JPWO2006087850A1 - 電源装置 - Google Patents

Abstract

ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１）のソースを共振用コイル（Ｌ２）を介して整流ダイオード（Ｄ１）およびチョークコイル（Ｌ１）の接続点に接続し、共振用コイル（Ｌ２）と整流ダイオード（Ｄ１）からなる直列回路に並列にコンデンサ（Ｃ５）とＭＯＳＦＥＴ（Ｑ２）からなる直列回路を接続し、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１）と（Ｑ２）を、ともにオフする期間を挟んで交互にオンするようにＰＷＭ制御で駆動する電源装置において、コンデンサ（Ｃ５）に並列に抵抗（Ｒ２）を接続する。

Description

本発明は、電源装置、特に直流動作する高圧放電灯の点灯用に使用される電源装置に関する。

例えばプロジェクタなどに用いられるランプとして直流電圧を印加して点灯する高圧放電灯がある。高圧放電灯の内部の気圧は非点灯時（常温）には比較的低い気圧だが、放電が始まって温度が上昇すると気圧も上昇する。放電は放電灯内の気圧が低いほどしやすいので、放電開始時は放電しやすくて放電灯は負荷としては低抵抗であり、点灯によって温度が上昇すると相対的に放電しにくくなり放電灯は負荷としては高抵抗になる。但し、負荷の値としては必ずしも一定ではないため、高圧放電灯用の電源装置としては負荷電力が一定になるように制御する電源装置が用いられる。

電源装置として特許文献１に示すものがある。特許文献１の電源装置は、降圧あるいは昇圧型のチョッパ回路においてスイッチ素子のゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）を実現するためのもので、第１のスイッチ素子、チョークコイル、整流ダイオードなどの基本的なチョッパ回路の構成要素に加えて共振用コイルや定電圧源となるコンデンサ、第２のスイッチ素子などを備えている。なお、特許文献１は必ずしも放電灯の点灯用に用いることを意図したものではない。

図３に特許文献１の第１の実施形態として提示された電源装置の回路図を示す。図３において、電源装置１０は降圧型のチョッパ回路を基本としたもので、チョッパ回路の基本要素として直流電源Ｖｉｎ、整流ダイオードＤ１、チョークコイルＬ１、第１のスイッチ素子であるＭＯＳＦＥＴ Ｑ１、平滑コンデンサＣ１を備えている。また、第１のダイオードであるダイオードＤ２、コンデンサＣ２、コンデンサＣ４を備えている。なお、ダイオードＤ２はＭＯＳＦＥＴ Ｑ１のボディーダイオードで、コンデンサＣ２は同じくＭＯＳＦＥＴ Ｑ１のドレイン・ソース間接合容量すなわち並列容量である。また、コンデンサＣ４は整流ダイオードＤ１のアノード・カソード間接合容量すなわち並列容量である。

さらに、電源装置１０は、第２のスイッチ素子であるＭＯＳＦＥＴ Ｑ２、第２のダイオードであるダイオードＤ３、コンデンサＣ３、共振用コイルＬ２、定電圧源となる第１のコンデンサであるコンデンサＣ５、第３のダイオードであるダイオードＤ４、電流検出用の抵抗Ｒ１、および制御回路１１を備えている。なお、ダイオードＤ３はＭＯＳＦＥＴ Ｑ２のボディーダイオードで、コンデンサＣ３は同じくＭＯＳＦＥＴ Ｑ２のドレイン・ソース間接合容量すなわち並列容量である。

ここで、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１は、一端であるドレインが直流電源Ｖｉｎの一端に接続され、他端であるソースが共振用コイルＬ２を介してチョークコイルＬ１の一端に接続されている。直流電源Ｖｉｎの他端は接地されている。チョークコイルＬ１の他端は出力端子Ｐｏの一方の端子に接続されている。整流ダイオードＤ１は、一端であるカソードがチョークコイルＬ１の一端に接続され、他端であるアノードが直流電源Ｖｉｎの他端に接続されている。平滑コンデンサＣ１は出力端子Ｐｏの一方および他方の端子の間に接続されている。コンデンサＣ５とＭＯＳＦＥＴ Ｑ２からなる直列回路の一端がＭＯＳＦＥＴ Ｑ１と共振用コイルＬ２の接続点に接続され、他端が直流電源Ｖｉｎの他端に接続されている。平滑コンデンサＣ１の他端、すなわち出力端子Ｐｏの他方の端子と直流電源Ｖｉｎの他端との間には抵抗Ｒ１が接続されている。また、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１と共振用コイルＬ２からなる直列回路に並列にダイオードＤ４が接続されている。そして、制御回路１１は、出力端子Ｐｏ、抵抗Ｒ１の両端、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１の制御端子であるゲート、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ２の制御端子であるゲートにそれぞれ接続されている。なお、コンデンサＣ５とＭＯＳＦＥＴ Ｑ２の接続順は、直列接続でさえあれば逆でも構わない。

