JPH11507176A - 力率補正機能を有する単一スイッチ・バラスト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電子式バラスト（２００）は、整流回路（２０），エネルギ蓄積インダクタ（３８），パワー・スイッチ（５８），パワー・スイッチ（５８）を駆動する制御回路（５０），クランプ・ダイオード（４６），電圧クランプ・コンデンサ（５４），バルク・コンデンサ（３４），および電力を１本以上の蛍光灯（１００）に供給する出力回路（７０）を含む。好適実施例では、整流回路（２０）は、全波ダイオード・ブリッジ（２２）および高周波数フィルタ・コンデンサ（２４）を含み、出力回路（７０）は、共振インダクタ（７２），共振コンデンサ（８２），およびｄｃ遮断コンデンサ（８８）を有する。バラスト（２００）は、力率補正を行い、かつ蛍光灯に高周波数電力を供給するが、単一のパワー・スイッチ（５８）および単一のエネルギ蓄積インダクタ（３８）を必要とするに過ぎない。

Description

【発明の詳細な説明】 力率補正機能を有する単一スイッチ・バラスト 発明の分野 本発明は、バラスト(ballast)一般に関し、特に、力率補正機能を有する単一 スイッチ・バラストに関するものである。 発明の背景 従来の磁気コイル式バラストは、低い電力効率や高いフリッカ等のように多く の動作上の欠点を有する。電子式バラストは、磁気式バラストの欠点を克服する が、金銭的に比較的高コストである。 一般的なタイプの電子式バラストは、整流回路，力率補正を行うＤＣ−ＤＣス イッチング変換器，高周波数反転器，および出力回路を含む。かかるバラストは 、典型的に、多数の他の素子に加えて、３つ以上のパワー・トランジスタ・スイ ッチを必要とする。素子の内、インダクタや変圧器のような磁気素子は、典型的 に、最もコストが高く、製造が最も難しい。その複雑性および素子数の多さのた め、結果的に得られるバラストは高価となり、したがって比較的低 コストの磁気式バラストには太刀打ちできない。 近年、磁気式バラストの低い金銭的コストと競合しつつも、高いエネルギ効率 ，無視し得るフリッカ，高い力率，および低い高調波歪みのような鍵となる性能 上の利点を犠牲にすることのない電子式バラスト回路を考案する努力がなされて きた。 米国特許番号第５，３９９，９４４号は、力率補正変換器および高周波数反転 器の機能を組み合わせ、パワー・トランジスタ・スイッチ１つだけあればよい単 一の変換器段とすることにより、素子数および生産コストの大幅な減少を達成し た新規な電子式バラスト回路を開示する。この単一の変換器段は、２つの別個の 磁気素子を含む。その１つは力率補正に供するインダクタであり、他方はトラン ジスタ・スイッチ間のピーク電圧を制限する「クランプ」インダクタとして機能 する。磁気素子は、電子式バラストに用いられる内でも最も大型かつ高価な素子 に入り、したがって材料コストおよび製造コストの削減という目的から大きく外 れるため、磁気素子の数を減らすかあるいは最小限に止める新たなバラスト回路 を開発するという大きな勢力(impetus)が存在する。 したがって、必要な磁気素子の数を最少に抑え、物理的サイズの縮小ならびに 材料コストおよび製造コストの低下を図りつつも、これらを行う際に高い力率や ａｃ線電流における低い高調波歪みのような重要な利点を犠牲にするこ とのない、電子式バラストがあれば、従来技術に対して大幅な改善となることは 明白である。 図面の簡単な説明 第１図は、本発明による、単一のパワー・スイッチおよび単一のエネルギ蓄積 インダクタを含む、電子式バラストを示す。 第２図は、本発明による電子式バラスト回路の好適実施例の構成図である。 第３図Ａおよび第３図Ｂは、本発明による別の出力回路である。 第４図Ａおよび第４図Ｂは、本発明による、パワー・スイッチが開いている期 間および閉じている期間における、第２図の電子式バラストの一部の等価回路図 である。 