JP3952563B2 - 放電ランプの駆動回路 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放電ランプの駆動回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高輝度放電（ＨＩＤ）ランプ、とくにパルス始動式のメタルハライド放電（ＭＨＤ）ランプでは、始動パルスに厳しい要求がある。ランプメーカによって指定されている始動パルスのピーク値は、メーカによって異なるとは言え、一般に大きいものである。たとえば、フィリップスライティング（Philips Lighting）は、確実に始動させるために、図１１に示す始動パルスのピーク値Ｖｐｋを３．３ｋＶより大きくするよう指定している。始動パルスはピーク値Ｖｐｋだけではく、パルス幅Ｗｐも十分な大きさ（一般に１．５〜２．５μ秒）が必要である。
【０００３】
電子安定器において必要な始動パルスを発生させるごく一般的手段は、コンデンサを充電し、次にパルストランスの１次側に放電電流を流すことである。パルストランスの１次側に対する２次側の巻数比は、一般に１００より大きくしてある。したがって、２次側には非常に大きな電圧が発生する。この電圧が放電ランプの両端間に印加されアークを発生させる。ランプメーカの指定する要求を満足させる始動パルスを発生させるために、インダクタ、抵抗、コンデンサのような他の種々の構成要素が用いられる。始動回路はランプ寿命に影響するから、始動回路の設計は安定器において非常に重要なことである。パルスのピーク値についての要求を満たすのは比較的容易であるが、パルス幅についての要求を満たすのは容易ではない。ピーク値が大きいと始動回路のトランスにストレスがかかるから、トランスの絶縁と構造とは特別なものにしなければならない。しかも、１次回路におけるピーク電流は１５〜２０Ａにも達することがある。パルスのピーク値およびパルス幅に対する要求によって、始動回路のコストが増大する。
【０００４】
さらに、グローからアークへの移行は無負荷電圧（放電ランプを接続していない状態での出力電圧）により決まるから、図１２に示すように、パルス始動を行なうには無負荷電圧（Ｖｏｃ）の最小値にも条件がある。ほとんどの放電ランプは交流で動作するように設計されているから、始動パルスを印加した後、電圧極性が反転するまでの時間Ｔｒは重要である。始動パルスから極性反転までの時間Ｔｒが短すぎると、グローからアークへの移行が完全に行なわれずにアークが消えてしまう。このように時間Ｔｒには最小限度があるから、始動期間に放電ランプの両端に印加する電圧の周波数を十分に低く（２０〜３０Ｈｚ）しなければならず、また放電ランプが始動した後にはそれより高く（１５０〜２００Ｈｚ）しなければならない。つまり、制御回路にも特別なものが要求される。
【０００５】
一般的なパルス始動回路では、接続線の容量成分により始動回路の性能が低下する。そこで、接続線はできるだけ短くするのが普通である。米国特許第５，５１７，０８８号には接続線による始動性能の低下を抑制する構成が開示されている。
放電ランプを高周波（＞３０ｋＨｚ）で始動すると始動電圧のピーク値が下がる。高周波パルスをある期間与えることは、その期間に対応したパルス幅のパルスを与えることと等しいと考えられている。一方の極性のピークから他方の極性のピークに素早く極性を反転させると、ピーク電圧ではなくピーク−ピーク電圧が始動電圧になる。放電ランプに近接し接地した導体を設け、この導体と放電ランプの管内のアークとの間の容量成分により高周波の放電電流を流せば、必要なパルスのピーク値を低減させる一助になる。
【０００６】
パルスのピーク値を２．５ｋＶ以下に保つようにすれば、始動回路のトランスにかかるストレスは大幅に低減されることが経験的に知られている。さらに、安定器の端子間や始動回路のトランスの内部でのコロナ放電の危険が大幅に低減する。コロナ放電は、放電ランプが点灯せず安定器が放電ランプを始動しようとして高電圧パルスを印加し続けるときに発生するようになる。このような状態で生じるような問題をできるだけ少なくするために、所定時間（一般に２０分）後に安定器の動作を停止させる停止回路が必要である。高周波で始動すれば、パルスのピーク値が大幅に低減するから、照明装置の信頼性が高くなり、小型化かつ低価格化にもつながる。
【０００７】
蛍光灯においては、高周波で蛍光灯を動作させるために共振回路を用いるのが普通である。蛍光灯用の電子安定器では共振回路を用いることによってコストとサイズとが大幅に低減されている。また、直列共振回路では無負荷時に簡単に高電圧を発生させることができるから、共振回路によって始動を容易にすることができる。
【０００８】
ＨＩＤランプでは音響共鳴現象の問題があるから通常は高周波で動作させることができない。ある大手のランプメーカーは、ＨＩＤランプに対して特別に調整した高周波の安定器を提供している。この安定器は、高周波で放電ランプを始動する直列共振回路を使用している。また、ホワイトノイズによる変調を用いた新しい高周波技術が、テキサスＡ＆Ｍ大学でのラツロラスキ（Laszlo Laski）氏の最新の博士論文（「高周波放電灯の高周波安定化技術（High-Frequency ballasting Techniques For High-Intensity Discharge Lamps ）」，１９９４年）で説明されている。この技術も出力部に直列共振回路を使用している。この高周波技術は、非常に新しいものであるから、一般的な応用を保証するためのテストデータは十分に揃っていない。したがって、ＨＩＤランプ用の電子安定器では、一般に低周波の矩形波で動作させているのが現状である。
【０００９】
図１３に示すように、ＨＩＤランプ用の一般的な電子安定器では、３段階の電力変換を行なっている。交流電源３３からの１段目は力率補正用の昇圧部３２である。昇圧部３２では、安定器への入力電流の位相を交流電源３３の電圧位相と等しくし入力電流の歪みを増加させないようにしている。２段目は電力制御用の降圧部３４である。降圧部３４では、ランプ電力を安定化し、ウォームアップ期間のランプ電流を制限する。最終段はフルブリッジ型のインバータ３６であって、直流である降圧部３４の出力を放電ランプ４４に与える低周波交流矩形波に変換する。上述した各段階に加えて、始動パルスを発生させる始動回路３８が設けられる。また、安定器には図１４のように降圧部３４とインバータ３６とを組み合わせた降圧・インバータ部３９を備えるものもある。始動回路３８は、放電ランプの始動には必須である。
【００１０】
米国特許第４，９１２，３７４号には、図１５、図１６のように、高周波共振を用いて始動する回路が開示されている。この回路はハーフブリッジないしフルブリッジを用いて降圧部３４とインバータ３６とを結合させている。この構成は、電力制御用の降圧部３４が出力用のインバータ３６と結合されているものであるから、音響共鳴現象を防止するために、出力用のインダクタ２０と放電ランプ４４の両端間に接続されたコンデンサ２２とによって高周波成分を阻止し、ランプ電流に高周波成分がほとんど含まれないようにしなければならない。その結果、コンデンサ２２の容量が大きくなり、たとえば０．１μＦのオーダになる。この回路では放電ランプ４４を高周波と低周波とで交互に動作させている。いま、この回路を高周波で動作させ放電ランプ４４が消灯していると、インダクタ２０とコンデンサ２２とで構成されている共振回路は、放電ランプ４４を始動させるための高電圧を発生させる。共振回路の容量値は大きくインダクタ値は比較的小さいから、この回路では非常に大きな循環電流が流れる。このような大電流が流れると回路のあらゆる場所に大きなストレスをかけるから、すべての回路構成部品の電流容量を大きくしなければならない。放電ランプ４４の始動時には高周波動作になるから、スイッチング素子２４，２６を高周波駆動回路６２を介して駆動し、このとき放電ランプ４４に高周波電流が流れる。低周波動作時にはスイッチング素子２４，２６の動作パターンが変更され、この動作パターンではランプ電力が制御されランプ電流が制限される。この構成を採用すると制御回路が非常に複雑になり、また、回路構成部品の選択に相当の配慮が必要になる。
