JPWO2008123274A1 - 高輝度放電ランプ点灯装置 - Google Patents

Abstract

ＤＣ／ＡＣコンバータ部２において、トランスの１次側で直流電源１との間に接続された電力投入用のスイッチング素子Ｑ３とトランスの１次側に設けられた複数のスイッチング素子とをスイッチング素子駆動回路部６の出力信号によりオンオフして、直流電源１の電圧を昇圧または降圧しつつ、第一の周波数の成分と前記第一の周波数よりも高い第二の周波数の成分とを含む波形の交流電圧に変換し、波形整形回路部３において、ＤＣ／ＡＣコンバータ部２から出力される交流電圧から第二の周波数の成分を低減する。

Description

本発明は、自動車のヘッドライト等の光源として用いられるメタルハライドランプ等の高輝度放電ランプを安定して点灯させるための高輝度放電ランプ点灯装置に関するものである。

近年、高輝度放電ランプ（High Intensity Discharge Lamp 以下ではＨＩＤランプと記す。）は高効率、高寿命、高演色性という特徴から、屋内外照明、映像機器用の光源、車両の前照灯用光源などに普及しつつある。ＨＩＤランプは、高圧ガスのアーク放電を利用した光源である。その放電の特性によって、点灯の始動直後から定常点灯に至るまで、ＨＩＤランプのインピーダンスは大きく変化する。また、特に自動車用のヘッドライトとして用いられるＨＩＤランプでは、点灯の初期に発光を急速に立ち上げるため、定常電力よりも大きな電力を投入しなければならないという特有の要求がある。ＨＩＤランプを安定に点灯するためには、変化する放電の特性に従って、点灯直後の放電を維持する高電圧の印加など、必要な電圧および電流をＨＩＤランプに供給する必要がある。また、特に自動車用のヘッドライトとして用いられるＨＩＤランプなど、発光の急速な立ち上がりを求められる場合には、点灯初期の大電力点灯から、安定点灯の定常電力による点灯まで、広いレンジの電力をランプに供給する必要がある。

また、ＨＩＤランプは、アーク放電の色むらの発生や、電極の偏消耗によるランプ寿命の短縮を回避するために、交流電圧によって点灯する必要がある。ただし、交流電圧でＨＩＤランプを点灯する場合には、音響的共鳴現象の影響により光のちらつきが観測される虞があった。この光のちらつきは、音響的共鳴現象によって発生する定在波による力と、重力に起因する管内対流による力との相対的な関係によって引き起こされる放電アークのゆらぎに起因するものである。従って、音響的共鳴現象の影響を受けない点灯周波数および点灯波形の電圧（例えば、低周波数の矩形波交流電圧）でＨＩＤランプを点灯するという特有の要求がある。

以上より、ＨＩＤランプを安定に点灯するためには、変化する放電の特性と、求められる点灯条件に追従して、広いレンジの電圧および電流出力が可能で、かつ、音響的共鳴現象の影響を受けない点灯周波数および点灯波形の電圧を出力可能な点灯装置が必要となる。このような要求を満足するＨＩＤランプ点灯装置としては、例えば特許文献１に示されるものがある。

特許文献１に示されているＨＩＤランプ点灯装置は、自動車用のヘッドライトとして用いられるものであり、バッテリなどの直流電源と、直流電源の電圧を昇圧するためのＤＣ／ＤＣコンバータと、ＨＩＤランプに印加する電圧を低周波数の矩形波に変換するためのフルブリッジインバータと、点灯始動用の高圧パルスを発生するためのイグナイタにより構成されている。このＨＩＤランプ点灯装置においては、ＤＣ／ＤＣコンバータが、大きく変化するＨＩＤランプのインピーダンスと必要な点灯電力に対して、放電の各期間に必要な電圧および電流をランプに供給している。また、フルブリッジインバータによる低周波の矩形波が、音響的共鳴現象による放電アークの不安定性と直流点灯時の放電アークの色むらの発生などの問題を回避する役割を果たしている。なお、非特許文献１には、ＨＩＤランプに供給する電圧において、音響的共鳴現象を誘起する周波数成分を、基本波成分に対して２５％以下に減衰すれば、音響的共鳴現象が発生しないことが開示されている。

また、バッテリなどの直流電源の電圧を直接ハーフブリッジインバータで低周波数の矩形波に変換する構成のＨＩＤランプ点灯装置が特許文献２に開示されている。

特許文献３には、ＤＣ／ＡＣコンバータで、直流電源の電圧を交流電圧に変換するとともに、昇圧を行う構成のＨＩＤランプ点灯装置が開示されている。

特開２００２−３５２９８９号公報（段落番号００１４、図１） 特開２００５−９３１３８号公報（段落番号０００８から段落番号００１１、図１） 特開２００５−７８９１０号公報（段落番号００１５から段落番号００２０、図１） Wei Yan、"Stability Study and Control Methods for Small-Wattage High-Intensity-Discharge(HID) Lamps"、 IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS、 VOL.37、 NO.5、 pp1522-1529、 2001

近年、省エネや環境問題への配慮から、ＨＩＤランプの点灯装置に対して、市場から小型化などの要求がある。これに対し、特許文献１に示した構成の点灯装置では、ＤＣ／ＤＣコンバータとフルブリッジインバータという、２種類の回路を用いているため、点灯装置を構成する素子数が多くなり小型化には向かない。特許文献２に示した構成の点灯装置では、ＤＣ／ＤＣコンバータを必要とせず、特許文献１に用いていたフルブリッジインバータでは４個だったスイッチング素子を、２個に低減した、ハーフブリッジインバータを用いており、素子数が低減できる構成となっている。しかしながら、特許文献２の点灯装置の回路構成を用いた場合にも、例えば自動車のヘッドライト用の点灯装置など、電源がバッテリなどの低電圧電源である場合には、ハーフブリッジインバータの入力電圧を、ＨＩＤランプに必要な電圧まで昇圧する必要がある。従って、前記ハーフブリッジインバータの入力にＤＣ／ＤＣコンバータを接続せざるをえず、結局、２種類の回路を必要とし、素子の大幅な低減効果は見込めない。

一方、特許文献３に示した構成の点灯装置では、ＤＣ／ＡＣコンバータで直流電圧を交流電圧に変換するとともに、電圧の昇圧を行っており、素子数が低減できる構成となっている。しかしながら、ＤＣ／ＡＣコンバータの装置体積の大部分を占めるトランスを小型化するため、直流電圧を高周波の交流電圧に変換している。このため、音響共鳴現象の影響による光のちらつきを完全に防止することは未だ困難であるという問題点が残されている。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、広いレンジの電圧および電流出力が可能で、かつ、音響的共鳴現象の影響を防止する点灯周波数および点灯波形の電圧を出力可能なＨＩＤランプ点灯装置において、小型化を図ることを目的とする。

本発明に係るＨＩＤランプ点灯装置においては、トランスの１次側で直流電源との間に接続された電力投入用のスイッチング素子およびトランスの１次側に設けた複数のスイッチング素子をオンオフして、直流電源の電圧を昇圧または降圧しつつ、第一の周波数の成分とこれよりも高い第二の周波数の成分とを含む波形の交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣコンバータ部と、ＤＣ／ＡＣコンバータ部が出力する交流電圧から第二の周波数の成分を低減した交流電圧を出力する波形整形回路部とを備えている。

本発明によれば、直流電源の電圧を必要な電圧に昇圧または降圧し、交流電圧に変換するという機能をＤＣ／ＡＣコンバータ部において実現している。このため、前記機能をＤＣ／ＤＣコンバータとフルブリッジインバータ（またはハーフブリッジインバータ）で実現していた従来装置と比較して、素子数を低減することができ、ＨＩＤランプ点灯装置を小型化することができる。

本発明の実施の形態１による、ＨＩＤランプ点灯装置の構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態１による、放電待機期間および放電始動期間におけるスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３のスイッチングのタイミングチャート図である。 本発明の実施の形態１による、放電待機期間および放電始動期間における期間１および期間２の回路動作を示す回路図である。 本発明の実施の形態１による、放電待機期間および放電始動期間における期間３および期間４の回路動作を示す回路図である。 本発明の実施の形態１による、放電始動期間の回路動作を示す回路図である。 本発明の実施の形態１による、光束立ち上げ期間および定常放電期間におけるスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３のスイッチングのタイミングチャート図である。 本発明の実施の形態１による、光束立ち上げ期間および定常放電期間における期間５および期間６の回路動作を示す回路図である。 本発明の実施の形態１による、光束立ち上げ期間および定常放電期間における期間７および期間８の回路動作を示す回路図である。 本発明の実施の形態２による、ＨＩＤランプ点灯装置の構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態３による、ＨＩＤランプ点灯装置の構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態３による、ＨＩＤランプ点灯装置の具体的構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態３による、放電待機期間におけるスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３のスイッチングのタイミングチャート図である。 本発明の実施の形態３による、放電待機期間におけるコンデンサＣ３、Ｃ４、Ｃ５の両端電圧を示す波形図である。 本発明の実施の形態３による、放電待機期間における期間３および期間４の回路動作を示す回路図である。 本発明の実施の形態３による、放電待機期間における期間１および期間２の回路動作を示す回路図である。 本発明の実施の形態３による、放電始動期間の回路動作を示す回路図である。 本発明の実施の形態３による、放電始動期間の回路各部における電圧、電流を示す波形図である。 本発明の実施の形態４による、放電待機期間におけるスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３のスイッチングのタイミングチャート図である。

符号の説明

１ 直流電源
２ ＤＣ／ＡＣコンバータ部
３ 波形整形回路部
６ スイッチング素子駆動回路部
９ ＨＩＤランプ（高輝度放電ランプ）
１１ 放電成長補助回路
Ｑ１ 第１のスイッチング素子
Ｑ２ 第２のスイッチング素子
Ｑ３ 電力投入用のスイッチング素子
Ｔpp プッシュプルトランス

実施の形態１．
本発明の実施の形態１について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態１による、ＨＩＤランプ点灯装置の構成を示す回路図である。実施の形態１によるＨＩＤランプ点灯装置は、バッテリ等の直流電源１、ＤＣ／ＡＣコンバータ部２、波形整形回路部３、イグナイタ回路部４、点灯制御回路部５、スイッチング素子駆動回路部６、ランプ電圧検出回路部７、ランプ電流検出回路部８を備えている。

ＤＣ／ＡＣコンバータ部２は、直流電源１の直流電圧をＨＩＤランプ９の点灯に必要な電圧に昇圧または降圧し、交流電圧に変換する回路ブロックである。実施の形態１におけるＤＣ／ＡＣコンバータ部２は、第１のスイッチング素子Ｑ１（以下、スイッチング素子Ｑ１と記す。）、第２のスイッチング素子Ｑ２（以下、スイッチング素子Ｑ２と記す。）、電力投入用のスイッチング素子Ｑ３（以下、スイッチング素子Ｑ３と記す。）およびプッシュプルトランスＴppを備えている。なお、ＤＣ/ＡＣコンバータ部２と同様な機能を実現する回路構成としては、フルブリッジインバータとトランスにより構成されるものや、ハーフブリッジインバータとトランスにより構成されるものなどがあり、上記した直流電圧の昇降圧と交流電圧の変換を同時に行える機能を持っていれば、どのような回路構成を用いてもよい。また、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３としては、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、バイポーラトランジスタ等を使用しており、特にスイッチング素子Ｑ３においては、複数のスイッチング素子により構成しても良い。

