(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＷＭパルスにより駆動されるスイッチング素子を含み、放電ランプに供給される電力の制御を行うためのバックコンバータを有する装置の制御方法であって、
第１の周波数のＰＷＭパルスを用い、前記バックコンバータの出力電力が一定となるように制御する第１の工程と、
この第１の工程に先立つ、前記放電ランプの点灯初期の工程であって、前記第１の周波数よりも低い第２の周波数のＰＷＭパルスを用い、前記バックコンバータが電流不連続状態で動作し、前記バックコンバータの出力電圧がターゲット電圧となるように制御する点灯初期の工程とを有する制御方法。
【請求項２】
ＰＷＭパルスにより駆動されるスイッチング素子を含み、放電ランプに供給される電力の制御を行うためのバックコンバータを有する装置の制御方法であって、
第１の周波数のＰＷＭパルスを用い、前記バックコンバータの出力電力が一定となるように制御する第１の工程と、
この第１の工程に先立つ、前記放電ランプの点灯初期の工程であって、前記第１の周波数よりも低い第２の周波数のＰＷＭパルスを用い、前記バックコンバータが電流不連続状態で動作し、前記バックコンバータの出力電圧が最大となるように制御する点灯初期の工程とを有する制御方法。
【請求項３】
請求項１または２において、前記点灯初期の工程と前記第１の工程との間に含まれる第２の工程であって、前記第２の周波数のＰＷＭパルスを用い、前記バックコンバータの出力電力が一定となるように制御する第２の工程をさらに有する、制御方法。
【請求項４】
ＰＷＭパルスにより駆動されるスイッチング素子を含み、放電ランプに供給される電力の制御を行うためのバックコンバータと、
前記バックコンバータに前記ＰＷＭパルスを供給する制御ユニットとを有する放電ランプ用の電力供給装置であって、
前記制御ユニットは、第１の周波数のＰＷＭパルスを用い、前記バックコンバータの出力電力が一定となるように制御する機能と、
前記第１の周波数よりも低い第２の周波数のＰＷＭパルスを用い、前記バックコンバータの出力電圧が最大となるように制御する機能とを備えており、
前記バックコンバータは、前記第２の周波数のＰＷＭパルスにより、電流不連続状態で動作可能である、電力供給装置。
【請求項５】
請求項４において、前記制御ユニットは、前記第２の周波数のＰＷＭパルスを用い、前記バックコンバータの出力電力が一定となるように制御する機能をさらに有する、電力供給装置。
【請求項６】
ＰＷＭパルスにより駆動されるスイッチング素子を含み、放電ランプに供給される電力の制御を行うためのバックコンバータと、前記バックコンバータに前記ＰＷＭパルスを供給する制御ユニットとを有する電力供給装置を制御するためのプログラムであって、
前記制御ユニットにより、第１の周波数のＰＷＭパルスを用い、前記バックコンバータの出力電力が一定となるように制御する第１の工程と、
この第１の工程に先立つ、前記放電ランプの点灯初期の工程であって、前記第１の周波数よりも低い第２の周波数のＰＷＭパルスを用い、前記バックコンバータが電流不連続状態で動作し、前記バックコンバータの出力電圧が最大となるように制御する点灯初期の工程とを含む制御を行うためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧放電ランプ（ＨＩＤランプ）などの放電ランプを点灯するのに適した電力供給装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
放電ランプを点灯するための電力供給装置として、バックコンバータ（降圧コンバータ）を用いた電力供給装置が知られている。放電ランプは、ブレークダウン後のグロー放電段階を経て、定常状態のアーク放電に移行する。このため、電力供給装置は、点灯初期には、グロー放電を行なうための高電圧を供給する必要がある。さらに、電力供給装置は、グロー放電からアーク放電へ移行する際には、アーク放電が持続するために充分な電力を供給する必要がある。
