし、スイッチ素子Ｓ２２，Ｓ２３がオフすると、キャパシタＣ１，Ｃ２の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力はＣ１＋Ｃ２の電圧になる。時刻ｔ２でスイッチ素子Ｓ３４，Ｓ３１がオンし、スイッチ素子Ｓ３２，Ｓ３３がオフすると、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路ＳＣの出力はＣ１＋Ｃ２＋Ｃ３の電圧になる。このとき、入力電源からエネルギーを取り込むべく、スイッチ素子Ｓ９１をオンするので、ダイオードＤ１、スイッチ素子Ｓ９１、インダクタＬ３を介してキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３の直列回路への充電と出力への電流供給が行われる。また、入力電流が急峻になることを防ぐためのインダクタＬ３に蓄えられたエネルギーは、ダイオードＤ３を介してキャパシタＣ５へ充電される。
【００４３】
時刻ｔ３でスイッチ素子Ｓ４４，Ｓ４１がオンし、スイッチ素子Ｓ４２，Ｓ４３がオフすると、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４の電圧になり、出力への電流供給が行われるが、ダイオードＤ１がオフして入力電源からの充電電流は流れなくなる。時刻ｔ４でスイッチ素子Ｓ５４，Ｓ５１がオンし、スイッチ素子Ｓ５２，Ｓ５３がオフすると、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ５の最大の出力電圧になる。
【００４４】
時刻ｔ５からは、これまでとは逆に電圧が減少していき、時刻ｔ７でスイッチ素子Ｓ９１がオフして入力からのエネルギーの取り込みは停止する。ここから時刻ｔ２０までは、入力からのエネルギーの取り込みは停止したままで時刻ｔ２０に至る。
【００４５】
時刻ｔ２０でスイッチ素子Ｓ２４，Ｓ２１がオンし、スイッチ素子Ｓ２２，Ｓ２３がオフし、スイッチ素子Ｓ１１，Ｓ１３がオンし、スイッチ素子Ｓ１４，Ｓ１２がオフすると、スイッチドキャパシタ回路としてはキャパシタＣ２が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはキャパシタＣ２の電圧になる。このとき、スイッチ素子Ｓ９１はオフし、入力電源とは切り離されているが、スイッチ素子Ｓ１２１，Ｓ１２２はオンし、キャパシタＣ２と平滑コンデンサＣ０が接続され、エネルギーの充放電が行われる。図示していないが、スイッチ素子Ｓ１１１，Ｓ１１２，Ｓ１３１，Ｓ１３２，Ｓ１４１，Ｓ１４２，Ｓ１５１，Ｓ１５２はオフしている。
【００４６】
時刻ｔ２１でスイッチ素子Ｓ３４，Ｓ３１がオンし、スイッチ素子Ｓ３２，Ｓ３３がオフすると、キャパシタＣ２，Ｃ３の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ２＋Ｃ３の電圧になる。時刻ｔ２２でスイッチ素子Ｓ４４，Ｓ４１がオンし、スイッチ素子Ｓ４２，Ｓ４３がオフすると、キャパシタＣ２，Ｃ３，Ｃ４の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ２＋Ｃ３＋Ｃ４の電圧になる。このとき、入力電源からエネルギーを取り込むべく、スイッチ素子Ｓ９１をオンするので、ダイオードＤ１、スイッチ素子Ｓ９１、インダクタＬ３を介してキャパシタＣ２，Ｃ３，Ｃ４の直列回路への充電と出力への電流供給が行われる。また、入力電流が急峻になることを防ぐためのインダクタＬ３に蓄えられたエネルギーは、ダイオードＤ３を介してキャパシタＣ５へ充電される。
【００４７】