プッシュプルトランスＴppは、直流電源１の電圧をＨＩＤランプ９の点灯に必要な電圧に昇圧または降圧している。プッシュプルトランスＴppの１次側巻線はＮ１およびＮ２、２次側巻線はＮ３であり、図中に各々の巻線の＋端子と−端子を明記している。スイッチング素子Ｑ１は１次側巻線Ｎ１の＋端子側に接続しており、スイッチング素子Ｑ２は１次側巻線Ｎ２の−端子側に接続している。スイッチング素子Ｑ１およびＱ２は、交互にオンオフすることにより直流を交流に変換する機能を有するスイッチである。スイッチング素子Ｑ３は、一端を直流電源１に、他端を１次側巻線Ｎ１の−端子および１次側巻線Ｎ２の＋端子に接続し、直流電源１からプッシュプルトランスＴppに電力を伝達するか否かを制御するスイッチである。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３は、点灯制御回路部５が決定して出力したパルス幅の信号が、スイッチング素子駆動回路部６から入力されることにより、オンオフ動作する。このオンオフ動作により、プッシュプルトランスＴppの１次側巻線Ｎ１またはＮ２に直流電源１の電圧が印加され、１次側巻線に流れる電流が変化する。１次側巻線に電圧が印加されると、プッシュプルトランスＴppの２次側巻線Ｎ３には、巻数比に応じた電圧が発生する。このとき２次側巻線Ｎ３に発生する電圧の極性は、電圧の印加される巻線により異なる。また、直流電源１から１次側巻線への電流供給を遮断したときは、プッシュプルトランスＴppの２次側巻線Ｎ３には、プッシュプルトランスＴppの２次側回路の負荷状態に応じた電圧が発生する。

波形整形回路部３は、ＤＣ／ＡＣコンバータ部２の出力波形から音響的共鳴現象を誘起する周波数成分を減衰させる回路ブロックである。これにより、音響的共鳴現象の発生を防止している。ここで、音響的共鳴現象の起こりうる周波数の範囲は、ＨＩＤランプの形状や内容物などにより変化するが、例えば、車載用の３５ＷのＨＩＤランプでは、１０ｋＨｚ〜６００ｋＨｚ程度、一般照明用の１００ＷのＨＩＤランプでは、５ｋＨｚ〜４００ｋＨｚ程度である。音響的共鳴現象が発生すると、アークの形状が目視でわかる程度に変化し、光のちらつきやランプの破損を引き起こす。このため、周波数を変えてランプを実際に点灯してみることにより、音響的共鳴現象の起こる周波数を測定することが可能である。なお、波形整形回路部３は、図１に示すように、いわゆるローパスフィルタの構成となっている。波形整形回路部３を構成するインダクタやコンデンサなどの素子による共振周波数に等しい周波数でプッシュプルトランスＴppの出力電圧が反転するよう、図１におけるプッシュプルトランスＴppの１次側スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３を駆動するものではない。

波形整形回路部３のローパスフィルタの遮断周波数は、車載用の３５ＷのＨＩＤランプでは１０ｋＨｚ以下に、一般照明用の１００ＷのＨＩＤランプでは、５ｋＨｚ以下に設定し、より好ましくは、車載用は１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚ、一般照明用は１００Ｈｚ〜５ｋＨｚに設定する。波形整形回路部３において、後述する第１の周波数の成分を通過させ、音響的共鳴現象が発生する周波数成分を減衰させるため、このような遮断周波数に設定する必要がある。また、波形整形回路部３は、直流電源１からプッシュプルトランスＴppの２次側回路に電力の伝達がないときに、自身に蓄積されているエネルギを放電して、ＨＩＤランプ９に電力を供給する役目も果たしている。

本発明の実施の形態１では、図１に示すように、インダクタＬ１とコンデンサＣ１のローパスフィルタにより波形整形回路部３を構成している。この他にも、波形整形回路部３は、インダクタ、コンデンサおよび抵抗の直並列回路など、種々の回路構成にて実現することが可能であり、ＤＣ/ＡＣコンバータ部２の出力波形の音響的共鳴現象を誘起する周波数成分の割合が低い場合には、不要となることもある。波形整形回路部３は、ＤＣ／ＡＣコンバータ部２の出力波形から音響的共鳴現象を誘起する周波数成分を減衰させ、ＨＩＤランプ９に音響的共鳴現象を誘起する周波数成分の電流を流さないようにする役割を果たす。なお、本実施の形態１による回路構成では、イグナイタトランスＴigも波形整形回路部３とともに、音響的共鳴現象を誘起する周波数成分を減衰させる役割を担う。ここで、図１に示すように、インダクタＬ１とコンデンサＣ１により波形整形回路部３を構成する場合には、インダクタＬ１とコンデンサＣ１のいずれか一方または両方を、プッシュプルトランスＴppの１次側に配置しても同様な役割を果たす回路ブロックを構成することが可能である。

イグナイタ回路部４は、ＨＩＤランプ９の放電始動時に、ＨＩＤランプ９内で絶縁破壊を生じさせるための高電圧を、ＨＩＤランプ９に印加するための回路ブロックである。実施の形態１では、図１に示すように、トランス昇圧を用いてイグナイタ回路部４を構成している。この他にも、イグナイタ回路部４は、ＬＣ回路による共振を用いたもの、逓倍整流回路を用いたもの、ＤＣ/ＡＣコンバータ部２の２次側に巻線を追加したものなど、種々の構成にて実現可能である。

イグナイタ回路部４は、イグナイタトランスＴig、イグニッションエネルギ蓄積用のコンデンサＣ３（以下、コンデンサＣ３と記す。）、コンデンサＣ３と共に倍電圧整流回路を構成する整流素子Ｄ１、Ｄ２およびコンデンサＣ２、放電始動用のスイッチＳＷ１（以下、スイッチＳＷ１と記す。）、整流素子Ｄ３および放電成長用のコンデンサＣ４（以下、コンデンサＣ４と記す。）を備えている。イグナイタトランスＴigは、放電始動前のＨＩＤランプ９に、絶縁破壊電圧以上の高電圧を出力するトランスである。イグナイタトランスＴigの１次側巻線はＮ_ig1、２次側巻線はＮ_ig2であり、図中に各々の巻線の＋端子と−端子を明記している。コンデンサＣ３は、放電始動時にイグナイタトランスＴigの１次側巻線Ｎ_ig1に電圧を印加するために、電荷を充電する。整流素子Ｄ１、Ｄ２及びコンデンサＣ２、Ｃ３は倍電圧整流回路を構成しており、コンデンサＣ３には、プッシュプルトランスＴppの２次側巻線Ｎ３に発生した電圧のピーク値の２倍の電圧が印加される。

なお、図１における倍電圧整流回路は、プッシュプルトランスＴppの２次側巻線Ｎ３の両端電圧を整流しているが、コンデンサＣ１の両端電圧を整流するような構成としても良い。また、倍電圧整流回路と等価な機能を持つとして、プッシュプルトランスＴppにコンデンサＣ３を充電するための新たな巻線を配置する構成や、外部電源と昇圧回路によりコンデンサＣ３を充電する構成など、種々の構成にて実現することが可能である。コンデンサＣ３を放電始動に充分な電圧まで昇圧することが可能であるならば、どのような構成を用いても良い。

スイッチＳＷ１は、ギャップスイッチなどの放電スイッチや、サイリスタなどの半導体スイッチであり、コンデンサＣ３が充電されている間はオフであり、コンデンサＣ３の電圧が充分高くなり閾値に達したときにオンする。スイッチＳＷ１のオンオフ制御は、コンデンサＣ３の電圧が閾値よりも高くなった場合にスイッチＳＷ１をオンする回路（図１には図示せず）をイグナイタ回路部４に設け、イグナイタ回路部４自身でスイッチＳＷ１を制御する。または、点灯制御回路部５においてコンデンサＣ３の電圧を検知し、閾値よりも高くなった場合に点灯制御回路部５もしくはスイッチング素子駆動回路部６がスイッチＳＷ１をオンにしても良い。また、スイッチＳＷ１に、電圧がある値以上になると自動的にオンするような素子を用いてもよい。コンデンサＣ３の電圧が閾値に達するとスイッチＳＷ１がオンとなり、コンデンサＣ３に蓄積された電荷が、コンデンサＣ４を介してイグナイタトランスＴigの１次側巻線Ｎ_ig1に供給される。このとき、コンデンサＣ３の電圧をピークとするパルス電圧が１次側巻線Ｎ_ig1に印加され、イグナイタトランスＴigの巻数比に応じて２次側巻線Ｎ_ig2に高電圧パルスが発生する。

コンデンサＣ４および整流素子Ｄ３は、絶縁破壊が起こった直後の、ＨＩＤランプ９のインピーダンスが比較的高く、放電を維持するために高電圧が必要な放電成長期間に、放電を維持するために必要な電圧をＨＩＤランプ９に供給する。スイッチＳＷ１のオン時にはコンデンサＣ３、Ｃ４及び１次側巻線Ｎ_ig1が閉回路を構成し、コンデンサＣ３を充電していた電荷は、コンデンサＣ４を介して１次側巻線Ｎ_ig1にパルス的に供給されるとともにコンデンサＣ４を充電する。ＨＩＤランプ９の絶縁破壊後は、コンデンサＣ４を充電した電荷が整流素子Ｄ３を介してＨＩＤランプ９に供給されることで、ＨＩＤランプ９の放電を維持する役割を果たす。なお、当放電成長期間において、ＨＩＤランプ９に電流を供給するにあたり、コンデンサＣ４に充電した電荷の代わりに、ＤＣ／ＡＣコンバータ部２から出力される交流電圧の周波数を高くして、プッシュプルトランスＴppに蓄積したエネルギの放電による高電圧の発生回数を多くしても構わない。

点灯制御回路部５は、マイクロプロセッサ、Ａ／Ｄ変換器、メモリ、その他デジタル回路やアナログ回路によって構成される。ランプ電圧検出回路部７およびランプ電流検出回路部８の出力信号により、ＨＩＤランプ９の状態を判断し、状態の変化に応じて必要な電圧および電流出力を演算する。そして、演算した必要な電圧および電流をＨＩＤランプ９に供給するよう、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３のオンオフタイミングを決定し、スイッチング素子駆動回路部６へ伝達する。

スイッチング素子駆動回路部６は、点灯制御回路部５から伝達されたオンオフタイミングに従い、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３をオンオフ制御する。

ランプ電圧検出回路部７は、ＨＩＤランプ９の両端に印加される電圧を検出して、出力する回路ブロックである。ランプ電圧検出回路部７は、コンデンサや抵抗を用いた分圧回路と整流回路により構成することができる。分圧回路により、ＨＩＤランプ９に印加される交流の高電圧を比較的低い電圧に変換し、さらに整流回路により直流に変換することにより、ＨＩＤランプ９の両端に印加される電圧を示す信号が得られる。ランプ電圧検出回路部７は、ＨＩＤランプ９に並列に接続しても、イグナイタ回路部４の前段に接続しても良い。

ランプ電流検出回路部８は、ＨＩＤランプ９に流れている電流を検出して、出力する回路ブロックである。ランプ電流検出回路部８は、ＨＩＤランプ９に流れている電流を電圧信号に変換するカレントトランスや電流検出抵抗、ホール素子を用いた電流検出器などにより実現することができる。ランプ電流検出回路部８は、ＨＩＤランプ９に流れている電流とほぼ等しい電流、または、ＨＩＤランプ９に流れている電流を、その箇所の電流で見積もることができる箇所であれば、たとえば、ＤＣ／ＡＣコンバータ部２の１次側など、回路のどの部位に配置しても良い。

次に実施の形態１によるＨＩＤランプ点灯装置の動作について説明する。ＨＩＤランプ９の点灯は、その状態に応じて概ね以下に示すＡ．放電待機期間、Ｂ．放電始動期間、Ｃ．光束立ち上げ期間、Ｄ．定常放電期間の４つの期間に分けられる。各期間の現象とＨＩＤランプ９の状態について簡単に説明する。

Ａ．放電待機期間
放電待機期間は、ＨＩＤランプ９が点灯する前の状態であり、ＨＩＤランプ９のインピーダンスは数ＭΩから数十ＭΩ程度と大きく、ＨＩＤランプ９には電流が流れない。この期間、ＨＩＤランプ点灯装置は、放電始動に用いるエネルギを得るため、イグニッションエネルギ蓄積用のコンデンサＣ３を充電する動作を行う。

