JP5310560B2 - 高圧放電ランプ点灯装置 - Google Patents

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。

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として特許文献１が開示されている。

特許文献１の装置について、図１を用いて説明する。ランプ５は例えば１５０Ｗ、７５Ｖのメタルハライドランプである。直流電源１はランプがブレークダウンする前に必要な放電維持電圧より高い出力開放電圧（ＯＣＶ）が必要である。この出力開放電圧としては２００〜４００Ｖが適切である。

直流電源１の電圧は降圧チョッパ回路２に供給される。降圧チョッパ回路２はスイッチング素子１１、ダイオード１２、インダクタ１３で構成され、典型的なスイッチング電源の降圧式チョッパ回路を形成している。インダクタ１３のインダクタンスは例えば０．３９ｍＨである。

降圧チョッパ回路２の出力には出力電圧を検出する電圧検出回路７と出力電流を検出する電流検出回路６があり、検出されたそれぞれ電圧と電流は演算回路８に入力されパルス幅変調回路９を介して、スイッチング素子１１にフィードバックされる。

降圧チョッパ回路２は高周波（数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚ）でスイッチングする。 パルス幅変調回路９は、検出した出力電圧と出力電流を基に、ランプ安定点灯後に一定の電力を供給するように降圧チョッパ回路２のスイッチング素子１１のパルス幅を制御する。

降圧チョッパ回路２から供給される電力はアーク放電後の電力制御が主であるが、グロー放電段階においても適切なエネルギーを供給できるように、パルス幅変調回路９は降圧チョッパ回路２を制御する。例えば数百ｍＡのグロー電流を供給する。

スイッチ回路１６は、アーク放電前は平滑用コンデンサ１４を降圧チョッパ回路出力から遮断してランプ点灯性を良好に保ち、アーク放電後は降圧チョッパ回路２に接続してリップルを除去して音響共鳴のない安定な動作を行わせる。

タイマー２０は、例えば３秒程度に設定されていて、イグナイタ４の動作開始からタイマー２０の設定時間の間はスイッチ回路１６を遮断して、ランプの速やかなアーク放電への移行を達成させる。

降圧チョッパ回路２とイグナイタ４はそれぞれ独立して制御されているため、ランプ点灯時に放電ランプ５がブレークダウンし、瞬間的に負荷短絡状態になった際、放電ランプ５に瞬時的に流れる突入電流に対して降圧チョッパ回路２の制御応答速度が追いつかないという事態が生じる。すなわち、スイッチ回路１６によって大容量コンデンサ１４が回路的に遮断されているため、放電ランプ５には小容量のコンデンサ１５にチャージされたエネルギーしか供給されず、突入電流は抑制されるが、図２に示すように、波高値の高い突入電流が数パルス続くような現象が生じる。

ブレークダウン時に放電ランプに流れる突入電流は、放電ランプの寿命に影響を及ぼすため、その波高値や印加時間を抑えることが肝要である。
特開２０００−１２３９８９号公報

しかしながら、特許文献１に開示された高圧放電ランプの点灯装置では、グロー放電からアーク放電へのスムーズな移行及びアーク放電移行後の定常点灯での安定的な動作を実現するために、小容量のコンデンサ１５と、大容量のコンデンサ１４を用い、大容量のコンデンサ１４を接続するか否かをスイッチ回路１６で切り換えるように構成されていて、コスト高となり、部品搭載スペースも大きくなるといった問題があった。

また、小容量のコンデンサを用いるとはいえ、放電ランプのブレークダウン時に、制御回路の応答速度に対してブレークダウン速度が速過ぎると制御が追い付かず、スイッチング素子１１のオンデューティを抑えることで、コンデンサ１５から放電ランプに供給されるエネルギーを減らすといった制御ができないため、小容量のコンデンサにはある程度の容量が必要である。そのため、必ずしも突入電流を最小限に抑えているとは言い難かった。

本発明は、コンデンサ等の受動素子を追加することなく、点灯時のグロー放電からアーク放電への移行時及びアーク放電移行後の定常点灯になるまでを安定的に動作させる高圧放電ランプ点灯装置を提供するものである。