【０００３】
特許文献１は、平滑用のコンデンサの容量を点灯初期には小さくして充分なエネルギーが供給されるようにし、アーク放電に移行した定常状態ではコンデンサの容量を大きくして高周波リップル成分を低減できるようにすることが開示されている。
【特許文献１】特開２０００−１２３９８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
バックコンバータを有する電力供給装置であって、ブースト（昇圧）機能を有さないものは、構成が簡易でコンパクトになる反面、入力電圧を超える電圧を出力することはできない。プロジェクタの光源などに用いられるＨＩＤランプの場合、点灯初期のグロー放電段階では２００Ｖ程度の電圧を供給することが要望される。一方、入力電圧が低い条件でも、安定してＨＩＤランプを点灯できることが常に要求される。
【０００５】
周波数が一定のＰＷＭパルスのデューティーを変えることにより電力を制御できるＰＷＭ方式のバックコンバータは、実績も多く、また、周波数を充分に高くしてＨＩＤランプなどとの共鳴を防止できるなどのメリットも多いために、電力供給装置には多く採用されている。しかしながら、チョークコイルに連続して電流が流れる電流連続状態では、式（１）に示すように、入力電圧Ｖｉのデューティー比（Ｔｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ））で決められる出力電圧Ｖｏしか出力できない。これに対し、グロー放電段階で流れる程度の電流Ｉｏでは、チョークコイルに不連続（断続的）に電流が流れる電流不連続状態になるようにチョークコイルのインダクタンスＬなどが選択されたバックコンバータを採用することにより、式（２）に示すように、入力電圧Ｖｉのデューティー比よりも高い出力電圧Ｖｏを出力できる。
【０００６】
Ｖｏ＝Ｔｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）×Ｖｉ  ・・・  （１）
Ｖｏ＝（Ｖｉ・Ｔｏｎ）２／（Ｖｉ・Ｔｏｎ２＋２・Ｉｏ・Ｌ（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ））
・・・  （２）
なお、上記式（１）および（２）は典型的なバックコンバータにおける電流連続状態（Ｉｏ＞（Ｖｏ／（２・Ｌ）・Ｔｏｆｆ））の出力電圧Ｖｏと、電流不連続状態（Ｉｏ＜（Ｖｏ／（２・Ｌ）・Ｔｏｆｆ））における出力電圧Ｖｏとをそれぞれ示すものである。
【０００７】
グロー放電からアーク放電に移行する際は、熱電子流が加わることにより電流Ｉｏが増加し、それにより放電電圧（出力電圧）Ｖｏが低下するが、その移行過程の高電圧な領域における電流供給能力が放電ランプの点灯し易さに大きな影響を与える。しかしながら、電流不連続状態では高出力電圧Ｖｏと、高出力電流Ｉｏとの両立を図ることが難しい。出力電流Ｉｏが増加すると出力電圧Ｖｏが低下し、さらに、電流連続状態に移行しやすくなる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、ＰＷＭパルスにより駆動されるスイッチング素子を含み、放電ランプに供給される電力の制御を行うためのバックコンバータを有する装置の制御方法であり、この制御方法は、第１の周波数のＰＷＭパルスを用い、バックコンバータの出力電力が一定となるように制御する第１の工程と、この第１の工程に先立つ、放電ランプの点灯初期の工程であって、第１の周波数よりも低い第２の周波数のＰＷＭパルスを用い、バックコンバータが電流不連続状態で動作し、バックコンバータの出力電圧がターゲット電圧となるように制御する点灯初期の工程とを有する。この制御方法は、第１の工程では、バックコンバータの出力電力が一定となるように第１の周波数のＰＷＭパルスのデューティーを制御し、放電ランプの点灯初期の工程では、バックコンバータの出力電圧がターゲット電圧となるように第２の周波数のＰＷＭパルスのデューティーを制御する。さらに具体的には、放電ランプの点灯初期の工程では、第１の周波数よりも低い第２の周波数のＰＷＭパルスを用い、バックコンバータが電流不連続状態で動作し、バックコンバータの出力電圧が最大となるように第２の周波数のＰＷＭパルスのデューティーを制御する。
