JP4503859B2

JP4503859B2 - 力率補正回路

Info

Publication number: JP4503859B2
Application number: JP2000613064A
Authority: JP
Inventors: レーネルトクラウス; ギュルトナーヘンリー; ライザーフランツ
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 1999-03-30
Filing date: 2000-02-18
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2020-02-18
Also published as: ATE428213T1; CA2333671A1; CN1130815C; DE50015615D1; WO2000064037A1; US6266256B1; EP1092260B1; EP1092260A1; KR100635680B1; JP2002542757A; KR20010043952A; CN1297604A; DE19914505A1; CA2333671C

Description

【０００１】
本発明は、力率を補正するための回路に関する。そのような回路は、”チャージポンプ”又は”ポンプ回路”との呼称でも知られている。それらは例えばＩＥＣ規格１０００−３−２を満たすように用いられる、すなわちこのＩＥＣ規格１０００−３−２では、電力供給会社により電源電流の許容高調波が決定されている。したがって、電源回路網から高周波エネルギーを取出すことは望ましくない。電源から取出される電源電流は、最適な場合には電源電圧に比例する。電源電流と電源電圧との比例関係により、所定の線路のディメンション毎に最大のエネルギー伝送が可能となる。電源電圧と電源電流とのあいだに比例関係がない場合生じてしまう無効電流が線路損失を発生させることがある。この線路損失は、付加的に線路に負荷を与え、したがって他の負荷の障害をもたらす。
【０００２】
特に、上述の力率補正回路は、ガス放電ランプの作動のための前置回路装置に用いられる。
【０００３】
本発明は、１９９７年９月発行のIEEE Transactions on Power Electronics, Vol.12, No.5、８６７頁〜８７５頁に掲載のW.Chen、F.Lee、T.Yamauchiの“An Improved "Charge Pump" Electronic Ballast with Low THD and Low Crest Factor”との表題を有する論文から公知のような技術水準から出発している。前記論文の基礎を成しているのは、そのなかの図８において、同論文の図１に対して回路を、点Ａの電圧すなわちＶ_ａ（同論文の図７に示した図を参照）が一定の高周波振幅を有するように改善するという問題であった。このようにして、電源から取出されるエネルギーが電源電圧に比例することが実現されるのである。このことを保証するために、ダイオードＤａ_１及びＤａ_２が挿入され、それにより点ＡがコンデンサＣ_Ｂでクランプされる。このことにより、負荷による反作用が遮断され、高周波振幅に関して一定のＶ_ａが供給される（同論文の図９に示した図を参照）。
【０００４】
前記刊行物の図８の回路における欠点は、ダイオードＤａ_２によりランプの電圧も制限されることにある。それ故、ポンプ回路と作動すべきランプとの間に変圧器を中間接続することなしに、必要な点灯電圧を発生することが出来ない。ランプ用前置回路装置のような量産品では、変圧器のための付加コストは望ましくない。
【０００５】
したがって本発明の課題は、、力率補正回路、すなわちトランスなしに実施できるポンプ回路を提供することである。
【０００６】
