JP7188065B2

JP7188065B2 - 点灯装置

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Publication number: JP7188065B2
Application number: JP2018245090A
Authority: JP
Inventors: 晋也毛利
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2022-12-13
Anticipated expiration: 2038-12-27
Also published as: JP2020107489A

Description

本発明の実施形態は、点灯装置に関する。

従来、例えば、紫外線ランプ等の放電灯の点灯を制御する点灯装置が提案されている。この種の点灯装置では、コンバータ回路の制御により出力電力を制御する技術が提案されている。

特開２０１６－１８９６５４号公報

しかしながら、従来の点灯装置は、ランプの使用目的により必要となる出力電力が異なったり、使用される国によって電源電圧が異なったりするため、条件に合致した入出力特性となるように専用品を設計するケースが多く、その結果、開発コストが嵩んだり、開発期間が長くなったりするおそれがあった。

本発明が解決しようとする課題は、広範囲な入出力特性を実現できる点灯装置を提供することを目的とする。

実施形態に係る点灯装置は、ランプに電力を印加する。点灯装置は、コンバータ回路と、インバータ回路と、リーケージトランスと、制御回路とを具備する。前記コンバータ回路は、電源から供給される電圧をスイッチングにより降圧する。前記インバータ回路は、前記コンバータ回路から出力される電力をスイッチングにより直流から交流へ変換する。前記リーケージトランスは、１次巻線側に前記インバータ回路が接続され、２次巻線側にランプが接続される。前記制御回路は、前記コンバータ回路および前記インバータ回路を駆動することで、前記リーケージトランスに印加される電流を一定に制御する定電流制御と、前記リーケージトランスに印加される電力を一定に制御する定電力制御とを行う。

本発明によれば、広範囲な入出力特性を実現できる。

実施形態に係る照射装置の構成例を示す図である。制御回路による定電流制御および定電力制御を説明するための図である。コンバータ回路の回路構成を示す図である。コンバータ回路のスイッチング制御を示す図である。インバータ回路の回路構成を示す図である。インバータ回路における周波数制御を示す図である。インバータ回路におけるＰＷＭ制御を示す図である。

以下で説明する実施形態に係る点灯装置１０は、ランプ１００に電力を印加する。点灯装置１０は、コンバータ回路１４と、インバータ回路１５と、リーケージトランス１６と、制御回路１１とを具備する。コンバータ回路１４は、電源１１０から供給される電圧をスイッチングにより降圧する。インバータ回路１５は、コンバータ回路１４から出力される電力をスイッチングにより直流から交流へ変換する。リーケージトランス１６は、１次巻線１６１側にインバータ回路１５が接続され、２次巻線１６２側にランプ１００が接続される。制御回路１１は、コンバータ回路１４およびインバータ回路１５を駆動することで、リーケージトランス１６に印加される電流を一定に制御する定電流制御と、リーケージトランス１６に印加される電力を一定に制御する定電力制御とを行う。

以下で説明する実施形態に係る点灯装置１０において、制御回路１１は、コンバータ回路１４について、リーケージトランス１６に印加される電圧を一定に制御する定電圧制御と、定電流制御とを行う。

以下で説明する実施形態に係る点灯装置１０において、制御回路１１は、インバータ回路１５について、スイッチングの休止区間を固定してスイッチング周波数を変更する周波数制御と、スイッチング周波数を固定して休止区間を変更するＰＷＭ制御とのうち、いずれかの制御を実行して、リーケージトランス１６に印加される電力を制御する。

以下で説明する実施形態に係る点灯装置１０において、制御回路１１は、電源１１０の入力電圧およびランプ１００の設定照度に応じた出力電力に基づき決定される出力電圧がコンバータ回路１４の出力可能な電圧範囲外である場合に、インバータ回路１５について、周波数制御を行う。

