(57)【要約】【課題】半導体素子からなるランプ駆動回路を含むランプ制御システムに関し、小型化を図り、またランプ駆動回路の信頼性の高いものとすることを目的とする。【解決手段】白熱ランプ、放電ランプ等のランプ３とワイドギャップ半導体（バンドギャップエネルギーは３．０ｅＶ以上のもの、例えば、ＧａＮ系半導体等）からなる素子を含む定電流回路または、インバータ回路等といったランプ駆動回路２、電源供給部１を組み込んだランプ制御システムを構成する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランプと前記ランプを駆動制御するワイドギャップ半導体素子を含むランプ駆動回路とを備えたことを特徴とするランプ制御システム。
【請求項２】
前記ランプが白熱ランプであり、前記ランプ駆動回路は定電流回路であることを特徴とする請求項１記載のランプ制御システム。
【請求項３】
前記定電流回路は前記ワイドギャップ半導体からなる素子のみからなることを特徴とする請求項２記載のランプ制御システム。
【請求項４】
前記素子は前記白熱ランプの電極に直列接続されていることを特徴とする請求項３記載のランプ制御システム。
【請求項５】
前記ランプ駆動回路は、前記白熱ランプ内に組み込まれたことを特徴とする請求項２〜４記載のランプ制御システム。
【請求項６】
前記ランプが放電ランプであり、前記ランプ駆動回路は前記放電ランプを点灯駆動するインバータ回路を含むことを特徴とする請求項１記載のランプ制御システム。
【請求項７】
前記ランプ駆動回路は、前記ランプが放電しうる電圧にまで昇圧調整する電力調整回路を更に含むことを特徴とする請求項６記載のランプ制御システム。
【請求項８】
前記ランプ駆動回路と前記放電ランプは熱的に接続されていることを特徴とする、請求項６または７記載のランプ制御システム。
【請求項９】
前記ワイドギャップ半導体のバンドギャップエネルギーは３．０ｅＶ以上であることを特徴とする請求項１〜８記載のランプ制御システム。
【請求項１０】
前記ワイドギャップ半導体はＧａＮ系半導体であることを特徴とする請求項１〜８記載のランプ制御システム。
【請求項１１】
前記ワイドギャップ半導体はＳｉＣ半導体、ダイヤモンド半導体であることを特徴とする請求項１〜８記載のランプ制御システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はランプ制御システムに関するものである。また、本発明は特に、半導体素子を組み込んだランプ駆動回路を含む小型化したランプ制御システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術に係るランプ制御システムを図１のように、電源供給部１、ランプ駆動回路２、ランプ３を組み込んだものとして定義する。
ランプ３としては、フィラメントを白熱させるもの、及び、放電現象を用いるものがある。フィラメントを白熱させるもの（白熱ランプ）としては、白熱電球、ハロゲンランプがあり、放電現象を用いるもの（放電ランプ）としては、蛍光ランプ、及び、水銀ランプ、ナトリウムランプ、メタルハライドランプ等のＨＩＤランプがある。
【０００３】
ここで、白熱ランプの場合、点灯前は、フィラメント温度が低いため、抵抗が低く、通電開始直後は突入電流と呼ばれる大電流が流れる。突入電流により、電源回路側に負担がかかり、また、ランプの寿命が短くなる原因にもなるため、突入電流を抑制制御するための素子を組み込んだ回路が必要な場合がある。
また、放電ランプの場合、図３のように電源電圧をランプ３が放電しうる電圧にまで電力調整する電力調整回路、インバータ回路、ランプ３を点灯させるための高電圧を発生させるイグナイタ回路等を組み込んだランプ駆動回路２が必要である。
【０００４】
