JP2012059610A - 放電灯点灯装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】放電灯点灯装置は、放電灯に対して並列接続された電解コンデンサと、その正極に向けて全波整流電流を供給するインダクタおよびダイオードの直列回路と、インダクタおよびダイオードの接続点と電解コンデンサの負極とを結ぶスイッチング素子を備える。検出用コンデンサC11および検出用抵抗R2、R1の直列回路10が、スイッチング素子の両端に並列接続されている。オフ時にインダクタを流れる電流が零になって、スイッチング素子の出力容量とインダクタとが共振すると、スイッチング素子のドレイン電圧がほぼ零ボルトまで低下するので、直列回路10がこの電圧低下を検出して、検出用抵抗R1の端子間電圧をオン切換のタイミング信号として出力するようになっている。
【選択図】 図3
Description
直流電源回路には、交流を全波整流する全波整流器と、その両出力端に並列接続される平滑コンデンサとによって、比較的簡単に構成されたものがある。また、直流電源回路には、全波整流器と、該全波整流出力を入力して一定振幅の直流電圧を高効率で生成する力率改善回路(アクティブフィルターとも呼ばれる。)とから構成されるものもある。この力率改善回路には力率改善のために数十kHzの周波数でオンオフ切換可能なスイッチング素子が設けられ、力率改善制御回路が該スイッチング素子の駆動を制御する。
力率改善回路や電力変換回路には、スイッチング素子のオン状態で磁場のエネルギーを蓄積し、オフ状態でエネルギーを放出するインダクタが設けられている。インダクタのエネルギーの蓄積と放出が高周波のオンオフ切換により繰り返されることで、力率改善や電力変換が達成される。
特許文献1には、電力変換回路のスイッチング素子に対してゼロクロススイッチングモードの制御を実行した場合の回路効率について説明されている。ゼロクロススイッチングとは、インダクタ等の電圧または電流が零になるタイミング(このタイミングをゼロクロスと呼ぶ。)でスイッチング素子のオンオフを切り替える制御方法を言う。インダクタに流れる電流(IL)が略零になるタイミングで、スイッチング素子をオフからオンに切り換えれば、電流(IL)とスイッチング素子に印加される電圧との関係で生じるスイッチングロスを小さくできる。
前記電解コンデンサの正極に向けて全波整流後の整流電流を供給するインダクタおよびダイオードの直列回路、および、前記インダクタおよびダイオードの接続点と前記電解コンデンサの負極とを結んで前記電解コンデンサに対して並列に接続されたスイッチング素子を有して、該スイッチング素子のオンオフ駆動で前記電解コンデンサを充電するように構成された充電手段と、
前記スイッチング素子のオンオフ駆動を制御する制御手段と、
前記スイッチング素子の両端子間の電圧に基づいてオン切換のタイミング信号を生成して前記制御手段に送るゼロクロス検出手段と、
を備える。
そして、前記スイッチング素子のドレイン側端子が、前記インダクタおよびダイオードの接続点と結ばれ、前記スイッチング素子のソース側端子が、前記電解コンデンサの負極と結ばれており、前記ゼロクロス検出手段は、前記スイッチング素子の両端子に対して並列に接続された検出用コンデンサを有する。オフ状態で前記インダクタを流れる電流が零になるタイミングで、前記スイッチング素子のドレイン−ソース間の出力容量と前記インダクタとが共振を起こして、前記スイッチング素子のドレイン電圧が低下した場合に、前記検出用コンデンサが該ドレイン電圧の変化部分を強調して取り出して、正確なオン切換のタイミング信号を生成することを特徴とする。
本発明では、検出用コンデンサがリアクタンス素子であり、基本的には抵抗のような発熱が発生しない特性を有する。よって、検出用コンデンサが高いドレイン電圧(例えば数百ボルト)から制御手段の入力信号(例えば10V以下)までの大半の電圧降下機能を受け持つにも関わらず、発熱が起こらないので電力のロスが少なくて済む。