【００１１】
他の構成として、上述したものと同様の構成が特願昭６−２６２９４５号として出願されている。図１７に示すように、この構成では、出力制御機能および電流制限機能が上述した降圧部３４により実現されている。この回路が、米国特許第４，９１２，３７４号に開示されたものより優れている点は、コンデンサ２２の容量を大幅に低減することができ、したがって循環電流が比較的小さい点である。一方、この構成は、４個の高周波用のスイッチング素子２４，２６，２８，３０が必要であるとともに、スイッチング素子２４，２６，２８，３０を効率よく駆動するために、高価な高周波駆動回路６２ａ，６２ｂを用いてハイサイドのスイッチング素子２４，２８を駆動しなければならないという欠点がある。この構成においても、図１８のように、放電ランプ４４は高周波モードＨＦと低周波モードＬＦとで交互に動作する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成では、放電開始直後に放電ランプが高周波で動作している間、ランプ電流は電源として印加される直流電圧Ｖｄｃと、スイッチング素子２４，２６，２８，３０の動作周波数と、インダクタ２０の値によって決められている。直流電圧Ｖｄｃは、通常他の手段によって適宜に制御される。また、動作周波数は放電直後の高周波ランプ電流を制御するのに用いることができるが、この回路では高電圧を発生させるために共振点に近いところで動作するので、この動作周波数ではランプ電流を十分に制御することはできない。したがって、放電開始後の高周波動作中には十分な電流を放電ランプに流さなければならないから、インダクタ２０の値を小さくしなければならなくなる。また、スイッチング損失を小さく保つために、共振周波数は低く保たなければならない。インダクタ２０の値を小さくしなければならないから、共振周波数を高くしないために、コンデンサ２２の容量は大きくしなければならない。結局、これらの要求は循環電流を増加させる原因になる。そこで、折り合いをつけるために、インダクタンスを大きく設定し、放電直後の高周波動作中のランプ電流を所望値よりも引き下げることになるが、これでは光出力が低減する。
【００１３】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、始動電圧のピーク値を低減し、回路要素へのストレスを軽減し、しかもＨＩＤランプでも音響共鳴現象が生じないように点灯させることができる放電ランプの駆動回路を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、直流電圧が印加される入力接続部と、放電ランプが接続される出力接続部と、入力接続部と出力接続部とに接続され２個ずつ対として２個の直列回路を形成するようにブリッジ接続された４個のスイッチング素子を有したブリッジ回路と、始動期間に高周波を出力接続部から出力し放電ランプの始動後の定常点灯期間に低周波の交流動作電圧を放電ランプに供給するようにブリッジ回路を制御する制御回路とから構成されており、前記ブリッジ回路が、一方の直列回路を形成する２個のスイッチング素子を駆動する高周波駆動回路と、他方の直列回路を形成する２個のスイッチング素子を駆動する低周波駆動回路と、インダクタとコンデンサとを備えインダクタの一端が出力接続部の一端に接続されコンデンサの一端が前記一方の直列回路の一端に接続された共振回路とを含み、前記一方の直列回路を形成する２個のスイッチング素子の共通接続点と出力接続部の一端との間に共振回路が接続されるとともに、前記他方の直列回路を形成する２個のスイッチング素子の共通接続点と出力接続部の他端とが接続されており、前記制御回路が、始動期間には低周波駆動回路で２個のスイッチング素子の一方を連続的にオンにし他方を連続的にオフにした状態で高周波駆動回路で２個のスイッチング素子を高周波で交互にスイッチングすることにより前記ブリッジ回路をハーフブリッジとして動作させて出力接続部から高周波を出力させ、放電ランプの定常点灯期間には低周波駆動回路と高周波駆動回路とにより各直列回路のスイッチング素子を低周波で交互にスイッチングすることにより前記ブリッジ回路をフルブリッジとして動作させて出力接続部から低周波の交流電圧を出力させるものである。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記制御回路が、始動期間において出力接続部から出力する交流電圧の周波数を共振回路の共振周波数を含む範囲で掃引するものである。
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記コンデンサが、出力接続部のうちの一端に接続されているものである。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記コンデンサが、インダクタの巻線のタップに接続されているものである。
請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記制御回路が、始動期間において共振回路の共振周波数付近の周波数でブリッジ回路を駆動するものである。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項１の発明において、前記制御回路が、放電ランプが始動するまでの間だけ始動動作を行なうようにブリッジ回路を制御するものである。
【００２０】
請求項７の発明は、請求項６の発明において、前記制御回路が、始動期間において、ブリッジ回路を停止する状態とブリッジ回路を始動動作させる状態とを交互に繰り返すものである。
請求項８の発明は、請求項７の発明において、前記制御回路が、始動直後に放電ランプに直流的に電力を供給するものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本実施形態は、図２、図３に示すように、フルブリッジ型のインバータ回路と高周波始動回路とを組み合わせたインバータ・始動回路（以下、インバータと略称する）４２からＨＩＤランプである放電ランプ４４に点灯時には低周波電流を与えて音響共鳴現象を回避する。また、インバータ４２の前段側に昇圧部３２および降圧部３４が設けられるか、または電流制限・電力制御部（以下、電力制御部と略称する）４６が設けられ、放電ランプ４４の電力および電流が制限される。昇圧部３２や電力制御部４６には交流電源３３からの入力電流歪の増加を抑制し、力率を高く保つ機能がある。放電ランプ４４は高周波で点灯することがなく、したがって音響共鳴現象は生じない。
【００２３】
一方、インバータ４２は、インダクタとコンデンサとを直列接続した共振回路を備えており、共振回路の共振周波数に近い高周波で動作する。インバータ４２を構成するスイッチング素子はブリッジ接続されているが、高周波動作モードの期間にはハーフブリッジ型として動作する。放電ランプ４４は共振回路のコンデンサの両端間に接続される。このようなスイッチング制御を行なえば、高周波で動作するスイッチング素子は２個だけでよいから、高周波用のスイッチング素子の個数を減らすことができる。始動期間には高周波で動作するとはいえ、この回路では放電ランプ４４にアークが生じた後はランプ電流は直流的になり、高周波交流は流れない。アークが形成されると、放電ランプ４４は低周波交流で点灯する。この回路構成では、高周波動作モードでの循環電流ができるだけ小さくなるようにインダクタとコンデンサとの値が選択される。また、ランプ電流は、放電ランプ４４がアークを形成すると同時に前段側にある昇圧部３２および降圧部３４もしくは電力制御部４６によって所望値に制御される。この構成により部品にかかるストレスは大幅に低減される。
【００２４】