このように構成された電源装置１０において、制御回路１１は出力電圧Ｖｏｕｔを検知する。また、抵抗Ｒ１には出力電流が流れるので、制御回路１１はその両端電圧から出力電流を検知する。そして、出力電圧あるいは出力電力が一定になるようにＭＯＳＦＥＴ Ｑ１およびＱ２を両者がオフになるデッドタイムを挟んで交互にオン、オフ制御する。なお、ＭＯＳＦＥＴのスイッチングの周波数は制御回路１１に内蔵する発振回路の周波数に従い、出力電圧や出力電力の安定化は各スイッチ素子のオン、オフのデューティを変えることによって、すなわちＰＷＭ制御することによって行う。

また、制御回路１１は過電流保護回路を備えており、出力電流が過電流になったときにはスイッチングを一時停止する（ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１がオンになるのを阻止する）ことで間欠発振動作をさせることによって問題の解決を図る。

この電源装置１０を高圧放電灯の点灯用に利用することを考える。まず、チョークコイルＬ１は１ｍＨ、共振用コイルＬ２は３０μＨ、平滑コンデンサＣ１は０．４７μＦ、コンデンサＣ５は０．４７μＦとする。また、コンデンサＣ２、Ｃ３、Ｃ４はそれぞれ数十〜数百ｐＦだとする。入力電圧Ｖｉｎ＝３７０Ｖ、起動時の設定出力電圧Ｖｏｕｔ＝２８０Ｖとする。そして、制御回路１１の備える発振回路によるスイッチ素子のスイッチング周波数は１００ｋＨｚとする。

電源装置は起動時には制御回路１１は出力電圧を一定にするように動作する。高圧放電灯の起動時には、この２８０Ｖの出力電圧に、電源装置と高圧放電灯の間に設けられたイグナイタを使って１７ｋＶを重畳し、それを高圧放電灯に印加することによって放電を開始させる。放電開始までの数百ミリ秒は高圧放電灯には電流が流れないので電源装置としては軽負荷状態で動作することになる。

高圧放電灯の放電が開始されると、その後は電源装置１０の出力がそのまま高圧放電灯に印加される。放電開始直後の低温時には高圧放電灯は負荷としては低抵抗であるため、大きな電流が流れようとする。しかしながら実際には過電流保護回路が働いて、例えば４Ａ程度に制限される。このときの高圧放電灯の両端電圧は１０Ｖ程度となる。

その後、数十秒程度で高圧放電灯の温度が上昇し、負荷としての抵抗値が高くなり、定常状態になる。但し、放電が定常状態になっても高圧放電灯の負荷の値としては必ずしも安定しない。そこで、電源装置１０は今度は負荷電力が例えば２００Ｗで一定になるように定電力制御を行う。そのため、電源装置１０の出力電圧は例えば数十Ｖ〜百数十Ｖ程度の範囲内で変動することになる。
特開２００３−１８９６０２号公報

上述のように、電源装置１０を高圧放電灯の点灯用に用いた場合には、電源装置１０の起動時には負荷電流はほとんど流れないため、電源装置１０は軽負荷動作となる。特許文献１では通常の負荷が存在することを前提として回路動作が説明されているために問題は見えてこないが、高圧放電灯を点灯させる際の起動時などの軽負荷時には通常動作時とは異なる動作をするために問題が発生する。

まず、コンデンサＣ５は、軽負荷時には電源電圧ＶｉｎによってＭＯＳＦＥＴ Ｑ２側が負になるように充電される。このときのコンデンサＣ５の充電電圧Ｖｘは最大で出力電圧に達する（Ｖｘ＝−２８０Ｖ）可能性がある。一方、通常負荷時にはＭＯＳＦＥＴ Ｑ２側が正になるようにしてほぼ一定の電圧Ｖｘで充電された状態になる。この場合、Ｖｘは１０〜２０Ｖとなる。そして、コンデンサＣ５が所定の電圧Ｖｘで充電されることによって、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ２がオンの時にＭＯＳＦＥＴ Ｑ１と共振用コイルＬ２の接続点の電圧ｖａが−Ｖｘになって共振用コイルＬ２に流れる電流ｉｂの方向が逆転し、それによってダイオードＤ２が同通してＭＯＳＦＥＴ Ｑ１のゼロ電圧スイッチングが可能になる。