Ｂ．放電始動期間
放電始動用のスイッチＳＷ１をオンすることにより、イグナイタトランスＴigに数ｋＶ〜数十ｋＶの電圧が発生し、この電圧がＨＩＤランプ９に印加されることにより、絶縁破壊が起こり、ＨＩＤランプ９に電流が流れ、放電が開始する（イグニッション期間）。放電開始直後の放電成長期間では、ＨＩＤランプ９のインピーダンスが、例えば数百Ω程度と、光束立ち上げ期間や定常放電期間と比較して大きい。加えて、ＨＩＤランプ９の放電を安定化するために、ＨＩＤランプ９に比較的高電圧、例えば数百Ｖを印加し、ＨＩＤランプ９に電流を流し続ける必要がある。

Ｃ．光束立ち上げ期間
絶縁破壊後しばらくすると、ＨＩＤランプ９のインピーダンスが、例えば十数Ω程度と、放電始動期間に比べ充分低くなる。即ち、アーク放電に移行して、光束立ち上げ期間となる。光束立ち上げ期間では、ＨＩＤランプ９を所定の光束まで立ち上げる。特に、車載用のヘッドランプとしては、光束立ち上げを急峻に行う必要があり、ＨＩＤランプ９に定格電力以上の、例えば、定格電力３５Ｗに対して、７０Ｗ程度の電力を投入する必要がある。また、光束立ち上げ期間から定常放電期間にかけては、その電力変化による光束の変化をユーザーに視認させないため、例えば、７０Ｗから定格電力３５Ｗまで緩やかに電力を低下させていく必要がある。

Ｄ．定常放電期間
管内封入物質であるハロゲン化金属が蒸発し、光束、管内温度およびＨＩＤランプ９のインピーダンスが平衡状態に達すると定常放電期間となる。このとき、ＨＩＤランプ９のインピーダンスは、例えば数十Ω程度になっており、ＨＩＤランプ９には定格電力の、例えば３５Ｗが投入される。この期間においては、経時変化や環境条件の変化などによる、ＨＩＤランプ９のインピーダンスの変化によって、光束が変化しないよう、ＨＩＤランプ点灯装置の出力を調整する必要がある。

上述の各期間において、ＨＩＤランプ９を安定に点灯するためには、各期間において、ＨＩＤランプ９の状態に応じた点灯周波数（第１の周波数）および点灯波形の電圧を、ＨＩＤランプ９に供給する必要がある。

次に、放電待機期間および放電始動期間のＨＩＤランプ点灯装置の回路動作を詳細に説明する。図２は、本発明の実施の形態１による、放電待機期間および放電始動期間におけるスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３のスイッチングのタイミングチャート図を示している。図２(ａ)、(ｂ)および(ｃ)に示す波形は、夫々スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３のオンオフ状態を示しており、そのときのプッシュプルトランスＴppの２次側回路への出力電圧を図２(ｄ)に示している。

図１において、点灯始動信号（図示せず）を点灯制御回路部５が検知すると、点灯制御回路部５の出力信号により、スイッチング素子駆動回路部６は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３に駆動信号を出力する。この信号により、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３がオンオフ動作を開始する。

放電待機期間および放電始動期間における各スイッチング素子のオンオフ動作は、図２に示す期間１から期間４を繰り返し行う。期間１では、スイッチング素子Ｑ１とＱ３をオン、スイッチング素子Ｑ２をオフとする。期間２では、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３を全てオフとする。期間３では、スイッチング素子Ｑ２とＱ３をオン、スイッチング素子Ｑ１をオフとする。期間４では、期間２と同様にスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３を全てオフとする。

図３は、本発明の実施の形態１による、放電待機期間および放電始動期間における期間１および期間２の回路動作を示す図である。図４は、本発明の実施の形態１による、放電待機期間および放電始動期間における期間３および期間４の回路動作を示す図である。図５は、本発明の実施の形態１による、放電始動期間の回路動作を示す図である。図３、図４および図５の図中において、回路に流れる電流を破線矢印で示し、回路に発生する電圧の方向を実線矢印で示している。

放電待機期間および放電始動期間における、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３の動作と回路動作との関係を、図２、図３および図４を用いて時系列に説明する。図３(ａ)は期間１の回路動作を、図３(ｂ)は期間２の回路動作を、図４(ａ)は期間３の回路動作を、図４(ｂ)は期間４の回路動作を示している。

期間１では、スイッチング素子Ｑ１およびＱ３がオンで、スイッチング素子Ｑ２がオフのため、図３(ａ)に示すとおり、直流電源１の電圧がプッシュプルトランスＴppの１次側巻線Ｎ１に印加される。１次側巻線Ｎ１に電流ｉ_1Aが流れ、プッシュプルトランスＴppが励磁される。また、１次側巻線Ｎ１には＋端子が負となる方向の逆起電力が発生する。プッシュプルトランスＴppの２次側巻線Ｎ３には、その巻線方向に対応して２次側巻線Ｎ３の＋端子が負となる方向に、直流電源１の電圧に対して巻数比であるＮ３／Ｎ１倍のピーク電圧を持った起電力が発生する。このとき、その電圧方向により整流素子Ｄ１が通電し、コンデンサＣ２に充電電流ｉ_2Aが流れる。つまり、期間１では、いわゆるフォワード動作により、プッシュプルトランスＴppを介して直流電源１から電力をプッシュプルトランスＴppの２次側回路に伝達しつつ、プッシュプルトランスＴppに励磁エネルギを蓄積している。

期間２では、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３が全てオフのため、図３(ｂ)に示すとおり、プッシュプルトランスＴppの１次側回路には電流は流れない。特に、スイッチング素子Ｑ３をオフし、直流電源１とプッシュプルトランスＴppの１次側巻線を回路的に切り離すことにより、期間１においてプッシュプルトランスＴppに蓄積したエネルギが直流電源１に回生されることは無い。ゆえに、期間２では、期間１において蓄積したエネルギをプッシュプルトランスＴppの２次側回路で消費する。励磁されたプッシュプルトランスＴppのエネルギをリセットするため、プッシュプルトランスＴppの２次側巻線Ｎ３には、期間１とは逆方向、つまりＮ３の＋端子が正となる方向に電圧が発生する。このときの電圧のピーク値は、期間１の時間、プッシュプルトランスＴppの１次側巻線Ｎ２のインダクタンスおよび２次側回路の負荷状態に依存する。すなわち、期間１の時間が長いほど、プッシュプルトランスＴppの２次側のインピーダンスが高いほど、プッシュプルトランスＴppの２次側巻線Ｎ３に高電圧が発生する。この高電圧の発生により、整流素子Ｄ２が通電し、コンデンサＣ２を介して電流ｉ_3Aが流れ、コンデンサＣ３が充電される。つまり、期間２では、期間１においてプッシュプルトランスＴppに蓄積した励磁エネルギをプッシュプルトランスＴppの２次側回路に放電する、フライバック動作を行う。

期間３では、期間１と同様の動作を、プッシュプルトランスＴppの極性を反転して行う。期間３では、スイッチング素子Ｑ２およびＱ３がオンで、スイッチング素子Ｑ１がオフのため、図４(ａ)に示すとおり、直流電源１の電圧がプッシュプルトランスＴppの１次側巻線Ｎ２に印加される。１次側巻線Ｎ２に電流ｉ_4Aが流れ、プッシュプルトランスＴppが励磁される。また、１次側巻線Ｎ２には＋端子が正となる方向の逆起電力が発生する。プッシュプルトランスＴppの２次側巻線Ｎ３には、２次側巻線Ｎ３の＋端子が正となる方向に、直流電源１の電圧に対して巻数比であるＮ３／Ｎ２倍のピーク電圧を持った起電力が発生する。即ち、期間２と同方向の電圧が発生する。この時、その電圧方向により整流素子Ｄ２が通電し、コンデンサＣ２を介して電流ｉ_5Aが流れ、コンデンサＣ３が充電される。

期間４では、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３が全てオフのため、図４(ｂ)に示すとおり、プッシュプルトランスＴppの１次側回路には電流は流れない。特に、スイッチング素子Ｑ３をオフし、直流電源１とプッシュプルトランスＴppの１次側巻線を回路的に切り離すことにより、期間３においてプッシュプルトランスＴppに蓄積したエネルギが直流電源１に回生されることは無い。ゆえに、期間４では、期間３において蓄積したエネルギをプッシュプルトランスＴppの２次側回路で消費する。励磁されたプッシュプルトランスＴppのエネルギをリセットするため、プッシュプルトランスの２次側巻線Ｎ３には、期間３とは逆方向、つまりＮ３の＋端子が負となる方向に電圧が発生する。このときの電圧のピーク値は、期間３の時間、プッシュプルトランスＴppの１次側巻線Ｎ２のインダクタンスおよび２次側回路の負荷状態に依存する。すなわち、期間３の時間が長いほど、プッシュプルトランスＴppの２次側のインピーダンスが高いほど、プッシュプルトランスＴppの２次側巻線Ｎ３に高電圧が発生する。このとき、整流素子Ｄ１が通電し、コンデンサＣ２に充電電流ｉ_6Aが流れる。

以上のように、期間１におけるフォワード動作と期間２におけるフライバック動作とを組み合わせ、期間３におけるフォワード動作と期間４におけるフライバック動作とを組み合わせて、さらに、期間２および期間４においてはプッシュプルトランスＴppの出力極性を、期間１および期間３での極性とは反転させる動作をしている。すなわち、直流電源１の電力をプッシュプルトランスＴppの２次側に伝達する期間と、プッシュプルトランスＴppに蓄積されたエネルギをプッシュプルトランスＴppの２次側に放出する期間とからなる第一の動作モードで動作している。これにより、図２に示すように、極性反転時に高電圧となる交流の矩形波電圧を、プッシュプルトランスＴppの２次側回路に出力することができる。

次に、本発明の実施の形態１による、放電始動期間の回路動作を、図５を用いて説明する。図５(ａ)は放電始動期間におけるイグニッション期間の回路動作を、図５(ｂ)は放電始動期間における放電成長期間の回路動作を示している。

図２に示すスイッチング動作により、放電待機期間において、コンデンサＣ３に電荷が充電される。コンデンサＣ３がある電圧閾値（例えば、８００Ｖ）まで充電されると、放電始動期間に移行し、スイッチＳＷ１をオンにする。スイッチＳＷ１のオンオフ制御は、コンデンサＣ３の電圧が閾値よりも高くなった場合にスイッチＳＷ１をオンする回路（図１、図５には図示せず）をイグナイタ回路部４に設け、イグナイタ回路部４自身でスイッチＳＷ１を制御する。または、点灯制御回路部５においてコンデンサＣ３の電圧を検知し、閾値よりも高くなった場合に点灯制御回路部５もしくはスイッチング素子駆動回路部６がスイッチＳＷ１をオンにしても良い。また、スイッチＳＷ１に、電圧がある値以上になると自動的にオンするような素子を用いてもよい。

図５(ａ)に示すとおり、スイッチＳＷ１がオンするとコンデンサＣ３、Ｃ４および１次側巻線Ｎ_ig1の閉回路においてコンデンサＣ３からＣ４へ電荷が移動し、前記閉回路に電流ｉ_1Bが流れる。コンデンサＣ３からＣ４に電荷が移動している間、イグナイタトランスＴigの１次側巻線Ｎ_ig1の両端には、コンデンサＣ３の電圧にほぼ等しいピーク電圧を持ったパルス電圧が印加される。１次側巻線Ｎ_ig1にパルス電圧が印加されると、イグナイタトランスＴigの２次側巻線Ｎ_ig2には、１次側巻線Ｎ_ig1の両端に印加された電圧に対して巻数比であるＮ_ig2／Ｎ_ig1倍の電圧（例えば、数十ｋＶ）が発生する。この電圧はＨＩＤランプ９にも印加される。この電圧により、ＨＩＤランプ９は絶縁破壊を起こし、放電が開始する。

