JP7331582B2

JP7331582B2 - 電源装置

Info

Publication number: JP7331582B2
Application number: JP2019173687A
Authority: JP
Inventors: 達章石川; 信久長野
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2019-09-25
Publication date: 2023-08-23
Anticipated expiration: 2039-09-25
Also published as: JP2021052491A

Description

本発明の実施形態は、電源装置に関する。

従来、例えば、誘電バリア放電ランプ等の容量性の負荷に対してパルス電流を流すことで、負荷を駆動する電源装置が知られている。また、この種の電源装置は、トランスの両端に設けられたスイッチング素子が駆動回路から出力されるパルス信号によって交互にスイッチングを行うことで、負荷を駆動させる。

また、電源装置は、負荷に流れる電流を検出する回路が設けられ、検出される電流に基づいて負荷の異常等といった負荷状態を検出する技術が提案されている。

特開２００２－２３１４７８号公報

しかしながら、従来技術では、スイッチング素子の保護を図る点において改善の余地があった。

本発明が解決しようとする課題は、スイッチング素子を適切に保護することができる電源装置を提供することである。

実施形態に係る電源装置は、トランスと、判定回路と、駆動回路とを具備する。前記トランスは、１次巻線に電圧源が接続され、２次巻線に容量性の負荷が接続される。前記判定回路は、前記負荷が無負荷状態か否かを判定する。前記駆動回路は、前記判定回路による判定結果に応じたパルス信号を前記１次巻線の両端に接続されたスイッチング回路へ入力することで、前記負荷へ電圧を供給する。また、前記駆動回路は、前記負荷が無負荷状態である場合に、前記負荷が無負荷状態でない場合の前記パルス信号である基準パルス信号よりも前記パルス信号のデューティー比を小さくする。

本発明によれば、スイッチング素子を適切に保護することができる。

図１は、電源装置の構成を示す回路図である。図２は、パルス信号の一例を示す図である。図３は、パルス信号の一例を示す図である。図４は、パルス信号の一例を示す図である。図５は、電源装置が実行する処理手順を示すフローチャートである。図６は、判定回路の具体例を示す図である。図７は、電流値と負荷の状態との関係を示す模式図である。

以下で説明する実施形態に係る電源装置１は、トランス１３と、判定回路１４、１６と、駆動回路１１とを具備する。トランス１３は、１次巻線１３１に電圧源ＶＤＤが接続され、２次巻線１３２に容量性の負荷（ランプ１０）が接続される。判定回路１４、１６は、負荷が無負荷状態か否かを判定する。駆動回路１１は、判定回路１４、１６による判定結果に応じたパルス信号を１次巻線１３１の両端に接続されたスイッチング回路１２へ入力することで、負荷へ電圧を供給する。また、駆動回路１１は、負荷が無負荷状態である場合に、負荷が無負荷状態でない場合のパルス信号である基準パルス信号よりもパルス信号のデューティー比を小さくする。

また、以下で説明する実施形態に係る電源装置１において、駆動回路１１は、負荷に対する起動信号が入力された場合に、判定回路１４、１６の判定結果に応じたパルス信号を出力する。

また、以下で説明する実施形態に係る電源装置１において、駆動回路１１は、無負荷状態である場合に、基準パルス信号よりもパルス周期の長いパルス信号を出力する。

また、以下で説明する実施形態に係る電源装置１において、駆動回路１１は、無負荷状態である場合に、基準パルス信号よりもパルス幅の短いパルス信号を出力する。

以下、図面を参照して、実施形態に係る電源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、実施形態に係る電源装置１の構成例について説明する。図１は、実施形態に係る電源装置１の構成を示す回路図である。電源装置１は、容量性の負荷であるランプ１０に用いる電源装置である。また、図１に示すように、電源装置１は、駆動回路１１と、スイッチング回路１２と、トランス１３と、判定回路１４とを具備する。また、電源装置１は、ランプ１０に電流を供給する電圧源ＶＤＤに接続される。

ランプ１０は、容量性の負荷であり、例えば、誘電バリア放電ランプである。なお、ランプ１０は、容量性の負荷の一例であって、パルス電流により高周波駆動する負荷であれば任意の負荷を採用可能である。

