(57)【要約】【課題】放電灯へ電力を供給し点灯させる放電灯点灯装置の電力変換効率向上と電流高調波抑制機能の両立を図る。【解決手段】放電灯点灯装置は、放電灯点灯回路と制御手段とで構成されている。制御手段は、電力変換回路を流れる回路電流と交流電源の電圧とに基づいて、第一のスイッチと第四のスイッチの組と、第二のスイッチと第三のスイッチの組を、交互に開閉するためのパルス信号を、第一のスイッチと第四のスイッチの組に供給する。この開閉により、電力変換装置には、交流電源の低周波成分に高周波成分が混在した電流が流れる。【選択図】図１
2015082399.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一のスイッチと第二のスイッチとを直列に接続するとともに、第三のスイッチと第四のスイッチとを直列に接続し、前記第一のスイッチと前記第三のスイッチ及び第二のスイッチと第四のスイッチをそれぞれ接続して閉ループを形成し、交流電源の両端に、第一のインダクタ、第一のキャパシタを直列に接続してなる閉ループを形成し、前記第一のスイッチと第二のスイッチの接続点と、前記第三のスイッチと第四のスイッチの接続点との間を、前記第一のキャパシタ、第二のインダクタ、放電灯からなる直列回路を接続し、前記第三のスイッチと第四のスイッチの両端に第二のキャパシタを接続し、前記放電灯の両端に第三のキャパシタを接続した放電灯点灯回路と、
前記交流電源の電圧を検出する手段から得られる電源電圧と、前記放電灯点灯回路を流れる回路電流を検出する手段から得られる回路電流と、前記第二のキャパシタの電圧を検出する手段から得られる第一検出電圧と、前記第三のキャパシタの電圧を検出する手段から得られる第二検出電圧とに基づいて、前記交流電源の低周波成分に高周波成分が混在した電流が前記放電灯点灯回路を流れるように、前記第一のスイッチと第四のスイッチの組と、前記第二のスイッチと第三のスイッチの組を交互に開閉させるためのパルス信号を、前記第一のスイッチと前記第四のスイッチの組と、前記第二のスイッチと第三のスイッチの組とに供給する制御手段と、
を具備したことを特徴とする放電灯点灯装置。
【請求項２】
前記放電灯と前記第三のキャパシタとの接続点に前記放電灯のフィラメント追加したことを特徴とする請求項１に記載の放電灯点灯装置。
【請求項３】
前記制御手段は、
前記入力電圧検出手段により検出される電源電圧の信号に基づいて電源電圧と同位相の正弦波を生成する正弦波生成手段と、
この正弦波生成手段により生成された正弦波をもとに前記交流電源に流す電流の目標値を決定する決定手段と、
この決定手段により決定された前記交流電源電流の目標値に所定の幅を持たせて正側及び負側のエンベロープを生成するエンベロープ生成手段と、
前記回路電流検出手段により検出される回路電流が前記正側エンベロープと前記負側エンベロープとの範囲内に収まるか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段により前記回路電流が前記正側エンベロープと前記負側エンベロープとの範囲内から外れるタイミングで前記パルス信号を生成するパルス生成手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の放電灯点灯装置。
【請求項４】
※ＺＶＳ補償
前記制御手段は、
前記正側エンベロープが常に正の領域であることを検知する正側検知手段と、
前記正側検知手段により前記正側エンベロープが負の領域に外れたことを検出した場合、前記正側エンベロープの持つ負の値を無効とし、ゼロまたは正の値に設定し直す正側エンベロープ補正手段と、
前記負側エンベロープが常に負の領域であることを検知する負側検知手段と、前記負側検知手段により前記負側エンベロープが正の領域に外れたことを検出した場合、前記負側エンベロープの持つ正の値を無効とし、ゼロまたは負の値に設定し直す負側エンベロープ補正手段と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の放電灯点灯装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記第一検出電圧に基づいて、前記交流電源に流す電流目標値を決定する手段の出力を調整する電圧負帰還手段、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の放電灯点灯装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記第二検出電圧に基づいて、前記正側エンベロープと前記負側エンベロープとの間隔を調整する電圧負帰還手段、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項５に記載の放電灯点灯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施態様は、交流電源から得られる交流電圧を高周波電流に変換して放電灯へ電力を供給する放電灯点灯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電源をもとに放電灯を高周波点灯させる方法として、次の２つの方法が一般的に知られている。