(57)【要約】本発明は、ガス放電ランプを灯用する装置に関し、該装置は、放電ランプに電力を供給するスイッチモード電源回路であって、少なくともレール電圧供給用のレールラインと第１スイッチング素子と第２スイッチング素子と前記スイッチング素子間にあって放電ランプに電流を供給する出力ノードとを有するハーフブリッジ又はフルブリッジコミュテーティングフォワードコンバータを具るスイッチモード電源と、コンバータ電流を表す信号を得るための電流測定回路とを具える。前記電流測定回路は、レールと出力ノードとの間の第１位置において前記電流を検知する第１電流センス回路と、出力ノードと大地との間の第２位置において前記電流を検知する第２電流センス回路とを具える。本発明はガス放電ランプを点灯する方法及び電子バラストにも関する。
2005538504.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス放電ランプ点灯用の電子バラストにおいて、該電子バラストは、
前記放電ランプに電力を供給するスイッチモード電源（ＳＭＰＳ）回路であって、少なくともレール電圧供給用のレールラインと第１スイッチング素子と第２スイッチング素子と前記スイッチング素子間にあって放電ランプに電流を供給する出力ノードとを有するハーフブリッジ又はフルブリッジコミュテーティングフォワードコンバータを具るスイッチモード電源回路と、
コンバータ電流を表す信号を得るための電流測定回路とを具え、
前記電流測定回路は、前記レールラインと前記出力ノードとの間の第１位置において前記電流を検知する第１電流センス回路と、出力ノードと大地との間の第２位置において前記電流を検知する第２電流センス回路とを具えることを特徴とする電子バラスト。
【請求項２】
前記第１センス回路は前記第１位置に接続された一次巻線を有する第１電流変成器を具え、前記第２センス回路は前記第２位置に接続された一次巻線を有する第２電流変成器を具え、前記第１及び第２電流変成器の二次巻線は前記コンバータ電流を表す合成信号を得るために直列接続されていることを特徴とする請求項１記載の電子バラスト。
【請求項３】
前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子のゲート及び前記電流測定回路に接続され前記コンバータ電流を表す前記信号に基づいて前記スイッチング素子のスイッチングを制御するゲート駆動回路を具えることを特徴とする請求項１又は２記載の電子バラスト。
【請求項４】
レール電圧供給用のレールラインに接続することができ且つ第１スイッチング素子と第２スイッチング素子と前記スイッチング素子間にあって放電ランプに電流を供給する出力ノードとを具えたコミュテーティングフォワードコンバータにより放電ランプに供給される電流を測定する装置であって、該装置は前記レールラインと前記出力ノードとの間の第１位置において前記電流を検知する第１電流センス回路と、出力ノードと大地との間の第２位置において前記電流を検知する第２電流センス回路とを具えていることを特徴とする放電ランプを流れる電流を測定する装置。
【請求項５】
前記第１センス回路は前記第１位置に接続された一次巻線を有する第１電流変成器を具え、前記第２センス回路は前記第２位置に接続された一次巻線を有する第２電流変成器を具え、前記第１及び第２電流変成器の二次巻線は前記コンバータ電流を表す合成信号を得るために直列接続されていることを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項６】
少なくともレール電圧供給用のレールラインと第１スイッチング素子と第２スイッチング素子と前記スイッチング素子間にあってガス放電ランプに電流を供給する出力ノードとを具えたコミュテーティングフォワードコンバータによりガス放電ランプに供給される電流を測定する方法において、
前記レールラインと前記出力ノードとの間の第１位置において前記コンバータの電流を検知して第１出力信号を与えるステップと、
前記出力ノードと大地との間の第２位置において前記コンバータの電流を検知して第２出力信号を与えるステップと、
前記第１及び第２出力信号を加算して前記コンバータ電流を表す第３出力信号を与えるステップと、
を具えることを特徴とする放電ランプを流れる電流を測定する方法。
