JP5035304B2

JP5035304B2 - 放電ランプ点灯装置

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Publication number: JP5035304B2
Application number: JP2009145403A
Authority: JP
Inventors: 堅吾宮崎; 崇文戸田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-06-18
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2029-06-18
Also published as: EP2271188A3; CN101932178A; US20100320923A1; JP2011003395A; US8154215B2; EP2271188A2; CN101932178B

Description

本発明は、放電ランプを点灯させる放電ランプ点灯装置に関するものである。

従来、この種の放電ランプ点灯装置として、特許文献１には、図４のような交流電圧を印加することにより放電ランプを点灯するための、フルブリッジ型インバータ回路を用いた放電ランプ点灯装置が開示されている。ここでは交流電圧がＬＣ直列回路に印加され、このＬＣ直列回路のコンデンサの両端に放電ランプが接続されている。放電ランプ始動時には、ＬＣ直列回路の共振周波数近傍の高い周波数の交流電圧が印加されることで、放電ランプ始動に必要な高い電圧が供給される。図５に示すように、この放電ランプ始動時には、インバータ回路のスイッチング周波数は共振周波数近傍で掃引され、掃引後に一定時間、共振周波数よりも低い周波数とされる。この放電ランプ始動時の動作が１回または数回繰り返された後に、前記スイッチング周波数はＬＣ直列回路の共振周波数よりずっと低い周波数へ移行し、低い電圧にてランプは点灯される。

前記スイッチング周波数が、掃引後に一定時間、共振周波数よりも低い周波数とされるのは、放電ランプをウォームアップするためであり、始動時の高い周波数から点灯時の低い周波数に移行したときのランプ消灯防止を目的としている。

特表２００５−５０７５５３

しかし掃引後の一定時間の交流電圧印加のスイッチング周波数が、ＬＣ直列回路の共振周波数より低いので、ランプ固有の音響共鳴周波数帯域に合致した場合に、ランプ破裂等の不具合に至る可能性があった。

本発明は、放電ランプ始動時における、スイッチング周波数掃引後の一定時間の交流電圧印加において、ランプ固有の音響共鳴周波数を避けながら放電ランプの電流を増大させ、放電ランプをウォームアップできる放電ランプ点灯装置を提供することを目的としている。

上記問題点を解決するために、本発明の放電ランプ点灯装置は、第１の値の直流電圧が供給される直流電圧入力端子と、前記第１の値の直流電圧を、第２の値の直流電圧に変換するものであって、スイッチング素子を含むＤＣ−ＤＣコンバータ回路と、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路から出力される直流電圧を、任意の周波数の交流電圧に変換するものであって、相補的にオン／オフされる複数のスイッチング素子とＬＣ直列回路を含むＤＣ−ＡＣインバータ回路と、放電ランプに流れるランプ電流を検出するためのランプ電流検出回路と、前記出力電圧検出回路によって検出された出力電圧の値と、前記ランプ電流検出回路によって検出されたランプ電流の値に応じて、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路および前記ＤＣ−ＡＣインバータ回路のスイッチング素子のオン／オフをそれぞれ制御する制御回路とを有する放電ランプ点灯装置であって、放電ランプ始動時には、前記制御回路は、前記ＤＣ−ＡＣインバータ回路のスイッチング周波数を、前記ＬＣ直列回路の共振周波数を奇数で除した値の周波数近傍で掃引し、掃引後に、前記スイッチング周波数を、掃引した周波数近傍もしくはそれよりも高い周波数とし、前記ＤＣ−ＡＣインバータ回路のスイッチング素子のオン／オフのデューティ比を前記スイッチング周波数の２周期以上をオフ時間よりもオン時間が長いデューティ比で繰り返し、次いで次の２周期以上をオン時間よりもオフ時間が長いデューティ比で繰り返し、それぞれの繰り返しが同じ周期数で交互に繰り返すように制御し、この放電ランプ始動時の動作が１回または数回繰り返された後、前記スイッチング周波数を、掃引した周波数近傍よりも低い周波数とし、放電ランプを点灯させることを特徴とする

また本発明では、前記放電ランプ始動時の前記スイッチング周波数の掃引が、高い周波数側から低い周波数側への掃引であってもよい。

また本発明では、前記放電ランプ始動時の前記スイッチング周波数の掃引が、低い周波数側から高い周波数側への掃引であってもよい。

また本発明では、前記ＤＣ−ＡＣインバータ回路がハーフブリッジ回路またはフルブリッジ回路で構成されていることが好ましい。

本発明によれば、放電ランプ始動時において、ＤＣ−ＡＣインバータ回路のスイッチング周波数を、ＬＣ直列回路の共振周波数を奇数で除した値の周波数近傍で掃引し、掃引後に、スイッチング周波数を、掃引した周波数近傍もしくはそれよりも高い周波数とし、ＤＣ−ＡＣインバータ回路のスイッチング素子のオン／オフのデューティ比を制御することで、ランプ固有の音響共鳴周波数を避けながら放電ランプの電流を増大させることが可能となり、ランプ破裂等の不具合を防止することができる。

