JP4534189B2

JP4534189B2 - 電源装置及び放電灯点灯装置

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Publication number: JP4534189B2
Application number: JP2003288564A
Authority: JP
Inventors: 寛和大武; 浩司高橋; 博志寺坂; 日出夫小塚
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2003-08-07
Filing date: 2003-08-07
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2023-08-07
Also published as: JP2005057947A

Description

本発明は、放電灯点灯装置等における電源投入時の突入電流を抑制する機能を備えた電源装置及び放電灯点灯装置に関する。

従来のこの種の放電灯点灯装置は、スイッチング電源回路やインバータ回路を有し、電源投入時にこれらの回路が有する平滑コンデンサを急速に充電するためにピークの大きな突入電流が流れる。

この突入電流が回路に流れると回路を構成する各種の回路素子にストレスを与えたり大電流のため電源部の機械的なスイッチが溶着したりすることがある。

これを対策するために、従来は図７に示すように、商用電源４１を全波整流するダイオードブリッジ４２の出力と昇圧チョッパ回路４３の経路内に限流素子である抵抗Ｒ４１を接続し、電源投入時に抵抗Ｒ４１を介して平滑コンデンサＣ４１を初期充電し、突入電流が回路内の平滑コンデンサＣ４１に流れないようにすると共に、一定時間経過後に限流素子Ｒ４１に並列に接続されたスイッチ素子Ｑ４１をオンし、抵抗Ｒ４１を短絡して平滑コンデンサＣ４１に所定の直流を供給するようにしている。

スイッチ素子Ｑ４１は、一般的にＳＣＲ等の半導体スイッチが使用され、このスイッチ素子Ｑ４１を駆動する信号は回路内の昇圧チョッパ回路４３の出力電圧から抵抗器Ｒ４２、Ｒ４３を介してＳＣＲのゲートに供給することが行われている。

このため、回路の動作中は、スイッチ素子Ｑ１であるＳＣＲをオン状態にして抵抗Ｒ４１を短絡し、抵抗器Ｒ４２、Ｒ４３に電流を供給し続ける必要があるため、抵抗器Ｒ４２、Ｒ４３で無駄な電力が消費され、回路動作中に消費する電力が大きくなってしまう問題
が生じる。
これを解決するための技術として、下記特許文献１の図１、図２に示される技術が存在するが、この内容は、昇圧チョッパ回路１のインダクタＬ１に設けられた1次巻線Ｌ１１と同極に巻かれた２次巻線Ｌ１２に誘起された電圧を、ダイオードＤ２とコンデンサＣ２で半波整流し平滑した出力でスイッチング素子Ｑ１がオンされ、限流要素Ｚの両端が短絡されることにより、突入電流が流れ終わった後における限流要素Ｚによる電力損失が生じないようにしたものである。

この方式は、上記した図７の従来例に示される方式に比し、スイッチ素子に駆動電流を
供給するための抵抗器が存在しないため、動作中においてスイッチ素子の駆動回路での消
費電力が抑えられることとなる。
特開平７−１４７７７０号公報

しかしながら、上記特許文献１の構成では、特許文献１図２に示されるように、２次巻線Ｌ１２にはダイオードブリッジＤＢの脈流出力とは逆極性、すなわち脈流の山部では電圧が減少し、谷部では電圧が増加する特性を示す（図２（ｆ））。この誘起電圧をダイオードＤ２とコンデンサＣ２で整流平滑すると、図２（ｇ）に示すように電源電圧の谷部で高く、山部で低いリップルを有する波形となる。このリップルを有する直流電圧がスイッチング素子Ｑ１に供給されることとなるので、スイッチ素子Ｑ１に駆動信号が与えられるタイミングは電源電圧の谷部のみとなる。

一方この種装置においては、負荷を安定に制御するために、昇圧チョッパ回路１を出力電圧一定の制御を構成するようにした場合、何らかの原因で電源電圧が急変したり、電源電圧に歪が生じて高い電圧が印加されたときに出力電圧を上昇させないようにするため、回路の発振を停止または間欠発振することとなる。