時刻ｔ２３でスイッチ素子Ｓ５４，Ｓ５１がオンし、スイッチ素子Ｓ５２，Ｓ５３がオフすると、キャパシタＣ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ２＋Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ５の電圧になり、出力への電流供給が行われるが、ダイオードＤ１がオフして入力電源からの充電電流は流れなくなる。時刻ｔ２４でスイッチ素子Ｓ１４，Ｓ１１がオンし、スイッチ素子Ｓ１２，Ｓ１３がオフすると、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ５の最大の出力電圧になる。時刻ｔ２５からは、これまでとは逆に電圧が減少していき、時刻ｔ２７でスイッチ素子Ｓ９１がオフして入力からのエネルギーの取り込みは停止する。
【００４８】
ここで、時刻ｔ２０までとの差異は、接続されるキャパシタとして、キャパシタＣ１が最後に接続されるようになり、常に平滑コンデンサＣ０とキャパシタＣ２が接続され、エネルギーの充放電が行われている点である。キャパシタがつながっていく順番をサイクル毎に変更していくことによって、各キャパシタＣ１〜Ｃ５の電圧のばらつきを低減しながら、幅広い入力電圧値にて入力電流の取り込みが可能となり、入力電流歪が改善できる。また、平滑コンデンサＣ０の電圧はキャパシタ１個分の電圧と等しくなるため、低い耐圧の素子を使用することが可能となって、コスト的にも有利になる。
【００４９】
本実施例も入力電圧の山部では、多くのキャパシタを直列接続して入力を引き込むため入力電圧との電圧差が大きくなって多くのエネルギーを引き込んで、平滑コンデンサＣ０側に充電し、入力電圧の谷部では、逆に少ないキャパシタを直列接続して入力を引き込むため入力電圧との電圧差が小さくなって少ないエネルギーを引き込んで、平滑コンデンサＣ０からのエネルギー供給が増加する動作が可能となり、小さな限流要素を用いて、効率向上と低ノイズ化を図れる放電灯点灯装置を提供できるものである。
【００５０】
（実施例６）
本発明の実施例６の回路図を図１０に示す。この実施例も、実施例２をより具体的にしたものである。スイッチ素子Ｓ１１〜Ｓ５４並びにキャパシタＣ１〜Ｃ５で構成されたスイッチドキャパシタ回路部の構成と動作は従来例に準ずるものとする。インダクタＬ３は脈流電圧Ｖ１１からスイッチドキャパシタ回路部側へ電流が流れる場合に、電位差によって急峻な電流が流れて効率が低下するのを防ぐ役割を担うものであり、ダイオードＤ３はインダクタＬ３の回生電流によりキャパシタＣ５を充電するために設けられている。
【００５１】
本実施例の回路動作を図１１に示す。時刻ｔ０において、入力電源電圧Ｖｉｎを整流した脈流電圧Ｖ１１がステップ電圧発生手段のキャパシタを１個接続した１段分の電圧よりも高く、２段分の電圧よりも低いタイミングであるとして説明する。まず、時刻ｔ０でスイッチ素子Ｓ１４，Ｓ１１がオンし、スイッチ素子Ｓ１２，Ｓ１３がオフすると、スイッチドキャパシタ回路においては、キャパシタＣ１が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはキャパシタＣ１の電圧になる。このとき、入力電源からエネルギーを取り込むべく、スイッチ素子Ｓ９１をオンするので、ダイオードＤ１、スイッチ素子Ｓ９１、インダクタＬ３を介してキャパシタＣ１への充電と出力への電流供給が行われる。また、入力電流が急峻になることを防ぐためのインダクタＬ３に蓄えられたエネルギーはダイオードＤ３を介してキャパシタＣ５へ充電される。図示していないが、スイッチ素子Ｓ１３１，Ｓ１３２，Ｓ１４１，Ｓ１４２，Ｓ１５１，Ｓ１５２はオフしている。
【００５２】