図１に示す点灯制御回路部５は、ランプ電圧検出回路部７およびランプ電流検出回路部８からの信号により、ＨＩＤランプ９の放電が開始したことを検知すると、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３を全てオフとする信号をスイッチング素子駆動回路部６に対して出力する。このとき、スイッチＳＷ１はオンの状態で、図５(ｂ)に示すとおり、整流素子Ｄ３が導通してコンデンサＣ３およびＣ４の電圧にほぼ等しい電圧がＨＩＤランプ９に印加され、電流ｉ_2Bが流れる。これにより、ＨＩＤランプ９に、放電を維持するのに充分な高い電圧が印加される。次に、コンデンサＣ３およびＣ４の電圧が、ＨＩＤランプ９への放電により小さくなってくると、図２に示すスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３のオンオフ動作を開始する。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３のスイッチングは、図２における期間１から期間４の動作を繰り返し行う。このため、ＨＩＤランプ９には、図２、図３および図４を用いて説明したように、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３が全てオフする期間２と期間４のタイミングで高電圧が印加される。これにより、放電始動期間における放電成長期間のＨＩＤランプ９の放電を維持することが可能となる。

以上により、放電待機期間および放電始動期間においては、図２に示すスイッチング動作により、プッシュプルトランスＴppの２次側巻線Ｎ３に高電圧を発生させ、この高電圧により、ＨＩＤランプ９の絶縁破壊に必要な電圧を得ることができる。また、放電始動直後のＨＩＤランプ９のインピーダンスが高い放電成長期間において、ＨＩＤランプ９に高電圧を印加することができ、ＨＩＤランプ９のインピーダンスが充分低くなるまで、放電を維持することが可能となる。

ＨＩＤランプ９のインピーダンスが充分小さくなると、光束立ち上げ期間に移行する。上述したように、光束立ち上げ期間においては、ＨＩＤランプ点灯装置は、光束を急峻に立ち上げるのに充分な電力をＨＩＤランプ９に供給し、定格電力に達するまで電力を徐々に低下させる。また、定常放電期間においては、経年変化や環境条件の変化によりＨＩＤランプ９のインピーダンスが変化した場合にも、ＨＩＤランプ９に供給する電力を一定に保つ。光束立ち上げ期間および定常放電期間において、ＨＩＤランプ点灯装置は、ＨＩＤランプ９の電力を所定の値に調整する必要がある。

次に、光束立ち上げ期間および定常放電期間のＨＩＤランプ点灯装置の回路動作を説明する。図６は、本発明の実施の形態１による、光束立ち上げ期間および定常放電期間におけるスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３のスイッチングのタイミングチャート図を示している。図６(ａ)、(ｂ)および(ｃ)に示す波形は、夫々スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３のオンオフ状態を示しており、そのときのプッシュプルトランスＴppの２次側回路への出力電圧を図６(ｄ)に、ＨＩＤランプ９の電圧を図６(ｅ)に示している。図７は、本発明の実施の形態１による、光束立ち上げ期間および定常放電期間における期間５および期間６の回路動作を示す図である。図８は、本発明の実施の形態１による、光束立ち上げ期間および定常放電期間における期間７および期間８の回路動作を示す図である。図７および図８の図中において、回路に流れる電流を破線矢印で示し、回路に発生する電圧の方向を実線矢印で示している。

光束立ち上げ期間および定常放電期間における、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３の動作と回路動作との関係を、図６、図７および図８を用いて時系列に説明する。光束立ち上げ期間および定常放電期間における各スイッチング素子のオンオフ動作は、図６に示す期間５から期間８を繰り返し行う。期間５および期間７は、更に、直流電源１からＤＣ／ＡＣコンバータ部２に電力を供給する電力供給期間と、直流電源１からの電力供給を停止し、プッシュプルトランスＴppの１次側で電流を還流する還流期間とに分かれる。

期間５では、スイッチング素子Ｑ１は常時オン状態とし、スイッチング素子Ｑ２とＱ３をオンオフ動作する。期間５において、電力供給期間はスイッチング素子Ｑ２をオフ、スイッチング素子Ｑ３をオンとし、還流期間はスイッチング素子Ｑ２をオン、スイッチング素子Ｑ３をオフとする。期間６では、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３を全てオフとする。期間７では、スイッチング素子Ｑ２を常時オン状態とし、スイッチング素子Ｑ１とＱ３をオンオフ動作する。期間７において、電力供給期間はスイッチング素子Ｑ１をオフ、スイッチング素子Ｑ３をオンとし、還流期間はスイッチング素子Ｑ１をオン、スイッチング素子Ｑ３をオフとする。期間８では、期間６と同様にスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３を全てオフとする。

図７(ａ)は期間５における電力供給期間の回路動作を、図７(ｂ)は期間５における還流期間の回路動作を、図７(ｃ)は期間６の回路動作を、図８(ａ)は期間７における電力供給期間の回路動作を、図８(ｂ)は期間７における還流期間の回路動作を、図８(ｃ)は期間８の回路動作を示している。

期間５における電力供給期間では、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３がオン、スイッチング素子Ｑ２がオフのため、図７(ａ)に示すとおり、プッシュプルトランスＴppの１次側巻線Ｎ１に直流電源１の電圧が印加される。１次側巻線Ｎ１に電流ｉ_1Cが流れ、プッシュプルトランスＴppが励磁される。また、１次側巻線Ｎ１には、＋端子が負となる方向の逆起電力が発生する。プッシュプルトランスＴppの２次側巻線Ｎ３には、その巻線方向に対応して２次側巻線Ｎ３の＋端子が負となる方向に、直流電圧１の電圧に対して巻数比であるＮ３／Ｎ１倍のピーク電圧を持った起電力が発生する。この電圧により、ＨＩＤランプ９にはイグナイタトランスＴigから波形整形回路部３に向かう方向に電流ｉ_2Cが流れる。即ち、直流電源１からＨＩＤランプ９に電力が伝達される。

期間５における還流期間では、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２がオン、スイッチング素子Ｑ３がオフのため、図７(ｂ)に示すとおり、プッシュプルトランスの２次側巻線Ｎ３には電圧が発生しない。しかしながら、期間５の電力供給期間において蓄えられたプッシュプルトランスＴppの励磁エネルギと波形整形回路部３に蓄えられたエネルギにより、ＨＩＤランプ９には、期間５の電力供給期間と同方向の電流ｉ_3Cが流れる。電流ｉ_3Cは、プッシュプルトランスＴppの２次側巻線Ｎ３にも流れ、ｉ_3CのＮ３／(Ｎ１＋Ｎ２)倍の電流ｉ_4CがプッシュプルトランスＴppの１次側巻線Ｎ１およびＮ２に流れる。即ち、１次側巻線Ｎ１、Ｎ２、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびグランドにより構成される閉回路にて電流が還流される。

期間６では、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３が全てオフのため、図７(ｃ)に示すとおり、プッシュプルトランスＴppの１次側回路には電流は流れない。特に、スイッチング素子Ｑ３をオフし、直流電源１とプッシュプルトランスＴppの１次側巻線を回路的に切り離すことにより、期間５においてプッシュプルトランスＴppに蓄積したエネルギが直流電源１に回生されることは無い。このため、期間５においてプッシュプルトランスＴppと波形整形回路部３、およびイグナイタトランスＴigに蓄えられたエネルギをプッシュプルトランスＴppの２次側回路で消費する。プッシュプルトランスＴppに蓄えられた励磁エネルギと波形整形回路部３およびイグナイタトランスＴigに蓄えられたエネルギの向きは逆向きである。このため、期間６の当初、波形整形回路部３およびイグナイタトランスＴigに蓄えられたエネルギを放電するまでの間は、期間５と同方向にｉ_5Cが流れる。波形整形回路部３およびイグナイタトランスＴigに蓄えられたエネルギを放電後は、プッシュプルトランスＴppに蓄えられた励磁エネルギを消費するため、電流の向きは反転し、ｉ_6Cが流れる。

期間７では、期間５と同様の動作を、プッシュプルトランスＴppの極性を反転して行う。期間７における電力供給期間では、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３がオン、スイッチング素子Ｑ１がオフのため、図８(ａ)に示すとおり、プッシュプルトランスＴppの１次側巻線Ｎ２に直流電源１の電圧が印加される。１次側巻線Ｎ２に電流ｉ_7Cが流れ、プッシュプルトランスＴppが励磁される。また、１次側巻線Ｎ２には、＋端子が正となる方向の逆起電力が発生する。プッシュプルトランスＴppの２次側巻線Ｎ３には、その巻線方向に対応して２次側巻線Ｎ３の＋端子が正となる方向に、直流電圧１の電圧に対して巻数比であるＮ３／Ｎ２倍のピーク電圧を持った起電力が発生する。この電圧により、ＨＩＤランプ９には波形整形回路部３からイグナイタトランスＴigに向かう方向に電流ｉ_8Cが流れる。即ち、直流電源１からＨＩＤランプ９に電力が伝達される。

期間７における還流期間では、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２がオン、スイッチング素子Ｑ３がオフのため、図８(ｂ)に示すとおり、プッシュプルトランスの２次側巻線Ｎ３には電圧が発生しない。しかしながら、期間７の電力供給期間において蓄えられたプッシュプルトランスＴppの励磁エネルギと波形整形回路部３に蓄えられたエネルギにより、ＨＩＤランプ９には、期間７の電力供給期間と同方向の電流ｉ_9Cが流れる。電流ｉ_9Cは、プッシュプルトランスＴppの２次側巻線Ｎ３にも流れ、ｉ_9CのＮ３／(Ｎ１＋Ｎ２)倍の電流ｉ_10CがプッシュプルトランスＴppの１次側巻線Ｎ１およびＮ２に流れる。即ち、１次側巻線Ｎ１、Ｎ２、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびグランドにより構成される閉回路にて電流が還流される。

期間８では、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３が全てオフのため、図８(ｃ)に示すとおり、プッシュプルトランスＴppの１次側回路には電流は流れない。特に、スイッチング素子Ｑ３をオフし、直流電源１とプッシュプルトランスＴppの１次側巻線を回路的に切り離すことにより、期間７においてプッシュプルトランスＴppに蓄積したエネルギが電源に回生されることは無い。このため、期間７においてプッシュプルトランスＴppと波形整形回路部３、およびイグナイタトランスＴigに蓄えられたエネルギをプッシュプルトランスＴppの２次側回路で消費する。プッシュプルトランスＴppに蓄えられた励磁エネルギと波形整形回路部３およびイグナイタトランスＴigに蓄えられたエネルギの向きは逆向きである。このため、期間８の当初、波形整形回路部３およびイグナイタトランスＴigに蓄えられたエネルギを放電するまでの間は、期間７と同方向にｉ_11Cが流れる。波形整形回路部３およびイグナイタトランスＴigに蓄えられたエネルギを放電後は、プッシュプルトランスＴppに蓄えられた励磁エネルギを消費するため、電流の向きは反転し、ｉ_12Cが流れる。

以上により、ＨＩＤランプ９には、期間５から期間８の繰り返し周波数に等しい点灯周波数（即ち、第１の周波数）の電流が流れる。

次に、光束立ち上げ期間および定常放電期間におけるＨＩＤランプ９の電力の調整方法を説明する。ＨＩＤランプ９の電力の調整は、期間５と期間７における電力投入期間と還流期間の比を調整することにより実現することが可能である。即ち、ＨＩＤランプ９の電力が必要電力に対して小さい場合には、還流期間に対する電力供給期間の時間比を大きくし、逆にＨＩＤランプ９の電力が必要電力に対して大きい場合には、還流期間に対する電力供給期間の時間比を小さくすれば良い。電力供給期間と還流期間の繰り返しを一対と考えれば、電力供給期間におけるスイッチング素子のオン時間を調整することによりランプ電力の調整を行っている。これは、スイッチング素子のデューティー比の制御により電力調整を行う、ＰＷＭ制御により電力を調整していると言うことができる。

