JP5478156B2

JP5478156B2 - 高圧放電灯点灯装置

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Publication number: JP5478156B2
Application number: JP2009197951A
Authority: JP
Inventors: 稔松本
Original assignee: Eye Lighting Systems Corp
Current assignee: Eye Lighting Systems Corp
Priority date: 2009-08-28
Filing date: 2009-08-28
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2029-08-28
Also published as: JP2011049085A

Description

本発明は、スイッチング素子を用いて点灯させる高圧放電灯の点灯装置に関し、特に、ランプ電流に重畳するリップル成分を除去する機能の改良に関する。

近年、メタルハライドランプの演色性、発光効率が高くなり、店舗の照明などに広く使用されるようになった。メタルハライドランプのような高圧放電灯の点灯装置には、装置の小型化と高効率の観点からスイッチング素子などの電子部品を用いて点灯させる高周波点灯方式が広く採用されている。
スイッチング素子を用いた点灯装置の場合、ランプ電流が流れている状態でスイッチング素子をオンオフさせると、スイッチング素子が発熱し、回路損失を生じてしまうという問題があった。そこで、ランプ電流が減少してゼロとなるところでスイッチング素子の切り替えを実行することで、回路損失を抑制するソフト・スイッチング方式が採用されるようになった（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１の第２頁に記載のようにソフト・スイッチング方式の場合、ランプ電流がゼロになる前に制御信号を変化させる連続方式よりも、ランプ電流に含まれるリップル成分が大きくなってしまう。つまり、ソフト・スイッチング方式を採用する代償として、ランプ電流に大きなリップル成分が含まれてしまうのである。
リップル成分は、出力される直流成分に重畳する点灯周波数に同期した変動成分を示し、放電灯の音響共鳴現象の原因となる。音響共鳴現象によって、アークの不安定によるちらつきや立ち消えなどが起きてしまう。

特許第３４７０５２９号公報特許第２７０８８１３号公報

例えば、特許文献２には、高圧放電灯に直列に２次巻線が接続されたパルストランスにより始動パルスを高圧放電灯に印加することで、高圧放電灯を始動させるとともに、インバータ回路などで発生させた高周波電圧を高圧放電灯に印加することで、高圧放電灯を点灯させる高周波点灯方式の放電灯点灯装置が記載されている。
図１０に示すように特許文献２の放電灯点灯装置には、インバータ回路からの電流が流れるチョークコイルＬ１１、チョークコイルを流れる電流のリップル成分をバイパスさせるバイパスコンデンサＣ１１、リップル成分に対して抵抗となるコイルＬ１２、高圧放電灯ＬａとパルストランスＰＴとの直列回路に並列接続された始動用コンデンサＣ１２が設けられている。コイルＬ１２は、高圧放電灯側の電流経路のインピーダンスを高周波的に高くしてランプ電流のリップル成分をバイパスコンデンサＣ１１側にバイパスさせる役割をする。このコイルＬ１２とバイパスコンデンサＣ１１とにより、ランプ電流のリップル成分が低減される。図中の始動用コンデンサＣ１２は、高圧放電灯ＬａとパルストランスＰＴとともに高周波の始動パルスを放電灯に印加するループを形成している。

このように、チョークコイルＬ１１とバイパスコンデンサＣ１１の接続点ａと、パルストランスＰＴと始動用コンデンサＣ１２の接続点ｂとの間にコイルＬ１２を設けることで、チョークコイルＬ１１からのランプ電流に重畳するリップル成分をバイパスコンデンサＣ１１へバイパスさせ易くする方法が知られていた。発明者は、コイルとコンデンサからなるローパスフィルタを備えた点灯装置において、リップル電圧を計算したところ、ローパスフィルタがない場合に比べてＰ−Ｐ（ピークトゥーピーク）値でのリップル電圧が略半分程度まで減少することを確認した。
しかしながら、ランプ電流中のリップル成分は、ランプの寿命を短くしてしまうことも指摘されており、近年、産業界において高周波のリップル成分を更に低減させようとする動きが活発化しており、より優れたリップル除去機能を有する点灯装置が強く求められるようになった。例えば、高周波用のスペクトル分析器を用いて、ランプ電流のエネルギースペクトル密度（以下、パワースペクトルと呼ぶ。）を測定し、有害な高周波成分が残存しているかどうかを判断する手法がある。有害な高周波帯域のパワースペクトルが、パワースペクトル全体の１．５％以下となるまで、ランプ電流中のリップル成分を除去することができれば、アークが安定となり、かつ、ランプの寿命を長くすることができる。

