(57)【要約】【課題】  一方向性電流素子として小型のMOSFETを使用しても部品の温度上昇が小さく、電力効率が高く、誘電体バリア放電型放電ランプを輝度高く点灯する。【解決手段】  この放電灯駆動装置は、放電ランプ13の２つの電極間に周期的な矩形波高電圧を印加するための給電装置を備え、その給電装置は、直流電源Vcc に直列に接続され、第１〜第３の矩形波駆動信号を生成する制御回路10と、制御回路から出力される第１、第２の矩形波駆動信号11,12を１次側端子間に入力し、その２次側端子間に放電ランプの各電極が接続される昇圧トランスT1と、第１、第２の矩形波駆動信号それぞれに対応して介挿された第１、第２の素子S1,S2と、これら第１と第２の素子の間に介挿され、制御回路からの第３の駆動信号14に対応して開閉するMOSFET(S3)とインピーダンス素子Z1を有するチラツキ防止回路で構成されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外面電極型放電ランプと、前記外面電極型放電ランプの両電極間に周期的な矩形波高電圧を印加するための給電装置とを備えた放電灯駆動装置であって、
前記給電装置は、
直流電源に直列に接続され、第１、第２及び第３の駆動信号を生成する制御回路と、
前記制御回路から出力される第１及び第２の駆動信号を１次側端子間に入力し、その２次側端子間に前記外面電極型放電ランプの各電極が接続される昇圧トランスと、
前記制御回路が出力する前記第１及び第２の駆動信号それぞれに対応して介挿された第１及び第２のスイッチング素子、これら第１と第２のスイッチング素子との間に介挿され、前記制御回路から出力される第３の駆動信号に対応して開閉するＭＯＳＦＥＴ及び抵抗成分を有する回路素子が直列に接続され、前記直流電源に対して前記昇圧トランスの１次側と並列に配置接続され、かつ前記昇圧トランスの１次側端子の１つと前記ＭＯＳＦＥＴの一端が接続されたチラツキ防止回路とを有し、
前記ＭＯＳＦＥＴは、そのドレイン側とソース側とを通常とは逆に接続し、
前記ＭＯＳＦＥＴのゲートに与える前記第３の駆動信号は、前記第１及び第２のスイッチング素子のオン期間中に少なくとも２種類以上の状態の異なる信号としたことを特徴とする放電灯駆動装置。
【請求項２】
前記第３の駆動信号は、前記第１のスイッチング素子がオフの状態で、前記第２のスイッチング素子がオンの状態で、かつ正規の極性の急峻な当該第２のスイッチング素子に大電流が流れる期間には前記ＭＯＳＦＥＴをオンさせる状態の信号とし、その後に続くリンギング期間には、前記ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードが動作するように当該ＭＯＳＦＥＴをオフさせる状態の信号としたことを特徴とする請求項１に記載の放電灯駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電体バリア放電型放電ランプのような外面電極型放電ランプを点灯させるための放電灯駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パーソナルコンピュータ、ナビゲーションシステムなどのディスプレイに使用される液晶表示装置のバックライト光源として、ランプ管内に水銀が封入された冷陰極放電灯が使用されてきたが、近年、有害物質である水銀の代わりにキセノンのような希ガスを封入した放電ランプが開発され、またそれを点灯させるための放電灯駆動装置も開発されている。
【０００３】
図６、図７は、従来の希ガスを放電媒体とする外面電極型放電ランプとして、キセノンを放電媒体とする誘電体バリア放電型放電ランプの構造を示し、図８、図９はその放電ランプを点灯するためのハーフブリッジ構成の放電灯駆動装置の回路構成を示し、図１０には放電灯点灯制御のタイミングチャートを示している。
【０００４】
図６、図７に示す希ガス外面電極型放電ランプでは、ガラス管１の内壁に蛍光体２の膜を形成し、またガラス管１内には少なくともキセノンを含んだ放電媒体を封入してある。ガラス管１の少なくとも一端には導入線３を介して内部電極４を封着し、またガラス管１の外壁には、管軸方向に沿って任意形状の導電性物質が外部電極５として設置してある。この外部電極５は、例えば線状の導電物質をガラス管１の外周面に螺旋状に巻き付けたものであり、透光性熱収縮チューブ６で被覆することでガラス管１の表面に固定してある。内部電極４には導入線３を介して電圧供給線８を接続し、外部電極５には固定用金属棒７を介して電圧供給線８′を接続してある。