駆動回路１１は、駆動信号を後述のスイッチング回路１２へ出力し、スイッチング回路１２により電圧源ＶＤＤの電圧をパルス状に変圧する。

また、駆動回路１１は、後述の判定回路１４によってランプ１０が無負荷状態であると判定された場合、無負荷状態でない場合のパルス信号である基準パルス信号よりもパルス信号のデューティー比を小さくすることで、スイッチング回路１２に備えられる第１スイッチング素子１２１および第２スイッチング素子１２２の保護を図ることができる。なお、この点の詳細については、図２～図４を用いて後述する。

なお、無負荷状態とは、ランプ１０が故障している等の異常状態や、ランプ１０が取り付けられていない状態等であり、電圧源ＶＤＤからの電流の供給が停止している状態である。

スイッチング回路１２は、第１スイッチング素子１２１および第２スイッチング素子１２２を備える、いわゆるプッシュプル方式の変圧回路である。図１に示す例において、第１スイッチング素子１２１および第２スイッチング素子１２２は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。第１スイッチング素子１２１および第２スイッチング素子１２２のドレインは、１次巻線１３１に接続され、ソースは、グランドに接続される。

駆動回路１１から出力されるパルス信号は、第１スイッチング素子１２１および第２スイッチング素子１２２のそれぞれのゲートに対して逆位相で入力される。これにより、トランス１３の１次巻線１３１に昇圧または降圧される電圧源ＶＤＤの電圧が印加される。

トランス１３は、絶縁型のトランスであり、１次巻線１３１と２次巻線１３２とを具備する。トランス１３は、１次巻線１３１にスイッチング回路１２および電圧源ＶＤＤが接続され、２次巻線１３２にランプ１０が接続される。トランス１３は、スイッチング回路１２によって変圧された電圧源ＶＤＤの電圧が１次巻線１３１に印加されることで、２次巻線１３２からランプ１０に対して駆動源となる電流が供給される。

判定回路１４は、カレントトランス１４０と、抵抗１４３と、ダイオード１４４と、コンデンサ１４５と、比較器１４６とを具備する。

カレントトランス１４０は、絶縁型のトランスであり、電圧源ＶＤＤおよびトランス１３の１次巻線１３１の間に設けられる。具体的には、カレントトランス１４０は、電圧源ＶＤＤおよび１次巻線１３１に接続される１次巻線１４１と、抵抗１４３およびコンデンサ１４５に接続される２次巻線１４２とを具備する。

電圧源ＶＤＤから出力される出力電流が１次巻線１４１を流れることで、２次巻線１４２において出力電流に応じた電流が生じる。このとき、２次巻線１４２側に生じる電流は、１次巻線１４１および２次巻線１４２の巻き数の比率に応じた電流値に変換される。すなわち、判定回路１４は、カレントトランス１４０により変換された電流に基づいてランプ１０の負荷状態を検出する。

そして、２次巻線１４２側に生じる電流は、抵抗１４３、ダイオード１４４およびコンデンサ１４５によって整流および平滑されることで、電流が交流から直流に変換されて、比較器１４６に入力される。

そして、比較器１４６は、直流に変換された電流と所定の基準電流とを比較し、比較結果を駆動回路１１へ出力する。具体的には、比較器１４６は、２次巻線１４２から入力された電流と基準電流との電流値の大小関係を示す比較結果を駆動回路１１へ出力する。このように、比較器１４６を用いることで、ランプ１０の無負荷状態を容易に判定することができる。

駆動回路１１は、比較器１４６の比較結果に基づいて、第１スイッチング素子１２１および第２スイッチング素子１２２へそれぞれ入力するパルス信号を変更することになる。次に、図２～図４を用いて、パルス信号の具体例について説明する。図２～図４は、パルス信号の一例を示す図である。なお、以下では、ランプ１０が負荷として正常に機能している場合のパルス信号を「基準パルス信号」、ランプ１０が負荷として機能していない無負荷状態のパルス信号を「異常パルス信号」とそれぞれ記載する。

図２に示すように、駆動回路１１は、基準パルス信号と、異常パルス信号とでデューティー比が異なるパルス信号を出力する。具体的には、図２のＡおよび図２のＢに示すように、基準パルス信号のパルス幅およびパルス周期をパルス幅Ｗ１およびパルス周期ｆ１とし、異常パルス信号のパルス幅およびパルス周期をパルス幅Ｗ２およびパルス周期ｆ２とする。なお、ここでのパルス幅は、パルス信号がオンを示している期間を示す。図２に示すように、パルス幅Ｗ２は、パルス幅Ｗ１に比べて短く、パルス周期ｆ２は、パルス周期ｆ１に比べて長い。つまり、異常パルス信号は、基準パルス信号にデューティー比が短いパルス信号である。

