JP4560679B2

JP4560679B2 - 多灯式放電灯点灯装置

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Publication number: JP4560679B2
Application number: JP2004326495A
Authority: JP
Inventors: 浩新免; ローベルト、ベーガー
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2004-11-10
Filing date: 2004-11-10
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2024-11-10
Also published as: WO2006051676A1; CN101057528A; EP1811815A4; US7541747B2; KR20070084051A; JP2006139941A; US20080042593A1; EP1811815A1

Description

本発明は、複数の放電灯を点灯するための多灯式放電灯点灯装置に係り、詳しくは、液晶表示装置の多灯式バックライト用の光源として用いられる冷陰極管等を点灯する放電灯点灯装置に関する。

液晶表示装置のバックライト用の光源として、例えば冷陰極管等の放電灯が広範に使用されており、一般に、このような放電灯は、インバータを有する放電灯点灯装置によって交流点灯される。近年、液晶表示装置の高輝度化および大型化に伴い、このような液晶表示装置の照明用光源として、複数の放電灯を使用した多灯式バックライトが多用されている。

一般に、放電灯の点灯には高電圧を要するため、放電灯点灯装置は、通常、二次側に高電圧を発生させるためのインバータトランスを有し、インバータトランスの一次側には高周波電圧を発生させるインバータ手段が接続され、二次側には、放電灯および負性抵抗特性を有する放電灯の管電流を安定化するためのいわゆるバラスト素子、例えばバラストコンデンサが接続されている。従来、複数の放電灯を点灯させる場合にも、個々の放電灯に対してそれぞれバラストコンデンサを接続することによって、多灯式放電灯点灯装置が実施されている（例えば、特許文献１参照）。

一方、複数の放電灯を点灯させる場合には、各放電灯の輝度を均一化するために各放電灯の管電流を均一にする必要があり、複数の放電灯に対してそれぞれ個別のバラストコンデンサを接続した放電灯点灯装置では、バラストコンデンサの特性のバラツキが管電流のバラツキの要因となる可能性がある。そのため、例えば、インバータトランスの二次側にバランスコイルを設けて各放電灯の管電流を均一化する回路構成が提案されている（例えば、特許文献２参照）。また、インバータトランスの一次側に低圧定電流源を設け、この低圧定電流源から電力を供給することによって、バラストコンデンサを不要とする回路構成も提案されており（例えば、特許文献３参照）、この回路構成を用いて放電灯点灯装置を多灯化すれば、管電流の均一化に対して一定の効果を奏することが予想される。
特開２００２−１７５８９１号公報特開平７−４５３９３号公報特許第３２５６９９２号明細書

しかしながら、例えば特許文献１に記載の放電灯点灯装置では、上述した管電流のバラツキの問題に加えて、放電灯の点灯に必要な管電圧を得るために、放電灯に直列に接続されたバラストコンデンサの電圧降下分を含めた出力電圧を二次側に発生させる必要があり、インバータトランスの形状が大きくなる結果、機器の小型化の妨げになるという問題がある。特許文献２に記載の放電灯点灯装置でも、二次側に設けたバランスコイルには大きなインダクタンスが要求されるため、バランスコイルとして大型の素子が必要となり、コストが増大すると共に機器の小型化の妨げになるという問題がある。

また、特許文献３に記載の放電灯点灯装置を多灯化した場合には、上述したような問題は回避され得るが、この回路構成には次のような問題がある。すなわち、一般に、液晶ディスプレイのバックライトとして用いられる放電灯点灯装置の電源には、液晶ドライブ回路等と共通の定電圧電源が用いられるため、放電灯点灯装置に定電流源を使用することは、液晶ディスプレイ装置に新たな構成要素を追加することを意味し、装置全体としてのコストが増大する。

