JP4371314B2 - 放電灯用電子安定器 - Google Patents
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Description
上記のコンバータ回路部は、交流電源からの入力電圧を整流するブリッジ整流回路と、該ブリッジ整流回路の出力側に、スイッチング素子、ダイオード、平滑コンデンサからなる昇圧チョッパ回路とで構成されており、スイッチング素子のスイッチング動作によって、交流電源からの入力電流を略正弦波状に近づけて力率を高め、交流電源からの交流電源を所定の値に昇圧された直流電圧に変換して出力する。
また、インバータ回路部は二つのスイッチング素子の直列回路が、チョッパ回路の出力側に並列に接続され、図で対角線上に位置するスイッチング素子のペアを交互にオン/オフすることで放電灯へ矩形波電圧を供給する。
上記のような6石のスイッチング素子を必要とすることは、電子安定器のコストを上げ、HIDランプの普及を妨げる要因の一つとなっている。そこで、スイッチング素子の数を減らしコストを下げることを目的として、4石のスイッチング素子を用いたHIDランプ用電子安定器が提案されている(例えば、特許文献1、2の電源装置を参照)。
4石のスイッチング素子を用いた電子安定器に対し、これまで様々な制御方法が提案されてきたが、図1のものと比べると、その性能は低いものであった。例えば、特許文献1、2に記された制御法では、入力電力の利用率が低く、高出力のランプの点灯には不向である。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、4石のスイッチング素子を使用した電子安定器であって、力率を改善しつつ電圧利用率及び放電灯への出力電力を上げることのできる放電灯用電子安定器を提供することにある。
第3スイッチング素子と第4スイッチング素子の直列回路が、第3スイッチング素子側が第1スイッチング素子側となるように、前記平滑コンデンサに並列に接続され、第1スイッチング素子と第2スイッチング素子の接続点と、第3スイッチング素子と第4スイッチング素子の接続点とが、第2インダクタを介して放電灯に接続され、第4スイッチング素子と第1スイッチング素子とがオンのとき、平滑コンデンサから放電灯へ正方向の電流を供給し、第3スイッチング素子と第2スイッチング素子とがオンのとき、平滑コンデンサから放電灯へ負方向の電流を供給して、放電灯へ略矩形波状の出力電流を供給するインバータ回路部と、
前記各回路部の電圧、電流値情報を検知するための検知手段と、
前記検知手段によって検知した情報に基づいて、前記コンバータ回路部およびインバータ回路部のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御手段と、
を備える。
さらに前記制御手段は、前記インバータ回路部の放電灯への出力動作として、(A)入力電圧が正のとき、第3スイッチング素子をオフとし、第4スイッチング素子のオンの期間が、第1スイッチング素子のオンの期間と少なくとも一部が重なるように、第4スイッチング素子のオン/オフ動作を行うことで、平滑コンデンサから供給される放電灯への正方向の電流を制御し、入力電圧が負のとき、第4スイッチング素子をオフとし、第3スイッチング素子のオンの期間が、第2スイッチング素子がオンの期間と少なくとも一部が重なるように、第3スイッチング素子のオン/オフ動作を行うことで、平滑コンデンサから放電灯へ供給される負方向の電流を制御する動作Aと、
(B)第1及び第2スイッチング素子のうち、一方の素子がオフのときは他方の素子をオンとし、入力電圧が正のとき、第4スイッチング素子をオフとし、第3スイッチング素子のオンの期間が、第2スイッチング素子がオンの期間と少なくとも一部が重なるように、第3スイッチング素子のオン/オフ動作を行うことで、平滑コンデンサから放電灯へ供給される負方向の電流を制御し、入力電圧が負のとき、第3スイッチング素子をオフとし、第4スイッチング素子のオンの期間が、第1スイッチング素子のオンの期間と少なくとも一部が重なるように、第4スイッチング素子のオン/オフ動作を行うことで、平滑コンデンサから放電灯へ供給される正方向の電流を制御する動作Bと、の二つの動作を、入力電圧が正のときは第1スイッチング素子のオンデューティの値、入力電圧が負のときは第2スイッチング素子のオンデューティの値、に基づいて選択して行うことを特徴とする。
また、放電灯へ流れる電流は、第1、2スイッチングの接続点から第3、4スイッチング素子の接続点へ向う方向を正とした。
上記の放電灯用電子安定器において、前記制御手段は、入力電圧が正のときは前記第1スイッチング素子のオンデューティの値が、入力電圧が負のときは第2スイッチング素子のオンデューティの値が、予め定められた閾値以上のとき動作A、該閾値未満のとき動作Bを選択し、該閾値は前記放電灯に十分な電力を供給できる値に設定されていることが好適である。
上記の放電灯用電子安定器において、前記閾値は50%に設定されていることが好適である。