本発明の目的は、スイッチング素子を用いて点灯させる高圧放電灯の点灯装置において、ランプ電流に重畳するリップル成分を大幅に減少させることができ、音響共鳴現象を防止してアークを安定させ、ランプ寿命を大幅に延ばすことができる高圧放電灯点灯装置を提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明にかかる高圧放電灯点灯装置は、インバータ回路と、リップル除去回路と、高電圧印加回路とを備える。インバータ回路は、直流電圧を高周波電圧に変換し、前記高周波電圧の極性を高周波電圧よりも低い周波数で反転させる複数のスイッチング素子のブリッジ構造と、前記ブリッジ構造の前記高周波電圧の出力端子間に直列接続されたチョークコイルおよび平滑コンデンサとを有する。リップル除去回路は、前記平滑コンデンサの両端間に接続され、前記インバータ回路から出力されるランプ電流に含まれるリップル成分を除去し、リップル成分が除去されたランプ電流を高圧放電灯に印加する。高電圧印加回路は、前記リップル除去回路と前記高圧放電灯との間に設けられ始動のための高電圧を当該高圧放電灯に印加する。リップル除去回路は、少なくとも一段のバンド阻止フィルタから構成される。バンド阻止フィルタは、前記インバータ回路からのランプ電流が交互に入力される第１入力端子および第２入力端子と、前記第１入力端子と第２入力端子間に直列接続された第１除去用回路および第２除去用回路と、前記第１除去用回路と第２除去用回路の接続点に接続された第１出力端子と、前記第２除去用回路と前記第２入力端子の接続点に接続された第２出力端子とを有して構成される。第１入力端子および第２入力端子のいずれか一方は、前記チョークコイルと前記平滑コンデンサの接続点に接続され、前記第１入力端子および第２入力端子のいずれか他方は、前記平滑コンデンサと前記ブリッジ構造との接続点に接続される。前記第１除去用回路は、第１除去用コイルおよび第１除去用コンデンサを並列接続した回路であり、共振周波数帯域のリップル成分の通過を阻止する。前記第２除去用回路は、第２除去用コイルおよび第２除去用コンデンサを直列接続した回路であり、共振周波数帯域のリップル成分をバイパスする。前記第１出力端子および第２出力端子からランプ電流が前記高電圧印加回路を介して前記高圧放電灯に印加される。そして、前記バンド阻止フィルタの共振周波数が、直流電圧を高周波電圧に変換する前記スイッチング素子のスイッチング周波数と略一致していることを特徴とする。
ここで、インバータ回路には直流電圧が印加されるが、例えば、高力率コンバータなどのスイッチング電源によって供給される直流電圧としてもよいが、特に制限されるものではない。

また、本発明では、前記リップル除去回路は、段階的にリップル成分を除去するように二段以上の前記バンド阻止フィルタから構成される。前段に配置されたバンド阻止フィルタの前記第１出力端子および第２出力端子のいずれか一方は、すぐ後段に配置されたバンド阻止フィルタの前記第１入力端子に接続され、前記第１出力端子および第２出力端子のいずれか他方は、すぐ後段に配置されたバンド阻止フィルタの前記第２入力端子に接続される。最後段に配置されたバンド阻止フィルタの前記第１出力端子および第２出力端子からランプ電流が前記高電圧印加回路を介して前記高圧放電灯に印加されることが好ましい。

さらに、本発明では、複数段の前記バンド阻止フィルタのうちの少なくとも二段のバンド阻止フィルタについて、前段に配置されたバンド阻止フィルタの前記第１出力端子は、すぐ後段に配置されたバンド阻止フィルタの前記第２入力端子と接続され、前段に配置されたバンド阻止フィルタの前記第２出力端子は、すぐ後段に配置されたバンド阻止フィルタの前記第１入力端子と接続されることが好ましい。