図１に本発明の回路の概略構成を示す。図１において５０は共振用のインダクタであり、５２は共振用のコンデンサであり、２４，２６，２８，３０はそれぞれダイオード５４，５６，５８，６０が逆並列に接続されたスイッチング素子である。これらのダイオード５４，５６，５８，６０は、スイッチング素子２４，２６，２８，３０に外付けしたり、寄生ダイオードを転用したりする。４個のスイッチング素子２４，２６，２８，３０は、ブリッジ回路を構成するように接続されている。また、インダクタ５０およびコンデンサ５２は直列共振回路を構成する。
【００２５】
ランプ電流は制限しなければならないが、インバータでは電流を制御しないから、直流電圧Ｖｄｃを印加する直流電源ライン５５の電流を制限しなければならない。ブリッジ回路はインダクタ５０（つまり、回路のＱ）を適当に設計し、周波数を適当に制御することによってある程度は過電流や過電圧に対して保護されている。それでも直流電源ライン５５の電流を制限しておくことによって、高周波モードで出力が短絡したとしてもブリッジ回路の構成部品を保護することができる。たいていのＨＩＤランプ用の安定器では、前段側の昇圧部３２、降圧部３４、電力制御部４６にこの機能がある。
【００２６】
放電ランプ４４の定常点灯時には、ブリッジ回路はフルブリッジとして動作する。すなわち、スイッチング素子２４，３０が一方の半サイクルの間に同時にオンになり、他方の半サイクルの間にはスイッチング素子２６，２８が同時にオンになる。このようにして低周波の矩形波交流電圧を放電ランプ４４の両端に印加することができる。直流電圧Ｖｄｃはつねにランプ電圧の関数であって、降圧部３４または電力制御部４６により制御される。インダクタ５０はランプ電流の高周波成分を除去するフィルタとして機能する。ランプ電流の高周波成分は、降圧部３４ないし電力制御部４６の出力電圧である直流電圧Ｖｄｃに含まれる高周波リップルにより生じる。共振回路の共振周波数は、定常点灯時の動作周波数に対して数桁程度高い。すなわち、コンデンサ５２の容量は非常に小さく、したがって、コンデンサ５２は回路の定常点灯に何の影響も与えない。
【００２７】
始動期間の動作は、定常点灯時の動作とは異なり、また既知の回路の動作とも異なる。図４に始動動作および定常動作のスイッチング素子２４，２６，２８，３０のゲートに印加する駆動信号波形を示す。スイッチング素子２４，２６の対またはスイッチング素子２８，３０の対はそれぞれ同時に導通することはない。同時に導通すると直流電源Ｖｄｃが短絡されるからである。また、始動期間における高周波動作モードでは、スイッチング素子３０は連続的にオンでありスイッチング素子２８は連続的にオフになっている。この間にスイッチング素子２４，２６は高周波でスイッチングされる。このような動作によって、フルブリッジの構成を用いながらハーフブリッジと同様に動作させることができる。このようなハーフブリッジの動作では、フルブリッジとして共振回路を動作させる場合にはない特徴がある。
【００２８】
第１に、２個のスイッチング素子２４，２６のみが高周波で動作するから、スイッチング素子２４，２６を高周波で駆動するための高周波駆動回路６２は１組だけあればよい（ハイサイドの高周波駆動回路は低周波駆動回路よりも大幅に高価である）。スイッチング素子２８，３０には高周波駆動回路は不要であり、スイッチング素子２８，３０は低周波駆動回路６４により駆動される。また、スイッチング素子２８，３０には低速のスイッチング素子を用いることができる（低速のスイッチング素子は一般に安価である）。
【００２９】
第２に、スイッチング素子２８，３０が低周波で動作するから、スイッチング素子２８，３０の駆動回路は構成が簡単になりコストも大幅に低減される。第３に、コンデンサ５２は放電ランプ４４の両端に接続する代わりに図１に示す位置に設けることができる。この構成によって、高周波動作モードでスイッチング素子３０に大きな循環電流が流れることがなくなる。このことは、図１７に示したフルブリッジの動作ではなし得ない。また、この構成によって、コンデンサ５２の両端電圧が共振動作により昇圧し、放電ランプ４４の両端電圧を昇圧することができる。インダクタ５０の出力端側の巻数をわずかに増やせば、出力電圧のピーク値を４００Ｖまでは容易に上昇させることができる。インダクタ５０をこのように構成することは適正な動作を行なうために必須のことではなく、図５に示すように、コンデンサ５２はインダクタ５０の一端に直結されていてもよい。
【００３０】
フルブリッジを高周波動作させ始動する場合とハーフブリッジを高周波動作させ始動する場合との主要な相違点として、始動後にまだ高周波モードである間に放電ランプ４４に流れる電流があげられる。フルブリッジの動作では、この電流は直流のオフセット成分を持たない交流になり、前記したように、その大きさは主としてインダクタ５０と直流電圧Ｖｄｃとにより決定され制限される。一方、図１に示した回路をハーフブリッジとして動作させると、ランプ電流は高周波リップル成分を重畳した直流になる。この直流電流の値は、前段側の降圧部３４あるいは電力制御部４６における電流制限により決定される。また、高周波リップル成分は、インダクタ５０と動作周波数と直流電圧Ｖｄｃとによって決定され、直流電流よりも小さい。前段側の降圧部３４あるいは電力制御部４６による電流の制限値は、放電ランプ４４を正常にウォームアップすること、およびアークを発生させるのに十分な電圧を発生させるために重要である。電流の制限値が小さすぎると、アークを発生させるのに十分な電圧を発生させることができず、アークを発生させることができたとしても、その電流では放電ランプ４４のウォームアップには少なすぎることになる。また、電流の制限値が大きすぎると、放電ランプ４４の寿命を縮め、また、出力が短絡されたときに回路部品に大きなストレスがかかることになる。
【００３１】
フルブリッジの動作での電流はインダクタ５０により限流され、同じ回路をハーフブリッジで動作させたときの直流電流値（前段側の降圧部３４による電流制限機能で制限される）に比較するとかなり小さいから、フルブリッジ動作におけるランプ電流の交流特性は不利になる。電流値をさらに小さくすると、電極を十分に速く加熱することができず、ランプ寿命に悪影響をおよぼす（これは、調光動作と同様である）。
【００３２】
高周波共振による始動は無負荷電圧に依存しない点でパルス始動回路よりも優れている。これは、放電ランプ４４の両端電圧自体がグローからアークへの移行を素早くスムーズに行なわせるように調節されるからである。つまり、グローの間にはランプインピーダンスは高く、したがって共振回路を無負荷にし、放電ランプ４４の両端電圧を上昇させるＱを大きくする。一方、定常点灯でアークが生じている間にはランプインピーダンスは低く共振回路のＱを引き下げて放電ランプ４４の両端電圧を低下させる。
【００３３】
さらに、図１に示した回路は、ケーブルの浮遊容量を共振回路のコンデンサ５２の両端間にうまく位置させている点でパルス始動回路よりも優れている。このことによって、共振周波数には多少の影響があるが、パルス始動回路によって性能が低下するほどには性能の低下は生じない。
前述したように、始動期間には、ブリッジ回路の一方のアームは高周波で動作し、他方のアームはフルブリッジの構成を持ちながらハーフブリッジとして動作するように制御される（図１、図４参照）。最大電圧ゲインを得るための動作周波数は、理想的には共振回路の共振周波数ｆｘ＝１／｛２π（ＬｘＣｘ）1/2 ｝（ただし、Ｌｘはインダクタ５０のインダクタンス、Ｃｘはコンデンサ５２の容量）になる。しかしながら、構成部品には許容誤差があるから、ある種の帰還を用いなければ、このような設定は実現することができない。
【００３４】
そこで、高周波動作モードでの周波数を一定に保たずに、図６（ａ）に示すように、共振点ｆ０を通るような所定の範囲Ｄｆに亙って掃引することにより、放電ランプ４４の両端に高いピーク電圧が印加されるようにしている。その後、高周波動作モードの残りの期間は、周波数を所定の最小値ｆ1 に保ち、放電ランプ４４の印加電圧を所定の最小値に維持する。いま、設計値として共振周波数ｆ0 を５０ｋＨｚに設定するものとする。ここで、インダクタ５０とコンデンサ５２とはそれぞれ±５％の誤差の許容誤差があるから共振周波数ｆ0 が±５％はずれる。つまり、実際の共振回路の共振周波数ｆ0 は５２．５ｋＨｚ〜４７．５ｋＨｚの間になる。周波数発生源の許容誤差を±５％として、周波数の掃引を６０ｋＨｚから開始する。掃引時間ｔは１００ｍ秒程度に設定される。このように設定するのは、掃引によって共振点を通過し、しかも掃引開始からなるべく短い時間で共振点に達するようにするためである。掃引終了時の周波数ｆ1 は実験的に約４６ｋＨｚに設定され、高周波動作の残りの期間はその値に保たれる。図６（ａ）はスイッチング周波数の時間変化を示し、図６（ｂ）は無負荷電圧の時間変化を示している。