【０００５】
この希ガス外面電極型放電ランプでは、インバータ給電装置９を用いて高周波矩形波電圧をこれらの電極８，８′間に印加することによってガラス管１内で放電を開始させ、放電媒体であるキセノンから紫外線を放出させ、この紫外線を蛍光体２に照射して蛍光体２から可視光を発光させ、それを光源として利用する。
【０００６】
この希ガス外面電極型放電ランプを点灯させるためにはインバータ給電装置から矩形波電圧を放電ランプの両電極間に印加するのが最適であり、従来、図８、図９に示す回路構成の放電灯駆動装置によって点灯させている。この放電灯駆動装置では、昇圧トランスＴ１の２次巻線側に希ガス外面電極形蛍光ランプ１３を接続し、１次巻線側の一端には中点バイアス作成用のコンデンサＣ１，Ｃ２を並列に接続し、各々のコンデンサＣ１，Ｃ２を介して電源ＶｃｃとグランドＧＮＤへつなぎ、さらに１次巻線側の残りの一端は直接にあるいはコイル、ダイオード、抵抗のようなインピーダンス成分を持ったインピーダンス素子Ｚ１若しくはそれらを組みわせた素子群を介在させ、半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２から高周波の矩形波電圧を供給している。なお、図８、図９の従来回路では、半導体スイッチング素子Ｓ１側にはインピーダンス素子Ｚ１を接続し、半導体スイッチング素子Ｓ２側は直接に昇圧トランスＴ１へ接続した場合を例示してあり、以下、この回路構成を用いて説明する。
【０００７】
制御回路１０は発振器とカウンタやマイクロコンピュータで構成され、発振器のパルスを所定数カウントする毎にオン（Ｈ）信号、オフ（Ｌ）信号を交互に出力し、かつ第１、第２の駆動信号で互いに逆位相になるように２つの矩形波信号を生成し、これらを第１の駆動信号（１）１１、第２の駆動信号（２）１２として出力し、駆動信号（１）１１が第１のスイッチング素子Ｓ１を動作させ、駆動信号（２）１２が第２のスイッチング素子Ｓ２を動作させるようにしている。
【０００８】
図８は、制御回路１０の出力する駆動信号（１）１１によりスイッチング素子Ｓ１がオフし、駆動信号（２）１２によりスイッチング素子Ｓ２がオンすることで、正のランプ電流を作成する状態を示している。図９は、駆動信号（１）１１によりスイッチング素子Ｓ１がオンし、駆動信号（２）１２によりスイッチング素子Ｓ２がオフすることで、負のランプ電流を作成する状態を示している。
【０００９】
図１０のタイミングチャートに示すように、駆動信号（１）１１、駆動信号（２）１２のオン期間でランプ駆動用トランスＴ１の１次巻線電圧が「Ｌ→Ｈ→Ｌ→Ｈ→Ｌ→Ｈ…」を繰り返すことで、前記トランスＴ１の２次巻線に接続された外面電極型放電ランプ１３に正負のランプ電流を供給する。これらの動作を繰り返すことで、図８、図９の従来例の放電灯駆動装置ではランプ１３に矩形波電圧が継続的に供給され、これによって容量成分を持った希ガス外面電極型放電ランプ１３に正負のランプ電流ＩＬが継続的に印加され、輝度の高いランプ点灯が実現できる。
【００１０】
しかし従来例において、輝度をさらに上げるために外面電極型放電ランプ１３に多くのランプ電流を流す必要がある場合（例えば、ランプ１本当たり２ｍＡ以上）やランプ１３に封入されている希ガスの種類、ガス圧の影響、昇圧トランスＴ１の時定数の影響などにより、ランプ電圧の立ち上り時又は立ち下がり時に急峻なランプ電流が流れた後に正・負のリンギング状態のランプ電流が発生すると、正規の極性と反対のランプ電流は無効電流となり、発光に寄与しないこととなる。特に、図１０中のランプ電流ＩＬの波形に示すように、ランプ１３のガラス管壁の内側に正電荷を張付ける向きに流れる電流期間（＝ｔｐ）にその向きとは逆のリンキング電流が流れると輝度の顕著な低下を招き、電力を入れた割には輝度が低いという現象が発生する。なお、本明細書では、ランプ１３のガラス管壁の内側に正電荷を張付ける向きに流れる電流の向きを正電流とするが、その場合、特に負のランプ電流がランプ１３の発光に大きく寄与しない電流となる。
【００１１】