【０００９】
この制御方法においては、点灯初期のグロー放電が始まる部分の電力供給を制御する点灯初期の工程と、アーク放電に移行した後の電力供給を制御する第１の工程とで、ＰＷＭパルスの周波数を変え、点灯初期の工程では、ＰＷＭパルスの周波数を下げる。このような制御を行うことにより、点灯初期の工程において、電流連続状態に移行させないように、バックコンバータの出力電流を増加させることができる。したがって、出力電圧が高くなるようにバックコンバータを制御しながら、出力電流供給能力を向上できる。
【００１０】
グロー放電からアーク放電に移行する際は、出力電流が増大することによりバックコンバータの状態は電流連続状態に移行する。この過程において、ＰＷＭパルスのパルス幅制御、すなわち、デューティー制御を最大電圧から電力一定へ切り替えることと、ＰＷＭパルスの周波数を切り替えることとを同時に行なっても良い。これら２つの制御要素をシーケンシャルに、段階的に切り換えても良く、放電ランプに対し、さらに安定した電力を供給し易い。すなわち、点灯初期の工程と第１の工程との間に、第２の周波数のＰＷＭパルスを用い、バックコンバータの出力電力が一定となるようにＰＷＭパルスのデューティーを制御する第２の工程を含むことが望ましい。放電電流の増加により出力電圧が所定の電圧以下になったときに、ＰＷＭパルスのデューティー制御を定電力制御に切り替え、放電ランプに電力供給を開始してから所定の時間が経過したときに、ＰＷＭパルスの周波数を切り換える制御が可能である。所定の時間が経過したときに、出力電圧が所定の電圧以下にならないときは点灯失敗と判断し、再トライあるいは点灯失敗により点灯中止となるようにすることができる。
【００１１】
本発明の他の態様は、ＰＷＭパルスにより駆動されるスイッチング素子を含み、放電ランプに供給される電力の制御を行うためのバックコンバータと、バックコンバータにＰＷＭパルスを供給する制御ユニットとを有する放電ランプ用の電力供給装置である。この電力供給装置の制御ユニットは、第１の周波数のＰＷＭパルスを用い、バックコンバータの出力電力が一定となるように制御する機能と、第１の周波数よりも低い第２の周波数のＰＷＭパルスを用い、バックコンバータの出力電圧が最大となるように制御する機能とを含む。さらに、バックコンバータは、第２の周波数のＰＷＭパルスにより、電流不連続状態で動作可能なものである。この制御ユニットにより、バックコンバータの出力電圧がターゲット電圧、すなわち、最大となるように第２の周波数のＰＷＭパルスのデューティーを制御することにより、バックコンバータを電流不連続状態で動作させることができ、点灯初期の工程として充分な高電圧を発生でき、充分な電流供給能力を備えた電力供給装置を提供できる。制御ユニットは、さらに、第２の周波数のＰＷＭパルスを用い、バックコンバータの出力電力が一定となるように制御する機能を有することが望ましい。
【００１２】
さらに、本発明の他の態様は、ＰＷＭパルスにより駆動されるスイッチング素子を含み、放電ランプに供給される電力の制御を行うためのバックコンバータと、バックコンバータにＰＷＭパルスを供給する制御ユニットとを有する電力供給装置を制御するためのプログラムであって、制御ユニットにより、第１の周波数のＰＷＭパルスを用い、バックコンバータの出力電力が一定となるように制御する第１の工程と、この第１の工程に先立つ、放電ランプの点灯初期の工程であって、第１の周波数よりも低い第２の周波数のＰＷＭパルスを用い、バックコンバータが電流不連続状態で動作し、バックコンバータの出力電圧が最大となるように制御する点灯初期の工程とを含む制御を行うためのプログラムである。