第一の方法は、ダイオードブリッジ回路と平滑コンデンサとを用いる。ダイオードブリッジ回路は、交流電源からの交流を全波整流する。平滑コンデンサは、全波整流後の直流を平滑する。この直流電圧をもとに高周波インバータ回路を動作させ、直流電圧を高周波電流に変換する。この高周波電流により放電管内に放電が発生し点灯する。
【０００３】
この第一の方法は、ダイオードブリッジ回路における電力損失と、後段の高周波インバータ回路による電力損失の双方が発生する。例えば、ダイオードブリッジでの電力変換効率が０．９５、高周波インバータでの電力変換効率が０．９５であったとすると、装置全体を通しての電力変換効率は、これらの積で表されることから、
装置全体の効率＝０．９５×０．９５＝０．９０
まで下がることになる。効率低下は少ないが、第一の方式ではダイオードブリッジ回路と平滑コンデンサの組み合わせにより入力電流歪が発生するという欠点がある。
【０００４】
第二の方法は、第一の方法のダイオードブリッジ回路と平滑コンデンサの間に力率改善コンバータ（ＰＦＣ）を介在させる。力率改善コンバータは、交流電源に流れる電流が正弦波状になるように制御し、なおかつ、交流電源の電圧位相と等しくなるように制御する。
【０００５】
この第二の方法も、１段目のダイオードブリッジ回路における電力損失と、２段目の力率改善コンバータにおける電力損失と、３段目の高周波インバータ回路における電力損失が発生する。例えば、力率改善コンバータの電力変換効率が０．９５であるなら、装置全体の電力変換効率は、これら３段の効率の積として表されることから、
全体効率＝０．９５×０．９５×０．９５＝０．８６
となり、個々の段の電力変換効率が良くても、装置全体としては効率が悪くなる。第二の方法では、入力電流歪が発生しないという利点がある反面、電力損失が増加するという欠点がある。
【０００６】
昨今、電子機器の省電力化要求が高まっており、同時に、外部環境に悪影響を及ぼさないように電流高調波ノイズを出さないことも必須の条件である。このため、安価でありながら、負荷へ電力を供給する電力変換装置の変換効率向上と電流高調波抑制機能の両立とが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開2010/070996号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、負荷へ高周波電力を供給する放電灯点灯装置の変換効率向上と電流高調波抑制機能の両立を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の実施形態における放電灯点灯装置は、
第一のスイッチと第二のスイッチとを直列に接続するとともに、第三のスイッチと第四のスイッチとを直列に接続し、前記第一のスイッチと前記第三のスイッチ及び第二のスイッチと第四のスイッチをそれぞれ接続して閉ループを形成し、交流電源の両端に、第一のインダクタ、第一のキャパシタを直列に接続してなる閉ループを形成し、前記第一のスイッチと第二のスイッチの接続点と、前記第三のスイッチと第四のスイッチの接続点との間を、前記第一のキャパシタ、第二のインダクタ、放電灯からなる直列回路を接続し、前記第三のスイッチと第四のスイッチの両端に第二のキャパシタを接続し、前記放電灯の両端に第三のキャパシタを接続した放電灯点灯回路と、
前記交流電源の電圧を検出する手段から得られる電源電圧と、前記放電灯点灯回路を流れる回路電流を検出する手段から得られる回路電流と、前記第二のキャパシタの電圧を検出する手段から得られる第一検出電圧と、前記第三のキャパシタの電圧を検出する手段から得られる第二検出電圧とに基づいて、前記交流電源の低周波成分に高周波成分が混在した電流が前記放電灯点灯回路を流れるように、前記第一のスイッチと第四のスイッチの組と、前記第二のスイッチと第三のスイッチの組を交互に開閉させるためのパルス信号を、前記第一のスイッチと前記第四のスイッチの組と、前記第二のスイッチと第三のスイッチの組とに供給する制御手段と、を備えることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第一の実施形態における放電灯点灯装置の回路構成図。
【図２】第一の実施形態における放電灯点灯装置の動作説明に用いる波形図。
【図３】第一の実施形態における放電灯点灯装置の動作説明に用いる波形図。
【図４】第一の実施形態における放電灯点灯装置の動作説明に用いる波形図。