実施例の詳細な説明 第１図は、１本以上の蛍光灯から成る蛍光灯負荷１００を駆動するための電子 式バラスト２００を示す。バラスト２００は、整流回路２０，エネルギ蓄積イン ダクタ３８，パワー・スイッチ５８，パワー・スイッチ５８を駆動する制御回路 ５０，電圧クランプ・コンデンサ５４，アノード端子４８およびカソード端子４ ４を有するクランプ・ダイ オード４６，バルク・コンデンサ３４，ならびに出力回路７０を含む。 整流回路２０は、交流（ａｃ）源１０を受ける１対の入力端子１２，１４，お よび１対の出力端子３０，３２を含む。エネルギ蓄積インダクタ３８は、整流回 路２０の第１出力端子３０および第１ノード５２の間に結合されている一次巻線 ４０，および第２ノード５６および第３ノード３６間に結合されている二次巻線 ４２を含む。パワー・スイッチ５８は、第２ノード５６および第４ノード６０間 に結合されており、一方第４ノード６０は、整流回路２０の第２出力端子３２に 結合されている。クランプ・ダイオード４６のアノード端子４８は、第１ノード ５２に結合され、カソード端子４４は第３ノード３６に結合されている。バルク ・コンデンサ３４は、第３ノード３６および第４ノード６０間に結合されている 。最後に、出力回路７０は、第２ノード５６および第４ノード６０間に結合され ており、２つ以上の出力線９０，９２，９６を含む。これらは、１本以上の蛍光 灯から成る蛍光灯負荷１００に接続するように構成されている。 バラスト２００は、高周波数交流を蛍光灯負荷１００に供給し、かつ力率補正 を行うが、単一のパワー・スイッチ５８および単一のエネルギ蓄積インダクタ３ ８のみを必要とするに過ぎない。したがって、バラスト２００は、素子数，物理 的サイズ，ならびに材料および製造コストに関し て相当の利点を提供するものである。 バラスト２００の実用的な実施態様では、パワー・スイッチ５８は、高電力切 替に適した多数の可制御素子のいずれかで構成され、その例には、電界効果トラ ンジスタ（ＦＥＴ）やバイポーラ接合型トランジスタ（ＢＪＴ）があげられる。 パワー・スイッチ５８に用いるためにどのタイプの素子を実際に選択するかは、 素子自体の材料コストだけでなく、パワー・スイッチ５８が扱う電圧および電流 ，制御回路５０によって供給される駆動信号の特性等のような多数の設計要因に よって支配される。 バラスト２００の好適実施例を第２図に示す。整流回路２０は、全波ダイオー ド・ブリッジ２２，および整流回路２０の出力端子３０，３２間に結合されてい る高周波数フィルタ・コンデンサ２４を含む。高周波数フィルタ・コンデンサ２ ４の機能は、典型的に２０，０００ヘルツを越える高周波数レートでのパワー・ スイッチ５８の動作によって発生する、高周波数電流の要求を出すことである。 コンデンサ２４がない場合、高周波数電流は、ａｃ電源１０から直接供給しなけ ればならないが、望ましくない結果が生じることになる。その結果には、力率の 低下および全高調波歪みの増大が含まれる。好適実施例では、パワー・スイッチ ５８は、ゲート端子１３２，ドレイン端子１３４，およびソース端子１３６を有 する電界効果トランジスタから成る。ドレイン端子１３４は、第２ノード５６に 結合され、 第２ノード１３６は第４ノード６０に結合され、ゲート端子１３２は制御回路５ ０が供給する駆動信号を受信するように構成されている。制御回路５０は、ある 高周波数レート、および可変デューティ・サイクルでパワー・スイッチ５８を駆 動し、力率補正を行いかつ出力回路７０を通じて１本以上の蛍光灯１００に高周 波数電力を供給する、パルス幅変調器を含む。 再び第２図を参照すると、エネルギ蓄積インダクタ３８の一次巻線４０および 二次巻線４２は、第３ノード３６から第２ノード５６への二次巻線４２を横切る 正電圧の存在が、整流回路２０の第１出力端子３０から第１ノード５２への一次 巻線４０を横切る正電圧の存在と一致するように、その方向が互いに関係付けら れている。更に、エネルギ蓄積インダクタ３８におけるエネルギ散逸を最少に抑 えるためには、一次巻線４０および二次巻線４２は等しい巻数を有することが好 ましい。 