JP2009026548A - 放電灯点灯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズ成分による音響共鳴現象を抑えて、放電灯を安定的に点灯させることができる放電灯点灯装置を提供する。
【解決手段】放電灯点灯装置１が備える直流昇圧回路３は、直流電源２に直列にスイッチ素子１５と昇圧トランス１４の１次巻き線１４ａが接続され、２次巻き線１４ｂの出力端子間に平滑用コンデンサ１８が接続されてなる。スイッチ素子１５を所定の周期で切り替えることによりインバータ回路４で生成される交流出力に重畳させたリップルのピーク値強度が、該交流出力に存在するリップル周波数帯におけるノイズのピーク値強度よりも大きくなるように、平滑用コンデンサ１８の容量値が設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車のヘッドランプに使用されるＨＩＤランプ（High Intensity Discharge Lamp）などの放電灯を点灯させる放電灯点灯装置に関する。

従来、ＨＩＤランプなどの放電灯を点灯させる放電灯点灯装置としては、図８に示すように、バッテリなどの直流電源１００から入力される直流電圧を昇圧する直流昇圧回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ）１０１と、この直流昇圧回路１０１の出力を交流に変換可能なインバータ回路１０２と、放電灯の点灯開始時に該放電灯の放電を開始させる起動用高圧パルスを放電灯に印加する起動回路１０３とを備え、直流昇圧回路１０１からインバータ回路１０２を介して放電灯１０４に電力を供給して、放電灯１０４を点灯させるようにしたものが一般に知られている（例えば特許文献１参照）。

直流昇圧回路１０１は、スイッチング周波数が数１０ＫＨｚ〜数１００ＫＨｚのスイッチ素子と、スイッチ素子に１次側が接続された昇圧トランスと、昇圧トランスの２次側を整流後に平滑化する平滑用コンデンサとを有し、スイッチングによるリップルを完全に平滑せずにある程度リップルを残した直流をインバータ回路１０２に出力する。インバータ回路１０２は、その直流をトランジスタのＨブリッジ回路により１ｋＨｚ以下（例えば、１５０Ｈｚ〜５００Ｈｚ程度）の低周波矩形波交流に変換して放電灯１０４を点灯させる。

ここで、低周波矩形波交流にリップルを含ませているのは、例えば、放電灯１０４として、３５Ｗのメタルハライドランプを１５０Ｈｚ〜５００Ｈｚ程度の低周波矩形波交流で点灯させるためには、数１０ＫＨｚ以上のリップルを有しないと点灯の安定性が得られないためである。

また、リップルの周波数を数１００ＫＨｚ程度までに留めるのは、放電アーク点灯電力の変化によって放電灯１０４内の圧力が変化し、放電灯１０４内に音波が発生して共振する音響共鳴現象を回避するためである。すなわち、リップルの周波数が共振周波数を外れた数１００ＫＨｚ程度に留めることで、リップルの周波数が、放電灯１０４のサイズに固有の共振周者数と一致し、音響共鳴現象により放電アークが不安定となり、放電にちらつきが生じたり、放電が立ち消えすることが防止される。
特表２００１−５０５３６０号公報

しかしながら、リップルの周波数帯域の周辺には高調波ノイズによるスパイク状の連続スペクトルが発生する。そのため、放電灯の点灯電流にリップル以外の高調波による連続スペクトルのノイズ成分が混入し、かかるノイズ成分が音響共鳴により共振を起こして放電アークを不安定にし、ひいては、放電におけるちらつきや立ち消えを起こし易くしている。

そこで、本発明は、ノイズ成分による音響共鳴現象を抑えて、放電灯を安定的に点灯させることができる放電灯点灯装置を提供することを目的とする。

本発明者は、放電灯点灯装置において音響共鳴現象を引き起こさないようにするためには、放電灯の点灯に必要なリップル以外の高調波ノイズ成分を減衰させておく必要があるが、リップルの周波数帯域の周辺に存在する高調波ノイズのみを減衰させることは困難であるため、リップルのピーク値強度と高調波ノイズのピーク値強度に着目し、リップルのピーク値強度が高調波ノイズのピーク値強度を上回っていれば、音響共鳴現象を起こし難いこと見出し、かかる知見に基づいて発明を創造するに至った。

本発明の放電灯点灯装置は、直流電源から入力される直流電圧を昇圧する直流昇圧回路と、該直流昇圧回路の出力を交流に変換して放電灯に入力するインバータ回路と、前記放電灯の点灯を開始するための起動用高圧パルスを該放電灯に印加する起動回路とを備え、前記直流昇圧回路は、前記直流電源に直列にスイッチ素子と昇圧トランスの１次巻き線が接続され、該昇圧トランスの２次巻き線の出力端子間に平滑用コンデンサが接続されてなり、前記スイッチ素子を所定の周期で切り替えることにより、前記インバータ回路で生成される交流出力にリップルを重畳させ、前記リップルのピーク値強度が前記交流出力に存在するリップル周波数帯におけるノイズのピーク値強度よりも大きくなるように、前記平滑用コンデンサの容量値が設定されることを特徴とする。