本発明によれば、スイッチング素子を用いて点灯させる高圧放電灯の点灯装置において、少なくとも一段のバンド阻止フィルタを含んで構成されるリップル除去回路を、インバータ回路の後段に設けたので、ランプ電流に重畳するリップル成分を大幅に減少させることができ、有害な高周波帯域のパワースペクトルをランプ電流のパワースペクトル全体の１．５％以下とすることができ、音響共鳴現象を防止してアークを安定させ、ランプ寿命を大幅に延ばすことができる。ここで、一段のバンド阻止フィルタを含んで構成されるリップル除去回路は、二段のローパスフィルタを含んで構成されるリップル除去回路と同等のリップル成分の除去効果が得られる。
また、リップル除去回路をインバータ回路と高電圧印加回路との間に設けたので、高電圧印加回路による始動用の高電圧への影響がなく、有害なリップル成分だけを効率よく除去することができる。
さらに、二段以上のバンド阻止フィルタを用いてリップル除去回路を構成する場合、前段のフィルタの第１出力端子と後段のフィルタの第２入力端子とを接続し、前段のフィルタの第２出力端子と後段のフィルタの第１入力端子とを接続することによって、各バンド阻止フィルタの第１除去用コイルが、インバータ回路と高圧放電灯を結ぶ２本の電力線のうちの一方にだけ配置されることなく、両方の電力線にそれぞれ少なくとも１箇所ずつ配置されることになるので、電力線を通じたコモンモードのノイズの発生を防止することができる。

本発明の一実施形態に係る高圧放電灯点灯装置のブロック図である。図１に示す高圧放電灯点灯装置の回路図である。図１の高圧放電灯点灯装置におけるリップル除去回路の回路図であり、(Ａ)は一段のバンド阻止フィルタ、(Ｂ)は二段のバンド阻止フィルタの回路図である。ランプ電流の波形図であり、(Ａ)はリップル除去回路なしの場合、(Ｂ)はリップル除去回路ありの場合の波形図である。図１の高圧放電灯点灯装置におけるリップル除去回路の別の回路図であり、(Ａ)は二段のローパスフィルタ、(Ｂ)は三段のローパスフィルタの回路図である。前記二段のローパスフィルタの各コイルが、インバータ回路とＨＩＤランプを結ぶ２つの電力線のうちの一方にだけ配置されている場合の回路図である。前記二段のローパスフィルタの各コイルが、インバータ回路とＨＩＤランプを結ぶ２つの電力線のそれぞれに配置されている場合の回路図である。前記リップル除去回路を構成するローパスフィルタの組み合わせ例を示す回路図である。前記リップル除去回路を構成するバンド阻止フィルタの組み合わせ例を示す回路図である。従来の高圧放電灯点灯装置の回路図である。

以下、図面に基づき本発明の好適な実施形態を説明する。
図１には本発明の一実施形態に係る高圧放電灯点灯装置１０が示されている。同図に示す高圧放電灯点灯装置１０は、交流電源１２の出力する交流電圧を全波整流する整流回路１４と、全波整流出力から直流電圧を高力率で生成する力率改善回路１６と、力率改善回路１６の出力する直流電圧を略矩形波交流のランプ電流にするインバータ回路１８と、ＨＩＤランプ（高圧放電灯）２４を始動させるための高電圧を当該ＨＩＤランプ２４に印加する高電圧印加回路２２と、力率改善回路１６の出力を一定電圧に制御するとともに、インバータ回路１８の出力する略矩形波交流の制御等を行う制御回路２６と、本発明において特徴的なインバータ回路１８から出力されるランプ電流に重畳するリップル成分を除去し、リップル成分が除去されたランプ電流をＨＩＤランプ２４に印加するリップル除去回路２０を備える。

図２には、図１の高圧放電灯点灯装置１０の回路構成の一例を示す。整流回路１４にはバイパスコンデンサＣ１を介した交流電流が供給される。整流回路１４は、ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４よりなる全波整流ダイオードブリッジで構成され、低周波（例えば５０Ｈｚ）の電源である交流電源１２の出力端の両端に接続されている。力率改善回路１６は、整流回路１４の一方の出力端（図では＋電圧出力端）に一端部が接続されたコイルＬ１と、このコイルＬ１の他端部と整流回路１４のもう一方の出力端（図では−電圧出力端）の間にドレイン・ソースが接続された高周波スイッチング素子Ｑ１と、この高周波スイッチング素子Ｑ１のスイッチングに伴う高周波成分をバイパスさせるフィルタとしてのコンデンサＣ２と、コイルＬ１と高周波スイッチング素子Ｑ１間の接続点にアノードが接続された転流ダイオードＤ５と、この転流ダイオードＤ５のカソードと整流回路１４の−電圧出力端に接続された電解コンデンサＣ３を備えている。そして、力率改善回路１６は、制御回路２６により高周波スイッチング素子Ｑ１のオン時間幅が制御されて、振幅一定な安定化した直流電圧を高力率で生成するアクティブフィルタ回路、あるいは直流電源として機能する。