このとき、スイッチング素子Ｑ１の駆動信号が低下してスイッチング素子Ｑ１がオフすることとなり、電源電圧の谷部までは駆動信号が供給できないために、その間に突入電流抑制用の限流要素Ｚに電流が流れ、これが繰り返されることにより限流要素Ｚが発熱したり、異常発振を起こしたりする恐れがある。

また、上記特許文献１に示される技術は、昇圧チョッパ回路１のインダクタＬ１に設けられた1次巻線Ｌ１１と２次巻線Ｌ１２を同極に指定することが必須の要件であり、回路素子の基板実装時における制約が生じる問題もある。

さらに、異常発振により高調波等が生じ、雑音発生の要因ともなる。

また、依然として限流要素としての抵抗が必要であるため、コスト的にも高くなっている。

本発明は、上述した課題を解決することを目的とし、突入電流を抑制すると共に、回路上の電力損失を極力抑制して消費電力を少なくすると共に、回路素子の基板実装時における自由度を向上した電源装置及び放電灯点灯装置を提供しようとするものである。

請求項１に記載の電源装置の発明は、交流電源を全波整流して得られる直流電源と；１次巻線及び２次巻線を有するインダクタを備え直流電源の電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路と；直流電源と昇圧チョッパ回路との間に接続された限流手段、限流手段に並列に接続されサイリスタで構成されたスイッチ手段、および入力側が前記２次巻線に接続され、前記２次巻線に直列に接続されたコンデンサと、一端が前記１次巻線と前記２次巻線の共通端に接続されたダイオードと、前記ダイオードに直列に接続されたダイオードと、これら二つのダイオードの直列回路に並列に接続された出力側のコンデンサとを備え、これら二つのダイオードの直列回路間と前記２次巻線及びコンデンサとの直列回路とが接続されるとともに、前記出力側のコンデンサに並列に接続された抵抗分圧回路の中間点がサイリスタのゲート端子に接続されて前記スイッチ手段を駆動する倍電圧整流手段を具備してなる突入電流抑制装置と；を具備することを特徴とする。

本発明の「２次巻線を有するインダクタを備え直流電源の電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路」は、直流電源の電圧を昇圧し昇圧動作のためのエネルギーを蓄積するインダクタを有する昇圧チョッパ回路を意味し、インダクタは、後述する倍電圧整流手段を接続するための２次巻線を有し、２次巻線は、昇圧用のインダクタを複数に分割して、その一部に設ける構成としてもよく、要は直流電源の電圧の昇圧機能と、倍電圧整流手段を接続するための機能を少なくとも有し、昇圧チョッパ回路から電圧が誘起され、この電圧が倍電圧整流手段に供給されるようになっていればよい。

「直流電源と昇圧チョッパ回路との間に接続された限流手段」は、所定の抵抗値を有する抵抗器が好ましいが、直流電源と昇圧チョッパ回路との間に接続され、電源投入時に突入電流が流れないように阻止または限流し、抑制するための所定のインピーダンスを有しているものであればよく、正または負特性のサーミスタであってもよい。

「限流手段に並列に接続されたスイッチ手段」は、サイリスタ（以下「ＳＣＲ」と称す）で構成され、後述する倍電圧整流手段の一方の出力側のコンデンサに並列に接続された抵抗分圧回路の中間点が接続されることにより駆動されるための駆動ゲート手段を有し、駆動されたときに前記限流手段を短絡状態にする機能を有していればよい。

「入力側が前記２次巻線に接続され、一方の出力側のコンデンサに並列に接続された抵抗分圧回路の中間点がＳＣＲのゲート端子に接続されて前記スイッチ手段を駆動する倍電圧整流手段」は、互いに逆極性のダイオードと２個のコンデンサで構成された倍電圧整流器が好ましい。

この倍電圧整流手段は、入力側が上記の昇圧チョッパ回路におけるインダクタの２次巻線に接続され、一方の出力側のコンデンサに並列に接続された抵抗分圧回路の中間点がＳＣＲのゲート端子に接続されて前記スイッチ手段を駆動するものであるが、スイッチ手段を駆動するための電圧が、電源電圧の変動等があっても、常に一定の出力電圧となるような機能を有していればよい。