本発明の放電灯点灯装置によれば、インバータ回路で生成される交流出力に重畳するリップルのピーク値強度が、該交流出力に存在するノイズのピーク値強度よりも大きくなるように設計されているため、交流出力にノイズ成分が残存しても、音響共鳴現象の発生を抑制することができ、放電灯を安定的に点灯させることができる。

すなわち、スイッチ素子の切り替えによって生成したリップルは、昇圧トランスの２次巻き線に並列に接続された平滑用コンデンサの容量によって、ピーク値強度を変更することが可能である。そのため、リップルのピーク値強度が交流出力に存在するノイズのピーク値強度よりも大きくなるように、平滑用コンデンサの容量値を設定することで、リップルのピーク値強度が高調波ノイズのピーク値強度を上回り、音響共鳴現象の発生を抑制することができる。

前記起動回路は、前記インバータ回路の出力端子間にコンデンサが接続され、該コンデンサの両端にブレークダウン素子と起動用トランスの１次巻き線が接続され、該起動用トランスの２次巻き線が前記インバータ回路の出力端子間に前記放電灯と共に直列に接続されてなり、前記ノイズのピーク値強度が小さくなるように、前記起動用トランスの２次巻き線のインダクタンスが設定されることが好ましい。

また、本発明者は、起動回路を構成する起動用トランスの２次巻き線が、インバータ回路の交流出力に放電灯と共に直列に接続されている場合、かかる起動用トランスの２次巻き線をインダクタとして利用することができることを見出した。

そこで、本発明の好ましい態様によれば、交流出力に含まれるノイズのピーク値強度が小さくなるように、起動用トランスの２次巻き線のインダクタンスを設定することで、交流出力の中からノイズ成分を減衰させることができる。例えば、交流出力に含まれるノイズのうち、リップルのピーク値強度よりも高周波のノイズ成分のみを減衰することや、リップル周波数の近傍に存在するノイズをリップルと共に減衰させることで、交流出力におけるノイズ成分の影響を相対的に低減させることができる。これにより、音響共鳴現象の発生を抑制することができ、放電灯を安定的に点灯させることができる。

また、放電灯点灯装置は、前記インバータ回路と前記起動回路との間で、前記放電灯と直列に接続されるインダクタを備え、前記ノイズのピーク値強度が小さくなるように、前記インダクタのインダクタンスが設定されることが好ましい。

さらに、本発明の好ましい態様によれば、起動用トランスの２次巻き線をインダクタとして利用することに替えて、又は起動用トランスの２次巻き線をインダクタとして利用することに加えて、交流出力に放電灯と共に直列に接続されるインダクタを設けて、交流出力の中からノイズ成分を減衰させるようにしてもよい。また、インダクタをインバータ回路と起動回路との間に設けることで、起動用トランスの２次巻き線に発生する起動用高電圧パルスの影響を受けなくなる。そのため、インダクタの耐電圧性を問題とすることなく、放電灯点灯装置を簡易に構成することができる。

本発明の放電灯点灯装置の一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。

まず、図１を参照して、本実施形態の放電灯点灯装置の回路構成を説明する。図示の放電灯点灯装置１は、直流電源２から入力される直流電圧を昇圧する直流昇圧回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ）３と、直流を交流に変換して出力可能なインバータ回路４と、放電灯５に起動用高圧パルスを印加する起動回路６と、直流昇圧回路３およびインバータ回路４を制御するコントローラ（制御回路）７とを備える。また、放電灯点灯装置１は、放電灯５の発生電圧を検出するための電圧検出手段として、一対の電圧検出用分圧抵抗１０，１１を備えると共に、放電灯５に流れる電流を検出するための電流検出手段として、電流検出用抵抗１２を備える。

直流電源２は、例えば自動車用のバッテリであり、その出力電圧は約１２Ｖである。また、放電灯５は、例えば、自動車のヘッドランプ用のＨＩＤランプである。以下、放電灯をＨＩＤランプとして説明する。

直流昇圧回路３は、一対の入力端子１３ａ，１３ｂと、１つの１次巻き線１４ａおよび２次巻き線１４ｂを有する昇圧トランス１４と、スイッチ素子１５と、整流用ダイオード１６と、平滑用コンデンサ１８と、２つの出力端子１９ａ，１９ｂとを備え、一対の入力端子１３ａ，１３ｂ間に、直流電源２から直流電圧を入力し、その直流電圧を昇圧してなる２種類の出力電圧を、それぞれ出力端子１９ａ，１９ｂから出力する。また、スイッチ素子１５は、本実施形態ではＦＥＴからなる半導体スイッチである。