【図５】第一の実施形態における放電灯点灯装置の動作説明に用いる波形図。
【図６】第一の実施形態における制御の説明に用いるブロック図。
【図７】第一の実施形態における制御の説明に用いる波形図。
【図８】第二の実施形態における制御の説明に用いる波形図。
【図９】第二の実施形態における制御の説明に用いるブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、放電灯点灯装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
（第一の実施形態）
【００１２】
図１は、第一の実施形態における放電灯点灯装置１００の回路構成図である。放電灯点灯装置１００は、商用電源Ｖ１を入力とし、出力である放電灯３を光らせる装置である。
【００１３】
放電灯点灯装置１００は、第一第二の半導体スイッチ（以下、単にスイッチと称する）Ｓ１，Ｓ２と、第三第四のスイッチＳ３，Ｓ４と、第一第二のインダクタＬ１，Ｌ２と、第一第二第三のキャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３と、入力電圧検出部１、回路電流検出部２、Ｃ２電圧検出部４、管電圧検出部５からなる主回路部と、制御部６により構成される。スイッチＳ１〜Ｓ４はいずれもＮ型電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を使用する。
【００１４】
放電灯点灯装置１００は、第一のスイッチＳ１のソース端子を第二のスイッチＳ２のドレイン端子に接続する。また、第三のスイッチＳ３のソース端子を第四のスイッチＳ４のドレイン端子に接続する。さらに、第一のスイッチＳ１のドレイン端子と、第三のスイッチＳ３のドレイン端子を接続する。同様に、第二のスイッチＳ２のソース端子と第四のスイッチＳ４のソース端子を接続する。また、第一のスイッチのソース端子と第二のスイッチのドレイン端子を接続する点と、第三のスイッチのソース端子と第四のスイッチのドレイン端子を接続する点の間に、第一のキャパシタＣ１と、第二のインダクタＬ２と、回路電流検出部２と、放電灯３とを直列に接続する。
【００１５】
放電灯点灯装置１００は、第一のキャパシタＣ１の両端に、第一のインダクタＬ１と交流電源Ｖ１を直列に接続する。さらに、交流電源Ｖ１の両端に入力電圧検出部１を接続する。
【００１６】
放電灯点灯装置１００は、第三のスイッチＳ３のドレイン端子と、第四のスイッチＳ４のソース端子の間に、第二のキャパシタＣ２を接続する。さらに、第二のキャパシタＣ２の両端にＣ２電圧検出部４を接続する。
【００１７】
放電灯点灯装置１００は、放電管３の両端に設けてある加熱用の第一のフィラメントＦ１と、キャパシタＣ３と、第二のフィラメントＦ２を直列に接続する。
【００１８】
制御部６は、前記入力電圧検出部１の検出信号Ｖａｃ１と、前記回路電流検出部２の検出信号ＩＳ１と、前記Ｃ２電圧検出部４の検出信号ＶＳ１と、前記管電圧検出部５の検出信号ＶＳ２とを入力し、これらをもとに適宜演算を行い、その結果をＰ１，Ｐ２信号として出力する。そして、Ｐ１信号は前記第一のスイッチＳ１及び第四のスイッチＳ４のゲートに接続し、Ｐ２信号は第二のスイッチＳ２及び第三のスイッチＳ３のゲートに接続する。
【００１９】
第一のスイッチＳ１及び第四のスイッチＳ４は、ゲート端子にＰ１信号が供給されている間、導通する。第二のスイッチＳ２及び第三のスイッチＳ３は、ゲート端子にＰ２信号が供給されている間、導通する。
【００２０】
このような回路構成において、本実施形態では１００Ｖ［ボルト］で５０Ｈｚ［ヘルツ］の商用電源を交流電源Ｖ１として使用する。そして、放電管３に１００Ｗ［ワット］程度の電力を供給する場合を想定する。この場合、電圧は１００Ｖであるから、１００Ｗの電力を得るためには１Ａ［アンペア］の電流が必要になる。つまり最終的に第一のインダクタＬ１を経由して交流電源Ｖ１に流れ込む電流が１Ａであれば、１００Ｗの電力を放電灯３に供給できる。
【００２１】
第一のインダクタＬ１と第一のキャパシタＣ１の組はローパスフィルタを形成し、第一のインダクタを経由して交流電源Ｖ１側に流れる電流は５０Ｈｚ成分のみである。一方で第一のキャパシタＣ１を経由して第一のスイッチＳ１又は第二のスイッチＳ２に流れる電流は、例えば５０ｋＨｚの高周波成分を含む。つまり、回路電流検出部２で検出される回路電流ＩＳ１は、５０Ｈｚの低周波と５０ｋＨｚの高周波の成分が混在している。かくして、放電灯点灯装置１００全体では、これら２種類の、周波数が異なる交流が混在して動作する。
【００２２】
５０ｋＨｚの高周波電流は、第一のスイッチＳ１と第四のスイッチＳ４の対と、第二のスイッチＳ２と第三のスイッチＳ３の対を交互に開閉させることによって得られる。そのためには、回路電流ＩＳ１のピークを規定する正負一対の正弦波状のエンベロープを生成し、これらエンベロープの間で電流の向きが切り替わるように、第一のスイッチＳ１と第四のスイッチＳ４の対と、第二のスイッチＳ２と第三のスイッチＳ３の対を適当なタイミングで交互にスイッチングさせればよい。この手順について図２を用いて説明する。
