(57)【要約】【課題】回路構成が簡単であり、かつ高効率化を図る。【解決手段】商用交流電源１からの交流電源電圧を整流する整流回路２と、この出力を昇圧する昇圧インバータ３と、昇圧インバータ３の出力を制限する限流回路４と、限流回路４の出力を直流電圧に変換する第２直流電源５と、第２直流電源５の出力を低周波の矩形波電圧に変換する矩形波インバータ６と、高圧パルスを発生する高圧パルス発生回路７と、ＨＩＤランプ８と、昇圧インバータ３及び矩形波インバータ６を制御する制御回路９とを備えている。従来例に見られる昇圧コンバータ、降圧コンバータを廃し、これに代えて変圧器を含む昇圧インバータとしたので個々のスイッチング素子の複雑な制御が必要なくなる。このため、装置全体の効率を向上させることができ、また制御回路９も簡単化することができる。【選択図】図１
2004022282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用交流電源を整流する整流回路を備え、この整流回路の出力を自励又は他励のスイッチング回路で一旦高周波電力に変換し、更にこの高周波電力を直流化する装置において、
そのスイッチング回路の主回路に変圧器の一次巻線を含み、その一次巻線に発生する電圧を二次巻線で昇圧し、該二次巻線に直列接続されたチョークコイル、及びキャパシタを含む限流回路と、
この限流回路の出力を更に全波整流器にて整流して、前記チョークコイルと別途設けたチョークコイルを介して前記キャパシタと別のキャパシタに充電し、直流電圧に変換する回路と、
この直流電圧回路の出力を低周波交流電圧に変換するフルブリッジ回路を介して低周波交流電圧をＨＩＤランプの両端に加えるよう構成したインバータ装置。
【請求項２】
前記商用交流電源を整流する整流回路の出力を直流電源に置き換えた請求項１に記載のインバータ装置。
【請求項３】
前記自励又は他励のスイッチング回路動作はプッシュプル方式であることを特徴とする請求項１又は２に記載のインバータ装置。
【請求項４】
前記自励又は他励のスイッチング回路動作はハーフブリッジ方式であることを特徴とする請求項１又は２に記載のインバータ装置。
【請求項５】
前記変圧器は、リーケージトランスであり、該変圧器の等価回路に限流素子としてのチョークコイルを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のインバータ装置。
【請求項６】
負荷としてのＨＩＤランプに高圧パルスを印加する高圧パルス発生回路を更に追加装備し、このランプに高圧パルスを印加することにより、該ランプを放電点灯させることを特徴とする請求項１又は２に記載のインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧ナトリウム灯、メタルハライド灯、高圧水銀灯などのＨＩＤランプを点灯させるインバータ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の従来の装置としては、例えば図３に示す様なものがある。この装置では、商用電源Ｖｓを全波整流器１０１により全波整流し、この全波整流器１０１の出力を昇圧コンバータ１０２により３５０Ｖ〜４００Ｖ程度に一旦昇圧して、この昇圧コンバータ１０２を構成する出力端の電界コンデンサ（図示せず）を充電している。次にこの電界コンデンサの電圧を降圧コンバータ１０３により３００Ｖ程度に降圧し、この降圧された直流電圧をフルブリッジ構成された低周波インバータ１０４にて矩形波（周波数は１００Ｈｚ〜５００Ｈｚ程度）に変換し、ＨＩＤランプ１０６の両端に加えて点灯する様にしている。そして矩形波にてＨＩＤランプを点灯することにより該ランプの音響的共鳴現象を防止している。