この直流昇圧回路３では、昇圧トランス１４の１次巻き線１４ａおよびスイッチ素子１５が一対の入力端子１３ａ，１３ｂ間に直列に接続されている。そして、スイッチ素子１５は、そのゲート（制御信号入力部）がコントローラ７に接続され、そのゲートにコントローラ７から所定周期のパルス信号を付与することによってスイッチ素子１５のＯＮ・ＯＦＦ（導通・遮断）が制御されるようになっている。

また、整流用ダイオード１６は、そのアノードが昇圧トランス１４の２次巻き線１４ｂの一端に接続されると共に、カソードが２次巻き線１４ｂの他端に平滑用コンデンサ１８を介して接続されている。従って、整流用ダイオード１６および平滑用コンデンサ１８が、２次巻き線１４ｂの両端間に直列に接続されている。そして、平滑用コンデンサ１８の整流用ダイオード１６側の一端（高電位側の一端）と、２次巻き線１４ｂ側の他端とが、それぞれ出力端子１９ａ，１９ｂに接続されている。

上記のように構成された直流昇圧回路３では、その入力端子１３ａ，１３ｂ間に直流電源２から直流電圧（約１２Ｖ）を入力した状態で、スイッチ素子１５のＯＮ・ＯＦＦ切替えを所定周期で行って、昇圧トランス１４の１次巻き線１４ａに直流電源２から直流電圧を周期的に印加することにより、直流電源２から入力される直流電圧を昇圧してなる２種類の直流電圧を、それぞれ出力端子１９ａ，１９ｂから出力する。このとき、スイッチ素子１５のＯＮ・ＯＦＦのデューティ比が、コントローラ７により制御され、その制御によって、出力端子１９ａ，１９ｂからそれぞれ出力される直流電圧の大きさを調整可能とされている。

この場合、本実施形態では、出力端子１９ａから出力可能な最大の電圧（出力電流を０とした状態での最大出力電圧）は、例えば、４００Ｖ程度とされている。そして、昇圧トランス１４の１次巻き線１４ａの巻き数と、これに対する各２次巻き線１４ｂの巻き数比とは、出力端子１９ａからそれぞれ上記の最大出力電圧を発生し得るように設定されている。

また、特に、昇圧トランス１４の１次巻き線１４ａと２次巻き線１４ｂの巻き数比は、出力端子１９ｂから４００Ｖ程度の最大出力電圧を発生し得ることに加えて、ＨＩＤランプ５の安定点灯中（定常的な点灯時）にできるだけ効率よく該ＨＩＤランプ５に電力を供給し得るように（昇圧トランス１４における電力の変換効率ができるだけ高くなるように）、直流電源２の直流電圧とＨＩＤランプ５の安定点灯時の発生電圧（ランプ電圧）との比に概ね等しくなるように設定されている。この場合、直流電源２（バッテリ）の直流電圧にはばらつきがあるので、１次巻き線１４ａと２次巻き線１４ｂの巻き数比は、放電灯点灯装置１を正常に動作させ得る直流電源２の最低保証電圧とＨＩＤランプ５の安定点灯時のランプ電圧との比に概ね等しくなるように設定することが好ましい。例えば、ＨＩＤランプ５の安定点灯時のランプ電圧が８５Ｖ程度で、直流電源２（バッテリ）の最低保証電圧が１０Ｖであるとした場合、昇圧トランス１４の１次巻き線１４ａと２次巻き線１４ｂの巻き数比は、１：８程度に設定することが好適である。このように、昇圧トランス１４の１次巻き線１４ａと２次巻き線１４ｂの巻き数比を設定することにより、ＨＩＤランプ５の連続的な点灯中における昇圧トランス１４の変換効率を高めることができる。

インバータ回路４は、４個の半導体スイッチ素子４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄをブリッジ接続して構成されている。より詳しくは、インバータ回路４は、その一対の入力端子２０ａ，２０ｂ間に、半導体スイッチ素子４ａ，４ｂの直列回路と半導体スイッチ素子４ｃ，４ｄの直列回路とを並列に接続して構成されている。そして、半導体スイッチ素子４ａ，４ｂの直列回路の中点と、半導体スイッチ４ｃ，４ｄの直列回路の中点とが、それぞれインバータ回路４の一対の出力端子２１ａ，２１ｂに接続されている。なお、各半導体スイッチ素子４ａ〜４ｄは、本実施形態ではＦＥＴである。そして、各半導体スイッチ素子４ａ〜４ｄは、そのゲート（制御信号入力部）がコントローラ７に接続され、そのゲートにコントローラ７からパルス信号を付与することによって各半導体スイッチ素子４ａ〜４ｄのＯＮ・ＯＦＦ（導通・遮断）が制御されるようになっている。

