JP2006513540A - 負荷、特に高輝度放電ランプに電力を供給する回路および方法 - Google Patents
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Abstract
Description
1次巻線と、共振回路の一部である2次巻線とを有する変圧器と、
前記負荷を前記2次巻線に直列に結合する第1および第2の負荷接続ノードと、
前記1次巻線に直列に結合され、前記1次巻線に電圧パルスを発生させるスイッチとを備え、前記スイッチのオン時間およびオフ時間は、制御素子によって制御できる、電力供給回路に関する。
本発明の第1の実施例によれば、キャパシタを2次巻線に並列に付加し、共振回路の共振周期を調整する。
電力をランプに供給するケーブルのキャパシタンスを含む寄生キャパシタンスは、2次巻線にキャパシタンスを生じさせ、共振回路を形成する。共振回路は、2次側の漂遊インダクタンスとこのキャパシタンスの値とによって、典型的に決定される。共振周波数の値を変更したい場合、1つの可能性は、2次巻線に並列に外部キャパシタンスを付加することである。
これは、フリーランニング・ダイオードの存在の故に可能であり、以下にさらに説明するように、短絡電流について利点を有している。
本発明のさらに他の態様によれば、制御素子を付加して、スイッチを制御する。制御素子は、スイッチのオン時間を、共振周期の少なくとも1/2にするように選択される。
このようにして、出力キャパシタの値とは無関係に、最大出力電圧に達する。
本発明のさらに他の態様によれば、制御素子は、スイッチのオフ時間が、変圧器の減磁の間に、ダイオードの電流がほぼ0に低減するのに充分なものとなるように選択される。
スイッチが開くと、電流が、スイッチからダイオードへ転流する。この電流は、負のe−電力に従って減少する1次インダクタを流れる電流と、1次巻線に誘起される2次巻線を流れる発振電流との和によってほぼ与えられる。e−電力の時定数(Tc=L/R、Lは変圧器の1次巻線のインダクタンスであり、Rはダイオード分枝における抵抗である)は、ダイオードに直列に抵抗RSを付加することによって変更できる。したがって、全抵抗はR=Rdiode+RSで与えられる。ここに、Rdiodeは、ダイオードの内部抵抗である。
変圧器の1次巻線に多数の電圧パルスを供給して、前記変圧器の2次巻線に高電圧パルスをその都度発生させるステップを含み、高電圧パルスは、2次側の変圧器インダクタンスおよびキャパシタンスによって成形されて、負荷パルスを生成し、
負荷パルスを負荷に供給するステップを含む。
この方法は、各電圧パルスの供給の間に、1次電流のための電流パスを与えて、変圧器を減磁し、変圧器の飽和を阻止する点において特徴がある。
この電流パスは、次の電圧パルスが供給される前に、電流がほぼ0になることを可能にする。
第1の一連のランプパルスは、3kVと4kVとの間の電圧レベルを典型的に有し、一方、電極のウォームアップ・フェーズの間のランプ電圧は、非常に低い電圧と250Vとの間を典型的に変化できる。電極のウォームアップ・フェーズの間に、十分なエネルギーを供給するためには、小さいオフ時間を有する回路を用いることが有益である。このことは、1次側の電流パスを流れる電流は、かなり急速に減少しなければならない。上述したように、前記ダイオードに抵抗を直列に付加して、このような効果を得ることができる。
本発明は、また、本発明の電力供給回路のパラメータを最適化する方法に関する。この方法は、
共振回路の最大発振周期を、負荷が接続されたときに、2次側のキャパシタンスの最大値に基づいて決定し、
スイッチのオン時間を、発振周期の1/2よりも大きくなるように選ぶ。
出力電圧の最小発振周波数ωO,MINは、漂遊インダクタンスL2Xと、最大の特定出力キャパシタンスCOUT,MAXとによって決定され、次式によって与えられる。
出力キャパシタの値とは無関係に、最大出力電圧に達するには、電圧パルスの期間TONは、最大発振周期TO=2π/ωO,MINの少なくとも1/2でなければならない。
電力供給回路のパラメータを最適化する方法の他の態様によれば、スイッチのオフ時間を、ダイオードを流れる電流をほぼ0に低減させるのに必要な時間よりも大きくなるように選ぶ。
電力供給回路のパラメータを最適化する本発明の方法の他の態様によれば、スイッチのオン時間およびオフ時間にわたって、短絡電流の平均値を、結合係数の範囲に対して計算し、次に平均値が最小となる結合係数を選ぶ。
2種類の損失、すなわちスイッチがオンのときの伝導損失と、スイッチがターンオフするときの損失とを、回路内で区別することができる。出力での2つの理論的な動作状況、すなわち開路(負荷が存在しない)の状況と短絡の状況とを考察することができる。ランプの始動フェーズ中に、または出力が誤って短絡されるときに、短絡電流が発生する。実際には、短絡の場合は、損失に対する決定要因を通常は形成し、最小の短絡電流を得るように、kを選ぶ。
本発明のこれらおよび他の態様は、限定されることのない説明により、および図面に基づいて後述する説明的な実施例により明らかになるであろう。
点灯回路の動作を説明するためには、図2の変圧器21に対し、図4の回路モデルを用いて、動作原理を数学的に解析する。L1およびL2は、それぞれ、全1次インダクタンスおよび全2次インダクタンスであり、L1XおよびL2Xは、それぞれ、漂遊インダクタンスである。L2Xは、L2*(1−k2)で与えられる。ここに、kは変圧器の結合係数である。