【００３５】
高周波動作モードにおける無負荷電圧は、共振回路の共振周波数と、共振回路のＱと、掃引終了時の周波数とにより決まる。この回路では、掃引終了時の無負荷電圧Ｖとして少なくとも１．２〜１．５ｋＶが確保されるように設計しなければならない。また、無負荷電圧のピーク値Ｖｐｋは、インダクタ５０のコアの飽和特性と、インダクタ５０の鉄損および銅損（共振回路のＱ）との関数であり、また、前段側に設けた降圧部３４の電流容量や安定度にも関係している。ピーク値Ｖｐｋとしては、２〜２．２５ｋＶが望ましい。
【００３６】
図６に示した特性は実験的に決定したものである。また、放電ランプ４４が始動しにくい場合には、掃引終了時の電圧Ｖを引き上げたり、掃引終了後の時間Ｔを延長したりすることが有効であるという知見が得られている。掃引終了時の電圧が低すぎるときにはピーク値Ｖｐｋを高くするのは好ましくない。また、時間Ｔの最適値は４００〜６００ｍ秒の間にあるという知見が得られている。低周波動作モード（図示例では１８０Ｈｚ）に切り換わる前に放電ランプ４４が安定状態になる（グローからアークに移行する）には十分な時間が必要である。しかしながら、この時間が長すぎると、放電ランプ４４に流れる直流電流によってランプ寿命に悪影響がある。回路構成を複雑にしないために、高周波動作モードはオープンループで行なわれる。つまり、放電ランプ４４にアークが生じても、所定時間は高周波動作を継続し、共振回路の共振周波数に一致させるように周波数を制御することはない。
【００３７】
高周波動作モードが長すぎると、回路構成部品（スイッチング素子２４，２６、インダクタ５０、コンデンサ５２）にストレスがかかるから、時間Ｔの最大値には制約がある。共振点付近では、循環電流がかなり大きくなり、インダクタ５０およびコンデンサ５２には同時に高い電圧がかかる。また、高周波動作モードの期間の大部分は共振点以下の周波数で動作するが、共振点以下の周波数になると、スイッチング素子２４，２６は厳しい条件でスイッチングを行なうことになる。さらにまた、放電ランプ４４が１回の始動動作で始動しない場合は（つまり、前回の動作後でまだ温かい場合や、古くなって始動しにくい場合）、少なくとも２０分間は放電ランプ４４を始動させる動作を継続しなければならない。したがって、この回路では高周波動作モードを繰り返さなければならない。図１に示す制御回路６８では、放電ランプ４４の始動を早めるために電源投入直後の１０〜１５秒間は約１．５秒毎に始動させる動作を行なうように設計されている。それでも、放電ランプ４４が始動しなければ、その後の約２０分間は４〜４．５秒毎に始動させる動作を行なう。放電ランプ４４が約２０分で点灯しなければ、動作を停止し、再始動まで電力を消費しないようにすべきである。
【００３８】
図７に上述の動作手順を示す。また、図８に電源投入直後の実際の回路電圧を示す。実際の制御はごく簡単なものである。放電ランプ４４の点灯・消灯の状態は、インバータの入力部における直流電源ライン５５の電圧によって容易に検出することができる。放電ランプ４４が消灯していればこの電圧は一般に２００〜３００Ｖと高く、放電ランプ４４が点灯していれば放電ランプ４４の始動時点で２０Ｖ、定常点灯時に８０〜１１５Ｖとかなり低くなる。ランプ電圧は経年的に増大するから、直流電源ライン５５の電圧１５０Ｖ以上であるときに放電ランプ４４が消灯していると判断する。制御回路６８は、放電ランプ４４の消灯を検出すると上述した高周波での始動動作を開始し、放電ランプ４４が点灯すると高周波動作を停止する。
【００３９】
たいていの場合、高周波の始動電圧を印加してから１００〜３００ｍ秒後に放電ランプ４４は始動する。放電ランプ４４には、始動電圧が低く始動のための時間も短いものがある。図９はこのような放電ランプ４４を用いた場合のランプ電圧とランプ電流とを示す。また、図１０（ａ）にランプ電流の実例を示し、図１０（ｂ）には高周波動作モードでの始動から低周波動作モードでの定常点灯への移行の様子を時間軸を拡大して示してある。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の構成によれば、ＨＩＤランプの始動回路が簡単になるという利点がある。とくに、高周波始動技術を用いることにより始動電圧のピーク値を低減させることができ、大きな循環電流により回路要素にかかるストレスが軽減されるという利点がある。さらに、定常点灯時は放電ランプを高周波で点灯させないから、音響共鳴現象が生じないものである。また、始動期間には高周波で動作しながらもランプ電流は直流的になり、定常点灯期間には放電ランプは低周波交流で点灯する構成を採用していることにより、高周波で駆動するための高周波駆動回路は一方の直列回路に対してのみ設ければよいから、両方の直列回路に高周波駆動回路を採用する場合よりもコストの低減が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す回路図である。
【図２】同上を用いるＨＩＤランプ用の電子安定器のブロック図である。
【図３】同上のＨＩＤランプ用の他の電子安定器のブロック図である。
【図４】同上における始動期間と定常点灯時との動作説明図である。
【図５】他の構成例を示す回路図である。
【図６】同上の動作説明図である。
【図７】同上の動作説明図である。
【図８】同上の動作説明図である。
【図９】同上の動作説明図である。
【図１０】同上の動作説明図である。
【図１１】従来構成における始動パルスを示す動作説明図である。
【図１２】従来構成の動作説明図である。
【図１３】従来におけるＨＩＤランプ用の電子安定器を示すブロック図である。
【図１４】従来におけるＨＩＤランプ用の電子安定器を示すブロック図である。
【図１５】従来例を示す回路図である。
【図１６】従来例を示す他の回路図である。
【図１７】他の従来構成を示す回路図である。
【図１８】同上の動作説明図である。
【符号の説明】
２４，２６，２８，３０ スイッチング素子
４４ 放電ランプ
５０ インダクタ
５２ コンデンサ
５５ 電圧供給ライン
６２ 高周波駆動回路
６４ 低周波駆動回路
６８ 制御回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、放電ランプの駆動回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高輝度放電（ＨＩＤ）ランプ、とくにパルス始動式のメタルハライド放電（ＭＨＤ）ランプでは、始動パルスに厳しい要求がある。ランプメーカによって指定されている始動パルスのピーク値は、メーカによって異なるとは言え、一般に大きいものである。たとえば、フィリップスライティング（Philips Lighting）は、確実に始動させるために、図１１に示す始動パルスのピーク値Ｖｐｋを３．３ｋＶより大きくするよう指定している。始動パルスはピーク値Ｖｐｋだけではく、パルス幅Ｗｐも十分な大きさ（一般に１．５〜２．５μ秒）が必要である。
【０００３】
電子安定器において必要な始動パルスを発生させるごく一般的手段は、コンデンサを充電し、次にパルストランスの１次側に放電電流を流すことである。パルストランスの１次側に対する２次側の巻数比は、一般に１００より大きくしてある。したがって、２次側には非常に大きな電圧が発生する。この電圧が放電ランプの両端間に印加されアークを発生させる。ランプメーカの指定する要求を満足させる始動パルスを発生させるために、インダクタ、抵抗、コンデンサのような他の種々の構成要素が用いられる。始動回路はランプ寿命に影響するから、始動回路の設計は安定器において非常に重要なことである。パルスのピーク値についての要求を満たすのは比較的容易であるが、パルス幅についての要求を満たすのは容易ではない。ピーク値が大きいと始動回路のトランスにストレスがかかるから、トランスの絶縁と構造とは特別なものにしなければならない。しかも、１次回路におけるピーク電流は１５〜２０Ａにも達することがある。パルスのピーク値およびパルス幅に対する要求によって、始動回路のコストが増大する。