このプログラムは、適当なタイプの記録媒体、例えば、ＲＯＭに記録して提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１に、本発明の一実施形態の電力供給装置の概略構成を示している。この電力供給装置１は、入力側１ｉに接続された直流電源２から、出力側１ｏに接続されたＨＩＤランプ（放電ランプ）３に電力を供給し、放電ランプ３を点灯する機能を備えている。電力供給装置１は、ＰＷＭパルスにより駆動されるスイッチング素子１１を含み、放電ランプ３に供給される電力の制御を行うためのバックコンバータ１０と、このバックコンバータ１０にＰＷＭパルスを供給することにより制御する制御ユニット２０と、放電ランプ３に絶縁破壊を生じさせるために高圧電圧を供給する高圧発生回路５とを備えている。高圧発生回路５は、サイダック６と、高圧トランス７とを備えた高圧ＤＣ−ＤＣ変換回路であり、数ｋＶの電圧を放電ランプ３に印加できるようになっている。
【００１４】
バックコンバータ１０は、入力電圧Ｖｉよりも低い電圧Ｖｏを出力する降圧型のコンバータである。典型的なバックコンバータ１０は、チョッピング用のスイッチング素子１１と、チョークコイル１２と、フライホイールダイオード１３と、平滑コンデンサ１４とを備えている。
【００１５】
制御ユニット２０は、電圧制御と電力制御とを行う機能を備えた制御ＩＣ２１と、制御ＩＣ２１からのフィードバック信号ＦＢに基づきパルス幅を変えたＰＷＭパルス２９を出力するＰＷＭパルスコントローラ２２とを備えている。この制御ユニット２０においては、制御ＩＣ２１は、バックコンバータ１０の出力側に設けられた電圧検出回路１５を介して出力電圧Ｖｏを検出する。そして、制御ＩＣ２１は、予め設定された電力に見合うターゲットの電流Ｉｔを出力し、そのターゲット電流Ｉｔと、バックコンバータ１０を流れる電流Ｉｏとをコンパレータ２３により比較した結果がパルスコントローラ２２に対してフィードバック信号ＦＢとして供給されるようになっている。パルスコントローラ２２は、制御ＩＣ２１から指定された周波数ｆのＰＷＭパルス２９を出力し、そのパルス幅を変えることによりＰＷＭパルス２９のデューティーを適切に制御する。
【００１６】
制御ＩＣ２１は、ＲＯＭ２５に格納されたプログラム２４をロードすることにより幾つかの機能を実現する。制御ＩＣ２１により実現される１つの機能は、パルスコントローラ２２から、第１の周波数（基準周波数）ｆ０のＰＷＭパルス２９であって、バックコンバータ１０の出力電力が一定となるようなデューティーのＰＷＭパルス２９を出力させる機能（第１の制御機能）２６である。この定常状態の制御機能２６により、放電ランプ３が定常状態で点灯するのに適した一定の電力を、バックコンバータ１０を介して供給できる。
【００１７】
制御ＩＣ２１により実現される他の機能の１つは、パルスコントローラ２２から、基準周波数ｆ０よりも低い第２の周波数、例えば１／２ｆ０の初期周波数ｆｉのＰＷＭパルス２９であって、バックコンバータ１０の出力電圧Ｖｏがターゲット電圧、本例においては最大電圧とするためのデューティーのＰＷＭパルス２９を出力させる点灯初期の制御機能２７である。この機能２７により、放電ランプ３の点灯初期においてグロー放電を維持するのに充分な高電圧および電流を、バックコンバータ１０を介して供給できる。バックコンバータ１０は、グロー放電領域の出力電流Ｉｏで、出力電圧Ｖｏが最大となるように制御されたデューティーの初期周波数ｆｉのＰＷＭパルス２９により駆動されると、チョークコイル１２に流れる電流が断続する、電流不連続状態で動作するようにチョークコイル１２のインダクタンスＬが選択されている。
【００１８】
制御ＩＣ２１により実現される他の機能の１つは、第２の周波数である初期周波数ｆｉのＰＷＭパルス２９を用い、パルスコントローラ２２から、バックコンバータ１０の出力電力が一定となるようなデューティーのＰＷＭパルス２９を出力させる機能（第２の制御機能）２８である。
【００１９】
