JP5170095B2 - 高圧放電ランプ点灯装置 - Google Patents

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Description

本発明は、フロントプロジェクタ等に用いられる高圧放電ランプを点灯させるための点灯装置に関する。
この種の高圧放電ランプ点灯装置は例えば特許文献1に開示されている。この特許文献1に示されている高圧放電ランプ点灯装置について図1・図2を用いて説明する。図1はその回路図、図2は各部の波形図である。
図1の高圧放電ランプ点灯装置において、交流電源ACから入力される交流電圧は、直流電源1の整流回路DBによって整流され、昇圧チョッパ回路CP1及び平滑回路2によって、入力された交流電圧よりも高い値の直流電圧に変換されて出力される。次に降圧チョッパ回路CP2によって、降圧チョッパ回路CP2への入力電圧より低い値の直流電圧に変換されて、極性反転回路3に出力される。極性反転回路3は、スイッチ素子Q2〜Q5からなるフルブリッジ型に構成されていて、降圧チョッパ回路CP2から入力された直流電圧を交流電圧に変換して、高圧放電灯LAに供給する。
フルブリッジ型の極性反転回路3の各スイッチ素子Q2〜Q5は、それぞれ駆動回路Sによって駆動され、基本的にQ2とQ5がオンの時にはQ3とQ4がオフし、Q2とQ5がオフの時にQ3とQ4がオンすることで、交流電圧を生成している。駆動回路Sは、計測回路5を備えた制御回路MCによって制御される。制御回路MCは昇圧チョッパ制御回路CN1及び降圧チョッパ制御回路CN2をも制御している。
特許文献1に記載の発明の目的は、極性反転時にオーバーシュートの発生しない電圧及び電流を高圧放電灯に対して供給することにある。その実現手段として、極性反転回路3において、スイッチ素子Q2が数十〜数百Hzの周波数でオン/オフするのに対し、対となるべきスイッチ素子Q5を数kHz〜数十kHzの周波数でオン/オフさせている。これにより、スイッチ素子Q2のオン期間中にスイッチ素子Q5はオン/オフを繰り返すことになる。同様にスイッチ素子Q4のオン期間中にはスイッチ素子Q3がオン/オフを繰り返す。これにより、図2(a)のような鋸波状の電圧及び電流が発生する。また、降圧チョッパ回路CP2のデューティ比を線形または非線形に可変させることで、図2における期間A及び期間Bに相当する期間の鋸波のピーク値を抑えるようにしている。このような電圧波形及び電流波形が、負荷回路4におけるインダクタL2及びコンデンサC5、またはインダクタL3及びコンデンサC4からなるローパス・フィルタを介して、図2(b)のような台形波として、高圧放電灯LAに印加される。
特開2004−220817号公報
しかしながら、前記特許文献1に開示された高圧放電ランプの点灯方法は、言わば鋸波状にした電圧及び電流波形を台形波状に鈍らせることができるほど、定数の大きなインダクタン及びキャパシタが必要であり、電圧及び電流波形が台形波状になるということは、急速な極性反転は不可能であるということに繋がる。これでは昨今の高圧放電ランプ点灯装置に要求されている、数μsオーダーでの極性反転には対応できない。
請求項1に記載の高圧放電ランプ点灯装置は、直流入力電源の直流電圧を所定の直流電圧に変換する降圧チョッパ型DC−DCコンバータ回路と、
前記降圧チョッパ型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、
前記降圧チョッパ型DC−DCコンバータ回路の出力電圧を、所定周波数の交流電圧に変換するフルブリッジ型DC−ACインバータ回路と、
前記高圧放電ランプに流れるランプ電流を検出するランプ電流検出回路と、
前記高圧放電ランプの点灯時に動作し、前記高圧放電ランプに定常点灯時よりも高い電圧を印加するイグナイタ回路と、
前記降圧チョッパ型DC−DCコンバータ回路および前記フルブリッジ型DC−ACインバータ回路を制御するDSP(ディジタル・シグナル・プロセッサ)で構成された制御回路と、を有し、
