JP4060184B2 - 回路 - Google Patents
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Description
【０００１】
（技術分野）
本発明はＨＩＤランプを動作させる回路に関するものである。こうした回路は安定器としても知られている。近年の安定器は、制御装置を設けた電子回路である。本発明は、動作方法及びこの方法を実行するシステムにも関するものである。
【０００２】
（従来技術）
高輝度放電（ＨＩＤ）ランプは通常、定常状態時に交流（ＡＣ）モードで動作する。より詳細には、ランプを通常、正電圧と負電圧との間で交番する方形波で駆動して、定常状態では、電流が一方向に２、３ミリ秒以上流れないようにする。こうした装置を動作させられる好適な周波数は60Hzである。電流が一方向に流れる時間が長過ぎると、こうした装置の物理特性及び設計によって装置の損傷が発生する。
【０００３】
米国特許番号5,917,290（「290号特許」）には、ＨＩＤランプを駆動する技術が記載されている。本明細書の図１に、290号特許と同様の回路を示す。図１の回路はスイッチ１０３〜１０８を具え、これらのスイッチは、好適な実施例ではトランジスタとして適切に実現することができる。明瞭にするために、図１には、コントローラ１６５からスイッチ１０３〜１０８までのすべての接続は示していない。
【０００４】
図１の装置では、比較的高周波数（例えば200kHz）の２つの方形波をコントローラ１６５によって発生する。これらの高周波数の方形波の一方は、入力交流電圧が正であるか負であるかに応じて、スイッチ１０３及び１０４のゲートを異なる時刻に駆動するために利用することができる。コントローラ１６５からの高周波信号の他方は、ランプ１１５の両端の交流電圧の極性に応じて、トランジスタ１０７〜１０８のゲートを駆動するために使用する。スイッチ１０５〜１０６は周波数ＶＡＣで動作させ、これはランプ１１５の両端の電圧と同じ周波数である。この周波数は通常低く、100Hz以下である。
【０００５】
ＨＩＤランプ１１５を駆動する信号の周波数は入力電圧ＶＡＣと同じ周波数であると考えることができ、この周波数はスイッチ１０５及び１０６を動作させる周波数に相当する。以上のことは多くの応用に当てはまるが、入力電圧ＶＡＣのライン周波数が低過ぎる場合には当てはまらない。この状況は、例えばヨーロッパではライン（電灯線）周波数が50Hzしかない所で発生することがあり、この周波数は、ＨＩＤランプ１１５を駆動して満足な動作を行わせるのに必要な最小周波数よりも少し低い。結果として、図１に示すような回路をヨーロッパ市場で動作させると、この回路がランプにフリッカを生じさせ得る。入力電圧とは異なる周波数のＡＣ信号を用いてランプを動作させることが所望される他の状況もあり得る。
【０００６】
以上の観点から、現在技術において、設計が簡単であり、かつＨＩＤランプまたは他の装置をライン周波数以外の周波数で駆動可能なシステムの必要性が存在する。
【０００７】
（発明の開示）
従来技術の上述した問題及び他の問題は、本発明の教示によって克服でき、本発明はＨＩＤランプを駆動する電圧を発生する技術に関するものであり、この電圧は、入力電圧の周波数とは異なる周波数である。ここでは説明上、パルス幅変調（ＰＷＭ）スイッチまたは高周波スイッチについて述べる。これらのスイッチは、好適例ではトランジスタとして実現し、通常、ランプの両端のＡＣ電圧（例えば50Hz）よりもずっと高い周波数（例えば200kHz）の方形波で駆動する。
【０００８】
また、ここでは説明上、昇圧及び降圧機能について述べる。これらの用語は当業者に既知である。昇圧機能は通常、電力を低電圧から高電圧に変換することを称し、降圧機能は電圧を高電圧から低電圧に変換することを称する。本明細書に記載のような安定器では通常、まず入力電圧を昇圧段階にかけて、次に、ランプに印加する前に降圧させる。従って、入力電圧をまずステップアップ（昇圧）させて、次にステップダウン（降圧）させる。
【０００９】
本発明によれば、図１のスイッチのようなスイッチを駆動する制御回路は、装置が同期モード及び非同期モードを有するように構成する。同期モード中には、２つの異なるスイッチが高周波数で同期して動作して、ＰＷＭ信号を発生する。これら２つのスイッチの一方が降圧機能を実行すべく動作して、他方が昇圧機能を実行すべく動作する。非同期モードでは、単一のスイッチが高周波ＰＷＭモードで動作して、昇圧及び降圧機能を実現すべく作用する。
【００１０】
入力電圧の正の部分毎に、同期及び非同期のランプ電圧が存在可能であり、従って、ランプ電圧は入力電圧周波数の２倍の周波数になり得る。ランプ電圧は一般に、回路への入力電圧周波数とは異なり得るいずれの周波数にすることもできる。
【００１１】
本発明は一般に、単一のＰＷＭスイッチを使用して昇圧及び降圧機能を実現することと、２つのＰＷＭスイッチを同期させて使用し、一方を昇圧機能に使用して他方を降圧機能に使用することとの間で周期的に切り換わる制御機能を具えることができる。
【００１２】
（発明を実施するための最良の形態）
図２に、従来技術の回路が発生する信号のタイミング図を示す。入力電圧ＶＡＣ、各スイッチ１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８の電圧Ｖ、及びランプ電圧ＶLAを縦向きに示す。
【００１３】
図３に、回路への入力電圧ＶＡＣを、ＨＩＤランプ１１５の電圧ＶLAと比較したタイミング図を示す。図３に示す例では、ランプを駆動する周波数はＶＡＣの周波数の約２倍である。図３のタイミング図は、図１に示す回路を用いて発生することができる。こうした回路は以下に記述するように、特定の制御シーケンスおよび以下に説明する新規のコントローラを利用して動作させるべきものである。