なお、本発明において、検出用コンデンサの静電容量は、スイッチング素子のドレイン−ソース間の出力容量よりも小さいことが好ましい。
前記電解コンデンサの正極には放電灯の一方の電極が接続され、
前記電力変換回路は、
前記放電灯の他方の電極と前記電解コンデンサの負極とを結ぶインダクタおよびスイッチング素子の直列回路と、オフ状態でインダクタからの電流を放電灯経由で該インダクタに回送するため、放電灯と前記インダクタの直列回路の両端を結ぶダイオードとを有して、前記スイッチング素子のオンオフ駆動で該電解コンデンサからの直流電流を放電灯の点灯電流に変換するとともに、
前記スイッチング素子のオンオフ駆動を制御する制御手段と、
前記スイッチング素子の両端子間の電圧に基づいてオン切換のタイミング信号を生成して前記制御手段に送るゼロクロス検出手段と、を備える。
そして、前記スイッチング素子のドレイン側端子が、前記インダクタおよびダイオードの接続点と結ばれ、前記スイッチング素子のソース側端子が、前記電解コンデンサの負極と結ばれており、前記ゼロクロス検出手段としては、前述と同様の手段を用いることを特徴とする。
また、ゼロクロス検出手段は、前記検出用抵抗器の両端子に並列に接続されたツェナーダイオードを有し、該ツェナーダイオードを介して前記検出用抵抗器の電圧をオン切換のタイミング信号として前記制御手段に送ることが好ましい。
また、ゼロクロス検出手段として検出用コンデンサを用いないで、抵抗のみでゼロクロスを検出しようとすると、抵抗の発熱による電力ロスを引き起こしてしまう。これに対して本発明では、検出用コンデンサがリアクタンス素子であり、基本的には抵抗のような発熱が発生しない特性を有する。よって、検出用コンデンサが大半の電圧降下機能を受け持つにも関わらず、電力のロスが少なくて済む。例えば、数百ボルトの高い電圧からエネルギーロスをほとんど伴うこと無く、制御手段への10V以下の入力信号を発生させることが可能になる。
従って、検出用コンデンサによって取り出されたスイッチング素子のドレイン電圧の変化のタイミングを用いれば、オン切換のタイミング信号を正確に生成することができる。よって本発明のゼロクロス検出手段を用いれば、直流電源回路または電力変換回路においてソフトスイッチングの一周期の終わりを正確に検出することができ、放電灯点灯装置の回路効率の大幅な改善を行うことができる。
図1に本発明にかかる放電灯点灯装置の構成図を示す。
同図において、放電灯点灯装置は、直流電源回路7および電力変換回路3から構成されている。直流電源回路7は、電力変換回路3に安定供給するための直流電力を交流電源ACから作り出す処理を行う。電力変換回路3は、直流電源回路7からの直流電力を放電灯のランプ電力に変換する処理を行う。放電灯点灯装置は、電力変換回路3の両出力端に接続された放電灯へ所定の点灯電流を供給する。
ここでは、第一実施形態で直流電源回路7のスイッチング素子をソフトスイッチングでオンオフ制御する場合を説明し、第二実施形態で電力変換回路3のスイッチング素子をソフトスイッチングでオンオフ制御する場合を説明する。
図2に本実施形態にかかる放電灯点灯装置の回路構成を示す。
<放電灯点灯装置の全体構成>
同図において、放電灯点灯装置は、商用電源ACから供給される交流電力を全波整流し直流化する全波整流器2と、該全波整流器2の出力を定電圧化、高力率化する力率改善回路8と、力率改善回路8の出力する直流電力をランプ電力に変換して放電灯Laに供給する電力変換回路3と、力率改善回路8におけるソフトスイッチングの一周期の終わりを検出するゼロクロス検出回路12と、力率改善回路8に組み込まれている高周波スイッチング素子Q1のオンオフ制御を行う力率改善制御回路1とを備える。
スイッチング素子Q1のオン状態では、インダクタL1とダイオードD1の中間点の電位は、グランドレベル(ゼロ)となり、インダクタL1の端子間電圧は整流後の直流電圧と等しくなる。すると、インダクタL1に磁場のエネルギーが蓄積され、インダクタL1を流れる電流は増加する。全波整流器2からの直流電流は、インダクタL1からスイッチング素子Q1を通ってグランドラインへ流れる。言い換えると、スイッチング素子Q1のオン状態では、ダイオードD1と電解コンデンサC2がバイパスされることになる。