前記降圧チョッパ型DC−DCコンバータ回路および前記フルブリッジ型DC−ACインバータ回路はそれぞれ半導体スイッチ素子を含み、
前記制御回路は、前記降圧チョッパ型DC−DCコンバータ回路のスイッチング周波数を固定してPWM制御し、前記降圧チョッパ型DC−DCコンバータ回路のスイッチング周波数を前記フルブリッジ型DC−ACインバータ回路の整数倍にして、前記降圧チョッパ型DC−DCコンバータ回路の半導体スイッチ素子のオン/オフを、前記フルブリッジ型DC−ACインバータ回路の半導体スイッチ素子のオン/オフに同期させるとともに、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とに応じて、前記降圧チョッパ型DC−DCコンバータ回路および前記フルブリッジ型DC−ACインバータ回路を制御し、前記フルブリッジ型DC−ACインバータ回路における交流電流波形極性反転するときに、前記降圧チョッパ型DC−DCコンバータ回路の半導体スイッチ素子に対するPWMパルスのオンデューティを短くする制御を行うことを特徴とする。

請求項に記載の高圧放電ランプ点灯装置は、請求項1に記載の高圧放電ランプ点灯装置において、前記DC−ACインバータ回路における交流電流波形と前記DC−DCコンバータ回路の前記半導体スイッチ素子のスイッチングとを同期させるとともに、前記DC−DCコンバータ回路の前記半導体スイッチ素子のスイッチングパルスの位相を前記DC−ACインバータ回路のスイッチングパルスに対してシフトさせることを特徴とする。
本発明によれば、数μsオーダーで極性反転するようなDC−ACインバータを備えた高圧放電ランプ点灯装置において、DC−ACインバータの前段に設けられたDC−DCコンバータと、該DC−ACインバータのスイッチングタイミングとを同期させて制御し、極性反転時近傍において、該DC−DCコンバータのオン時間を可変させることにより、オーバーシュート/アンダーシュートをランプ電圧範囲全域に亘って安定的に抑えることができる。
特許文献1に示されている高圧放電ランプ点灯装置の回路ブロック図である。 特許文献1に示されている高圧放電ランプ点灯装置の各部の波形図である。 第1の実施形態における高圧放電ランプ点灯装置の回路ブロック図である。 従来の高圧放電ランプ点灯装置において、高圧放電ランプに印加される交流電流波形図である。 理想的な高圧放電ランプ点灯装置において、高圧放電ランプに印加される交流電流波形図である。 第1の実施形態における高圧放電ランプ点灯装置において、高圧放電ランプに印加される交流電流波形図及び降圧チョッパ回路12のスイッチ素子Q11に印加されるPWMパルスのパルス波形図である。 第2の実施形態における高圧放電ランプ点灯装置において、高圧放電ランプに印加される交流電流波形図及び降圧チョッパ回路2のスイッチ素子Q1に印加されるPWMパルスのパルス波形図である。 第3の実施形態における高圧放電ランプ点灯装置において、高圧放電ランプに印加される交流電流波形図及び降圧チョッパ回路2のスイッチ素子Q1に印加されるPWMパルスのパルス波形図である。
符号の説明
CN11,CN12,CN13:コネクタ
C1〜C5,C11〜14:コンデンサ
D1,D2,D11:ダイオード
L1〜L3,L11〜L13:インダクタ
Q0〜Q5,Q11〜Q15:スイッチ素子
R11〜R13:抵抗
S1:双方向性2端子サイリスタ
T1:トランス
AC:交流電源
CN1:昇圧チョッパ制御回路
CN2:降圧チョッパ制御回路
CP1:昇圧チョッパ回路
CP2,12:降圧チョッパ回路
DB:ダイオードブリッジ
LA:高圧放電ランプ
MC:制御回路
S:駆動回路
1:直流電源
2:平滑回路
3,13:極性反転回路
4:負荷回路
5:計測回路
11:3端子レギュレータ
13:極性反転回路(DC−ACインバータ回路)
12:降圧チョッパ回路
14:ドライバ
15:イグナイタ
16:ディジタル制御回路
《第1の実施形態》
以下、本発明の第1の実施の形態を図3から図6までを参照して説明する。