本発明は、上記課題に鑑みて、インバータトランスの二次側にバラスト素子を設けることなく、複数の放電灯の各管電流の安定化および均一化を低コストに実施できる多灯式放電灯点灯装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、高周波電圧を出力するインバータ手段と複数のインバータトランスとを含み、該複数のインバータトランスの二次巻線にそれぞれ接続された複数の放電灯を点灯する多灯式放電灯点灯装置において、前記インバータ手段はスイッチング手段を含み、前記複数のインバータトランスは、それぞれの一次巻線にバラストインピーダンス素子が直列に接続されて前記スイッチング手段に接続され、隣り合う前記インバータトランスの一次側の配線間に、電流バランス手段を設けてなることを特徴とする。

また、前記バラストインピーダンス素子は、コンデンサまたはインダクタのいずれか、あるいは、それらの組合せで構成されることを特徴とする。

さらに、前記電流バランス手段は、バランスコイルにて形成されることを特徴とする。

本発明に係る多灯式放電灯点灯装置によれば、バラストインピーダンス素子をスイッチング手段とインバータトランスの一次巻線との間に直列に接続することにより、二次側にバラスト素子を接続せずに管電流を安定化できる放電灯点灯装置を、従来の構成から部品点数を増大させることなく実現することができる。また、隣り合うインバータトランスの一次側配線の間に電流バランス手段を設けているため、各インバータトランスの一次巻線に接続されたバラストインピーダンス素子のバラツキによらず、各一次巻線に流れる電流を均一化することができる。加えて、各放電灯は、それぞれのインバータトランスの二次巻線にバラスト素子を介することなく接続されるため、各放電灯の管電流からバラスト素子の特性のバラツキの影響を排除することができ、各放電灯の管電流を均一化することができる。

また、本発明において、バラストインピーダンス素子は、高電圧が印加されるインバータトランスの二次側ではなく一次側に接続されているため、高耐圧性の素子を使用する必要がなく、部品コストが低減すると共に、素子の絶縁破壊による故障や発火の危険性がなくなり、装置の安全性が増大する。また、インバータトランスの二次側に、放電灯に直列にバラスト素子を接続する必要がないため、インバータトランスの出力電力を低く抑えることができる。さらに、トランスの二次側に巻線間短絡（いわゆるレアショート）が発生した場合でも、一次側のバラストインピーダンス素子により巻線に流れる過電流を抑制し、インバータトランスの発煙や発火を防止することができる。

特に、バラストインピーダンス素子としてインダクタを使用した場合、そのインダクタンスを二次側に接続する場合よりも小さくすることができるため、バラストインピーダンス素子を小型化することが可能となる。また、一次側のインダクタによって高次の高調波成分が抑制されるため、インバータトランスに印加される入力波形からノイズを除去することができ、高調波成分によるトランスの発熱が抑制されるため、全体としてトランスの発熱が低減する。

また、インバータトランスの一次側に設けられる電流バランス手段としてバランスコイルを使用した場合、二次側にバランスコイルを接続して管電流の均一化を図る場合と比較して、高耐圧性の素子を使用する必要がなく、また、そのインダクタンスを小さくすることができるため、素子を小型化することができる。

以下、本発明に係る多灯式放電灯点灯装置の一実施形態を、図面を参照して詳述する。図１は、本発明の一実施形態として、複数（ｎ本とする）の放電灯を点灯制御する放電灯点灯装置１０の回路構成を示す図である。放電灯点灯装置１０は、インバータ手段１２とｎ個のインバータトランスＴＲ₁〜ＴＲ_nとを含み、各インバータトランスＴＲ₁〜ＴＲ_nの二次巻線Ｎs1〜Ｎsnには、例えば冷陰極管等の放電灯Ｌａ１〜Ｌａｎがバラスト素子を介することなく直接接続されている。また、各インバータトランスＴＲ₁〜ＴＲ_nは、それぞれの一次巻線Ｎp1〜Ｎpnに、本実施形態におけるバラストインピーダンス素子であるインダクタＬＢ１〜ＬＢｎが直列に接続されて、インバータ手段１２に含まれるスイッチング手段１３に並列に接続されている。

