(57)【要約】【課題】大容量のコンデンサを電源としてキセノンランプに電流を投入する点灯回路において、ランプ始動時のオーバーシュートを抑制制御する。  【解決手段】キセノンランプを点灯するための点灯回路において、充電回路（２００）、及び充電回路の充電電圧を受けて制限されたランプ電流をキセノンランプに投入する電流制限回路（３００）を備え、電流制限回路が、スイッチング動作によってランプ電流を制限するスイッチング回路、スイッチング回路を駆動するドライバ回路、ランプ電流を検出して検出値が入力設定値に等しくなるようにドライバ回路を動作させるフィードバック回路、及び入力設定値を制御するＣＰＵからなり、入力設定値が、ランプの始動期間における第１の設定値、及び始動期間に続く安定点灯期間における第２の設定値からなり、第１の設定値の平均値が第２の設定値よりも低くなるように構成した。【選択図】図１
2011192418.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
キセノンランプを点灯するための点灯回路であって、
充電回路（２００）、及び前記充電回路の充電電圧を受けて制限されたランプ電流を前記キセノンランプに投入する電流制限回路（３００）を備え、
前記電流制限回路が、
スイッチング動作によって前記ランプ電流を制限するスイッチング回路、
前記スイッチング回路を駆動するドライバ回路、
前記ランプ電流を検出して検出値が入力設定値に等しくなるように前記ドライバ回路を動作させるフィードバック回路、及び
前記入力設定値を制御するＣＰＵ
からなり、
前記入力設定値が、ランプの始動期間における第１の設定値、及び該始動期間に続く安定点灯期間における第２の設定値からなり、該第１の設定値の平均値が該第２の設定値よりも低いことを特徴とする点灯回路。
【請求項２】
キセノンランプを点灯するための点灯回路であって、
充電回路（２００）、及び前記充電回路の充電電圧を受けて制限されたランプ電流を前記キセノンランプに投入する電流制限回路（３００）を備え、
前記電流制限回路が、
スイッチング動作によって前記ランプ電流を制限するスイッチング回路、
前記スイッチング回路を駆動するドライバ回路、
前記ランプ電流を検出して検出値が入力設定値に等しくなるように前記ドライバ回路を動作させるフィードバック回路、及び
ランプの始動期間においては前記フィードバック回路を無効化するとともに第１の設定値で前記ドライバ回路を動作させ、該始動期間に続く安定点灯期間においては第２の設定値を入力設定値とするフィードバック制御を有効にするＣＰＵ
からなり、
前記第１の設定値の平均値が前記第２の設定値よりも低いことを特徴とする点灯回路。
【請求項３】
請求項１又は２の点灯回路において、前記第１の設定値が時間に対する増加関数である点灯回路。
【請求項４】
請求項１又は２の点灯回路において、前記第１の設定値が振動関数であり、該振動関数の振動周期が、前記キセノンランプに一定電流を投入したならばランプ電流が振動する潜在的電流振動の周期に略等しく、該振動関数の振動位相を該潜在的電流振動に対して９０〜２７０°シフトさせたことを特徴とする点灯回路。
【請求項５】
キセノンランプを点灯するための点灯回路であって、
充電回路（２００）、及び前記充電回路の充電電圧を受けて制限されたランプ電流を前記キセノンランプに投入する電流制限回路（３００）を備え、
前記電流制限回路が、
スイッチング動作によって前記ランプ電流を制限するスイッチング回路、
前記スイッチング回路を駆動するドライバ回路、
前記ランプ電流を検出して検出値が入力設定値に等しくなるように前記ドライバ回路を動作させるフィードバック回路、及び
前記フィードバック回路におけるフィードバック制御の応答速度を制御するＣＰＵ
からなり、
前記フィードバック制御について、前記始動期間における応答速度が前記安定点灯期間における応答速度よりも速くなるように前記ＣＰＵが前記フィードバック回路を制御するように構成された点灯回路。
【請求項６】
請求項１〜５いずれか一項に記載の点灯回路及び該点灯回路から給電されるキセノンランプを備えたソーラーシミュレータ用光源ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、擬似太陽光を照射する擬似太陽光照射装置に用いられるキセノンランプ点灯回路及びそれを用いた光源ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池の光電変換特性などの各種太陽エネルギー利用機器の性能測定のために、自然太陽光のスペクトル分布を再現する擬似太陽光を被照射体に照射する擬似太陽光照射装置が知られている。この種の擬似太陽光照射装置においては、照射ボックスの内部にキセノンランプからなる光源が設置され、多層蒸着膜が形成されたスペクトル調整用の透過型の光学フィルタが設けられ、この光源からの光が光学フィルタを通過することで放射面から擬似太陽光が放射される。
