JP6134492B2 - 点灯装置 - Google Patents
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放電灯点灯装置の回路効率を改善させる従来技術として、力率改善回路の入力電圧を監視して、入力電圧値に応じて力率改善回路の昇圧電圧を切り替える方法が知られている(特許文献1参照)。放電灯は、その種類毎にランプ電圧が異なるため、例えばランプ電圧が「80〜130V」のように低い放電灯と、「200〜250V」のように高い放電灯に分けて説明する。特許文献1には、100Vと 200Vの2種類の交流電源に対して、同じ放電灯点灯装置を兼用させる場合の効率改善のために、昇圧電圧の低減方式を用いている。具体的には、特許文献1に記載されているように、AC 100V入力時の力率改善回路の昇圧電圧を、AC 200V入力時の昇圧電圧よりも低減させるという内容である。
なお、これらの図は、各モードを分かりやすく示したもので、実際の交流電源の周波数とスイッチング周波数の関係をそのまま表わすものではない。商用交流電源の周波数は50又は60Hzであるのに対して、スイッチング周波数は数10kHz〜数100kHzであるから、実際には、交流電源の1周期にスイッチングは100〜1000回程度実行される。
すなわち、スイッチングによる電力損を低減させることができるシンプルな方法は、スイッチングの回数自体を少なくすることである。通常は、スイッチング回数を少なくすると、オンデューティを確保するためオン時間を実質的に延長させるから、リップル電流が大きくなってしまう。このリップル電流は、力率改善回路でのスイッチングに起因してインダクタに流れる電流が増減する結果生じる。しかし、入力電圧が小さい場合は、リップル電流の増加率も小さいため、オン時間が延長されたとしても、入力電圧が高い場合と比べたら、それほどリップル電流が大きくならない。この考え方に基づき、入力電圧が小さい場合は、スイッチングの回数自体を減らし、つまり、スイッチング周波数を低減して電力損を低減させることが可能になった。
交流電圧を直流電圧に整流する整流回路と、前記整流回路の出力電圧を入力して所定電圧まで昇圧し且つ入力力率を高力率にする力率改善回路と、前記力率改善回路の出力を定電力化して点灯負荷に供給する降圧チョッパ回路と、を備えた点灯装置であって、
さらに、前記力率改善回路の入力電圧の実効値に応じて該力率改善回路のスイッチング素子のスイッチング周波数を設定する設定手段を備え、
前記設定手段は、前記入力電圧の実効値が低い場合の昇圧スイッチング周波数を、前記入力電圧の実効値が高い場合の昇圧スイッチング周波数よりも低減させることを特徴とする。
さらに、本発明において前記力率改善回路のスイッチング制御は、電流連続モードであることが好適である。
第1実施形態
図1に示すように、放電灯点灯装置は、入力フィルタ回路12、整流回路14、力率改善回路16、PWM降圧回路18、矩形波生成回路20、出力フィルタ回路22およびスタータ回路24を備え、100V、200V及び 242Vの交流電源ACのいずれからも電源供給可能に構成された点灯装置である。
整流回路14は、交流電圧をダイオードブリッジDBによって脈動を伴う直流電圧に整流する。
力率改善回路16は、整流回路14の出力電圧を入力して所定の昇圧電圧VOまで昇圧し、かつ、入力力率を高力率にするためのもので、昇圧コンバータ回路とも呼ばれる。この力率改善回路16は、昇圧インダクタL1および昇圧スイッチング素子(MOSFET)Q1を有する。
PWM降圧回路18は、力率改善回路16の出力を定電力化して矩形波生成回路20に出力するもので、本発明の降圧チョッパ回路に相当する。
矩形波変換回路20は、スイッチング素子Q3〜Q6をフルブリッジ接続した構成であり、放電灯に印加するための交番する矩形波を生成する。
出力フィルタ回路22は、矩形波変換回路20から放電灯に伝搬するノイズを除去するためのノイズフィルタである。
スタータ回路24は、始動用の高圧パルスを発生する回路である。
入力電圧検出手段44は、力率改善回路16の入力電圧V1を検出する。
出力電圧検出手段46は、PWM降圧回路18の出力電圧V2を検出する。
制御回路42は、力率改善回路16の入力電圧V1の高低に関わらず、一定の無負荷状態の昇圧電圧VOを設定する。その結果、力率改善回路16は、点灯負荷である放電灯が無負荷状態である場合は、一定の無負荷状態の昇圧電圧VOを出力することになる。