力率改善回路１６の後段には、インバータ回路１８が接続されている。インバータ回路１８は、力率改善回路１６の電解コンデンサＣ３の両端にフルブリッジ接続された４つのスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５のブリッジ構造を備える。ブリッジ構造は、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３の直列回路と、スイッチング素子Ｑ４，Ｑ５の直列回路とを有し、各直列回路が並列に接続されている。また、インバータ回路１８は、スイッチング素子Ｑ４，Ｑ５間の接続点に一端部が接続されたチョークコイルＬ２と、このチョークコイルＬ２の他端部とスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３間の接続点に接続された平滑コンデンサＣ４とを備える。スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３間の接続点と、スイッチング素子Ｑ４，Ｑ５間の接続点は、ブリッジ構造の高周波電圧の出力端子であり、この高周波電圧の出力端子間に、チョークコイルＬ２および平滑コンデンサＣ４が直列接続されているのである。

制御回路２６によって、例えば数百Ｈｚの低い周波数でスイッチング素子Ｑ３，Ｑ５が交互にオンオフし、スイッチング素子Ｑ３がオン状態のときにスイッチング素子Ｑ４が数十ｋＨの高い周波数でオンオフし、スイッチング素子Ｑ５がオン状態のときにスイッチング素子Ｑ２が同様にオンオフする。このオンオフ制御によって、力率改善回路１６より出力される直流電圧を高周波電圧に変換し、さらに高周波電圧の極性を低周波数で反転させている。つまり、直流電圧が所定の交番周波数を有する高周波数の矩形波電圧（これを高周波電圧と呼ぶ。）に変換される。この高周波電圧がチョークコイルＬ２と平滑コンデンサＣ４に印加されることにより、平滑コンデンサＣ４の両端間に接続されたリップル除去回路２０へインバータ回路１８から所定の交番周波数のランプ電流が出力されるのである。
本実施形態では、制御回路２６は、スイッチング素子の発熱による回路損失を防止するため、スイッチング素子に流れるランプ電流が減少してゼロとなるところでスイッチング素子の切り替えを実行する。つまり、ソフト・スイッチング方式が採用されている。なお、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５としてＦＥＴを用いた場合を図示したが、これに限定されるものではない。

リップル除去回路２０は、図３（Ａ）に示すように、インバータ回路１８からのランプ電流が交互に入力される第１入力端子３０および第２入力端子３２と、リップル成分が除去されたランプ電流を出力する第１出力端子３４および第２出力端子３６を有する回路である。第１入力端子３０は、チョークコイルＬ２に接続された平滑コンデンサＣ４の一端部に接続され、第２入力端子３２は、平滑コンデンサＣ４の他端部に接続される。回路構成の詳細については後述する。なお、第１入力端子３０と第２入力端子３２とを入れ替えて接続してもよい。

図２に戻り、高電圧印加回路２２は、リップル除去回路２０とＨＩＤランプ２４との間に設けられ、図３（Ａ）に示した第１出力端子３４に巻線の一端部が接続された昇圧トランスＴ１と、この昇圧トランスＴ１とＨＩＤランプ２４による直列回路に対して並列的に接続された始動用コンデンサＣ７を備えている。始動用コンデンサＣ７とＨＩＤランプ２４の接続点は、リップル除去回路２０の第２出力端子３６に繋がっている。始動用コンデンサＣ７は、始動の際、蓄えたエネルギーを放出することで昇圧トランスＴ１に１ＭＨｚ前後の高電圧パルスを発生させる。

本発明において特徴的なことは、インバータ回路１８から出力されるランプ電流に重畳するリップル成分を大幅に減少させることであり、このために本実施形態においてはリップル除去回路２０を備え、このリップル除去回路２０によってリップル成分が除去されたランプ電流がＨＩＤランプ２４に印加されるのである。リップル除去回路２０は、例えば図３（Ａ）に示すような一段のバンド阻止フィルタ４０により構成される。バンド阻止フィルタ４０は、第１入力端子３０と第２入力端子３２間に直列接続された第１除去回路４２および第２除去回路４４を有する。なお、第１出力端子３４は、第１除去用回路４２と第２除去用回路４４の接続点に接続されている。第２出力端子３６は、第２除去用回路４４と第２入力端子３２の接続点に接続されている。