従来は、白熱ランプの突入電流を所定の値で抑制するために、図２（ｂ）のような、Ｓｉ半導体素子からなる定電流回路をランプ駆動回路として用いていた。また、放電ランプの場合は、Ｓｉ半導体素子からなるインバータ回路、電力調整回路をランプ駆動回路として用いていた。これらの回路は、小型化のため、回路とランプを一緒に組み込んでランプ制御システムにすることが多い。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１２４１２３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｓｉ半導体素子（トランジスタ）からなる定電流回路を用いる場合は、Ｓｉ半導体素子単体のみでは、定電流回路の電流値を数１０ｍＡ以上にすることができず、図２（ｂ）のように単体のトランジスタ以外に抵抗等も組みあわせなければ（定電流回路の種類によってはダイオードも必要）、定電流回路の電流値が数Ａのものを作成することができないという問題があった。さらに、定電流が数Ａの定電流回路は発熱するため、これを冷却する手段も必要であった。
また、Ｓｉ半導体素子からなるインバータ回路を用いた場合は、インバータ回路自身の発熱、ランプからインバータ回路へ伝わってくる熱を放散させるための放熱手段が必要になるという問題があった。
【０００７】
以上の問題により、白熱ランプまたは放電ランプを用いたランプ制御システムは共にその構造が複雑になるという問題があった。また、白熱ランプ、放電ランプは共に、点灯中は相当高温となるため、ランプ駆動回路とランプを近くに設置し、ランプ制御システムの小型化を図ろうとすると、ランプの発熱がランプ駆動回路に伝わり、半導体素子が熱暴走する恐れもあった。そこで、本発明は、半導体素子からなるランプ駆動回路を含むランプ制御システムに関し、小型化を図り、またランプ駆動回路の信頼性の高いものとすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明の第一は、請求項１記載のように、ランプと前記ランプを駆動制御するワイドギャップ半導体素子を含むランプ駆動回路とを備えたことを特徴とするランプ制御システムである。
【０００９】
本発明の第二は、請求項２記載のように、前記ランプが白熱ランプであり、前記ランプ駆動回路は定電流回路であることを特徴とする請求項１記載のランプ制御システムである。
【００１０】
本発明の第三は、請求項３記載のように、前記定電流回路は前記ワイドギャップ半導体からなる素子のみからなることを特徴とするランプ制御システムである。
【００１１】
本発明の第四は、請求項４記載のように、前記素子は前記白熱ランプの電極に直列接続されていることを特徴とするランプ制御システムである。
【００１２】
本発明の第五は、請求項５記載のように、前記ランプ駆動回路は、前記白熱ランプ内に組み込まれたことを特徴とするランプ制御システムである。
【００１３】
本発明の第六は、請求項６記載のように、前記ランプが放電ランプであり、前記ランプ駆動回路は前記放電ランプを点灯駆動するインバータ回路を含むことを特徴とするランプ制御システムである。
【００１４】
本発明の第七は、請求項７記載のように、前記ランプ駆動回路は、前記ランプが放電しうる電圧にまで昇圧調整する電力調整回路を更に含むことを特徴とするランプ制御システムである。
【００１５】
本発明の第八は、請求項８記載のように、前記ランプ駆動回路と前記放電ランプは熱的に接続されていることを特徴とするランプ制御システムである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１のランプ制御システムは、電源供給部１、ランプ駆動回路２、ランプ３からなり、電源供給部１とランプ駆動回路２、及びランプ駆動回路２とランプ３とが、配線により接続されている。本発明のランプ制御システムは、図１のこれらの３つを少なくとも含んでいる。また、図４のように、必要に応じランプ３からの光を反射するリフレクタ４とランプ３がセットになっているランプ制御システムであっても良い。さらに、電源供給部１は必ずしも端子状になっている必要はない。
【００１７】
本発明においてランプ３には、白熱ランプ又は放電ランプといった点灯中に大量の熱を発生するものが用いられる。ここで、白熱ランプには白熱電球、ハロゲンランプ、放電ランプには、蛍光ランプ、及び、水銀ランプ、ナトリウムランプ、メタルハライドランプ等のＨＩＤランプを適用することができる。
【００１８】
ランプ３に白熱ランプを用いる場合は、点灯時の突入電流を阻止するため、ランプ駆動回路２として定電流回路を採用する。定電流回路は、図２（ａ）のように、専用の定電流ダイオードを単体のみで用いるもの、または、図２（ｂ）のようにトランジスタと抵抗を用いるものがある。さらに、定電流回路は、当該回路の２つの端子に流れる電流を所定の値に保つため、白熱ランプの電極と直列に接続される。