【００１４】
図４〜１１に本発明に関連して利用される好適な回路が取り得る８つの状況を示す。簡単のため、図４〜１１では制御回路を接続して示さない。より詳細には、スイッチ１０３〜１０８は、従来技術で周知の適切な電圧を加えることによってオン状態またはオフ状態にすることのできるスイッチを表わす。これらのスイッチ１０３〜１０８は、例えばＭＯＳＦＥＴデバイス、あるいは他のいずれかの種類のスイッチングデバイスとすることができる。通常、コンピュータコントローラをこれらのデバイスのゲート電圧に接続して、このゲート電圧の活性あるいは不活性を制御して、前記スイッチを開閉することができる。明瞭さのために、こうしたコントローラは図示していない。
【００１５】
各スイッチ１０３〜１０８には、スイッチが開状態の際に電流が一方向のみに流れることを促進する目的で、ダイオードを並列接続する。なおＭＯＳＦＥＴ及びダイオードの使用は好適例に過ぎず、同じ機能を実現する他のデバイスを使用することもできる。
【００１６】
ここで図３に示すように、入力電圧信号３０９からＨＩＤランプ１１５の両端の電圧信号３０７を発生するための、図４〜１１に示す回路の種々の状態の動作について説明する。なお、従来技術のシステムとは異なり、入力電圧波形３０９はランプ駆動電圧３０７と同じ周波数ではない。本発明の新規の要点によれば、昇圧及び降圧機能を生成するための高周波数のＰＷＭ信号によって制御可能なスイッチは、安定器の動作サイクルを通して同じものではない。より詳細には、以下で図４〜１１を参照して詳細に説明するように、まず高周波パルスを使用して、スイッチ１０４及び１０７が同期して動作するように制御する。次に、ＰＷＭパルスを用いてスイッチ１０５のみを制御する。第３段階では、ＰＷＭパルスを用いてスイッチ１０６が独立して動作するように制御して、続いて第４段階では、ＰＷＭパルスを、スイッチ１０３及び１０８が同期して動作するための制御信号として用いる。
【００１７】
図４〜１１では、矢印付きの破線が、通常昇圧と称する電流の流れを表わし、矢印付きの実線が降圧機能を表わす。昇圧及び降圧機能は互いに対して同期にすることも非同期にすることもでき、これについては以下で詳細に説明する。異なるスイッチ組を同期させて使用して昇圧及び降圧機能を実現する際、及び非同期で使用する際には、同じスイッチ組を、昇圧機能を実現するためにも降圧機能を実現するためにも用いる。
【００１８】
以下では、特定時刻にＰＷＭ信号によって制御するスイッチのことをＰＷＭスイッチと称する。また本明細書では、スイッチのうちの１つがＰＷＭ信号を発生するものとし、この信号は、ＰＷＭ制御信号によって駆動されるスイッチから出力される信号を意味する。
【００１９】
図４に示すスイッチ１０７がオン状態で、キャパシタ１１８がインダクタ１５０を通して放電されて、インダクタ１６０が閉じたスイッチ１０４経由で充電される。次に、スイッチ１０７及び１０４をオフ状態にする。しかし、電流がインダクタ１６０を通って流れ続けようとするので、ここでは図に示すように、電流がダイオード１５６を通って逆に流れてキャパシタ１１８を充電する。同時に、キャパシタ１１８の充電により、スイッチ１０７を開にした後にも、インダクタ１５０からのエネルギーが、ＨＩＤランプ１１５を通る電流を流したままにする。図５にはこの電流径路も示す。
【００２０】
従って、まとめて言えば、図４及び図５は、図３のランプ電圧３０７の部分３２０を表現する。図４及び図５は、部分３２０中の、図３に示すオン及びオフのパルス３１１を表わす。図４では、エネルギーが、入力電源ＶＡＣからインダクタ１６０に転送されて、予め蓄積されているエネルギーがキャパシタ１１８からランプ１１５を通ってインダクタ１５０に転送される。図５では、インダクタ１６０に予め蓄積されたエネルギーを利用してキャパシタ１１８を充電し、インダクタ１５０に予め蓄積されたエネルギーを利用して、ＨＩＤランプ１１５を通る電流の流れを維持する。図４及び図５は、図１２の表の行１２０１を表現する。図１２のこのＰＷＭは、スイッチが比較的高いスイッチング周波数（例えば100kHz）で動作することを暗に意味する。このスイッチのオン時間は帰還ループによって規定される。
【００２１】
図６及び図７は、信号３０７の部分３２２を表現する。図６及び図７では、入力電源ＶＡＣからキャパシタ１１８へのエネルギー転送、及びキャパシタ１１８からインダクタ１５０を通ってＨＩＤランプ１１５に至るエネルギー転送の両方を、同じスイッチ１０５によって制御する。より詳細には、部分３２２中にスイッチ１０５がＰＷＭモードで動作して、図６はそのオン期間を表現し、図７はそのオフ期間を表現する。オン期間中には、エネルギーがキャパシタ１１８からインダクタ１５０を通って放出され、これにより負電圧をＨＩＤランプ１１５に送達する。
【００２２】
信号３０７の部分３２２は図１２の表の行１２０３を表現し、ここでは図に示すように、入力電圧ＶＡＣが正であり、ランプ１１５の両端の電圧が負である。図６及び図７はそれぞれ、ＰＷＭ変調されるスイッチ１０５のオン状態及びオフ状態を表現する。図６では、スイッチ１０５がオン状態でありスイッチ１０６がオフ状態であり、図に示すようにスイッチ１０５を通る電流径路ができる。より詳細には、ＰＷＭ信号のオン時間中には、図に示すように電流がインダクタ１６０及びスイッチ１０３を通って流れて、インダクタ１６０にエネルギーが蓄積されることになる。同時に、これによって、エネルギーが、図に示すようにキャパシタ１１８からスイッチ１０５を通り、そしてインダクタ１５０を通って放出される。従って、エネルギーがインダクタ１６０に蓄積される間に、キャパシタ１１８からのエネルギーがランプ１１５に送達される。