上記課題は本発明により、整流器を有しており、整流器の入力側が交流電圧源に接続されており、整流器の出力側がコンデンサとダイオードとから成る少なくとも１つの直列回路に接続されており、ダイオードが、該ダイオードにより、コンデンサが整流器の出力信号によって充電されないように設けられている回路
により解決される。さらに、本発明の回路は、ハーフブリッジ又はフルブリッジの部分として直列接続にて第１及び第２の電子スイッチを具備しており、各スイッチに対して並列にそれぞれ１つのフリーホイールダイオードが接続されており、第１のスイッチと第２のスイッチとの間の接続点によって形成されている、ハーフブリッジ又はフルブリッジの出力端子が一方では、インダクタンスを介して、コンデンサとダイオードとから成る各直列回路のコンデンサとダイオードとの接続点に接続されており、他方、負荷に対する接続端子を形成しており、該接続端子において信号は、作動中、交流電圧源の出力信号よりも実質的に高い周波数を有する。また、本発明の回路は、２つのスイッチに対して並列に接続されている１つの蓄積コンデンサ、ならびに蓄積コンデンサの放電が整流器によって防止されるように蓄積コンデンサと整流器との間に設けられている少なくとも１つの別のダイオードを有している。
【０００７】
本発明により、まず、ポンプ回路及び負荷回路の素子の回路定数を決める場合の付加的な自由度と云う利点が、２つの回路の間の反作用を最大限無くすようにすることにより得られる。さらに、本発明により、コンデンサＣＳ１或いはコンデンサＣＳ１，ＣＳ２の適当なディメンションによってランプの出力が次のように容易に調整できる、すなわち、１つの或いは複数のコンデンサの電圧が少なくとも１回、整流される給電交流電圧のその時点の値に達し、その際、充電サイクルを観察した場合、整流される交流電圧は一定であると見なすことができる。また、負荷にポンピングされるべきエネルギーは、コンデンサＣＳ１の静電容量の値或いはコンデンサＣＳ１及びＣＳ２の静電容量の値にのみ依存している。チョークコイルＬのインダクタンスは小さくなければならず、小さくできる。チョークコイルＬのインダクタンスは次のように決めさえすればよい、つまり、電子スイッチが電流過負荷されないようにする、および電子スイッチのオン状態が電圧０（ＺＶＳ）の場合保持されるようにする。
【０００８】
別の有利な実施例では、整流器の入力側の間にフィルタが設けられており、フィルタは、交流電圧源を有する回路と接続されている場合、交流電圧源に対して直列に又は並列に配置されている。これに対して付加的にまたは代替的に、整流器の出力側に対して直列に又は並列にフィルタを配置することができる。
【０００９】
第１の実施形態において、本発明の回路が、ダイオードとコンデンサとから成る直列回路ならびに１つの別のダイオードを具備している。２つのスイッチのそれぞれのオン状態においてポンピングを実現する１つの別の実施形態、すなわち前記実施形態の対称化した実施例では、本発明の回路が、ダイオードとコンデンサとから成る２つの直列回路ならびに２つの別のダイオードを具備している。
【００１０】
既述のように、本発明の回路は、ハーフブリッジ又はフルブリッジの形で駆動される。フルブリッジでは、回路が２つの別のスイッチを具備しており、該２つの別のスイッチの接続点が第２の負荷端子を形成している。ハーフブリッジの場合、回路が２つの結合コンデンサを具備しており、２つの結合コンデンサの間の接続点が第２の負荷端子を形成しており、２つの結合コンデンサの直列回路が蓄積コンデンサに対して並列に配置されている。これに対して代替的に、回路は唯１つの結合コンデンサを具備し、該結合コンデンサの１つの端子が第２の負荷端子を形成し、結合コンデンサの第２の端子が蓄積コンデンサの２つの端子の一方に接続されているようにすることも出来る。
【００１１】
本発明の別の有利な実施例は従属請求項に記載されている。
【００１２】
次に本発明を実施の形態に基づき図を用いて詳細に説明する。
【００１３】
図１ａは、ハーフブリッジと２つの結合コンデンサとを有する本発明の回路の第１の実施形態を示す。