次に、時刻ｔ１でスイッチ素子Ｓ２４，Ｓ２１がオンし、スイッチ素子Ｓ２２，Ｓ２３がオフすると、キャパシタＣ１，Ｃ２の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ１＋Ｃ２の電圧になり、出力への電流供給が行われるが、ダイオードＤ１がオフして入力電源からの充電電流は流れなくなる。時刻ｔ２でスイッチ素子Ｓ３４，Ｓ３１がオンし、スイッチ素子Ｓ３２，Ｓ３３がオフすると、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ１＋Ｃ２＋Ｃ３の電圧になる。このとき、スイッチ素子Ｓ１３１，Ｓ１３２はオンし、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３の直列回路と平滑コンデンサＣ０が接続され、エネルギーの充放電が行われる。
【００５３】
時刻ｔ３でスイッチ素子Ｓ４４，Ｓ４１がオンし、スイッチ素子Ｓ４２，Ｓ４３がオフすると、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４の電圧になる。時刻ｔ４でスイッチ素子Ｓ５４，Ｓ５１がオンし、スイッチ素子Ｓ５２，Ｓ５３がオフすると、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ５の最大の出力電圧になる。
【００５４】
時刻ｔ５からは、これまでとは逆に電圧が減少していき、時刻ｔ７でスイッチ素子Ｓ１３１，Ｓ１３２がオフし、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３の直列回路と平滑コンデンサＣ０のエネルギーの充放電を停止する。また、時刻ｔ９でスイッチ素子Ｓ９１がオフして入力電源からのエネルギーの取り込みを停止する。ここから時刻ｔ２０までは、入力からのエネルギーの取り込みは停止したままで時刻ｔ２０に至る。
【００５５】
時刻ｔ２０でスイッチ素子Ｓ２４，Ｓ２１がオンし、スイッチ素子Ｓ２２，Ｓ２３がオフし、スイッチ素子Ｓ１１，Ｓ１３がオンし、スイッチ素子Ｓ１４，Ｓ１２がオフすると、スイッチドキャパシタ回路においては、キャパシタＣ２が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはキャパシタＣ２の電圧になる。このとき、入力電源からエネルギーを取り込むベく、スイッチ素子Ｓ９１をオンするので、ダイオードＤ１、スイッチ素子Ｓ９１、インダクタＬ３を介してキャパシタＣ２への充電と出力への電流供給が行われる。また、入力電流が急峻になることを防ぐためのインダクタＬ３に蓄えられたエネルギーはダイオードＤ３を介してキャパシタＣ５へ充電される。図示していないが、スイッチ素子Ｓ１３１，Ｓ１３２，Ｓ１４１，Ｓ１４２，Ｓ１５１，Ｓ１５２はオフしている。
【００５６】
時刻ｔ２１でスイッチ素子Ｓ３４，Ｓ３１がオンし、スイッチ素子Ｓ３２，Ｓ３３がオフすると、キャパシタＣ２，Ｃ３の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ２＋Ｃ３の電圧になり、出力への電流供給が行われるが、ダイオードＤ１がオフして入力電源からの充電電流は流れなくなる。時刻ｔ２２でスイッチ素子Ｓ４４，Ｓ４１がオンし、スイッチ素子Ｓ４２，Ｓ４３がオフすると、キャパシタＣ２，Ｃ３，Ｃ４の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ２＋Ｃ３＋Ｃ４の電圧になる。このとき、スイッチ素子Ｓ１４１，Ｓ１４２はオンし、キャパシタＣ２，Ｃ３，Ｃ４の直列回路と平滑コンデンサＣ０が接続され、エネルギーの充放電が行われる。
【００５７】
時刻ｔ２３でスイッチ素子Ｓ５４，Ｓ５１がオンし、スイッチ素子Ｓ５２，Ｓ５３がオフすると、キャパシタＣ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ２＋Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ５の電圧になる。時刻ｔ２４でスイッチ素子Ｓ１４，Ｓ１１がオンし、スイッチ素子Ｓ１２，Ｓ１３がオフすると、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５の直列回路が出力に接続され、スイッチドキャパシタ回路の出力ＶｓｃはＣ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ５の最大の出力電圧になる。時刻ｔ２４〜ｔ２５では、スイッチ素子Ｓ１４１，Ｓ１４２を一時的にオフさせる。これは、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の直列回路が平滑コンデンサＣ０に接続されることを避けるためである。