一実施例では、出力回路７０は、共振インダクタ７２および共振コンデンサ８ ２から成る直列共振回路，および直流（ｄｃ）遮断コンデンサ(blocking capaci tor)８８を含む。具体的には、共振インダクタ７２は、第２ノード５６および第 ５ノード７４間に結合されており、共振コンデンサ８２は、第６ノード８０およ び第７ノード８４間に結合されており、ｄｃ遮断コンデンサ８８は、第８ノード ８６および第４ノード６０間に結合されている。コンデンサ ８８の機能は、ノード５６およびノード６０間の出力回路７０に供給される電圧 のｄｃ成分を遮断し、共振インダクタ７２および共振コンデンサ８２の直列結合 が、本質的に直流（ｄｃ）成分を有さないほぼ対称的な方形波電圧を（即ち、ノ ード５６およびノード８４間に）得ることにより、蛍光灯１００にほぼ正弦波状 のａｃ電流を供給可能とすることである。 好適実施例では、第２図に示すように、第５ノード７４および第６ノード８０ は、蛍光灯１０４の第１フィラメント１０２を通じて互いに結合されており、一 方第７ノード８４および第８ノード８６は、蛍光灯１０４の第２フィラメント１ ０６を通じて互いに結合されている。第１フィラメント１０２および第２フィラ メント１０６が損なわれておらず、それらの各出力線９０，９２，９４，９６に 接続されている限り、出力回路７０は動作する。何故なら、共振インダクタ７２ ，第１フィラメント１０２，共振コンデンサ８２，第２フィラメント１０６，お よびｄｃ遮断コンデンサ８８を通過する交流（ａｃ）電流のための経路が存在す るからである。同時に、フィラメント１０２，１０６を通過するａｃ電流の流れ が、これらのフィラメントに、急速起動動作に必要な加熱電流を供給する。蛍光 灯１０４が取り外された場合、あるいは蛍光灯のフィラメント１０２，１０６の 一方または双方が損なわれたか、またはそれらの各出力線９０，９２，９４，９ ６に接続されていない 場合、出力回路７０は動作を停止する。かかる結合方式は、したがって、フィラ メントの開放またはランプの取り外しの際に、出力回路７０を自動的に遮断する という望ましい構造を与える。 瞬間起動灯(instant-start lamp)を用いる用途に適した別の灯結合方式を第３ 図Ａに示す。ここでは、第５ノード７４および第６ノード８０，ならびに第７ノ ード８４および第８ノード８６が互いに接続され、蛍光灯１０４は、第５ノード ７４および第８ノード８６間に結合されている。 第３図Ｂは、出力変圧器１３０を用いて出力線９０，９２，９４，９６および ａｃ電源１０間に電気的絶縁を設ける、高速起動用途用の別の灯結合方式を示す 。出力変圧器１３０は、第５ノード７４および第８ノード８６間に結合されてい る一次巻線１３２，ならびに少なくとも１つの二次巻線１３４を含む。二次巻線 １３４は、加熱電圧を灯のフィラメント１０２，１０６の各々に供給するタップ 接続部１６０，１６２を含んでもよい。第２図に示す実施例は単一の灯１０４の みを示すが、フィラメントの加熱のための追加二次巻線を含ませることにより、 多数の灯にも対処可能である。 次に第４図Ａおよび第４図Ｂに移り、第２図のバラスト２００の動作について 以下に説明する。 負荷１２０に供給される主として高い周波数電流に多く存在する低周波数（例 えば１２０ヘルツ）の「リップル」 量を最少に抑えるためには、バルク・コンデンサ３４を選択する際に、通常数十 マイクロファラッド程度の比較的大きな容量値を有するものとすることが好まし い。その結果、バルク・コンデンサ３４間の電圧Ｖ₄は支配的なｄｃ値を維持す る。このｄｃ値の大きさは、ａｃ電源１０の電圧，パワー・スイッチ５８を動作 させるデューティ・サイクル範囲，ならびに出力回路７０および蛍光灯負荷１０ ０の組み合わせによって提示される負荷１２０を含む多数のファクタによって異 なる。 第４図Ａおよび第４図Ｂを参照すると、電圧クランプ・コンデンサ５４間の電 圧Ｖ₂は、スイッチ５８がオンかオフかには無関係に同一であり、バルク・コン デンサ３４間の電圧Ｖ₄、ならびにノード３０およびノード３２間にある整流ａ ｃ電圧Ｖ_inの間の差に等しい。