JP2007526608A - 太陽電池によるランプ駆動装置 - Google Patents
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Abstract
ガス放電ランプ(L)を駆動する能力を有し、太陽エネルギーを動力とするランプ駆動装置(100;200)は、第1の基準ノード(V1)と第2の基準ノード(マス)との間に直列結合された2つの制御可能なスイッチ(131,132)の第1のブランチと、第1の基準ノード(V1)と第2の基準ノード(マス)との間に直列結合された2つのバッファキャパシタ(133,134)の第2のブランチと、一方で2つの制御可能なスイッチ(131,132)の間の第1のノード(D)と、他方で2つのバッファキャパシタ(133,134)の間の第2のノード(E)との間に接続された出力ブランチ(DE)とを有するハーフブリッジインバータ、及び2つの制御可能なスイッチ(131,132)の間の第1のノード(D)へ直接的に接続された出力部(115)を有するブーストコンバータを有する。
Description
本発明は、概して、ガス放電ランプ、具体的には高周波ガス放電ランプ、更に具体的には高周波TLランプを駆動する能力を有するランプ駆動装置に関する。更に具体的には、本発明は、太陽電池によって電力を供給される能力を有するランプ駆動装置に関する。
ガス放電ランプは、一般に知られる。概して、それらは、気密式で放電箱を取り囲む光伝達管と、イオン充填材と、放電箱内で互いに相対して置かれた一対の電極とを有する。夫々の電極は、放電箱からランプ管を介して外部へと広がる関連電流導体へ接続されている。動作中に、電圧は前出の電極を介して印加され、ガス放電は、ランプ電流を前出の電極間に流すよう電極間に発生する。
放電ランプは、通常、交流を供給する電子バラスト又は駆動装置によって駆動される。ランプ駆動装置及び太陽発電装置は、別々に発展してきた。通常、ランプ駆動装置は、主電源から電力を供給されるよう構築され、
− AC主電源を受けるための入力部と、
− 主電源電圧を直流へ整流するための整流器と、
− 整流された電圧を受け、この電圧をより高い電圧へ変換し、通例、更に、主電源電流に対して力率補正を実行するためのDC/DC昇圧コンバータと、
− 前出の高い直流電流を適切な振幅のAC(ランプ電流)へ転化するためのハーフブリッジインバータと、
を有する。
− AC主電源を受けるための入力部と、
− 主電源電圧を直流へ整流するための整流器と、
− 整流された電圧を受け、この電圧をより高い電圧へ変換し、通例、更に、主電源電流に対して力率補正を実行するためのDC/DC昇圧コンバータと、
− 前出の高い直流電流を適切な振幅のAC(ランプ電流)へ転化するためのハーフブリッジインバータと、
を有する。
インバータは、電流源として機能する。通常、インバータは、約40から50kHz程度の周波数で動作する。従って、原理上は、ランプは、一定の大きさを有するランプ電流で動作するが、定期的に、非常に短時間(整流期間)内で、対称的にその方向を変化させる。即ち、電極は、夫々の電流周期の50%の間は陰極として動作し、夫々の電流周期の残りの50%の間は陽極として動作する。
他方で、太陽エネルギーを受けて、出力電圧を発生させる能力を有する典型的な太陽電圧電源は、
− 光を受けて、出力電流を発生させる能力を有する少なくとも1つの光起電力電池と、
− 光起電力電池からの出力電流を受けて、出力電圧を発生させるブーストコンバータと、
を有する。
− 光を受けて、出力電流を発生させる能力を有する少なくとも1つの光起電力電池と、
− 光起電力電池からの出力電流を受けて、出力電圧を発生させるブーストコンバータと、
を有する。
通常、太陽電圧電源によって供給される電気エネルギーは、バッテリー又は他の形式の蓄電池(例えば、主電源格子(mains grid))を充電するために使用され、バッテリーは、電気機器の電源として働くために使用される。
ランプ駆動装置では、放電ランプを駆動するために太陽エネルギーを直接的に使用することができることが望ましい。従って、太陽エネルギーを動力とするランプ駆動装置は、典型的な太陽電圧電源の要素及び典型的な放電ランプ駆動装置の要素を組み合わせるよう発展してきた。図1は、従来技術の太陽エネルギーを動力とするランプ駆動装置1の一般的な設計を概略的に示すブロック図である。ランプ駆動装置1は、3つの段、即ち、ブーストコンバータ10と、パルス幅変調インバータ20と、ハーフブリッジインバータ30とを有する。