請求項１に記載の高圧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交流電圧に変換するＤＣ−ＡＣインバータ回路と、
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開始時に動作し、前記高圧放電ランプに高電圧を印加するイグナイタ回路と、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路及び前記ＤＣ−ＡＣインバータ回路を制御する制御回路とを有し、
前記イグナイタ回路、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路、及び前記ＤＣ−ＡＣインバータ回路は半導体スイッチ素子を含み、
前記制御回路は、前記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コンバータ回路及び前記ＤＣ−ＡＣインバータ回路の半導体スイッチ素子のオン／オフをそれぞれ制御するものであって、前記高圧放電ランプの点灯開始時において、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路のスイッチング周波数が前記イグナイタ回路のスイッチング周波数の２以上の整数倍の関係で、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の半導体スイッチ素子のオン／オフのタイミングと、前記イグナイタ回路の半導体スイッチ素子のオン／オフのタイミングとを同調させ、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の半導体スイッチ素子がオンした後、予め決められた一定時間後に前記イグナイタ回路の半導体スイッチ素子をオンさせ、前記出力電圧検出回路の電圧値の変化を検出し、所定時間内に所定値以上の電圧降下が生じた場合に、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の半導体スイッチ素子に対して一度オンパルスを出さない周期を挟むように制御することを特徴とする。

請求項２に記載の高圧放電ランプ点灯装置は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路が降圧チョッパ型ＤＣ−ＤＣコンバータ回路であることを特徴とする。

請求項３に記載の高圧放電ランプ点灯装置は、前記ＤＣ−ＡＣインバータ回路がフルブリッジ型インバータ回路であることを特徴とする。

請求項４に記載の高圧放電ランプ点灯装置は、前記制御回路にＤＳＰを用いたことを特徴とする。

請求項５に記載の高圧放電ランプ点灯装置は、前記高圧放電ランプが点灯した後、前記ＤＳＰは前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路を定電流制御モードに切り換え、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の前記半導体スイッチ素子に対するＰＷＭパルスを内部で生成する際に、前記制御回路が行う、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電流の変動に対する、当該ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電流の安定化のための負帰還制御のゲインを制御することを特徴とする。

上記発明によって、コンデンサやスイッチ回路等の受動素子を追加することなく、点灯時のグロー放電からアーク放電への移行時の動作、及びアーク放電移行後の定常点灯での安定的な動作を実現することができる。

さらに、放電ランプのブレークダウン時に流れる突入電流を最小限に抑えることができ、放電ランプの寿命を延ばすことができる。

特許文献１の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の高圧放電ランプ点灯装置における、降圧チョッパ回路２の出力電圧と、負荷として接続される放電ランプ５に流れるランプ電流と、スイッチング素子１１の制御端子電圧と、イグナイタ４の制御端子電圧の波形図である。 本発明の実施形態に係る高圧放電ランプ点灯装置の回路ブロック図である。 本発明の実施形態に係る高圧放電ランプ点灯装置における、降圧チョッパ回路２２の出力電圧と、負荷として接続される高圧放電ランプに流れるランプ電流と、スイッチング素子Ｑ２１の制御端子電圧と、双方向２端子サイリスタＳ２１の制御端子電圧の波形図である。

符号の説明

ＣＮ２１、ＣＮ２２、ＣＮ２３：コネクタ
Ｃ２１〜Ｃ２４：コンデンサ
Ｄ２１、１２：ダイオード
Ｌ２１〜Ｌ２３、１３：インダクタ
Ｑ２１〜Ｑ２５、１１：スイッチング素子
Ｒ２１〜Ｒ２３：抵抗
Ｓ２１：双方向２端子サイリスタ
Ｔ１２：トランス
ＡＣ：交流電源
１：直流電源
２、２２：降圧チョッパ回路
４、２５：イグナイタ
５：放電ランプ
１４：大容量コンデンサ（平滑コンデンサ）
１５：小容量のコンデンサ
１６：スイッチ回路
２０：タイマー
２１：３端子レギュレータ
２３：極性反転回路
２４：ドライバ
２６：ディジタル制御回路