インバータ手段１２には、スイッチング手段１３であるフルブリッジ回路と、このフルブリッジ回路１３を駆動する制御回路２１が含まれる。フルブリッジ回路１３は、図２に示すように、直列に接続された１組のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３と、同様に直列に接続された１組のスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４とを並列に接続してなり、例えば、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２はＰＭＯＳＦＥＴ、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４はＮＭＯＳＦＥＴから構成される。インバータ手段１２は、制御回路２１から出力されるゲート電圧に従って、スイッチング素子の組（Ｑ１，Ｑ４）と（Ｑ２，Ｑ３）のオン・オフを所定の周波数（例えば６０ｋＨｚ程度）で交互に繰返し、直流電圧Ｖｉｎを高周波電圧に変換して出力端子Ａ、Ｂに出力するものである。

さらに、放電灯点灯装置１０には、各インバータトランスＴＲ₁〜ＴＲ_nの、隣り合うインバータトランスＴＲ_i、ＴＲ_i+1（ただし、ｉは１〜ｎ−１の任意の整数）の一次側の配線間に、電流バランス手段であるバランスコイルＢＣ_iが設けられている。バラスンスコイルＢＣ_iは、任意の適切な磁気コアに一次巻線Ｗpiおよび二次巻線Ｗsiを巻回してなるものであり、その構成および作用の詳細については後述する。スイッチング手段１３に対して並列に接続される各インバータトランスＴＲ₁〜ＴＲ_nの接続態様を、インバータトランスＴＲ₂を例として詳述すれば次の通りである。すなわち、インバータトランスＴＲ₂の一次巻線Ｎp2の一端は、バランスコイルＢＣ₁の二次巻線Ｗs1の一端に直列に接続され、二次巻線Ｗs1の他端はインダクタＬＢ２の一端に接続されて、インダクタＬＢ２の他端がインバータ手段１２の出力端子Ａに接続されている。また、インバータトランスＴＲ₂の一次巻線Ｎp2の他端は、バランスコイルＢＣ₂の一次巻線Ｗp2の一端に接続され、一次巻線Ｗp2の他端がインバータ手段の出力端子Ｂに接続されている。図示は省略するが、インバータトランスＴＲ₁、ＴＲ_nを除く他のインバータトランスＴＲ₃〜ＴＲ_n-1も同様に接続されている。インバータトランスＴＲ₁、ＴＲ_nの一次側配線は、それぞれＴＲ₂、ＴＲ_n-1の一次側配線のみと結合するため、インバータトランスＴＲ₁の一次巻線Ｎp1の一端は直接インダクタＬＢ１に接続し、また、インバータトランスＴＲ_nの一次巻線Ｎpnの一端は、直接インバータ手段１２の出力端子Ｂに接続している。

なお、放電灯点灯装置１０は、上述した構成要素に加えて、調光回路２２、電流検知回路２３、保護回路２４を含んでいる。本発明に係る放電灯点灯装置は、これらの回路２２〜２４の有無に限定されるものではないが、各回路２２〜２４の機能を簡単に説明すれば、次のようなものである。まず、電流検知回路２３は、カレントトランス２５によって検知された電流値に応じた適切な信号を生成して制御回路２１に出力し、それによって、制御回路２１は、例えばインバータ手段１２に含まれるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオンデューティを変動させ、インバータトランスＴＲ₁〜ＴＲ_nに投入される電力を調整するものである。保護回路２４は、インバータトランスＴＲ₁〜ＴＲ_nの各三次巻線Ｎt1〜Ｎtnによって検知された電圧に応じた適切な信号を生成して制御回路２１に出力し、それによって、制御回路２１は、例えば放電灯Ｌａ１〜Ｌａｎのオープンやショート等の異常が検出された場合にインバータ手段１２の動作を停止させ、装置を保護するものである。また、調光回路２２は、例えばバースト調光により放電等Ｌａの輝度を調整するための信号を制御回路２１に出力するものであり、これによって、制御回路２１は、例えば１５０〜３００Ｈｚ程度の周波数でインバータ手段１２を間欠的に動作させることによって、放電灯Ｌａ１〜Ｌａｎの平均的な輝度を調整するものである。図示の例では、電流検出回路２３はカレントトランス２５によって電流を検知しているが、放電灯Ｌａの管電流を検知してもよい。