また、このインバータ回路４の入力端子２０ａ，２０ｂのうちの入力端子２０ａは、直流昇圧回路３の出力端子１９ａに接続され、入力端子２０ｂは、電流検出用抵抗１２を介して直流昇圧回路３の出力端子１９ｂ（基準電位端子）に接続されている。これにより、インバータ回路４には、直流昇圧回路３の出力端子１９ａから出力電圧（最大で４００Ｖ程度の直流電圧）が入力されるようになっている。

上記のように構成されたインバータ回路４では、半導体スイッチ素子４ａ，４ｄの組をＯＮにし、且つ半導体スイッチ素子４ｂ，４ｃの組をＯＦＦにする状態と、半導体スイッチ素子４ａ，４ｄの組をＯＦＦにし、且つ半導体スイッチ素子４ｂ，４ｃの組をＯＮにする状態とを交互に周期的に切り換えることにより、直流昇圧回路３の出力端子１９ａから入力される直流電圧とほぼ同等の振幅を有する交流電圧が、出力端子２１ａ，２１ｂから出力されることとなる。また、半導体スイッチ素子４ａ，４ｄの組をＯＮにし、且つ半導体スイッチ素子４ｂ，４ｃの組をＯＦＦにする状態、あるいは、半導体スイッチ素子４ａ，４ｄの組をＯＦＦにし、且つ半導体スイッチ素子４ｂ，４ｃの組をＯＮにする状態を継続させることによって、直流昇圧回路３の出力端子１９ａから入力される直流電圧と同極性または逆極性で、且つ、該直流電圧とほぼ同等の大きさの直流電圧がインバータ回路４の出力端子２１ａ，２１ｂから出力されることとなる。

起動回路６は、整流用ダイオード２２、充電用抵抗２３およびコンデンサ２４の直列回路と、起動用トランス２５と、所定のブレークダウン電圧以上の電圧が印加されたときに自律的に導通するスイッチ素子としてのブレークダウン素子２６とで構成されている。

この場合、直列に接続された整流用ダイオード２２、充電用抵抗２３及びコンデンサ２４が、整流用ダイオード１７のアノードでインバータ回路４の出力端子２１ａに接続されると共に、コンデンサ２４側の一端で、インバータ回路４の出力端子２１ｂに接続されている。

また、起動用トランス２５の１次巻き線２５ａと４００Ｖ以下で導通するブレークダウン素子２６とが、コンデンンサ２４の両端間で直列に接続されている。例えば、直流昇圧トランスに１０００Ｖ程度出力する別の巻き線を設けて、この出力からダイオード２２を介してコンデンサ２４を充電すれば、ブレークダウン素子２６としては、そのブレークダウン電圧（導通電圧）が１０００Ｖよりも小さい電圧、例えば８００Ｖ程度となるガス封入式のスパークギャップ素子を用いることができる。

また、起動用トランス２５の２次巻き線２５ｂは、インバータ回路４の出力端子２１ａ，２１ｂの間で、ＨＩＤランプ５と直列に接続されている。

上記のように構成された起動回路６では、コンデンサ２４が８００Ｖ程度まで充電されると、ブレークダウン素子２６が導通し、コンデンサ２４の充電電荷が瞬時的に起動用トランス２５の１次巻き線２５ａを流れる。これに応じて、起動用トランス２５の２次巻き線２５ｂに起動用高圧パルスが発生し、これがＨＩＤランプ５に印加されることとなる。この場合、起動用トランス２５の１次巻き線２５ａの巻き数と、これに対する２次巻き線２５ｂの巻き数の比は、例えば、起動用高圧パルスの波高値が２５ｋＶ程度になるように設定されている。

