JP4362122B2 - 回路の放電ランプ電流の等化 - Google Patents

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Description

本発明は、特に、冷陰極蛍光ランプ(CCFL)の電流バランス(電流平衡)をとることに係り、一般的には、回路の多数の並列岐路の電流バランスをとることに係る。
関連出願のクロスレファレンス:本出願は、2005年7月6日に出願された「Current Balancing Technique with Magnetic Integration for Fluorescent Lamps」と題する米国特許出願第11/176,804号の一部継続出願である。
蛍光ランプは、一般的な照明を目的とする通常の電気的装置において照明を与えるもので、白熱電球より効率が良い。蛍光ランプは、蛍光粉末が水銀プラズマにより発生されたアークエネルギーで活性化される低圧ガス放電ソースである。適切な電圧が印加されると、水銀蒸気を通して電極間に流れる電流によりアークが発生され、これは、ある目に見える放射を発生し、それにより生じる紫外線が蛍光物質を励起して光を放射させる。蛍光ランプでは、2つの電極が管の各端においてハーメチックシールされ、これら電極は、放電動作のグロー又はアークモードにおいて「冷」又は「熱」陰極即ち電極として動作するように設計される。
冷陰極蛍光ランプ(CCFL)は、液晶ディスプレイ(LCD)のバックライトの用途で一般的となっている。グロー即ち冷陰極動作のための電極は、通常、内側に放射性物質がコーティングされた閉端金属円筒で構成することができる。CCFLにより使用される電流は、一般に、数ミリアンペア程度であり、一方、電圧降下は、数百ボルト程度である。
CCFLは、電極が頑丈で、フィラメントがなく且つ消費電流が低いために、熱電極蛍光ランプより寿命が相当に長い。それらは、低い温度でも直ちに始動し、その寿命は、始動の回数によって影響されず、且つ非常に低い光出力レベルへ薄暗くすることができる。しかしながら、サイズの大きなLCDの場合は多数のランプが必要とされるので、均一なバックライト及び長いランプ寿命を達成するためにはランプ間でバランスのとれた電流分担を行うことが必要となる。
電流のバランスをとる1つの手段は、独立して制御されるインバーターで各ランプを駆動することであり、これは、電流の分担に高い精度を達成するが、この解決策は、通常、複雑且つ経費がかかる。別の解決策は、全てのランプを単一のインバーターで駆動することである。図1は、低電圧インバーターと、ステップアップ変成器と、電流バランス変成器とを備えた多CCFLシステムを示す。この技術は、よりコスト効率が高い。現在、幾つかの電流バランス変成器技術があり、その2つが図2A及び2Bに示されている。これらの設計では、オープンランプ状態のもとで電流バランスをとることができない。
以下、本発明の種々の実施形態を説明する。以下の説明は、これらの実施形態を完全に理解するために特定の細部について行う。しかしながら、当業者であれば、これら細部の多くを伴わずに本発明を実施できることが理解されよう。更に、種々の実施形態の関連説明を不必要に不明瞭にしないために、良く知られた幾つかの構造や機能は図示せず、又、詳細に述べない。
以下の説明に使用する用語は、本発明のある特定の実施形態の詳細な説明に関連して使用するが、最も広範囲な合理的な仕方で解釈されるべきである。幾つかの用語は、以下で強調するが、限定された仕方で解釈されるよう意図された用語は、この詳細な説明において明白に且つ特有に定義される。
この詳細な説明で述べる実施形態は、一般に、多数の巻線を伴う単一の多脚変成器を使用し、全ての関連ランプに流れる電流のバランスをとると共に、望ましからぬ寄生波及び高調波を除去するための簡単且つ正確な回路を形成する。ここに示す実施形態の幾つかの効果は、正確な電流バランス、磁気コア数の減少、低い製造コスト、小型サイズ、及びオープンランプ状態のもとでの電流バランスである。