ブーストコンバータ10は、少なくとも1つの光起電力電池11と、光起電力電池11の出力へ結合された1つの端子を有するインダクタ12と、インダクタ12の第2の端子と基準電圧(マス(mass))との間に結合された制御可能なスイッチ13と、前出のインダクタ12と前出のスイッチ13との間のノードAへ結合された1つの端子を有し、ブーストコンバータ10の出力部15へ結合された他の端子を有する整流素子14とを有する。
パルス幅変調インバータ20は、前出のブーストコンバータ出力部15と前出の基準電圧(マス)との間に直列結合された2つの制御可能なスイッチ21及び22の第1のブランチを有し、前出の2つの制御可能なスイッチ21及び22の間のノードは、Bで示されている。パルス幅変調インバータ20は、前出のブーストコンバータ出力部15と前出の基準電圧(マス)との間に直列結合された2つの制御可能なスイッチ23及び24の第2のブランチを有し、前出の2つの制御可能なスイッチ23及び24の間のノードは、Cで示されている。
ハーフブリッジインバータ30は、前出のブーストコンバータ出力部15と前出の基準電圧(マス)との間に直列結合された2つの制御可能なスイッチ31及び32の第3のブランチを有し、前出の2つの制御可能なスイッチ31及び32の間のノードは、Dで示されている。ハーフブリッジインバータ30は、前出のブーストコンバータ出力部15と前出の基準電圧(マス)との間に直列結合された2つキャパシタ33及び34の第4のブランチを有し、前出の2つのキャパシタ33及び34の間のノードは、Eで示されている。ハーフブリッジインバータ30は、コンバータ30の前出の2つのノードD及びEの間に直列結合されたランプL、キャパシタ35及びインダクタ36の配置を更に有する。
パルス幅変調インバータ20は、インバータ20の前出の2つのノードB及びCの間でAC主電源入出力部26に直列結合されたインダクタ25を更に有する。利用可能な太陽エネルギーが不足している場合には、エネルギーは、ランプLに電力を供給するためにAC主電源から受けられる。ランプLによって消費されるよりも利用可能な太陽エネルギーが多い場合には、余剰分は主電源へフィードバックされる。
前出のスイッチは、通常MOSFETとして実施されるスイッチであって、簡単のために図1には示されていないスイッチ制御器によって駆動される。
このような従来技術の、太陽エネルギーを動力とするランプ駆動装置1は、幾つかの欠点を有する。当該装置は、多数の構成要素、即ち、少なくとも7つのスイッチと少なくとも3つのインダクタとを有する。更に、3つの変換段のために、光起電力電池11からランプLまでには相当なエネルギー損失が存在する。
本発明の重大な目的は、このような欠点を減らすことである。更に具体的には、本発明は、部品点数を減らされて、効率を改善された、太陽エネルギーを動力とするランプ駆動装置を提供することを目的とする。
本発明の重大な態様に従って、駆動装置の性能が維持されることを可能とすると同時にパルス幅変調インバータ段が全く削除されることを可能にするように、ブーストコンバータの出力部は、ハーフブリッジインバータ/コンバータの2つの制御可能なスイッチの間のノードへ直接的に接続され、主電源入出力部は、ランプ及び直列インダクタの直列配置に並列接続される。
本発明の前出の又は他の態様、特徴及び利点について、図面を参照して以下の記述により更に説明する。図面中で、同じ参照番号は、同一又は類似する部分を示す。
図2は、本発明に従う、太陽エネルギーを動力とするランプ駆動装置100の第1の実施例のブロック図を概略的に示す。装置100は、ブースト段110と、ハーフブリッジインバータ130とを有する。
ブーストコンバータ110は、少なくとも1つの光起電力電池111と、光起電力電池111の出力へ結合された1つの端子を有し、ブーストコンバータ110の出力部115へ結合された1つの端子(本例では陰極)を有する(ダイオードとして示された)整流素子114の第1の端子(本例では陽極)へ結合された他の端子を有するインダクタ112とを有する。