【００２３】
ＰＷＭスイッチ１０５をオフ状態にした際にも、インダクタ１６０に流れる電流が流れ続けようとし、ここでは図７に示すように、キャパシタ１１８に送達されてその充電を促進する。キャパシタ１１８の充電中には、インダクタ１５０に蓄積されたエネルギーによって、ランプ１１５を通る負方向の電流が維持されて、このエネルギーが電流を流し続けようとする。
【００２４】
従って、図６と図７との違いは次のように考えられる。図６では、エネルギーがキャパシタ１１８からランプに送達されて、キャパシタ１１８もエネルギーをインダクタ１５０に送達する。同時に、これによって、エネルギーがインダクタ１６０に送達される。図７では、ＰＷＭスイッチ１０５がオフ状態になると、図６でインダクタ１６０に予め送達されたエネルギーが今度は、インダクタ１６０からキャパシタ１１８に送達される。同時に、これによって、インダクタ１５０に予め送達されたエネルギーが今度はＨＩＤランプ１１５に送達される。こうして、元の入力電源から送達されたエネルギーがまずインダクタ１６０に蓄積されて、次にキャパシタ１１８に送達され、そしてキャパシタ１１８からインダクタ１５０を通ってランプ１１５に送達される。従って、昇圧用及び降圧用に別個のスイッチを有するのではなく、昇圧機能及び降圧機能の両者用に、ＰＷＭスイッチ１０５を高周波ＰＷＭモードで使用する。
【００２５】
図３の信号３０７の部分３２２を通して、スイッチ１０５のＰＷＭ信号を、部分３２４が始まるまで維持する。部分３２４中のＰＷＭスイッチの挙動は、図１２の表の行１２０４を表現する。信号３０７の部分３２４では、スイッチ１０６がＰＷＭスイッチとして作用してランプ１１５に電力を送達し、同時にキャパシタ１１８の充電及び放電を促進する。図８に示すように、スイッチ１０６がオン状態で動作中には、図８に示す径路を利用して、電流がインダクタ１６０を通って送達される。この径路はインダクタ１６０にエネルギーを蓄積させて、この径路は図９を参照して後に説明するように用いる。同時に、これによって、電荷がキャパシタ１１８からインダクタ１５０を通って、図８に示すように、スイッチ１０６を通る径路を利用してランプ１１５を点灯させる。スイッチ１０６がオフ位置になると、こうしたスイッチを通る径路が遮断されて、インダクタ１６０に流れる電流は、図９に示す新たな径路を利用して流れ続ける。これにより、インダクタ１６０に蓄積されたエネルギーがキャパシタ１１８に送達されてこれに蓄積され、その後のサイクル中に使用される。同時に、これによって、インダクタ１５０に流れる電流も流れ続けようとし、従って、スイッチ１０５の一部であるダイオードを通って、図に示す方向に流れる。
【００２６】
従って、インダクタ１５０に蓄積されたエネルギーがランプ１１５に送達されて、ランプを点灯させ続ける。図３に信号３１１として示す交流パルスが、信号３０７の部分３２４の持続時間中に、回路の状態を図８の状態と図９の状態との間で交番させる。従って図８及び図９では、スイッチ１０６を用いて昇圧及び降圧機能の両方を達成することができる。
【００２７】
部分３２４の終わりには、回路が、図３の部分３２６として示すように、ランプ１１５の両端の電圧が負になって入力電圧が負のままである状態に切り換わる。この部分３２６中の、信号３１１におけるオン及びオフのパルスをそれぞれ、図１０及び図１１によって表わす。この状態は図１２の表の行１２０２に相当する。この部分の回路の動作は、ここでは昇圧及び降圧機能をスイッチ１０４及び１０７を同期させずにスイッチ１０３及び１０８を同期させることによって達成すること以外は、部分３２０（図３）の期間中の動作と同様である。
【００２８】
スイッチ１０３及び１０８がオン位置である際には、電流が、入力電圧からスイッチ１０５を通ってスイッチ１０３に流れて、インダクタ１６０内にエネルギーを蓄積させる。同時に、これによって、エネルギーがキャパシタ１１８からランプ１１５及びインダクタ１５０を通って、並びに図１０に示すようにスイッチ１０８を通って放出される。ＰＷＭ信号がオフ状態になると、インダクタ１６０に蓄積されたエネルギーが電流を維持する。しかし、インダクタ１６０に流れる電流はもはやスイッチ１０３にも流れることはできない。従って、径路が図１１に示すように変化して、今度はインダクタ１６０に蓄積されたエネルギーを利用してキャパシタ１１８を充電する。同時に、これによって、インダクタ１５０に流れるエネルギーが流れ続けて、ランプ１１５を点灯させ続ける。
【００２９】
以上のことからわかるように、本発明は、ＰＷＭスイッチを利用してエネルギーを高輝度放電ランプに送達する回路を意図したものである。ＰＷＭ信号は、昇圧機能用及び降圧機能用共に、装置の動作サイクルの特定部分中に、１つのスイッチを用いて実現することができる。装置の動作サイクルの他の部分中には、同期して動作する２つの異なるスイッチを用いてＰＷＭ信号を実現することができる。好適例では、制御信号を利用して、昇圧機能用と降圧機能用に別個のスイッチを使用することと、昇圧及び降圧機能用に同一のスイッチを使用することとの間で、周期的な切り換えを行うことができる。
【００３０】
一般に、ＰＷＭ信号がオン状態の部分中には、入力電圧源からのエネルギーが第１エネルギー蓄積デバイス（インダクタ１６０）に送達されて、第２エネルギー蓄積デバイス（キャパシタ１１８）からのエネルギーが第３エネルギー蓄積デバイス（インダクタ１５０）に送達される。ＰＷＭスイッチがオフ状態である時間中には、第１エネルギー蓄積デバイス（インダクタ１６０）に予め送達されたエネルギーが第２エネルギー蓄積デバイスに送達されて、第３エネルギー蓄積デバイスに蓄積されたエネルギーがＨＩＤランプに送達される。