【００１９】
定電流回路からなるランプ駆動回路２は、図５のように白熱ランプ３内に組み込むこともできる。通常のＳｉ系の半導体を用いたトランジスタでは１００℃以上の温度では熱暴走をするので、点灯時に高温となるランプのガラス球体内に設けることはできない。しかしながら、ワイドギャップの半導体からなるトランジスタ、定電流ダイオードを用いれば６００℃以上の温度においても熱暴走しないため以上のことが可能である。
【００２０】
ランプ３に放電ランプを用いる場合は、電源供給部１の電圧は通常、放電ランプの点灯駆動電圧よりも低いため、インバータ回路を含んだランプ駆動回路２を設ける。このランプ駆動回路２には、図３のように、ランプ３が放電しうる電圧にまで昇圧調整する電力調整回路、ランプ３を点灯させるための高電圧を発生させるイグナイタ回路も設ける。インバータ回路を含んだランプ駆動回路２は図３のように、電源供給部１からの電力を入力する端子、放電ランプ３に接続する出力端を有する。
【００２１】
本発明に係る、定電流回路、インバータ回路を含んだランプ駆動回路２に用いられる、トランジスタ、ダイオード等の半導体素子の半導体材料としてはＳｉやＧａＡｓといったバンドギャップエネルギーの大きさが１．０〜１．５ｅＶ程度のナローバンドギャップの半導体ではなく、ワイドバンドギャップの半導体を用いる。
【００２２】
例えば、バンドギャップエネルギーの大きさが３．０ｅＶ以上のワイドギャップ半導体を用いた半導体素子は、６００℃以上の高温においても半導体が真性領域にいたらず正常な動作をする。ワイドギャップ半導体としては例えば、ＧａＮ系半導体、ＡｌＮ半導体、ＳｉＣ半導体、ダイヤモンド半導体などが現在のところ挙げられる。
【００２３】
本発明に係るランプ制御システムでは、ランプを点灯駆動するランプ駆動回路２に用いられる半導体素子にワイドギャップ半導体からなるものを用いているため、ランプ駆動回路２自身から発生する熱を放熱するための手段の省略又は簡略化ができる。
【００２４】
さらに、点灯中のランプも相当高温になるため、従来のナローギャップ半導体からなる素子を用いたランプ駆動回路はランプから伝わってきた熱を放熱させるフィンなどの放熱手段が必要であった。しかし本発明の駆動回路２は、放熱手段を省略又は簡略化することができ、さらに図４（ｂ）のように、ランプ３とランプ駆動回路２（金属ケース７に格納される）を共に一体化することも可能である。この状態では、ランプ３の熱がランプ保持部６、金属ケース７を伝わり、ランプ駆動回路２と熱的に接続される。
【００２５】
（実施例１）
本実施例では、白熱ランプを用いたランプ制御システムについて説明する。このランプ制御システムは図４（ａ）のように、リフレクタ４、ランプ保持部６、ハロゲンランプ３、定電流回路からなるランプ駆動回路２、電源供給部１からなっている。
【００２６】
リフレクタ４は、前面側に凹面状の反射鏡５が形成され、その中央部にハロゲンランプ３を保持するためのランプ保持部６が形成されている。反射鏡５には樹脂材料の表面に金属を蒸着させたものを用いた。
【００２７】
ハロゲンランプ３は、５５Ｗの自動車用のものを用い、電源供給部１には１２Ｖの直流電圧を加えた。定電流回路は、二端子からなり、一方の端子に直流電圧を加えたときに定電流回路が順方向の接続になるようにランプ３側に直列接続した。なお、定電流回路は図２（ａ）のようなＧａＮ系半導体からなる定電流ダイオードのみを用いた回路、または、図２（ｂ）のようなＧａＮ系半導体からなるＦＥＴと抵抗を用いた回路を採用した。
【００２８】
図２（ａ）の定電流ダイオードの構造は図６に示すように、ＧａＮ系半導体からなるものを用いている。この定電流ダイオードは、以下のようにして作製される。
まず、ガスソース分子線エピタキシャル成長法（ＧＳＭＢＥ法）で積層構造を製造した。