なお、前記電圧検出用分圧抵抗１０，１１は、直流昇圧回路３の出力端子１９ａ，１９ｂ間で直列に接続されており、出力端子１９ｂ側の分圧抵抗１１の発生電圧（これは直流昇圧回路３の出力端子１９ａ，１９ｂ間の出力電圧に比例する）を、ＨＩＤランプ５の発生電圧（ランプ電圧）を示す検出信号として、コントローラ７に与えるようにしている。また、電流検出用抵抗１２は、その発生電圧をＨＩＤランプ５に流れる電流（ランプ電流）を示す検出信号としてコントローラ７に与えるようにしている。また、抵抗２８とコンデンサ２９の直列回路により構成される起動補助回路は、その両端に、直流昇圧回路３の出力電圧が電流検出用抵抗１２を介して印加されるようになっている。補足すると、ＨＩＤランプ５には、２５ｋＶ程度の起動用高圧パルスが印加されるため、そのＨＩＤランプ５のランプ電圧を直接的に検出することは回路的に難しい。また、起動用高圧パルスの印加時以外では、インバータ回路４の半導体スイッチ素子４ａ〜４ｄのＯＮ抵抗などに起因する若干の誤差はあるものの、直流昇圧回路３の出力電圧は、ＨＩＤランプ５のランプ電圧と概ね同等となる。そのため、電圧検出用分圧抵抗１０，１１による検出信号（直流昇圧回路３の出力電圧に比例した電圧信号）が、ＨＩＤランプ５のランプ電圧の検出信号として使用される。

以上が、本実施形態の放電灯点灯装置１の回路構成である。

上記構成の放電灯点灯装置１によるＨＩＤランプ５の動作制御は、次のように行われる。

まず、直流昇圧回路３に直流電源２から直流電圧（例えば約１２Ｖ）を入力した状態で、コントローラ７により、インバータ回路４の半導体スイッチ素子４ａ，４ｄの組をＯＮ状態に制御し、且つ半導体スイッチ素子４ｂ，４ｃの組をＯＦＦ状態に制御する。さらに、コントローラ７により直流昇圧回路３のスイッチ素子１５をＰＷＭ制御し、直流昇圧回路３の出力電圧を最大の４００Ｖ程度まで昇圧する。このとき、直流昇圧回路３の出力電圧がインバータ回路４を介してＨＩＤランプ１０４に印加される。

この期間において、起動補助回路のコンデンサ２７が充電され、さらに、起動回路６のコンデンサ２４が充電される。そして、起動回路６のコンデンサ２４の充電電圧がブレークダウンスイッチ素子２６のブレークダウン電圧に達すると、ブレークダウンスイッチ素子２６が導通し、コンデンサ２４の充電電荷が、瞬時的に起動用トランス２５ａの１次巻き線２５ａを通って放電する。この時、起動用トランス２５の２次巻き線２５ｂに波高値が２５ｋＶ程度の起動用高圧パルスが励起され、その起動用高圧パルスが、直流昇圧回路３からインバータ回路４を介してＨＩＤランプ５に印加されている直流電圧（４００Ｖ程度）に重畳されてＨＩＤランプ５の両端子部２９ａ，２９ｂに印加される。

これによりＨＩＤランプ５の放電・点灯が開始する。このＨＩＤランプ５の放電・点灯の開始時において、ＨＩＤランプ５には、直流昇圧回路３の平滑用コンデンサ１８からインバータ回路４を介して該ＨＩＤランプ５の放電開始時の突入電流が供給されると同時に、起動補助回路のコンデンサ２７からもインバータ回路４を介してＨＩＤランプ５に突入電流が供給される。すなわち、起動補助回路８のコンデンサ２７の充電電荷が、直流昇圧回路３の平滑用コンデンサ１８とほぼ同時に、インバータ回路４を介してＨＩＤランプ５に放電されることにより、ＨＩＤランプ５には、十分な突入電流が供給され、ＨＩＤランプ５の放電を支障なく開始することができる。

ＨＩＤランプ５の起動直後は、その電極の温度が低く、ＨＩＤランプ５の放電が不安定になりやすい。そこで、ＨＩＤランプ５の電極を早急に昇温して、ＨＩＤランプ５の放電を安定化させるために、ＨＩＤランプ５の起動開始時から所定時間が経過するまでの期間（放電安定化期間）において、ＨＩＤランプ５の定常的な点灯時における交流点灯周波数（例えば４００Ｈｚ）の周期よりも十分に長い所定時間（例えば１０〜２０ｍｓ程度）ずつ、正極性および負極性の直流電流を順次、ＨＩＤランプ５に流すようにインバータ回路４がコントローラ７により制御される。

放電安定化期間の終了時には、ＨＩＤランプ５の電極は十分に昇温しているので、その後はＨＩＤランプ５の交流点灯を行っても、ＨＩＤランプ５の立ち消えを生じることなく、放電・点灯を安定に行うことができる。そこで、前記放電安定化期間が終了すると、次に、インバータ回路４の半導体スイッチ素子４ａ，４ｄの組と、半導体スイッチ素子４ｂ，４ｃの組との交互のＯＮ・ＯＦＦがコントローラ７により４００Ｈｚ程度の周波数で制御される。これによりＨＩＤランプ５の交流点灯が開始される。