このとき、上述のようにコンデンサＣ５には高圧放電灯を点灯させる際の起動時に一時的に出力電圧に近い電圧が充電される。そのため、コンデンサＣ５としては通常動作時には不必要であるにもかかわらず、許容耐電圧の高い部品を採用しなければならないという問題がある。

また、この電源装置１０においては、高圧放電灯の起動時（起動直前）には軽負荷で出力電流Ｉｏｕｔが小さくなるために共振用コイルＬ２を流れる電流ｉｂも小さくなり、コンデンサＣ５に通常動作時とは逆方向に充電された電荷が放電されることなく、そのままの状態が維持される。その場合、電圧ｖａが負にならないため、共振用コイルに流れる電流ｉｂの方向が逆転することもなくなり、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１のゼロ電圧スイッチングができなくなる。

また、高圧放電灯の起動時は上述のようにインピーダンスが高いために負荷電流がほとんど流れない。その場合、制御回路１１は出力電圧が一定以上に上昇するのを防止するためにＭＯＳＦＥＴ Ｑ１のオン期間を短くするようにする。ただ、オン期間は無限に短くできるわけではなく、スイッチ素子は一旦オンするとすぐにはオフできないため、最小オン期間が決まってしまう。このままでは電力供給過剰となって出力電圧が上昇してしまうため、制御回路１１はこれを防止するためにＭＯＳＦＥＴ Ｑ１のターンオンを１回〜数回だけ停止させる間欠発振モードに移行し、これによって出力電圧の上昇を抑制する。

ただ、スイッチングの周波数や周期は決まっているため、間欠発振モードにおいては、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１のオフ時に負荷が急に軽負荷から重負荷になっても、すぐにＭＯＳＦＥＴ Ｑ１をオンにして負荷の変動に追随させることはできず、その結果として出力電圧が低下してしまうという問題がある。上述のように高圧放電灯用の電源装置においては放電開始とともに急激に負荷抵抗が小さくなるため、負荷抵抗の変化に追随できなくなり、安定な点灯状態への移行に時間がかかるということを意味する。

さらに、上述のように起動時の軽負荷時にはコンデンサＣ５が通常動作時とは逆方向に充電されたままの状態が維持される。この場合のコンデンサＣ５の充電電圧は、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ２側が負になる方向で例えば２８０Ｖになる。そして、高圧放電灯の点灯直後における負荷が低抵抗の時には、コンデンサＣ１に２８０Ｖで充電された電荷が負荷に向かって放電されるだけではなく、コンデンサＣ５に通常動作時とは逆方向に２８０Ｖで充電された電荷も負荷に向かって放電されることになる。これを２次突入電流という。

この場合、コンデンサＣ５の放電電流は抵抗Ｒ１を流れて過電流保護回路が働く。しかしながら、過電流保護回路が働いた場合には電源装置１０のスイッチングが間欠スイッチングになるため、軽負荷時と同じ動作となり、その後の負荷の変動に追随できなくなるという問題がある。

本発明は上記の問題点を解決することを目的とするもので、軽負荷時にもゼロ電圧スイッチングができ、間欠発振モードに移行せず、また２次突入電流の発生もない電源装置を提供する。

上記目的を達成するために、本発明の電源装置においては、一端同士が接続された整流ダイオード（Ｄ１）およびチョークコイル（Ｌ１）と、一端が共振用コイル（Ｌ２）を介して前記整流ダイオード（Ｄ１）およびチョークコイル（Ｌ１）の接続点に接続された第１のスイッチ素子（Ｑ１）と、該第１のスイッチ素子（Ｑ１）に並列に接続された第１のダイオード（Ｄ２）と、前記共振用コイル（Ｌ２）および前記整流ダイオード（Ｄ１）からなる直列回路に並列に接続された第１のコンデンサ（Ｃ５）および第２のスイッチ素子（Ｑ２）からなる直列回路と、前記第２のスイッチ素子（Ｑ２）に並列に接続された第２のダイオード（Ｄ３）とを有し、前記第１のスイッチ素子（Ｑ１）、前記第２のスイッチ素子（Ｑ２）および前記整流ダイオード（Ｄ１）がそれぞれ端子間に並列容量（Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４）を備えてなる電源装置において、前記第１のコンデンサ（Ｃ５）に並列に接続された第１の抵抗（Ｒ２）を備えることを特徴とする。なお、前記第１のスイッチ素子（Ｑ１）および前記共振用コイル（Ｌ２）からなる直列回路に並列に接続された第３のダイオード（Ｄ４）を備えてもよい。