尚、降圧コンバータ１０３と低周波インバータ１０４の間に設けた誘導素子（図示せず）は、点灯初期の急峻な短絡電流を防止するもので、その必要がなければ省略しても良い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の装置では、昇圧コンバータ１０２、降圧コンバータ１０３、及び矩形波インバータ１０４という３種類のスイッチング回路を用いている。このため、各スイッチング回路のスイッチング損失が積算されてしまい、装置全体の効率が８５％と低く、装置全体の発熱も多かった。また、各スイッチング回路別に、スイッチング素子を制御する必要があり、これらのスイッチング素子を制御する制御回路１０７が複雑化し、コストの大幅な上昇を招いた。
【０００４】
そこで、本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、回路構成が簡単であり、かつ高効率化を図ることが可能なインバータ装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、商用交流電源を整流する整流回路の出力を自励又は他励のスイッチング回路で一旦高周波電力に変換し、更にこの高周波電力を直流化する装置において、そのスイッチング回路の主回路に変圧器の一次巻線を含み、その一次巻線に発生する電圧を二次巻線で昇圧し、該二次巻線に直列接続されたチョークコイル、及びキャパシタを含む限流回路と、この限流回路の出力を更に全波整流器にて整流して、前記チョークコイルと別途設けたチョークコイルを介して前記キャパシタとは別のキャパシタに充電し、直流電圧に変換する回路と、この直流電圧回路の出力を低周波交流電圧に変換するフルブリッジ回路を介して低周波交流電圧をＨＩＤランプの両端に加えるよう構成したので、従来例（図３）に見られるような昇圧コンバータ、降圧コンバータが不要となった。又変圧器の二次巻線による昇圧インバータとしたことと、更に加えて変圧器の二次巻線に直列接続された限流回路のインピーダンスを調整することによりＨＩＤランプの開放時の電圧、放電初期の短絡状態時の電流、正常点灯に至った後のランプ電流値を適正値に保つことが可能となった。
【０００６】
本発明によれば、前述したように従来例における昇圧コンバータと次段の降圧コンバータが不要となるため、これ等を制御する個々の制御回路は不要となり、本発明のブロック図（図４）の様に非常に簡潔な制御回路となる。又昇圧コンバータ、降圧コンバータの二つを本発明によるインバータに置き換えられ、制御回路部の部品点数も大巾に削減することが出来るのでコスト低減の面からみても非常に魅力がある。また本発明によれば電力変換回路部分を一体化できるので、従来例に比べ省電力化に資するところ極めて大といわざるを得ない。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照して詳細に説明する。
【０００８】
図１は本発明のインバータ装置の第１実施形態を示す図である。商用交流電源１からの交流電源電圧を整流回路２で全波整流し、この出力を変圧器を介して昇圧する昇圧インバータ３と、昇圧インバータ３の出力を制御する限流回路４（限流素子４１と４２で構成する）と、限流回路４の出力を前記とは別の全波整流器５１で全波整流し、第２の限流素子であるチョークコイル５２を介してキャパシタ５３を充電し直流化する構成になっている。
【０００９】
又このキャパシタ５３両端の直流電圧を低周波の矩形波電圧に変換する矩形波インバータ６と、高圧パルスを発生する高圧パルス発生回路７と、ＨＩＤランプ８と、昇圧インバータ３及び矩形波インバータ６を制御する制御回路９とを備えている。
【００１０】