以下、本発明において特徴的な高い回路効率でソフトスイッチングを可能とするゼロクロス検出回路12について説明する。
ゼロクロス検出回路12は、力率改善回路1による高力率で安定化直流電圧の生成を、高い回路効率で実行できるように、ソフトスイッチングの一周期の終わりを正確に検出する回路である。図2に示すように、ゼロクロス検出回路12の1組の入力端1a、1bはスイッチング素子の両端子に接続され、1組の出力端2a、2bは力率改善制御回路1に接続されている。
同図において、ゼロクロス検出回路12は、入力端1a、1b間に並列に接続されるCR直列回路10と、このCR直列回路10の抵抗成分に対して並列に接続されたツェナーダイオードZD1とを有し、ツェナーダイオードZD1の両端子に出力端2a、2bが設けられている。
ツェナーダイオードZD1は、検出用抵抗器R1の両端子3b、3cに並列に接続されている。
ゼロクロス検出回路12への入力電圧V1は、力率改善回路8のスイッチング素子Q1のドレインとグランド間の電圧である。この入力電圧V1がCR直列回路10に印加された際の抵抗成分(R2、R1)に生じる電圧は、2つの検出用抵抗器R2、R1によって分圧されて、ツェナーダイオードZD1を介して出力電圧になる。
ゼロクロスとは、スイッチング損失の原因となる電流値または電圧値がちょうど零になるタイミングを示す。検出回路に生じる信号波形図に基づいて、ゼロクロスの検出方法を説明する。
図4にゼロクロス検出回路12中の要部の信号波形を示す。
同図(A)はスイッチング素子Q1の状態を示し、
同図(B)はインダクタ電流ILの変化を示す。
同図(C)は、スイッチング素子Q1の両端子間電圧(V1)の波形である。
同図(D)は、グランド側の入力端1bを基準とする、検出用抵抗器R2の検出用コンデンサ側の端子3aの電位、つまり、検出用抵抗器R1、R2の直列回路の両端電圧の波形である。
同図(E)は、ツェナーダイオードZD1の両端子間電圧(V2)の波形である。
検出用コンデンサC11と検出用抵抗器R2との中点の電位V3aは、検出用抵抗器R1、R2により分圧され、分圧された電位が検出用抵抗器R2、R1の中点(端子3b)に表れる。この中点(端子3b)における電位は、検出用抵抗器R1の両端に並列接続されたツェナーダイオードZD1を介して出力電圧(V2)になる。
図2〜4に基づいて説明する。
スイッチング素子のオン状態では、インダクタLに整流後電圧が印加され、インダクタLに磁場のエネルギーが蓄積する。この間、図4(B)のようにインダクタ電流(IL)は増加する。
オン状態では、スイッチング素子Q1の端子間電圧V1は零ボルトであり(同図C)、端子3aにおける電位V3aは負の極性を示す(同図D)。この負電圧成分は、検出用抵抗器R2、R1により分圧されるが、ツェナーダイオードZD1の順方向と端子3cから端子3bへの向きとが一致するから、端子3bの電位はツェナーダイオードZD1によって零ボルトを示す。従って、出力電圧V2は零ボルトを示す(同図E)。
スイッチング素子のオフ状態では、インダクタLから磁場のエネルギーが放出し、電解コンデンサC2を充電する。この間、図4(B)のようにインダクタ電流(IL)は減少する。
オフ状態では、スイッチング素子Q1の端子間電圧V1は、電解コンデンサC2の電圧と等しく、例えば200Vを示す(同図C)。この電圧V1はゼロクロス検出回路12のCR直列回路に印加されるので、ターン・オフで端子3aにおける電位V3aは正極に反転し、例えば100Vになる。