図２に、放電ランプ３の点灯する状態を示している。放電ランプ３は、高圧が供給されて絶縁破壊するとグロー放電を開始し、それにより加熱されて熱電子が放出されだすとグロー放電からアーク放電に移行し、安定する。グロー放電の領域を維持するために、電力供給装置１は、２００−２５０Ｖ程度の高電圧を放電ランプ３に印加することが要求される。その後、グロー放電からアーク放電に移行するときは、電力供給装置１は、熱電子の放出に伴う電流の増加に対応できる電流供給能力が要求される。電力供給装置１の制御ユニット２０は、放電ランプ３の点灯初期は、点灯初期の制御機能２７により、低い初期周波数ｆｉのＰＷＭパルス２９を用いてバックコンバータ１０の出力電圧Ｖｏが最大になるように制御して、放電ランプ３の状態をグロー放電からアーク放電に移行させる。そして、出力電流Ｉｏが増加して出力電圧Ｖｏが低下すると、まず、第２の制御機能２８により初期周波数ｆｉのＰＷＭパルス２９を用いて定電力制御に移行し、その後、所定の時間が経過すると、第１の制御機能２６により、基準周波数ｆ０のＰＷＭパルス２９を用いて定電力制御を行う。
【００２０】
図３に、電力供給装置１により放電ランプ３を点灯するときの動作をフローチャートにより示している。また、図４に、点灯初期のバックコンバータ１０の出力電圧Ｖｏおよび電流Ｉｏの変化の概要を示している。ステップ５１において、時刻ｔ０に、電力供給装置１の入力側１ｉに直流電力が供給されると、その電圧により制御ＩＣ２１がリセットされ、放電ランプ３を点灯する処理を開始する。
【００２１】
点灯初期のステップ５２において、制御ＩＣ２１は、点灯初期の制御機能２７により、ＰＷＭパルス２９の周波数ｆを、基準周波数ｆ０より低い初期周波数ｆｉにセットする。この例では、ＰＷＭパルス２９の周波数ｆを基準周波数ｆ０の１／２にセットする。基準周波数ｆ０の一例は７０ｋＨｚである。そして、制御ＩＣ２１は、バックコンバータ１０の出力電圧Ｖｏが最大になるようなデューティーにＰＷＭパルス２９が設定されるようなターゲット電流Ｉｔを出力する。すなわち、電力供給装置１から入力電圧Ｖｉに対して最大の出力電圧Ｖｏが出力されるようにする。このため、デューティーが最大のＰＷＭパルス２９がパルスコントローラ２２から出力されるように、無限大あるいは最大のターゲット電流値Ｉｔを制御ＩＣ２１は出力する。
【００２２】
バックコンバータ１０から高電圧が出力されると、高圧発生回路５により絶縁破壊（ブレークダウン）用の高電圧が生成されて放電ランプ３に印加され、時刻ｔ１にグロー放電が始まって電流が流れ出すと、バックコンバータ１０の出力電圧Ｖｏが放電ランプ３に印加される。グロー放電の領域では放電電流が流れるだけなので、デューティーが最大のＰＷＭパルス２９により制御されるバックコンバータ１０の出力電流Ｉｏは小さく、バックコンバータ１０は電流不連続状態で動作し、グロー放電に必要な電圧、典型的には２００Ｖ程度の電圧を供給する。グロー放電により放電ランプ３が加熱されて熱電子放電が始まると、放電ランプ３に流れる電流が急激に増加する。この段階で、放電ランプ３に対する電流供給能力が不足すると、アーク放電に順調に移行せず、放電が消失してブレークダウン、グロー放電、そしてアーク放電への移行を繰り返すことになる。また、電流が増加することによりバックコンバータ１０が電流連続状態に移行すると、バックコンバータ１０の出力電圧Ｖｏが低下するので、グロー放電が維持できなくなったり、グロー放電からアーク放電へ移行できず、上記と同様に放電が消失する。したがって、入力電圧Ｖｉが充分に高くないとグロー放電からアーク放電に順調に移行できない。
【００２３】
この電力供給装置１においては、点灯初期にバックコンバータ１０を、低周波数のＰＷＭパルス２９により駆動することにより、電流不連続状態で動作できる出力電流の範囲を広げることができる。すなわち、ＰＷＭパルス２９の周波数を下げることにより、バックコンバータ１０が電流不連続状態で動作し、高電圧（最大電圧）を供給できるモードにおける電流供給能力を向上できる。したがって、入力電圧Ｖｉが低くなっても、バックコンバータ１０から、グロー放電からアーク放電へ移行するために要求される高い電圧と大きな電流とを供給することが可能となる。このため、この電力供給装置１は、入力電圧が比較的低い状況でも、点灯初期に充分な電力を放電ランプ３に供給できる。