商用交流電源１からの交流電源電圧を整流回路２により全波整流して脈流電圧を形成し、この脈流電圧を定電流チョークコイル３１及びダイオード３２を介してリーケージトランス３３の一次巻線３３ａ，３３ａ’の中間タップＴに入力している。また、昇圧インバータ３の正極側より抵抗３４，３５，３６を介して各トランジスタ３７，３８のベース電極のいずれかに電流が流れる。例えば抵抗３４，３５を介して一方のトランジスタ３７のベースに電流が流れると、この一方のトランジスタ３７がオン状態となり、昇圧インバータ３の正極側よりリーケージトランス３３の一次巻線３３ａ’→トランジスタ３７のコレクタ及びエミッタ→昇圧インバータ３の負極側という電流経路が形成されて、この電流経路に沿って電流が流れる。この時リーケージトランス３３の帰還巻線３３ｂに誘導電圧が発生し、この誘導電圧により各トランジスタ３７，３８のベース電圧が反転変化して、一方のトランジスタ３７がオフに切り換わり、他方のトランジスタ３８がオンに切り換わる。そして、この他方のトランジスタ３８がオンになると、昇圧インバータ３の正極側よりリーケージトランス３３の一次巻線３３ａ→トランジスタ３８のコレクタ及びエミッタ→昇圧インバータ３の負極側という電流経路が形成されて、この電流経路に沿って電流が流れる。
【００１１】
と同時にリーケージトランス３３の帰還巻線３３ｂに逆方向の誘導電圧が発生し、この逆方向の誘導電圧により各トランジスタ３７，３８のベース電圧が変化して一方のトランジスタ３７がオンに、他方のトランジスタ３８がオフに切り換わり、昇圧インバータ３の正極側よりリーケージトランス３３の一次巻線３３ａ’→トランジスタ３７のコレクタ及びエミッタ→昇圧インバータ３の負極側という電流経路に電流が流れる。
【００１２】
以降同様に各トランジスタ３７，３８のオン及びオフが交互に繰り返されて、リーケージトランス３３の一次巻線３３ａ，３３ａ’とキャパシタ３９からなる共振回路の発振状態が急速に高まり、ある一定の共振状態になるとそれが維持され定常状態になる。また、この共振回路の共振過程で、リーケージトランス３３のベースドライブ用巻線３３ｃにも誘導電圧が発生し、この誘導電圧を整流して、電界コンデンサ３３１から各抵抗３３２，３５，３６を介して各トランジスタ３７，３８のベースに電流が供給される。
【００１３】
こうして昇圧インバータ３が発振して定常状態になると、リーケージトランス３３の一次巻線３３ａ，３３ａ’に高周波の正弦波の電圧が発生するので、リーケージトランス３３の二次巻線３３ｄにも一次巻線３３ａ，３３ａ’と二次巻線３３ｄの巻数比に応じた正弦波の電圧が発生する。
【００１４】
尚、昇圧インバータ３の発振周波数をｆとし、リーケージトランス３３の一次巻線３３ａ，３３ａ’のインダクタンスをＬとし、キャパシタ３９の容量をＣとすると、　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｆ＝１／（２π√（ＬＣ））
となる。
【００１５】
限流回路４は、リーケージトランス３３の二次巻線３３ｄに直列接続されたチョークコイル４１及びキャパシタ４２から成り、二次巻線３３ｄの出力電圧、及びそのインダクタンス、またチョークコイル４１とキャパシタ４２の合成インピーダンスによって、二次巻線３３ｄの出力電流が概略決まる。つまり、出力電流は、この４つの値により制限される。図５に当該回路のベクトル図の概略を示す。
【００１６】
次に、この限流回路４からの高周波電力は第２の全波整流回路５１により全波整流され、チョークコイル５２を介してキャパシタ５３を充電し直流化される。このチョークコイル５２も限流素子として活用できることは勿論である。
【００１７】
次に、このキャパシタ５３により直流化された電圧がフルブリッジ構成された低周波インバータ６に加えられる。
【００１８】
該インバータはＦＥＴ６１，６２の両端及びＦＥＴ６３，６４の両端が第２の直流電源５の正側と負側に接続され、即ちキャパシタ５３の両端に接続され、各ＦＥＴ６１，６２の中間点及びＦＥＴ６３，６４の中間点が高圧パルス発生回路７を介してＨＩＤランプ８の両端にそれぞれ接続されている。各ＦＥＴ６１，６２，６３，６４は制御回路９によりオン、オフ制御される。ここで各ＦＥＴ６１，６４がオンかつ各ＦＥＴ６２，６３がオフの時第２の直流電源５の正側→ＦＥＴ６１→ＨＩＤランプ８→ＦＥＴ６４→第２の直流電源５の負側という電流経路で電流が流れる。また、各ＦＥＴ６１，６４がオフかつ各ＦＥＴ６２，６３がオンの時第２の直流電源５の正側→ＦＥＴ６３→ＨＩＤランプ８→ＦＥＴ６２→第２の直流電源５の負側という電流経路で逆方向に電流が流れる。