【００２３】
図２は放電灯３が点灯している状態の回路動作波形を示している。
【００２４】
図２の波形Ｖａｃ１は、商用電源Ｖ１に接続された入力電圧検出部１の検出信号を示す。商用電源Ｖ１の電圧が正のとき、検出信号Ｖａｃ１はＨレベルとなり、商用電源Ｖ１の電圧が負のとき、検出信号Ｖａｃ１はＬレベルとなる。さらに、商用電源Ｖ１が正から負に切り替わるゼロクロス点、および、負から正に切り替わるゼロクロス点において、検出信号ＶａｃがＨからＬへ、ＬからＨへ、それぞれゼロクロス点に同期して変化する。
【００２５】
図２の波形ｅｎｖ１は、検出信号Ｖａｃ１をもとにして、商用電源Ｖ１と同期した同位相の正弦波を制御部６で生成したものである。このとき正弦波の振幅ｅｎｖ１は、制御部６内において所定の演算が行われた結果として与えられるものとする。
【００２６】
図２の波形ｅｎｖＵＰ及びｅｎｖＤＮは、正弦波ｅｎｖ１を中心としてそれぞれ正方向及び負方向にｄｉｆ２を加えたものである。これにより正弦波状のエンベロープが正側および負側に生成でき、２つのエンベロープｅｎｖＵＰ、ｅｎｖＤＮで挟まれた幅は常に一定である。なお、ｄｉｆ２は制御部６内において所定の演算が行われた結果として与えられるものとする。
【００２７】
図２の波形ＩＳ１は、２つのエンベロープｅｎｖＵＰ、ｅｎｖＤＮの間を折り返すようにスイッチング制御した回路電流の検出波形である。エンベロープ値と回路電流検出値ＩＳ１を常に比較し、エンベロープより外側に出たことを検出したら４つのスイッチＳ１〜４の状態を反転させ、電流の傾きを反転させる。次に反対側のエンベロープより外に出たことを検出したら再び４つのスイッチＳ１〜４の状態を反転させる。これにより電流検出値ＩＳ１の傾きが再び反転する。これを繰り返すことで連続的な高周波発振（５０ｋＨｚ）を生成する。なお、正側エンベロープｅｎｖＵＰは常に正の領域にあり、負側エンベロープｅｎｖＤＮは常に負の領域にあるものとする。この関係を維持することにより４つのスイッチＳ１〜４の動作が正常に行われ、電力変換効率のよい発振動作となる。放電灯が点灯している場合、この回路電流ＩＳ１が放電灯に印加される電流となる。
【００２８】
図２の波形Ｖ１電流は、商用電源Ｖ１に流れる電流波形である。回路電流ＩＳ１波形に対して第一のインダクタＬ１と第一のキャパシタＣ１からなるローパスフィルタを通して低周波成分のみを抽出した波形である。ローパスフィルタにより０ｋＨｚは減衰され５０Ｈｚの低周波成分のみが第一のインダクタＬ１を経由して商用電源Ｖ１に流れる。
【００２９】
このとき、回路電流ＩＳ１は正弦波である２つのエンベロープｅｎｖＵＰ、ｅｎｖＤＮ間を往復する波形であることから、その平均値はほぼ正弦波となる。従って、高周波成分を取り除いた５０Ｈｚ成分は正弦波であり、商用電源Ｖ１に流れる５０Ｈｚ成分は正弦波形状になる。正弦波形状であるということは、基本波である５０Ｈｚ成分に対して、これより高次の周波数成分、具体的には１００Ｈｚ、１５０Ｈｚ，２００Ｈｚ，・・・の成分含有率が極めて少ない。これは商用電源Ｖ１に流れる入力電流の高調波成分が極めて少ないことを意味する。
【００３０】
図３は、放電灯３が点灯していない状態で、放電灯３の両端のフィラメントＦ１及びＦ２を加熱するモードを示す波形である。一般に、放電灯は通常の白熱灯と異なり点灯起動させるために一連のシーケンスを必要とする。放電灯３が点灯していない状態では、管内部で放電が行われておらず絶縁状態にある。この場合、絶縁であるからインピーダンスは極めて高い状態にある。この状態で管両端に電圧をかけても放電灯３は点灯しない。点灯しやすくするために、最初にフィラメントＦ１、Ｆ２を加熱する。すると管両端から電子が飛び出しやすくなり、放電が起きやすい状態になる。次に、管両端に高電圧を印加して放電のトリガーを与えると、放電が起きやすい状態であるから、放電が開始され、管のインピーダンスが急激に下がる。一度放電が開始されインピーダンスが下がると、その後は管内を電流が流れやすくなるため、放電が継続する。
【００３１】
こうした一連の放電開始シーケンスの中で、図３の波形はフィラメントＦ１、Ｆ２を加熱しているモードを記載したものである。
【００３２】
図３の信号名は図２で記載したものと同じであるから信号名の説明は省略する。図２との相違は、振幅ｅｎｖ１が小さいことと、これに加える幅ｄｉｆ２も小さいことであり、結果として得られる正側エンベロープｅｎｖＵＰ及び負側エンベロープｅｎｖＤＮは、振幅が小さく幅も狭い。このエンベロープ間に挟まれた領域を往復する回路電流ＩＳ１は、往復に要する時間が短くなるので結果として回路電流ＩＳ１の発振周波数は高い状態にある。
【００３３】