【００１４】
図１ｂは、図１ａに示した実施形態の代替実施例である。
【００１５】
図１ｃは、ハーフブリッジを１つの結合コンデンサと共に用いた図１ａの負荷接続の代替実施例である。
【００１６】
図１ｄは、フルブリッジを用いた図１ａ及び図１ｃの実施形態の負荷接続の代替実施例である。
【００１７】
図２は、整流器に並列に配置されているフィルタを有する図１ａ、図１ｂ、図１ｃの実施形態の代替実施例である。
【００１８】
図３は、図１及び図２の実施形態に関して対称化した別の実施形態である。
【００１９】
図１ａに、フィルタ１２に対して直列に配置されている交流電圧源１０を有する回路が示されている。交流電圧源１０として電源電圧を用いることができる。フィルタ１２は、一方では高周波エネルギーが交流電圧源から取出されることを阻止するために、他方高周波信号が交流電圧源に供給されることを阻止するために用いられる。それ故、例えばチョークコイルとして実現可能である低域フィルタが取り扱われる。
【００２０】
交流電圧源１０及びフィルタ１２が整流器１４の入力側に接続されており、前記整流器１４は４つのダイオードＤＧ１，ＤＧ２，ＤＧ３及びＤＧ４を具備している。図示の接続の代わりに、フィルタ１２を整流器の入力端子に対して並列に配置してもよい、その際、フィルタは僅かなコストでコンデンサとして実現可能である。整流器の出力端子Ｋ１，Ｋ２に対して並列に、コンデンサＣＳ１とダイオードＤＳ１とから成る直列回路が配置されている。コンデンサＣＳ１は、ダイオードＤＰ１を介して、２つの電気スイッチＴ１及びＴ２との直列回路に接続されており、該２つの電気スイッチＴ１及びＴ２に並列にそれぞれフリーホイールダイオードＤＦ１及びＤＦ２が接続されている。２つのスイッチＴ１とＴ２との接続点が一方では、インダクタンスＬを介して、コンデンサＣＳ１とダイオードＤＳ１との間の接続点に接続されており、他方、負荷ＬＤに対する接続端子を形成している。
【００２１】
図１ａの実施形態では、負荷ＬＤがハーフブリッジの出力端子に接続されているので、第２の負荷端子は、２つの結合コンデンサＣＫ１，ＣＫ２の接続点により形成されており、該２つの結合コンデンサＣＫ１，ＣＫ２はスイッチＴ１及びＴ２に対して並列に配置されている。図１ａの回路において、結合コンデンサＣＫ１及びＣＫ２に対して並列に蓄積コンデンサＣＳが配置されている。
【００２２】
電子スイッチＴ１又はＴ２を電界効果トランジスタによって実施する場合、フリーホイールダイオードＤＦ１及びＤＦ２が既に電界効果トランジスタに含まれていることを考慮しなければならない。
【００２３】
図１ａの回路が機能するために、逆相で駆動される２つの電気スイッチの作動周波数は、交流電圧源の周波数に比して高周波である。例えば５０Ｈｚに対して５０ｋＨｚである、すなわち、２つのトランジスタは交互にその都度１０μｓｅｃの間オンにされる。スイッチＴ２がオンにされる期間、電流は、整流器１４から端子Ｋ１を介してコンデンサＣＳ１を通り、インダクタンスＬ及び電気スイッチＴ２を介して整流器１４の端子Ｋ２に流れる。この場合、コンデンサＣＳ１及びインダクタンスＬは次のように定められる、即ちコンデンサＣＳ１は既にスイッチＴ２がオフにされる前に、交流電圧源１０のその時点の電圧に充電される。
【００２４】
ＣＳ１が交流電圧源のその時点の電圧に充電されるとすぐに、ダイオードＤＳ１の両側に同じ電位が生じ、このことにより、ダイオードＤＳ１が導通するようになる。ＣＳ１が既に最終的な充電状態に達していたとしても、インダクタンスＬに、このときダイオードＤＳ１、インダクタンスＬおよびスイッチＴ２から成る回路に流れる電流がさらに供給される。この回路動作中にインダクタンスＬに蓄積されるエネルギーは、交流電圧源のその時点の電圧に比例している。このようにしてエネルギーは、スイッチＴ２の残りのオン時間の間当該回路に蓄積される。例えば、上記の例において、Ｔ２の全オン時間が１０μｓｅｃであり、ＣＳ１の最終的な充電状態が既に８μｓｅｃ後に実現される場合、残りの２μｓｅｃの間、エネルギーがこのサイクル動作で蓄積される。スイッチＴ２の遮断後、すなわち該スイッチが既に非導通状態であると、前述のサイクル動作において蓄積されたエネルギーは、フリーホイールダイオードＤＦ１を介して蓄積コンデンサＣＳに流れ、そこで放電される。蓄積コンデンサＣＳから整流器の出力端子Ｋ１にエネルギーが戻されることが、ポンプダイオードＤＰ１によって防止される。