図3は、3ランプシステムのランプに流れる電流をバランスするためのジグザグ接続を伴う電流バランス回路を示す。図3から、3つの変成器(各脚に1つ)が理想的なもので、巻回比が1:1であると仮定すれば、同じ磁気コアにおける2つの巻線電圧は、次の関係を有する。
p1=−vs1
p2=−vs2 (1)
p3=−vs3
端子A、B及びCにおける電圧方程式は、次の通りである。
Figure 0004362122
それ故、
A+vB+vC=0 (3)
そして
p1+vp2+vp3=0 (4)
式(4)から、3つの個別の変成器を一体化して、よりコンパクトで且つ経費の安い解決策を提供できるという結論になり得る。これにより得られる変成器は、絶縁を与えないある種の単巻変成器である。一実施形態において、3つの脚の断面は同一であり、各脚は2つの巻線を有し、そして接続は図3に基づいて行われる。磁気コアは、最も一般的に使用されていることから、EE型のコアでよい。他の実施形態では、他の形式のバランス型3脚コアを使用して、各脚にバランスしたインダクタンスを得ることができる。
図4は、2つの異なる巻線オプションを有する3脚一体化変成器構造を示す。図4の(A)に示す1つのオプションでは、全ての脚が巻線を有し、一方、図4の(B)に示す第2のオプションでは、3つの脚の2つだけが巻線を有する。3つのランプの電流をバランスすべき場合に、巻線のない脚は、他の2つの脚とバランスされてはならないことに注意されたい。それ故、このオプションに対し、入手可能なEE型磁気コアを使用することができる。
図5は、図4の(B)に示す実施形態と同様に、一体型磁気コアの2つの脚だけが巻線を有する実施形態の巻線を詳細に示す。この実施形態は、3ランプシステムに対する電流バランスを与える。
図6は、3ランプシステムの電流をバランスするためのスター・デルタ接続を伴う別の電流バランス変成器の巻線を詳細に示す。図6において明らかなように、この実施形態の磁気コアも一体化される。変成器の巻回比は、必ずしも1:1ではない。
図7は、ここに提案する電流バランス技術を、3つより多数の脚及びジグザグ接続を伴う一体化磁気コアを使用することにより、3つより多数のランプのシステムへ拡張できることを示している。端子A、B、・・・P及びQは、高電圧キャパシタに直接接続されてもよいし、或いは多数の異なるキャパシタへ個別に接続されてもよいことに注意されたい。それ故、端子の電圧は、共通でもよいし、位相シフトされてもよいし、又はインターリーブされてもよい。別の実施形態では、端子、a、b、・・・p及びqが接地される。
図8は、3つより多数の脚と、図6に示す一般的な巻線原理に基づいて接続できる非接続巻線とを伴う磁気コアを示す。端子A、B、・・・P及びQは、高電圧キャパシタに直接接続されてもよいし、或いは多数の異なるキャパシタへ個別に接続されてもよいことに注意されたい。それ故、端子の電圧は、共通でもよいし、位相シフトされてもよいし、又はインターリーブされてもよい。別の実施形態では、端子、a、b、・・・p及びqが接地される。
実質的に同一の脚断面を伴うほとんどの実施形態では、脚の一次巻線が実質的に互いに同様であり、そして脚の二次巻線も実質的に互いに同様である。更に、各脚の2つの巻線の全ての接続は、他の脚の2つの巻線の接続と同様である。しかしながら、各脚の一次及び二次巻線は、逆方向に巻かれる。以下の説明では、異なる変成器の説明を簡単化するために、1つの方向に巻かれて示された全ての巻線を一次巻線と称し、逆方向の巻線を二次巻線と称する。
ある実施形態では、全ての脚の二次巻線が直列に接続されてループを形成し、一方、各一次巻線の一端が各ランプの一端に接続され且つ各一次巻線の他端が接地される。他の幾つかの実施形態では、各脚の一次巻線は、その一端がランプの一端に接続されると共に、その他端が別の脚の二次巻線の一端に接続され、そして脚の二次巻線の他端が接地される。図5の4巻線構成の接続は、これらの一般的な指令に対する例外であるが、ここに述べる他の巻線と同様に、全ての巻線脚においてインダクタンスがバランスされる。