振幅ｅｎｖ１が小さい理由は、このフィラメント加熱モードにおいて消費される電力はフィラメント発熱に必要な分だけである。これは放電灯３の点灯時の消費電力に対すると極めて少ない。このため商用電源Ｖ１に流れる５０Ｈｚ電流も少なくてよい。従って、５０Ｈｚ成分の目標値である振幅ｅｎｖ１は小さくてよいことになる。
【００３４】
このようなエンベロープ設定において回路を動作させると、回路の発振周波数が高いため、第二のインダクタＬ２と第三のキャパシタＣ３からなる直列ＬＣ共振が弱められた状態にある。すると、放電灯３の両端に印加される電圧は低い状態であり、なおかつ、第三のキャパシタに共振電流が流れるということはこれに直列に接続されている２つのフィラメントＦ１、Ｆ２にも同じ電流が流れ、フィラメントを加熱することができる。
【００３５】
図４は、前述の放電開始シーケンスのうち、放電灯３の両端に高電圧を印加するモードを説明する波形である。信号名は図２，３と同じであるから説明は省略する。
【００３６】
図２のフィラメント加熱モードに対して、図３の高電圧印加モードでは、正弦波の振幅ｅｎｖ１は同じでありながら、付加する幅ｄｉｆ２を大幅に増やしている。２つのエンベロープｅｎｖＵＰ、ｅｎｖＤＮ間を回路電流ＩＳ１が往復する距離が延びることから、結果として回路動作としての発振周波数が下がることになる。すると、第二のインダクタＬ２、第三のキャパシタＣ３からなる直列共振が極めて強くなり、放電灯３の両端に印加される電圧が急激に高まる。この高電圧により、放電灯３は放電を開始する。
【００３７】
図５は、前述のフィラメント加熱モード、高電圧印加モード、点灯モードの３段階を経て放電管３が点灯に至るまでのシーケンスを示す波形図である。波形は上から、回路電流ＩＳ１、第二のキャパシタＣ２の検出信号ＶＳ１、管電圧検出電圧ＶＳ２を示している。なお、回路電流ＩＳ１は５０Ｈｚ成分と５０ｋＨｚ成分が混在しているため黒い領域として表されている。
【００３８】
時刻ｔ０において起動シーケンスが開始され、時刻ｔ０〜ｔ１間は図３で示したフィラメント加熱モードを保持する。この間に回路動作により第二のキャパシタＣ２に電荷が蓄積される。同時に、放電灯３には低い電圧を印加しつつフィラメントに電流を流し加熱する。フィラメント加熱時間は０．５〜１秒程度に設定するのが一般的である。
【００３９】
次に、高電圧印加モードに移行する。これは図４で示した動作モードである。このモードでは、エンベロープ幅が広がることにより回路動作周波数が下がり、第二のインダクタＬ２と第三のキャパシタＣ３の直列共振が急激に強まる。すると放電管３の両端にかかる電圧が急激に上昇する。この電圧が１０００Ｖ前後になるように設定するのが一般的である。
【００４０】
この高電圧により放電が開始する。放電が始まると放電管に電流が流れインピーダンスが急減するため、第二のインダクタＬ２と第三のキャパシタＣ３による直列共振に対して第三のキャパシタと並列に放電管３の低抵抗成分が加わることになる。すると、直列共振が弱まり、管電圧検出値であるＶＳ２の値が急減する。これを検知できれば、放電灯が点灯したことがわかり、次の定常点灯モードに移行できる。なお、この高電圧印加モードは一定時間印加させてもよいが、確実に点灯させるという意味で、点灯を検出した時点で高電圧印加モードを終了するという方法が一般的である。
【００４１】
次の定常点灯モードは、図２で説明した動作モードである。ここでは放電灯３が点灯状態であり１００Ｗの電力を消費する。この電力をまかなうため商用電源Ｖ１に流れる電流を１Ａに設定する必要がある。このため、５０Ｈｚの振幅を平均１Ａとなるように振幅が増加させている。
【００４２】
次に、以上のシーケンス動作を実現する制御機能ブロックを図６に示す。図６は図１の放電灯点灯装置１００の制御部６の内部を示したものである。
【００４３】
制御部６は、入力電圧検出部１の検出信号Ｖａｃ、回路電流検出部２の検出信号ＩＳ１、管電圧検出部５の検出信号ＶＳ２、Ｃ２電圧検出部の検出信号ＶＳ１を入力とし、内部で所定の演算を行い、その結果を、スイッチ素子Ｓ１とＳ４の制御信号Ｐ１、および、スイッチ素子Ｓ２とＳ３の制御信号Ｐ２として出力する。
【００４４】
制御部６は、正弦波生成機能６００、正弦波の増幅率調整機能６０１、エンベロープの幅調整機能６０２、値を大小を比較するコンパレータ６０３、コンパレータ６０４、次のトリガー信号が来るまで状態を保持するラッチ機能６０５、パルス出力に一定の遅延を持たせる遅延生成６０６、遅延生成６０７、フィラメント加熱、放電管に高圧印加、定常点灯の３つの動作モードを順に発生させるシーケンス制御６０８からなる。
【００４５】