【請求項７】
前記第１出力信号が第１位置で測定される電流であり、前記第２出力信号が第２位置で測定される電流であり、且つ前記第３出力信号が第１位置で測定された電流と第２位置で同時に測定された電流の和であることを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
請求項１−３の何れかに記載の電子バラスト又は請求項４−５の何れかに記載の装置に適用される請求項６又は７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、ガス放電ランプを流れる電流を測定する装置及び方法に関する。本願発明はガス放電ランプを点灯するための電子バラスト（安定器）にも関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の電力制御装置又はバラストは蛍光灯のような放電ランプに供給される電力を制御するために広く使用されている。バラストは、例えば放電ランプの予熱及び点弧を最適にするため、放電ランプへの電力を選択された光強度に維持するべく一定に維持するため又は放電ランプの出力を固定で可調整のレベルに調光するために使用することができる。
【０００３】
最近の電子バラストは供給電圧(代表的には幹線電圧)と放電ランプとの間に接続されたスイッチモード電源（ＳＭＰＳ）を具える。３段バラスト回路では、スイッチモード電源の第１段はアップコンバータと組み合わされたプレコンディショナ、例えば幹線電圧（２３０Ｖ，５０Ｈｚ，１相）を整流する全波整流器（double rectifier）、を具える。第２段は、出力電流を安定化するために、フォワード又はバックコンバータとも呼ばれるダウンコンバータ（ＤＣ−ＤＣコンバータ）を具える。バラスト回路の第３段はランプの矩形波電流点灯を実現するためにコミュテータブリッジとイグナイタを具える。２段バラスト技術では、ダウンコンバータとコミュテータブリッジがハーフブリッジコミュテーティングフォワードト（ＨＢＣＦ）又はフルブリッジコミュテーティングフォワード（ＨＢＣＦ）トポロジと置換される。
【０００４】
ハーフブリッジコミュテーティングフォワード（ＨＢＣＦ）回路はフルブリッジコミュテーティングフォワード回路（ＦＢＣＦ）回路の一部を直列の２つの（電解）ブリッジキャパシタと置換したものに相当する。このトポロジのバラストはアップコンバータをダブルダウンコンバータとして作用するハーフブリッジと組み合わせて具える。ランプ点灯用のこの２段バラストトポロジは比較的簡単で比較的安価である。
【０００５】
ランプに供給される電力の制御は、種々のランプパラメータ、例えばコミュテーティングフォワードコイル素子（ＨＢＣＦコイル又はＦＢＣＦコイル）を流れる実際の電流の測定の結果に基づくものとし得る。このコンバータ電流はランプを流れる実際の電流の測定値として使用することができる。ＨＢＣＦ／ＦＢＣＦコイル電流又はコンバータ電流の測定は種々の方法で実行することができるが、これらの方法の各々はいくつかの欠点を有する。
【０００６】
コンバータ電流を測定する方法の一つは、シャント電流を用いるものであり、例えばＨＢＣＦコイルと直列にセンス抵抗を接続する。センス抵抗の両端間の電圧を差動増幅器で測定する。センス抵抗を流れる電流、従って実際のコンバータ電流（即ちＨＢＣＦコイルを流れる電流）はセンス抵抗の既知の抵抗値から測定することができる。しかし、この方法の１つの欠点は、高仕様の演算増幅器、即ち高いコモンモード除去比を有する演算増幅器を必要とし、バラストのコスト増大をもたらす点にある。更に、センス抵抗の挿入により生ずる損失を最小にするためにセンス抵抗の抵抗値をできるだけ小さくする必要があるために、増幅器で測定される信号はかなり小さい値になる。この小さい信号値は低い信号対雑音比をもたらす。
【０００７】
コンバータ電流を測定する他の方法は電流変成器を用いるものであり、例えばＨＢＣＦコイルと直列に電流変成器の一次巻線を接続する。この場合には、変成器の二次巻線がコンバータ電流に比例する信号を供給する。しかし、この方法の欠点の１つは、電流信号の高周波数成分のみならず低周波数成分も転送する必要がある点にある。そして、低周波数成分、即ち低周波数コミュテーション信号の転送を保障するためには、比較的大きな変成器が必要とされる。