図2は本発明の実施形態にかかる放電灯用電子安定器の概略構成図である。図2の放電灯用電子安定器10は、交流電源12からの入力電圧を整流、昇圧するためのコンバータ回路部14と、放電灯16へ矩形波状の出力電圧を供給するインバータ回路部18と、コンバータ回路部14およびインバータ回路部18の電圧/電流情報を検知するための検知手段20と、コンバータ回路部14とインバータ回路部18に含まれるスイッチング素子のスイッチング制御を行う制御手段22とを備え、コンバータ回路部14とインバータ回路部18は一部のスイッチング素子を共用することで、合計4石のスイッチング素子を用いて構成されている。
一方、インバータ部18は、第3スイッチング素子24−3と第4スイッチング素子24−4の直列回路が、第3スイッチング素子24−3側が第1スイッチング素子24−1と同じ側にくるように、平滑コンデンサ28に並列に接続されている。そして、第1スイッチング素子24−1と第2スイッチング素子24−2の接続点と、第3スイッチング素子24−3と第4スイッチング素子の接続点24−4とが、第2インダクタ32を介して放電灯16に接続されるという構成となっている。
上記のような回路構成のもとで、検知手段20は、上記各回路部の電流値、及び電圧値を検知し、検知手段20によって検知した信号を制御手段22へと送り、制御手段22はその信号に基づいて、スイッチング素子24−1〜24−4のスイッチング動作の制御を行う。つまり、制御手段22では、検知された情報を基に、各スイッチング素子のオンデューティ(スイッチング周期の長さに対するオン期間の長さの比)を決定する。つまり、各スイッチング素子は、所定のスイッチング周波数で駆動され、制御手段20からの制御信号によりそれぞれのオンデューティが制御される。また本実施形態では制御手段22としてDSP(デジタルシグナルプロセッサ)を用いて構成されている。
また、インバータ回路部18の第4スイッチング素子24−4(もしくは第3スイッチング素子24−3)のオンデューティは、放電灯16への出力電流が適切な値になるように制御手段22によって決定される。つまり、インバータ回路部18は降圧チョッパとしての働きも担っている。
図4、5を参照してコンバータ回路部14の動作を説明する。コンバータ回路部14は、入力電圧が正の半サイクルの期間においては、第1スイッチング素子24−1のスイッチング動作によって、負のときは第2スイッチング素子24−2の動作によって昇圧動作を行っている。
まず、入力電圧が正の半サイクルの期間を考える。図4(a)に示すように第1スイッチング素子24−1がオンのとき、交流電源12、第1インダクタ30、第1ダイオード26−1、第1スイッチング素子24−1により形成される閉回路に電流が流れ、第1インダクタ30にエネルギーが貯えられる。第1スイッチング素子がオフのときは、図4(b)に示すように、交流電源12、第1インダクタ30、第1ダイオード26−1、平滑コンデンサ28、第2スイッチング素子24−2(もしくはその寄生ダイオード)を通る閉回路を電流が流れ、第1インダクタ30から平滑コンデンサ28にエネルギーが放出される。
同様に入力電圧が負の半サイクルの期間においては、第2スイッチング素子24−2がオンのとき、図5(a)に示すように、交流電源12、第2スイッチング素子24−2、第2ダイオード26−2、第1インダクタ30により形成される閉回路に電流が流れ、第1インダクタ30にエネルギーが貯えられる。第2スイッチング素子24−2がオフのときは、図5(b)に示すように、交流電源12、第1スイッチング素子24−1(もしくはその寄生ダイオード)、平滑コンデンサ28、第2整流素子26−2、第1インダクタ30、により形成される閉回路に電流が流れ、オン期間に貯えた第1インダクタ30のエネルギーが平滑コンデンサ28に供給される。
このようにコンバータ回路部では、入力電力が正の半サイクルの期間のときは第1スイッチング素子のオンデューティを、負の半サイクルの期間のときは第2スイッチング素子のオンデューティを、図3に示したように、入力電圧の瞬時値に応じて変更することで、平滑コンデンサ28両端の直流電圧が一定になるよう制御している。
本実施形態では、第1スイッチング素子のオンデューティ(入力電圧が負の半サイクルの期間では第2スイッチング素子のオンデューティ)が50%以上のとき、上記電流供給モードA、A’(動作A)を選択し、50%未満のとき電流供給モードB、B’(動作B)を選択している。その結果、放電灯への出力電圧は図8に示したようなものとなる。
また、コンバータ回路側の第1及び第2スイッチング素子のオンデューティを可変としているため、入力電流を入力電圧と同期した略正弦波状に近づけることができ、特許文献1、2に記載された制御法に比べ、高い力率が得られる。
ただし、電流供給モードを切り替え点となる、オンデューティの閾値の値は上記のように50%に限定されず、放電灯へ十分な電力が供給される値であればよい。例えば、低出力の放電灯に最適な電力供給を行うため、この閾値を60%と設定してもよい。また、放電灯の種別毎に最適な閾値を適宜設定することもできる。