【０００３】
同装置では、例えば、発光長が１０００ｍｍ以上のキセノンランプ（以下、「ランプ」という）が用いられ、直流のランプ電流が通電され、そのランプ電流値を点灯装置によって調整することにより照射面の照度が制御される。一般的には、点灯時のランプ電流は数十アンペア（例えば７０Ａ）、ランプ電圧は数百ボルト（例えば５００Ｖ）程度であり、このランプ電流／電圧が、１回の点灯あたり数十ｍＳｅｃから数百ｍＳｅｃにわたって通電／印加される。この出力状態が定電流又は定電力で制御され、点灯期間中に被照射体の性能が測定される。
【０００４】
上記の場合、ランプ電力が３５ｋＷとなり、瞬時（例えば１００ｍＳｅｃ）とはいえ、この電力を商用電源から直接供給すると、同じ商用電源の系統の周辺機器に障害を及ぼすことや、商用電源と照射装置の間に容量の大きい接点及び配線が必要となることが問題なる。そこで一般には、照射装置内に点灯装置を設け、点灯装置において電力を蓄積し、点灯指令に応じてその蓄積された電力をランプに供給する構成が採用される。
【０００５】
図６に従来の点灯装置を示す。整流器２及び平滑コンデンサ３で構成される整流平滑回路１００で交流電源１が直流電圧に変換され、その直流電圧が昇圧インバータ回路からなる充電回路２００に供給される。充電回路２００では、ＰＷＭ制御回路８によってトランジスタ４、７及びトランジスタ５、６の導通時間が制御され、高周波で交互に導通される。これによりトランス９の１次巻線に交流電圧が発生するとともに、トランス９の２次巻線に昇圧比に応じた電圧が発生する。トランス９の２次巻線に発生した電圧は整流器１０で整流され、コイル１１で平滑されて大容量の電解コンデンサ１３に充電される。ここで、電流検出抵抗１２で検出される充電電流に比例した電圧信号と基準電圧１５とが誤差増幅器１４に入力され、両者が等しくなるようにＰＷＭ制御回路８によってトランジスタ４〜７の導通時間がＰＷＭ制御される。これにより、大容量の電解コンデンサ１３は設定された電流値で定電流制御され、時間とともに充電されていく。電解コンデンサ１３がランプ電圧よりも充分に高い電圧（例えば、１０００Ｖ）に充電されると、ＰＷＭ制御回路８は昇圧充電回路２００の動作を一旦停止（又は充電電圧を保持）し、スタンバイ状態となる。
【０００６】
次に、ランプ点灯指令が発せられると、電流制限回路３００が動作を開始する。電流制限回路３００は降圧チョッパ回路からなり、降圧チョッパ回路は、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチ１６、ダイオード１７、コイル１８、コンデンサ１９、電流検出抵抗２０、半導体スイッチ１６の導通時間を制御するＰＷＭ制御回路２１、誤差増幅器２２、基準電圧２３及び帰還素子２７で構成される。この時点で、ランプ２５の両端に電解コンデンサ１３の電圧とほぼ等しい直流電圧（１０００Ｖ）が直ちに印加される。その後、イグナイタ（不図示）のパルストランス２４によってパルス電圧が上記直流電圧に重畳され、ランプ２５の絶縁破壊が起こる。
【０００７】
ランプ２５が絶縁破壊を起こすと、電解コンデンサ１３の充電電圧を電源として電流制限回路３００からの制限された電流がランプ２５に投入される。電流制限回路３００において、電流検知抵抗２０に流れる電流に比例する電圧信号（検出電圧）と基準電圧２３からの電圧信号（基準電圧）が誤差増幅器２２に入力され、両者が等しくなるように、ＰＷＭ制御回路２１によって半導体スイッチ１６の導通時間がＰＷＭ制御される。これにより、電解コンデンサ１３を電源とするランプ２５の直流点灯が設定電流値で定電流制御される。
【０００８】
ところで、ランプ負荷には、それが負性抵抗特性であること、電流に対する電圧の応答性が遅い等の特徴がある。そのようなランプにおいて誤差増幅器２２によるフィードバック制御の応答速度を速くすると、誤差増幅器２２が発振する等してランプ電流制御が不安定になる場合があるため、フィードバックの応答速度にランプ特性が追従できるような速度でフィードバック制御を行うことが望ましい。しかし、その結果として、ランプ点灯開始（始動）時においては、ランプ特性の過渡的な変動に制御回路が追従できず、一時的にランプ電流が設定電流値を大幅に超えて印加されてしまうことになる（以下、「オーバーシュート」という）。