図3において、コネクタCN11から直流電圧が入力される。インダクタL11とコンデンサC11からなるローパス・フィルタによって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。その後段に降圧チョッパ回路12(本発明に係る「DC−DCコンバータ回路」に相当する。)が接続されている。第1の実施形態では、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12はスイッチ素子Q11、ダイオードD11、インダクタL12、コンデンサC12から構成される。降圧チョッパ回路12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16によってスイッチ素子Q11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12から出力される出力電圧は、コンデンサC13で平滑されるとともに、抵抗R12及びR13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16に入力される。この部分の回路がこの発明に係る「出力電圧検出回路」に相当する。
これによってディジタル制御回路16は降圧チョッパ回路12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。
なお、降圧チョッパ回路12の前段にある3端子レギュレータ11は、ディジタル制御回路16の電源電圧を生成するためのものであり、3端子レギュレータ11から出力される電圧が、ディジタル制御回路16の電源電圧として使用される。
降圧チョッパ回路12から出力された直流出力電圧は後段の極性反転回路13(本発明に係る「DC−ACインバータ回路」に相当する。)に供給される。
極性反転回路13は4つのスイッチ素子Q12〜Q15、インダクタL13、コンデンサC14、スイッチ素子Q12〜Q15を駆動するためのドライバ14から構成される、所謂フルブリッジ回路を構成している。本実施形態では極性反転回路13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14は、ディジタル制御回路16からの指令信号によって、スイッチ素子Q12とQ15、Q13とQ14の組合せで、それらを相補的にオン/オフさせ、直流電圧を交流電圧に変換している。ここで生成された交流電圧は、コネクタCN13に接続される高圧放電ランプに供給される。
また、コネクタCN13までの交流電圧の出力ライン上には、双方向性2端子サイリスタS1と、トランスT1からなるイグナイタ回路15が形成されている。高圧放電ランプは一般的に点灯時にかなりの高電圧を印加しないと点灯しないという性質を持ち、一度点灯してしまえば比較的低電圧で点灯し続けるという特性を持つことから、点灯時にディジタル制御回路16からの指令信号によって、双方向性2端子サイリスタS1を瞬時的にオンさせることで定常点灯時よりも高い電圧を発生させ、高圧放電ランプに瞬時的に高電圧を印加する仕組みとなっている。
また、負荷に相当する高圧放電ランプに流れるランプ電流は、抵抗R11が電流検出抵抗の役割を果たすことによって、ディジタル制御回路16でモニタされる。この部分の回路がこの発明に係る「ランプ電流検出回路」に相当する。
ディジタル制御回路16に接続されているコネクタCN12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高圧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。
ディジタル制御回路16は、抵抗R12及びR13によって検出される降圧チョッパ回路12の出力電圧値と、抵抗R11によって検出される高圧放電ランプに流れる交流電流値と、コネクタCN12によって行われる機器側からの指令等に応じて、降圧チョッパ回路12のスイッチ素子Q11に対するオン/オフ指令、極性反転回路のスイッチ素子Q12〜Q15のオン/オフを制御するためのドライバ14に対する指令、及び点灯時のイグナイタ回路15への指令等を一元的に管理している。