以下で説明する実施形態に係る点灯装置１０において、制御回路１１は、出力電圧が周波数制御の出力可能な電圧範囲外である場合に、ＰＷＭ制御を行う。

以下、図面を参照して、実施形態に係る点灯装置について説明する。実施形態において同一の部位には同一の符号を付し、重複する説明は省略される。

（実施形態）
まず、図１を用いて、実施形態に係る照射装置１の構成例について説明する。図１は、実施形態に係る照射装置１の構成例を示す図である。図１に示すように、実施形態に係る照射装置１は、点灯装置１０と、ランプ１００と具備する。点灯装置１０は、ランプ１００に電力を印加する。点灯装置１０は、電源１１０に接続される。電源１１０は、交流電源である。

ランプ１００は、例えば、紫外線を照射する放電ランプである。ランプ１００は、例えば、大型船舶等のバラスト水処理における殺菌工程や、半導体の露光工程、紫外線硬化型インクや紫外線硬化塗料の乾燥工程、紫外線硬化型樹脂の硬化工程等の紫外線による光化学反応を必要とする工程等で用いられる光源である。

点灯装置１０は、電源１１０から供給される電力をランプ１００の電力特性に合致した電力に変換してランプ１００に印加することで、ランプ１００を点灯させる。図１に示すように、点灯装置１０は、制御回路１１と、フィルタ回路１２と、整流回路１３と、コンバータ回路１４と、インバータ回路１５と、リーケージトランス１６とを具備する。

制御回路１１は、電源１１０の入力電圧およびランプ１００の設定照度に応じた出力電力に基づいてコンバータ回路１４およびインバータ回路１５を駆動することで、電源１１０から供給される電力を出力電力に変換し、ランプ１００に印加する。

つまり、実施形態に係る制御回路１１は、コンバータ回路１４およびインバータ回路１５の双方を制御して出力電力に変換するため、従来の制御回路のように、コンバータ回路のみを制御して出力電力を変換する場合に比べて、幅広い入力電圧に対応できるとともに、出力電力の電力幅もワイド化できる。すなわち、実施形態に係る制御回路１１によれば、広範囲な入出力特性を実現できる。なお、制御回路１１の詳細な制御については後述する。

フィルタ回路１２は、いわゆるノイズ除去回路であり、電源１１０から供給される電圧や電流のリップル成分を除去する。これにより、後段の整流回路１３により直流化された電圧や電流において生じるノイズ成分を低減できる。

整流回路１３は、例えば、ダイオード等を含み、電源１１０から供給される電力を交流から直流に変換する。

コンバータ回路１４は、制御回路１１の制御により、電源１１０から供給される電圧をスイッチングにより降圧する。また、コンバータ回路１４は、リーケージトランス１６に印加される電流を一定に制御する定電流制御と、リーケージトランス１６に印加される電圧を一定に制御する定電圧制御とを行う。なお、コンバータ回路１４の詳細な回路構成や制御については、図３および図４を用いて後述する。

インバータ回路１５は、制御回路１１の制御により、コンバータ回路１４から出力される電力をスイッチングにより直流から交流に変換する。また、インバータ回路１５は、制御回路１１の制御により、リーケージトランス１６に印加される電力量を増減する。なお、インバータ回路１５の詳細な回路構成や制御については、図５～図７を用いて後述する。

リーケージトランス１６は、１次巻線１６１側にインバータ回路１５が接続され、２次巻線１６２側にランプ１００が接続される。また、リーケージトランス１６は、ランプ１００の起動直後においては、ランプ１００側での電圧の急降下による疑似的な短絡状態が発生した場合に、ランプ１００側に過電流が発生しない特性を有する。

また、リーケージトランス１６のこのような特性とともに、制御回路１１は、定電流制御および定電力制御を行うことで、ランプ１００の起動時に電源１１０から過電流が供給されないようにする。ここで、図２を用いて、ランプ１００の起動時における定電流制御および定電力制御について具体的に説明する。

図２は、制御回路１１による定電流制御および定電力制御を説明するための図である。図２では、ランプ１００の起動時にリーケージトランス１６の２次巻線１６２側における電圧および電流をグラフで示す。なお、図２に示すグラフでは、縦軸には、電圧、または、電流を示し、横軸には、ランプ１００の起動時（左端）からの経過時間を示す。