本発明の実施例における放電ランプ点灯装置の回路ブロック図である。図１の実施例における、スイッチング素子Ｑ２２、Ｑ２５に印加されるＰＷＭパルスの波形図と、放電ランプに流れるランプ電流の波形図と、前記ＰＷＭパルスのスイッチング周波数を示す図である。図１の実施例および従来例におけるＬＣ直列回路の入力電圧と、コンデンサＣ２４両端電圧の、昇圧比の周波数特性を示す図である。従来の放電ランプ点灯装置の回路ブロック図である。従来の放電ランプ点灯装置における、スイッチング素子Ｑ２２、Ｑ２５に印加されるＰＷＭパルスの波形図と、放電ランプに流れるランプ電流の波形図と、前記ＰＷＭパルスのスイッチング周波数を示す図である。他の従来例の、スイッチング素子Ｑ２２、Ｑ２５に印加されるＰＷＭパルスの波形図と、放電ランプに流れるランプ電流の波形図と、前記ＰＷＭパルスのスイッチング周波数を示す図である。

以下、本発明に係る放電ランプ点灯装置の実施例について、図面を参照して説明する。
（第１実施例）
本第１実施例である放電ランプ点灯装置は、フロントプロジェクタに用いられる放電ランプを点灯させるものであり、その回路ブロック図が図１に示されている。

図１を参照して、放電ランプ点灯装置は、まず直流電圧が入力されるコネクタＣＮ２１に、インダクタＬ２１とコンデンサＣ２１からなるローパス・フィルタが接続され、次段にレギュレータ２１が接続され、さらにその後段には降圧チョッパ回路２２が接続されている。この降圧チョッパ回路２２はＦＥＴ等の半導体スイッチ素子からなるスイッチング素子Ｑ２１、ダイオードＤ２１、インダクタＬ２２、コンデンサＣ２２、抵抗Ｒ２１から構成されており、スイッチング素子Ｑ２１にはドライバ２７を介してディジタル制御回路２６が接続されている。

インダクタＬ２１とコンデンサＣ２１からなるローパス・フィルタは、コネクタＣＮ２１から入力される直流電圧の安定化、ノイズの除去等を行っている。レギュレータ２１は、ディジタル制御回路２６の電源電圧を生成するためのものであり、レギュレータ２１から出力される電圧が、ディジタル制御回路２６の電源電圧として使用されている。

降圧チョッパ回路２２は入力される直流電圧を所望の電圧値に降圧するための回路であって、ディジタル制御回路２６によってスイッチング素子Ｑ２１のオン／オフが制御され、所望の出力電圧を得る仕組みとなっている。降圧チョッパ回路２２から出力される出力電圧は、抵抗Ｒ２２及びＲ２３によって分圧され、その分圧された電圧がディジタル制御回路２６に入力される。これによってディジタル制御回路２６は降圧チョッパ回路２２の出力電圧をモニタすることが可能となり、一定の出力電圧を得るための制御が可能となる。

本実施例では、入力電圧が高い場合を想定しているため、降圧チョッパ回路としているが、入力電圧が低い場合などは昇圧チョッパ回路にすることや、状況に応じて昇降圧チョッパ回路にすることが可能であることは言うまでもない。

降圧チョッパ回路２２の出力は、さらに、ＤＣ−ＡＣインバータ回路２３に接続される。ＤＣ−ＡＣインバータ回路２３は４つのスイッチング素子Ｑ２２〜Ｑ２５、インダクタＬ２３、コンデンサＣ２４、スイッチング素子Ｑ２２〜Ｑ２５を駆動するためのドライバ２４から構成されており、いわゆるフルブリッジ回路に構成されている。本実施例ではＤＣ−ＡＣインバータ回路２３にフルブリッジ回路を用いているが、状況に応じて、ハーフブリッジ回路、プッシュプル回路等を用いることが可能であることは言うまでもない。

ドライバ２４は、ディジタル制御回路２６からの指令信号によって、スイッチング素子Ｑ２２とＱ２５、Ｑ２３とＱ２４の組合せで、それらを相補的にオン／オフしている。これによりＤＣ−ＡＣインバータ回路２３は直流電圧を交流電圧に変換しており、ここで生成された交流電圧は、インダクタＬ２３とコンデンサＣ２４のＬＣ直列回路に印加される。また放電ランプ（図示せず）に対しては、コンデンサＣ２４の両端からコネクタＣＮ２３を介して交流電圧が供給されている。