本発明の電源装置は、放電灯点灯装置の電源として好適の電源装置であるが、これに限定されるものではない。

本発明によれば、限流手段により突入電流を抑制できると共に、スイッチ手段を駆動するための電圧が、電源電圧の変動等があっても、常に一定の出力電圧となり、スイッチ手段を確実に動作させることができ、限流手段が発熱することが防止され、回路上の電力損失を極力抑制して消費電力を少なくすることができる。

また、回路素子の基板実装時における制約がなく、設計上の自由度が向上する等、種々の利点を有する突入電流抑制装置を具備した電源装置を提供することができる。

請求項２の記載の放電灯点灯装置は、請求項１記載の電源装置と；電源装置に接続されたインバータと；インバータにより付勢される放電灯と；を具備することを特徴とする。

本発明の放電灯点灯装置は、家庭用またはビル施設などの業務用の照明に使用される蛍光灯など各種の放電灯の点灯装置に適用できるものである。

請求項１の発明によれば、限流手段により突入電流を抑制できると共に、スイッチ手段を駆動するための電圧が、電源電圧の変動等があっても、常に一定の出力電圧となり、スイッチ手段を確実に動作させることができ、限流手段が発熱することが防止され、回路上の電力損失を極力抑制して消費電力を少なくすることができる。

請求項２の発明によれば、
限流手段により突入電流を抑制できると共に、スイッチ手段を駆動するための電圧が、電源電圧の変動等があっても、常に一定の出力電圧となり、スイッチ手段を確実に動作させることができ、限流手段が発熱することが防止され、回路上の電力損失を極力抑制して消費電力を少なくすることができる。

また、回路素子の基板実装時における制約がなく、設計上の自由度が向上する等、種々の利点を有する突入電流抑制装置を具備した電源装置を有する放電灯点灯装置を提供することができる。

以下本発明に係る電源装置及び放電灯点灯装置の第一の実施形態について説明する。

図１〜図２は、本発明の第一の実施形態を示し、図１は基本構成を示す回路構成図、図２は動作状態を示す動作説明図である。

図１において、１は交流電源である商用電源、２は商用電源を全波整流するダイオードブリッジ、Ｒ１は限流手段である抵抗、Ｑ１はＳＣＲで構成されたスイッチ手段、３は倍電圧整流手段を構成する倍電圧整流回路、４は昇圧チョッパ回路、５はハーフブリッジ型インバータ等よりなる放電灯点灯装置であり負荷である放電灯を含んでいる。

前記抵抗Ｒ１、スイッチ手段Ｑ１及び倍電圧整流回路３から突入電流抑制装置が構成されている。

昇圧チョッパ回路４は、インダクタＬ１、ＦＥＴで構成されたスイッチ素子Ｓ１、ダイオードＤ１及び平滑コンデンサＣ１で構成され、インダクタＬ１とダイオードブリッジ２の出力端との間に、スイッチ手段Ｑ１がインダクタＬ１と直列に接続され、スイッチ手段Ｑ１に並列に抵抗Ｒ１が接続されている。

インダクタＬ１は、インダクタを１次巻線Ｌ１１として巻装された２次巻線Ｌ１２を有
し、この２次巻線Ｌ１２に倍電圧整流回路３の入力側が接続されている。

倍電圧整流回路３は、２次巻線Ｌ１２に直列に接続されたコンデンサＣ２とコンデンサＣ２と２次巻線Ｌ１２との直列回路に並列にダイオードＤ２を接続し、ダイオードＤ２の一端が１次巻線Ｌ１１と２次巻線Ｌ１２の共通端に接続されている。

さらに、ダイオードＤ２に直列にダイオードＤ２と逆極性のダイオードＤ３を接続し、
ダイオードＤ２とダイオードＤ３の直列回路に並列にコンデンサＣ３が接続され、この一方の出力側となるコンデンサＣ３に並列に抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の直列回路が接続され、さらに抵抗Ｒ２とＲ３からなる抵抗分圧回路の中間点がスイッチ手段Ｑ１のＳＣＲのゲート端子に接続されて倍電圧整流回路３が構成されている。