第１除去回路４２は、第１除去用コイルＬ３および第１除去用コンデンサＣ５を並列接続したＬＣ並列回路であり、ＬＣ並列回路の共振周波数帯域に含まれるリップル成分の通過を阻止する。第２除去回路４４は、第２除去用コイルＬ４および第２除去用コンデンサＣ６を直列接続したＬＣ直列回路であり、ＬＣ直列回路の共振周波数帯域に含まれるリップル成分をバイパスさせる。つまり、除去したいリップル成分の周波数を狙って、第１除去回路４２と第２除去回路４４の各共振周波数を設定することにより、第１除去回路４２および第２除去回路４４によってリップル成分を減少させるのである。

リップル成分は、インバータ回路１８から出力される所定の交番周波数を有する矩形波交流電流（ランプ電流）に重畳される変動成分であり、図４に示すランプ電流の波形のようになる。つまり、インバータ回路１８における直流電圧を高周波電圧に変換するスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４のスイッチング周波数に同期した変動成分となる。この変動成分を同図に拡大して示す。図４（Ａ）のようにリップル除去回路なしの場合の変動成分に対して、本実施形態のようにリップル除去回路２０を設けることによって変動成分だけを減少させることができる（図４（Ｂ））。リップル除去回路２０は、ＬＣフィルタであるので電力損失を生じず、高周波の変動成分（リップル成分）のみを除去できる。
また、上記のようにリップル成分がスイッチング周波数に同期した変動成分であるため、バンド阻止フィルタ４０の共振周波数をスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４のスイッチング周波数と略一致させることにより、リップル成分を効率よく除去することができる。本実施形態では、第１除去回路４２および第２除去回路４４の各共振周波数をスイッチング周波数に略一致させているが、これに限られず、予め測定したリップル成分の周波数帯域に応じて第１除去回路４２および第２除去回路４４の共振周波数を設定してもよい。

このようなバンド阻止フィルタ４０を、図３（Ｂ）に示すように二段、または、三段以上設けることにより、リップル成分の除去効果を高めることができる。複数段のバンド阻止フィルタ４０を有するリップル除去回路２０Ａは、一番目のバンド阻止フィルタ４０から出力されたランプ電流が少なくとも二番目のバンド阻止フィルタ４０に付与される。例えば、２段目のバンド阻止フィルタの共振周波数を、第２高調波に相当するリップル成分を狙って設定すれば、リップル成分を段階的に除去することができる。同図（Ｂ）には二段のバンド阻止フィルタ４０の場合を示すが、同じ素子に同じ符号を付している。二つのバンド阻止フィルタ４０は、同図（Ａ）のバンド阻止フィルタ４０と同一構成である。

図３（Ｂ）のリップル除去回路２０Ａでは、二番目のバンド阻止フィルタ４０は、一番目のバンド阻止フィルタ４０に対して、各フィルタの第１除去回路４２が直列に配置されないで、入れ違いに配置されるように接続されている。つまり、一番目のバンド阻止フィルタ４０の第１出力端子３４は、二番目のバンド阻止フィルタ４０の第２入力端子３２に接続され、一番目のバンド阻止フィルタ４０の第２出力端子３６は、二番目のバンド阻止フィルタ４０の第１入力端子３０に接続されている。三段以上のバンド阻止フィルタ４０を用いる場合、各バンド阻止フィルタ４０の第１除去回路４２を入れ違い（千鳥状）に配置してもよい。少なくとも三段以上のバンド阻止フィルタ４０のうちの前段にあるバンド阻止フィルタ４０の第１出力端子３４が、後段のバンド阻止フィルタ４０の第２入力端子３２と接続し、前段の第２出力端子３６が、後段のバンド阻止フィルタ４０の第１入力端子３０と接続していればよい。このようにバンド阻止フィルタ４０を接続すれば、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３間の接続点と、ＨＩＤランプ２４の一方の主電極を結ぶ電力線にも、スイッチング素子Ｑ４，Ｑ５間の接続点と、ＨＩＤランプ２４の他方の主電極を結ぶ電力線にも、少なくとも１つずつ第１除去回路４２が設けられることになる。