続いて、電圧Ｖ₂はａｃ電源１０の電圧を逆方向 に追跡するので、ａｃ電源１０の電圧が最少の場合にＶ₂は最大、およびその逆 となる。 次に第４図Ａを具体的に参照すると、スイッチ５８がオンの時間期間では、充 電電流が、第１整流回路の出力端子３０から一次巻線４０，コンデンサ５４，ス イッチ５８を通じて流れ、第２整流回路の出力端子３２に戻る。一次巻線４０間 の電圧Ｖ₁は、考慮対象の期間ほぼ一定であるので、充電電流はほぼ線形に増加 し、一次巻線４０に蓄積されるエネルギ量の増大を招く。同時に、スイッチ５８ がオンとなり、第１図において明らかにした出力回路７０および蛍 光灯負荷１００の双方を含む負荷１２０に供給される電圧はゼロに等しくなる。 加えて、ほぼ線形に増大する正電流が、ノード３６からノード５６まで二次巻線 ４２を通過するので、エネルギはバルク・コンデンサ３４から二次巻線４２に転 移する。ダイオード４６が第４図Ｂに示されていないのは、これが逆バイアスさ れているからであり、したがって、スイッチ５８が閉じている全期間にわたり、 非導通のままである。 一旦スイッチ５８がオフとなると、二次巻線４２を通過する電流は急速に減少 し始める。その結果、二次巻線４２間の電圧Ｖ₁は極性が逆転し、極高レベルま で上昇しようとする。しかしながら、Ｖ₁が極高レベルまで上昇できるようにな る前に、ダイオード４６が順方向にバイアスされ、ノード５２における電圧がバ ルク・コンデンサ３４間の電圧Ｖ₄を超過しようとするときにオンに切り替わる 。等価的に、ダイオード４６の固定作用(clamping action)は、二次巻線４２間 の電圧Ｖ₁を（Ｖ₄−Ｖ_in）に制限し、スイッチ５８間の電圧Ｖ₃を（２Ｖ₄−Ｖ_in ）に制限する。この状態ではダイオード４６がオンであるので、一次巻線４０に 蓄積されているエネルギはバルク・コンデンサ３４に転移し、一次巻線４０を通 過する電流は、ほぼ線形に減少し始める。スイッチ５８が開くと、エネルギは、 二次巻線４２およびバルク・コンデンサ３４によって負荷１２０に供給される。 以上の説明から推測できるように、ほぼ線形に増加およ び減少する、一次巻線４０を通過する電流に関して、ならびにａｃ電源１０の観 点から、バラスト２００は、力率補正の目的のために従来技術において既知であ り広く用いられている、従来のブースト変換回路といくらか似通った挙動を示す 。加えて、スイッチ５８間の電圧Ｖ₃は周期的にゼロおよび（２Ｖ₄−Ｖ_in）にほ ぼ等しいｄｃレベル間で変動するので、バラスト２００はほぼ方形波の電圧Ｖ₃ を出力回路７０に供給する。これは、半波ブリッジ反転器のような、従来技術の 格段に複雑な回路によって供給されるものと等価である。したがって、ここで提 案するバラスト２００は、単一のパワー・スイッチ５８および単一のエネルギ蓄 積インダクタ３８のみがあればよく、力率補正を行い、しかも出力回路７０を通 じて蛍光灯負荷１００を駆動するのに適した反転器出力電圧を供給する。 ほぼ第２図に示したように構成したプロトタイプのバラストでは、力率が０． ９８６，全高調波歪みが１２％，および第３高調波歪みが６．９％と測定された 。灯１０４に供給される主として高い周波数（例えば、２０，０００ヘルツを越 える）電流に現れる、望ましくない低周波数（１２０ヘルツ）のリップル量の尺 度である、灯電流波高率(lamp current crest factor)は、１．４８として測定 された。これは、灯電流の品質に対して容認されるバラスト性能規格を満足する ものである。したがって、ここに開示するバラスト２００は、力率補正を行い、 適切な品質の高周 波数電流を蛍光灯に供給し、しかも従来技術の手法よりも少ない回路で済む。 開示したバラスト回路２００の主な利点は、エネルギ蓄積インダクタ３８と組 み合わせて単一のパワー・スイッチ５８を使用することにより、単一の磁気素子 のみで力率補正回路および反転器双方の機能を達成したことである。