次に、上記実施形態の作用について説明する。

図２は動作状態を示す動作説明図である。

商用電源１を投入すると、交流がダイオードブリッジ２で全波整流され、限流素子である抵抗Ｒ１を介して昇圧チョッパ回路４の平滑コンデンサＣ１が初期充電される。

この際、ダイオードブリッジ２の出力を昇圧チョッパ回路４に供給する経路に、限流素子である抵抗Ｒ１が存在するために、電源投入時に発生する突入電流が回路内に流れることが抑制される。

さらに、昇圧チョッパ回路４が起動し電源投入から一定時間経過すると、昇圧チョッパ
回路４のインダクタＬ１の２次巻線Ｌ１２に２次電圧が誘起され、その電圧を倍電圧整流
回路３で平滑し、この平滑した電圧源から、すなわち、一方の出力側となるコンデンサＣ３から抵抗Ｒ２とＲ３からなる抵抗分圧回路の中間点を介してスイッチ手段Ｑ１のＳＣＲのゲート端子に信号電圧を供給してＳＣＲをオンする。

ＳＣＲがオンすると限流手段である抵抗Ｒ１が短絡され、ＳＣＲを介して昇圧チョッパ回路４に所定の直流が供給され放電灯点灯装置５が制御される。

したがって、突入電流発生後においては抵抗Ｒ１がスイッチ手段Ｑ１のＳＣＲにより短絡され、抵抗Ｒ１による電力損失が生じないようになっている。

上記動作において、回路上に発生される電圧波形につき説明すると、ダイオードブリッジ２の出力端には、図２（ａ）の全波整流された波形が生じる（図１矢印ａ）。リアクタＬ１の１次巻線Ｌ１１の両端電圧は図２（ｂ）（図１矢印ｂ）、リアクタ８の２次巻線Ｌ１２に誘起される電圧は、１次巻線Ｌ１１の両端電圧とは逆特性の波形である図２（ｃ）が生じる（図１矢印ｃ）。

さらに、倍電圧整流回路３の一方の出力側となるコンデンサＣ３には、倍電圧整流回路３の倍電圧作用により、電源位相によらない、常に一定の電圧である図２（ｄ）が発生し（図１矢印ｄ）、この一定の電圧がスイッチ手段Ｑ１であるＳＣＲのゲートに供給される。

この際、従来では特許文献１図２に示されるように、電源電圧の谷部で高く、山部で低いリップルを有する直流電圧がスイッチング素子Ｑ１に供給されることとなるので、スイッチ素子Ｑ１に駆動信号が与えられるタイミングは電源電圧の谷部のみとなり、昇圧チョッパ１を出力電圧一定の制御を構成するようにした場合、何らかの原因で電源電圧が急変したり、電源電圧に歪が生じて高い電圧が印加されたときに出力電圧を上昇させないようにするため、回路の発振を停止または間欠発振すると、スイッチ素子Ｑ１の駆動信号が低下してスイッチング素子Ｑ１がオフすることとなり、電源電圧の谷部までは駆動信号が供給できないために、その間に突入電流抑制用の限流要素Ｚに電流が流れ、これが繰り返されることにより限流要素Ｚが発熱したり、異常発振を起こしたりする恐れがあった。

しかしながら、本実施形態では、上記のように、スイッチ手段Ｑ１であるＳＣＲには、倍電圧整流回路３の倍電圧作用により、リップルのない常に一定の電圧が供給されるので、電源歪が生じて昇圧チョッパ回路が間欠発振し、間欠的な動作となってもスイッチ手段Ｑ１であるＳＣＲがオフされて抵抗Ｒ１に電流が流れることはなく、抵抗Ｒ１が発熱したり、異常発振を起こしたりすることはない。