ディジタル制御回路16は、降圧チョッパ回路12の出力電圧値と、高圧放電ランプに流れる交流電流値とに応じて、定常点灯時には所定の輝度で点灯するように定電力制御を行う。すなわち、降圧チョッパ回路12の出力電圧値と高圧放電ランプの交流電流値とを、その両者の積(出力電力)が一定となるように制御する。さらに、後述する制御を行うことによって高圧放電ランプに流れる電流のオーバーシュート/アンダーシュートの発生を抑制している。
図3に示された回路において、降圧チョッパ回路12の出力電圧制御と、極性反転回路13の交流電圧生成制御を独立して行った場合、負荷である高圧放電ランプには図4に示したような交流電流波形の電流が流れる。ここで、高圧放電ランプに印加される交流電圧の周波数は50〜500Hz程度である。
近年のフロントプロジェクタ用途の高圧放電ランプ点灯装置においては、極性反転時における急峻な立上り/立下り時間(例えば20μs以下)、電圧波形及び電流波形のオーバーシュート/アンダーシュートの低減が要求されており、この場合、極性反転時の立上り/立下り時間の短縮を優先させると、どうしてもオーバーシュート/アンダーシュートの低減に限界があるという問題が生じる。
極性反転時の立上り/立下り時間の短縮は、高圧放電ランプのちらつきに影響し、電圧波形及び電流波形のオーバーシュート/アンダーシュートは、高圧放電ランプの寿命にも影響を及ぼすものであるため、理想的には図5に示した波形のように、どちらも満足させなければならない要求である。
極性反転時にオーバーシュート/アンダーシュートが生じる原因は、極性反転の瞬間に、降圧チョッパ回路12から見て、高圧放電ランプは無負荷状態になることである。すなわち、極性反転時に一瞬出力電圧が跳ね上がり、このことでオーバーシュート/アンダーシュートが生じる。
この現象を防ぐために、本発明では図3に示した回路において、極性反転回路13が極性反転する瞬間に、ディジタル制御回路16は降圧チョッパ回路12におけるスイッチ素子Q11のオン時間を制御し、スイッチ素子Q11のオンデューティを短くすることによって、負荷に印加されるエネルギーを少なくし、オーバーシュート/アンダーシュートが発生しないようにしている。
図6はそのオンデューティを短くすることによる効果を示している。図6(A)は高圧放電ランプへ印加される交流電流波形図、図6(B)は降圧チョッパ回路12のスイッチ素子Q11に印加されるPWMパルスのパルス波形図である。このように極性反転回路13が極性反転する瞬間(図6においてTu,Tdで示す区間)に、降圧チョッパ回路12におけるスイッチ素子Q11のオンデューティを短くすることによって、オーバーシュート/アンダーシュートの発生を抑制している。
この際、安定的にオーバーシュート/アンダーシュートの発生を抑えるために、極性反転回路13におけるスイッチ素子Q12〜Q15のスイッチングタイミングと、降圧チョッパ回路12におけるスイッチ素子Q11のスイッチングタイミングを同期させることが重要である。この第1の実施形態では、ディジタル制御回路16が降圧チョッパ回路12におけるスイッチ素子Q11の制御と共に極性反転回路13におけるスイッチ素子Q12〜Q15の制御を行うことによって、これらの同期をとっている。
ディジタル制御回路16は、降圧チョッパ回路12の出力電圧とランプ電流値を常に監視し、高圧放電ランプが不点灯状態からグロー放電に遷移すると、インピーダンスが急降下して、降圧チョッパ回路12の出力電圧も急降下する。基本的にはこれを検出して、降圧チョッパ回路12のオンデューティを抑える。よって、「降圧チョッパ回路12の出力電圧値の、単位時間当たりの落ち幅」や、「ランプ電流値の増加幅」等に応じて、「降圧チョッパ回路12のオンデューティ」をどのように定めるかを予めプログラムしておく。