多数の並列なランプを駆動するための非常に多数のコア脚を伴う変成器を製造することは困難であるので、容易に入手できる3脚のEE型コアのような少数の脚を伴う多数の異なる変成器を使用して、電流のバランスをとることができる。図9の(A)は、全ての脚に2つの巻線を伴う、IM(I)、か、又は全てではないが1つより多数の脚に2つの巻線を伴う、IM(II)、少なくとも3脚の磁気コアを使用して、多数の並列ランプを伴うシステムを付勢しそしてその電流をバランスする構成の一例を示す。図9の(B)及び(C)は、図9の(A)に概略的に示された構成に対するジグザグ及びスター・デルタ接続の一例を示す。図9の(B)及び(C)において、SはIM(I)コアの数であり、そしてTはIM(II)コアの数である。2つより多数の形式のコア及び/又は巻線を使用して、多数の並列なランプを駆動することができる。
図10は、本発明の更に別の実施形態に基づきN+1個のランプの電流をバランスするためのスター・オープン・デルタ接続を伴うN脚磁気コアを示す。この実施形態では、第1及び第2の巻線は、N個の巻線脚の各々の第1巻線が、1つの同様の端からN個のランプの1つに接続され、且つ別の端から接地されると共に、それら巻線脚の第2の巻線が直列に接続されて、その巻線直列接続体の一端が(N+1)番目のランプに接続され、且つその巻線直列体の他端が接地されるような構成とされる。
図11Aは、コモンモードチョーク(CMC)を使用した電流バランス方法を示す。この回路は、主変成器、キャパシタ、ランプ及びCMCで構成される。変成器Tの二次巻線のセンタータップmt及びmcと、キャパシタC1及びC2とは、接地されてもよいし、浮動でもよい。図11の(A)に示されたように、回路に必要とされるCMCの数は、N/2(CM1乃至CMN/2)である。CMCは、瞬時ループ電流間に次のような関係を強制するので、
1=iN、i2=i3、i4=i5、・・・iN-2=iN-1、 (5)
及び
1=i2、i3=i4、i5=i6、・・・iN-1=iN、 (6)
従って、次のようになる。
1=i2=i3=i4=i5、・・・iN-1=iN (7)
図11の(B)は、同様の電流バランス方法を示すが、図11の(B)に示された回路に必要とされるCMCの数は、(N/2)−1(CM1乃至CMN/2-1)である。更に、図11の(A)及び(B)のCMCは、上述したように、個別でも又は一体化されてもよく、異なる効果を発揮することができる。図11の(A)及び(B)に示す方法を使用することにより、N個のランプを駆動するためのCMCの数がN/2又は(N/2)−1に減少される。他の実施形態では、数個のランプごとに一体化コアを使用してもよく、例えば、6個のランプごとに3脚EE型のコアを使用してもよい。
図12の(A)及び(B)は、本発明の更に別の実施形態によるCMCの巻線の細部を示す。T1及びT2は、各々、CMCの一次及び二次巻線で、制御巻線が追加されている。制御巻線にまたがって電圧が存在することは、異常回路機能の指示である。というのは、正常な状態のもとでは、磁束が打ち消されるので、制御巻線にまたがって電位差が生じることはない。例えば、ランプのオープンループ状態のもとでは、この小さな制御巻線にまたがって電圧が検出され、これは、欠陥保護を簡単にする一方、制御巻線は低廉で且つ製造が容易である。
図13は、4ランプ用の既存の電流バランス方法は4個のCMCを使用するが、単一のCMCを使用する4ランプ用の電流バランス方法を示す。図13に示す回路は、低コストで良好な性能を与える。一実施形態では、4ランプ用のCMCは、容易に入手できるEE型のコアを使用する。式(5)、(6)及び(7)で示された同じ理由で、図13に示す4個のランプの瞬時電流は等しい。
図14の(A)は、6ランプ用途に対する電流バランス方法を示す。この方法は、2つのCMCしか使用しない。式(5)、(6)及び(7)で示された同じ理由で、図14の(A)に示す6個のランプの瞬時電流は等しい。図14の(B)は、図14の(A)のCMCを実施する一体化方法を示す。図14の(B)に示すように、2つのCMCは、同じ磁気コアに巻かれ、この場合、EE型である。別の実施形態では、オープンランプ状態のような欠陥を検出するためにEEコアの中央脚に制御巻線が配置される。この実施形態に示される方法は、ランプループの電流をバランスするのに必要なCMCの数を減少する。