ここで、インバータトランスＴＲ₁の一次側配線とインバータトランスＴＲ₂の一次側配線との間に設けられたバランスコイルＢＣ₁を例として、本実施形態における電流バランス素子であるバランスコイルの構成および作用を説明する。
図３は、図１に示す放電灯点灯装置１０のうち、インバータトランスＴＲ₁の一次側配線Ｐ１とインバータトランスＴＲ₂の一次側配線Ｐ２の主要部を示した回路構成図である。図３に示すＺ１およびＺ２は、各一次側配線Ｐ１、Ｐ２に接続するかまたは接続しているとみなされるバランスコイルＢＣ₁以外の回路要素のインピーダンスを表すものであり、それぞれインダクタＬＢ１、ＬＢ２のインピーダンス、放電灯Ｌａ１、Ｌａ２のインバータトランスＴＲ₁、ＴＲ₂の一次側から見た等価抵抗等が含まれる。バランスコイルＢＣ₁は、任意の適切な磁気コアと、その磁気コアに同一の巻数で同位相に巻回されて密結合する一次巻線Ｗp1および二次巻線Ｗs1から構成されており、本実施形態において、各巻線Ｗp1、Ｗs1のインダクタンスによるインピーダンスは、上述したインピーダンスＺ１、Ｚ２よりも十分に大きいものとする。

図３に示すように、一次巻線Ｗp1および二次巻線Ｗs1には、それぞれ電流Ｉ１、Ｉ２が、各巻線Ｗp1、Ｗs1の巻回方向に対して互いに逆方向に流れている。この際、一般には、バランスコイルＢＣ₁の各巻線Ｗp1、Ｗs1の端子間に、ΔＩ＝Ｉ１−Ｉ２に応じた電圧が発生するが、本実施形態におけるバランスコイルＢＣ₁は、各巻線Ｗp1、Ｗs1のインダクタンスが十分に大きいため、Ｚ１およびＺ２のバラツキや変動によらず、ΔＩがほぼ０になるように電流Ｉ１、Ｉ２を平衡化するものである。この場合、両方の電流Ｉ１、Ｉ２によりバランスコイルＢＣ₁に生ずるほとんどの磁束が互いに打ち消し合うため、動作時のバランスコイルＢＣ₁自体のインピーダンスはほぼ０とみなすことができる。同様の電流の平衡化は、他のバランスコイルＢＣ₂〜ＢＣ_n-1でも実施され、各インバータトランスＴＲ₁〜ＴＲ_nの一次側配線に流れる電流が均一化される。

本実施形態における放電灯点灯装置１０は、インバータトランスＴＲ₁〜ＴＲ_nの一次巻線Ｎp1〜Ｎpnに、それぞれ直列に接続されたインダクタＬＢ１〜ＬＢｎを備え、このインダクタＬＢ１〜ＬＢｎがバラストインピーダンス素子として機能することによって、各放電灯Ｌａ１〜Ｌａｎの管電流の安定化を実現するものである。以下、インダクタＬＢ１に関連させてその作用を説明するが、他のインダクタＬＢ２〜ＬＢｎについても同様である。
例えば、何らかの原因により放電灯Ｌａ１の管電流（以下、二次側電流ともいう）が増大した場合、一次巻線Ｎp1を流れる電流（以下、一次側電流ともいう）も増大するが、インバータ手段１２によって印加される電圧は一定であり、また、上述したようにバランスコイルＢＣ₁のインピーダンスは見かけ上０であるため、インダクタＬＢ１のインダクタンスによるインピーダンスが、一次側電流を減少させてその降下電圧を低下させるように作用し、結果として二次側の管電流の増大が抑制される。同様に、放電灯Ｌａ１の管電流が減少すると一次側電流も減少するが、この際、インダクタＬＢ１のインダクタンスによるインピーダンスは、一次側電流を増大させてその降下電圧を上昇させるように作用し、結果として二次側の管電流の減少が抑制される。ここで、インバータトランスＴＲ₁の巻線比（２次巻線の巻数／１次巻線の巻数）をＮとし、放電灯Ｌａ１の等価負荷抵抗をＲとすれば、インバータトランスＴＲ₁の１次側から見た等価負荷抵抗はＲ／Ｎ²となるため、バラストインピーダンス素子に必要なインピーダンスは、Ｒ／Ｎ²に対して十分大きければ良い。