この交流点灯では、電圧検出用分圧抵抗１０，１１を介して検出されるランプ電圧に応じてランプ電流またはランプ電力の目標値が設定され、電流検出用抵抗１２を介して検出されるランプ電流、あるいは、そのランプ電流の検出値とランプ電圧の検出値とから把握されるランプ電力が、それらの目標値になるように直流昇圧回路３の出力がコントローラ７によりスイッチ素子１５を介してフィードバック制御される。

以上が、放電灯点灯装置１によるＨＩＤランプ５の動作制御である。

次に、本実施形態の放電灯点灯装置１の回路定数などの設定方法について説明する。

直流昇圧回路３の平滑用コンデンサ１８は、直流昇圧回路３の出力端子１９ａ，１９ｂ間の出力電圧を平滑化するためのものであるが、ＨＩＤランプ５の放電・点灯を開始した後、ＨＩＤランプ５の点灯を安定に行うためには、ランプ電圧やランプ電流にある程度のリップル成分（高周波成分）が必要である。このため、そのようなリップル成分を有するランプ電流を直流昇圧回路３からインバータ回路４を介してＨＩＤランプ５に通電させることができるように、直流昇圧回路３の平滑用コンデンサ１８の容量値が設定される。

ここで、インバータ回路４を介して、ＨＩＤランプ５に印加される交流出力には、リップル成分の周波数帯域（数１０ｋＨｚ〜数１００ｋＨｚ）の周辺に高調波ノイズによるスパイク状の連続スペクトル存在する。

図２（ａ）は、平滑用コンデンサ１８の容量値が、例えば０．４７μＦであって、リップル周波数の周辺に存在する高調波ノイズが、リップルのピーク値強度よりも大きい場合のランプ電流の周波数スペクトルを示した図である。ここで、横軸は周波数ｋＨｚ、縦軸は強度ｄＢを表している。この場合、リップル周波数は３０６ｋＨｚであり、その周辺には（図中、５０ｋＨｚ〜５５０ｋＨｚの全体に亘って）、リップルのピーク値強度を上回るピーク値強度を有する高調波ノイズが存在している。

図２（ｂ）は、図２（ａ）のランプ電流の波形を示した図である。図２（ｂ）は、横軸が時間ｔｍｓであり、縦軸がランプ電流ＩｍＡとなっている。この場合（高調波ノイズのピーク値強度がリップルのピーク値強度よりも大きい場合）には、交流出力におけるランプ電流及びランプ電圧の切り替わりの際（ゼロクロス）に、ランプ電流が一時的に０になっており、立ち消えが頻繁に発生する。また、切り替わりの際に、ランプ電流がオーバーシュートしており、ランプ電流及びランプ電圧が不安定である。

図３（ａ）は、平滑用コンデンサ１８の容量値が、例えば０．２２μＦであって、リップル周波数の周辺に存在する高調波ノイズが、リップルのピーク値強度と同程度の場合のランプ電流の周波数スペクトルを示した図である。この場合、リップル周波数は３０４ｋＨｚであり、その周辺には（図中、５０ｋＨｚ〜５５０ｋＨｚの全体に亘って）、リップルのピーク値強度と同程度のピーク値強度を有する高調波ノイズが存在している。

図３（ｂ）は、図３（ａ）のランプ電流の波形を示した図である。この場合（高調波ノイズのピーク値強度がリップルのピーク値と同程度の場合）には、立ち消えが稀に発生すると共に、切り替わり（ゼロクロス）の際にランプ電流がオーバーシュートしており、ランプ電流及びランプ電圧も不安定である。

図４（ａ）は、平滑用コンデンサ１８の容量値が、例えば０．１０μＦであって、リップル周波数の周辺に存在する高調波ノイズが、リップルのピーク値強度よりも小さい場合のランプ電流の周波数スペクトルを示した図である。この場合、リップル周波数は３０４ｋＨｚであり、その周辺には（図中、５０ｋＨｚ〜５５０ｋＨｚの全体に亘って）、リップルのピーク値強度を下回る（ΔｄＢは約５ｄＢ程度）ピーク値強度を有する高調波ノイズが存在している。

図４（ｂ）は、図４（ａ）のランプ電流の波形を示した図である。この場合（高調波ノイズのピーク値強度がリップルのピーク値強度よりも小さい場合）は、交流出力におけるランプ電流及びランプ電圧の切り替わりの際に、ランプ電流が一時的に０になって、立ち消えが頻繁に発生することはない。また、切り替わり（ゼロクロス）の際に、ランプ電流がオーバーシュートすることもなく、ランプ電流及びランプ電圧も安定である。