サファイア基板８上に、Ｎ源としてジメチルヒドラジン（５×１０−５Ｔｏｒｒ）、Ｇａ源として金属Ｇａ（５×１０−７Ｔｏｒｒ）、ｐ型ドーパントである金属Ｍｇ（５×１０−９Ｔｏｒｒ）を用い、成長温度６４０℃で厚み５０ｎｍのＧａＮバッファ層９を成膜した。更にその上に、Ｎ源としてアンモニア（５×１０−６Ｔｏｒｒ）、Ｇａ源として金属Ｇａ（５×１０−７Ｔｏｒｒ）、Ａｌ源としてＡｌ（１×１０−７Ｔｏｒｒ）およびｐ型ドーパントである金属Ｍｇ（５×１０−９Ｔｏｒｒ）を加え、成長温度８５０℃で厚み２μｍのｐ−ＡｌｗＧａ１−ｗＮからなるｐ型半導体層１０（ドーピング濃度５×１０１８ｃｍ−３）を成膜し積層構造が完成する。
【００２９】
そして、ｐ−ＡｌｗＧａ１−ｗＮ（ｐ型半導体層１０）の表面にプラズマＣＶＤ法でＳｉＯ２膜を成膜したのち、フォトレジストでパターニングし、このＳｉＯ２膜をマスクとして湿式エッチングを行い開口を設けた。なお、エッチングの深さは１μｍとした。エッチング終了後、エッチング部分にｎ型ドーパントである金属Ｓｉ（５×１０−９Ｔｏｒｒ）を用い、成長温度８５０℃でｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる層（ｎ型半導体層１１）（ドーピング濃度５×１０１８ｍ−３）を成膜し、開口部を埋めた。
【００３０】
開口部を埋め込み後、ＳｉＯ２膜をフッ化水素酸で剥離し、再びＳｉＯ２膜を成膜し、フォトレジストでパターニングし、このＳｉＯ２膜をマスクとして湿式エッチングを行い開口を設けた。このときのエッチング深さは０．５μｍである。開口部にｐ−ＡｌｗＧａ１−ｗＮからなるｐ型半導体層１２（ドーピング濃度５×１０１８ｃｍ−３）を成膜し、開口を埋めた。
【００３１】
さらに、同様の工程でｎ−ＧａＮからなるｎ＋型半導体層１３（ドーピング濃度５×１０１９ｃｍ−３）を形成し、すべての半導体層の成膜工程が終了する。成膜工程が終了後、ｐ−ＡｌｗＧａ１−ｗＮ（ｐ型半導体層１０）側に電極を形成するため、ＳｉＯ２膜をマスクとした湿式エッチングを行い開口を設け、開口部にＴｉ／Ｐｔを蒸着してアノード電極１４を形成（電極が形成される半導体層の面積は２×２ｍｍ２である）した。アノード電極１４を形成後、ｎ＋型半導体層１３の表面にＡｌ／Ｔｉ／Ａｕを蒸着してカソード電極１５を形成（電極が形成される半導体層の面積は２×２ｍｍ２である）する。そして、最後に、ｐ−ＡｌｗＧａ１−ｗＮ（ｐ型半導体層１０）、ｐ−ＡｌｗＧａ１−ｗＮ（ｐ型半導体層１２）の表面にｎ型半導体層１１をまたがるように、Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕを蒸着し、ショート電極１６を形成し、定電流ダイオードが完成した。
【００３２】
図２（ｂ）のＧａＮ系半導体からなるＦＥＴと抵抗を用いた回路を採用した場合のＧａＮ系半導体ＦＥＴは特開平１０−１８９９４４号公報に開示されているようなものを用いた。製法は当該公報に開示されているので省略する。
【００３３】
（実施例２）
本実施例は、図５のようにハロゲンランプ３中に、図６のＧａＮ系半導体からなる定電流ダイオードからなるランプ駆動回路２を組み込んだものである。本実施例によれば、ランプの外部にランプ駆動回路２を設ける必要がなく、既存の反射鏡６とハロゲンランプ３を保持するためのランプ保持部６を有するリフレクタ４をそのまま用いることが可能である。ハロゲンランプ３が点灯しているときは、ランプ３内の温度は数百℃にも達するが、定電流ダイオードがＧａＮ系半導体により構成されているため、正常に動作した。
【００３４】
上述した実施例では、ハロゲンランプ３の電源として直流のものを用いていたが、定電流回路の構成に、ＧａＮ系半導体からなる定電流ダイオード２つの極性を逆どうしにして並列に接続したものを用いることで、交流で駆動することも可能である。
【００３５】
（実施例３）
本実施例では、放電ランプを用いたランプ制御システムについて説明する。このランプ制御システムは図４（ｂ）のように、電源供給部１、金属ケース７内に格納されたインバータ回路を含むランプ駆動回路２、メタルハライドランプ３、リフレクタ４からなっている。
【００３６】
リフレクタ４は、前面側に凹面状の反射鏡５が形成され、その中央部にメタルハライドランプ３を保持するためのランプ保持部６が形成されている。反射鏡５には樹脂材料の表面に金属を蒸着させたものを用いた。
メタルハライドランプ３は、３５Ｗの自動車用のものを用い、電源供給部１には１２Ｖの直流電圧を加えた。
【００３７】