【０００４】
さらに、グローからアークへの移行は無負荷電圧（放電ランプを接続していない状態での出力電圧）により決まるから、図１２に示すように、パルス始動を行なうには無負荷電圧（Ｖｏｃ）の最小値にも条件がある。ほとんどの放電ランプは交流で動作するように設計されているから、始動パルスを印加した後、電圧極性が反転するまでの時間Ｔｒは重要である。始動パルスから極性反転までの時間Ｔｒが短すぎると、グローからアークへの移行が完全に行なわれずにアークが消えてしまう。このように時間Ｔｒには最小限度があるから、始動期間に放電ランプの両端に印加する電圧の周波数を十分に低く（２０〜３０Ｈｚ）しなければならず、また放電ランプが始動した後にはそれより高く（１５０〜２００Ｈｚ）しなければならない。つまり、制御回路にも特別なものが要求される。
【０００５】
一般的なパルス始動回路では、接続線の容量成分により始動回路の性能が低下する。そこで、接続線はできるだけ短くするのが普通である。米国特許第５，５１７，０８８号には接続線による始動性能の低下を抑制する構成が開示されている。
放電ランプを高周波（＞３０ｋＨｚ）で始動すると始動電圧のピーク値が下がる。高周波パルスをある期間与えることは、その期間に対応したパルス幅のパルスを与えることと等しいと考えられている。一方の極性のピークから他方の極性のピークに素早く極性を反転させると、ピーク電圧ではなくピーク−ピーク電圧が始動電圧になる。放電ランプに近接し接地した導体を設け、この導体と放電ランプの管内のアークとの間の容量成分により高周波の放電電流を流せば、必要なパルスのピーク値を低減させる一助になる。
【０００６】
パルスのピーク値を２．５ｋＶ以下に保つようにすれば、始動回路のトランスにかかるストレスは大幅に低減されることが経験的に知られている。さらに、安定器の端子間や始動回路のトランスの内部でのコロナ放電の危険が大幅に低減する。コロナ放電は、放電ランプが点灯せず安定器が放電ランプを始動しようとして高電圧パルスを印加し続けるときに発生するようになる。このような状態で生じるような問題をできるだけ少なくするために、所定時間（一般に２０分）後に安定器の動作を停止させる停止回路が必要である。高周波で始動すれば、パルスのピーク値が大幅に低減するから、照明装置の信頼性が高くなり、小型化かつ低価格化にもつながる。
【０００７】
蛍光灯においては、高周波で蛍光灯を動作させるために共振回路を用いるのが普通である。蛍光灯用の電子安定器では共振回路を用いることによってコストとサイズとが大幅に低減されている。また、直列共振回路では無負荷時に簡単に高電圧を発生させることができるから、共振回路によって始動を容易にすることができる。
【０００８】
ＨＩＤランプでは音響共鳴現象の問題があるから通常は高周波で動作させることができない。ある大手のランプメーカーは、ＨＩＤランプに対して特別に調整した高周波の安定器を提供している。この安定器は、高周波で放電ランプを始動する直列共振回路を使用している。また、ホワイトノイズによる変調を用いた新しい高周波技術が、テキサスＡ＆Ｍ大学でのラツロラスキ（Laszlo Laski）氏の最新の博士論文（「高周波放電灯の高周波安定化技術（High-Frequency ballasting Techniques For High-Intensity Discharge Lamps ）」，１９９４年）で説明されている。この技術も出力部に直列共振回路を使用している。この高周波技術は、非常に新しいものであるから、一般的な応用を保証するためのテストデータは十分に揃っていない。したがって、ＨＩＤランプ用の電子安定器では、一般に低周波の矩形波で動作させているのが現状である。
【０００９】
図１３に示すように、ＨＩＤランプ用の一般的な電子安定器では、３段階の電力変換を行なっている。交流電源３３からの１段目は力率補正用の昇圧部３２である。昇圧部３２では、安定器への入力電流の位相を交流電源３３の電圧位相と等しくし入力電流の歪みを増加させないようにしている。２段目は電力制御用の降圧部３４である。降圧部３４では、ランプ電力を安定化し、ウォームアップ期間のランプ電流を制限する。最終段はフルブリッジ型のインバータ３６であって、直流である降圧部３４の出力を放電ランプ４４に与える低周波交流矩形波に変換する。上述した各段階に加えて、始動パルスを発生させる始動回路３８が設けられる。また、安定器には図１４のように降圧部３４とインバータ３６とを組み合わせた降圧・インバータ部３９を備えるものもある。始動回路３８は、放電ランプの始動には必須である。
【００１０】
米国特許第４，９１２，３７４号には、図１５、図１６のように、高周波共振を用いて始動する回路が開示されている。この回路はハーフブリッジないしフルブリッジを用いて降圧部３４とインバータ３６とを結合させている。この構成は、電力制御用の降圧部３４が出力用のインバータ３６と結合されているものであるから、音響共鳴現象を防止するために、出力用のインダクタ２０と放電ランプ４４の両端間に接続されたコンデンサ２２とによって高周波成分を阻止し、ランプ電流に高周波成分がほとんど含まれないようにしなければならない。その結果、コンデンサ２２の容量が大きくなり、たとえば０．１μＦのオーダになる。この回路では放電ランプ４４を高周波と低周波とで交互に動作させている。いま、この回路を高周波で動作させ放電ランプ４４が消灯していると、インダクタ２０とコンデンサ２２とで構成されている共振回路は、放電ランプ４４を始動させるための高電圧を発生させる。共振回路の容量値は大きくインダクタ値は比較的小さいから、この回路では非常に大きな循環電流が流れる。このような大電流が流れると回路のあらゆる場所に大きなストレスをかけるから、すべての回路構成部品の電流容量を大きくしなければならない。放電ランプ４４の始動時には高周波動作になるから、スイッチング素子２４，２６を高周波駆動回路６２を介して駆動し、このとき放電ランプ４４に高周波電流が流れる。低周波動作時にはスイッチング素子２４，２６の動作パターンが変更され、この動作パターンではランプ電力が制御されランプ電流が制限される。この構成を採用すると制御回路が非常に複雑になり、また、回路構成部品の選択に相当の配慮が必要になる。
【００１１】
他の構成として、上述したものと同様の構成が特願昭６−２６２９４５号として出願されている。図１７に示すように、この構成では、出力制御機能および電流制限機能が上述した降圧部３４により実現されている。この回路が、米国特許第４，９１２，３７４号に開示されたものより優れている点は、コンデンサ２２の容量を大幅に低減することができ、したがって循環電流が比較的小さい点である。一方、この構成は、４個の高周波用のスイッチング素子２４，２６，２８，３０が必要であるとともに、スイッチング素子２４，２６，２８，３０を効率よく駆動するために、高価な高周波駆動回路６２ａ，６２ｂを用いてハイサイドのスイッチング素子２４，２８を駆動しなければならないという欠点がある。この構成においても、図１８のように、放電ランプ４４は高周波モードＨＦと低周波モードＬＦとで交互に動作する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成では、放電開始直後に放電ランプが高周波で動作している間、ランプ電流は電源として印加される直流電圧Ｖｄｃと、スイッチング素子２４，２６，２８，３０の動作周波数と、インダクタ２０の値によって決められている。直流電圧Ｖｄｃは、通常他の手段によって適宜に制御される。また、動作周波数は放電直後の高周波ランプ電流を制御するのに用いることができるが、この回路では高電圧を発生させるために共振点に近いところで動作するので、この動作周波数ではランプ電流を十分に制御することはできない。したがって、放電開始後の高周波動作中には十分な電流を放電ランプに流さなければならないから、インダクタ２０の値を小さくしなければならなくなる。また、スイッチング損失を小さく保つために、共振周波数は低く保たなければならない。インダクタ２０の値を小さくしなければならないから、共振周波数を高くしないために、コンデンサ２２の容量は大きくしなければならない。結局、これらの要求は循環電流を増加させる原因になる。そこで、折り合いをつけるために、インダクタンスを大きく設定し、放電直後の高周波動作中のランプ電流を所望値よりも引き下げることになるが、これでは光出力が低減する。