また、本実施形態におけるリアクタＬ１の１次巻線Ｌ１１と２次巻線Ｌ１２の極性は、同極でも、また逆極性でも同様の作用効果が得られるので、従来の特許文献１に示されるように、昇圧チョッパ１のインダクタＬ１に設けられた1次巻線Ｌ１１と２次巻線Ｌ１２を同極に指定することが必要でなくなり、回路素子の基板実装時における制約が生じることがなく、設計上自由度が向上する。

本実施形態によれば、限流手段により突入電流を抑制できると共に、スイッチ手段を駆動するための電圧が、電源電圧の変動等があっても、常に一定の出力電圧となり、スイッチ手段を確実に動作させることができ、限流手段が発熱したり発振したりすることが防止され、回路上の電力損失を極力抑制して消費電力を少なくすることができ、雑音の発生も防止できる。

また、回路素子の基板実装時における制約がなく、設計上の自由度が向上する等、種々の利点を有する。

次に本発明に係る電源装置及び放電灯点灯装置の第二の実施形態について説明する。

図３〜図６は、本発明の第二の実施形態を示し、図３は基本構成を示す回路構成図、図４は第一の応用例を示す回路構成図、図５は第二の応用例を示す回路構成図、図６は動作状態を示す動作説明図である。

図３において、１１は交流電源である商用電源、１２は商用電源を全波整流するダイオードブリッジ、Ｑ１１はＳＣＲで構成されたスイッチ手段、１３はスイッチ手段Ｑ１１に並列に接続されたトリガー回路、Ｃ１１は平滑コンデンサ、１４は負荷である。

トリガー回路１３は、駆動電源１５と駆動判別回路１６とからなり、駆動電源１５は、抵抗Ｒ１１、ダイオードＤ１１及び平滑コンデンサＣ１２との直列回路から構成されている。

駆動判別回路１６は、スイッチ手段Ｑ１１であるＳＣＲに並列に接続された上記ダイオードＤ１１と逆極性のツェナーダイオードＺＤ１と抵抗Ｒ１２との直列回路と、上記平滑コンデンサＣ１２に並列に抵抗Ｒ１３、抵抗Ｒ１４を介して接続されたトランジスタＱ１２と、このトランジスタＱ１２のベース端子をツェナーダイオードＺＤ１と抵抗Ｒ１２との中間点に接続し、さらにスイッチ手段Ｑ１１であるＳＣＲのゲート端子を上記抵抗Ｒ１３、抵抗Ｒ１４の中間点に接続することにより構成されている。

上記において、回路上に発生される電圧波形につき、図６を参照して説明すると、図６（ａ）は交流電源１１の波形であり（図３矢印ａ）、ダイオードブリッジ１２の出力端には図６（ｂ）の全波整流された波形が生じる（図３矢印ｂ）。

図６（ｃ）はトランジスタＱ１２のベース端子の波形（図３ｃ点）、図６（ｄ）は、スイッチ手段Ｑ１１であるＳＣＲの両端に生じる波形を示す（図３矢印ｄ）。

次に、上記実施形態の作用について説明する。

図６は動作状態を示す動作説明図である。

電源が投入されると、商用電源１１はダイオードブリッジ１２で全波整流され、抵抗Ｒ１１を介してコンデンサＣ１２が充電され、ツェナーダイオードＺＤ１を有する駆動判別
回路１６の駆動電源１５となる。

駆動判別回路１６のツェナーダイオードＺＤ１は、スイッチ手段Ｑ１１であるＳＣＲを駆動するか否かの判別を行うもので、所定電圧以下でオフする特性を有し、図６（ｂ）に示す電源電圧の谷部においてツェナーダイオードＺＤ１がオフとなり、トランジスタＱ１２のベース端子には図６（ｃ）の波形が生じる。

トランジスタＱ１２は、ツェナーダイオードＺＤ１がオフとなったときに、スイッチ手段Ｑ１１であるＳＣＲのゲートに、図６（ｄ）に示すトリガー信号を供給してＳＣＲをオンさせる。