また、電流供給モードA、A’において、第1及び第2スイッチング素子のうち、昇圧動作を行う方の素子がオフのとき、他方をオンにする必要は必ずしもなく、電流供給モードB、B’を選択した時点で、第1及び第2スイッチング素子のうち、昇圧動作を行う方の素子がオフのとき、他方をオンとして、平滑コンデンサから放電灯へ電流を供給可能なようにすればよい。
以上説明したように、本発明の電子安定器では、必要なスイッチング素子の数は4石のみであるため、低いコストで製造が可能となる。しかも、一般的な、6石のスイッチング素子を有する電子安定器並の高い力率と電圧利用率を持つ電子安定器を提供することができる。
12 交流電源
14 コンバータ回路部
16 放電灯
18 インバータ回路部
20 検知手段
22 制御手段
24−1〜24−4 第1〜第4スイッチング素子
26−1、2 第1、第2整流素子
28 平滑コンデンサ
30 第1インダクタ
32 第2インダクタ
Claims (2)
- 第1整流素子と第2整流素子との直列回路と、第1スイッチング素子と第2スイッチング素子との直列回路とが、第1整流素子側と第1スイッチング素子側が同じ側となるように、平滑コンデンサに並列に接続され、第1整流素子と第2整流素子の接続点と、第1スイッチング素子と第2スイッチング素子の接続点とが第1インダクタを介して交流電源に接続され、前記交流電源からの入力電圧が正の期間では、第1スイッチング素子のオン時に第1インダクタに貯えられたエネルギーを、第1スイッチング素子のオフ時に、前記平滑コンデンサへ放出することで入力電圧の昇圧動作を行い、前記交流電源からの入力電圧が負の期間では、第2スイッチング素子のオン時に第1インダクタに貯えられたエネルギーを、第2スイッチング素子のオフ時に、前記平滑コンデンサへ放出することで入力電圧の昇圧動作を行うことで、入力電圧の整流及び昇圧を行うコンバータ回路部と、
第3スイッチング素子と第4スイッチング素子の直列回路が、第3スイッチング素子側が第1スイッチング素子側となるように、前記平滑コンデンサに並列に接続され、第1スイッチング素子と第2スイッチング素子の接続点と、第3スイッチング素子と第4スイッチング素子の接続点とが、第2インダクタを介して放電灯に接続され、第4スイッチング素子と第1スイッチング素子とがオンのとき、平滑コンデンサから放電灯へ正方向の電流を供給し、第3スイッチング素子と第2スイッチング素子とがオンのとき、平滑コンデンサから放電灯へ負方向の電流を供給して、放電灯へ略矩形波状の出力電流を供給するインバータ回路部と、
前記各回路部の電圧、電流値情報を検知するための検知手段と、
前記検知手段によって検知した情報に基づいて、前記コンバータ回路部およびインバータ回路部のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段によって前記コンバータ回路部は、前記交流電源からの入力電圧が正の期間のとき、前記第1スイッチング素子のオンデューティを交流電源からの入力電圧の瞬時値に応じて変更することで昇圧動作の制御が行われ、入力電圧が負の期間のとき、前記第2スイッチング素子のオンデューティを交流電源からの入力電圧の瞬時値に応じて変更することで昇圧動作の制御が行われ、
さらに前記制御手段は、前記インバータ回路部の放電灯への出力動作として、
(A)入力電圧が正のとき、第3スイッチング素子をオフとし、第4スイッチング素子のオンの期間が、第1スイッチング素子のオンの期間と少なくとも一部が重なるように、第4スイッチング素子のオン/オフ動作を行うことで、平滑コンデンサから供給される放電灯への正方向の電流を制御し、入力電圧が負のとき、第4スイッチング素子をオフとし、第3スイッチング素子のオンの期間が、第2スイッチング素子がオンの期間と少なくとも一部が重なるように、第3スイッチング素子のオン/オフ動作を行うことで、平滑コンデンサから放電灯へ供給される負方向の電流を制御する動作Aと、
(B)第1及び第2スイッチング素子のうち、一方の素子がオフのときは他方の素子をオンとし、入力電圧が正のとき、第4スイッチング素子をオフとし、第3スイッチング素子のオンの期間が、第2スイッチング素子がオンの期間と少なくとも一部が重なるように、第3スイッチング素子のオン/オフ動作を行うことで、平滑コンデンサから放電灯へ供給される負方向の電流を制御し、入力電圧が負のとき、第3スイッチング素子をオフとし、第4スイッチング素子のオンの期間が、第1スイッチング素子のオンの期間と少なくとも一部が重なるように、第4スイッチング素子のオン/オフ動作を行うことで、平滑コンデンサから放電灯へ供給される正方向の電流を制御する動作Bと、
の二つの動作を、入力電圧が正のときは第1スイッチング素子のオンデューティの値が、入力電圧が負のときは第2スイッチング素子のオンデューティの値が、予め定められた閾値以上のとき前記動作A、前記閾値未満のとき前記動作Bを選択し、前記閾値は前記放電灯に十分な電力を供給できる値に設定されていることを特徴とする放電灯用電子安定器。 - 請求項1に記載の放電灯用電子安定器において、
前記閾値は50%に設定されていることを特徴とする放電灯用電子安定器。
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