正弦波生成手段６００は、入力電圧検出部１の検出信号Ｖａｃ１をもとにゼロクロスタイミングと商用電源の電圧極性を知ることができ、これらをもとに商用電源と同位相の正弦波ｓｉｎ１を生成する。例えば、商用電源電圧が正の場合は検出信号Ｖａｃ１はＨレベルであり、商用電源電圧が負の場合は検出信号Ｖａｃ１がＬレベルであるとする。検出信号Ｖａｃ１がＬからＨになるタイミングで生成する正弦波はｓｉｎ（０度）とし、検出信号Ｖａｃ１がＨからＬになるタイミングがｓｉｎ（１８０度）再び検出信号Ｖａｃ１がＬからＨになるタイミングがｓｉｎ（３６０度）となるように規定する。
【００４６】
増幅率調整手段６０１は、正弦波生成手段６００が生成した正弦波ｓｉｎ１に対して適当な増幅率を掛けて、回路動作に適する振幅ｅｎｖ１を生成する。増幅率の生成方法については後述する。
【００４７】
幅調整手段６０２は、増幅率調整手段６０１が生成した振幅ｅｎｖ１をもとに、所定の幅を加算及び減算して２つのエンベロープ信号を生成する。正側のエンベロープは、振幅ｅｎｖ１に幅を加算したｅｎｖＵＰ、負側のエンベロープは振幅ｅｎｖ１に幅を減算したｅｎｖＤＮとする。所定の幅の生成方法については後述する。
【００４８】
コンパレータ６０３は、幅調整手段６０２が生成した正側エンベロープｅｎｖＵＰと、回路電流検出部２の出力ＩＳ１とを比較し、正側エンベロープｅｎｖＵＰより回路電流検出信号ＩＳ１が大きい場合はコンパレート結果ＳＥＴを出力する。
【００４９】
コンパレータ６０４は、幅調整手段６０２が生成した負側エンベロープｅｎｖＤＮと、回路電流検出部２の出力ＩＳ１とを比較し、負側エンベロープｅｎｖＤＮより回路電流検出信号ＩＳ１が小さい（負の値が大きい）場合はコンパレート結果ＲＥＳＥＴを出力する。
【００５０】
ラッチ６０５は、コンパレータ６０３の出力ＳＥＴと、コンパレータ６０４の出力ＲＥＳＥＴを入力とし、状態を保持する機能である。例えばＳＥＴおよびＲＥＳＥＴ信号がＨレベルのとき有効であるとして、ＳＥＴ信号がＨレベルになるとラッチ出力ＱＡはＨ出力で保持状態となり、同時にラッチ出力ＱＢはＬ出力で保持状態となる。次に、ＳＥＴ信号がＬレベルに戻り、ＲＥＳＥＴ信号がＨレベルになると、ラッチ出力ＱＡはＬ出力で保持状態となり、同時にラッチ出力ＱＢはＨ出力で保持状態となる。その次に、再びＲＥＳＥＴ信号がＬレベルに戻りＳＥＴ信号がＨレベルになると、ラッチ出力ＱＡはＨレベル、ラッチ出力ＱＢはＬレベルとなり、以降この工程を繰り返す。
【００５１】
遅延生成６０６は、ラッチ６０５の出力ＱＡに対して所定の遅延時間を与えるものである。例えば、信号がＨレベルのときに有効であると仮定して、ラッチ出力ＱＡがＬ→Ｈに遷移する時に所定の遅延時間を付加する。逆に、ラッチ出力ＱＡがＨ→Ｌに遷移する時には遅延時間を付加しない。このようにしてラッチ６０５の出力ＱＡに対して遅延を付加した信号をＰ１とする。
【００５２】
遅延生成６０７は、ラッチ６０５の出力ＱＢに対して所定の遅延時間を与えるものである。ラッチ出力ＱＢがＬ→Ｈに遷移する時に所定の遅延時間を付加する。逆にラッチ出力ＱＢがＨ→Ｌに遷移する時には遅延時間を付加しない。このようにしてラッチ６０５の出力ＱＢに対して遅延を付加した信号をＰ２とする。
【００５３】
シーケンス制御６０８は、商用電源Ｖ１が投入されると所定の起動シーケンスを開始する。最初に図３に示した量の正弦波増幅率ｅｎｖ１、正側エンベロープｅｎｖＵＰと負側エンベロープｅｎｖＤＮ間の幅になるように、調整信号ｄｉｆ１を増幅率調整機能６０１に伝え、調整信号ｄｉｆ２を幅調整機能６０２に伝える。具体的には、ｄｉｆ１、ｄｉｆ２とも小さい値とする。これを図５のｔ０〜ｔ１の区間継続する。
【００５４】
シーケンス制御６０８は、次に高電圧を放電灯３に印加するため、図４の動作モードになるように制御をする。この場合、所定の高電圧が放電灯３に印加されるように幅調整機能６０２はｅｎｖＵＰ、ｅｎｖＤＮで挟まれる所定の幅を出力する。このために、シーケンス制御６０８は、所定のｅｎｖＵＰ、ｅｎｖＤＮが得られるように所定のｄｉｆ２を出力する。具体的にはｄｉｆ２の値を大きくする。これを図５のｔ１から開始し、放電が始まる時刻ｔ２の区間継続する。
【００５５】
放電灯３は、ｔ１から高電圧が印加されることにより、やがて放電を開始する。一度放電が始まると放電灯３のインピーダンスが急激に低下し、ますます放電しやすい状態となり、放電灯が連続点灯する状態に移行する。この変化を管電圧検出部５の検出信号ＶＳ２により判定することができ、シーケンス制御６０８において、この判定点をｔ２と定義する。なお、一般的にｔ２に達するまでの時間は一定ではなく、放電管が新しい場合はｔ１〜ｔ２間が短く、放電管が古い場合はｔ１〜ｔ２間が長い傾向がある。このため、ｔ２点は固定ではなく、放電管のインピーダンス状況を見て判定することが望ましい。
【００５６】
シーケンス制御６０８は、管電圧検出部５の検出信号ＶＳ２のレベルが急低下することにより放電灯３が点灯状態に移行したことを検出すると、所定の点灯電流を放電灯３に印加するように、幅調整機能６０２の増幅信号ｄｉｆ２の値を調整する。図５の場合では、高電圧発生期間ｔ１〜ｔ２より、定常点灯期間ｔ２以降のほうが回路電流ＩＳ１が少ない。従って、幅調整機能６０２に伝達する増幅信号ｄｉｆ２の値を小さくする。