ＳＣＲは、トリガー信号によりゼロクロススイッチ動作を行い、平滑コンデンサＣ１１に所定の直流が供給されて負荷１４が制御されるとともに、突入電流は抑制される。

また、ＳＣＲがオンすると上記駆動電源１５と駆動判別回路１６から構成されるトリガー回路１３が短絡され、トリガー回路１３を構成する抵抗素子等で電力が消費されることなく低消費電力で装置を駆動することができる。

次に、本実施形態における応用例につき説明する。

図４は第一の応用例を示す回路構成図、図５は第二の応用例を示す回路構成図である。

図４に示す第一の応用例は、上記第二の実施形態における回路構成に、昇圧チョッパ回路２１を介して負荷２２を接続したものであり、コンデンサＣ２１の両端にリアクタＬ２１、ダイオードＤ２１及び平滑コンデンサＣ２２よりなる昇圧チョッパ回路２１が接続され、平滑コンデンサＣ２２の両端に負荷２２が接続されて構成されている。

この第一の応用例は、第二の実施形態における平滑コンデンサＣ１１が、リアクタＬ２１を介して設けられた平滑コンデンサＣ２２も同様の動作をなし、本発明の範囲に包含されることを意味している。

その他の構成及び作用は、上記第一の実施形態と同様である。

図５に示す第二の応用例は、上記第二の実施形態における回路構成に、上記第一の応用例と同様構成の昇圧チョッパ回路３１を介して放電灯点灯装置としての負荷３２を接続したものである。

放電灯点灯装置は、ハーフブリッジ型のインバータ回路３３と、放電灯を含んだ点灯回路部３４から構成されている。

本実施形態によれば、所定電圧以下のときにスイッチ手段を駆動するため、ゼロクロススイッチが可能となり安価でかつ確実に突入電流を抑制できる。

さらに、動作中にスイッチ手段によりトリガー回路を短絡することができるため、回路上の電力損失を極力抑制して消費電力を少なくすることができる。

また、回路素子の基板実装時における制約がなく、設計上の自由度が向上する。さらに、限流手段としての抵抗等が存在しないため、コストを安価にすることができる等、種々の利点を有する。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の設計変更を行うことができる。

本発明の第一の実施形態における基本構成を示す回路構成図。本発明の第一の実施形態における動作状態を示す動作説明図。本発明の第二の実施形態における基本構成を示す回路構成図。本発明の第二の実施形態における第一の応用例を示す回路構成図。本発明の第二の実施形態における第二応用例を示す回路構成図。本発明の第二の実施形態における動作状態を示す動作説明図。従来の基本構成を示す回路構成図。

符号の説明

１交流電源
２直流電源
３倍電圧手段
４昇圧チョッパ回路
Ｌ１インダクタ
Ｌ１１１次巻線
Ｌ１２２次巻線
Ｒ１限流手段
Ｑ１スイッチ手段
Ｄ２ダイオード
Ｄ３ダイオード
Ｃ２コンデンサ
Ｃ３コンデンサ

Claims

交流電源を全波整流して得られる直流電源と；
１次巻線及び２次巻線を有するインダクタを備え直流電源の電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路と；
直流電源と昇圧チョッパ回路との間に接続された限流手段、限流手段に並列に接続されサイリスタで構成されたスイッチ手段、および入力側が前記２次巻線に接続され、前記２次巻線に直列に接続されたコンデンサと、一端が前記１次巻線と前記２次巻線の共通端に接続されたダイオードと、前記ダイオードに直列に接続されたダイオードと、これら二つのダイオードの直列回路に並列に接続された出力側のコンデンサとを備え、これら二つのダイオードの直列回路間と前記２次巻線及びコンデンサとの直列回路とが接続されるとともに、前記出力側のコンデンサに並列に接続された抵抗分圧回路の中間点がサイリスタのゲート端子に接続されて前記スイッチ手段を駆動する倍電圧整流手段を具備してなる突入電流抑制装置と；
を具備することを特徴とする電源装置。
請求項１記載の電源装置と；
電源装置に接続されたインバータと；
インバータにより付勢される放電灯と；
を具備することを特徴とする放電灯点灯装置。