本発明は、使用するインピーダンス素子の種類に限定されるものではなく、本発明に係るバラストインピーダンス素子として、抵抗、コンデンサ、インダクタ、またはそれらの組合せのいずれも使用することができるが、好ましくは、本実施形態におけるバラストインピーダンス素子のように、インダクタまたはインダクタを含む組合せを使用するものである。本発明に係る放電灯点灯装置では、バラストインピーダンス素子をインバータトランスの一次側に接続するため高耐圧の素子を使用する必要がなく、したがって、抵抗に比べて電力損失の少ないインダクタを、高耐圧性のインダクタは形状が大きくなるという従来の欠点を克服しつつ、バラスト素子として有利に使用することができる。加えて、上述したように、インバータトランスの一次側から見た負荷抵抗は１／Ｎ²程度に小さくなるため、本実施形態における放電灯点灯装置１０では、バラスト素子として同等の作用を有するインダクタを二次側に接続する場合に比べて、そのインダクタンスをＬ／Ｎ²程度に小さくすることができ、さらに素子を小型化することが可能となる。例えば、放電灯点灯装置１０において、インバータトランスＴＲ₁の巻線比Ｎを１００とし、インダクタＬＢ１のインダクタンスＬを３０μＨ程度とすれば、インダクタンスＬが３００ｍＨ程度のインダクタをバラスト素子として二次側に接続した場合と同等の機能を発揮するものとなる。

同様に、放電灯Ｌａ１〜Ｌａｎの管電流を均一化するためのバランスコイルＢＣ₁〜ＢＣ_n-1もインバータトランスＴＲ₁〜ＴＲ_nの一次側に接続されているため、バランスコイルを二次側に接続する場合に比べて、高耐圧性の素子を使用する必要がなく、また、実用的な電流平衡化を達成するために必要なインダクタンスを小さくすることができ、素子を小型化することが可能となる。

次に、一次側にバラストインピーダンス素子を接続することの利点の一つとして、インバータトランスＴＲ₁〜ＴＲ_nの二次側に巻線間短絡（いわゆるレアショート）が発生した場合の動作について説明する。
従来の放電灯点灯装置では、いずれかのインバータトランスの二次巻線にレアショートが発生すると、その二次側回路は、放電灯およびバラスト素子のインピーダンスによらず、二次巻線のショート部分の抵抗ｒ_sが二次側に接続された状態になるため、インバータトランスに過大な電流が流れ、発煙や発火の要因となるおそれがある。このとき、インバータトランスの一次側の電圧をＶｐ、レアショートによる負荷抵抗を一次側から見た抵抗値をｒｐとすれば、ショート部分での電力損失は、
Ｐ＝Ｖｐ²／ｒｐ
で表される。しかし、本実施形態における放電灯点灯装置１０において、例えばインバータトランスＴＲ₁の二次巻線Ｎs1でレアショートが発生したとすると、ショート部分での損失Ｐは、
Ｐ＝ｒｐ・Ｖｐ²／（（ωＬ）²＋ｒｐ²）
となり（ただし、ＬはインダクタＬＢ１のインダクタンス）、インダクタＬＢ１のインピーダンスによって、電力損失すなわち過電流による発熱が抑制されることが分かる。

また、本実施形態において、インダクタＬＢ１〜ＬＢｎは、ローパスフィルタとして機能するため、インバータ手段１２の出力電圧の高調波成分をカットして、一次側巻線Ｎpに印加される電圧波形をほぼ正弦波状とすることができる。これによって、インバータトランスＴＲ₁〜ＴＲ_nからノイズが除去されると共に、高調波成分によるインバータトランスＴＲ₁〜ＴＲ_nの発熱が抑制される。