【００１３】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、始動電圧のピーク値を低減し、回路要素へのストレスを軽減し、しかもＨＩＤランプでも音響共鳴現象が生じないように点灯させることができる放電ランプの駆動回路を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、直流電圧が印加される入力接続部と、放電ランプが接続される出力接続部と、入力接続部と出力接続部とに接続され２個ずつ対として２個の直列回路を形成するようにブリッジ接続された４個のスイッチング素子を有したブリッジ回路と、始動期間に高周波を出力接続部から出力し放電ランプの始動後の定常点灯期間に低周波の交流動作電圧を放電ランプに供給するようにブリッジ回路を制御する制御回路とから構成されており、前記ブリッジ回路が、一方の直列回路を形成する２個のスイッチング素子を駆動する高周波駆動回路と、他方の直列回路を形成する２個のスイッチング素子を駆動する低周波駆動回路と、インダクタとコンデンサとを備えインダクタの一端が出力接続部の一端に接続されコンデンサの一端が前記一方の直列回路の一端に接続された共振回路とを含み、前記一方の直列回路を形成する２個のスイッチング素子の共通接続点と出力接続部の一端との間に共振回路が接続されるとともに、前記他方の直列回路を形成する２個のスイッチング素子の共通接続点と出力接続部の他端とが接続されており、前記制御回路が、始動期間には低周波駆動回路で２個のスイッチング素子の一方を連続的にオンにし他方を連続的にオフにした状態で高周波駆動回路で２個のスイッチング素子を高周波で交互にスイッチングすることにより前記ブリッジ回路をハーフブリッジとして動作させて出力接続部から高周波を出力させ、放電ランプの定常点灯期間には低周波駆動回路と高周波駆動回路とにより各直列回路のスイッチング素子を低周波で交互にスイッチングすることにより前記ブリッジ回路をフルブリッジとして動作させて出力接続部から低周波の交流電圧を出力させるものである。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記制御回路が、始動期間において出力接続部から出力する交流電圧の周波数を共振回路の共振周波数を含む範囲で掃引するものである。
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記コンデンサが、出力接続部のうちの一端に接続されているものである。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記コンデンサが、インダクタの巻線のタップに接続されているものである。
請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記制御回路が、始動期間において共振回路の共振周波数付近の周波数でブリッジ回路を駆動するものである。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項１の発明において、前記制御回路が、放電ランプが始動するまでの間だけ始動動作を行なうようにブリッジ回路を制御するものである。
【００２０】
請求項７の発明は、請求項６の発明において、前記制御回路が、始動期間において、ブリッジ回路を停止する状態とブリッジ回路を始動動作させる状態とを交互に繰り返すものである。
請求項８の発明は、請求項７の発明において、前記制御回路が、始動直後に放電ランプに直流的に電力を供給するものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本実施形態は、図２、図３に示すように、フルブリッジ型のインバータ回路と高周波始動回路とを組み合わせたインバータ・始動回路（以下、インバータと略称する）４２からＨＩＤランプである放電ランプ４４に点灯時には低周波電流を与えて音響共鳴現象を回避する。また、インバータ４２の前段側に昇圧部３２および降圧部３４が設けられるか、または電流制限・電力制御部（以下、電力制御部と略称する）４６が設けられ、放電ランプ４４の電力および電流が制限される。昇圧部３２や電力制御部４６には交流電源３３からの入力電流歪の増加を抑制し、力率を高く保つ機能がある。放電ランプ４４は高周波で点灯することがなく、したがって音響共鳴現象は生じない。
【００２３】
一方、インバータ４２は、インダクタとコンデンサとを直列接続した共振回路を備えており、共振回路の共振周波数に近い高周波で動作する。インバータ４２を構成するスイッチング素子はブリッジ接続されているが、高周波動作モードの期間にはハーフブリッジ型として動作する。放電ランプ４４は共振回路のコンデンサの両端間に接続される。このようなスイッチング制御を行なえば、高周波で動作するスイッチング素子は２個だけでよいから、高周波用のスイッチング素子の個数を減らすことができる。始動期間には高周波で動作するとはいえ、この回路では放電ランプ４４にアークが生じた後はランプ電流は直流的になり、高周波交流は流れない。アークが形成されると、放電ランプ４４は低周波交流で点灯する。この回路構成では、高周波動作モードでの循環電流ができるだけ小さくなるようにインダクタとコンデンサとの値が選択される。また、ランプ電流は、放電ランプ４４がアークを形成すると同時に前段側にある昇圧部３２および降圧部３４もしくは電力制御部４６によって所望値に制御される。この構成により部品にかかるストレスは大幅に低減される。
【００２４】
図１に本発明の回路の概略構成を示す。図１において５０は共振用のインダクタであり、５２は共振用のコンデンサであり、２４，２６，２８，３０はそれぞれダイオード５４，５６，５８，６０が逆並列に接続されたスイッチング素子である。これらのダイオード５４，５６，５８，６０は、スイッチング素子２４，２６，２８，３０に外付けしたり、寄生ダイオードを転用したりする。４個のスイッチング素子２４，２６，２８，３０は、ブリッジ回路を構成するように接続されている。また、インダクタ５０およびコンデンサ５２は直列共振回路を構成する。
【００２５】
ランプ電流は制限しなければならないが、インバータでは電流を制御しないから、直流電圧Ｖｄｃを印加する直流電源ライン５５の電流を制限しなければならない。ブリッジ回路はインダクタ５０（つまり、回路のＱ）を適当に設計し、周波数を適当に制御することによってある程度は過電流や過電圧に対して保護されている。それでも直流電源ライン５５の電流を制限しておくことによって、高周波モードで出力が短絡したとしてもブリッジ回路の構成部品を保護することができる。たいていのＨＩＤランプ用の安定器では、前段側の昇圧部３２、降圧部３４、電力制御部４６にこの機能がある。
【００２６】
放電ランプ４４の定常点灯時には、ブリッジ回路はフルブリッジとして動作する。すなわち、スイッチング素子２４，３０が一方の半サイクルの間に同時にオンになり、他方の半サイクルの間にはスイッチング素子２６，２８が同時にオンになる。このようにして低周波の矩形波交流電圧を放電ランプ４４の両端に印加することができる。直流電圧Ｖｄｃはつねにランプ電圧の関数であって、降圧部３４または電力制御部４６により制御される。インダクタ５０はランプ電流の高周波成分を除去するフィルタとして機能する。ランプ電流の高周波成分は、降圧部３４ないし電力制御部４６の出力電圧である直流電圧Ｖｄｃに含まれる高周波リップルにより生じる。共振回路の共振周波数は、定常点灯時の動作周波数に対して数桁程度高い。すなわち、コンデンサ５２の容量は非常に小さく、したがって、コンデンサ５２は回路の定常点灯に何の影響も与えない。