その結果、 電子式バラスト２００は、既存の手法と比較して、物理的なサイズの縮小，素子 数の減少，材料コストの低下，および製造の容易性向上を得ることができる。 以上所定の好適実施例を参照しながら本発明について説明したが、本発明の新 規な精神および範囲から逸脱することなく、多数の変更や改造が当業者には可能 であろう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電子式バラストであって： １対の入力端子および１対の出力端子を有し、前記入力端子は交流電源を受け るように構成されている整流回路； 一次巻線および二次巻線を有し、前記一次巻線が前記整流回路の第１出力端子 および第１ノード間に結合され、前記第２巻線が第２ノードおよび第３ノード間 に結合されているエネルギ蓄積インダクタ； 前記第２ノードおよび第４ノード間に結合されているパワー・スイッチであっ て、前記第４ノードが前記整流回路の第２出力端子に結合されているパワー・ス イッチ； 前記パワー・スイッチを駆動する制御回路； 前記第１ノードおよび前記第２ノード間に結合されている電圧クランプ・コン デンサ； アノード端子およびカソード端子を有し、前記アノード端子が前記第１ノード に結合され、前記カソード端子が前記第３ノードに結合されているクランプ・ダ イオード； 前記第３ノードおよび前記第４ノード間に結合されているバルク・コンデンサ ；および 前記第２ノードおよび前記第４ノード間に結合されている出力回路であって、 少なくとも１本の蛍光灯に結合されるように構成された少なくとも２本の出力ワ イヤを含む出力回路； から成ることを特徴とする電子式バラスト。 ２．前記エネルギ蓄積インダクタの一次および二次巻線は、前記第３ノードから 前記第２ノードへの前記二次巻線を横切る向きに正電圧が生じると、前記整流回 路の第１出力端子から前記第１ノードへの前記一次巻線を横切る向きに正電圧が 生じるように、互いに方向付けられていることを特徴とする請求項１記載の電子 式バラスト。 ３．前記整流回路は： 全波ダイオード・ブリッジ；および 前記整流回路の出力端子間に結合される高周波数フィルタ・コンデンサ； から成ることを特徴とする請求項１記載の電子式バラスト。 ４．前記パワー・スイッチは、電界効果トランジスタ，およびバイポーラ接合型 トランジスタの内少なくとも１つから成り； 前記制御回路は、前記パワー・スイッチを可変デューティ・サイクルで駆動す るパルス幅変調器を含むことを特徴とする請求項１記載の電子式バラスト。 ５．前記出力回路は： 前記第２ノードおよび第５ノード間に結合されている共振インダクタ； 第６ノードおよび第７ノード間に結合されている共振コンデンサ；および 第８ノードおよび前記第４ノード間に結合されているｄ ｃ遮断コンデンサ； から成ることを特徴とする請求項１記載の電子式バラスト。 ６．前記第５ノードは前記第６ノードに接続され、前記第７ノードは前記第８ノ ードに接続され、前記第５ノードおよび前記第８ノードは、それらの間に少なく とも１本の蛍光灯が結合されるように構成されていることを特徴とする請求項５ 記載の電子式バラスト。 ７．前記第５ノードは、蛍光灯の第１フィラメントを通じて前記第６ノードに結 合されるように構成され、前記第７ノードは、前記蛍光灯の第２フィラメントを 通じて前記第８ノードに結合されるように構成されていることを特徴とする請求 項５記載の電子式バラスト。 ８．一次巻線および少なくとも１つの二次巻線を有する出力変圧器を更に含み、 前記第５ノードは前記第６ノードに接続され、前記第７ノードは前記第８ノード に接続され、前記出力変圧器の一次巻線は、前記第５ノードおよび前記第８ノー ド間に結合され、前記出力変圧器の少なくとも１つの二次巻線は少なくとも１本 の蛍光灯に結合されるように構成されていることを特徴とする請求項５記載の電 子式バラスト。 ９．