【０００９】
具体的には、図７に示すように、安定点灯時にランプ電流が一定となるように、基準電圧２３を始動時から一定値とすると、始動期間においてランプ電流が振動してしまう。同図に示すように、例えば、ランプ電流の設定電流値が７０Ａの場合、オーバーシュートにより最初のピークが９０Ａを超えることが確認された。このオーバーシュートは従来から確認されているが、これに対して電気的に特別な制御を行うことはできないとされていた（例えば、特許文献１（図２、段落０００６参照））。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−１２３９９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記のオーバーシュートの発生によって、電流制限回路のＩＧＢＴ等の半導体スイッチのスイッチング損失が増えることにより半導体スイッチのストレスが大きくなること、光出力が安定するまでに時間がかかることにより一定の照度で照射される期間が短くなるとともに無駄な電力消費が発生すること等の問題が起こっていた。
【００１２】
そこで本発明は、上記のような大容量のコンデンサを電源としてキセノンランプに電流を投入する点灯回路において、ランプ始動時のオーバーシュートを抑制制御することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第１の側面は、キセノンランプを点灯するための点灯回路であって、充電回路（２００）、及び充電回路の充電電圧を受けて制限されたランプ電流をキセノンランプに投入する電流制限回路（３００）を備え、電流制限回路が、スイッチング動作によってランプ電流を制限するスイッチング回路、スイッチング回路を駆動するドライバ回路、ランプ電流を検出して検出値が入力設定値に等しくなるようにドライバ回路を動作させるフィードバック回路、及び入力設定値を制御するＣＰＵからなり、入力設定値が、ランプの始動期間における第１の設定値、及び始動期間に続く安定点灯期間における第２の設定値からなり、第１の設定値の平均値が第２の設定値よりも低い点灯回路である。
【００１４】
本発明の第２の側面は、キセノンランプを点灯するための点灯回路であって、充電回路（２００）、及び充電回路の充電電圧を受けて制限されたランプ電流をキセノンランプに投入する電流制限回路（３００）を備え、電流制限回路が、スイッチング動作によってランプ電流を制限するスイッチング回路、スイッチング回路を駆動するドライバ回路、ランプ電流を検出して検出値が入力設定値に等しくなるようにドライバ回路を動作させるフィードバック回路、及びランプの始動期間においてはフィードバック回路を無効化するとともに第１の設定値でドライバ回路を動作させ、始動期間に続く安定点灯期間においては第２の設定値を入力設定値とするフィードバック制御を有効にするＣＰＵからなり、第１の設定値の平均値が第２の設定値よりも低い点灯回路である。
【００１５】
上記第１及び第２の側面において、第１の設定値を時間に対する増加関数としてもよい。また、第１の設定値を振動関数として、振動関数の振動周期が、キセノンランプに一定電流を投入したならばランプ電流が振動する潜在的電流振動の周期に略等しく、振動関数の振動位相を潜在的電流振動に対して９０〜２７０°シフトさせてもよい。
【００１６】
本発明の第３の側面は、キセノンランプを点灯するための点灯回路であって、充電回路（２００）、及び充電回路の充電電圧を受けて制限されたランプ電流をキセノンランプに投入する電流制限回路（３００）を備え、電流制限回路が、スイッチング動作によってランプ電流を制限するスイッチング回路、スイッチング回路を駆動するドライバ回路、ランプ電流を検出して検出値が入力設定値に等しくなるようにドライバ回路を動作させるフィードバック回路、及びフィードバック回路におけるフィードバック制御の応答速度を制御するＣＰＵからなり、フィードバック制御について、始動期間における応答速度が安定点灯期間における応答速度よりも速くなるようにＣＰＵがフィードバック回路を制御するように構成された点灯回路である。
【００１７】
本発明の第４の側面は、上記の点灯回路及びその点灯回路から給電されるキセノンランプを備えたソーラーシミュレータ用光源ユニットである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施例による点灯回路を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施例を示すタイムチャートである。
【図３】本発明の第２の実施例を示すタイムチャートである。