図２に示すように、ランプ１００の点灯までの期間は、絶縁破壊するための電圧が上昇する。そして、ランプ１００の点灯後、電圧が急降下し電流が急上昇することで、疑似的な短絡状態となる。

そのため、制御回路１１は、ランプ１００の点灯後において、疑似的な短絡状態となるタイミングで、リーケージトランス１６（２次巻線１６２側）に印加される電流を一定にする定電流制御を行う。具体的には、制御回路１１は、リーケージトランス１６に印加される電圧をモニターし、かかる電圧が所定値未満となった場合に、後述するコンバータ回路１４のスイッチ素子１４１（図３参照）のＰＷＭ制御におけるＤｕｔｙを低下させて定電流制御を行う。これにより、電圧が所定値未満に低下して疑似的な短絡状態となった場合に、電源１１０からリーケージトランス１６に大電流が供給されることを抑制できるため、電力消費と部品の破壊を抑えることができる。

そして、制御回路１１は、電圧が上昇して疑似的な短絡状態が解消された場合、定電流制御から定電力制御に切り替える。つまり、制御回路１１は、リーケージトランス１６に印加される電力を一定する定電力制御を行う。

なお、かかる定電力制御では、制御回路１１は、電源１１０の入力電圧およびランプ１００の設定照度に応じた出力電力に基づき制御値を決定し、かかる制御値に基づいてコンバータ回路１４およびインバータ回路１５を同時に、または、個別に制御する。以下、図３～図７を用いて、コンバータ回路１４およびインバータ回路１５の回路構成および制御について説明する。

まず、図３および図４を用いて、コンバータ回路１４の回路構成および制御について説明する。図３は、コンバータ回路１４の回路構成を示す図である。図４は、コンバータ回路１４のスイッチング制御を示す図である。

図３に示すように、コンバータ回路１４は、入力電圧Ｖｉｎを降圧して出力電圧Ｖｄｃとしてインバータ回路１５へ出力する降圧回路であり、例えば、降圧チョッパ回路である。具体的には、コンバータ回路１４は、スイッチ素子１４１と、ダイオード１４２と、コイル１４３と、平滑コンデンサ１４４とを具備する。

スイッチ素子１４１は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor）等の半導体スイッチ素子である。スイッチ素子１４１のソースは、ダイオード１４２およびコイル１４３に接続される。スイッチ素子１４１のドレインは、整流回路１３（図１参照）に接続される。

スイッチ素子１４１のゲートは、制御回路１１に接続され、制御回路１１から出力される制御信号が入力される。制御信号は、上述した制御値に基づいたＰＷＭ制御（定電圧制御の一例）のための信号であり、具体的には、制御値に基づき決定されたＤｕｔｙのＰＷＭ信号である。

ダイオード１４２のカソードは、スイッチ素子１４１と、コイル１４３とに接続される。ダイオード１４２のアノードは、平滑コンデンサ１４４と、整流回路１３とに接続される。

平滑コンデンサ１４４の一端は、コイル１４３と、インバータ回路１５とに接続される。平滑コンデンサ１４４の他端は、ダイオード１４２と、整流回路１３と、インバータ回路１５とに接続される。

次に、図４を用いて、コンバータ回路１４のスイッチ素子１４１に入力される制御信号について説明する。図４では、電源１１０の入力電圧が２００Ｖの場合と、４４０Ｖの場合とにおける制御信号のＤｕｔｙと、リーケージトランス１６に印加される出力電力との関係をグラフに示す。図４では、縦軸に、制御信号のＤｕｔｙを示し、横軸に、出力電力を示す。

制御回路１１は、電源１１０の入力電圧と、ランプ１００の設定照度に応じた出力電力とに基づいてＤｕｔｙ（制御値）を決定し、ＰＷＭ信号としてスイッチ素子１４１のゲートに入力する。