ＰＷＭ制御において、期間５におけるスイッチング素子Ｑ２およびＱ３のオンオフ動作の周波数、および期間７におけるスイッチング素子Ｑ１およびＱ３のオンオフ動作の周波数（以下、第２の周波数と記す。）は、ＨＩＤランプ９に流す電流の周波数、即ち第１の周波数に対して充分高くする必要がある。これは、波形整形回路部３において、インダクタＬ１とコンデンサＣ１にて構成するローパスフィルタの設計を容易にするためである。第２の周波数が高いため、プッシュプルトランスＴppの２次側には、高周波のパルス電圧が発生する。しかしながら、還流期間を設けることにより、期間５および期間７の各期間において、電力供給期間と還流期間のプッシュプルトランスＴppの２次側の出力電圧が反転することは無い。プッシュプルトランスＴppの２次側の出力電圧は、図６(ｄ)に示すように、期間５から期間８の繰り返し低周波（即ち、第１の周波数）に、第２の周波数である高周波成分が重畳した波形となる。すなわち、ＤＣ／ＡＣコンバータ部２は、直流電源１の出力電圧を、第１の周波数の成分と第２の周波数の成分とを含む波形の交流電圧に変換する第二の動作モードで動作している。波形整形回路部３において、プッシュプルトランスＴppの２次側の出力電圧から、上記高周波成分（第２の周波数の成分）を減衰させる。これにより、第２の周波数である高周波成分の少ない電圧を、ＨＩＤランプ９に供給することが可能となる。

第２の周波数は、期間５から期間８の繰り返し周波数である第１の周波数（＝点灯周波数）よりも充分に高ければ、どのような周波数を用いても良い。通常、ＨＩＤランプ９を安定に点灯し、ＨＩＤランプ点灯装置のサイズ等を考慮した場合、第１の周波数（＝点灯周波数）を数百Ｈｚから十数ｋＨｚ程度以下とし、第２の周波数は数十ｋＨｚから数ＭＨｚ程度の間に設定する。

なお、期間６および期間８の時間を調整することにより、ランプ電力を大まかに制御することができる。期間６および期間８の時間を短くすれば、期間５および期間７のＰＷＭ制御で調整可能な電力の最大値が大きくなり、期間６および期間８の時間を長くすれば、期間５および期間７のＰＷＭ制御で調整可能な電力の最大値が小さくなる。即ち、電力の大まかな調整は、期間６および期間８の時間を調整することにより行い、電力の微調整は、期間５および期間７のＰＷＭ制御にて行う。

また、期間６および期間８においては、プッシュプルトランスＴppおよび波形整形回路部３およびイグナイタトランスＴigに蓄積されたエネルギを放電する動作を行うため、ＨＩＤランプ９のインピーダンスが高くなった場合に、ＨＩＤランプ９に高電圧を供給できる。即ち、経年変化や環境条件の変化などによるＨＩＤランプ９のインピーダンスの変化に対応して、適切な電圧および電流を供給することができる。

本発明の実施の形態１によれば、直流電源の電圧を必要な電圧に昇圧または降圧し、交流電圧に変換するという機能をＤＣ／ＡＣコンバータ部２において実現している。このため、従来装置と比較して、素子数を低減することができ、ＨＩＤランプ点灯装置を小型化できるという効果がある。

本発明の実施の形態１によれば、音響共鳴現象を誘起する周波数成分を減衰させた低周波の矩形波交流電圧をＨＩＤランプ９に供給するため、ＨＩＤランプ９を安定して点灯できるという効果がある。

本発明の実施の形態１によれば、回路に蓄積されたエネルギを放電する期間を設けたことにより、ＨＩＤランプ９のインピーダンスの変化に対応して、適切な電圧および電流をＨＩＤランプ９に供給することができるという効果がある。

実施の形態２．
図９は、本発明の実施の形態２による、ＨＩＤランプ点灯装置の構成を示す回路図である。図中、図１と同一符号は同一又は相当の構成を示す。本発明の実施の形態２によるＨＩＤランプ点灯装置は、図９に示すように、実施の形態１によるＨＩＤランプ点灯装置を示す図１の回路から、インダクタＬ１とコンデンサＣ１により構成された波形整形回路部３を不要としている。合わせて、イグナイタ回路部４の構成部品である整流素子Ｄ３およびコンデンサＣ４についても不要とした、簡易な構成で実現することが可能である。

本発明の実施の形態２によれば、スイッチング素子Ｑ３により直流電源１からの電力供給を断続するとともに、プッシュプルトランスＴppの１次側に設けたスイッチング素子Ｑ１およびＱ２を交互にオンオフすることにより、直流電源１の電圧をＨＩＤランプ９の点灯に必要な電圧に昇圧または降圧し、交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣコンバータ部２と、ＤＣ／ＡＣコンバータ部２の２次側に、点灯始動用のイグナイタ回路部４とを備えている。ＤＣ/ＡＣコンバータ部２の２次側は、プッシュプルトランスＴppの２次側巻線Ｎ３、イグナイタトランスＴig、ＨＩＤランプ９の直列回路を構成し、ＤＣ／ＡＣコンバータ部２の出力電圧（プッシュプルトランスＴppの２次側回路の出力電圧）をＨＩＤランプ９に供給する。

次に実施の形態２によるＨＩＤランプ点灯装置の動作について図２を用いて説明する。実施の形態２によれば、上述のＡ．放電待機期間からＤ．定常放電期間までの全期間に渡って、スイッチング素子Ｑ３をオンして直流電源１の電力をプッシュプルトランスＴppの２次側に伝達する、いわゆるフォワード動作を行いつつ、プッシュプルトランスに励磁エネルギを蓄積する期間（期間１および期間３）と、スイッチング素子Ｑ３をオフしてプッシュプルトランスＴppに蓄積されたエネルギを放電する、いわゆるフライバック動作を行う期間（期間２および期間４）とを設けている。これにより、ＨＩＤランプ９点灯後の全期間に渡って、第１の周波数である低周波数の矩形波交流電圧をＨＩＤランプ９に供給している。放電待機期間および放電始動期間におけるイグニッション期間のときの回路動作については、実施の形態１と同様であるため説明を省略する。以下では、放電始動期間における放電成長期間、光束立ち上げ期間および定常放電期間の回路動作について説明する。

まず、放電始動期間における放電成長期間の回路動作を図２および図９を用いて説明する。図９に示す点灯制御回路部５は、ランプ電圧検出回路部７およびランプ電流検出回路部８からの信号により、ＨＩＤランプ９の放電が開始したことを検知すると、図２に示すスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３のオンオフ動作を開始する。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３が全てオフする期間２と期間４のタイミングでプッシュプルトランスＴppの２次側回路、即ち、ＨＩＤランプ９に高電圧が印加される。これにより、放電始動期間における放電成長期間のＨＩＤランプ９の放電を維持することが可能となる。

次に、光束立ち上げ期間および定常放電期間のＨＩＤランプ点灯装置の回路動作を図２を用いて説明する。実施の形態２においては、光束立ち上げ期間および定常放電期間においても、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３は図２に示すとおりオンオフ動作する。これにより、図２(ｄ)に示すプッシュプルトランスＴppの２次側回路の出力電圧をＨＩＤランプ９に供給している。

次に、実施の形態２による、ＨＩＤランプ９に供給する電力の調整方法を説明する。ＨＩＤランプ９に供給する電力は、図２における期間１および期間３と、期間２および期間４の時間比により決定される。すなわち、期間１と期間３の時間を長くすることにより、フォワード動作によりランプに供給する電力と、プッシュプルトランスに蓄積される励磁エネルギとが大きくなる。また、期間２と期間４の時間を長くすることにより、プッシュプルトランスに蓄積した励磁エネルギのうち、フライバック動作により、ランプに供給するエネルギの割合が大きくなり、ランプ電力は大きくなる。逆に、期間１と期間３の時間を短くすると、フォワード動作によりランプに供給する電力と、プッシュプルトランスに蓄積される励磁エネルギとが小さくなる。また、期間２および期間４の時間を短くすると、プッシュプルトランスに蓄積した励磁エネルギのうち、ランプに供給するエネルギの割合が小さくなり、ランプ電力は低下する。すなわち、実施の形態２におけるＨＩＤランプ９に供給する電力は、状況に応じて、上記期間１と期間３に対する期間２および期間４の時間比を調整することにより調整することが可能である。

本発明の実施の形態２によれば、波形整形回路部３およびイグナイタ回路部４の一部を不要とすることにより、更に素子数を低減することができ、ＨＩＤランプ点灯装置を小型化できるという効果がある。

実施の形態３
本発明の実施の形態３について図面を参照して説明する。図１０は、本発明の実施の形態３による、ＨＩＤランプ点灯装置の構成を示す回路図である。実施の形態３によるＨＩＤランプ点灯装置は、バッテリ等の直流電源１、ＤＣ／ＡＣコンバータ部２、波形整形回路部３、充電回路部１０、点灯制御回路部５、スイッチング素子駆動回路部６、ランプ電圧検出回路部７、ランプ電流検出回路部８、イグナイタ回路部４１および放電成長補助回路部１１を備えている。放電成長補助回路部１１は、放電開始直後にＨＩＤランプ９に放電維持可能な電圧および電流を供給する１次放電成長補助回路と、１次放電成長補助回路の出力が低下時にＨＩＤランプ９に放電維持可能な電圧および電流を供給する２次放電成長補助回路とにより構成される。

図１０の構成のＨＩＤランプ点灯装置に関する具体例を図１１に示す。図１１に示すＨＩＤランプ点灯装置は、充電回路部１０として倍電圧整流回路を用いており、１次放電成長補助回路としてコンデンサを、２次放電成長補助回路としてダイオードおよび抵抗とコンデンサにより構成される回路を備え、簡易な構成で充電回路部１０と放電成長補助回路部１１を実現する例である。以下、図１１の回路構成を例として、実施の形態３を説明する。

実施の形態３による、図１０および図１１におけるＤＣ／ＡＣコンバータ部２、波形整形回路部３、点灯制御回路部５、スイッチング素子駆動回路部６、ランプ電圧検出回路部７、ランプ電流検出回路部８は、実施の形態１における図１と同様な構成となっており、同様な機能を持つ。

イグナイタ回路部４１は、イグナイタトランスＴig、イグニッションエネルギ蓄積用のコンデンサＣ３、放電始動用のスイッチＳＷ１により構成される。イグナイタ回路部４１は、ＨＩＤランプ９の放電始動時に、ＨＩＤランプ９内で絶縁破壊を生じさせるための高電圧を、ＨＩＤランプ９に印加するための回路ブロックである。実施の形態３では、図１１に示すように、トランス昇圧を用いてイグナイタ回路部４１を構成している。この他にも、イグナイタ回路部４１は、ＬＣ回路による共振を用いたもの、逓倍整流回路を用いたもの、ＤＣ/ＡＣコンバータ部２の２次側に巻線を追加したものなど、種々の構成にて実現可能である。

スイッチＳＷ１は、ギャップスイッチなどの放電スイッチや、サイリスタなどの半導体スイッチであり、コンデンサＣ３が充電されている間はオフであり、コンデンサＣ３の電圧が充分高くなり閾値に達したときにオンする。スイッチＳＷ１のオンオフ制御は、コンデンサＣ３の電圧が閾値よりも高くなった場合にスイッチＳＷ１をオンする回路（図１１には図示せず）をイグナイタ回路部４１に設け、イグナイタ回路部４１自身でスイッチＳＷ１を制御する。または、点灯制御回路部５においてコンデンサＣ３の電圧を検知し、閾値よりも高くなった場合に点灯制御回路部５もしくはスイッチング素子駆動回路部６がスイッチＳＷ１をオンにしても良い。また、スイッチＳＷ１に、電圧がある値以上になると自動的にオンするような素子を用いてもよい。コンデンサＣ３の電圧が閾値に達するとスイッチＳＷ１がオンとなり、コンデンサＣ３に蓄積された電荷がイグナイタトランスＴigの１次側巻線Ｎ_ig1に供給される。このとき、コンデンサＣ３の電圧をピークとするパルス電圧が１次側巻線Ｎ_ig1に印加され、イグナイタトランスＴigの巻数比に応じて２次側巻線Ｎ_ig2に高電圧パルスが発生する。