ハーフブリッジインバータ130は、第1の基準電圧V1と第2の基準電圧(マス)との間に直列結合された2つの制御可能なスイッチ131及び132の第1のブランチを有し、前出の2つの制御可能なスイッチ131及び132の間のノードは、Dで示されている。ハーフブリッジインバータ130は、第1の基準電圧V1と第2の基準電圧(マス)との間に直列結合された2つのバッファキャパシタ133及び134の第2のブランチを有し、前出の2つのキャパシタ133及び134の間のノードは、Eで示されている。ハーフブリッジインバータ130は、コンバータ130の前出の2つのノードD及びEの間に接続された出力ブランチDEを更に有する。示された実施例では、出力ブランチDEは、コンバータ130の前出の2つのノードD及びEの間に直列結合されたランプL、キャパシタ135及びインダクタ136の配置を有する。この点において、ランプLは、コンバータ130の一部ではない事が分かる。即ち、コンバータ130は、ランプLを受けるためのランプ出力部を有する。しかし、当業者には明らかであろうところのこのような詳細は、図2には表されない。
基準電圧V1は、外部電源によって供給されるのではなく、2つのスイッチ131及び132の昇圧変換動作により主電源及び/又は太陽電池から引き出されるので、第1のスイッチ131と第1のバッファキャパシタ133との間のノードは、以後、「第1の基準ノード」と示される。同様に、第2のスイッチ132と第2のバッファキャパシタ134との間のノード(マス)は、以後、「第2の基準ノード」と示される。
ハーフブリッジインバータ130は、コンバータ130の2つのノードD及びEの間で、即ち、ランプL、キャパシタ135及びインダクタ136の配置に並列に、AC主電源入出力部138に直列結合されたインダクタ137を更に有する。利用可能な太陽エネルギーが不足している場合には、エネルギーは、ランプLに動力を供給するためにAC主電源から受けられる。この場合に、スイッチは、キャパシタ133及び134にエネルギーを蓄える電圧倍増ブーストコンバータとして機能する。同時に、これらのスイッチは、これらのキャパシタ133及び134から供給されるインバータとして機能し、エネルギーをランプLへ伝送する。2つのエネルギーの流れは、(必要な2自由度を与える)PWM及びFMの混合によりスイッチ131及び132を駆動することによって独立に制御可能である。ランプLによって消費されるよりも利用可能な太陽エネルギーの方が多い場合には、余剰分は主電源138へフィードバックされる。
前出のスイッチは、通常MOSFETとして実施されるスイッチであって、スイッチ制御器140によって駆動される。
本発明に従う第1の太陽エネルギーを動力とするランプ駆動装置100を図1に表される従来技術の駆動装置1と比較すると、本発明の駆動装置100は、構成部品、特にスイッチの数がより少ないことが直ぐに明白となるであろう。即ち、本実施例では、第1のスイッチ131及び第2のスイッチ132のたった2つのスイッチで足りる。第1のスイッチ131は、(従来技術のスイッチ21及び23に相当する)上側のインバータスイッチと、(従来技術のスイッチ31に相当する)上側のハーフブリッジスイッチとの2重の機能を実行する。第2のスイッチ132は、(従来技術のスイッチ13に相当する)ブーストスイッチと、(従来技術のスイッチ22及び24に相当する)下側のインバータスイッチと、(従来技術のスイッチ32に相当する)下側のハーフブリッジスイッチとの3重の機能を実行する。
スイッチ制御器140は、一般的に当業者に知られるように、2つのスイッチが同時に導通しないように気をつけながら、2つのスイッチ131及び132を導通又は非導通のいずれか一方の状態へ制御するための制御信号を発生させる。スイッチ制御器140は、周波数変調(FM)及びパルス幅変調(PWM)の組合せにより2つのスイッチを駆動するよう構成される。更に具体的には、スイッチ制御器140は、ある所望のランプ電流を得るように2つのスイッチ131及び132の切替え周波数を設定し、且つ、ある所望の主電源電流を得るようにスイッチのデューティーサイクル(即ち、切替え周期全体に対するスイッチのオン期間の比)を設定するよう構成される。望ましくは、スイッチは、主電源周期の間に一定の切替え周波数を維持するよう制御される。