【００１９】
このように各ＦＥＴ６１，６２，６３，６４がオン、オフを繰り返すことにより矩形波電圧がＨＩＤランプ８に印加される。この矩形波交流電圧の印加により、ＨＩＤランプ８の音響的共鳴現象が防止される。この矩形波交流電圧の周波数は１００Ｈｚ〜５００Ｈｚ程度である。
【００２０】
高圧パルス発生回路７は、ＨＩＤランプ８の放電開始時に３ｋＶ〜５ｋＶ程度の高圧パルスをＨＩＤランプ８の両端に印加してＨＩＤランプ８内にグロー放電を発生させ、これがアーク放電へと移行してゆく。
【００２１】
矩形波インバータ６からの矩形波の印加により該ＨＩＤランプ８は音響的共鳴現象を生じることなく正常にアーク放電を維持する。
【００２２】
この様に本実施形態のインバータ装置では前述した様に昇圧インバータ３を構成するリーケージトランス３３の二次巻線３３ｄの出力電圧、及びそのインダクタンス、またチョークコイル４１とキャパシタ４２の合成インピーダンスによって二次巻線３３ｄからの出力電流が概略決まる。更に言うならばリーケージトランス３３の無負荷時の出力電圧、ＨＩＤランプ放電初期時の短絡電流、正常点灯に至った後のランプ電流値を適正値に保つことができる。
【００２３】
また、ダイオード３２を挿入しているので昇圧インバータ３のスイッチングによるノイズも軽減される。更に昇圧インバータを構成するリーケージトランス３３は絶縁形（一次側、二次側は磁気的に結合されているだけである）であるため、ＨＩＤランプ８側のノイズが入力側にフィードバックされることも極めて軽微である。
【００２４】
しかも図３の従来の装置の様に昇圧コンバータと降圧コンバータの２つを必要としないため、各スイッチング素子の制御回路が大幅に簡略化することができる。又リーケージトランス３３の二次側に限流回路４を設けてあるので入力電源１の変動によるＨＩＤランプ８の電流変化に対してもかなりの程度対応可能である。特に始動時の短絡電流を抑制したい時はキャパシタ５３と矩形波インバータの間に誘導素子（図示せず）を挿入してもよい。
【００２５】
尚、ＨＩＤランプ８には放電始動装置を内蔵するものがあり、この場合は高圧パルス発生回路７は格別に設ける必要がない。
【００２６】
また、リーケージトランス３３は、等価回路的に単なるトランスとチョークコイルを直列接続したものと同じであるからリーケージトランスに代えてこの方式を用いてもよい。
【００２７】
図２は本発明のインバータ装置の第２実施形態を示す図である。
【００２８】
本実施形態のインバータ装置では、図１の装置における昇圧インバータ３の代わりに昇圧インバータ１３を適用しており、図１と比較すると昇圧インバータ１３の動作だけが異なる。このため、ここでは昇圧インバータ１３の動作のみ説明する。
【００２９】
昇圧インバータ１３は他励式のハーフブリッジ形のインバータである。先ず制御回路９により、第１及び第２ＦＥＴ１３４，１３５を高速スイッチングさせる前には、交流電源電圧を第１の整流回路２により全波整流して脈流電圧を形成し、この脈流電圧を定電流チョークコイル１３１→ダイオード１３２→トランス１３６の一次巻線１３６ａ→キャパシタ１３７→第２キャパシタ１３９→昇圧インバータ１３の負側という電流経路で電流が流れ第２キャパシタ１３９が充電される。又ダイオード１３２を経て電界コンデンサ１３３、第１のキャパシタ１３８、第２のキャパシタ１３９も充電される。
【００３０】