図15の(A)は、図13の変成器T及びCMCを単一の磁気回路に一体化して電流バランスをとるための方法を示す。一体化された磁気回路は、図15の(A)に示す全ての巻線、即ちLpri、L1、L2、Tb1、Tb2、Tb3、及びTb4を含み、ここで、Lpriは、主変成器Tの一次巻線であり、L1及びL2は、二次巻線であり、そしてTb1、Tb2、Tb3、及びTb4は、電流バランスをとるためのCMC巻線である。図15の(B)は、磁気コア及び詳細な巻線接続を示す。この実施形態の効果の1つは、必要とされる磁気コアの簡単さ及びそれに関連したコストである。
図16は、単一のCMCを使用して、多数の並列ランプに対して漏洩を防止する方法を示し、この場合に、多数の並列ランプは、付加的な電流バランス手段を使用してもしなくてもよい。理想的には、ランプに入る電流(Ipos)は、ランプを出る電流(Ineg)に等しくなければならないが、長いランプの場合に、ランプと接地点(例えば、アース又はシャーシ)との間のキャパシタ結合により、高い周波数においてランプから接地点へ漏洩電流が生じることがある。図16に示す構成では、コモンモードチョークCM1が、漏洩を最小にする努力において、Ipos及びIneg電流をバランスさせる。
図17の(A)及び(B)は、図16に示すものと同様に、主変成器T及びCMCが巻かれた単一磁気コアを使用する電流バランス及び漏洩最小化方法であって、巻線接続が図15の(B)に基づいて行われる方法を示している。CMCは、図17の(A)に示すように、ランプと直列に配置されてもよいし、又は図17の(B)に示すように、変成器の二次巻線と直列に配置されてもよい。
図18は、結合されたインダクタLc1及びLc2を伴う電流バランス方法を示す。通常、主変成器Tは、CCFL用途に対して充分な漏洩インダクタンスを含み、一方、漏洩磁束は、空気中に流れてロスを生じ、これは、高い電力レベルでは非常に高いものとなる。本発明のこの実施形態では、主変成器Tは、漏洩インダクタンスが低いが、結合されたインダクタが、2つの巻線にまたがって同一の電圧を与えることによりランプ電流(Ipos及びIneg)を等化しながら充分な共振タンクを形成するように変成器を助ける。これは、高い電力設定において効率を改善する。
図19の(A)及び(B)は、性能を改善するために主変成器T及びCMCに対する一体化磁気コアを伴うランプ電流バランス方法を示す。この実施形態は、図17及び18に示す実施形態により提供される効果を結合する。図19の(A)及び(B)における破線は、コスト及びスペースを減少すると共に製造を簡単化するための2つの考えられる一体化オプションを示す。
本発明の態様は、磁気回路、それらの製造、並びにそれらと電子部品及びICとの一体化を完全に利用する低廉な解決策を使用して、回路ループにおけるバランスした電流から利益が得られるあらゆる種類の負荷に適用できることに注目するのが重要である。
結論
特に明確に要求されない限り、上記説明及び特許請求の範囲全体にわたり、「備え」、「備えている」、等の語は、排他的又は徹底的という意味とは逆に、包括的な意味と解釈されるべきであり、即ち、「含むが、それに限定されない」という意味に解釈されるべきである。ここに使用する「接続」、「結合」又はその変形は、2つ以上のエレメント間の直接的又は間接的な接続又は結合を意味し、即ちエレメント間の結合又は接続は、物理的でも、論理的でも、又はその組合せでもよい。
更に、「ここで」、「上記」、「以下」、及び同様の語は、これが使用されたときには、本明細書の特定の部分ではなく、本明細書全体を指すものとする。状況が許す限り、単数又は複数を使用した上記説明における語は、各々、複数又は単数を含んでもよい。2つ以上のアイテムのリストを参照するときの「又は」という語は、次の解釈、即ちリストにおけるいずれかのアイテム、リストにおける全てのアイテム、及びリストにおけるアイテムの任意の組み合わせ、の全部を包含する。