ランプ駆動回路２は図３のように、電源供給部１から供給された１２Ｖの直流電圧をランプ３が定常放電可能な電圧１００Ｖ程度にまで昇圧調整する電力調整回路、これを矩形波に変換するインバータ回路、点灯時の数十ｋＶ程度の高圧を発生するイグナイタ回路からなる。
電力調整回路では、入力直流電力をＧａＮ系半導体からなるスイッチング素子でスイッチングをし、トランスで変圧できるようにする。また、スイッチング素子は、ＧａＮ系半導体から構成されるＦＥＴを用いた。
【００３８】
インバータ回路は、図３のように、スイッチング素子を４つ用いた通常の構成のインバータ回路からなる。ここで、スイッチング素子は、ＧａＮ系半導体からなるＦＥＴを用いた。なお、電力調整回路、インバータ回路で用いるＧａＮ系半導体からなるＦＥＴは実施例３で用いた特開平１０−１８９９４４号公報に開示されているＦＥＴと同様のものを採用した。
【００３９】
イグナイタ回路は図３のように充電回路とパルス発生回路からなり、充電回路は整流用のダイオード、コンデンサ、及び充電電流制限用の抵抗から構成されている通常のものである。また、パルス発生回路はパルストランスと自己消弧型スイッチング素子からなる。ここで、ダイオード、自己消弧型スイッチング素子はＳｉ系の半導体からなるものであるが、ＧａＮ系の半導体からなるものを用いても良い。
【００４０】
上述した電力調整回路、インバータ回路、イグナイタ回路からなるランプ駆動回路２は図４（ｂ）のように直方体の形状を有する金属ケース７内にまとまられている。なお、特開２００２−１２４１２３号公報に記載されたランプ駆動回路のように、電力調整回路、インバータ回路から発生する熱を放熱されるためのフィンを設ける必要は無い。これらの回路を構成する半導体素子がＧａＮ系半導体からなり前記半導体が高温状態にあっても正常動作範囲内であるため、発熱素子の放熱構造を設置しなくても正常動作するためである。
【００４１】
さらに、図４（ｂ）のようにメタルハライドランプ３を保持するためのランプ保持部６とランプ駆動回路２を内蔵する金属ケース７は直接接触している。すなわち、メタルハライドランプ３の発熱がランプ駆動回路２に伝わるように熱的に接続されている。また、メタルハライドランプ３が点灯中は相当高温になり、その熱が金属ケース７に伝わり、ランプ駆動回路２も高温になる。しかし、ランプ駆動回路２を構成する半導体素子がＧａＮ系半導体からなっているため、正常動作する。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、発熱素子の放熱構造を設置しなくても正常動作する半導体素子を組み込んだランプ駆動回路をランプ制御システムに設けることによりランプ制御システム制御システムを小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態及び従来技術に係るランプ制御システムの構成の概略である。
【図２】本発明の実施の形態、及び従来技術に係るランプ制御システムのランプ駆動回路ののうち、定電流回路の回路図である。ａ）は半導体素子単体からなるもの、ｂ）は半導体素子と抵抗を組み合わせたものである。
【図３】本発明の実施の形態、及び従来技術に係るランプ制御システムのランプ駆動回路ののうち、インバータ回路を含む回路図である。
【図４】本発明の実施の形態及び従来技術に係るランプ制御システムの例である。ａ）はランプに白熱ランプを用いるもの、ｂ）はランプに放電ランプを用いるものである。
【図５】本発明の実施の形態のうち、白熱ランプ中に定電流回路を組み込んだものである。
【図６】本発明の定電流回路に用いられる定電流ダイオードの断面図である。
【符号の説明】
１  電源供給部
２    ランプ駆動回路
３  ランプ
４  リフレクタ
５  反射鏡
６  ランプ保持部
７  金属ケース
８  基板
９  バッファ層
１０  ｐ型半導体層
１１  ｎ型半導体層
１２  ｐ型半導体層
１３  ｎ＋型半導体層
１４  アノード電極
１５  カソード電極
１６  ショート電極
【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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