さらに、本実施形態における放電灯点灯装置１０は、そのインバータ手段１２が、フルブリッジ回路１３と制御回路２１からなる高効率の他励型回路にて構成され、フルブリッジ回路１３は、制御回路２１によって所定の周波数で駆動される。したがって、例えば、インバータトランスの一次側に設けられたＬＣ共振回路の共振周波数によってインバータ手段の駆動周波数が決定されるロイヤー回路等の場合とは異なり、共振周波数に対する影響を考慮することなく、バラストとして適切な任意のインピーダンスを有する素子を一次側に接続することができる。

以上の説明では、本発明に係るバラストインピーダンス素子をインダクタとして説明したが、本発明に係るバラストインピーダンス素子の別の態様として、図４に示すような、コンデンサ３２とインダクタ３１からなる直列回路３３を使用することもできる。

本実施形態における放電灯点灯装置１０において、インバータトランスＴＲ₁〜ＴＲ_nの一次巻線Ｎp1〜Ｎpnに接続されるバラストインピーダンス素子をこの直列回路３３とすることによって、上述した作用・効果に加えて、次のような作用を得ることができる。例えば、図５に示すように、インバータ手段１２の出力波形に、一方向の電圧がＶ、他方向の電圧がＶ＋ΔＶであるような非対称性が存在する場合、その出力電圧には、平均してΔＶ’（但し、ΔＶ’はΔＶの時間平均）の直流電圧が重畳されることになる。このため、バラストインピーダンス素子がインダクタ３１のみであると、インバータトランスＴＲ１〜ＴＲｎに大きな直流電流が重畳されて、磁気飽和や効率の低下の原因となる。この際、そのバラストインピーダンス素子に対して、インバータ手段１２に直列に接続されたコンデンサ３２を付加することによって、非対称な電圧波形の直流成分をカットし、インバータトランスＴＲの一次側巻線Ｎpに印加される電圧の対称性を改善することができる。

また、本実施形態において、二次側共振回路の共振周波数を調整して管電流を安定化させると共に、インバータ手段１２の出力電圧の高調波成分をより効果的にカットして、インバータトランスＴＲの一次側巻線Ｎpに印加される電圧波形をほぼ正弦波状とするために、インバータトランスＴＲ₁〜ＴＲ_nの一次巻線Ｎp1〜Ｎpnに並列にコンデンサを接続してもよい。

本発明に係る放電灯点灯装置の一実施形態を示す回路構成図である。図１に示す放電灯点灯装置のインバータ手段を示す回路構成図である。図１に示す放電灯点灯装置において、１つのバランスコイルの動作に関連する主要部分を示す回路構成図である。本発明に係るバラストインピーダンス素子の別の態様を示す回路構成図である。インバータ手段による非対称な電圧波形を模式的に示すグラフである。

符号の説明

１０：放電灯点灯装置、１２：インバータ手段、１３：スイッチング手段（フルブリッジ回路、３３，ＬＢ１〜ＬＢｎ：バラストインピーダンス素子、ＢＣ₁〜ＢＣ_n-1：電流バランス手段（バランスコイル）、ＴＲ₁〜ＴＲ_n：インバータトランス、Ｌａ１〜Ｌａｎ：放電灯

Claims

高周波電圧を出力するインバータ手段と複数のインバータトランスとを含み、該複数のインバータトランスの二次巻線にそれぞれ接続された複数の放電灯を点灯する多灯式放電灯点灯装置において、
前記インバータ手段はスイッチング手段を含み、
前記複数のインバータトランスは、それぞれの一次巻線にバラストインピーダンス素子が直列に接続されて前記スイッチング手段に並列に接続され、
隣り合う前記インバータトランスの一次側の配線間に、電流バランス手段を設けてなることを特徴とする多灯式放電灯点灯装置。
前記バラストインピーダンス素子は、コンデンサまたはインダクタのいずれか、あるいは、それらの組合せで構成されることを特徴とする請求項１に記載の多灯式放電灯点灯装置。
前記電流バランス手段は、バランスコイルにて形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の多灯式放電灯点灯装置