以上の説明では、バンド阻止フィルタ４０を採用した場合を説明したが、リップル除去回路としては、バンド阻止フィルタ４０に代えて、二段以上のローパスフィルタ５０を採用してもよい。複数段のローパスフィルタ５０によって、段階的にリップル成分を除去するのである。ローパスフィルタ５０を用いたリップル除去回路２０Ｂ，２０Ｃの構成を図５に示す。一段分のローパスフィルタ５０は、インバータ回路１８からのランプ電流が交互に入力される第１入力端子３０および第２入力端子３２と、第１入力端子３０と第２入力端子３２間に直列接続された除去用コイルＬ５および除去用コンデンサＣ８と、除去用コイルＬ５と除去用コンデンサＣ８の接続点に接続された第１出力端子３４と、除去用コンデンサＣ８と第２入力端子３２の接続点に接続された第２出力端子３６とを有して構成される。

ここで、除去用コイルＬ５は、ランプ電流中のリップル成分の抵抗として機能し、リップル成分の通過を抑制する。除去用コンデンサＣ８は、除去用コイルＬ５で抑制しきれずに通過したリップル成分をバイパスさせる。このようにして、除去用コイルＬ５および除去用コンデンサＣ８によってリップル成分を減少させる。そして、図５（Ａ）のように二段のローパスフィルタ５０を有するリップル除去回路２０Ｂは、前述の一段のバンド阻止フィルタ４０と同等のリップル成分の除去効果を発揮する。さらに、図５（Ｂ）のように三段のローパスフィルタ５０を有するリップル除去回路２０Ｃ、または三段以上のローパスフィルタを有するリップル除去回路とすれば、リップル除去効果がさらに向上する。同図（Ａ）、（Ｂ）には同じ素子に同じ符号を付した。各ローパスフィルタ５０は、いずれも同一構成である。

なお、一段目に配置されたローパスフィルタ５０の第１入力端子３０および第２入力端子３２のいずれか一方は、チョークコイルＬ２と平滑コンデンサＣ４の接続点に接続され、第１入力端子３０および第２入力端子３２のいずれか他方は、平滑コンデンサＣ４とスイッチング素子のフルブリッジ構造との接続点に接続される。
ローパスフィルタ５０同士の接続については、図５（Ａ），（Ｂ）の接続方法に限らず、前段に配置されたローパスフィルタ５０の第１出力端子３４および第２出力端子３６のいずれか一方が、すぐ後段に配置されたローパスフィルタ５０の第１入力端子３０に接続され、いずれか他方が、すぐ後段のローバスフィルタ５０の第２入力端子３２に接続されればよい。最後段に配置されたローパスフィルタ５０の第１出力端子３４および第２出力端子３６からランプ電流が高電圧印加回路２２を介してＨＩＤランプ２４に印加される。

さらに、前述の図３（Ｂ）の二段のバンド阻止フィルタ４０の接続と同様に、コモンモードのノイズの発生を防止するため、複数段のローパスフィルタ５０のうちの前段のローパスフィルタの第１出力端子３４を、後段のローパスフィルタの第２入力端子３２に接続し、前段の第２出力端子３６を、後段のローパスフィルタの第１入力端子３０に接続するとよい。コモンモードのノイズが外界に流出することを防止する仕組みを図６と図７を用いて説明する。図６は、二段のローパスフィルタ５０の各除去用コイルＬ５が、インバータ回路１８とＨＩＤランプ２４を結ぶ２本の電力線のうちの一方にだけ配置されている場合の回路図である。図７は、二段のローパスフィルタ５０の各除去用コイルＬ５が、インバータ回路１８とＨＩＤランプ２４を結ぶ２つの電力線のそれぞれに配置されている場合の回路図である。図６のリップル除去回路２０Ｄでは、同じ電力線に各ローパスフィルタ５０の除去用コイルＬ５が接続されているのに対し、図７のリップル除去回路２０Ｂでは、両方の電力線に１つずつローパスフィルタ５０の除去用コイルＬ５が接続されている。放電灯点灯回路と大地（アース）間が、二か所の浮遊容量で電気的に接続され、放電灯点灯回路と大地と二か所の浮遊容量による仮想経路が形成された場合、図６の放電灯点灯回路では、図中に矢印で示すコモンモードのノイズが除去用コイルＬ５のない電力線側を流れてしまう。これに対し、図７の放電灯点灯回路では、除去用コイルＬ５が各電力線に配置されているため、電力線をコモンモードのノイズが流れずに済み、外界にノイズ成分が流出しない。本実施形態によれば、雑音端子電圧、放射雑音ともに平均で６ｄＢ以上低減させることができる。