【０００８】
更に、放電ランプの非対称電流動作を検出できない。ランプの開始フェーズ中及び／又はランプの寿命終了（ＥＯＬ）時においては、ランプ動作が不規則になり、上述したコミュテーティングフォワード回路の非対称ランプ負荷が生起しうる。例えば、ランプはスイッチモード電源のデューティサイクルの１つの半周期において導通し、他の半周期において非導通になりうる。得られるＤＣ成分は上述のフルブリッジコミュテーティングフォワード回路において測定することはできない。上述のハーフブリッジコミュテーティングフォワード回路においては、ハーフブリッジの非対称負荷は直列ブリッジキャパシタ回路の中点電圧のドリフトを生じ、即ち第１及び第２ブリッジキャパシタ間の接続端の電圧が増大又は減少する。この電圧ドリフトの結果として、ブリッジキャパシタの最大電圧定格が超過され、バラストが損傷されることになる。
【０００９】
本願発明の目的は、上述の欠点を生じない、コンバータ電流の測定定装置及び方法並びに電子バラストを提供することにある。
【発明の開示】
【００１０】
本発明の第１の特徴によれば、レール電圧供給用のレールラインに接続することができ且つ第１スイッチング素子と第２スイッチング素子と前記スイッチング素子間にあって放電ランプに電流を供給する出力ノードとを具えたコミュテーティングフォワードコンバータにより放電ランプに供給される電流を測定する装置において、上記の目的を達成するために、当該装置は、レールと出力ノードとの間の第１位置において前記電流を検知する第１電流センス回路と、出力ノードと大地との間の第２位置において前記電流を検知する第２電流センス回路とを具えるものとする。
【００１１】
ブリッジの上半部の位置とブリッジの下半部の位置の２つの位置で電流を検知することにより、電流信号の高周波数成分(代表的には３０ｋＨｚ−２５０ｋＨｚ)のみを測定するだけでよくなる。コミュテーティング周波数(代表的には５０−４００Ｈｚ)のような低周波数成分の検知は省略することができる。その結果比較的小さい電流変成器の使用が可能になり、その総合容積が前述した単電流変成器方法の総合容積より小さくなる。更に、ハーフブリッジアプリケーションの場合には、非対称動作を検出することができる。これにより、電源の制御回路が、中間点電圧及び従ってブリッジキャパシタの両端間の電圧を安全な値に補正すべくスイッチング素子のデューティサイクルを調整することが可能になる。フルブリッジアプリケーションの場合にもＤＣ成分を検出することができる。
【００１２】
更に、この測定方法による電力損失は前述した電流シャント方法で生ずる損失と比較して低い。また、出力信号を更に増幅する必要もなく、雑音や妨害問題も回避される。
【００１３】
好適実施例では、第１センス回路は前記第１位置に接続された一次巻線を有する第１電流変成器を具え、第２センス回路は前記第２位置に接続された一次巻線を有する第２電流変成器を具え、第１及び第２電流変成器の二次巻線はコンバータ電流を表す合成信号を得るために直列に接続する。
【００１４】
本発明の他の特徴によれば、ガス放電ランプ点灯用の電子バラストにおいて、該バラストは、
前記放電ランプに電力を供給するスイッチモード電源（ＳＭＰＳ）回路であって、少なくともレール電圧供給用のレールラインと第１スイッチング素子と第２スイッチング素子と前記スイッチング素子間にあって放電ランプに電流を供給する出力ノードとを有するハーフブリッジ又はフルブリッジコミュテーティングフォワードコンバータを具るスイッチモード電源回路と、
コンバータ電流を表す信号を得るための電流測定回路とを具え、
前記電流測定回路は、レールと出力ノードとの間の第１位置において前記電流を検知する第１電流センス回路と、出力ノードと大地との間の第２位置において前記電流を検知する第２電流センス回路とを具えるものとする。
【００１５】
好適実施例では、前記バラストは、前記第１スイッチング素子と第２スイッチング素子のゲート及び前記電流測定回路に接続され前記コンバータ電流を表す前記信号に基づいて前記スイッチング素子のスイッチングを制御するゲート制御回路を具える。コンバータ電流を表す前記信号は前記制御回路に帰還され、該制御回路がスイッチモード電源のスイッチ素子のデューティサイクルを制御する。スイッチング素子のデューティサイクルは前記制御回路が前記信号に基づいて調整することができる。