また、制御回路42は、放電灯が負荷状態の場合は、力率改善回路16の入力電圧V1を監視して、昇圧電圧VOおよびスイッチング素子Q1のスイッチング周波数fSWを設定する。
具体的には、制御回路42は、力率改善回路16の入力電圧が 100Vの場合の昇圧スイッチング周波数fSWの設定値を、入力電圧 200Vの場合の設定値よりも低く設定し、その設定信号を駆動回路32に出力する。つまり、入力電圧検出手段44が 100Vの入力電圧を検出した場合は、スイッチング周波数fSWの設定信号が切り替わって、駆動回路32がスイッチング素子Q1を低い周波数でオンオフ駆動することになる。
また、制御回路42は、入力電圧が 100Vの場合の昇圧電圧VOの設定値を、入力電圧 200Vの場合の設定値よりも低く設定し、その設定信号を駆動回路32に出力する。つまり、入力電圧検出手段44が
100Vの入力電圧を検出した場合は、昇圧電圧VOの設定信号が切り替わって、駆動回路32がスイッチング素子Q1のオン時間等を変更して、力率改善回路16の出力電圧を200Vの場合よりも低くする。
VIN(PEAK)MINは、最小入力ピーク電圧(例えば120V)、
Dは、オンデューティ(例えば0.69 )、
ΔILは、リップル電流(例えば 1.6A)とする。
なお、リップル電流ΔILは、最大入力ピーク電流IIN(PEAK)MAXの30%程度であるとする。また、オンデューティDは、通常、D=(VO−VIN(PEAK)MIN)/VOで表わされる。VOは、力率改善回路16の昇圧電圧を表わす。
なお、本実施形態の放電灯点灯装置は、100V、200V及び 242Vの交流電源ACのいずれからも電源供給可能に構成された電源兼用型の点灯装置であるから、入力電圧検出回路44からの検出値(実効値)に応じて、すなわち、交流電源(100V、200V及び 242V)毎に、制御回路42が昇圧スイッチング周波数fSWを段階的に切り替えるようにしてもよい。
(1)入力電圧が 100Vの場合は、200Vの場合よりも昇圧スイッチング周波数fSWを低減させることにより、力率改善回路16のスイッチングに起因する電力損が低減されるため、回路効率が改善される。その結果、放電灯点灯装置の小型化と材料・部品のコスト低減を実現することができる。
(2)入力電圧が 100Vの場合に昇圧スイッチング周波数fSWを低減させるから、雑音端子電圧のような電源ケーブルを流れるノイズの抑制にも効果がある。すなわち、雑音端子・ノイズ対策効果が生じる。
(3)ランプ電圧が 100Vの場合に、昇圧電圧VOと昇圧スイッチング周波数fSWの両方を低く設定することにより、従来のように昇圧電圧VOのみを低くする場合と比較して大きな回路効率の改善を実現することができる。
次に、本発明の第2実施形態に係るLED用の点灯装置について図2に基づいて説明する。図2において、入力フィルタ回路12からPWM降圧回路18までの各回路の構成は、基本的に前述の第1実施形態に共通する。LED用の点灯装置では、PWM降圧回路18の出力が出力フィルタ22を介してLEDランプに印加される構成になっていることが、第1実施形態の点灯装置と相違する。従って、LED用の点灯装置においても、力率改善回路16の電力損の低減を図ることが可能で、第1実施形態と同様の効果を奏する。
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条件 入力電圧V1 昇圧電圧VO スイッチング周波数fSW
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1−1 100V 約400V 50〜100kHz
(実施例390V) (実施例70kHz)
1−2 200V 約400V 100〜150kHz
(実施例390V) (実施例100kHz)
1−3 242V 約400V 100〜150kHz
(実施例390V) (実施例100kHz)
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(表2)
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条件 ランプ電力 ランプ電圧