【００３１】
従って、このシステムの基本的な動作は、より一般的には、単に３つのエネルギー蓄積デバイス、即ちインダクタ１６０、キャパシタ１１８、及びインダクタ１５０として考えることができる。第１モードの動作中には、一組のスイッチ１０３及び１０８を利用して同期したＰＷＭ信号を供給して、第１エネルギー蓄積デバイスと第２エネルギー蓄積デバイスとの間のエネルギーの転送、並びに第２エネルギー蓄積デバイスと第３エネルギー蓄積デバイスとの間のエネルギーの転送を促進する。第２モードの動作中には、１つのスイッチのみを利用して、ＰＷＭサイクル中に、第１エネルギー蓄積デバイスと第２エネルギー蓄積デバイスとの間のエネルギー転送、並びに第２エネルギー蓄積デバイスと第３エネルギー蓄積デバイスとの間のエネルギーの転送を行う。
【００３２】
図に示す６つのスイッチのうちでは、回路が動作する計４つの方法が実際に存在する。第１の方法は、スイッチ１０３及び１０８を利用して、上述したＰＷＭエネルギー転送機能を提供する。動作の第２モードは、ＰＷＭの同期の方法で動作するスイッチ１０４及び１０７を使用して、上述したエネルギー蓄積デバイス間でエネルギー転送を行う。動作の第３モードは単一のスイッチ１０５を使用して、第１エネルギー蓄積デバイスと第２エネルギー蓄積デバイスとの間、並びに第２エネルギー蓄積デバイスと第３エネルギー蓄積デバイスとの間のエネルギー転送を促進し、動作の第４モードはスイッチ１０６を単一のスイッチとして利用して、上述した３つのエネルギー蓄積デバイス間でのエネルギー転送を生成する。また、単一のスイッチ、即ち１０５または１０６のいずれかを使用する際には、入力電圧とランプ１１５の両端の電圧とが非同期であり、２つのスイッチを使用する際には、入力電圧とランプ１１５の両端の電圧とが同期していることも明らかである。
【００３３】
以上のことは本発明の好適例について記述したものであり、種々の変形及び追加は当業者にとって明らかである。こうした変形は、請求項の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を実現するために使用する回路の好適な実施例を示す図である。
【図２】 高輝度放電ランプを駆動する従来技術の回路が発生する信号のタイミング図である。
【図３】 本発明の好適な実施例によって発生する好適な信号の組を示す図である。
【図４】 本発明を実現するために使用する回路の動作の第１モードを示す図である。
【図５】 本発明を実現するために使用する回路の動作の第２モードを示す図である。
【図６】 本発明を実現するために使用する回路の動作の第３モードを示す図である。
【図７】 本発明を実現するために使用する回路の動作の第４モードを示す図である。
【図８】 本発明を実現するために使用する回路の動作の第５モードを示す図である。
【図９】 本発明を実現するために使用する回路の動作の第６モードを示す図である。
【図１０】 本発明を実現するために使用する回路の動作の第７モードを示す図である。
【図１１】 本発明を実現するために使用する回路の動作の第８モードを示す図である。
【図１２】 ＨＩＤランプの両端の電圧と回路の入力電圧との関係を示す状態図である。
（技術分野）
本発明はＨＩＤランプを動作させる回路に関するものである。こうした回路は安定器としても知られている。近年の安定器は、制御装置を設けた電子回路である。本発明は、動作方法及びこの方法を実行するシステムにも関するものである。
【０００２】
（従来技術）
高輝度放電（ＨＩＤ）ランプは通常、定常状態時に交流（ＡＣ）モードで動作する。より詳細には、ランプを通常、正電圧と負電圧との間で交番する方形波で駆動して、定常状態では、電流が一方向に２、３ミリ秒以上流れないようにする。こうした装置を動作させられる好適な周波数は60Hzである。電流が一方向に流れる時間が長過ぎると、こうした装置の物理特性及び設計によって装置の損傷が発生する。
【０００３】
米国特許番号5,917,290（「290号特許」）には、ＨＩＤランプを駆動する技術が記載されている。本明細書の図１に、290号特許と同様の回路を示す。図１の回路はスイッチ１０３〜１０８を具え、これらのスイッチは、好適な実施例ではトランジスタとして適切に実現することができる。明瞭にするために、図１には、コントローラ１６５からスイッチ１０３〜１０８までのすべての接続は示していない。
【０００４】
図１の装置では、比較的高周波数（例えば200kHz）の２つの方形波をコントローラ１６５によって発生する。これらの高周波数の方形波の一方は、入力交流電圧が正であるか負であるかに応じて、スイッチ１０３及び１０４のゲートを異なる時刻に駆動するために利用することができる。コントローラ１６５からの高周波信号の他方は、ランプ１１５の両端の交流電圧の極性に応じて、トランジスタ１０７〜１０８のゲートを駆動するために使用する。スイッチ１０５〜１０６は周波数ＶＡＣで動作させ、これはランプ１１５の両端の電圧と同じ周波数である。この周波数は通常低く、100Hz以下である。
【０００５】