本発明の実施形態の上記詳細な説明は、余すところのないものでもないし、又、上述した正確な形態に本発明を限定するものでもない。本発明の特定の実施形態及び実施例を、例示の目的で上述したが、当業者に明らかなように、本発明の範囲内で種々の等価な変更が考えられる。
ここに提供する本発明の教示は、必ずしも上述したシステムではなく、他のシステムにも適用できる。上述した種々の実施形態のエレメント及び作用を組み合せて、更に別の実施形態を形成することもできる。
前記説明に鑑み、本発明の変更がなされ得る。前記説明は、本発明の幾つかの実施形態を述べると共に、意図された最良の態様を述べたが、本発明は、多数の仕方で実施することができる。上述した補償システムの細部は、ここに開示する本発明によって包含されながら、その実施の細部において著しく変更することができる。
上述したように、本発明のある特徴又は態様を説明するときに使用する特定の用語は、その用語がそれに関連した本発明の特定の特性、特徴又は態様に限定されるように再定義されることを意味するものではない。一般に、特許請求の範囲で使用する用語は、前記説明でその用語が明確に定義されない限り、ここに開示した特定の実施形態に本発明を限定すると解釈されてはならない。従って、本発明の実際の範囲は、ここに開示した実施形態だけでなく、特許請求の範囲内で本発明を実施する全ての同等の仕方も包含する。
本発明の幾つかの態様が幾つかの請求項で表わされるが、本発明者は、本発明の種々の態様を任意の数の請求項で表わすことも意図している。従って、本発明者は、本発明を出願した後に、本発明の他の態様に対し追加請求項の形態で付加的な請求項を追加する権利を所有している。
単一インバーターにより駆動される多ランプシステムを示す図である。 (A)及び(B)は、従来の多ランプ電流バランスシステムを示す図である。 本発明の一実施形態に基づく多ランプシステムの電流バランス技術を例示する図である。 (A)及び(B)は、本発明の他の2つの実施形態による3脚磁気コアを伴う2つの一体型変成器の構造を示す図である。 本発明の更に別の実施形態に基づく単一磁気コアを伴う4巻線3ランプの電流バランス技術の一例を示す図である。 本発明の更に別の実施形態に基づき単一磁気コアを使用した3ランプの電流バランス技術のスター・デルタ構成を示す図である。 多ランプシステムにおいて電流をバランスするためのジグザグ接続を伴う多脚磁気コアを示す図である。 多ランプシステムにおいて電流をバランスするためのスター・デルタ接続を伴う多脚磁気コアを示す図である。 (A)、(B)及び(C)は、本発明の他の別の実施形態に基づき、異なる巻線をもつ多数の多脚変成器を使用して3つ以上の並列ランプにおいて電流をバランスするための変成器構成を示す図である。 本発明の他の実施形態に基づき、全磁気コア脚数より多数のランプにおいて電流をバランスするためのスター・オープン・デルタ接続を伴う多脚磁気コアを示す図である。 (A)及び(B)は、コモンモードチョーク(CMC)を使用する電流バランス方法を示す図である。 (A)及び(B)は、図11の(A)及び(B)に示すCMCの巻線細部を示す図である。 単一CMCを使用した4ランプ用途に対する電流バランス方法を示す図である。 (A)は、2つのCMCを使用した6ランプ用途に対する電流バランス方法を示し、そして(B)は、単一磁気回路を伴う図14の(A)のCMCを実施する一体化方法を示す図である。 (A)及び(B)は、図13の変成器及びCMCを単一磁気回路へと一体化する方法を示す図である。 単一CMCを使用する多負荷のための電流バランス方法を示す図である。 (A)及び(B)は、図16に示すような回路に対して、主変成器及びCMCが巻かれる単一磁気コアを使用して電流をバランスする方法を示す図である。 結合されたインダクタを使用して電流をバランスする方法を示す図である。 (A)及び(B)は、主変成器及びCMCを実施する一体型磁気コアを伴うランプ電流バランス方法を示す図である。