異常パルス信号において、基準パルス信号に比べてパルス幅を短くすることで、第１スイッチング素子１２１または第２スイッチング素子１２２にパルス信号が印加される時間を短くすることができ、パルス周期を長くすることで、パルス信号が印加される頻度を抑えることができる。

このように、駆動回路１１は、無負荷状態において、基準パルス信号に比べてデューティー比の小さい異常パルス信号を第１スイッチング素子１２１または第２スイッチング素子１２２へ入力することで、第１スイッチング素子１２１または第２スイッチング素子１２２の消耗を抑制することができる。

つまり、駆動回路１１は、無負荷状態において、異常パルス信号を出力することで、スイッチング素子を適切に保護することができる。なお、ここでは、基準パルス信号から異常パルス信号のパルス幅およびパルス周期の双方を変更することで、デューティー比を小さくする場合について説明したがこれに限定されるものではない。

具体的には、図３に示すように、基準パルス信号および異常パルス信号の双方のパルス幅をパルス幅Ｗ１とし、異常パルス信号のパルス周期ｆ２を基準パルス信号のパルス周期ｆ１よりも長くすることにしてもよい。

また、図４に示すように、基準パルス信号と異常パルス信号の双方のパルス周期をパルス周期ｆ１とし、異常パルス信号のパルス幅Ｗ２を基準パルス信号のパルス幅Ｗ１よりも短くすることにしてもよい。

図３および図４に示す例においても、基準パルス信号に比べて異常パルス信号のデューティー比を小さくすることができるので、スイッチング素子を適切に保護することができる。

ところで、異常パルス信号において、パルス幅を極端に短くすること、スイッチング素子の応答速度が追い付かずない場合がある。特に、スイッチング素子に高耐圧性の素子を用いると、パルス信号に対する応答速度が減少する。このため、異常パルス信号におけるパルス幅の下限値は、例えば、おおよそ２μ秒であることが好ましい。なお、スイッチング素子の応答速度が十分に早い場合には、パルス幅の下限値は、２μ秒以下であってもよいことは言うまでもない。

次に、図５を用いて、実施形態に係る電源装置１が実行する処理手順について説明する。なお、以下に示す処理手順は、駆動回路１１によって実行される。また、図５では、ランプ１０の設置後を想定した処理手順を示す。

図５に示すように、まず、電源装置１は、ランプ１０に対する起動信号を検知したか否かを判定する（ステップＳ１０１）。ここで、起動信号は、例えば、不図示の外部スイッチなどから入力される信号であり、ユーザがランプ１０を点灯させる操作を行った場合に、起動信号が駆動回路１１に入力される。

電源装置１は、ステップＳ１０１の判定において、起動信号を検知した場合に（ステップＳ１０１，Ｙｅｓ）、比較器１４６から入力される信号に基づいて、ランプ１０が無負荷状態か否かを判定する（ステップＳ１０２）。

電源装置１は、ステップＳ１０２の判定において、ランプ１０が無負荷状態でなかった場合（ステップＳ１０２，Ｎｏ）、基準パルス信号を出力して（ステップＳ１０３）、処理を終了する。一方、電源装置１は、ステップＳ１０２の判定において、ランプ１０が無負荷状態であった場合（ステップＳ１０２，Ｙｅｓ）、基準パルス信号よりもデューティー比の小さい異常パルス信号を出力し（ステップＳ１０４）、処理を終了する。また、電源装置１は、ステップＳ１０１の判定において、起動信号を検知しなかった場合に（ステップＳ１０１，Ｎｏ）、そのまま処理を終了する。

なお、図５では、起動信号をトリガとしてステップＳ１０２以降の処理を行う場合について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、電源装置１は、ランプ１０の点灯時において、無負荷状態を検知した場合に、異常パルス信号を出力することにしてもよい。

上述したように、実施形態に係る電源装置１は、トランス１３と、判定回路１４と、駆動回路１１とを具備する。トランス１３は、１次巻線１３１に電圧源ＶＤＤが接続され、２次巻線１３２に容量性のランプ１０（負荷の一例に対応）が接続される。判定回路１４は、負荷が無負荷状態か否かを判定する。

駆動回路１１は、判定回路１４による判定結果に応じたパルス信号を１次巻線１３１の両端に接続されたスイッチング回路１２、具体的にはスイッチング素子１２１、１２２へ入力することで、負荷へ電圧を供給する。また、駆動回路１１は、負荷が無負荷状態である場合に、負荷が無負荷状態でない場合のパルス信号である基準パルス信号よりもパルス信号のデューティー比を小さくする。したがって、実施形態に係る電源装置１によれば、スイッチング素子を適切に保護することができる。