具体的には、図３に示す例では、制御回路１１は、入力電圧が２００Ｖの場合、ＤｕｔｙがＤ２ａ～Ｄ２ｂ％の範囲内となる制御信号を出力可能であり、入力電圧が４４０Ｖの場合、ＤｕｔｙがＤ１ａ～Ｄ１ｂ％の範囲内となる制御信号を出力可能である。

換言すれば、コンバータ回路１４の出力可能な電圧範囲は、２００Ｖについては、ＤｕｔｙがＤ２ａ～Ｄ２ｂ％の範囲で出力される電圧範囲であり、４４０Ｖについては、ＤｕｔｙがＤ１ａ～Ｄ１ｂ％の範囲で出力される電圧範囲である。

なお、制御回路１１は、点灯装置１０の操作者の入力操作により、入力電圧や、出力電力の情報を受け付けてもよく、あるいは、入力電圧については、電源１１０の電圧を検出するセンサを設け、かかるセンサの検出値を入力電圧として取得してもよい。

このように、入力電圧に応じたＤｕｔｙの制御信号によりコンバータ回路１４を制御することで、幅広い入力電圧に対応することができる。なお、図４に示す入力電圧やＤｕｔｙは、一例であって、コンバータ回路１４の素子の耐圧を超えない範囲であれば、任意の値を採用可能である。

また、図３では、コンバータ回路１４として、降圧チョッパ回路を示したが、降圧チョッパ回路に限定されず、電源１１０やランプ１００の電力特性に応じて、様々な方式のコンバータ回路を採用可能である。

なお、制御回路１１は、入力電圧および出力電力に決定されるＤｕｔｙに基づいた電圧が、コンバータ回路１４の出力可能な電圧範囲である場合、コンバータ回路１４の制御のみでリーケージトランス１６に印加される出力電力を制御する。一方、制御回路１１は、入力電圧および出力電力に決定されるＤｕｔｙが、コンバータ回路１４の出力可能な電圧範囲外である場合、コンバータ回路１４の制御に加えて、インバータ回路１５の制御を併用してリーケージトランス１６に印加される出力電力を制御する。

ここで、図５～図７を用いて、インバータ回路１５の回路構成および制御について具体的に説明する。図５は、インバータ回路１５の回路構成を示す図である。図６は、インバータ回路１５における周波数制御を示す図である。図７は、インバータ回路１５におけるＰＷＭ制御を示す図である。

図５に示すように、インバータ回路１５は、コンバータ回路１４の出力電圧Ｖｄｃが入力側に印加され、出力電圧Ｖｄｃを直流から交流に変換する回路であり、例えば、フルブリッジ回路である。具体的には、インバータ回路１５は、４つのスイッチ素子１５１，１５２，１５３，１５４を具備する。

スイッチ素子１５１，１５２，１５３，１５４は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor）等の半導体スイッチ素子である。

リーケージトランス１６の１次巻線１６１の一端は、スイッチ素子１５１のソースと、スイッチ素子１５２のドレインとに接続される。１次巻線１６１の他端は、スイッチ素子１５３のソースと、スイッチ素子１５４のドレインとに接続される。

スイッチ素子１５１のドレイン、スイッチ素子１５３のドレイン、スイッチ素子１５２のソースおよびスイッチ素子１５４のソースは、コンバータ回路１４に接続される。

スイッチ素子１５１，１５２，１５３，１５４のゲートは、制御回路１１に接続され、制御回路１１から出力される制御信号が入力される。制御信号は、上述した制御値に基づいた周波数制御、または、ＰＷＭ制御のための信号である。

例えば、制御回路１１は、制御値に基づく出力電圧がコンバータ回路１４の出力可能な電圧範囲に収まる場合、電力を直流から交流に変換する制御のみを行い、電力量の調整は行わない。一方、上記したように、制御回路１１は、コンバータ回路１４の出力可能な電圧範囲外である場合に、インバータ回路１５を周波数制御、または、ＰＷＭ制御して、リーケージトランス１６に印加される出力電力の調整を行う。周波数制御とは、スイッチングの休止区間（スイッチ素子１５１，１５２，１５３，１５４すべてがオフの期間）を固定してスイッチング周波数を変更する制御であり、ＰＷＭ制御は、スイッチング周波数を固定して休止区間を変更する制御である。ここで、図６および図７を用いて、周波数制御およびＰＷＭ制御について説明する。