次に、制御回路９により第１ＦＥＴ１３４をオンにして第２ＦＥＴ１３５をオフにする。この時定電流チョークコイル１３１→ダイオード１３２→トランス１３６の一次巻線１３６ａ→キャパシタ１３７→第２キャパシタ１３９→昇圧インバータ１３の負側という電流経路で電流が流れ、第２のキャパシタ１３９が充電される。と同時に電界コンデンサ１３３、第１のキャパシタ１３８からも第１のＦＥＴ１３４→トランス１３６の一次巻線１３６ａ→キャパシタ１３７→第２のキャパシタ１３９→昇圧インバータ１３の負側という電流経路で電流が流れる。
【００３１】
上記のモードを経るときトランス１３６の一次巻線１３６ａに磁気エネルギーが蓄積される。
【００３２】
次に制御回路９により第１及び第２のＦＥＴ１３４，１３５を共にオフにする。この時トランス１３６の一次巻線１３６ａに蓄積されていたエネルギーが放出されて、第１ＦＥＴ１３４のダイオード１３４’を通して電界コンデンサ１３３、第１キャパシタ１３８へと電流が流れ、電界コンデンサ１３３、第１キャパシタ１３８が充電される。
【００３３】
次に制御回路９により第１のＦＥＴ１３４をオフに、第２のＦＥＴ１３５をオンにする。この時第２のキャパシタ１３９が放電し、第２のキャパシタ１３９→キャパシタ１３７、トランス１３６の一次巻線１３６ａ→第２のＦＥＴ１３５という電流経路で電流が流れる。
【００３４】
以上の状態を順次繰り返し、これに伴ってトランス１３６の一次巻線１３６ａとキャパシタ１３７から成る回路に振動電流が流れ、正弦波状の定常電流が流れるようになる。
【００３５】
このトランス１３６の一次巻線１３６ａに流れる電流は高周波の正弦波状の電流であるからトランス１３６の二次巻線１３６ｂにも一次巻線１３６ａと二次巻線１３６ｂの巻数比に応じた正弦波状の電圧が発生する。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明した様に本発明によれば従来例に見られる昇圧コンバータ、降圧コンバータを廃し、これに代えて変圧器を含む昇圧インバータとしたので個々のスイッチング素子の複雑な制御が必要なくなるので、スイッチング素子を制御する制御回路を簡略化することができる。また昇圧インバータの変圧器の二次巻線による昇圧インバータとしたことと更に変圧器の二次巻線に直列接続された限流回路のインピーダンスを調整することによりＨＩＤランプの開放時の電圧、放電初期の短絡状態時の電流、正常点灯に至った後のランプ電流値を適正値に保つことが可能となった。
【００３７】
又昇圧インバータとしてプッシュプル形あるいはハーフブリッジ形のスイッチング方式によって動作させることができるので制御が簡略化され（自励または他励のいずれでもよい）、従って大幅なコストダウンが実現できる。
【００３８】
更に従来の昇圧コンバータ、降圧コンバータのスイッチング素子による損失も軽減できるので省電力に資すると共に、ノイズ対策も極めて容易となる。
【００３９】
更に加えていうならば高周波ガイドラインが基づいているＩＥＣ規格ＩＥＣ６１０００の規準を満たしておることは勿論のことである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインバータ装置の第１実施形態を示す回路図である。
【図２】本発明のインバータ装置の第２実施形態を示す回路図である。
【図３】従来のインバータ装置を示すブロック図である。
【図４】本発明のインバータ装置を示すブロック図である。
【図５】本発明のインバータ装置を構成する高周波トランスの入出力関係を示すベクトル図であり、（ａ）は遅相回路の場合、（ｂ）は進相回路の場合。
【符号の説明】
１　　商用交流電源
２　　整流回路
３　　昇圧インバータ
４　　限流回路
５　　第２直流電源
６　　低周波インバータ（矩形波インバータ）
７　　高圧パルス発生回路
８　　ＨＩＤランプ
９　　制御回路
【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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