また、本発明の電源装置においては、前記第１の抵抗（Ｒ２）に直列に第４のダイオード（Ｄ５）を備えたことを特徴とする。

また、本発明の電源装置においては、前記第１のスイッチ素子（Ｑ１）の他端が直流電源（Ｖｉｎ）の一端に接続され、前記チョークコイル（Ｌ１）の他端が出力端子に接続され、前記整流ダイオード（Ｄ１）の他端が前記直流電源（Ｖｉｎ）の他端に接続され、降圧動作をすることを特徴とする。

本発明の電源装置においては、高圧放電灯の点灯用に利用しても、軽負荷時にもゼロ電圧スイッチングができ、間欠発振モードに移行せず、また２次突入電流の発生もない。

本発明の第１の実施形態に係る電源装置の回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る電源装置の回路図である。 従来の電源装置の回路図である。

符号の説明

２０、３０…電源装置
Ｑ１…ＭＯＳＦＥＴ（第１のスイッチ素子）
Ｑ２…ＭＯＳＦＥＴ（第２のスイッチ素子）
Ｄ１…整流ダイオード
Ｄ２…第１のダイオード（ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１のボディーダイオード）
Ｄ３…第２のダイオード（ＭＯＳＦＥＴ Ｑ２のボディーダイオード）
Ｄ４…第３のダイオード
Ｄ５…第４のダイオード
Ｌ１…チョークコイル
Ｌ２…共振用コイル
Ｃ１…平滑コンデンサ
Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４…コンデンサ（ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１、Ｑ２、ダイオードＤ１の並列容量）
Ｃ５…第１のコンデンサ
Ｒ１…電流検出用抵抗
Ｒ２…第１の抵抗
Ｖｉｎ…直流電源
Ｐｏ…出力端子

（第１の実施形態）
図１に、本発明の第１の実施形態に係る電源装置の回路図を示す。図１において、図３と同一もしくは同等の部分には同じ記号を付し、その説明を省略する。

図１に示す電源装置２０においては、図３に示した電源装置１０において、第１のコンデンサであるコンデンサＣ５に並列に第１の抵抗である抵抗Ｒ２を接続している。これ以外は電源装置１０と同じである。この実施形態においては抵抗Ｒ２の抵抗値を２．４ｋΩとした。

このように構成された電源装置２０において、軽負荷時にコンデンサＣ５が通常動作時とは逆方向に充電されようとしても、電荷は抵抗Ｒ２を介して放電されるため、コンデンサＣ５には逆方向にはほとんど充電されない。そのため、まず２次突入電流の発生が防止される。そして、２次突入電流が発生しないことによって、過電流保護回路が働くこともなくなり、間欠スイッチングモードに移行しない。したがって、その後の負荷の変動に追随できなくなるという問題も発生しない。

また、コンデンサＣ５が逆方向に充電されないために、コンデンサＣ５の充電電圧は常に低い値に保たれ、不必要に許容耐電圧の高い部品を採用しなければならないという問題も発生しない。

また、抵抗Ｒ２による放電によりコンデンサＣ５の逆方向充電がほとんどないため、軽負荷時でもＭＯＳＦＥＴ Ｑ２側が正になるようにしてほぼ一定の電圧Ｖｘで充電された状態になり、軽負荷時でもゼロ電圧スイッチングが可能となる。

さらに、ゼロ電圧スイッチングが行われるときにはＭＯＳＦＥＴ Ｑ１をドレイン側からソース側に電流が流れ、出力側から入力側への回生動作が行われるため、軽負荷時に電力供給過剰となって出力電圧が上昇してしまうことがなくなる。そのため、間欠発振モードに移行することもなくなり、軽負荷から重負荷への負荷変動に追随できなくなるという問題も発生しない。