【００５８】
時刻ｔ２５からはスイッチ素子Ｓ１４１，Ｓ１４２が再びオンとなり、これまでとは逆に電圧が減少していき、時刻ｔ２７でスイッチ素子Ｓ１４１，Ｓ１４２がオフし、キャパシタＣ２，Ｃ３，Ｃ４の直列回路と平滑コンデンサＣ０のエネルギーの充放電を停止する。また、時刻ｔ２９でスイッチ素子Ｓ９１がオフして入力電源からのエネルギーの取り込みを停止する。
【００５９】
ここで、時刻ｔ２０までとの差異は、接続されるキャパシタとして、キャパシタＣ１が最後に接続されるようになり、平滑コンデンサＣ０とキャパシタＣ２，Ｃ３，Ｃ４の直列回路が接続され、エネルギーの充放電が行われている点である。キャパシタがつながっていく順番をサイクル毎に変更していくことによって、各キャパシタの電圧のばらつきを低減しながら、幅広い入力電圧値にて入力電流の取り込みが可能となり、入力電流歪が改善できる。
【００６０】
また、図示していないが、時刻ｔ２〜ｔ３及び時刻ｔ６〜ｔ７において、スイッチ素子Ｓ１４１，Ｓ１４２，Ｓ１５１，Ｓ１５２をオンすることで、キャパシタＣ３，Ｃ４，Ｃ５が並列接続され、これとキャパシタＣ１，Ｃ２を直列に接続した回路と平滑コンデンサＣ０が接続され、エネルギーの充放電が行われる。同様に、時刻ｔ２２〜ｔ２３及び時刻ｔ２６〜ｔ２７においてスイッチ素子Ｓ１５１，Ｓ１５２をオンすることで、キャパシタＣ４，Ｃ５が並列接続され、これとキャパシタＣ２，Ｃ３を直列に接続した回路と平滑コンデンサＣ０が接続され、エネルギーの充放電が行われる。このような動作の組合せにより、各キャパシタの電圧のばらつきをさらに低減することができる。
【００６１】
さらに、本実施例では、平滑コンデンサＣ０の電圧はキャパシタ３個分と等しくなるため、脈流電圧の周波数に応じた平滑コンデンサＣ０の電圧リップルが小さくなり、各キャパシタの脈流電圧の周波数に応じた電圧リップルも小さくなるので、負荷に流れる電流の波高率も低減される。
【００６２】
本実施例も入力電圧の山部では、多くのキャパシタを直列接続して入力を引き込むため入力電圧との電圧差が大きくなって多くのエネルギーを引き込んで、平滑コンデンサＣ０側に充電し、入力電圧の谷部では、逆に少ないキャパシタを直列接続して入力を引き込むため入力電圧との電圧差が小さくなって少ないエネルギーを引き込んで、平滑コンデンサＣ０からのエネルギー供給が増加する動作が可能となり、小さな限流要素を用いて、効率向上と低ノイズ化を図れる放電灯点灯装置を提供できるものである。
【００６３】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、階段状波形を発生するステップ電圧源を用いることにより限流素子の大幅な削減が可能であり、また、このステップ電圧源を用いて交流電圧源からの入力電流を引き込む動作を行わせることにより、入力電流歪・高調波の抑制が可能な放電灯点灯装置を安価に提供できるという効果がある。
【００６４】
請求項２の発明によれば、素子に流れる瞬時値の高い電流をインピーダンス素子により制限することにより、一層の小型化を可能とする効果がある。
【００６５】
請求項４の発明によれば、回路のスイッチ素子数の削減により低コスト化を可能とする効果がある。請求項５の発明によれば、電荷を蓄えるコンデンサやスイッチ素子の耐電圧を低減し、低コスト化を可能とする効果がある。請求項６の発明によれば、電荷を蓄えるコンデンサやスイッチ素子の耐電圧をバランスよく低減し、コスト低減を可能とする効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１のブロック回路図である。