充電回路部１０は、ダイオードＤ１，Ｄ２と、抵抗Ｒ１，Ｒ２およびコンデンサＣ２により構成される。充電回路部１０は、波形整形回路部３の出力であるコンデンサＣ１の両端電圧を整流し、コンデンサＣ３および放電成長補助回路部１１を構成するコンデンサＣ４およびＣ５を充電する。ここで、コンデンサＣ１の両端電圧は交流波形となるが、図１１における充電回路部１０により、コンデンサＣ３、Ｃ４およびＣ５の両端電圧は、コンデンサＣ１の両端電圧のpeak to peak値の電圧まで、直流電圧として充電される。なお、図１１における充電回路部１０は、コンデンサＣ１の両端電圧を整流しているが、プッシュプルトランスＴppの２次側巻線Ｎ３の電圧を整流するような構成としても良い。また、充電回路部１０は、プッシュプルトランスＴppに新たに充電用の巻線を配置する構成や、外部電源と昇圧回路を用いてコンデンサＣ３を充電する構成など、種々の構成にて実現することが可能である。充電回路部１０は、コンデンサＣ３、Ｃ４およびＣ５を放電始動に充分な電圧まで昇圧することが可能であるならばどのような構成を用いても良い。

放電成長補助回路部１１は、放電開始直後にＨＩＤランプ９に放電維持可能な電圧および電流を供給する１次放電成長補助回路としてコンデンサＣ４を備え、コンデンサＣ４の電圧低下後にＨＩＤランプ９に放電維持可能な電圧および電流を供給する２次放電成長補助回路として、コンデンサＣ５、ダイオードＤ３、抵抗Ｒ３を備える。上記の放電成長補助回路部１１は、簡易な構成でＨＩＤランプ９の放電を維持できる回路の一例であるが、ＨＩＤランプ９に放電を維持するに充分な電圧および電流を供給可能であるならば、ダイオードの変わりにＦＥＴやＩＧＢＴ、サイリスタなどのスイッチング素子を用いるなど、どのような回路で構成してもよい。

次に、実施の形態３によるＨＩＤランプ点灯装置の動作について説明する。ＨＩＤランプ９の点灯は、その状態に応じてＡ．放電待機期間、Ｂ．放電始動期間、Ｃ．光束立ち上げ期間、Ｄ．定常放電期間の４つの期間に分けられる。各期間の現象とＨＩＤランプ９の状態については、実施の形態１に記載したとおりである。各期間において、ＨＩＤランプ９を安定に点灯するためには、各期間におけるＨＩＤランプ９の状態に応じた点灯周波数（第１の周波数）および点灯波形の電圧を、ＨＩＤランプ９に供給する必要がある。

実施の形態３では、光束立ち上げ期間と定常放電期間の回路動作は実施の形態１と同様であり、放電待機期間と放電始動期間の回路動作が実施の形態１と異なる。実施の形態３による、放電待機期間と放電始動期間の回路動作を以下に詳細に説明する。

図１２は、本発明の実施の形態３による、放電待機期間におけるスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３のスイッチングのタイミングチャート図と、コンデンサＣ１の両端電圧を示している。また、図１３は、本発明の実施の形態３による、放電待機期間におけるコンデンサＣ３、Ｃ４、Ｃ５の両端電圧を示している。図１２(ａ)、(ｂ)および(ｃ)に示す波形は、夫々スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３のオンオフ状態を示しており、そのときのコンデンサＣ１の両端電圧を図１２(ｄ)に示している。

図１１において、点灯始動信号（図示せず）を点灯制御回路部５が検知すると、点灯制御回路部５の出力信号により、スイッチング素子駆動回路部６は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３に駆動信号を出力する。この信号により、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３がオンオフ動作を開始する。

放電待機期間における各スイッチング素子のオンオフ動作は、図１２に示す期間１から期間４を第１の周波数で繰り返し行う。期間１では、スイッチング素子Ｑ１とＱ３をオン、スイッチング素子Ｑ２をオフとする。期間２では、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３を全てオフとする。期間３では、スイッチング素子Ｑ２とＱ３をオン、スイッチング素子Ｑ１をオフとする。期間４では、期間２と同様にスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３を全てオフとする。

図１４は、本発明の実施の形態３による、放電待機期間における期間３および期間４の回路動作を示す図である。図１５は、本発明の実施の形態３による、放電待機期間における期間１および期間２の回路動作を示す図である。また、図１６は、放電始動期間の回路動作を示す図である。図１４、図１５および図１６の図中において、回路に流れる電流を破線矢印で示し、回路に発生する電圧の方向を実線矢印で示している。

放電待機期間における、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３の動作と回路動作との関係を、図１２、図１３、図１４および図１５を用いて時系列に説明する。図１４(ａ)は期間３の回路動作を、図１４(ｂ)は期間４の回路動作を、図１５(ａ)は期間１の回路動作を、図１５(ｂ)は期間２の回路動作を示している。

期間３では、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３がオン、スイッチング素子Ｑ１がオフのため、図１４(ａ)に示すとおり、直流電源１の電圧がプッシュプルトランスＴppの１次側巻線Ｎ２に印加される。１次側巻線Ｎ２に電流が流れ、プッシュプルトランスＴppが励磁される。プッシュプルトランスＴppの２次側巻線Ｎ３には、その巻線方向に対応して２次側巻線Ｎ３の＋端子が正となる方向に、直流電源１の電圧に対して巻数比であるＮ３／Ｎ２倍のピーク電圧を持った起電力が発生する。この期間において、コンデンサＣ１の両端電圧よりも、コンデンサＣ２およびＣ３の電圧が小さい場合には、整流素子Ｄ１および整流素子Ｄ２が通電し、コンデンサＣ２およびＣ３に充電電流が流れる。また、コンデンサＣ４およびＣ５からコンデンサＣ３へ充電電流が流れる。つまり、期間３では、いわゆるフォワード動作により、プッシュプルトランスＴppを介して直流電源１から電力をプッシュプルトランスＴppの２次側回路に伝達しつつ、プッシュプルトランスＴppに励磁エネルギを蓄積している。

期間４では、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３が全てオフのため、図１４(ｂ)に示すとおり、プッシュプルトランスＴppの１次側回路には電流は流れない。特に、Ｑ３をオフし、直流電源１とプッシュプルトランスＴppの１次側巻線を回路的に切り離すことにより、期間３においてプッシュプルトランスＴppに蓄積したエネルギが直流電源１に回生されることは無い。ゆえに、期間４では、期間３においてプッシュプルトランスＴppに蓄積したエネルギをプッシュプルトランスＴppの２次側回路で消費する。励磁されたプッシュプルトランスＴppのエネルギをリセットするため、プッシュプルトランスＴppの２次側巻線Ｎ３には、期間３とは逆方向、つまりＮ３の＋端子が負となる方向に電圧が発生する。

このときの電圧のピーク値は、期間３の時間、プッシュプルトランスＴppの１次側巻線Ｎ２のインダクタンスおよび２次側回路の負荷状態に依存する。すなわち、期間３の時間が長いほど、プッシュプルトランスＴppの２次側のインピーダンスが高いほど、プッシュプルトランスＴppの２次側巻線Ｎ３に高電圧が発生する。この高電圧の発生により、整流素子Ｄ２およびＤ３が通電し、コンデンサＣ２を介して電流が流れ、コンデンサＣ４およびＣ５が充電される。また、コンデンサＣ３を介してコンデンサＣ４およびＣ５に充電電流が流れる。つまり、期間４では、期間３においてプッシュプルトランスＴppに蓄積した励磁エネルギをプッシュプルトランスＴppの２次側回路に放電する、フライバック動作を行う。

期間１では、期間３と同様の動作を、プッシュプルトランスＴppの極性を反転して行う。期間１では、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３がオン、スイッチング素子Ｑ２がオフのため、図１５(ａ)に示すとおり、直流電源１の電圧がプッシュプルトランスＴppの１次側巻線Ｎ１に印加される。１次側巻線Ｎ１に電流が流れ、プッシュプルトランスＴppが励磁される。また、プッシュプルトランスＴppの２次側巻線Ｎ３には、２次側巻線Ｎ３の＋端子が負となる方向に、直流電源１の電圧に対して巻数比であるＮ３／Ｎ１倍のピーク電圧を持った起電力が発生する。即ち、期間４と同方向の電圧が発生する。この期間において、コンデンサＣ１とＣ２との合成電圧よりもコンデンサＣ４およびＣ５の両端電圧が小さい場合には、整流素子Ｄ２が通電し、コンデンサＣ４およびＣ５が充電される。また、コンデンサＣ３を介してコンデンサＣ４およびＣ５に充電電流が流れる。

期間２では、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３が全てオフのため、図１５(ｂ)に示すとおり、プッシュプルトランスＴppの１次側回路には電流は流れない。特に、Ｑ３をオフし、直流電源１とプッシュプルトランスＴppの１次側巻線を回路的に切り離すことにより、期間１においてプッシュプルトランスに蓄積したエネルギが直流電源１に回生されることは無い。ゆえに、期間２では、期間１においてプッシュプルトランスＴppに蓄積したエネルギをプッシュプルトランスＴppの２次側回路で消費する。励磁されたプッシュプルトランスＴppのエネルギをリセットするため、プッシュプルトランスＴppの２次側巻線Ｎ３には、期間１とは逆方向、つまりＮ３の＋端子が正となる方向に電圧が発生する。このときの電圧のピーク値は、期間１の時間、プッシュプルトランスＴppの１次側巻線Ｎ１のインダクタンスおよび２次側回路の負荷状態に依存する。すなわち、期間１の時間が長いほど、プッシュプルトランスＴppの２次側のインピーダンスが高いほど、プッシュプルトランスＴppの２次側巻線Ｎ３に高電圧が発生する。このとき、整流素子Ｄ１およびＤ２が通電し、コンデンサＣ２およびＣ３に充電電流が流れる。もしくは、コンデンサＣ４を介してコンデンサＣ３に充電電流が流れる。

以上のように、期間１におけるフォワード動作と期間２におけるフライバック動作とを組み合わせ、期間３におけるフォワード動作と期間４におけるフライバック動作とを組み合わせて、さらに、期間２および期間４においてはプッシュプルトランスＴppの出力極性を、期間１および期間３での極性とは反転させる動作をしている。これにより、図１２に示すように、極性反転時に高電圧となる交流の矩形波電圧を、プッシュプルトランスＴppの２次側巻線Ｎ３に出力することができる。このプッシュプルトランスＴppの２次側巻線Ｎ３に出力される電圧は、コンデンサＣ１の両端電圧におよそ等しく、コンデンサＣ３およびコンデンサＣ４、Ｃ５の両端電圧の最大値は、コンデンサＣ１の両端のピーク電圧Ｖpの２倍まで昇圧することが可能である。すなわち、図１３に示すコンデンサＣ３、Ｃ４、Ｃ５の両端電圧の最大値は２Ｖpとなる。なお、図１３に示すコンデンサＣ３、Ｃ４、Ｃ５の電圧は、ほぼ直流電圧であるが、各コンデンサの容量によっては、高低に振動する脈流電圧となる場合もある。

次に、本発明の実施の形態３による、放電始動期間の回路動作を、図１６を用いて説明する。図１６(ａ)は放電始動期間におけるイグニッション期間のときの回路動作を、図１６(ｂ)、図１６(ｃ)、図１６(ｄ)は放電開始直後の放電成長期間のときの回路動作を時系列に示している。また、図１７に放電始動期間の回路各部における電圧、電流の波形図の例を示す。図１７(ａ)はＨＩＤランプ９の電圧を、図１７(ｂ)はＨＩＤランプ９に流れる電流を、図１７(ｃ)はコンデンサＣ４の両端電圧Ｖ_Ｃ４およびコンデンサＣ５の両端電圧Ｖ_Ｃ５を、図１７(ｄ)はコンデンサＣ４からＨＩＤランプ９に供給される電流Ｉ_Ｃ４およびコンデンサＣ５からＨＩＤランプ９に供給される電流Ｉ_Ｃ５を示している。