【００２５】
したがって、上述の回路では、電源から取出されるエネルギーは常に電源電圧に比例している。このことにより、冒頭に述べた電源電流と電源電圧との比例関係に対する要求が満たされる。また、この回路により負荷ＬＤの駆動、特に負荷がガス放電ランプである場合の点灯が、トランスを中間接続することなく実現できる。
【００２６】
図１ｂに示した別の実施形態は、図１ａの実施形態に対して次のように変更されている、すなわち、ここではコンデンサＣＳ２がスイッチＴ１のオン時間の間充電される。相応して、ダイオードＤＳ２がコンデンサＣＳ２に対して直列に接続されているが、このとき双方は、整流器１４の出力端子に対する位置が交換されている。相応して、ダイオードＤＰ２が、蓄積コンデンサＣＳの放電を防止するために、コンデンサＣＳ２とスイッチＴ２との間に接続されている。
【００２７】
図１ｃは、唯１つの結合コンデンサＣＫ２を用いた実施形態を示す。これに代わる方法としてＣＫ２の代わりに、図１ａ又は図１ｂの接続回路における結合コンデンサＣＫ１が同じ機能を果たしてもよい、すなわちその機能は直流成分を除去することである。結合コンデンサは有利にはフィルムコンデンサとして、蓄積コンデンサは有利には電解コンデンサとして実現可能である。
【００２８】
図１ａ〜図１ｃの実施形態では、ハーフブリッジの出力端子に負荷ＬＤの接続端子が示されていたが、図１ｄでは、フルブリッジを用いた回路において本発明の思想の実現が示されている。このフルブリッジはさらに、電子スイッチＴ３及びＴ４を具備している。
【００２９】
図２に、図１ａに対する代替的な接続回路が示されており、低域フィルタ１２’が整流器１４’の出力端子Ｋ１及びＫ２に接続されている。図示の実施形態では、フィルタ１２’が並列に配置されているが、該フィルタは出力端子Ｋ１及びＫ２に対して直列に接続することも出来る。特に簡単な構成ではフィルタ１２’は、出力端子Ｋ１及びＫ２に対して並列に配置されている場合、コンデンサによって実現され、直列に配置されている場合には、チョークコイルとして実現可能である。
【００３０】
図３に特に有利な実施形態が示されている。ここでは、図１ａ及び図１ｂの実施形態による解決策が、回路技術の実現に関して及び機能に関して組み合わされている、すなわち、Ｔ２のオン時間の間もＴ１のオン時間の間にも、交流電圧源１０からエネルギーが取出される。図３の回路が図１ｃ、図１ｄ及び図２の変形実施例を用いても実現できることは、当業者にとって明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】ハーフブリッジと２つの結合コンデンサとを有する本発明の回路の第１の実施形態を示す。
【図１ｂ】図１ａに示した実施形態の代替実施例を示す。
【図１ｃ】ハーフブリッジを１つの結合コンデンサと共に用いた図１ａの負荷接続の代替実施例を示す。
【図１ｄ】フルブリッジを用いた図１ａ及び図１ｃの実施形態の負荷接続の代替実施例を示す。
【図２】整流器に並列に配置されているフィルタを有する図１ａ、図１ｂ、図１ｃの実施形態の代替実施例を示す。
【図３】図１及び図２の実施形態に関して対称化した別の実施形態である。

Claims