負荷に相当する高圧放電ランプに流れるランプ電流は、定常点灯時において等価的にインダクタＬ２２に流れる電流と一致する。したがって、降圧チョッパ回路２２内に設けられた電流検出抵抗として作用する抵抗Ｒ２１によって、ランプ電流は検出され、ディジタル制御回路２６にてモニタされる。

ディジタル制御回路２６に接続されているコネクタＣＮ２２は、フロントプロジェクタ等の機器側のマイクロコンピュータ等と接続するためのものであり、このコネクタを通して放電ランプ点灯装置の動作状況や、出力電圧や出力電流の指令信号等のやり取りを通信できるようになっている。

ここで放電ランプ始動時の動作について説明する。放電ランプ始動のために必要な高い電圧を得るために、放電ランプ始動時には、インダクタＬ２３とコンデンサＣ２４のＬＣ直列回路に印加される交流電圧の、スイッチング周波数を、このＬＣ直列回路の共振周波数を奇数で除した値の周波数近傍とし、その周波数近傍において図２に示すようにスイッチング周波数は掃引される。例えばインダクタＬ２３の値が２７５μＨであり、コンデンサＣ２４の値が５５０ｐＦであれば、共振周波数は４０９ｋＨｚとなる。この共振周波数を３で除した値の周波数近傍で周波数が掃引される場合は、１３６ｋＨｚ近傍でスイッチング周波数が掃引されればよく、すなわち図２におけるｆ１からｆ３までのスイッチング周波数掃引が、例えば１５０ｋＨｚから１２０ｋＨｚまでの掃引であればよい。

放電ランプ始動のために必要な電圧を得ることができれば、共振周波数を３で除した値の周波数に限らず、１、５、７、９またはそれ以上の奇数で除した値の周波数であってもよい。またスイッチング周波数掃引を、高い周波数側から低い周波数側へとしているが、反対に、低い周波数側から高い周波数側へとしてもよい。

放電ランプ始動のために必要な高い電圧は、放電ランプが接続されているコンデンサＣ２４の両端に発生する。図３はＬＣ直列回路の入力電圧と、コンデンサＣ２４両端電圧の、昇圧比の周波数特性を示している。共振周波数ではＬＣ直列回路のインピーダンスが最小となるため、流れる電流は最大となる。そのためコンデンサＣ２４両端には高い電圧が発生する。また共振周波数を３以上の奇数で除した値の周波数の場合においても、ピーク電圧は下がるものの、同様の周波数特性となる。

放電ランプ始動のために必要な高い電圧が与えられると、放電ランプは絶縁破壊されグロー放電状態となる。しかしこの時点ではランプ電極が十分に暖まっていないため、通常の点灯時のスイッチング周波数である低い周波数に移行した場合に、放電ランプの消灯の恐れがある。

他の従来例である図６において、ランプ始動後からｔ１までの期間、スイッチング周波数は掃引され、同様の掃引が繰り返された後、時間ｔ４で通常の点灯時のスイッチング周波数である低い周波数に移行されている。この他の従来例である図６では、放電ランプ始動時にスイッチング周波数の掃引のみが実施されているため、ランプ電流が大きく流れる期間が短い。そのためランプ電極を十分に暖めることができない可能性があり、その場合には通常の点灯時のスイッチング周波数である低い周波数に移行したときに、放電ランプの消灯の恐れがある。

従来例である図５においては、放電ランプ始動後からｔ１までの期間でスイッチング周波数は掃引され、掃引後ｔ１からｔ２までの期間は、掃引後のスイッチング周波数で固定される。ｔ２からｔ３までの期間で再度スイッチング周波数は掃引され、掃引後ｔ３からｔ４までの期間は、掃引した周波数よりも低い周波数のスイッチング周波数とされている。この従来例である図５では、ｔ３からｔ４までの期間において、ランプ電流ＩＬが増大されており、ランプ電極が暖められている。

ただしｔ３からｔ４までの期間のスイッチング周波数である、掃引した周波数よりも低い周波数が、ランプ固有の音響共鳴周波数帯域に合致した場合に、ランプ破裂等の不具合に至る可能性があるという本発明の課題が発生する。