ところで、上述した実施形態では、判定回路１４が、カレントトランス１４０を用いて負荷に流れる電流を検出する場合について説明したが、これに限定されるものではない。そこで、以下では、判定回路が検出抵抗によって負荷に流れる電流を検出する場合について説明する。

図６は、判定回路の一例を示す図である。図６に示すように、判定回路１６は、抵抗１６１と、比較器１６２とを具備する。抵抗１６１は、第１スイッチング素子１２１および第２スイッチング素子１２２のソース側に流れる電流を検出するための抵抗である。

図６に示すように、抵抗１６１は、一端が第１スイッチング素子１２１および第２スイッチング素子１２２のソースに接続され、他端がグランドに接続される。また、図６に示す例では、抵抗１６１の両端が比較器１６２に接続される。

比較器１６２は、抵抗１６１に流れる電流と所定の基準電流とを比較することで、ランプ１０が無負荷状態か否かを判定する。具体的には、ランプ１０が無負荷状態である場合、ランプ１０が負荷として機能する場合に比べて、少ない電流が抵抗１６１に流れる。このため、比較器１６２は、抵抗１６１に流れる電流が基準電流よりも低い場合、ランプ１０が無負荷状態にあると判定することになる。

ところで、抵抗１６１は、ランプ１０に流れる過電流の検出に適用することができる。すなわち、判定回路１６を用いて、過電流を検出することができる。図７は、電流値と負荷の状態との関係を示す模式図である。なお、図７の縦軸に示す電流値は、抵抗１６１に流れる電流の大きさを示す。

図７に示すように、電流値が下限閾値ｔｈ１以下である場合、ランプ２０が無負荷状態であることを示し、電流値が下限閾値ｔｈ１よりも大きい上限閾値ｔｈ２よりも大きい場合、ランプ１０に過電流が流れていることを示す。

つまり、判定回路１６は、電流値が上限閾値ｔｈ２未満であり、かつ、下限閾値ｔｈ１よりも大きい場合に、ランプ１０が正常な状態にあると判定することになる。なお、下限閾値ｔｈ１および上限閾値ｔｈ２の具体的な値については、実験等によって適宜決定することとすればよい。

ところで、上述した実施形態では、トランス１３に１つの負荷が接続される場合について説明したが、トランス１３に複数の負荷が接続されることにしてもよい。また、直列配置された複数の２次巻線１３２により、トランス１３を構成することも可能である。

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電源装置
１０ランプ
１１駆動回路
１２スイッチング回路
１３トランス
１４、１６判定回路
１２１第１スイッチング素子
１２２第２スイッチング素子
１３１，１４１１次巻線
１３２，１４２２次巻線
１４０カレントトランス
１４３抵抗
１４４ダイオード
１４５コンデンサ
１４６比較器
１６１抵抗
１６２比較器
ＶＤＤ電圧源

Claims

第１の１次巻線に電圧源が接続され、第１の２次巻線に容量性の負荷が接続されるトランスと；
前記負荷が無負荷状態か否かを判定する判定回路と；
前記判定回路による判定結果に応じたパルス信号を前記第１の１次巻線の両端に接続されたスイッチング回路へ入力することで、前記負荷へ電圧を供給する駆動回路と；
を具備し、
前記駆動回路は、
前記負荷が無負荷状態である場合に、前記負荷が無負荷状態でない場合の前記パルス信号である基準パルス信号よりも前記パルス信号のデューティー比を小さくし、
前記判定回路は、
前記電圧源と前記第１の１次巻線との間に接続される第２の１次巻線と、第２の２次巻線とを具備するカレントトランスを有し、前記第２の２次巻線に流れる電流に基づいて、前記負荷が無負荷状態か否かを判定する、
電源装置。
前記駆動回路は、
前記負荷に対する起動信号が入力された場合に、前記判定回路の判定結果に応じた前記パルス信号を出力する、
請求項１に記載の電源装置。
前記駆動回路は、
前記無負荷状態である場合に、前記基準パルス信号よりもパルス周期の長い前記パルス信号を出力する、
請求項１または２に記載の電源装置。
前記駆動回路は、
前記無負荷状態である場合に、前記基準パルス信号よりもパルス幅の短い前記パルス信号を出力する、
請求項１～３のいずれか一つに記載の電源装置。