インダクタL1の磁場のエネルギー放出が終了すると、インダクタ電流ILが零になる。インダクタL1と電解コンデンサC2間にはダイオードD1があって、電解コンデンサC2の電荷が逆流することはないから、インダクタ電流ILが零になると、スイッチング素子Q1のドレイン−ソース間の出力容量とインダクタL1との間で共振が発生し、入力電圧V1が急激に低下してほぼゼロ電位となる(同図C)。すると、検出用コンデンサC11に蓄積された静電エネルギー(電荷)がスイッチング素子Q1のドレイン−ソース間の出力容量を通過し、さらに端子1bから端子3c、検出用抵抗器R1、R2を順に通過し、スイッチング素子Q1へ戻る。このことにより、図4(D)のように、端子3aに負電圧が発生する。この負電圧は検出用抵抗器R2、R1により分圧されて、端子3bにも負電圧が発生するはずであるが、ツェナーダイオードZD1の順方向の導通により短絡されて、出力電圧V2が零ボルトを示す。なお、出力容量とは、オフ状態のスイッチング素子Q1において、そのドレイン−ソース端子間に存在する静電容量を示す。
また、HIDランプのようにランプ特性が激しく変動する場合には、ソフトスイッチングの各周期でのインダクタL1のエネルギー放出時間が変化してしまうが、本実施形態によれば、インダクタL1に流れる電流が零になるタイミングをリアルタイムで正確に検出することができるため、回路効率の悪化を避けることができる。
なお、スイッチング回路の部品定数およびスイッチング周波数の違いによっては、本発明のゼロクロス検出回路の後段に信号のディレー回路を追加し、ゼロボルトスイッチングのタイミングを調整する場合もある。
図5は、本実施形態にかかる放電灯点灯装置の回路構成を示す。
同図において、放電灯点灯装置は、商用電源ACから供給される交流電力から直流電力を生成する直流電源回路7と、直流電源回路7からの直流電力を放電灯のランプ電力に変換する処理を行う電力変換回路3と、電力変換回路3におけるソフトスイッチングの一周期の終わりを検出するゼロクロス検出回路12と、電力変換回路3に組み込まれている複数の高周波スイッチング素子Q2〜Q5のオンオフ制御を行うフルブリッジ型の電力変換制御回路11とを備えて構成される。
スイッチング素子Q5が高周波でオンオフするモードでは、前述の実施形態と同様に、インダクタL2の電流が零になるタイミングと略同時に、ゼロクロス検出回路12の動作によって、出力電圧V2が零ボルトに急減するので、インダクタ電流が零になるゼロクロスのタイミングを正確に検出することができる。
図3に示すゼロクロス検出回路を用いて、各素子の特性値を以下のように設定した。
検出用コンデンサC11 :100pF、
抵抗器R1 :10kΩ、
抵抗器R2 :51kΩ、
ツェナーダイオードZD1:4.3V
その結果、従来のチョークコイルに二次巻き線を追加して信号を検出する方式に比べて、力率改善回路の回路効率を93%から95%へ向上させることができた。
また、同様に、上記ゼロクロス検出回路を電力変換回路に使用した実施例においては、従来のカレントトランスを使用して信号を検出する方式に比べて、電力変換回路の回路効率を90%から93%へ向上させることができた。
2 全波整流器
3 電力変換回路
7 直流電源回路
11 電力変換制御回路
12 ゼロクロス検出回路
AC 交流電源
La 放電灯
ZD1 ツェナーダイオード
L1、L2 インダクタ
C1、C3、C4 平滑コンデンサ
C2 電解コンデンサ
C11 検出用コンデンサ
Claims (6)
- 交流電圧を全波整流し、放電灯に対して並列接続された電解コンデンサを介して、該放電灯に点灯電流を供給する放電灯点灯装置において、
前記電解コンデンサの正極に向けて全波整流後の整流電流を供給するインダクタおよびダイオードの直列回路、および、前記インダクタおよびダイオードの接続点と前記電解コンデンサの負極とを結んで前記電解コンデンサに対して並列に接続されたスイッチング素子を有して、該スイッチング素子のオンオフ駆動で前記電解コンデンサを充電するように構成された充電手段と、
前記スイッチング素子のオンオフ駆動を制御する制御手段と、
前記スイッチング素子の両端子間の電圧に基づいてオン切換のタイミング信号を生成して前記制御手段に送るゼロクロス検出手段と、
を備え、