図６は、インバータ回路１５における周波数制御を示す図である。図７は、インバータ回路１５におけるＰＷＭ制御を示す図である。図６では、縦軸に、出力電力を示し、横軸に、スイッチング周波数を示す。図７では、縦軸に、出力電力を示し、横軸に、ＰＷＭ制御におけるＤｕｔｙを示す。

例えば、電源１１０が２００Ｖである場合において、指定されるランプ１００の出力電力が所定値未満の低電圧であるために、コンバータ回路１４でのＤｕｔｙをＤ２ａ％未満（図４参照）とする必要があるときに、制御回路１１は、コンバータ回路１４のＤｕｔｙをＤ２ａ％に設定し、インバータ回路１５側で周波数制御またはＰＷＭ制御を行う。

具体的には、制御回路１１は、電源１１０の入力電圧およびランプ１００の設定照度に応じた出力電力に基づき決定される出力電圧がコンバータ回路１４の出力可能な電圧範囲を下回る場合、インバータ回路１５について、周波数制御を行う。

より具体的には、図６に示すように、制御回路１１によりインバータ回路１５のスイッチング周波数を高くするほど、出力電力が低くなる。これは、インバータ回路１５のスイッチング周波数を変化させることで、リーケージトランス１６の周波数特性によるインピーダンスが変化するためである。これにより、コンバータ回路１４の出力可能な電圧範囲を下回る電圧をリーケージトランス１６に印加できるため、ランプ１００に印加する出力電力を低くできる、すなわち、出力電力をワイド化できる。

また、図６に示すように、周波数制御では、スイッチング周波数が所定値Ｄ３ｂ以上の場合は、所定の出力電力Ｗ１１付近に収束する。このため、所定の出力電力Ｗ１１以下の出力電力が必要となる場合には、周波数制御から図７に示すＰＷＭ制御に切り替える。

つまり、制御回路１１は、リーケージトランス１６に印加する出力電圧が周波数制御の出力可能な電圧範囲を下回る場合、ＰＷＭ制御を行う。具体的には、図７に示すように、ＰＷＭ制御では、制御回路１１によりＤｕｔｙを低くするほど（図７のＤｕｔｙＤ４ａ側に近づくほど）、つまり、スイッチングの休止区間を長くするほど、出力電力が低くなる。これは、Ｄｕｔｙを変化させることで、リーケージトランス１６に電圧が印加される時間が変化するためである。これにより、ランプ１００に印加する出力電力の更なるワイド化を実現できる。

なお、制御回路１１は、出力電圧がコンバータ回路１４の出力可能な電圧範囲を下回る場合に限らず、上回る場合についても、インバータ回路１５の周波数制御またはＰＷＭ制御を行ってもよい。

例えば、電源１１０が２００Ｖである場合において、指定されるランプ１００の出力電力が所定値以上の高電圧であるために、コンバータ回路１４でのＤｕｔｙをＤ２ｂ％を超える値（図４参照）とする必要があるときに、制御回路１１は、コンバータ回路１４のＤｕｔｙをＤ２ｂ％に設定し、インバータ回路１５側で周波数制御またはＰＷＭ制御を行う。

具体的には、制御回路１１は、電源１１０の入力電圧およびランプ１００の設定照度に応じた出力電力に基づき決定される出力電圧がコンバータ回路１４の出力可能な電圧範囲を上回る場合、インバータ回路１５について、周波数制御を行う。

より具体的には、図６に示すように、制御回路１１によりインバータ回路１５のスイッチング周波数を低くするほど、出力電力が高くなる。これにより、コンバータ回路１４の出力可能な電圧範囲を上回る電圧をリーケージトランス１６に印加できるため、ランプ１００に印加する出力電力を高くできる、すなわち、出力電力をワイド化できる。