これにより、検出されたランプ電圧値及び/またはランプ電流値に応じてオーバーシュート/アンダーシュートの度合いを極性反転直前に予測し、極性反転時近傍において、該DC−DCコンバータのオン時間を可変させることにより、オーバーシュート/アンダーシュートをランプ電圧範囲全域に亘って安定的に抑えることができる。
また、ディジタル制御回路16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。
さらに、降圧チョッパ回路12のスイッチ素子Q11は、ディジタル制御回路16から出力されるオン/オフの指令信号によって、PWM制御されることが好ましい。スイッチ素子Q11をPWM制御すれば、スイッチング周波数は固定となるため、スイッチ素子Q11のスイッチング周波数を、極性反転回路3のスイッチ素子Q12〜Q15のスイッチング周波数の整数倍に設定することで、必然的にスイッチ素子Q11のスイッチングタイミングと、極性反転回路13におけるスイッチ素子Q12〜Q15のスイッチングタイミングの同期をとることができる。この際、上述したように、極性反転時近傍におけるスイッチ素子Q11のオンデューティを小さくすることによって、極性反転時の交流電圧波形及び交流電流波形にオーバーシュート/アンダーシュートを抑制することが可能となる。
《第2の実施形態》
次に、第2の実施の形態を図3及び図7を用いて説明する。第1の実施形態においては、スイッチ素子Q11のスイッチングタイミングと、スイッチ素子Q12〜Q15のスイッチングタイミングとを同期させ、スイッチ素子Q11のオンデューティを小さくすることで、極性反転回路13から高圧放電ランプに印加される交流電流波形のオーバーシュート/アンダーシュートを抑えるというものであったが、第2の実施形態では、スイッチ素子Q11のスイッチングタイミングと、スイッチ素子Q12〜Q15のスイッチングタイミングとを同期させ、極性反転回路13が極性反転するタイミングの近傍において、ディジタル制御回路16からスイッチ素子Q11に対してオン/オフ指令信号を出力しないように構成する。
図7はその作用効果を示している。図7(A)は高圧放電ランプへ印加される交流電流波形図、図7(B)は降圧チョッパ回路12のスイッチ素子Q11に印加されるPWMパルスのパルス波形図である。このように、極性反転回路13が極性反転するタイミングの近傍(図7においてTa,Tbで示す区間)には、ディジタル制御回路16からスイッチ素子Q11に対してオン/オフ指令信号を出力しない。このことによって、結果的に所定数のPWMパルスが出力されず、オンデューティがゼロのPWMパルス区間を生じ、極性反転回路13に供給するエネルギーが減少して、オーバーシュート/アンダーシュートが抑えられる。
このように第2の実施形態では、ディジタル制御回路16からスイッチ素子Q11に対してオン/オフ指令信号を出力しないようにして、降圧チョッパ回路12のスイッチングパルスの抜き回数を制御する方法であるので、ディジタル制御回路16は、降圧チョッパ回路12の出力電圧とランプ電流値を常に監視し、高圧放電ランプが不点灯状態からグロー放電に遷移したことを、降圧チョッパ回路12の出力電圧の急降下の検出により検知し、降圧チョッパ回路12のスイッチングパルスの抜き回数を制御する。よって、「降圧チョッパ回路12の出力電圧値の、単位時間当たりの落ち幅」や、「ランプ電流値の増加幅」等に応じて、「降圧チョッパ回路12のスイッチングパルスの抜き回数」をどのように定めるかを予めプログラムしておく。
これにより、検出されたランプ電圧値及び/またはランプ電流値に応じてオーバーシュート/アンダーシュートの度合いを極性反転直前に予測し、極性反転時近傍において、該DC−DCコンバータのオン時間を可変させることにより、オーバーシュート/アンダーシュートをランプ電圧範囲全域に亘って安定的に抑えることができる。
《第3の実施形態》
さらに、第3の実施の形態を図3及び図8を用いて説明する。
第3の実施形態では、降圧チョッパ回路12のスイッチ素子Q11のスイッチングパルスの位相を、極性反転回路13のスイッチングパルスに対してタイミング(位相)をシフトさせる。