【図４】本発明の第３の実施例による点灯回路を示す図である。
【図５】本発明の第４の実施例を示すタイムチャートである。
【図６】従来の点灯回路を示す図である。
【図７】従来の点灯回路におけるタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１に本発明の点灯回路を示す。本発明の点灯回路は、整流平滑回路１００、整流平滑回路１００からの電圧を昇圧して充電する充電回路２００、及び充電回路２００の充電電圧を受けて制限されたランプ電流をランプ２５に投入する電流制限回路３００を備える。なお、図１では充電回路２００の前段に整流平滑回路１００を用いているが、交流電源ではなく直流電源が用いられる場合には整流平滑回路１００は不要である。また、実施例では、充電回路２００をフルブリッジ回路で構成するが、昇圧動作と充電動作が可能であれば他の昇圧コンバータ方式であってもよい。またさらに、充電回路２００が高圧電源から給電される場合には昇圧機能は不要である。
本発明の点灯回路は、電流制限回路３００がマイコン等からなるＣＰＵ２６を備える点で図５の従来回路と異なる。一方、本発明の点灯回路はＣＰＵ２６に関係する部分以外については従来の点灯回路と同じであるので、その説明を省略する。
【００２０】
以下の実施例１〜４では、電流制限回路３００は降圧チョッパ回路からなり、降圧チョッパ回路は、スイッチング動作により電流を制限してランプ２５に投入するためのスイッチング回路（半導体スイッチ１６、ダイオード１７、コイル１８及びコンデンサ１９）、スイッチング回路を駆動するドライバ回路（ＰＷＭ制御回路２１）、ランプ電流を検出して検出値が入力設定値に等しくなるようにドライバ回路を動作させるフィードバック回路（電流検出抵抗２０、誤差増幅器２２及び帰還素子２７）、及び入力設定値等を制御するＣＰＵ２６からなる。なお、本明細書では、最も好適な例として電流制限回路３００に降圧チョッパ回路を採用しているが、充電回路２００から電圧を受けて出力電流を制限できるものであれば他の方式の回路であってもよい。また、ドライバ回路としてＰＷＭ制御回路を採用しているが、ドライバ回路は採用するスイッチング回路に応じて適宜選択すればよい。
【００２１】
実施例１．
図２に本発明の第１の実施例のタイムチャートを示す。ランプの始動期間（ｔ１〜ｔ２、例えば、点灯開始から約２ｍｓまで）では第１の設定値が、そして始動期間に続く安定点灯期間（ｔ２〜、例えば、点灯開始から約２ｍｓ以降）では第２の設定値が入力設定値として誤差増幅器２２の負入力端子に入力される。ここで、第１の設定値はオーバーシュートを抑制するための設定値であり、その平均値は第２の設定値よりも低く、時間に対する増加関数である。
【００２２】
具体的には、電流検出抵抗２０の抵抗値を０.０５Ω、安定点灯期間の設定ランプ電流を７０Ａとすると、第２の設定値は３.５Ｖであればよく、第１の設定値をそれ以下とする。例えば、第１の設定値は、点灯開始時ｔ１ではランプ電流４０Ａに対応する設定値２.０Ｖで開始し、その後始動期間の終了時ｔ２に７０Ａに対応する３.５Ｖまで増加するようにすればよい。これにより、図示するように、始動期間中のランプ電流を７０Ａ以下とすることができる。なお、数値は例示であり、本発明を限定するものではない。なお、図ではｔ２＝２ｍｓとしているが、ｔ２の時間は適宜定めればよい。
【００２３】
なお、ＣＰＵ２６から誤差増幅器２２の負入力端子への信号供給の態様は周知のものを用いればよい。例えば、ＣＰＵ２６から出力されるＰＷＭ信号を積分回路で平滑化して誤差増幅器２２の負入力端子に供給する構成としてＣＰＵ２６においてＰＷＭ幅を制御するようにしてもよいし、ＣＰＵ２６の内部又は外部のＤ／Ａコンバータを用いてアナログ信号を誤差増幅器２２の負入力端子に直接供給するようにしてもよい。
【００２４】
上記の構成により、ランプ電流が振動してもオーバーシュートを所定値以下に抑えることができる。なお、図２においては、第１の設定値を１次関数的なものとしたが、２次関数、３次関数、指数関数、平方関数、ステップ関数又はそれらの組合せ等、種々の態様が可能である。
【００２５】
実施例２．
図３に本発明の第２の実施例のタイムチャートを示す。本実施例でも第１の設定値はオーバーシュートを抑制するための設定値であり、その平均値は第２の設定値よりも低いが、第１の実施例における増加関数とは異なり振動関数である。その振動関数の振動周期は、ランプに一定電流を投入したならばランプ電流が振動する潜在的電流振動（図７参照）の既知の周期に略等しく、振動関数の振動位相を潜在的電流振動に対して９０〜２７０°シフトするものである。即ち、ランプ電流の潜在的振動を打ち消すように第１の設定値を変化させればよく、フィードバック制御の応答速度やランプ電流の追従性を考慮して振幅及び位相を設定すればよい。図３に示す例では、振動関数の振動位相が潜在的電流振動と１８０°ずれる（即ち、反転する）ようにしている。