力率補正回路であって、整流器（１４；１４’）を有しており、前記整流器の入力側が交流電圧源（１０）に接続されており、前記整流器の出力側がコンデンサ（ＣＳ１；ＣＳ２）とダイオード（ＤＳ１；ＤＳ２）とから成る少なくとも１つの直列回路に接続されており、前記ダイオード（ＤＳ１；ＤＳ２）は、該ダイオード（ＤＳ１；ＤＳ２）により前記コンデンサ（ＣＳ１；ＣＳ２）が前記整流器（１４；１４’）の出力信号によって充電されないように設けられており、
ハーフブリッジ又はフルブリッジの部分として直列接続にて第１及び第２の電子スイッチ（Ｔ１，Ｔ２）を有しており、前記電子スイッチには、各スイッチ（Ｔ１；Ｔ２）に対して並列に接続されているそれぞれ１つのフリーホイールダイオード（ＤＦ１；ＤＦ２）が設けられており、前記第１のスイッチ（Ｔ１）と前記第２のスイッチ（Ｔ２）との間の接続点によって形成されている、前記ハーフブリッジ又はフルブリッジの出力端子が一方では、インダクタンス（Ｌ）を介して、コンデンサ（ＣＳ１；ＣＳ２）とダイオード（ＤＳ１；ＤＳ２）とから成るそれぞれの直列回路のコンデンサ（ＣＳ１；ＣＳ２）とダイオード（ＤＳ１；ＤＳ２）との接続点に接続されており、他方、負荷（ＬＤ）に対する第１の負荷端子を形成しており、当該第１の負荷端子において前記信号は作動中、前記交流電圧源（１０）の出力信号よりも実質的に高い周波数を有し、
前記コンデンサ（ＣＳ１；ＣＳ２）は、前記第１または第２のスイッチ（Ｔ１；Ｔ２）がオフされる前に前記交流電圧源（１０）のその時点の電圧に充電され、前記インダクタンス（Ｌ）に蓄積されるエネルギーは、前記交流電圧源（１０）のその時点の電圧に比例し、
蓄積コンデンサ（ＣＳ）を有しており、前記蓄積コンデンサは前記２つのスイッチ（Ｔ１，Ｔ２）に対して並列に接続されており、
ハーフブリッジの場合には、当該ハーフブリッジは２つの結合コンデンサ（ＣＫ１、ＣＫ２）を具備しており、前記２つの結合コンデンサ（ＣＫ１、ＣＫ２）の間の接続点が、前記負荷（ＬＤ）に対する第２の負荷端子を形成しており、前記２つの結合コンデンサ（ＣＫ１、ＣＫ２）の直列回路が前記蓄積コンデンサ（ＣＳ）に対して並列に配置されており、
フルブリッジの場合には、当該フルブリッジは２つの別のスイッチ（Ｔ３，Ｔ４）を具備しており、前記２つの別のスイッチ（Ｔ３，Ｔ４）の接続点が、前記負荷（ＬＤ）に対する第２の負荷端子を形成しており、
少なくとも１つの別のダイオード（ＤＰ１；ＤＰ２）を有しており、該別のダイオードは、前記蓄積コンデンサ（ＣＳ）の放電が前記整流器（１４；１４’）によって防止されるように、前記蓄積コンデンサ（ＣＳ）と前記整流器（１４；１４’）との間に設けられている、力率補正回路。
ハーフブリッジの場合であって、前記２つの結合コンデンサ（ＣＫ１、ＣＫ２）を具備する代わりに、唯一の結合コンデンサ（ＣＫ１；ＣＫ２）を具備しており、該結合コンデンサの第１の端子が、前記負荷（ＬＤ）に対する第２の負荷端子を形成しており、該結合コンデンサの第２の端子が前記蓄積コンデンサ（ＣＳ）の２つの端子の一方に接続されている、請求項１記載の力率補正回路。
前記整流器（１４；１４’）の入力側の間にフィルタ（１２）が設けられており、前記フィルタは、交流電圧源（１０）を有する回路と接続されている場合、前記交流電圧源（１０）に対して直列に又は並列に配置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の回路。
前記整流器（１４；１４’）の出力側に対して直列に又は並列にフィルタ（１２’）が配置されることを特徴とする、請求項１または２に記載の回路。
ダイオード（ＤＳ１；ＤＳ２）とコンデンサ（ＣＳ１；ＣＳ２）とから成る１つの直列回路および１つの別のダイオード（ＤＰ１；ＤＰ２）を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の回路。
ダイオード（ＤＳ１，ＤＳ２）とコンデンサ（ＣＳ１，ＣＳ２）とから成る２つの直列回路および２つの別のダイオード（ＤＰ１；ＤＰ２）を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の回路。