【００１６】
本発明の更に他の特徴によれば、少なくともレール電圧供給用のレールラインと第１スイッチング素子と第２スイッチング素子と前記スイッチング素子間にあってガス放電ランプに電流を供給する出力ノードとを具えたコミュテーティングフォワードコンバータによりガス放電ランプに供給される電流を測定する方法において、
レールと出力ノードとの間の第１位置において前記コンバータの電流を検知して第１出力信号を与えるステップと、
出力ノードと大地との間の第２位置において前記コンバータの電流を検知して第２出力信号を与えるステップと、
前記第１及び第２出力信号を加算して前記コンバータ電流を表す第３出力信号を与えるステップとを具える。
【００１７】
前記第１出力信号が第１位置で測定される電流であり、前記第２出力信号が第２位置で測定される電流であり、且つ前記第３出力信号が第１位置で測定された電流と第２位置で同時に測定された電流の和である場合、ＨＢＣＦコイルを流れる電流の測定値が得られる。この電流はランプを流れる電流の尺度である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は高輝度放電ランプ（ＬＡ）用の２段バラストを示す。このバラストの第１段（Ｉ）は、ＡＣ供給電圧（代表的には２３０Ｖ５０Ｈｚ幹線電圧）をＤＣ供給電圧に変換する整流器２とＤＣ供給電圧を昇圧するブーストコンバータ３とを具える。図１はブーストコンバータ又はアップコンバータの代表的なトポロジを示す。ブーストコンバータ自体はインダクタ（Ｌboost）とスイッチング素子（Ｔ）とダイオード（Ｄ）からなる。
【００１９】
図１に示すバラストの第２段（II）は、ダブルダウンコンバータとして作用するハーフブリッジコミュテーティングフォワード（ＨＢＣＦ）回路を具える。ＨＢＣＦ回路は、第１ＭＯＳＦＥＴ  Ｔ１、第２ＭＯＳＦＥＴ  Ｔ２、第１及び第２(内部)本体ダイオードＤ１及びＤ２、ランプと直列のインダクタＬhbcf、ランプと並列に接続されたランプキャパシタＣｒ及び直列接続の２つの電解ブリッジキャパシタＣs1及びＣs2を具える。ハーフブリッジコミュテーティングフォワード回路はゼロ電圧スイッチングを可能にすべく臨界的な不連続モードで動作する。各半コミュテーション周期（ほぼ１００Ｈｚ程度のコミュテーション周波数）ごとに、一方のＭＯＳＦＥＴ（第１ＭＯＳＦＥＴ  Ｔ１又は第２ＭＯＳＦＥＴ  Ｔ２）が他方のＭＯＳＦＥＴのダイオード（Ｄ２又はＤ１）と一緒に動作する。ＭＯＳＦＥＴのスイッチングは、図１に略図示されているように、デューティサイクル制御回路により実行される。この制御回路はハーフブリッジコミュテーティングフォワード回路のデューティサイクルを制御する。この制御は、本発明に従って測定されるコンバータ電流又は少なくとも該コンバータ電流を表す信号に依存させることができる。
【００２０】
第１電流変成器ＣＴ１の一次巻線をレールラインと第１ＭＯＳＦＥＴ  Ｔ１との間に接続する。この電流変成器はMOSFETＴ１と２つのＭＯＳＦＥＴ  Ｔ１及びＴ２間の出力ノードとの間に接続することもできる。第２電流変成器ＣＴ２の一次巻線を第２MOSFETＴ２と大地との間又は出力ノードと第２ＭＯＳＦＥＴ  Ｔ２との間に接続する。第１及び第２電流変成器の二次巻線は直列に接続する。
【００２１】
図２及び図３はハーフブリッジコミュテーティングフォワード回路の上部内の第１変成器ＣＴ１のコアを流れる電流及びハーフブリッジコミュテーティングフォワード回路の下部内の第２変成器ＣＴ２のコアを流れる電流の測定値を示す。図２は実際上３つの信号を示している。信号Ａは上部ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１）に属する第１電流変成器ＣＴ１の時間応答を示し、信号Ｂは下部ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ２）に属する第２電流変成器ＣＴ２の時間応答である。信号Ｃは時間の関数として実際のコンバータ電流を示す。図の左側部分は第１コミュテーション半周期を示し、右側部分は第２(次の)コミュテーション半周期を示す。