以下、本発明の実施の形態を、図３を参照して説明する。
図３において、直流電圧入力端子であるコネクタＣＮ２１から直流電圧が入力される。インダクタＬ２１とコンデンサＣ２１からなるローパス・フィルタによってコネクタ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。その後段にＤＣ−ＤＣコンバータ回路として降圧チョッパ回路２２が接続されている。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から構成される。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、出力電圧検出回路である抵抗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。

なお、降圧チョッパ回路２２の前段にある３端子レギュレータ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、３端子レギュレータ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る。

降圧チョッパ回路２２の出力は、スイッチング素子Ｑ２１のオン期間中にコンデンサＣ２２にエネルギーをチャージし、スイッチング素子Ｑ２１のオフ期間中はコンデンサＣ２２及び後段の極性反転回路２３にエネルギーが供給される。

極性反転回路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から構成される、所謂フルブリッジ型インバータ回路を構成している。本実施例では極性反転回路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／オフさせ、直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ−ＡＣインバータ回路として動作している。ここで生成された交流電圧は、コネクタＣＮ２３に接続される高圧放電ランプ（図示なし）に供給される。

また、コネクタＣＮ２３までの交流電圧の出力ライン上には、双方向２端子サイリスタＳ２１と、トランスＴ２１からなるイグナイタ回路２５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、点灯開始時にディジタル制御回路２６からの指令信号によって、双方向性２端子サイリスタＳ２１を一定期間オン／オフさせることで定常動作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、定常点灯時において等価的にランプ電流と一致するインダクタＬ２２に流れる電流を、降圧チョッパ回路２２内に設けられたランプ電流検出回路として作用する抵抗Ｒ２１によって検出し、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２６は、抵抗Ｒ２２及びＲ２３によって検出される降圧チョッパ回路２２の出力電圧値と、抵抗Ｒ２１によって検出されるインダクタＬ２２に流れる電流値と、コネクタＣＮ２２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２２のスイッチング素子Ｑ２１に対するオン／オフ指令、極性反転回路のスイッチ素子Ｑ２２〜Ｑ２５のオン／オフを制御するためのドライバ２４に対する指令、及び点灯時のイグナイタ回路２５への指令等を一元的に管理している。

ここで、降圧チョッパ回路２２のスイッチング素子Ｑ２１は、ディジタル制御回路２６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。スイッチング素子Ｑ２１をＰＷＭ制御すれば、スイッチング周波数は固定となるため、スイッチング素子Ｑ２１のスイッチング周波数を、イグナイタ回路２５の双方向２端子サイリスタＳ２１の整数倍に設定することで、必然的にスイッチング素子Ｑ２１のスイッチングタイミングと、双方向２端子サイリスタＳ２１のスイッチングタイミングの同期をとることができる。但し、ＰＡＭ制御等のスイッチング周波数固定の他の制御方法を用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。

ここで、降圧チョッパ回路２２の出力電圧波形と、負荷として接続される高圧放電ランプに流れるランプ電流と、降圧チョッパ回路２２のスイッチング素子Ｑ２１と、イグナイタ回路２５の双方向２端子サイリスタＳ２１のタイミングチャートを図４に示す。

高圧放電ランプが不点灯状態にある時間ｔ１において、降圧チョッパ回路２２のスイッチング素子Ｑ２１がオンする。スイッチング素子Ｑ２１は固定のスイッチング周波数でオン／オフされており、所定の出力電圧Ｖ１を安定して出力している。時間ｔ１から予め決められた一定時間をおいた時間ｔ２において、高圧放電ランプを点灯させるべく、イグナイタ回路２５の双方向２端子サイリスタＳ２１がオンされる。双方向２端子サイリスタＳ２１がオンすると、トランスＴ２１には高電圧が印加され、負荷である高圧放電ランプにも高電圧が印加される。その結果、高圧放電ランプはブレークダウン（絶縁破壊）し、瞬間的に負荷短絡状態となる。これによって抵抗Ｒ２２及びＲ２３によって検出される降圧チョッパ回路２２の出力電圧は急激に降下し、同時にランプ電流は急激に増大する。