なお、抵抗Ｒ２の抵抗値は、抵抗値が大きすぎるとコンデンサＣ５の逆方向充電を防止できず、逆に抵抗値が小さすぎると通常動作時に抵抗Ｒ２を流れる電流による損失が大きくなる。例えば上記の条件においては、抵抗Ｒ２の抵抗値の上限は１０ｋΩ、下限は１ｋΩであることが好ましい。

（第２の実施形態）
図２に、本発明の第２の実施形態に係る電源装置の回路図を示す。図２において、図１と同一の部分には同じ記号を付し、その説明を省略する。

図２に示す電源装置３０においては、図１に示した電源装置２０において、第１の抵抗である抵抗Ｒ２に直列に第４のダイオードであるダイオードＤ５を備えている。すなわち、抵抗Ｒ２とダイオードＤ５の直列回路がコンデンサＣ５に並列に接続されていることになる。なお、ダイオードＤ５はそのカソードがＭＯＳＦＥＴ Ｑ２と接続される側に位置するように配置されている。この点以外は電源装置２０と全く同じ構成となっている。

このように構成された電源装置３０においては、起動時にコンデンサＣ５に逆方向に充電されようとしても、電荷は抵抗Ｒ２およびダイオードＤ５を介して放電されるため、コンデンサＣ５には逆方向にはほとんど充電されない。そのため、電源装置２０の場合と同様に２次突入電流の発生が防止される。また、軽負荷時でも間欠スイッチングモードに移行することがなく、その後の負荷の変動に追随できなくなるという問題も発生しない。また、コンデンサＣ５の充電電圧は常に低い値に保たれ、不必要に許容耐電圧の高い部品を採用しなければならないという問題も発生しない。

さらに、ダイオードＤ５を備えることによって、通常動作時にＭＯＳＦＥＴ Ｑ２側が正になるようにしてほぼ一定の電圧Ｖｘで充電されたコンデンサＣ５の電荷が抵抗Ｒ２を介して放電されるということがないため、通常動作時に抵抗Ｒ２を流れる電流による損失も発生しない。

ところで、ダイオードＤ５を備える場合には抵抗Ｒ２が小さくても問題ないように見える。しかしながら、抵抗Ｒ２が小さくなると通常はＣ５に蓄えることによって回生するエネルギーまでも放電してしまうことになるため、その分は損失となり、ゼロ電圧スイッチングによって低減される損失より大きくなってしまう可能性がある。よって、抵抗Ｒ２の値は実施形態１で示したような範囲で設定するのが望ましい。

なお、上記の各実施形態の電源装置２０、３０においては、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１と共振用コイルＬ２からなる直列回路に並列に第３のダイオードであるダイオードＤ４を備えている。これは整流ダイオードＤ１に流れる電流がゼロになった時に共振用コイルＬ２とコンデンサＣ４の間で電圧共振が起きて不要ノイズが発生するのを防止するためのものである。よって、整流ダイオードＤ１の耐圧が電圧共振に耐えられる程度に十分にあって、不要ノイズによる問題発生の心配がない場合にはなくても構わないものである。

Claims (4)

1. 一端同士が接続された整流ダイオードおよびチョークコイルと、一端が共振用コイルを介して前記整流ダイオードおよびチョークコイルの接続点に接続された第１のスイッチ素子と、該第１のスイッチ素子に並列に接続された第１のダイオードと、前記共振用コイルおよび前記整流ダイオードからなる直列回路に並列に接続された第１のコンデンサおよび第２のスイッチ素子からなる直列回路と、前記第２のスイッチ素子に並列に接続された第２のダイオードとを有し、前記第１のスイッチ素子、前記第２のスイッチ素子および前記整流ダイオードがそれぞれ端子間に並列容量を備えてなる電源装置において、
   前記第１のコンデンサに並列に接続された第１の抵抗を備えることを特徴とする電源装置。
2. 前記第１のスイッチ素子および前記共振用コイルからなる直列回路に並列に接続された第３のダイオードを備えたことを特徴とする、請求項１に記載の電源装置。
3. 前記第１の抵抗に直列に第４のダイオードを備えたことを特徴とする、請求項１または２に記載の電源装置。
4. 前記第１のスイッチ素子の他端が直流電源の一端に接続され、前記チョークコイルの他端が出力端子に接続され、前記整流ダイオードの他端が前記直流電源の他端に接続され、降圧動作をすることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の電源装置。

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