図２のＨＩＤランプ２４を始動させる際、高電圧印加回路２２の始動用コンデンサＣ７に蓄えられたエネルギーは、昇圧トランスＴ１で高電圧パルスとなって、ＨＩＤランプ２４に印加される。もし、リップル除去回路２０を、高電圧印加回路２２とＨＩＤランプ２４間に配置したとすれば、ＨＩＤランプ２４に流れるリップル成分を最小にすることができる。しかし、始動用の高電圧パルスは高周波成分を多く含むため、正常な高周波成分であるにも関わらず、リップル除去回路２０によって除去されてしまう。特に、ローパスフィルタ５０の場合、高電圧パルスの高周波成分がリップル除去回路２０を通過できなくなってしまう。そこで、本実施形態では、バンド阻止フィルタ４０、ローパスフィルタ５０のいずれの場合においてもリップル除去回路２０を、インバータ回路１８と高電圧因果回路２２間に配置する。こうすれば、リップル除去回路２０の高周波成分の除去機能が、放電に必要な高電圧パルスに作用することがない。従って、始動用の高電圧パルスに影響を与えることなく、ランプ電流に含まれる有害なリップル成分だけを除去することができる。

本実施形態においてとバンド阻止フィルタ４０とローパスフィルタ５０を組み合わせたリップル除去回路２０を用いてもよいことは言うまでもない。例えば、一段目のフィルタにバンド阻止フィルタ４０を採用し、二段目のフィルタにローパスフィルタ５０を採用できる。

リップル成分をどの程度除去する必要があるかに関し、例えば、ランプ電流のエネルギースペクトル密度（以下、パワースペクトルと呼ぶ。）を測定して、有害な高周波成分が残存しているかどうかを判断する手法がある。この手法では、高周波用のスペクトル分析器を用いてランプ電流のパワースペクトルを測定する。そして、所定の高周波帯域のパワースペクトルが、パワースペクトル全体の１．５％以下であれば、有害でないとするものである。本発明の高圧放電灯点灯装置１０によれば、リップル除去回路２０によってリップル成分を除去することにより、上述の判断手法における高周波帯域のパワースペクトルを１．５％以下にすることができ、音響共鳴現象を防止してアークを安定させ、ランプ寿命大幅に延ばせることができる。

発明者らは、リップル除去回路２０の性能を具体的に示すため、リップル除去回路２０の有無によるリップル電圧を次の条件で算出した。リップル除去回路２０を構成する素子の条件を図８と図９に示す。図８のようにローパスフィルタ５０を構成するコイルＬ５のインダクタンスを１００μＨとし、コンデンサＣ８の容量を０．２μＦとした。また、図９のようにバンド阻止フィルタ４０中の第１除去回路４２を構成するコイルＬ３のインダクタンスを９０μＨとし、コンデンサＣ５の容量を０．０４μＦとし、第２除去回路４４を構成するコイルＬ４のインダクタンスを４５μＨとし、コンデンサＣ６の容量を０．０２μＦとした。複数段のフィルタを有する場合については、ローパスフィルタ５０のコイルＬ５またはバンド阻止フィルタ４０の第１除去回路４２が、２つの電力線に対して前段から後段に向けて互い違いに配置されるように、各フィルタを接続するものとした。また、インバータ回路１８のスイッチング周波数は８３ｋＨｚとした。リップル電圧の計算結果を表１に示す。リップル電圧はＰ−Ｐ（ピークトゥーピーク）値で示す。

上記の表１から分かるように、リップル除去回路がない場合のリップル電圧は１８．９Ｖとなる。これに対して、本発明のローパスフィルタ５０を一段、二段、三段と設けることによって、リップル電圧は７．０Ｖ、２．１Ｖ、０．６Ｖのように減少する。一方、バンド阻止フィルタ４０を一段だけ設けた場合、ローパスフィルタ５０を二段設けた場合と同等の３．３Ｖまでリップル電圧が減少する。また、バンド阻止フィルタ４０を二段設けた場合は１．９Ｖまでリップル電圧が減少する。