【００５７】
同時に、点灯すると放電灯での電力消費が増えるので、増幅率調整機能６０１の調整信号ｄｉｆ１を大きく設定し、増幅率調整機能６０１の出力信号ｅｎｖ１を大きくする。これにより商用電源Ｖ１からの入力電流が増えることになり、放電灯３での電力消費をまかなうことができる。なお、入力電力が放電灯３での消費電力を上回る場合は、その差分の電力が第二のキャパシタＣ２の電荷としてチャージされていく。逆に入力電力が放電灯３での消費電力より少なければ、その差分の電力が第二のキャパシタＣ２の電荷の減少として現れる。すなわち、第二のキャパシタの電圧を監視し、一定に保つように調整信号ｄｉｆ１にフィードバックをかければ、入力電力と放電灯３での消費電力を均衡させることができる。
【００５８】
次に、回路電流ＩＳ１の検出から２つの駆動パルス信号Ｐ１、Ｐ２を生成するまでの詳細を図７で説明する。図７は、図２の動作波形のうち、増幅率調整６０１の出力信号ｅｎｖ１が正側から負側へゼロクロスする付近を拡大した動作波形である。図７の信号名は既出であるので、ここでは説明を省略する。
【００５９】
増幅率調整６０１の出力ｅｎｖ１に対して所定の幅を付加した正側エンベロープｅｎｖＵＰと負側エンベロープｅｎｖＤＮに挟まれた区間で回路電流ＩＳ１が往復するように回路動作をさせる。このために、回路電流ＩＳ１が増加するモードでは、正側エンベロープｅｎｖＵＰより回路電流ＩＳ１が大きくなったことをコンパレータ６０５が検出してＳＥＴ信号を出す。するとこのＳＥＴ信号をもとにラッチ６０５のＱＡ出力がＨ、ＱＢ出力がＬ状態に変化する。このとき遅延生成６０６によりＱＢ出力がＬからＨになるタイミングに対して遅延２を付加する。これをＰ２出力として利用する。
【００６０】
この結果として、スイッチＳ１とＳ３がＯＮ、スイッチＳ２とＳ４がＯＦＦのモードであったのが逆転し、スイッチＳ１とＳ３がＯＦＦ、スイッチＳ２とＳ４がＯＮ状態となる。すると、回路電流ＩＳ１の傾きが逆になり、やがて負の値になる。
【００６１】
回路電流ＩＳ１はやがて負側エンベロープｅｎｖＤＮより外側に出るので、これをコンパレータ６０４が検出してＲＥＳＥＴ信号を出力する。するとこのＲＥＳＥＴ信号をもとにラッチ６０５はＱＡをＬ、ＱＢをＨとして出力する。この結果、スイッチＳ１〜Ｓ４のＯＮ、ＯＦＦ状態が再び反転し、回路電流ＩＳ１は再び正の傾きとなる。以降、この動作を繰り返すことで回路電流ＩＳ１は２つのエンベロープｅｎｖＵＰ、ｅｎｖＤＮ間を往復する発振動作になる。
【００６２】
以上のことから、第一の実施形態では、商用電源Ｖ１に精度の高い正弦波電流を同位相で流す制御が可能であるから、力率がよく電流高調波成分の極めて低い放電灯点灯装置を実現できる。また、エンベロープｅｎｖＵＰが正の領域、ｅｎｖＤＮが負の領域にそれぞれ収まる制御状態において、放電灯点灯装置を構成する４つのスイッチＳ１〜Ｓ４を損失のない状態で常に動作させることが可能である。これにより電力変換効率の良い放電灯点灯装置を実現できる。さらに、放電灯を点灯させるには所定の起動シーケンスを必要とするが、本発明を利用すれば２つの制御変数を操作するだけで起動シーケンスを簡単に構成することができ、特別に起動用回路を付加する必要がない。これにより上記に加え低コストの放電灯点灯装置を実現できる。
【００６３】
（第二の実施形態）
ところで、図２，３，４の動作は、正のエンベロープは常に正の領域に存在し、負のエンベロープは常に負の領域に存在することを前提として成り立っている。ところが、増幅率調整６０１の調整信号ｄｉｆ１と幅調整６０２の調整信号ｄｉｆ２の組み合わせによっては、この条件を逸脱する可能性がある。これを回避する実施形態について図８で説明する。
【００６４】
図８は、増幅率調整６０１の出力ｅｎｖ１が大きく、幅調整６０２で加える幅が狭い場合の動作波形である。このようなケースの場合、本来正の領域にあるべき正のエンベロープｅｎｖＵＰが正の領域から逸脱する。そこで、ＺＶＳマージンｅｎｖＭＧＮを設けて、正のエンベロープｅｎｖＵＰがこれより小さくならないようにする。同様に負の領域にあるべき負のエンベロープｅｎｖＤＮに対しても負の領域から逸脱しないようにＺＶＳマージンｅｎｖＭＧＮを設けてこれを防止する。
【００６５】
この処置を施せば、回路電流ＩＳ１は常に正と負の領域を往復することになり、回路動作に必要な４つのスイッチＳ１〜Ｓ４のスイッチング損失を増加させることなく、効率のよい動作を維持できる。次に、このような動作を実現するための方法を図９で説明する。
【００６６】
図９は放電灯点灯装置１００の制御部６の内部機能ブロックを示す図である。使われている記号は図６で説明したものはここでは説明を省略し、新たに追加した機能のみを説明する。
【００６７】