電子式バラストであって： １対の入力端子および１対の出力端子を有し、前記入力端子が交流電源を受け るように構成されている整流回路； 一次巻線および二次巻線を有するエネルギ蓄積インダク タであって、前記一次巻線は前記整流回路の第１出力端子および第１ノード間に 結合され、前記第２巻線は第２ノードおよび第３ノード間に結合され、前記第１ および第２巻線は、前記第３ノードから前記第２ノードへの前記二次巻線を横切 る方向に正電圧が生じると、前記整流回路の第１出力端子から前記第１ノードへ の前記一次巻線を横切る向きに正電圧が生じるように、互いに方向付けられてい るエネルギ蓄積インダクタ； 前記第２ノードおよび第４ノード間に結合されているパワー・スイッチであっ て、前記第４ノードが前記整流回路の第２出力端子に結合されているパワー・ス イッチ； 前記第１ノードおよび前記第２ノード間に結合されている電圧クランプ・コン デンサ； アノード端子およびカソード端子を有し、前記アノード端子が前記第１ノード に結合され、前記カソード端子が前記第３ノードに結合されているクランプ・ダ イオード； 前記第３ノードおよび前記第４ノード間に結合されているバルク・コンデンサ ； 前記パワー・スイッチを駆動する制御回路；および 前記第２ノードおよび前記第４ノード間に結合されている出力回路から構成さ れ、前記出力回路は： 前記第２ノードおよび第５ノード間に結合されている共振インダクタ； 第６ノードおよび第７ノード間に結合されている共振コ ンデンサ； 第８ノードおよび前記第４ノード間に結合されているｄｃ遮断コンデンサ；お よび 少なくとも１本の蛍光灯に結合されるように構成された少なくとも２本の出力 ワイヤから成る出力回路； から成ることを特徴とする電子式バラスト。 １０．電子式バラストであって： １対の入力端子および１対の出力端子を有し、前記入力端子が交流電源を受け るように構成されている整流回路であって、前記整流回路は全波ダイオード・ブ リッジおよび高周波数フィルタ・コンデンサから成り、前記高周波数フィルタ・ コンデンサが前記整流回路の出力端子間に結合されている整流回路； 一次巻線および二次巻線を有するエネルギ蓄積インダクタであって、前記一次 巻線は前記整流回路の第１出力端子および第１ノード間に結合され、前記二次巻 線は第２ノードおよび第３ノード間に結合され、前記一次および二次巻線は、前 記第３ノードから前記第２ノードへの前記二次巻線を横切る方向に正電圧が生じ ると、前記整流回路の第１出力端子から前記第１ノードへの前記一次巻線を横切 る方向に正電圧が生じるように、互いに方向付けられているエネルギ蓄積インダ クタ； ゲート端子，ドレイン端子，およびソース端子を有する電界効果トランジスタ であって、前記ドレイン端子は前記 第２ノードに結合され、前記ソース端子は前記第４ノードに結合され、前記第４ ノードは前記整流回路の第２出力端子に結合され、前記ゲート端子は、前記ドレ イン端子から前記ソース端子に、前記トランジスタを導通および非導通とする駆 動信号を受信するように構成されている電界効果トランジスタ； 前記第１ノードおよび前記第２ノード間に結合されている電圧クランプ・コン デンサ； アノード端子およびカソード端子を有し、前記アノード端子が前記第１ノード に結合され、前記カソード端子が前記第３ノードに結合されているクランプ・ダ イオード； 前記第３ノードおよび前記第４ノード間に結合されているバルク・コンデンサ ； 前記電界効果トランジスタを可変デューティ・サイクルで駆動するパルス幅変 調器を含む制御回路；および 出力回路から構成され、前記出力回路は： 前記第２ノードおよび第５ノード間に結合されている共振インダクタ； 第６ノードおよび第７ノード間に結合されている共振コンデンサ；および 第８ノードおよび前記第４ノード間に結合されているｄｃ遮断コンデンサから 成る出力回路； から成り、 前記第５ノードは、蛍光灯の第１フィラメントを通じて 前記第６ノードに結合されるように構成され、前記第７ノードは前記蛍光灯の第 ２フィラメントを通じて前記第８ノードに結合されるように構成されていること を特徴とする電子式バラスト。