本発明者は、各種実験及び検討により、リップルのピーク値強度と高調波ノイズのピーク値強度に着目し、リップルのピーク値強度が高調波ノイズのピーク値強度を約５ｄＢ程度上回っていれば、音響共鳴現象を起こし難いことを見出し、平滑用コンデンサ１８の容量値を０．１μＦ以下とした。尚、平滑用コンデンサ１８の容量を小さくすると、直流昇圧回路３の出力電圧及び出力電流にノイズ成分が増加する傾向がある。そのため、本実施形態では、平滑用コンデンサ１８の容量値は、０．１μＦとした。

次に、起動用トランス２５の２次巻き線２５ｂのインダクタンスについて説明する。上述のように、起動用トランス２５は、起動用高圧パルスの波高値が２５ｋＶ程度になるように、１次巻き線２５ａの巻き数と、これに対する２次巻き線２５ｂの巻き数との比が決定されるが、本発明者は、２次巻き線２５ｂのインダクタンスに着目し、これをノイズに対するフィルタとして用いることについて各種実験を行い、検討した。

図５（ａ）は、例えば、平滑用コンデンサ１８の容量値が０．４７μＦで、２次巻き線２５ｂのインダクタンスが０．４ｍＨであって、リップル及びリップル周波数の周辺に存在する高調波ノイズを除去した場合のランプ電流の周波数スペクトルを示した図である。この場合、リップル周波数は３０４ｋＨｚであるが、その周辺に存在する高調波ノイズと共にそのリップル成分は完全に平滑化されている。

図５（ｂ）は、図５（ａ）のランプ電流の波形を示した図である。この場合（リップル成分がその周辺に存在する高調波ノイズと共に完全に平滑化されている場合）には、交流出力におけるランプ電流及びランプ電圧の切り替わり（ゼロクロス）の際に、ランプ電流が一時的に０になって部分が存在し、立ち消えが発生する。また、切り替わりの際に、ランプ電流がオーバーシュートしており、ランプ電流及びランプ電圧も不安定である。

図６（ａ）は、例えば、平滑用コンデンサ１８の容量値が０．１０μＦで、２次巻き線２５ｂのインダクタンスが１ｍＨであって、リップル及びリップル周波数の周辺に存在する高調波ノイズを減衰させた場合のランプ電流の周波数スペクトルを示した図である。この場合、リップル周波数は３０５ｋＨｚであり、その周辺から高周波側のリップルのピーク値強度を下回る（ΔｄＢは約５ｄＢ程度）ピーク値強度を有する高調波ノイズが存在しているが、リップル周波数周辺から高周波側のリップル及びノイズ成分が減衰されている（リップル成分は完全に平滑されていない）。

図６（ｂ）は、図６（ａ）のランプ電流の波形を示した図である。この場合（リップル及びリップル周波数の周辺に存在する高調波ノイズを減衰させた場合）には、交流出力におけるランプ電流及びランプ電圧の切り替わり（ゼロクロス）の際に、ランプ電流が一時的に０になって、立ち消えが頻繁に発生することはない。また、切り替わりの際に、ランプ電流がオーバーシュートすることもなく、ランプ電流及びランプ電圧も安定である。

本発明者の各種実験、検討によれば、平滑用コンデンサ１８の容量を小さくすることによって増加傾向となるノイズ成分を、リップル成分強度の優位性が保たれる範囲で、２次巻き線２５ｂにより減衰させることで、音響共鳴現象を起こし難いことを知見した。ここで、２次巻き線２５ｂのインダクタンスを大きくし過ぎると、リップル成分の減衰が大きくなる。また、インダクタンス成分により交流出力におけるランプ電流及びランプ電圧の切り替わり（ゼロクロス点）での電流の上昇が緩慢になる。そこで、２次巻き線２５ｂのインダクタンスは、０．５ｍＨ以上約３ｍＨ未満であることが望ましい。特に本実施形態では、リップル成分強度の優位性を重視し、１．０ｍＨとした。

また、本発明者の検討によれば、交流出力におけるランプ電流及びランプ電圧の切り替わり（ゼロクロス点）後のランプ電流の上昇率が、１μｓｅｃ当たりランプ電流の増加が２０ｍＡ以上であれば、ゼロクロス点でランプ電流が一時的に０になることがなく、ＨＩＤランプ５の交流点灯における再点弧の動作に問題がないことを知見した。

このように、本実施形態の放電灯点灯装置１によれば、リップルのピーク値強度と高調波ノイズのピーク値強度から、直流昇圧回路３の平滑用コンデンサ１８の容量値及び起動回路６における起動用トランス２５の２次巻き線２５ｂのインダクタンスを適正値に設定することで、装置構成に大きな変更を加えることなく、ノイズ成分による音響共鳴現象を抑えて、放電灯を安定的に点灯させることができる。