【００２７】
始動期間の動作は、定常点灯時の動作とは異なり、また既知の回路の動作とも異なる。図４に始動動作および定常動作のスイッチング素子２４，２６，２８，３０のゲートに印加する駆動信号波形を示す。スイッチング素子２４，２６の対またはスイッチング素子２８，３０の対はそれぞれ同時に導通することはない。同時に導通すると直流電源Ｖｄｃが短絡されるからである。また、始動期間における高周波動作モードでは、スイッチング素子３０は連続的にオンでありスイッチング素子２８は連続的にオフになっている。この間にスイッチング素子２４，２６は高周波でスイッチングされる。このような動作によって、フルブリッジの構成を用いながらハーフブリッジと同様に動作させることができる。このようなハーフブリッジの動作では、フルブリッジとして共振回路を動作させる場合にはない特徴がある。
【００２８】
第１に、２個のスイッチング素子２４，２６のみが高周波で動作するから、スイッチング素子２４，２６を高周波で駆動するための高周波駆動回路６２は１組だけあればよい（ハイサイドの高周波駆動回路は低周波駆動回路よりも大幅に高価である）。スイッチング素子２８，３０には高周波駆動回路は不要であり、スイッチング素子２８，３０は低周波駆動回路６４により駆動される。また、スイッチング素子２８，３０には低速のスイッチング素子を用いることができる（低速のスイッチング素子は一般に安価である）。
【００２９】
第２に、スイッチング素子２８，３０が低周波で動作するから、スイッチング素子２８，３０の駆動回路は構成が簡単になりコストも大幅に低減される。第３に、コンデンサ５２は放電ランプ４４の両端に接続する代わりに図１に示す位置に設けることができる。この構成によって、高周波動作モードでスイッチング素子３０に大きな循環電流が流れることがなくなる。このことは、図１７に示したフルブリッジの動作ではなし得ない。また、この構成によって、コンデンサ５２の両端電圧が共振動作により昇圧し、放電ランプ４４の両端電圧を昇圧することができる。インダクタ５０の出力端側の巻数をわずかに増やせば、出力電圧のピーク値を４００Ｖまでは容易に上昇させることができる。インダクタ５０をこのように構成することは適正な動作を行なうために必須のことではなく、図５に示すように、コンデンサ５２はインダクタ５０の一端に直結されていてもよい。
【００３０】
フルブリッジを高周波動作させ始動する場合とハーフブリッジを高周波動作させ始動する場合との主要な相違点として、始動後にまだ高周波モードである間に放電ランプ４４に流れる電流があげられる。フルブリッジの動作では、この電流は直流のオフセット成分を持たない交流になり、前記したように、その大きさは主としてインダクタ５０と直流電圧Ｖｄｃとにより決定され制限される。一方、図１に示した回路をハーフブリッジとして動作させると、ランプ電流は高周波リップル成分を重畳した直流になる。この直流電流の値は、前段側の降圧部３４あるいは電力制御部４６における電流制限により決定される。また、高周波リップル成分は、インダクタ５０と動作周波数と直流電圧Ｖｄｃとによって決定され、直流電流よりも小さい。前段側の降圧部３４あるいは電力制御部４６による電流の制限値は、放電ランプ４４を正常にウォームアップすること、およびアークを発生させるのに十分な電圧を発生させるために重要である。電流の制限値が小さすぎると、アークを発生させるのに十分な電圧を発生させることができず、アークを発生させることができたとしても、その電流では放電ランプ４４のウォームアップには少なすぎることになる。また、電流の制限値が大きすぎると、放電ランプ４４の寿命を縮め、また、出力が短絡されたときに回路部品に大きなストレスがかかることになる。
【００３１】
フルブリッジの動作での電流はインダクタ５０により限流され、同じ回路をハーフブリッジで動作させたときの直流電流値（前段側の降圧部３４による電流制限機能で制限される）に比較するとかなり小さいから、フルブリッジ動作におけるランプ電流の交流特性は不利になる。電流値をさらに小さくすると、電極を十分に速く加熱することができず、ランプ寿命に悪影響をおよぼす（これは、調光動作と同様である）。
【００３２】
高周波共振による始動は無負荷電圧に依存しない点でパルス始動回路よりも優れている。これは、放電ランプ４４の両端電圧自体がグローからアークへの移行を素早くスムーズに行なわせるように調節されるからである。つまり、グローの間にはランプインピーダンスは高く、したがって共振回路を無負荷にし、放電ランプ４４の両端電圧を上昇させるＱを大きくする。一方、定常点灯でアークが生じている間にはランプインピーダンスは低く共振回路のＱを引き下げて放電ランプ４４の両端電圧を低下させる。
【００３３】
さらに、図１に示した回路は、ケーブルの浮遊容量を共振回路のコンデンサ５２の両端間にうまく位置させている点でパルス始動回路よりも優れている。このことによって、共振周波数には多少の影響があるが、パルス始動回路によって性能が低下するほどには性能の低下は生じない。
前述したように、始動期間には、ブリッジ回路の一方のアームは高周波で動作し、他方のアームはフルブリッジの構成を持ちながらハーフブリッジとして動作するように制御される（図１、図４参照）。最大電圧ゲインを得るための動作周波数は、理想的には共振回路の共振周波数ｆｘ＝１／｛２π（ＬｘＣｘ）1/2 ｝（ただし、Ｌｘはインダクタ５０のインダクタンス、Ｃｘはコンデンサ５２の容量）になる。しかしながら、構成部品には許容誤差があるから、ある種の帰還を用いなければ、このような設定は実現することができない。
【００３４】
そこで、高周波動作モードでの周波数を一定に保たずに、図６（ａ）に示すように、共振点ｆ０を通るような所定の範囲Ｄｆに亙って掃引することにより、放電ランプ４４の両端に高いピーク電圧が印加されるようにしている。その後、高周波動作モードの残りの期間は、周波数を所定の最小値ｆ1 に保ち、放電ランプ４４の印加電圧を所定の最小値に維持する。いま、設計値として共振周波数ｆ0 を５０ｋＨｚに設定するものとする。ここで、インダクタ５０とコンデンサ５２とはそれぞれ±５％の誤差の許容誤差があるから共振周波数ｆ0 が±５％はずれる。つまり、実際の共振回路の共振周波数ｆ0 は５２．５ｋＨｚ〜４７．５ｋＨｚの間になる。周波数発生源の許容誤差を±５％として、周波数の掃引を６０ｋＨｚから開始する。掃引時間ｔは１００ｍ秒程度に設定される。このように設定するのは、掃引によって共振点を通過し、しかも掃引開始からなるべく短い時間で共振点に達するようにするためである。掃引終了時の周波数ｆ1 は実験的に約４６ｋＨｚに設定され、高周波動作の残りの期間はその値に保たれる。図６（ａ）はスイッチング周波数の時間変化を示し、図６（ｂ）は無負荷電圧の時間変化を示している。
【００３５】
高周波動作モードにおける無負荷電圧は、共振回路の共振周波数と、共振回路のＱと、掃引終了時の周波数とにより決まる。この回路では、掃引終了時の無負荷電圧Ｖとして少なくとも１．２〜１．５ｋＶが確保されるように設計しなければならない。また、無負荷電圧のピーク値Ｖｐｋは、インダクタ５０のコアの飽和特性と、インダクタ５０の鉄損および銅損（共振回路のＱ）との関数であり、また、前段側に設けた降圧部３４の電流容量や安定度にも関係している。ピーク値Ｖｐｋとしては、２〜２．２５ｋＶが望ましい。
【００３６】