計算を簡単にするために、1次漂遊インダクタンスは、0であると仮定すると、2次巻線の最大電圧VOUT,MAXは、
で与えられる。ここに、VINは図4に示される1次電圧であり、nは、次式によって与えられる。
点灯回路における損失を最小にするために、どのように結合係数を最適化できるかについて、以下に説明する。2種類の損失、すなわちスイッチがオンのときの伝導損失と、スイッチがターンオフするときの損失とを、点灯回路内で区別することができる。出力での2つの理論的な動作状況、すなわち開路(負荷が存在しない)の状況と短絡の状況とを、ここでは考察する。実際には、ランプの始動フェーズ中に、または出力が誤って短絡されるときに、短絡電流が発生する。まず、短絡電流の解析を行う。出力が短絡されると、2次側での負荷は、1次側から見て、L2X’=L2X/n2である。
したがって、次式が成立することがわかる。
いくつかの場合には、点灯回路を一定期間、停止させることも有益である。これは、例えば、ランプが加熱しているが、まだ点灯していない場合である。暖まったランプは、冷たいランプよりも、点灯するのが困難であるので、点灯回路を数分間、典型的に停止させて、ランプを冷却することができる。これは、他のタイマ(図示せず)を、ピン41に接続することによって、行うことができる。このタイマは、点灯回路の損失を低減するために、バースト方式を与える。
Claims (11)
- 所定の仕様を有する負荷に電力を供給する回路であって、
1次巻線と、共振回路の一部である2次巻線とを有する変圧器と、
前記負荷を前記2次巻線に直列に結合する第1および第2の負荷接続ノードと、
前記1次巻線に直列に結合され、前記1次巻線に電圧パルスを発生させるスイッチとを備え、前記スイッチのオン時間およびオフ時間は、制御素子によって制御できる、電力供給回路において、
前記1次巻線に並列にダイオードを結合して、前記スイッチのオフ時間の間、前記変圧器を減磁させ、前記オン時間およびオフ時間は予め定められている、ことを特徴とする電力供給回路。 - 請求項1に記載の電力供給回路において、前記2次巻線に並列にキャパシタを付加し、前記共振回路の共振周期を調整することを特徴とする電力供給回路。
- 請求項1または2に記載の電力供給回路において、前記変圧器は、1より小さい結合係数を有することを特徴とする電力供給回路。
- 制御素子を付加して前記スイッチを制御する、請求項1,2または3に記載の電力供給回路において、前記制御素子を、前記スイッチのオン時間が、前記共振周期の少なくとも1/2となるように選択することを特徴とする電力供給回路。
- 制御素子を付加して前記スイッチを制御する、請求項1〜4のいずれかに記載の電力供給回路において、前記制御素子を、前記スイッチのオフ時間が、前記変圧器の減磁の間に、前記ダイオードの電流をほぼ0に低減するのに充分なものとなるように選択することを特徴とする電力供給回路。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の電力供給回路に於いて、前記ダイオードに直列に抵抗を接続し、前記スイッチの必要なオフ時間を低減することを特徴とする電力供給回路。
- 負荷に電力を供給する方法であって、
変圧器の1次巻線に多数の電圧パルスを供給して、前記変圧器の2次巻線に高電圧パルスをその都度発生させるステップを含み、前記高電圧パルスは、2次側の変圧器インダクタンスおよびキャパシタンスによって成形されて、負荷パルスを生成し、
前記負荷パルスを前記負荷に供給するステップを含む、電力供給方法において、
各電圧パルスの供給の間に、1次電流のための電流パスを与えて、前記変圧器を減磁し、前記変圧器の飽和を阻止することを特徴とする電力供給方法。 - 前記負荷が高輝度放電ランプである、請求項7に記載の電力供給方法において、第1の一連のパルスを供給して、前記ランプを点灯し、次に第2の一連のパルスを供給して、前記ランプの電極加熱フェーズの間、前記ランプを動作させることを特徴とする電力供給方法。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の電力供給回路のパラメータを最適化する方法において、
前記共振回路の最大共振周期を、負荷が接続されたときに、2次側のキャパシタンスの最大値に基づいて決定し、
前記スイッチのオン時間を、前記最大共振周期の1/2よりも大きくなるように選ぶことを特徴とするパラメータ最適化方法。 - 請求項1〜6のいずれかに記載の電力供給回路のパラメータを最適化する方法において、前記スイッチのオフ時間を、前記ダイオードを流れる電流をほぼ0に低減させるのに必要な時間よりも大きくなるように選ぶことを特徴とするパラメータ最適化方法。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の電力供給回路のパラメータを最適化する方法において、前記スイッチのオン時間およびオフ時間にわたって、短絡電流の平均値を、結合係数の範囲に対して計算し、次に前記平均値が最小となる前記結合係数を選ぶことを特徴とするパラメータ最適化方法。
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