【図２】本発明の実施例１の入力波形を示す波形図である。
【図３】本発明の実施例１の出力波形を示す波形図である。
【図４】本発明の実施例２のブロック回路図である。
【図５】本発明の実施例３のブロック回路図である。
【図６】本発明の実施例４の回路図である。
【図７】本発明の実施例４の動作波形図である。
【図８】本発明の実施例５の回路図である。
【図９】本発明の実施例５の動作波形図である。
【図１０】本発明の実施例６の回路図である。
【図１１】本発明の実施例６の動作波形図である。
【図１２】従来例１の回路図である。
【図１３】従来例１の動作説明図である。
【図１４】従来例２の回路図である。
【図１５】従来例２の動作説明のための回路図である。
【図１６】従来例２の入力交流電源の半周期分の動作波形図である。
【図１７】従来例２の各部の電流電圧波形を示す波形図である。
【符号の説明】
１ ステップ電圧発生手段
２ 制御手段
３ エネルギー蓄積手段
４ フィルタ手段
５ 放電灯
Ｖｉｎ 入力交流電源
Ｃ０ 平滑コンデンサ
Ｓｗ１ スイッチ手段
Ｓｗ２ スイッチ手段
Claims (6)
- 電圧源となる電力変換用キャパシタと該キャパシタの極性を反転するブリッジ回路より成るセルを複数直列的に接続したステップ電圧発生手段と、
交流電源に交流入力端を接続され、一方の直流出力端をステップ電圧発生手段の一端に接続され、他方の直流出力端を第１のスイッチ素子を介してステップ電圧発生手段の他端に接続された整流手段と、
ステップ電圧発生手段のキャパシタの瞬時の直列接続個数の変化で前記交流電源よりも高周波の略交流波形を生成して放電灯に供給し、略交流波形は放電灯の特性電圧よりも高いものと低いものを選択的に交互に放電灯に供給して安定に点灯させる動作を行うと共に、
ステップ電圧発生手段のキャパシタの瞬時の直列接続された電圧が瞬時の交流電源電圧の大きさよりも低く且つキャパシタの瞬時の直列接続個数が異なる場合に比べて瞬時の交流電源電圧との電圧差が小さいタイミングで第１のスイッチ素子をＯＮさせて、ステップ電圧発生手段の両端を整流手段の出力に接続して略正弦波状の入力電流を交流電源から取り込むことを特徴とする放電灯点灯装置。 - 請求項１において、整流手段とステップ電圧発生手段との間に接続された前記第１のスイッチ素子と直列にインピーダンス素子を接続したことを特徴とする放電灯点灯装置。
- 請求項１又は２において、一方の電極をステップ電圧発生手段の前記一端に接続され、他方の電極に第２のスイッチ素子を直列に接続され、該第２のスイッチ素子を介してステップ電圧発生手段の少なくとも１つのキャパシタにエネルギーを供給する平滑コンデンサを備えることを特徴とする放電灯点灯装置。
- 請求項３において、第２のスイッチ素子はステップ電圧発生手段のキャパシタの瞬時の直列接続された電圧が最大となるタイミングでＯＮされて、ステップ電圧発生手段の全キャパシタの直列回路と平滑コンデンサを並列接続することを特徴とする放電灯点灯装置。
- 請求項３において、第２のスイッチ素子は平滑コンデンサの前記他方の電極をステップ電圧発生手段の各キャパシタの一端に択一的に接続する複数のスイッチ素子よりなり、平滑コンデンサの電圧とステップ電圧発生手段の各キャパシタの電圧とが略等しくなるように、平滑コンデンサと択一的に並列接続されるキャパシタを切り替えることを特徴とする放電灯点灯装置。
- 請求項３において、第２のスイッチ素子はステップ電圧発生手段の複数個のキャパシタが直列に接続されたタイミングで、該複数個のキャパシタの直列回路と平滑コンデンサとを並列接続することを特徴とする放電灯点灯装置。
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