なお、インバータ式放電灯点灯装置には、４個のスイッチング素子の交番により所望周波数の矩形波電力をランプに供給するフルブリッジ型インバータ回路を採用するものと、２個のスイッチング素子の交番により所望周波数の電力をランプに供給するハーフブリッジ型インバータ回路を採用するものとがある。前記実施形態では、フルブリッジ型のインバータ回路を採用した場合について説明したが、本発明の高圧放電灯点灯装置としては、ハーフブリッジ型のインバータ回路を採用した場合にも適用できる。

本発明は、水銀ランプ、メタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプなどのＨＩＤランプのほか、キセノンランプを含む高圧放電点灯装置に応用できる。また、産業用紫外線応用のための高圧放電点灯装置に応用できる。さらに、本発明にかかる放電灯点灯装置は、オフィスや店舗用の照明器具に広く利用できる。

１０高圧放電灯点灯装置
１８インバータ回路
２０リップル除去回路
２２高電圧印加回路
３０第１入力端子
３２第２入力端子
３４第１出力端子
３６第２出力端子
４０バンド阻止フィルタ
４２ＬＣ並列回路（第１除去回路）
４４ＬＣ直列回路（第２除去回路）
５０ローパスフィルタ

Claims

直流電圧を高周波電圧に変換し、前記高周波電圧の極性を高周波電圧よりも低い周波数で反転させる複数のスイッチング素子のブリッジ構造と、前記ブリッジ構造の前記高周波電圧の出力端子間に直列接続されたチョークコイルおよび平滑コンデンサと、を有するインバータ回路と、
前記平滑コンデンサの両端間に接続され、前記インバータ回路から出力されるランプ電流に含まれるリップル成分を除去し、リップル成分が除去されたランプ電流を高圧放電灯に印加するリップル除去回路と、
前記リップル除去回路と前記高圧放電灯との間に設けられ始動のための高電圧を当該高圧放電灯に印加する高電圧印加回路と、
を備える高圧放電灯点灯装置であって、
前記リップル除去回路は、少なくとも一段のバンド阻止フィルタから構成され、
前記バンド阻止フィルタは、
前記インバータ回路からのランプ電流が交互に入力される第１入力端子および第２入力端子と、
前記第１入力端子と第２入力端子間に直列接続された第１除去用回路および第２除去用回路と、
前記第１除去用回路と第２除去用回路の接続点に接続された第１出力端子と、
前記第２除去用回路と前記第２入力端子の接続点に接続された第２出力端子と、
を有して構成され、
前記第１入力端子および第２入力端子のいずれか一方は、前記チョークコイルと前記平滑コンデンサの接続点に接続され、前記第１入力端子および第２入力端子のいずれか他方は、前記平滑コンデンサと前記ブリッジ構造との接続点に接続され、
前記第１除去用回路は、第１除去用コイルおよび第１除去用コンデンサを並列接続した回路であり、共振周波数帯域のリップル成分の通過を阻止し、
前記第２除去用回路は、第２除去用コイルおよび第２除去用コンデンサを直列接続した回路であり、共振周波数帯域のリップル成分をバイパスし、
前記第１出力端子および第２出力端子からランプ電流が前記高電圧印加回路を介して前記高圧放電灯に印加され、
前記バンド阻止フィルタの共振周波数が、直流電圧を高周波電圧に変換する前記スイッチング素子のスイッチング周波数と略一致していることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
請求項１記載の高圧放電灯点灯装置において、
前記リップル除去回路は、段階的にリップル成分を除去するように二段以上の前記バンド阻止フィルタから構成され、
前段に配置されたバンド阻止フィルタの前記第１出力端子および第２出力端子のいずれか一方は、すぐ後段に配置されたバンド阻止フィルタの前記第１入力端子に接続され、前記第１出力端子および第２出力端子のいずれか他方は、すぐ後段に配置されたバンド阻止フィルタの前記第２入力端子に接続され、
最後段に配置されたバンド阻止フィルタの前記第１出力端子および第２出力端子からランプ電流が前記高電圧印加回路を介して前記高圧放電灯に印加されることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
請求項２記載の高圧放電灯点灯装置において、
複数段の前記バンド阻止フィルタのうちの少なくとも二段のバンド阻止フィルタについて、
前段に配置されたバンド阻止フィルタの前記第１出力端子は、すぐ後段に配置されたバンド阻止フィルタの前記第２入力端子と接続され、前段に配置されたバンド阻止フィルタの前記第２出力端子は、すぐ後段に配置されたバンド阻止フィルタの前記第１入力端子と接続されることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。