スイッチ131及び132の切替え周波数並びにデカップリングキャパシタ135のインピーダンスは、ランプLが主電源138から直接的に電力を供給され得ないように選択される。通常、主電源周波数は、ほぼ50から60Hz程度であり、スイッチの動作周波数は、この主電源周波数を優に超えるよう、望ましくは20kHzより低くないよう選ばれる。ランプLが高周波TLランプである場合には、ほぼ40から50kHz程度の動作周波数が適当である。
主電源周波数とスイッチ動作周波数との間で大きな隔たりを選ぶことにより、デカップリングキャパシタ135が主電源周波数に関しては比較的高いインピーダンスを有し、スイッチ動作周波数に関して比較的低いインピーダンスを有するように、デカップリングキャパシタ135に対して適切な値を選ぶことが比較的簡単に可能となる。このことは、ランプLがバッファキャパシタから高周波電流を受けることを可能にすると同時に、主電源がランプLへ直接的に流れることを防ぐ。同様に、高周波成分が主電源に達することを防ぐために主電源138が高いインピーダンスを有するように、主電源138に直列なインダクタ137に対して適切な値を選ぶことは、比較的簡単に可能となる。
図3は、本発明に従う太陽エネルギーを動力とするランプ駆動装置200の第2の実施例を概略的に示す。第2の実施例は、更なるスイッチ113がブースト段110に加えられている点を除いて第1の実施例と同一である。更なるスイッチ113は、一方でインダクタ112と整流素子114との間のノードAと、他方で第2の基準ノード(マス)との間に接続されている。この更なるスイッチ113の機能は、従来技術の駆動装置1のブーストコンバータ10におけるスイッチ13に相当する。
ランプ駆動装置の設計時に、理想的には同時に最適化されるべき3つの重要な性能パラメータが存在する:
1a)利用可能な太陽エネルギーが存在せず、あるいは不足し、駆動装置が主電源からエネルギーを消費する場合の電力品質。望ましくは、電力品質は、ほぼ1程度の力率と、30%より少ない全高調波歪みとを有する;
1b)太陽エネルギーに余剰がある場合に、主電源へ供給される電力の電力品質(即ち、多量の太陽光及び/又はほとんど若しくは全くないランプ電力消費);
2)一定ランプ電力、即ち、リップル及びフリッカの含まれていない光出力;
3)最大電力点トラッキング、即ち、常に最大電力が太陽電池から取られるような設定。
1a)利用可能な太陽エネルギーが存在せず、あるいは不足し、駆動装置が主電源からエネルギーを消費する場合の電力品質。望ましくは、電力品質は、ほぼ1程度の力率と、30%より少ない全高調波歪みとを有する;
1b)太陽エネルギーに余剰がある場合に、主電源へ供給される電力の電力品質(即ち、多量の太陽光及び/又はほとんど若しくは全くないランプ電力消費);
2)一定ランプ電力、即ち、リップル及びフリッカの含まれていない光出力;
3)最大電力点トラッキング、即ち、常に最大電力が太陽電池から取られるような設定。
独立に駆動される3つの個別のコンバータ段を有する、図1で表される従来技術の駆動装置1では、ブーストコンバータ段10の設定は、第3のパラメータ(最大電力点トラッキング)の必要条件を満足するよう最適化され、ハーフブリッジ段30の設定は、第2のパラメータ(リップル及びフリッカの含まれていない光出力)の必要条件を満足するよう最適化され、インバータ段20の設定は、第1のパラメータ(電力品質)の必要条件を満足するよう最適化される。
基本的には独立に制御可能な3つのスイッチを有する図3の実施例では、前出のパラメータの3つ全てを独立に制御することが可能である。2つのスイッチしか有さない点で有利である図2の実施例では、前出のパラメータの2つしか独立に最適化され得ないと考えられる。しかし、図2では、両スイッチの切替え周波数を同時に、且つ、夫々のスイッチのデューティーサイクルを個々に変化させることが可能である。平均デューティーサイクルは、主電源電流を制御し、一方、デューティーサイクルの差は、2つのバッファキャパシタ133、134での電圧平衡が変えられるよう制御する。この電圧平衡は、下側のスイッチの必要なデューティーサイクル及び周波数に影響を及ぼし、従って、最大電力点トラッキングに間接的に影響を及ぼす。