符号の説明
A、B、P、Q:端子
a、b、p、q:端子
T:変成器
C1、C2:キャパシタ
pri:一次巻線
1、L2:二次巻線
b1、Tb2、Tb3、及びTb4:CMC巻線
c1、Lc2:インダクタ

Claims (8)

  1. N個の並列負荷の電流をバランスさせるための装置において、
    N/2個又は(N/2)−1個のコモンモードチョーク(CMC)と、
    前記N個の負荷がN/2個の負荷の第1及び第2グループに分割され、前記第1グループのN/2個の負荷の第1端が電源の第1極又は変成器の二次側に接続され、前記第2グループのN/2個の負荷の第1端が前記電源の第2極又は前記変成器の二次側に接続され、前記第1グループの少なくとも(N/2)−1個の負荷の第2端が少なくとも(N/2)−1個のコモンモードチョーク(CMC)の第1巻線の第1端に接続され、前記第2グループの少なくとも(N/2)−1個の負荷の第2端が少なくとも(N/2)−1個のCMCの第2巻線の第1端に接続され、各CMCの第1巻線の第2端が別のCMCの第2巻線の第2端に接続され、各グループからの(N/2)−1個の負荷だけがCMC巻線の第1端に接続される場合には、1つのグループの残りの1つの負荷の第2端がCMCの使用可能な第1巻線の第2端に接続されると共に、他のグループの残りの1つの負荷の第2端が別のCMCの使用可能な第2巻線の第2端に接続され、そして各グループのN/2個の負荷がN/2個のCMCのCMC巻線の第1端に接続される場合には、各CMCの第1巻線の各第2端が別のCMCの第2巻線の第2端に接続され、そして更に、CMCの前記第1及び第2巻線は、各グループの負荷の瞬時電流が同様の方向にあり、且つ1つのグループの瞬時電流の方向が他のグループの瞬時電流の方向と逆であるように巻かれるようにされた構成体と、
    を備えた装置。
  2. 前記CMCは、個別であるか、一体化されるか、或いは多数のCMCが個別であり且つ多数のCMCが一体化される、請求項1に記載の装置。
  3. 少なくとも1つのCMC、一体化コアの少なくとも1つの脚、又はその両方が、欠陥検出のために付加的な低巻回の制御巻線を有する、請求項2に記載の装置。
  4. N=6であり且つ使用されるCMCの数は(N/2)−1=2であり、そして2つのCMCの各々が、3脚EE型の磁気コアの1つの脚を使用して実施される、請求項1に記載の装置。
  5. 付加的な低巻回の制御巻線が欠陥検出のために3脚EE型の磁気コアの中央脚に配置される、請求項4に記載の装置。
  6. N=4であり且つ使用されるCMCの数は(N/2)−1=1であり、そして変成器の一次及び二次巻線が3脚EE型の磁気コアの中央脚に巻かれ、そしてCMCの巻線が3脚EE型のコアの他の2つの脚に巻かれる、請求項1に記載の装置。
  7. N個の並列負荷の電流をバランスするための方法において、
    N個の負荷を、負荷の第1及び第2グループに分割するステップと、
    前記第1グループからの負荷の電流と、前記第2グループからの負荷の電流とを共有のコモンモードチョーク(CMC)によりバランスさせるステップと、
    各CMCの2つの巻線の各々を異なるCMCの巻線に接続することによりCMCの巻線の電流を別のCMCの巻線の電流と等化させるステップと、
    前記CMCに接続された各グループの負荷の瞬時電流が同様の方向にあり、且つ一方のグループのCMCに接続された負荷の瞬時電流の方向が他方のグループのCMCに接続された負荷の瞬時電流の方向と逆になるように、前記CMCの第1及び第2巻線を構成するステップと、
    を備えた方法。
  8. 前記N個の負荷を、N/2個の負荷の2つのグループに分割し、そして
    少なくとも(N/2)−1個のCMCを、第1グループの少なくとも(N/2)−1個の負荷、及び第2グループの少なくとも(N/2)−1個の負荷の間に共有させる、請求項に記載の方法。
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