本発明の特徴である、スイッチング周波数掃引後のＤＣ−ＡＣインバータ回路２３のスイッチング素子Ｑ２２〜Ｑ２５のオン／オフのデューティ比の制御は、放電ランプの絶縁破壊後に、ランプ固有の音響共鳴周波数を避けながら放電ランプの電流を増大させ、放電ランプをウォームアップさせる目的で実施される。図２を参照して、スイッチング周波数掃引後、ｔ１からｔ２の期間においてスイッチング素子Ｑ２２、Ｑ２５に印加されるＰＷＭパルス（Ｖ_GS）は、最初の４周期はオン時間が長いデューティ比で繰り返され、次の４周期はオフ時間が長いデューティ比で繰り返すように制御されている。ここでスイッチング素子Ｑ２３、Ｑ２４に印加されるＰＷＭパルス（Ｖ_GS）は、図示していないが、フルブリッジ回路であることから、スイッチング素子Ｑ２２、Ｑ２５に印加されるＰＷＭパルス（Ｖ_GS）と逆の論理であることは言うまでもない。結果としてランプ電流ＩＬは、図２に示されるように増大されることになり、放電ランプがウォームアップされる。またこのデューティ比の制御時には、スイッチング周波数が、掃引した周波数近傍もしくはそれよりも高い周波数であるために、放電ランプの音響共鳴周波数を避けることが可能とされている。ここでの掃引した周波数は、共振周波数を奇数で除した値の周波数近傍であるが、この奇数は例えば１、３、５、７または９である。

この放電ランプ始動時の動作である、スイッチング周波数掃引とその後の一定時間のデューティ比の制御が、１回または数回繰り返された後、スイッチング周波数を、掃引した周波数近傍よりも低い周波数とし、放電ランプは継続して点灯される。この周波数は例えば３７０Ｈｚであり、ＬＣ直列回路に入力された電圧は、昇圧されることなく放電ランプに印加される。

ここでディジタル制御回路２６としてはＤＳＰ（ディジタル・シグナル・プロセッサ）を用いることが望ましい。他のディジタル制御回路としてはマイクロコンピュータ等が考えられるが、処理速度の速さという点において、ＤＳＰが有効である。

ＣＮ２１、ＣＮ２２、ＣＮ２３コネクタ
Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ２４コンデンサ
Ｄ２１ダイオード
Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３インダクタ
Ｑ２１〜Ｑ２５スイッチング素子
Ｒ２１〜Ｒ２３抵抗
２ＡＣ／ＤＣ変換回路
４、６制御回路
２１レギュレータ
２２降圧チョッパ回路
２３ＤＣ−ＡＣインバータ回路
２４、２７ドライバ
２６ディジタル制御回路

Claims

第１の値の直流電圧が供給される直流電圧入力端子と、
前記第１の値の直流電圧を、第２の値の直流電圧に変換するものであって、スイッチング素子を含むＤＣ−ＤＣコンバータ回路と、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路から出力される直流電圧を、任意の周波数の交流電圧に変換するものであって、相補的にオン／オフされる複数のスイッチング素子とＬＣ直列回路を含むＤＣ−ＡＣインバータ回路と、
放電ランプに流れるランプ電流を検出するためのランプ電流検出回路と、
前記出力電圧検出回路によって検出された出力電圧の値と、前記ランプ電流検出回路によって検出されたランプ電流の値に応じて、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路および前記ＤＣ−ＡＣインバータ回路のスイッチング素子のオン／オフをそれぞれ制御する制御回路とを有する放電ランプ点灯装置であって、
放電ランプ始動時には、前記制御回路は、前記ＤＣ−ＡＣインバータ回路のスイッチング周波数を、前記ＬＣ直列回路の共振周波数を奇数で除した値の周波数近傍で掃引し、掃引後に、前記スイッチング周波数を、掃引した周波数近傍もしくはそれよりも高い周波数とし、前記ＤＣ−ＡＣインバータ回路のスイッチング素子のオン／オフのデューティ比を前記スイッチング周波数の２周期以上をオフ時間よりもオン時間が長いデューティ比で繰り返し、次いで次の２周期以上をオン時間よりもオフ時間が長いデューティ比で繰り返し、それぞれの繰り返しが同じ周期数で交互に繰り返すように制御し、
この放電ランプ始動時の動作が１回または数回繰り返された後、前記スイッチング周波数を、掃引した周波数近傍よりも低い周波数とし、放電ランプを点灯させることを特徴とする放電ランプ点灯装置。
前記放電ランプ始動時の前記スイッチング周波数の掃引が、高い周波数側から低い周波数側への掃引であることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ点灯装置。
前記放電ランプ始動時の前記スイッチング周波数の掃引が、低い周波数側から高い周波数側への掃引であることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ点灯装置。
前記ＤＣ−ＡＣインバータ回路がハーフブリッジ回路またはフルブリッジ回路で構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の放電ランプ点灯装置。