【００２４】
アーク放電に移行することにより、時刻ｔ２に出力電圧Ｖｏが規定の電圧Ｖｔｈ以下になると、ステップ５５において、それを検出し、ステップ５６において、制御ＩＣ２１の第２の制御機能２８により、電力を一定にする制御に移行する（第２の工程）。規定の時刻Ｔ０までに出力電圧Ｖｏが規定電圧Ｖｔｈに達しない場合はアーク放電に移行できなかったことになる。このため、ステップ５３で、その条件を検出し、ステップ５４で放電ランプ３の点灯処理を異常終了させる。
【００２５】
ステップ５６の定電力制御においては、制御ＩＣ２１は、バックコンバータ１０の出力電圧Ｖｏから電力一定となるターゲット電流Ｉｔを関数あるいはルックアップテーブルを用いて演算して出力する。そして、パルスコントローラ２２は、出力電流Ｉｏがターゲット電流Ｉｔに一致するようにＰＷＭパルス２９のデューティーを制御する。
【００２６】
制御ＩＣ２１がリセットされてから所定の時間Ｔ０が経過した時刻ｔ３になると、ステップ５７においてそれを検出し、ステップ５８において、制御ＩＣ２１の第１の制御機能２６により、パルスコントローラ２２にＰＷＭパルス２９の周波数として、基準周波数ｆ０をセットし、基準周波数ｆ０のＰＷＭパルス２９により電力を一定にする制御に移行する（第１の工程）。
【００２７】
アーク放電が続くと、放電ランプ３は定常状態の温度まで加熱され、多くのケースでは、出力電流Ｉｏが若干低下し、出力電圧Ｖｏが若干上昇した状態で安定する。定常状態の制御機能２６において、ＰＷＭパルス２９の周波数を上げることにより、負荷が何らかの要因で変動して出力電流Ｉｏが低下したときでもバックコンバータ１０が電流不連続状態になって出力電圧Ｖｏが上昇してしまうような事態を未然に防止できる。また、ＰＷＭパルス２９の周波数を放電ランプ３の共鳴周波数よりも充分に高くすることにより、ノイズなどの発生を未然に防止することができる。
【００２８】
図３に示した、放電ランプ３を点灯するための制御ＩＣ２１の動作は、ＲＯＭ２５に格納されたプログラム（ファームウェア）２４により実現される。このプログラム２４またはプログラム製品は、電力供給装置１の電力を供給する対象である放電ランプ３の種類により変更することが可能である。したがって、各種の放電ランプ３に適した基準周波数ｆ０および、その基準周波数ｆ０より低い初期周波数ｆｉのＰＷＭパルス２９によりバックコンバータ１０が制御されるようにプログラム２４を変更できる。そのようなプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭなどの適当な記録媒体に記録して提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】電力供給装置の概略構成を示す回路図である。
【図２】放電ランプがグロー放電からアーク放電に移行する状態を示す図である。
【図３】電力供給装置の点灯初期の動作を示すフローチャートである。
【図４】点灯初期の出力電圧および出力電流の変化の概要を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１    電力供給装置、    ２    直流電源、    ３    放電ランプ（ＨＩＤランプ）
１０  バックコンバータ、    １１    スイッチング素子、    １２    チョークコイル
２０  制御ユニット、    ２１    制御ＩＣ、    ２２    ＰＷＭパルスコントローラ
【図１】
0004820735.tif 000002
【図２】
0004820735.tif 000003
【図３】
0004820735.tif 000004
【図４】
0004820735.tif 000005