【００２６】
上記の構成により、ランプ電流の振動を抑えることができるとともに、オーバーシュートを軽減することができる。さらに、（ランプ電流の変動は予測し難いものであるため、現実には難しいが）理論的にはランプ電流の振動をなくして完全にフラットにすることも可能である。また、ランプ電流を早期に安定させることができるので、始動期間の無駄な電力消費を防止できる。
【００２７】
実施例３．
実施例１及び２では、始動期間及び安定点灯期間の双方においてフィードバック制御を用いるものを示したが、本実施例では、始動期間ではフィードバック制御を無効化するとともにドライバ回路（ＰＷＭ制御回路２１）を第１の設定値でフィードフォワード制御し、安定点灯期間で第２の設定値によるフィードバックを有効にするものを示す。
【００２８】
図４に本実施例の電流制限回路３００´の一部を示す。図示するように、ＣＰＵ２６は内部に、第１の設定値を発生する設定値発生部２６１、及び第２の設定値を発生する設定値発生部２６２を備え、さらに、タイマ２６３の信号に基づいて設定値発生部２６１からの信号又は誤差増幅器２２からの信号を選択するセレクタ２６４を備える。セレクタ２６４は、始動期間においては設定値発生部２６１からの信号を選択し、安定点灯期間においては誤差増幅器２２からの信号を選択してＰＷＭ制御回路２１に出力する。なお、当業者には分かるように、始動期間にフィードバック制御を無効化するとともにＰＷＭ制御回路２１を第１の設定値で制御する態様は上記に限られず、多数の態様が可能である。
【００２９】
また、第１の設定値の詳細は、実施例１又は２とほぼ同様である。即ち、基本的に、第１の設定値はオーバーシュートを抑制するための設定値であり、その平均値は第２の設定値よりも低く、第１の設定値を実施例１と同様に増加関数としてもよいし、実施例２と同様に振動関数としてもよい。
【００３０】
上記の構成により、始動期間におけるフィードバックに起因するランプ電流の不安定動作の可能性を排除することができ、設計が容易となる。
【００３１】
実施例４．
図５に本発明の第４の実施例のタイムチャートを示す。本実施例では、図１のＣＰＵ２６から帰還素子２７への破線で示すゲイン調整信号を用いる。
図５に示すように、誤差増幅回路２２のフィードバック制御について、始動期間における応答速度が安定点灯期間における応答速度よりも速くなるようにＣＰＵ２６が帰還素子２７を制御する。これにより、始動期間だけは動作の安定性を多少犠牲にしても応答速度を速くしてランプ電流の振動にフィードバック制御が追従できるようにする。具体的には、始動期間の帰還素子２７のインピーダンスが安定点灯期間よりも大きくなるようにすればよい。なお、帰還素子２７は抵抗、コンデンサ、抵抗とコンデンサの直列回路又は抵抗とコンデンサの並列回路であればよい。
【００３２】
本実施例では、入力設定値を制御することは必須ではないが、上記の実施例１又は２のような入力設定値の制御を併用することも可能である。
上記の構成により、始動期間においては、ランプ電流の振動に対して速い応答を得ることができ、ランプ電流の振動を抑えてオーバーシュートを抑制することができる。
【００３３】
以上に本発明の好適な実施例を示したが、本発明は以下のように拡張又は変形することができる。
（１）実施例による点灯回路とキセノンランプを組み合わせてソーラーシミュレータ用光源ユニットを構成することができる。
（２）実施例では、直流点灯用の点灯回路を示したが、電流制限回路３００の出力側に電流反転回路（例えば、フルブリッジ回路等）を設けることにより交流点灯用の点灯回路を構成することも可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１６．半導体スイッチ
１７．ダイオード
１８．コイル
１９．コンデンサ
２０．電流検出抵抗
２１．ＰＷＭ制御回路
２２．誤差増幅器
２５．ランプ
２６．ＣＰＵ
２７．帰還素子
２００．充電回路
２６１、２６２．設定値発生部
２６３．タイマ
２６４．セレクタ
３００．電流制限回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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