ＨＩＤランプ１１５を駆動する信号の周波数は入力電圧ＶＡＣと同じ周波数であると考えることができ、この周波数はスイッチ１０５及び１０６を動作させる周波数に相当する。以上のことは多くの応用に当てはまるが、入力電圧ＶＡＣのライン周波数が低過ぎる場合には当てはまらない。この状況は、例えばヨーロッパではライン（電灯線）周波数が50Hzしかない所で発生することがあり、この周波数は、ＨＩＤランプ１１５を駆動して満足な動作を行わせるのに必要な最小周波数よりも少し低い。結果として、図１に示すような回路をヨーロッパ市場で動作させると、この回路がランプにフリッカを生じさせ得る。入力電圧とは異なる周波数のＡＣ信号を用いてランプを動作させることが所望される他の状況もあり得る。
【０００６】
以上の観点から、現在技術において、設計が簡単であり、かつＨＩＤランプまたは他の装置をライン周波数以外の周波数で駆動可能なシステムの必要性が存在する。
【０００７】
（発明の開示）
従来技術の上述した問題及び他の問題は、本発明の教示によって克服でき、本発明はＨＩＤランプを駆動する電圧を発生する技術に関するものであり、この電圧は、入力電圧の周波数とは異なる周波数である。ここでは説明上、パルス幅変調（ＰＷＭ）スイッチまたは高周波スイッチについて述べる。これらのスイッチは、好適例ではトランジスタとして実現し、通常、ランプの両端のＡＣ電圧（例えば50Hz）よりもずっと高い周波数（例えば200kHz）の方形波で駆動する。
【０００８】
また、ここでは説明上、昇圧及び降圧機能について述べる。これらの用語は当業者に既知である。昇圧機能は通常、電力を低電圧から高電圧に変換することを称し、降圧機能は電圧を高電圧から低電圧に変換することを称する。本明細書に記載のような安定器では通常、まず入力電圧を昇圧段階にかけて、次に、ランプに印加する前に降圧させる。従って、入力電圧をまずステップアップ（昇圧）させて、次にステップダウン（降圧）させる。
【０００９】
本発明によれば、図１のスイッチのようなスイッチを駆動する制御回路は、装置が同期モード及び非同期モードを有するように構成する。同期モード中には、２つの異なるスイッチが高周波数で同期して動作して、ＰＷＭ信号を発生する。これら２つのスイッチの一方が降圧機能を実行すべく動作して、他方が昇圧機能を実行すべく動作する。非同期モードでは、単一のスイッチが高周波ＰＷＭモードで動作して、昇圧及び降圧機能を実現すべく作用する。
【００１０】
入力電圧の正の部分毎に、同期及び非同期のランプ電圧が存在可能であり、従って、ランプ電圧は入力電圧周波数の２倍の周波数になり得る。ランプ電圧は一般に、回路への入力電圧周波数とは異なり得るいずれの周波数にすることもできる。
【００１１】
本発明は一般に、単一のＰＷＭスイッチを使用して昇圧及び降圧機能を実現することと、２つのＰＷＭスイッチを同期させて使用し、一方を昇圧機能に使用して他方を降圧機能に使用することとの間で周期的に切り換わる制御機能を具えることができる。
【００１２】
（発明を実施するための最良の形態）
図２に、従来技術の回路が発生する信号のタイミング図を示す。入力電圧ＶＡＣ、各スイッチ１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８の電圧Ｖ、及びランプ電圧ＶLAを縦向きに示す。
【００１３】
図３に、回路への入力電圧ＶＡＣを、ＨＩＤランプ１１５の電圧ＶLAと比較したタイミング図を示す。図３に示す例では、ランプを駆動する周波数はＶＡＣの周波数の約２倍である。図３のタイミング図は、図１に示す回路を用いて発生することができる。こうした回路は以下に記述するように、特定の制御シーケンスおよび以下に説明する新規のコントローラを利用して動作させるべきものである。
【００１４】
図４〜１１に本発明に関連して利用される好適な回路が取り得る８つの状況を示す。簡単のため、図４〜１１では制御回路を接続して示さない。より詳細には、スイッチ１０３〜１０８は、従来技術で周知の適切な電圧を加えることによってオン状態またはオフ状態にすることのできるスイッチを表わす。これらのスイッチ１０３〜１０８は、例えばＭＯＳＦＥＴデバイス、あるいは他のいずれかの種類のスイッチングデバイスとすることができる。通常、コンピュータコントローラをこれらのデバイスのゲート電圧に接続して、このゲート電圧の活性あるいは不活性を制御して、前記スイッチを開閉することができる。明瞭さのために、こうしたコントローラは図示していない。
【００１５】
各スイッチ１０３〜１０８には、スイッチが開状態の際に電流が一方向のみに流れることを促進する目的で、ダイオードを並列接続する。なおＭＯＳＦＥＴ及びダイオードの使用は好適例に過ぎず、同じ機能を実現する他のデバイスを使用することもできる。
【００１６】
ここで図３に示すように、入力電圧信号３０９からＨＩＤランプ１１５の両端の電圧信号３０７を発生するための、図４〜１１に示す回路の種々の状態の動作について説明する。なお、従来技術のシステムとは異なり、入力電圧波形３０９はランプ駆動電圧３０７と同じ周波数ではない。本発明の新規の要点によれば、昇圧及び降圧機能を生成するための高周波数のＰＷＭ信号によって制御可能なスイッチは、安定器の動作サイクルを通して同じものではない。より詳細には、以下で図４〜１１を参照して詳細に説明するように、まず高周波パルスを使用して、スイッチ１０４及び１０７が同期して動作するように制御する。次に、ＰＷＭパルスを用いてスイッチ１０５のみを制御する。第３段階では、ＰＷＭパルスを用いてスイッチ１０６が独立して動作するように制御して、続いて第４段階では、ＰＷＭパルスを、スイッチ１０３及び１０８が同期して動作するための制御信号として用いる。
【００１７】
図４〜１１では、矢印付きの破線が、通常昇圧と称する電流の流れを表わし、矢印付きの実線が降圧機能を表わす。昇圧及び降圧機能は互いに対して同期にすることも非同期にすることもでき、これについては以下で詳細に説明する。異なるスイッチ組を同期させて使用して昇圧及び降圧機能を実現する際、及び非同期で使用する際には、同じスイッチ組を、昇圧機能を実現するためにも降圧機能を実現するためにも用いる。