【００２２】
図２から、変成器コアを流れる電流の高周波数成分のみが良好に転送され、低周波数(コミュテーション)周波数成分は急速に減衰すること明らかである。図３において、信号Ｄは信号Ｂに信号Ａが加えられた信号に等しい信号である。弱い低周波数応答及び平均値の影響が相殺されることが明らかになる。得られる電流信号Ｄは明確なゼロ及びピーク電流情報を与えるものである。この情報は、コンバータ電流の動作及び従ってランプ電流を評価するのに使用することができる。その結果得られる電流信号を用いてより純粋なＡＣランプ点灯を確実にすることができる。
【００２３】
電流信号の低周波数部分は急速に減衰するが、比較的小さな電流変成器は、図２の信号Ａ及びＢから導かれるように、依然として電流信号の低周波数部分の僅かな転送を示す。特に、信号Ｂは、コミュテーション後にゼロレベルが「ゼロ軸」へゆっくり近づく。電流信号の低周波数部分は数個の高周波数周期後には既に消失する。図３の信号Ｄを生ずる上述した電流変成器の二次巻線の直列接続は次の利点を有する。
【００２４】
両変成器の僅かな低周波数転送は互いに打ち消しあい、出力信号（Ｃ）に影響を与えない。このことは、変成器の低周波数転送性能が無関係になることを意味する。信号Ａ及びＢの低周波数成分の上記の相殺を改善するために、両変成器の低周波数応答がほぼ一致するように両変成器を選択する。
【００２５】
他の利点は、得られる信号Ｄ（図３）は単極性即ち整流されている点にある。コミュテーティングフォワードコンバータが電流（図３の信号Ｅ）を送出する方向（正又は負）にかかわらず、電流の最大値は正になる。従って、電流変成器の二次側に接続されるピーク電流検出回路は正の最大値のみを検出するだけでよい。また、ゼロ交差の場合には、フランク(信号側面)が常に負フランクからゼロを経て正フランクになる。
【００２６】
図４は高輝度放電ランプ（ＬＡ）用の２段バラストの他の実施例を示し、その第１段（Ｉ）は図１に示すバラストに対応する。本例のバラストの第２段（II）はフルブリッジコミュテーティングフォワード（ＦＢＣＦ）トポリジを示す。ＦＢＣＦ回路は、第１ＭＯＳＦＥＴ  Ｔ１、第２ＭＯＳＦＥＴ  Ｔ２、第３ＭＯＳＦＥＴ  Ｔ３、第４ＭＯＳＦＥＴ  Ｔ４、第１、第２、第３及び第４(内部)本体ダイオードＤ１−Ｄ４、ランプと直列のインダクタＬhbcf、ランプと並列に接続されたランプキャパシタＣｒ及び第３及び第４ＭＯＳＦＥＴに並列の１つの電解ブリッジキャパシタＣsを具える。フルブリッジコミュテーティングフォワード回路はゼロ電圧スイッチングを可能にすべく臨界的な不連続モードで動作する。図１に示すバラストと同様に、第１電流変成器ＣＴ１の一次巻線がレールラインと第１ＭＯＳＦＥＴ  Ｔ１との間又は出力ノードと第１ＭＯＳＦＥＴ  Ｔ１との間に接続される。第２電流変成器ＣＴ２の一次巻線が第２MOSFETＴ２と大地との間又は出力ノードと第２ＭＯＳＦＥＴ  Ｔ２との間に接続される。第１及び第２電流変成器の二次巻線は直列に接続される。第１変成器から導出された信号と第２変成器から導出された信号の組合せはコンバータ電流を表す信号を与える。
【００２７】
ＭＯＳＦＥＴを流れる実際のピーク電流が上述の電流変成器によって各高周波数周期中に測定されるため、電流は低周波数電流の正サイクル部分においても負サイクル部分においても常に同一になる。従って、ＤＣ成分（正及び負の低周波数サイクル部分間の振幅差）は起こり得ない。
【００２８】
本発明は上述した好適実施例にのみ限定されず、本発明の範囲内において多くの変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１の好適実施例による電子バラストの概略回路図を示す。
【図２】上部スイッチング素子の電流信号、下部スイッチング素子の電流信号及びコンバータ電流のグラフである。
【図３】上部及び下部スイッチング素子の合成電流信号及びコンバータ電流のグラフである。
【図４】本発明の第２の好適実施例による電子バラストの概略回路図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
2005538504.tif 000007
2005538504.tif 000008