また、図６に示すように、周波数制御では、スイッチング周波数が所定値Ｄ３ａ未満で、出力電力Ｗ２１以上の場合は、単位周波数あたりに増加する出力電力が多くなる。このため、所定の出力電力Ｗ２１以上の出力電力が必要となる場合には、周波数制御から図７に示すＰＷＭ制御に切り替える。

つまり、制御回路１１は、リーケージトランス１６に印加する出力電圧が周波数制御の出力可能な電圧範囲を上回る場合、ＰＷＭ制御を行う。具体的には、図７に示すように、ＰＷＭ制御では、制御回路１１によりＤｕｔｙを高くするほど（図７のＤｕｔｙＤ４ｂ側に近づくほど）、つまり、スイッチングの休止区間を短くするほど、出力電力が高くなる。これにより、高出力時における出力電力の微調整が容易になるとともに、ランプ１００に印加する出力電力の更なるワイド化を実現できる。

上述したように、実施形態に係る点灯装置１０は、ランプ１００に電力を印加する。点灯装置１００は、コンバータ回路１４と、インバータ回路１５と、リーケージトランス１６と、制御回路１１とを具備する。コンバータ回路１４は、電源１１０から供給される電圧をスイッチングにより降圧する。インバータ回路１５は、コンバータ回路１４から出力される電力をスイッチングにより直流から交流へ変換する。リーケージトランス１６は、１次巻線１６１側にインバータ回路１５が接続され、２次巻線１６２側にランプ１００が接続される。制御回路１１は、コンバータ回路１４およびインバータ回路１５を駆動することで、リーケージトランス１６に印加される電流を一定に制御する定電流制御と、リーケージトランス１６に印加される電力を一定に制御する定電力制御とを行う。これにより、広範囲な入出力特性を実現できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１照射装置
１０点灯装置
１１制御回路
１２フィルタ回路
１３整流回路
１４コンバータ回路
１５インバータ回路
１６リーケージトランス
１００ランプ
１１０電源
１４１スイッチ素子
１４２ダイオード
１４３コイル
１４４平滑コンデンサ
１５１～１５４スイッチ素子
１６１１次巻線
１６２２次巻線

Claims

ランプに電力を印加する点灯装置であって、
電源から供給される電圧をスイッチングにより降圧するコンバータ回路と；
前記コンバータ回路から出力される電力をスイッチングにより直流から交流へ変換するインバータ回路と；
１次巻線側に前記インバータ回路が接続され、２次巻線側に前記ランプが接続されるリーケージトランスと；
前記コンバータ回路および前記インバータ回路を駆動することで、前記リーケージトランスの前記２次巻線側に印加される電流を一定に制御する定電流制御と、前記リーケージトランスの前記２次巻線側に印加される電力を一定に制御する定電力制御とを行う制御回路と；
を具備し、
前記制御回路は、
前記ランプの点灯後において、前記リーケージトランスの前記２次巻線側に印加される電圧が、第１の所定値未満になった場合に、前記定電流制御を開始し、その後、前記電圧が第２の所定値より大きくなった場合に、前記定電流制御から前記定電力制御に切り替え、前記定電力制御を行い、前記インバータ回路について、スイッチングの休止区間を固定してスイッチング周波数を変更する周波数制御と、前記スイッチング周波数を固定して前記休止区間を変更するＰＷＭ制御とのうち、いずれかの制御を実行して、前記電力を制御する
点灯装置。
前記制御回路は、
前記電源の入力電圧および前記ランプの設定照度に応じた出力電力に基づき決定される出力電圧が前記コンバータ回路の出力可能な電圧範囲外である場合に、前記インバータ回路について、前記周波数制御を行う
請求項１に記載の点灯装置。
前記制御回路は、
前記出力電圧が前記周波数制御の出力可能な電圧範囲外である場合に、前記ＰＷＭ制御を行う
請求項２に記載の点灯装置。