前記スイッチング素子のドレイン側端子が、前記インダクタおよびダイオードの接続点と結ばれ、前記スイッチング素子のソース側端子が、前記電解コンデンサの負極と結ばれており、
前記ゼロクロス検出手段は、前記スイッチング素子の両端子に対して並列に接続された検出用コンデンサを有し、
オフ状態で前記インダクタを流れる電流が零になるタイミングで、前記スイッチング素子のドレイン−ソース間の出力容量と前記インダクタとが共振を起こして、前記スイッチング素子のドレイン電圧が低下した場合に、前記検出用コンデンサが該ドレイン電圧の変化部分を強調して取り出して、オン切換のタイミング信号を生成することを特徴とする放電灯点灯装置。 - 交流電圧を全波整流する整流回路と、該整流回路の両出力端に接続される電解コンデンサと、該電解コンデンサからの直流電流を放電灯の点灯電流に変換して供給する電力変換回路とを備える放電灯点灯装置において、
前記電解コンデンサの正極には放電灯の一方の電極が接続され、
前記電力変換回路は、
前記放電灯の他方の電極と前記電解コンデンサの負極とを結ぶインダクタおよびスイッチング素子の直列回路と、オフ状態でインダクタからの電流を放電灯経由で該インダクタに回送するため、放電灯と前記インダクタの直列回路の両端を結ぶダイオードとを有して、前記スイッチング素子のオンオフ駆動で該電解コンデンサからの直流電流を放電灯の点灯電流に変換するとともに、
前記スイッチング素子のオンオフ駆動を制御する制御手段と、
前記スイッチング素子の両端子間の電圧に基づいてオン切換のタイミング信号を生成して前記制御手段に送るゼロクロス検出手段と、
を備え、
前記スイッチング素子のドレイン側端子が、前記インダクタおよびダイオードの接続点と結ばれ、前記スイッチング素子のソース側端子が、前記電解コンデンサの負極と結ばれており、
前記ゼロクロス検出手段は、前記スイッチング素子の両端子に並列に接続された検出用コンデンサを有し、
オフ状態で前記インダクタを流れる電流が零になるタイミングで、前記スイッチング素子のドレイン−ソース間の出力容量と前記インダクタとが共振を起こして、前記スイッチング素子のドレイン電圧が低下した場合に、前記検出用コンデンサが該ドレイン電圧の変化部分を強調して取り出して、オン切換のタイミング信号を生成することを特徴とする放電灯点灯装置。 - 請求項2記載の放電灯点灯装置において、
前記電力変換回路は、ハーフブリッジ方式またはフルブリッジ方式でスイッチング動作するように構成され、
前記ゼロクロス検出手段は、前記電解コンデンサの負極側に一端が接続されたグランドレベル側のスイッチング素子の両端子間の電圧から、オン切換のタイミング信号を生成することを特徴とする放電灯点灯装置。 - 請求項1から3のいずれかに記載の放電灯点灯装置において、
前記ゼロクロス検出手段は、前記スイッチング素子の両端子に並列に接続された検出用コンデンサおよび検出用抵抗器のCR直列回路を有し、
オフ状態で前記インダクタを流れる電流が零になるタイミングで、前記スイッチング素子のドレイン−ソース間の出力容量と前記インダクタとが共振を起こして、前記スイッチング素子のドレイン電圧が低下した場合に、前記検出用コンデンサが該ドレイン電圧の変化部分を取り出し、前記検出用抵抗器の電圧がオン切換のタイミング信号として前記制御手段に送られることを特徴とする放電灯点灯装置。 - 請求項4記載の放電灯点灯装置において、
前記ゼロクロス検出手段の検出用抵抗器は、複数の抵抗器の直列接続により構成され、該複数の抵抗器によって分圧された電圧をオン切換のタイミング信号として前記制御手段に送ることを特徴とする放電灯点灯装置。 - 請求項4または5記載の放電灯点灯装置において、
前記ゼロクロス検出手段は、前記検出用抵抗器の両端子に並列に接続されたツェナーダイオードを有し、該ツェナーダイオードを介して前記検出用抵抗器の電圧をオン切換のタイミング信号として前記制御手段に送ることを特徴とする放電灯点灯装置。
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