【００１８】
以下では、特定時刻にＰＷＭ信号によって制御するスイッチのことをＰＷＭスイッチと称する。また本明細書では、スイッチのうちの１つがＰＷＭ信号を発生するものとし、この信号は、ＰＷＭ制御信号によって駆動されるスイッチから出力される信号を意味する。
【００１９】
図４に示すスイッチ１０７がオン状態で、キャパシタ１１８がインダクタ１５０を通して放電されて、インダクタ１６０が閉じたスイッチ１０４経由で充電される。次に、スイッチ１０７及び１０４をオフ状態にする。しかし、電流がインダクタ１６０を通って流れ続けようとするので、ここでは図に示すように、電流がダイオード１５６を通って逆に流れてキャパシタ１１８を充電する。同時に、キャパシタ１１８の充電により、スイッチ１０７を開にした後にも、インダクタ１５０からのエネルギーが、ＨＩＤランプ１１５を通る電流を流したままにする。図５にはこの電流径路も示す。
【００２０】
従って、まとめて言えば、図４及び図５は、図３のランプ電圧３０７の部分３２０を表現する。図４及び図５は、部分３２０中の、図３に示すオン及びオフのパルス３１１を表わす。図４では、エネルギーが、入力電源ＶＡＣからインダクタ１６０に転送されて、予め蓄積されているエネルギーがキャパシタ１１８からランプ１１５を通ってインダクタ１５０に転送される。図５では、インダクタ１６０に予め蓄積されたエネルギーを利用してキャパシタ１１８を充電し、インダクタ１５０に予め蓄積されたエネルギーを利用して、ＨＩＤランプ１１５を通る電流の流れを維持する。図４及び図５は、図１２の表の行１２０１を表現する。図１２のこのＰＷＭは、スイッチが比較的高いスイッチング周波数（例えば100kHz）で動作することを暗に意味する。このスイッチのオン時間は帰還ループによって規定される。
【００２１】
図６及び図７は、信号３０７の部分３２２を表現する。図６及び図７では、入力電源ＶＡＣからキャパシタ１１８へのエネルギー転送、及びキャパシタ１１８からインダクタ１５０を通ってＨＩＤランプ１１５に至るエネルギー転送の両方を、同じスイッチ１０５によって制御する。より詳細には、部分３２２中にスイッチ１０５がＰＷＭモードで動作して、図６はそのオン期間を表現し、図７はそのオフ期間を表現する。オン期間中には、エネルギーがキャパシタ１１８からインダクタ１５０を通って放出され、これにより負電圧をＨＩＤランプ１１５に送達する。
【００２２】
信号３０７の部分３２２は図１２の表の行１２０３を表現し、ここでは図に示すように、入力電圧ＶＡＣが正であり、ランプ１１５の両端の電圧が負である。図６及び図７はそれぞれ、ＰＷＭ変調されるスイッチ１０５のオン状態及びオフ状態を表現する。図６では、スイッチ１０５がオン状態でありスイッチ１０６がオフ状態であり、図に示すようにスイッチ１０５を通る電流径路ができる。より詳細には、ＰＷＭ信号のオン時間中には、図に示すように電流がインダクタ１６０及びスイッチ１０３を通って流れて、インダクタ１６０にエネルギーが蓄積されることになる。同時に、これによって、エネルギーが、図に示すようにキャパシタ１１８からスイッチ１０５を通り、そしてインダクタ１５０を通って放出される。従って、エネルギーがインダクタ１６０に蓄積される間に、キャパシタ１１８からのエネルギーがランプ１１５に送達される。
【００２３】
ＰＷＭスイッチ１０５をオフ状態にした際にも、インダクタ１６０に流れる電流が流れ続けようとし、ここでは図７に示すように、キャパシタ１１８に送達されてその充電を促進する。キャパシタ１１８の充電中には、インダクタ１５０に蓄積されたエネルギーによって、ランプ１１５を通る負方向の電流が維持されて、このエネルギーが電流を流し続けようとする。
【００２４】
従って、図６と図７との違いは次のように考えられる。図６では、エネルギーがキャパシタ１１８からランプに送達されて、キャパシタ１１８もエネルギーをインダクタ１５０に送達する。同時に、これによって、エネルギーがインダクタ１６０に送達される。図７では、ＰＷＭスイッチ１０５がオフ状態になると、図６でインダクタ１６０に予め送達されたエネルギーが今度は、インダクタ１６０からキャパシタ１１８に送達される。同時に、これによって、インダクタ１５０に予め送達されたエネルギーが今度はＨＩＤランプ１１５に送達される。こうして、元の入力電源から送達されたエネルギーがまずインダクタ１６０に蓄積されて、次にキャパシタ１１８に送達され、そしてキャパシタ１１８からインダクタ１５０を通ってランプ１１５に送達される。従って、昇圧用及び降圧用に別個のスイッチを有するのではなく、昇圧機能及び降圧機能の両者用に、ＰＷＭスイッチ１０５を高周波ＰＷＭモードで使用する。
【００２５】
図３の信号３０７の部分３２２を通して、スイッチ１０５のＰＷＭ信号を、部分３２４が始まるまで維持する。部分３２４中のＰＷＭスイッチの挙動は、図１２の表の行１２０４を表現する。信号３０７の部分３２４では、スイッチ１０６がＰＷＭスイッチとして作用してランプ１１５に電力を送達し、同時にキャパシタ１１８の充電及び放電を促進する。図８に示すように、スイッチ１０６がオン状態で動作中には、図８に示す径路を利用して、電流がインダクタ１６０を通って送達される。この径路はインダクタ１６０にエネルギーを蓄積させて、この径路は図９を参照して後に説明するように用いる。同時に、これによって、電荷がキャパシタ１１８からインダクタ１５０を通って、図８に示すように、スイッチ１０６を通る径路を利用してランプ１１５を点灯させる。スイッチ１０６がオフ位置になると、こうしたスイッチを通る径路が遮断されて、インダクタ１６０に流れる電流は、図９に示す新たな径路を利用して流れ続ける。これにより、インダクタ１６０に蓄積されたエネルギーがキャパシタ１１８に送達されてこれに蓄積され、その後のサイクル中に使用される。同時に、これによって、インダクタ１５０に流れる電流も流れ続けようとし、従って、スイッチ１０５の一部であるダイオードを通って、図に示す方向に流れる。