図１２に示すスイッチング動作により、放電待機期間において、コンデンサＣ３が充電される。コンデンサＣ３の両端電圧がある電圧閾値（例えば、８００Ｖ）まで充電されると、放電始動期間に移行し、スイッチＳＷ１をオンにする。スイッチＳＷ１のオンオフ制御は、コンデンサＣ２の電圧が閾値よりも高くなった場合にスイッチＳＷ１をオンする回路（図１１、図１６には図示せず）をイグナイタ回路部４１に設け、イグナイタ回路部４１自身でスイッチＳＷ１を制御する。または、点灯制御回路部５においてコンデンサＣ３の電圧を検知し、閾値よりも高くなった場合に点灯制御回路部５もしくはスイッチング素子駆動回路部６がスイッチＳＷ１をオンにしても良い。また、スイッチＳＷ１に、電圧がある値以上になると自動的にオンするような素子を用いてもよい。

図１６(ａ)に示すとおり、スイッチＳＷ１がオンするとコンデンサＣ３、Ｃ４、Ｃ５から、イグナイタトランスＴigの１次側巻線Ｎ_ig1へ電流が流れ、Ｎ_ig1の両端には、コンデンサＣ３の電圧にほぼ等しいピーク電圧を持ったパルス電圧が印加される。１次側巻線Ｎ_ig1にパルス電圧が印加されると、イグナイタトランスＴigの２次側巻線Ｎ_ig2には、１次側巻線Ｎ_ig1の両端に印加された電圧に対して巻数比であるＮ_ig2／Ｎ_ig1倍の電圧（例えば、数十ｋＶ）が発生する。この電圧は、図１７(ａ)に示すように、ＨＩＤランプ９にも印加される。この電圧により、ＨＩＤランプ９は絶縁破壊を起こし、放電が開始する。

ＨＩＤランプ９が絶縁破壊を起こし放電が開始すると、図１７(ｂ)に示すように、ＨＩＤランプ９に電流が流れる。ここで、放電開始直後の放電成長期間には、ＨＩＤランプ９内の電極は熱電子放出が十分にできるほどには温度が上昇しておらず、またＨＩＤランプ９内のガスも十分には電離していないため、放電を維持可能な電圧がその後の光束立ち上げ期間や定常放電期間と比較して高くなっている。そこで、放電開始直後の放電成長期間には、比較的高電圧、大電流を所定の期間（例えば１００μＳ間）投入して、放電を維持する必要がある。ところが、ＤＣ／ＡＣコンバータ部２は、フライバック動作においては、瞬間的に高電圧を発生できるものの、定常的にはフォワード動作において、直流電源１の出力電圧をプッシュプルトランスＴppの巻き数比倍した電圧しか２次側回路に出力できない。このため、実施の形態３によるＨＩＤランプ点灯装置では、放電開始直後の放電成長期間に、ＨＩＤランプ９に大電圧、大電流を供給する手段として、放電成長補助回路１１を設けたことを特徴とする。放電成長補助回路１１は１次放電成長補助回路と２次放電成長補助回路を備える回路構成である。

放電が開始すると、ランプ電圧検出回路部７およびランプ電流検出回路部８からの信号により、点灯制御回路部５は点灯が開始したことを判別し、スイッチング素子駆動回路部６により、図１６(ｂ)に示すように、スイッチＳＷ１をオンしたまま、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３を全てオフとする。図１６(ｂ)では、１次放電成長補助回路であるコンデンサＣ４から、ＳＷ１、ＨＩＤランプ９、コンデンサＣ４の閉回路に電流Ｉ_Ｃ４が供給される。コンデンサＣ４の電圧Ｖ_Ｃ４は、ほぼ放電待機期間に充電された電圧となっており、また、コンデンサＣ４とＨＩＤランプ９との間のインピーダンス成分が小さいため、コンデンサＣ４のＲＣ回路時定数は小さい。このため、放電始動後即座に、１次放電成長補助回路はＨＩＤランプ９に対して電流の供給を開始し、放電成長期間の初期段階において、ＨＩＤランプ９に放電を維持するのに充分な高電圧および大電流を供給することができる。なお、放電成長期間の初期段階でも、２次放電成長補助回路の構成素子であるコンデンサＣ５からもＨＩＤランプ９に電流Ｉ_Ｃ５を供給している。しかし、抵抗Ｒ３の影響によりＲＣ回路時定数が大きく、放電成長期間の初期段階では、電流Ｉ_Ｃ５は、図１７(ｄ)に示すように、１次放電成長補助回路からの電流Ｉ_Ｃ４に比べて小さい。

スイッチＳＷ１がオン、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３がオフの状態のまま、図１６(ｂ)に示すような回路動作を行う期間より少し時間が経過し、１次放電成長補助回路であるコンデンサＣ４の電圧Ｖ_Ｃ４が低下し、ＨＩＤランプ９のインピーダンスが低下すると、図１６(ｃ)および図１７(ｄ)に示すように、コンデンサＣ４からＨＩＤランプ９に供給される電流Ｉ_Ｃ４よりも、２次放電成長補助回路を構成するコンデンサＣ５からＨＩＤランプ９に供給される電流Ｉ_Ｃ５の方が大きくなる。このとき、コンデンサＣ５の電荷は、抵抗Ｒ３による決まる比較的大きなＲＣ時定数でしか放電されないため、コンデンサＣ５の電圧Ｖ_Ｃ５は未だ充分高く、ＨＩＤランプ９に放電を維持するのに充分な高電圧および大電流を供給する事が可能である。すなわち、１次放電成長補助回路と２次放電成長補助回路を備えることにより、放電成長期間の初期段階には主に１次放電成長補助回路からＨＩＤランプ９に電圧、電流を供給することが可能となり、放電成長期間の後期段階には主に２次放電成長補助回路からＨＩＤランプ９に電圧、電流を供給することが可能となる。これにより、ある程度長い時間、放電を維持するに充分な高電圧、大電流をＨＩＤランプ９に供給することが可能となる。

なお、コンデンサＣ４およびＣ５の容量値、および抵抗Ｒ３の抵抗値は、図１６(ａ)から図１６(ｃ)に示すような回路動作を行う期間を通じて、ＨＩＤランプ９に対して放電維持電圧を印加可能で、必要な電流を供給し続けることが可能なように設定する。また、ＨＩＤランプ９の経年変化を考慮して、どのようなＨＩＤランプ９の状態においても、図１６(ａ)から図１６(ｃ)に示すような回路動作を行う期間を通じて、放電を維持するのに充分な高電圧および大電流を供給できるようにコンデンサＣ４およびＣ５の容量値、および抵抗Ｒ３の抵抗値を設定する。更に、図１６(ｄ)におけるＨＩＤランプ９の放電維持電圧が、フォワード動作時においてプッシュプルトランスＴppの２次側巻線Ｎ３に出力可能な電圧（即ち、直流電源１の出力電圧に対してプッシュプルトランスＴppの巻き数比倍の電圧）以下になるように、コンデンサＣ４およびＣ５の容量値、および抵抗Ｒ３の抵抗値を設定する。

図１６(ｃ)に示すような回路動作を行う期間までに、１次放電成長補助回路を構成するコンデンサＣ４および２次放電成長補助回路を構成するコンデンサＣ５の電圧、およびＨＩＤランプ９の放電維持電圧が、フォワード動作時にプッシュプルトランスＴppの２次側巻線Ｎ３に出力可能な電圧以下まで低下すると、図１６(ｄ)に示す状態に移行する。図１６(ｄ)では、ＨＩＤランプ９の状態を監視して、放電始動したことを判定する点灯制御回路部５からの信号に基づき、スイッチング素子駆動回路部６がプッシュプルトランスＴppの１次側スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３をオンし、プッシュプルトランスＴppからＨＩＤランプ９に電流を供給する。このとき、ＨＩＤランプ９の電圧を反転させると、電流が０の期間が発生し、放電が立ち消える虞がある。そのため、スイッチング素子駆動回路部６は、図１６(ｃ)に示す状態までと同方向にＨＩＤランプ９に電流を供給できるよう、プッシュプルトランスＴppの１次側のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３をオンし、スイッチング素子Ｑ２をオフする。

図１６に示した状態の後の放電成長期間においては、ＨＩＤランプ９のインピーダンスが充分低くなり光束立ち上げ期間に移行するまでの間、図１２に示したオンオフ動作に従って、プッシュプルトランスＴppの１次側のスイッチング素子を駆動することにより、放電を維持する。

放電成長期間においては、ＨＩＤランプ９の放電維持電圧が、フォワード動作時においてプッシュプルトランスＴppの２次側巻線Ｎ３に出力可能な電圧よりも低くなるまでは、放電成長補助回路１１からＨＩＤランプ９に電流を供給し、その後はプッシュプルトランスＴppから電流を供給することにより、ＨＩＤランプ９のインピーダンスが充分低くなるまで、放電を維持することが可能となる。

本発明の実施の形態３によれば、簡易な構成の放電成長補助回路１１を設けることにより、ＨＩＤランプ９の状態に依らず、ＨＩＤランプ９の放電が充分安定するまで、放電を維持することが可能となる。

実施の形態４
本発明の実施の形態４について、図面を参照して説明する。本発明の実施の形態４による、ＨＩＤランプ点灯装置の構成は、実施の形態３における図１０および図１１と同一である。なお、本発明の実施の形態４による、放電始動期間における回路動作は実施の形態３と同一であり、光束立ち上げ期間、定常放電期間の回路動作は、実施の形態１と同一であるが、放電待機期間における動作が他の実施の形態とは異なる。

図１８は、本発明の実施の形態４による、放電待機期間におけるスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３のスイッチングのタイミングチャート図を示している。図１８(ａ)、(ｂ)および(ｃ)に示す波形は、夫々スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３のオンオフ状態を示しており、そのときのコンデンサＣ１の両端電圧を図１８(ｄ)に示している。なお、放電待機期間におけるコンデンサＣ３、Ｃ４、Ｃ５の両端電圧は、図１３に示す波形と同様に、所定の電圧（但し、実施の形態３で示した値と同一とは限らない）に収束する。

本発明の実施の形態４による放電待機期間においては、プッシュプルトランスＴppのフォワード動作時（すなわち、図１８に示す期間９のとき）の極性が、図１６(ｃ)に示すＨＩＤランプ９に流れる電流の方向と同一方向の電流を流すような極性になるように、プッシュプルトランスＴppの１次側スイッチング素子をオンオフする。例として、放電始動直後にＨＩＤランプ９に流れる電流の方向が図１６(ｃ)に示す方向である場合には、放電待機期間において、図１８(ａ)、(ｂ)および(ｃ)に示すように、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３をオンオフし、スイッチング素子Ｑ２は常にオフ状態とする。

これにより、プッシュプルトランスＴppの２次側巻線Ｎ３には、図１８(ｄ)に示すように、フォワード動作時に期間９に示す電圧が、フライバック動作時に期間１０に示す電圧が発生する。期間９には、直流電源１の出力電圧に対してプッシュプルトランスＴppの巻き数比Ｎ３／Ｎ１倍の電圧が発生し、期間１０には、期間９において励磁されたプッシュプルトランスＴppのエネルギをリセットするため、期間９とは逆極性の電圧が発生する。期間１０の電圧のピーク値は、期間９の時間、プッシュプルトランスＴppの１次側インダクタンスおよびプッシュプルトランスＴppの２次側回路の負荷状態に依存する。すなわち、期間９の時間が長いほど、プッシュプルトランスＴppの２次側のインピーダンスが高いほど、プッシュプルトランスＴppの２次側巻線Ｎ３に高電圧が発生する。

また、本発明の実施の形態４による、放電待機期間のスイッチング素子の駆動タイミングは、コンデンサＣ３の電圧がＳＷ１をオンする閾値電圧に達するまで、プッシュプルトランスＴppを励磁する期間９の時間を徐々に長くし、期間１０の時間は一定とする。