幅調整６０２は、正側エンベロープに利用する信号ｅｎｖ２、負側エンベロープに利用する信号ｅｎｖ３を出力する。
【００６８】
ＺＶＳ補償９００は、前述の信号ｅｎｖ２、ｅｎｖ３の２つの信号を入力し、正側エンベロープ信号ｅｎｖＵＰ、負側エンベロープ信号ｅｎｖＤＮの２つの信号を出力する。このとき、正側エンベロープ信号ｅｎｖＵＰがＺＶＳマージン９０１の指定する値ｅｎｖＭＧＮより小さければｅｎｖＵＰの値をｅｎｖＭＧＮに置き換える操作をする。同様に負側エンベロープ信号ｅｎｖＤＮがＺＶＳマージン９０１の指定する値より内側にある（絶対値が小さい）場合、ｅｎｖＤＮの値を０−ｅｎｖＭＧＮに置き換える。
【００６９】
これらの操作を施した正側エンベロープ信号ｅｎｖＵＰをコンパレータ６０３に入力し回路電流ＩＳ１の正側判定に利用するとともに、負側エンベロープ信号ｅｎｖＤＮをコンパレータ６０４に入力し回路電流ＩＳ１の負側判定に利用する。以降の動作は図６の動作と同じである。
【００７０】
第二の実施形態において、エンベロープが常に正しい領域に存在するようにＺＶＳ補償９００およびＺＶＳマージン９０１を付加することにより、放電灯点灯装置１００を構成する４つのスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ４を常に電力損失が発生しないモードで動作させることができ、動作状態にかかわらず常に電力変換効率の良い放電灯点灯装置を実現できる。また、回路電流ＩＳ１の可変範囲を広く取れることから、小型で簡素で低コストながら電力調整範囲の広い放電灯点灯装置を実現できる。
【００７１】
（他の実施形態）
本発明は、前記各実施形態に限定されるものではない。例えば前記各実施形態では、単相の交流電源Ｖ１を用いたが、交流電源Ｖ１は単相に限定するものではない。三相あるいはそれ以上の多相の交流電源を用いることも可能である。
【００７２】
また、負荷としてフィラメントを有する放電灯を例に説明したが、これに限定するものではなく、フィラメントのない放電灯を用いることも可能である。
【００７３】
また、前記各実施形態ではスイッチング素子としてＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）Ｓ１〜Ｓ４を用いたが、これに限定されるものではない。例えば、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ、ＧａＮ、ＳｉＣ等の半導体素子を用いても良い。あるいはリレーのような機械式スイッチとダイオードの組み合わせで、第一のスイッチＳ１〜第四のスイッチＳ４を構成してもよい。
【００７４】
また、前記各実施形態では商用電源Ｖ１のゼロクロスを入力電圧検出部１でＶａｃ１信号として検出し、これをもとに正弦波生成部６００で商用電源Ｖ１と同相の正弦波ｓｉｎ１を生成しているが、この方法に限定するものではなく、例えば商用電源Ｖ１の交流電圧波形をもとに同相の正弦波ｓｉｎ１を生成してもよい。
【００７５】
以上を総括して、本発明の複数の実施形態を単独または連携させて実施することで、放電灯を点灯に至らしめる所定の起動シーケンスを実現できるのはもちろんのこと、簡素な構成であるにもかかわらず、入力電流高調波の少ない交流電流を商用電源Ｖ１に流すことができ、なおかつスイッチング素子であるＦＥＴ（Ｓ１〜Ｓ４）を損失が極めて少ない動作モードで常に動作させることが可能であり、さらに、第二の実施形態を組み合わせれば、電力の可変範囲を広くとることができる。この特性により、小型、高効率、低コストで入力電流高調波の極めて少ない放電灯点灯装置を構成することができ、様々照明器具等に利用できるため、産業上の利用効果は大きい。
【００７６】
この他、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、様々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７７】
１００  放電灯点灯装置
１  入力電圧検出部
２  回路電流検出部
３  放電灯
４  Ｃ２電圧検出部
５  管電圧検出部
６  制御部
６００  正弦波生成機能
６０１  増幅率調整機能
６０２  幅調整機能
６０３、６０４  コンパレータ
６０５  ラッチ機能
６０６、６０７  遅延生成
６０８  シーケンス制御
９００  ＺＶＳ補償機能
９０１  ＺＶＳマージン設定
【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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【図８】
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【図９】
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