【００２６】
従って、インダクタ１５０に蓄積されたエネルギーがランプ１１５に送達されて、ランプを点灯させ続ける。図３に信号３１１として示す交流パルスが、信号３０７の部分３２４の持続時間中に、回路の状態を図８の状態と図９の状態との間で交番させる。従って図８及び図９では、スイッチ１０６を用いて昇圧及び降圧機能の両方を達成することができる。
【００２７】
部分３２４の終わりには、回路が、図３の部分３２６として示すように、ランプ１１５の両端の電圧が負になって入力電圧が負のままである状態に切り換わる。この部分３２６中の、信号３１１におけるオン及びオフのパルスをそれぞれ、図１０及び図１１によって表わす。この状態は図１２の表の行１２０２に相当する。この部分の回路の動作は、ここでは昇圧及び降圧機能をスイッチ１０４及び１０７を同期させずにスイッチ１０３及び１０８を同期させることによって達成すること以外は、部分３２０（図３）の期間中の動作と同様である。
【００２８】
スイッチ１０３及び１０８がオン位置である際には、電流が、入力電圧からスイッチ１０５を通ってスイッチ１０３に流れて、インダクタ１６０内にエネルギーを蓄積させる。同時に、これによって、エネルギーがキャパシタ１１８からランプ１１５及びインダクタ１５０を通って、並びに図１０に示すようにスイッチ１０８を通って放出される。ＰＷＭ信号がオフ状態になると、インダクタ１６０に蓄積されたエネルギーが電流を維持する。しかし、インダクタ１６０に流れる電流はもはやスイッチ１０３にも流れることはできない。従って、径路が図１１に示すように変化して、今度はインダクタ１６０に蓄積されたエネルギーを利用してキャパシタ１１８を充電する。同時に、これによって、インダクタ１５０に流れるエネルギーが流れ続けて、ランプ１１５を点灯させ続ける。
【００２９】
以上のことからわかるように、本発明は、ＰＷＭスイッチを利用してエネルギーを高輝度放電ランプに送達する回路を意図したものである。ＰＷＭ信号は、昇圧機能用及び降圧機能用共に、装置の動作サイクルの特定部分中に、１つのスイッチを用いて実現することができる。装置の動作サイクルの他の部分中には、同期して動作する２つの異なるスイッチを用いてＰＷＭ信号を実現することができる。好適例では、制御信号を利用して、昇圧機能用と降圧機能用に別個のスイッチを使用することと、昇圧及び降圧機能用に同一のスイッチを使用することとの間で、周期的な切り換えを行うことができる。
【００３０】
一般に、ＰＷＭ信号がオン状態の部分中には、入力電圧源からのエネルギーが第１エネルギー蓄積デバイス（インダクタ１６０）に送達されて、第２エネルギー蓄積デバイス（キャパシタ１１８）からのエネルギーが第３エネルギー蓄積デバイス（インダクタ１５０）に送達される。ＰＷＭスイッチがオフ状態である時間中には、第１エネルギー蓄積デバイス（インダクタ１６０）に予め送達されたエネルギーが第２エネルギー蓄積デバイスに送達されて、第３エネルギー蓄積デバイスに蓄積されたエネルギーがＨＩＤランプに送達される。
【００３１】
従って、このシステムの基本的な動作は、より一般的には、単に３つのエネルギー蓄積デバイス、即ちインダクタ１６０、キャパシタ１１８、及びインダクタ１５０として考えることができる。第１モードの動作中には、一組のスイッチ１０３及び１０８を利用して同期したＰＷＭ信号を供給して、第１エネルギー蓄積デバイスと第２エネルギー蓄積デバイスとの間のエネルギーの転送、並びに第２エネルギー蓄積デバイスと第３エネルギー蓄積デバイスとの間のエネルギーの転送を促進する。第２モードの動作中には、１つのスイッチのみを利用して、ＰＷＭサイクル中に、第１エネルギー蓄積デバイスと第２エネルギー蓄積デバイスとの間のエネルギー転送、並びに第２エネルギー蓄積デバイスと第３エネルギー蓄積デバイスとの間のエネルギーの転送を行う。
【００３２】
図に示す６つのスイッチのうちでは、回路が動作する計４つの方法が実際に存在する。第１の方法は、スイッチ１０３及び１０８を利用して、上述したＰＷＭエネルギー転送機能を提供する。動作の第２モードは、ＰＷＭの同期の方法で動作するスイッチ１０４及び１０７を使用して、上述したエネルギー蓄積デバイス間でエネルギー転送を行う。動作の第３モードは単一のスイッチ１０５を使用して、第１エネルギー蓄積デバイスと第２エネルギー蓄積デバイスとの間、並びに第２エネルギー蓄積デバイスと第３エネルギー蓄積デバイスとの間のエネルギー転送を促進し、動作の第４モードはスイッチ１０６を単一のスイッチとして利用して、上述した３つのエネルギー蓄積デバイス間でのエネルギー転送を生成する。また、単一のスイッチ、即ち１０５または１０６のいずれかを使用する際には、入力電圧とランプ１１５の両端の電圧とが非同期であり、２つのスイッチを使用する際には、入力電圧とランプ１１５の両端の電圧とが同期していることも明らかである。
【００３３】
以上のことは本発明の好適例について記述したものであり、種々の変形及び追加は当業者にとって明らかである。こうした変形は、請求項の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を実現するために使用する回路の好適な実施例を示す図である。