ディジタル制御回路２６は、与えられるクロック周波数に基づいて定期的に降圧チョッパ回路２２の出力電圧をサンプリングして検出し、監視している。所定のサンプリング周期の間に、降圧チョッパ回路２２の出力電圧が一定値以上下がる（Ｖ２→Ｖ３）と、ディジタル制御回路２６は高圧放電ランプがブレークダウンを開始したと判断して、降圧チョッパ回路２２が必要以上のエネルギーをコンデンサＣ２２にチャージしないように、スイッチング素子Ｑ２１のオンタイミングが来てもオンパルスを出さないように制御している。すなわち定電流制御モードに切り換える。こうすることにより、コンデンサＣ２２にそれ以上エネルギーがチャージされないため、高圧放電ランプの点灯時に瞬時的に流れるランプの突入電流を最小限に抑えることができる。

以上の制御動作の後、高圧放電ランプのグロー放電からアーク放電への移行区間が存在するが、この間、降圧チョッパ回路２２の出力電圧Ｖ４はほぼ一定に制御される。この時、一度オンパルスを出さない周期を挟んで再びスイッチング素子Ｑ２１に対するＰＷＭ制御が復帰するため、復帰直後の制御ゲイン（ディジタル制御回路２６が行う、降圧チョッパ回路２２の出力電流の変動に対する、その出力電流の安定化のための負帰還制御のゲイン）は高めに設定される。これはランプの突入電流を抑えるために、一時的に降圧チョッパ回路の動作を止めたため、コンデンサＣ２２にはエネルギーが残っていない。よって制御ゲインが低いままだと、ＰＷＭ制御復帰直後のオンデューティが狭くなってしまい、コンデンサＣ２２へのエネルギーチャージが足りなくなって、高圧放電ランプがアーク放電を維持できず、そのまま消灯してしまう恐れがあるからである。
上述のような制御を経て、高圧放電ランプは定常点灯モードに移行する。

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。

Claims (5)

1. 高圧放電ランプ点灯装置であって、
   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交流電圧に変換するＤＣ−ＡＣインバータ回路と、
   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開始時に動作し、前記高圧放電ランプに高電圧を印加するイグナイタ回路と、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路及び前記ＤＣ−ＡＣインバータ回路を制御する制御回路とを有し、
   前記イグナイタ回路、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路、及び前記ＤＣ−ＡＣインバータ回路は半導体スイッチ素子を含み、
   前記制御回路は、前記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コンバータ回路及び前記ＤＣ−ＡＣインバータ回路の半導体スイッチ素子のオン／オフをそれぞれ制御するものであって、前記高圧放電ランプの点灯開始時において、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路のスイッチング周波数が前記イグナイタ回路のスイッチング周波数の２以上の整数倍の関係で、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の半導体スイッチ素子のオン／オフのタイミングと、前記イグナイタ回路の半導体スイッチ素子のオン／オフのタイミングとを同調させ、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の半導体スイッチ素子がオンした後、予め決められた一定時間後に前記イグナイタ回路の半導体スイッチ素子をオンさせ、前記出力電圧検出回路の電圧値の変化を検出し、所定時間内に所定値以上の電圧降下が生じた場合に、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の半導体スイッチ素子に対して一度オンパルスを出さない周期を挟むように制御することを特徴とする高圧放電ランプ点灯装置。
2. 前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路は、降圧チョッパ型ＤＣ−ＤＣコンバータ回路である、請求項１に記載の高圧放電ランプ点灯装置。
3. 前記ＤＣ−ＡＣインバータ回路は、フルブリッジ型インバータ回路である、請求項１または２に記載の高圧放電ランプ点灯装置。
4. 前記制御回路はＤＳＰを備えた、請求項１〜３のいずれかに記載の高圧放電ランプ点灯装置。
5. 前記高圧放電ランプが点灯した後、前記ＤＳＰは前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路を定電流制御モードに切り換え、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の前記半導体スイッチ素子に対するＰＷＭ制御する際に、前記制御回路が行う、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電流の変動に対する、当該ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電流の安定化のための負帰還制御のゲインを制御する、請求項１〜４のいずれかに記載の高圧放電ランプ点灯装置。

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