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2−1 250W 100、130V
2−2 400W 100、130V
2−3 700W 215、250V
2−4 1000W 215、250V
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例えば、条件(2−4)は、200V又は242V入力の交流電源を用いて、1000Wのランプ電力で放電灯を点灯させる場合を示す。
ここで、上記の条件(2−4)の放電灯及び点灯装置を使用して、表1の条件(1−2)のように200Vの入力電圧で点灯させた場合の電力損がどの程度の大きさになるかの一例を次表に示す。また、この放電灯及び点灯装置を使用して、表1の条件(1−1)のように100Vの入力電圧で点灯させた場合の電力損を比較のために示す。つまり、入力電圧V1が変更されたが、スイッチング周波数fSWについては100kHzのままとした場合の、電力損の比較であり、表3の条件(3−1)と条件(3−2)に示す。
次に、スイッチング周波数の切り替えを実行した場合の電力損を示す。つまり、入力電圧V1の変更に伴って、スイッチング周波数fSWを100kHzから70kHzまで低減させた場合の、電力損を条件(3−3)に示す。
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条件 入力電圧V1 スイッチング周波数fSW 電力損
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3−1 200V 100kHz 60W
3−2 100V 100kHz 140〜150W
3−3 100V 70kHz 100〜110W
(いずれも1000W出力時)
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
14 整流回路
16 力率改善回路
18 PWM降圧回路(降圧チョッパ回路)
20 矩形波生成回路
22 出力フィルタ回路
24 スタータ回路
32,34,36 駆動回路
42,142 制御回路(設定手段)
44,144 入力電圧検出手段
46,146 出力電圧検出手段
AC 交流電源
C1 平滑コンデンサ
C2 電解コンデンサ
C3 平滑コンデンサ
D1 昇圧ダイオード
D2 降圧ダイオード
DB ダイオードブリッジ
L1 昇圧インダクタ
L2 降圧インダクタ
Q1 昇圧スイッチング素子
Q2 降圧スイッチング素子
Q3〜Q6 矩形波生成スイッチング素子
VO 昇圧電圧
V1 入力電圧
V2 出力電圧
Claims (4)
- 交流電圧を直流電圧に整流する整流回路と、前記整流回路の出力電圧を入力して所定電圧まで昇圧し且つ入力力率を高力率にする力率改善回路と、前記力率改善回路の出力を定電力化して点灯負荷に供給する降圧チョッパ回路と、を備えた点灯装置であって、
さらに、前記力率改善回路の入力電圧の実効値に応じて該力率改善回路のスイッチング素子のスイッチング周波数を設定する設定手段を備え、
前記交流電圧は、複数の定格電圧を有しており、
当該点灯装置は、定格点灯電圧が異なる2以上の点灯負荷に対応可能であり該2以上の点灯負荷のうちの1と接続可能であって、
前記力率改善回路で昇圧される昇圧電圧の設定値は、前記2以上の点灯負荷のうち定格点灯電圧が1番高い点灯負荷に対応した昇圧電圧で設定され、
前記設定手段は、前記入力電圧の実効値が低い場合の昇圧スイッチング周波数を、前記入力電圧の実効値が高い場合の昇圧スイッチング周波数よりも低減させることを特徴とする点灯装置。 - 請求項1記載の点灯装置において、点灯負荷が無負荷状態である場合、
前記力率改善回路は、無負荷状態の昇圧電圧を出力し、
前記設定手段は、前記入力電圧の実効値の高低に関わらず、一定の無負荷状態の昇圧電圧を設定することを特徴とする点灯装置。 - 請求項1または2記載の点灯装置において、前記設定手段は、前記入力電圧の実効値に応じて、前記昇圧スイッチング周波数を段階的に切り替えて低減させることを特徴とする点灯装置。
- 請求項1から3のいずれかに記載の点灯装置において、前記力率改善回路のスイッチング制御は、電流連続モードであることを特徴とする点灯装置。
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