尚、図１に示す本実施形態の構成では、起動用トランス２５の２次巻き線２５ｂのインダクタンスに着目し、これをノイズに対するインダクタとして用いたが、これに限定されるものではない。例えば、図７に示すように、インバータ回路４の出力端子２１ａと起動用トランス２５の２次巻き線２５ｂとの間に、インダクタ３０を追加してもよい。

この場合、起動用トランス２５の２次巻き線２５ｂをフィルタとして用いることに替えて、又はフィルタとして用いることに加えて、インダクタ３０をフィルタとして用いることができる。いずれの場合にも、起動用トランス２５の２次巻き線２５ｂのインダクタンスと、インダクタ３０のインダクタンスの総和が、上述の０．５ｍＨ以上、望ましくは、１．０ｍＨとすることで、前記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

特に、インダクタ３０を追加した構成とした場合には、装置構成の変更や回路構成の変更が事後的に生じた場合に、リップル周波数やノイズの存在する帯域に応じた最適なインダクタを選択して適用できる。

本発明の一実施形態の放電灯点灯装置の回路構成を示す図。 図２（ａ）は、高調波ノイズのピーク値強度がリップルのピーク値強度よりも大きい場合におけるランプ電流の周波数スペクトルを示した図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のランプ電流の波形を示した図。 図３（ａ）は、高調波ノイズのピーク値強度がリップルのピーク値と同程度の場合におけるランプ電流の周波数スペクトルを示した図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のランプ電流の波形を示した図。 図４（ａ）は、高調波ノイズのピーク値強度がリップルのピーク値強度よりも小さい場合におけるランプ電流の周波数スペクトルを示した図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のランプ電流の波形を示した図。 図５（ａ）は、リップル成分がその周辺に存在する高調波ノイズと共に完全に平滑化されている場合におけるランプ電流の周波数スペクトルを示した図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のランプ電流の波形を示した図。 図６（ａ）は、リップル及びリップル周波数の周辺に存在する高調波ノイズを減衰させた場合におけるランプ電流の周波数スペクトルを示した図、図６（ｂ）は、図６（ａ）のランプ電流の波形を示した図。 図１の放電灯点灯装置の回路構成を一部変更した例を示す図。 従来の放電灯点灯装置の回路構成の例を示す図。

符号の説明

１…放電灯点灯装置、２…直流電源、３…直流昇圧回路、４…インバータ回路、５…放電灯（ＨＩＤランプ）、６…起動回路、１０，１１…電圧検出用分圧抵抗、１２…電流検出用抵抗、１４…昇圧トランス、１４ａ…昇圧トランスの１次巻き線、１４ｂ…昇圧トランスの第１の２次巻き線、１５…スイッチ素子、１６…整流用ダイオード、１８…平滑用コンデンサ、２２…整流用ダイオード、２３…充電用抵抗、２４…起動用コンデンサ、２５…起動用トランス、２５ａ…起動用トランスの１次巻き線、２５ｂ…起動用トランスの２次巻き線、２６…ブレークダウン素子、２７…起動補助回路のコンデンサ、２８…充電用抵抗、３０…インダクタ。

Claims (3)

1. 直流電源から入力される直流電圧を昇圧する直流昇圧回路と、該直流昇圧回路の出力を交流に変換して放電灯に入力するインバータ回路と、前記放電灯の点灯を開始するための起動用高圧パルスを該放電灯に印加する起動回路とを備える放電灯点灯装置において、
   前記直流昇圧回路は、前記直流電源に直列にスイッチ素子と昇圧トランスの１次巻き線が接続され、該昇圧トランスの２次巻き線の出力端子間に平滑用コンデンサが接続されてなり、
   前記スイッチ素子を所定の周期で切り替えることにより、前記インバータ回路で生成される交流出力にリップルを重畳させ、
   前記リップルのピーク値強度が前記交流出力に存在するリップル周波数帯におけるノイズのピーク値強度よりも大きくなるように、前記平滑用コンデンサの容量値が設定されることを特徴とする放電灯点灯装置。
2. 請求項１記載の放電灯点灯装置において、
   前記起動回路は、前記インバータ回路の出力端子間にコンデンサが接続され、該コンデンサの両端にブレークダウン素子と起動用トランスの１次巻き線が接続され、該起動用トランスの２次巻き線が前記インバータ回路の出力端子間に前記放電灯と共に直列に接続されてなり、
   前記ノイズのピーク値強度が小さくなるように、前記起動用トランスの２次巻き線のインダクタンスが設定されることを特徴とする放電灯点灯装置。
3. 請求項１又は２記載の放電灯点灯装置において、
   前記インバータ回路と前記起動回路との間で、前記放電灯と直列に接続されるインダクタを備え、
   前記ノイズのピーク値強度が小さくなるように、前記インダクタのインダクタンスが設定されることを特徴とする放電灯点灯装置。

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