図６に示した特性は実験的に決定したものである。また、放電ランプ４４が始動しにくい場合には、掃引終了時の電圧Ｖを引き上げたり、掃引終了後の時間Ｔを延長したりすることが有効であるという知見が得られている。掃引終了時の電圧が低すぎるときにはピーク値Ｖｐｋを高くするのは好ましくない。また、時間Ｔの最適値は４００〜６００ｍ秒の間にあるという知見が得られている。低周波動作モード（図示例では１８０Ｈｚ）に切り換わる前に放電ランプ４４が安定状態になる（グローからアークに移行する）には十分な時間が必要である。しかしながら、この時間が長すぎると、放電ランプ４４に流れる直流電流によってランプ寿命に悪影響がある。回路構成を複雑にしないために、高周波動作モードはオープンループで行なわれる。つまり、放電ランプ４４にアークが生じても、所定時間は高周波動作を継続し、共振回路の共振周波数に一致させるように周波数を制御することはない。
【００３７】
高周波動作モードが長すぎると、回路構成部品（スイッチング素子２４，２６、インダクタ５０、コンデンサ５２）にストレスがかかるから、時間Ｔの最大値には制約がある。共振点付近では、循環電流がかなり大きくなり、インダクタ５０およびコンデンサ５２には同時に高い電圧がかかる。また、高周波動作モードの期間の大部分は共振点以下の周波数で動作するが、共振点以下の周波数になると、スイッチング素子２４，２６は厳しい条件でスイッチングを行なうことになる。さらにまた、放電ランプ４４が１回の始動動作で始動しない場合は（つまり、前回の動作後でまだ温かい場合や、古くなって始動しにくい場合）、少なくとも２０分間は放電ランプ４４を始動させる動作を継続しなければならない。したがって、この回路では高周波動作モードを繰り返さなければならない。図１に示す制御回路６８では、放電ランプ４４の始動を早めるために電源投入直後の１０〜１５秒間は約１．５秒毎に始動させる動作を行なうように設計されている。それでも、放電ランプ４４が始動しなければ、その後の約２０分間は４〜４．５秒毎に始動させる動作を行なう。放電ランプ４４が約２０分で点灯しなければ、動作を停止し、再始動まで電力を消費しないようにすべきである。
【００３８】
図７に上述の動作手順を示す。また、図８に電源投入直後の実際の回路電圧を示す。実際の制御はごく簡単なものである。放電ランプ４４の点灯・消灯の状態は、インバータの入力部における直流電源ライン５５の電圧によって容易に検出することができる。放電ランプ４４が消灯していればこの電圧は一般に２００〜３００Ｖと高く、放電ランプ４４が点灯していれば放電ランプ４４の始動時点で２０Ｖ、定常点灯時に８０〜１１５Ｖとかなり低くなる。ランプ電圧は経年的に増大するから、直流電源ライン５５の電圧１５０Ｖ以上であるときに放電ランプ４４が消灯していると判断する。制御回路６８は、放電ランプ４４の消灯を検出すると上述した高周波での始動動作を開始し、放電ランプ４４が点灯すると高周波動作を停止する。
【００３９】
たいていの場合、高周波の始動電圧を印加してから１００〜３００ｍ秒後に放電ランプ４４は始動する。放電ランプ４４には、始動電圧が低く始動のための時間も短いものがある。図９はこのような放電ランプ４４を用いた場合のランプ電圧とランプ電流とを示す。また、図１０（ａ）にランプ電流の実例を示し、図１０（ｂ）には高周波動作モードでの始動から低周波動作モードでの定常点灯への移行の様子を時間軸を拡大して示してある。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の構成によれば、ＨＩＤランプの始動回路が簡単になるという利点がある。とくに、高周波始動技術を用いることにより始動電圧のピーク値を低減させることができ、大きな循環電流により回路要素にかかるストレスが軽減されるという利点がある。さらに、定常点灯時は放電ランプを高周波で点灯させないから、音響共鳴現象が生じないものである。また、始動期間には高周波で動作しながらもランプ電流は直流的になり、定常点灯期間には放電ランプは低周波交流で点灯する構成を採用していることにより、高周波で駆動するための高周波駆動回路は一方の直列回路に対してのみ設ければよいから、両方の直列回路に高周波駆動回路を採用する場合よりもコストの低減が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す回路図である。
【図２】同上を用いるＨＩＤランプ用の電子安定器のブロック図である。
【図３】同上のＨＩＤランプ用の他の電子安定器のブロック図である。
【図４】同上における始動期間と定常点灯時との動作説明図である。
【図５】他の構成例を示す回路図である。
【図６】同上の動作説明図である。
【図７】同上の動作説明図である。
【図８】同上の動作説明図である。
【図９】同上の動作説明図である。
【図１０】同上の動作説明図である。
【図１１】従来構成における始動パルスを示す動作説明図である。
【図１２】従来構成の動作説明図である。
【図１３】従来におけるＨＩＤランプ用の電子安定器を示すブロック図である。
【図１４】従来におけるＨＩＤランプ用の電子安定器を示すブロック図である。
【図１５】従来例を示す回路図である。
【図１６】従来例を示す他の回路図である。
【図１７】他の従来構成を示す回路図である。
【図１８】同上の動作説明図である。
【符号の説明】
２４，２６，２８，３０ スイッチング素子
４４ 放電ランプ
５０ インダクタ
５２ コンデンサ
５５ 電圧供給ライン
６２ 高周波駆動回路
６４ 低周波駆動回路
６８ 制御回路
Claims (8)
- 直流電圧が印加される入力接続部と、放電ランプが接続される出力接続部と、入力接続部と出力接続部とに接続され２個ずつ対として２個の直列回路を形成するようにブリッジ接続された４個のスイッチング素子を有したブリッジ回路と、始動期間に高周波を出力接続部から出力し放電ランプの始動後の定常点灯期間に低周波の交流動作電圧を放電ランプに供給するようにブリッジ回路を制御する制御回路とから構成されており、前記ブリッジ回路は、一方の直列回路を形成する２個のスイッチング素子を駆動する高周波駆動回路と、他方の直列回路を形成する２個のスイッチング素子を駆動する低周波駆動回路と、インダクタとコンデンサとを備えインダクタの一端が出力接続部の一端に接続されコンデンサの一端が前記一方の直列回路の一端に接続された共振回路とを含み、前記一方の直列回路を形成する２個のスイッチング素子の共通接続点と出力接続部の一端との間に共振回路が接続されるとともに、前記他方の直列回路を形成する２個のスイッチング素子の共通接続点と出力接続部の他端とが接続されており、前記制御回路は、始動期間には低周波駆動回路で２個のスイッチング素子の一方を連続的にオンにし他方を連続的にオフにした状態で高周波駆動回路で２個のスイッチング素子を高周波で交互にスイッチングすることにより前記ブリッジ回路をハーフブリッジとして動作させて出力接続部から高周波を出力させ、放電ランプの定常点灯期間には低周波駆動回路と高周波駆動回路とにより各直列回路のスイッチング素子を低周波で交互にスイッチングすることにより前記ブリッジ回路をフルブリッジとして動作させて出力接続部から低周波の交流電圧を出力させることを特徴とする放電ランプの駆動回路。
- 前記制御回路は、始動期間において出力接続部から出力する交流電圧の周波数を共振回路の共振周波数を含む範囲で掃引することを特徴とする請求項１記載の放電ランプの駆動回路。
- 前記コンデンサは、出力接続部のうちの一端に接続されていることを特徴とする請求項１記載の放電ランプの駆動回路。
- 前記コンデンサは、インダクタの巻線のタップに接続されていることを特徴とする請求項１記載の放電ランプの駆動回路。
- 前記制御回路は、始動期間において共振回路の共振周波数付近の周波数でブリッジ回路を駆動することを特徴とする請求項１記載の放電ランプの駆動回路。
- 前記制御回路は、放電ランプが始動するまでの間だけ始動動作を行なうようにブリッジ回路を制御することを特徴とする請求項１記載の放電ランプの駆動回路。
- 前記制御回路は、始動期間において、ブリッジ回路を停止する状態とブリッジ回路を始動動作させる状態とを交互に繰り返すことを特徴とする請求項６記載の放電ランプの駆動回路。
- 前記制御回路は、始動直後に放電ランプに直流的に電力を供給することを特徴とする請求項７記載の放電ランプの駆動回路。
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