放電待機期間において、図１８に示すようにスイッチング素子Ｑ１およびＱ３をオンオフし、コンデンサＣ３の両端電圧が閾値まで充電されると、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３全てがオフとなる期間１０において、ＳＷ１をオンして放電始動期間に移行する。図１６(ａ)から図１６(ｃ)に示す状態を図１８の期間１０において実現し、図１８に示す期間９のタイミングで図１６(ｄ)の状態を実現する。その後、ＨＩＤランプ９のインピーダンスが充分低くなり、光束立ち上げ期間に移行するまでは、実施の形態３と同様に、図１２に示したオンオフ動作に従って、プッシュプルトランスＴppの１次側のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３を駆動することにより、放電を維持する。

一般に図１６(ａ)から(ｄ)に示す放電始動直後の状態遷移は、非常に短時間に発生するものである。従って、点灯制御回路部５において放電始動を高速に検知し、放電始動直後の図１６(ｃ)に示す状態のＨＩＤランプ９に流れる電流の方向を即座に検出し、その方向と図１６(ｄ)に示すＨＩＤランプ９に流れる電流の方向とが同一となるように、スイッチング素子駆動回路６からスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３を高速にスイッチングするには、複雑で高価な制御回路が必要となる。

本発明の実施の形態４では、予め放電待機期間において、プッシュプルトランスＴppのフォワード動作時の極性が、図１６(ｃ)に示す放電始動直後のＨＩＤランプ９に流れる電流の方向と同一方向の電流を流すような極性になるように、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３をオンオフしておき、放電始動期間の放電始動直後（図１６(ｄ)の状態）においても、図１８に示す放電待機期間におけるスイッチングを継続して行う。このため、点灯制御回路部５において、放電始動直後のＨＩＤランプ９に流れる電流の方向を高速に検出して、スイッチング素子駆動回路６からスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３の駆動を高速に制御する必要がない。

本発明の実施の形態４によるＨＩＤランプ点灯装置では、点灯制御回路部５が、ＨＩＤランプ９が放電始動したことおよび放電始動直後のＨＩＤランプ９に流れる電流の方向を高速に検知する必要が無く、点灯制御回路部５を安価で簡素な構成で実現することが可能となる。

また、本発明の実施の形態４によるＨＩＤランプ点灯装置では、放電待機期間において、プッシュプルトランスＴppを励磁するフォワード動作の期間９を、放電開始まで徐々に長くしていくことにより、高電圧の発生を防止している。このため、プッシュプルトランスＴppの巻線に、適切な電圧を発生させることができ、プッシュプルトランスＴppやプッシュプルトランスＴpp１次側のスイッチング素子およびその他の素子の破壊を防止できるという効果がある。

以上のように、本発明に係るＨＩＤランプ点灯装置は、音響的共鳴現象を防止して広いレンジの電圧および電流を出力し、かつ小型化に適している。

Claims (15)

1. トランスの１次側で直流電源との間に接続された電力投入用のスイッチング素子および前記トランスの１次側に設けられた複数のスイッチング素子を有し、前記電力投入用のスイッチング素子および前記複数のスイッチング素子をスイッチング素子駆動回路部の出力信号によりオンオフして、前記直流電源の電圧を昇圧または降圧しつつ、第一の周波数の成分と前記第一の周波数よりも高い第二の周波数の成分とを含む波形の交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣコンバータ部と、
   前記ＤＣ／ＡＣコンバータ部から出力される前記交流電圧から前記第二の周波数の成分を低減した交流電圧を出力する波形整形回路部と、
   を備えた高輝度放電ランプ点灯装置。
2. トランスの１次側で直流電源との間に接続された電力投入用のスイッチング素子および前記トランスの１次側に設けられた複数のスイッチング素子を有するＤＣ／ＡＣコンバータ部を備え、
   前記ＤＣ／ＡＣコンバータ部は、前記電力投入用のスイッチング素子および前記複数のスイッチング素子をスイッチング素子駆動回路部の出力信号によりオンオフして、前記直流電源の電力を前記トランスの２次側に第一の極性で伝達する期間１と、前記トランスに蓄積されたエネルギを前記トランスの２次側に前記第一の極性とは逆極性である第二の極性で放出する期間２と、前記直流電源の電力を前記トランスの２次側に前記第二の極性で伝達する期間３と、前記トランスに蓄積されたエネルギを前記トランスの２次側に前記第一の極性で放出する期間４とを繰り返し、前記直流電源の電圧を昇圧または降圧しつつ交流電圧に変換することを特徴とする高輝度放電ランプ点灯装置。
3. ＤＣ／ＡＣコンバータ部は、電力投入用のスイッチング素子および複数のスイッチング素子をスイッチング素子駆動回路部の出力信号によりオンオフして、直流電源の電力をトランスの２次側に第一の極性で伝達する期間１と、前記トランスに蓄積されたエネルギを前記トランスの２次側に前記第一の極性とは逆極性である第二の極性で放出する期間２と、前記直流電源の電力を前記トランスの２次側に前記第二の極性で伝達する期間３と、前記トランスに蓄積されたエネルギを前記トランスの２次側に前記第一の極性で放出する期間４とを第一の周波数で繰り返し、前記スイッチング素子駆動回路部の出力信号により前記電力投入用のスイッチング素子が第二の周波数でオンオフすることにより、前記直流電源から前記トランスへの電流の入力を断続させて、前記直流電源の電圧を昇圧または降圧しつつ、前記第一の周波数の成分と前記第二の周波数の成分とを含む波形の交流電圧に変換することを特徴とする請求項１記載の高輝度放電ランプ点灯装置。
4. ＤＣ／ＡＣコンバータ部は、電力投入用のスイッチング素子および複数のスイッチング素子をスイッチング素子駆動回路部の出力信号によりオンオフして、直流電源の電力をトランスの２次側に伝達する期間と、前記トランスに蓄積されたエネルギを前記トランスの２次側に放出する期間と、を有する第一の動作モードと、前記直流電源の電圧を昇圧または降圧しつつ、第一の周波数の成分と第二の周波数の成分とを含む波形の交流電圧に変換する第二の動作モードとを有し、
   波形整形回路部は、前記第二の動作モードにおいて、前記ＤＣ／ＡＣコンバータ部から出力される前記交流電圧から前記第二の周波数の成分を低減した交流電圧を出力することを特徴とする請求項１記載の高輝度放電ランプ点灯装置。
5. 高輝度放電ランプにおける放電開始前の放電待機期間および放電開始直後の放電始動期間には、前記第一の動作モードで動作し、
   前記放電始動期間に続く光束立ち上げ期間および定常放電期間には、前記第二の動作モードで動作することを特徴とする請求項４記載の高輝度放電ランプ点灯装置。
6. 波形整形回路部をローパスフィルタで構成することを特徴とする請求項１記載の高輝度放電ランプ点灯装置。
7. 高輝度放電ランプが車載用の３５Ｗ型のときは、波形整形回路部は遮断周波数が１０ｋＨｚ以下であり、高輝度放電ランプが一般照明用の１００Ｗ型のときは、波形整形回路部は遮断周波数が５ｋＨｚ以下であることを特徴とする請求項６記載の高輝度放電ランプ点灯装置。
8. トランスは、一次側に中間タップを有するプッシュプルトランスであり、
   複数のスイッチング素子は、前記プッシュプルトランスの一次側の一端に接続された第１のスイッチング素子と、前記プッシュプルトランスの一次側の他端に接続された第２のスイッチング素子とであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の高輝度放電ランプ点灯装置。
9. トランスは、一次側に中間タップを有するプッシュプルトランスであり、
   複数のスイッチング素子は、前記プッシュプルトランスの一次側の一端に接続された第１のスイッチング素子と、前記プッシュプルトランスの一次側の他端に接続された第２のスイッチング素子とであり、
   スイッチング素子駆動回路部は、前記第１のスイッチング素子および電力投入用のスイッチング素子をオンとし、前記第２のスイッチング素子をオフとする期間１と、前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子および前記電力投入用のスイッチング素子を全てオフとする期間２と、前記第２のスイッチング素子および前記電力投入用のスイッチング素子をオンとし、前記第１のスイッチング素子をオフとする期間３と、前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子および前記電力投入用のスイッチング素子を全てオフとする期間４とを繰り返し、
   前記プッシュプルトランスに蓄積されたエネルギを前記期間２および前記期間４において高輝度放電ランプに供給することにより前記高輝度放電ランプに放電始動に必要な電圧を印加することを特徴とする請求項２記載の高輝度放電ランプ点灯装置。
10. トランスは、一次側に中間タップを有するプッシュプルトランスであり、
    複数のスイッチング素子は、前記プッシュプルトランスの一次側の一端に接続された第１のスイッチング素子と、前記プッシュプルトランスの一次側の他端に接続された第２のスイッチング素子とであり、
    スイッチング素子駆動回路部は、前記第１のスイッチング素子をオンに保ちつつ、前記第２のスイッチング素子を第二の周波数でオンオフし、電力投入用スイッチング素子を前記第２のスイッチング素子がオンするときにオフとし、オフするときにオンとする期間５と、前記第２のスイッチング素子をオンに保ちつつ、前記第１のスイッチング素子を第二の周波数でオンオフし、前記電力投入用のスイッチング素子を前記第１のスイッチング素子がオンするときにオフとし、オフするときにオンとする期間７とを第一の周波数で繰り返し、
    高輝度放電ランプの点灯中は、前記期間５では前記第２のスイッチング素子のオンとオフの時間の比を、前記期間７では前記第１のスイッチング素子のオンとオフの時間の比を、前記高輝度放電ランプに供給する電力に応じて制御することを特徴とする請求項１記載の高輝度放電ランプ点灯装置。
11. スイッチング素子駆動回路部は、第１のスイッチング素子、第２のスイッチング素子および電力投入用のスイッチング素子を全てオフにする期間を、期間５と期間７との間に更に設けることを特徴とする請求項１０記載の高輝度放電ランプ点灯装置。
12. ＤＣ／ＡＣコンバータ部と高輝度放電ランプとの間に、前記高輝度放電ランプの放電開始直後に前記高輝度放電ランプに放電維持可能な電圧と電流を供給する放電成長補助回路部を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の高輝度放電ランプ点灯装置。
13. トランスは、一次側に中間タップを有するプッシュプルトランスであり、
    複数のスイッチング素子は、前記プッシュプルトランスの一次側の一端に接続された第１のスイッチング素子と、前記プッシュプルトランスの一次側の他端に接続された第２のスイッチング素子とであり、
    ＤＣ／ＡＣコンバータ部と高輝度放電ランプとの間に、前記高輝度放電ランプの放電開始直後に前記高輝度放電ランプに放電維持可能な電圧と電流を供給する放電成長補助回路部を備え、
    前記ＤＣ／ＡＣコンバータ部は、放電開始前の放電待機期間において、前記プッシュプルトランスを励磁するときに直流電源の電力を前記プッシュプルトランスの２次側に伝達する極性が、放電開始直後に前記高輝度放電ランプに流れる電流の方向と同一方向の電流を流すような極性となるように前記第１のスイッチング素子もしくは前記第２のスイッチング素子のいずれか一方および電力投入用のスイッチング素子をスイッチング素子駆動回路部の出力信号によりオンとし、前記プッシュプルトランスに蓄積されたエネルギを前記プッシュプルトランスの２次側に放出するときは、前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子および前記電力投入用のスイッチング素子全てを前記スイッチング素子駆動回路部の出力信号によりオフとすることを特徴とする請求項１記載の高輝度放電ランプ点灯装置。
14. 放電開始前の放電待機期間において、直流電源の電力をプッシュプルトランスの２次側に伝達する時間を、放電開始まで徐々に長くしていくことを特徴とする請求項１３記載の高輝度放電ランプ点灯装置。
15. 放電成長補助回路部を、放電開始直後に高輝度放電ランプに放電維持可能な電圧と電流を供給する１次放電成長補助回路と、前記１次放電成長補助回路の出力低下後、前記高輝度放電ランプに放電維持可能な電圧と電流を供給する２次放電成長補助回路と、の２つの回路により構成することを特徴とする請求項１２記載の高輝度放電ランプ点灯装置。

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