図8はそのオンデューティを短くすることによる効果を示している。図8(A)は高圧放電ランプへ印加される交流電流波形図、図8(B)は降圧チョッパ回路12のスイッチ素子Q11に印加されるPWMパルスのパルス波形図である。このように降圧チョッパ回路12のスイッチ素子Q11のスイッチングパルスのタイミング(位相)を、極性反転回路13のスイッチングパルスに対してシフトさせた状態で同期をとる。
一般に、高圧放電ランプが点灯していない状態で高圧放電ランプに電圧を印加することにより、絶縁破壊を起こしてグロー放電が始まると、急激にランプのインピーダンスが下がる。このインピーダンスが下がった状態で降圧チョッパから過剰にエネルギーが供給されるとオーバーシュート/アンダーシュートが生じる。そのため、インピーダンスが下がった状態では降圧チョッパから過剰にエネルギーが供給されないように回路が作用すればよい。負荷である高圧放電ランプの特性によっては、降圧チョッパ回路12のスイッチングタイミングと極性反転回路13の反転タイミングとのずれに応じて、降圧チョッパから高圧放電ランプへ過剰にエネルギーが供給されない場合がある。
そこで、第3の実施形態では、高圧放電ランプの特性に応じて降圧チョッパ回路12のスイッチ素子Q11のスイッチングパルスのタイミング(位相)を、極性反転回路13のスイッチングパルスに対してΔTだけシフトさせる。このことによって交流電流波形のオーバーシュート/アンダーシュートを低減する。

Claims (2)

  1. 高圧放電ランプの点灯装置であって、
    直流入力電源の直流電圧を所定の直流電圧に変換する降圧チョッパ型DC−DCコンバータ回路と、
    前記降圧チョッパ型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、
    前記降圧チョッパ型DC−DCコンバータ回路の出力電圧を、所定周波数の交流電圧に変換するフルブリッジ型DC−ACインバータ回路と、
    前記高圧放電ランプに流れるランプ電流を検出するランプ電流検出回路と、
    前記高圧放電ランプの点灯時に動作し、前記高圧放電ランプに定常点灯時よりも高い電圧を印加するイグナイタ回路と、
    前記降圧チョッパ型DC−DCコンバータ回路および前記フルブリッジ型DC−ACインバータ回路を制御するDSP(ディジタル・シグナル・プロセッサ)で構成された制御回路と、を有し、
    前記降圧チョッパ型DC−DCコンバータ回路および前記フルブリッジ型DC−ACインバータ回路はそれぞれ半導体スイッチ素子を含み、
    前記制御回路は、前記降圧チョッパ型DC−DCコンバータ回路のスイッチング周波数を固定してPWM制御し、前記降圧チョッパ型DC−DCコンバータ回路のスイッチング周波数を前記フルブリッジ型DC−ACインバータ回路の整数倍にして、前記降圧チョッパ型DC−DCコンバータ回路の半導体スイッチ素子のオン/オフを、前記フルブリッジ型DC−ACインバータ回路の半導体スイッチ素子のオン/オフに同期させるとともに、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とに応じて、前記降圧チョッパ型DC−DCコンバータ回路および前記フルブリッジ型DC−ACインバータ回路を制御し、前記フルブリッジ型DC−ACインバータ回路における交流電流波形極性反転するときに、前記降圧チョッパ型DC−DCコンバータ回路の半導体スイッチ素子に対するPWMパルスのオンデューティを短くする制御を行うことを特徴とする高圧放電ランプ点灯装置。
  2. 前記制御回路は、前記DC−ACインバータ回路における交流電流波形と前記DC−DCコンバータ回路の前記半導体スイッチ素子のスイッチングとを同期させるとともに、前記DC−DCコンバータ回路の前記半導体スイッチ素子のスイッチングパルスの位相を前記DC−ACインバータ回路のスイッチングパルスに対してシフトさせる、請求項1に記載の高圧放電ランプ点灯装置。
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