当業者には明らかなように、本発明は上述した実施例には限定されず、幾つかの変形及び改良が添付の特許請求の範囲に定義された本発明の保護適用範囲内で可能である。
例えば、ランプL、キャパシタ135及びインダクタ136の直列配置に並列に、又は、この直列に代わって、整流器を駆動する変圧器は、本発明に従う駆動装置100、200が、また、バッテリー充電器出力を供給されるように、接続され得る。
Claims (14)
- ガス放電ランプを駆動する能力を有し、太陽エネルギーを動力とするランプ駆動装置であって,
第1の基準ノードと第2の基準ノードとの間に直列に結合された2つの制御可能なスイッチの第1のブランチ;
前記第1の基準ノードと前記第2の基準ノードとの間に直列に結合された2つのバッファキャパシタの第2のブランチ;及び
一方が前記2つの制御可能なスイッチの間の第1のノードと、他方が前記2つのバッファキャパシタの間の第2のノードとの間に接続された出力ブランチ;
を有するハーフブリッジインバータと,
前記2つの制御可能なスイッチの間の前記第1のノードへ直接的に接続された出力部を有するブーストコンバータと,
を有する駆動装置。 - 前記出力ブランチは、ランプ出力部と、デカップリングキャパシタと、インダクタとの直列配置を有することを特徴とする請求項1記載の駆動装置。
- 前記出力ブランチは、インダクタと、AC主電源入出力部との直列配置を有することを特徴とする請求項1記載の駆動装置。
- 前記出力ブランチは、ランプ出力部と、デカップリングキャパシタと、インダクタとの第1の直列配置を有し、更に、インダクタと、AC主電源入出力部との第2の直列配置を有し、
該第2の直列配置は、前記第1の直列配置へ並列に接続されることを特徴とする請求項1記載の駆動装置。 - スイッチ制御器は、主電源周波数を優に超える切替え周波数で、望ましくは20kHzより低くない切替え周波数で、更に望ましくはほぼ40から50kHz程度の切替え周波数で、前記2つのスイッチを駆動するよう構成されることを特徴とする請求項4記載の駆動装置。
- 前記デカップリングキャパシタは、前記主電源周波数に関して比較的高いインピーダンスを有し、スイッチ動作周波数に関して比較的低いインピーダンスを有することを特徴とする請求項5記載の駆動装置。
- 前記インダクタは、スイッチ動作周波数に関して比較的高いインピーダンスを有し、前記主電源周波数に関して比較的低いインピーダンスを有することを特徴とする請求項5記載の駆動装置。
- 前記出力ブランチは、整流器を駆動する変圧器を有することを特徴とする請求項1記載の駆動装置。
- 前記2つのスイッチを導通又は非導通のいずれか一方の状態へ制御するための制御信号を発生させるよう構成されたスイッチ制御器を更に有し、
該スイッチ制御器は、周波数変調及びパルス幅変調の組合せにより前記2つのスイッチを駆動するよう構成されることを特徴とする請求項1記載の駆動装置。 - 前記スイッチ制御器は、ある所望のランプ電流を得るように前記2つのスイッチの切替え周波数を設定し、且つ、ある所望の主電源電流を得るように前記2つのスイッチのデューティーサイクルを設定するよう構成されることを特徴とする請求項9記載の駆動装置。
- 前記スイッチ制御部は、一定の切替え周波数を維持するようよう構成されることを特徴とする請求項10記載の駆動装置。
- 前記スイッチ制御部は、前記2つのスイッチに対して共通の切替え周波数を設定し、且つ、前記2つのスイッチに対して個々のデューティーサイクルを設定するよう構成されることを特徴とする請求項10記載の駆動装置。
- 前記ブーストコンバータは、
少なくとも1つの光起電力電池と、
該光起電力電池の出力へ結合された1つの端子を有し、整流素子の第1の端子へ結合された他の端子を有するブーストインダクタと、
当該ブーストコンバータの出力部へ結合された出力端子を有する前記整流素子と、
を有することを特徴とする請求項1記載の駆動装置。 - 前記ブーストコンバータは、一方で前記ブーストインダクタと前記整流素子との間のノードと、他方で前記第2の基準ノードとの間に接続された更なる制御可能なスイッチを更に有することを特徴とする請求項13記載の駆動装置。
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