【図２】 高輝度放電ランプを駆動する従来技術の回路が発生する信号のタイミング図である。
【図３】 本発明の好適な実施例によって発生する好適な信号の組を示す図である。
【図４】 本発明を実現するために使用する回路の動作の第１モードを示す図である。
【図５】 本発明を実現するために使用する回路の動作の第２モードを示す図である。
【図６】 本発明を実現するために使用する回路の動作の第３モードを示す図である。
【図７】 本発明を実現するために使用する回路の動作の第４モードを示す図である。
【図８】 本発明を実現するために使用する回路の動作の第５モードを示す図である。
【図９】 本発明を実現するために使用する回路の動作の第６モードを示す図である。
【図１０】 本発明を実現するために使用する回路の動作の第７モードを示す図である。
【図１１】 本発明を実現するために使用する回路の動作の第８モードを示す図である。
【図１２】 ＨＩＤランプの両端の電圧と回路の入力電圧との関係を示す状態図である。
Claims (5)
- 電力を高輝度放電（ＨＩＤ）ランプに送達することによって該ランプ（115）を動作させる回路であって、この回路が、
第１接続点を介して２つのスイッチ (103,104) が接続された第１の直列接続と、
前記第１の直列接続と並列接続され、第２接続点を介して２つのスイッチ (105,106) が接続された第２の直列接続と、
前記第１の直列接続と並列接続され、第３接続点を介して２つのスイッチ (107,108) が接続された第３の直列接続と、
前記第１の直列接続と並列接続されたキャパシタ (118) と、
前記第２接続点に接続された第１入力端，及び第２入力端を有し入力交流電圧（ＶＡＣ）を受ける入力部と、
前記第２入力端と前記第１接続点との間に接続された第１のインダクタ (160) と、
前記第２接続点と前記第３接続点との間に接続された、第２のインダクタ (150) と前記ランプ (115) の直列接続と、
前記スイッチを周期的にオン・オフするように駆動信号を発生するコントローラ(165)を具え、
前記コントローラが、第１及び第２のセットの駆動信号を発生するように構成され、
前記第１のセットの駆動信号は低周波数であり、前記第２のセットの駆動信号は前記第１のセットの駆動信号より高周波数であるパルス幅変調（ＰＷＭ）信号であり、前記パルス幅変調信号のデューティサイクルが前記ランプに送達する電力のレベルを示し、
前記コントローラが、前記第２の直列接続の一方のスイッチ (106;105) を継続的にオンにし、前記第２の直列接続の他方のスイッチ (105;106) を継続的にオフにし、前記第１の直列接続の一方のスイッチ (104;103) と前記第３の直列接続の一方のスイッチ (107;108) を互いに同期させて周期的にオン・オフし、前記第１及び第３の直列接続の他方のスイッチ (103,108;104,107) を継続的にオフにするように、前記第２の直列接続のスイッチ (105,106) を前記第１のセットの低周波数駆動信号で駆動し、且つ、前記第１及び第３の直列接続のスイッチ (103,104,107,108) を前記第２のセットの高周波数パルス幅変調（ＰＷＭ）信号で駆動する同期モードで作動可能である前記回路において、
前記コントローラは、
前記第２の直列接続の一つのスイッチ (105;106) を周期的にオン・オフし、前記第２の直列接続のもう一方のスイッチ (106;105) を継続的にオフにし、前記第３の直列接続の一方のスイッチ (108;107) を継続的にオンにし、前記第１及び第３の直列接続の残りのスイッチ (103,104,107;103,104,108) を継続的にオフにするように、前記第２の直列接続のスイッチ (105;106) を前記第２のセットの高周波数パルス幅変調（ＰＷＭ）信号で駆動し、且つ、前記第１及び第３の直列接続のスイッチ (103,104,107,108) を前記第１のセットの低周波数駆動信号で駆動する非同期モードで作動可能であり、
前記コントローラは、前記ランプ (115) の動作サイクル内の第１部分 (320;326) 中に前記同期モードで作動し、前記ランプ (115) の前記動作サイクル内の第２部分 (322;324) 中に前記非同期モードで作動するように構成されていることを特徴とする回路。 - 前記ランプ (115) の動作サイクル内の第１部分 (320;326) 中に、前記第１の直列接続の一方のスイッチ (104;103) と前記第３の直列接続の一方のスイッチ (107;108) が、それぞれ昇圧機能と降圧機能を実行し、
前記ランプ (115) の前記動作サイクル内の第２部分 (322;324) 中に、前記第２の直列接続の一方のスイッチ (105;106) が、昇圧機能と降圧機能の両方を実行することを特徴とする請求項１に記載の回路。 - 前記スイッチ(103-108)がトランジスタであることを特徴とする請求項１又は２に記載の回路。
- 前記スイッチの各々にダイオード(156)を並列接続したことを特徴とする請求項３に記載の回路。
- 前記ランプ (115) の動作サイクル内の第１部分 (320;326) 中に、ランプ 電圧が前記入力電圧（ＶＡＣ）と同極性関係にあり、前記ランプ (115) の前記動作サイクル内の第２部分 (322;324) 中に、前記ランプ電圧が前記入力電圧（ＶＡＣ）と逆極性関係にあることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の回路。
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