図１１には従来例の実際の波形を示している。この図では、波形ＶＧ２は半導体スイッチング素子Ｓ２として一般的なＮチャンネルのＭＯＳＦＥＴを使った場合のゲートの制御信号であり、トランスＴ１の１次側のうち半導体スイッチング素子Ｓ２と直接繋がる部分の電圧の波形をＶ１、トランスＴ１の１次側から半導体スイッチング素子Ｓ２ヘ流れる電流の波形をＩ１で表しているが、破線サークルで囲った部分に見られるように、電流波形Ｉ１に正規の極性とは逆の無効電流が流れていることがわかる。
【００１２】
このような従来例に対して、ランプ電流のリンギングを改善するために、特開２００２−２４６１９６号公報（特許文献１）には、一方向に電流を流す一方向性電流素子としてダイオードやＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードを半導体スイッチング素子Ｓ１又はＳ２の少なくとも１つに直列に接続し、輝度効率の改善を図る技術が記載されている。
【００１３】
図１２、図１３には、一方向性電流素子にダイオードＤ１を使用した第２の従来例の回路構成が示してある。図中のダイオードＤ１の部分は、ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードを利用してもかまわない。この第２の従来例の放電灯駆動装置に対する制御方法は、先の従来例の図８、図９と同様であるが、図１０のタイミングチャートに示したランプ電流（＝ＩＬ）中に見られるようなリンギング状態が発生しないため、第２の従来例の回路構成では無効ランプ電流がなく、さらに輝度の高いランプ点灯ができる利点がある。
【００１４】
ところが第２の従来例では、昇圧トランスＴ１の２次側に接続された希ガス外面電極型放電ランプ１３を点灯させるためには高圧の矩形波状のランプ電圧が必要になるため、一方向性電流素子としてダイオードＤ１やＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードを利用した場合、昇圧トランスＴ１の１次側には数アンペア〜数十アンペアの大電流を流す必要があるために順方向電圧（＝ＶＦ）が小さく、さらに大型パッケージの部品を使用しないとダイオードの表面温度が周囲温度よりも５０℃以上も高温となる問題点があった。また、寄生ダイオードを利用したＭＯＳＦＥＴの場合ではさらに顕著に部品温度が上昇し、表面温度が周囲温度よりも７０℃近くも高温になってしまう問題点があった。
【特許文献１】特開２００２−２４６１９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は上述した従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、一方向性電流素子として小型のＭＯＳＦＥＴを使用しても部品の温度上昇が小さく、電力効率が高く、誘電体バリア放電型放電ランプを輝度高く点灯させることができる放電灯駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
請求項１の発明は、外面電極型放電ランプと、前記外面電極型放電ランプの２つの電極間に周期的な矩形波高電圧を印加するための給電装置とを備えた放電灯駆動装置であって、前記給電装置は、直流電源に直列に接続され、第１、第２及び第３の駆動信号を生成する制御回路と、前記制御回路から出力される第１及び第２の駆動信号を１次側端子間に入力し、その２次側端子間に前記外面電極型放電ランプの各電極が接続される昇圧トランスと、前記制御回路が出力する前記第１及び第２の駆動信号それぞれに対応して介挿された第１及び第２のスイッチング素子、これら第１と第２のスイッチング素子との間に介挿され、前記制御回路から出力される第３の駆動信号に対応して開閉するＭＯＳＦＥＴ及び抵抗成分を有する回路素子が直列に接続され、前記直流電源に対して前記昇圧トランスの１次側と並列に配置接続され、かつ前記昇圧トランスの１次側端子の１つと前記ＭＯＳＦＥＴの一端が接続されたチラツキ防止回路とを有し、前記ＭＯＳＦＥＴは、そのドレイン側とソース側とを通常とは逆に接続し、前記ＭＯＳＦＥＴのゲートに与える前記第３の駆動信号は、前記第１及び第２のスイッチング素子のオン期間中に少なくとも２種類以上の状態の異なる信号としたことを特徴とするものである。
【００１７】
請求項２の発明は、請求項１の放電灯駆動装置において、前記第３の駆動信号は、前記第１のスイッチング素子がオフの状態で、前記第２のスイッチング素子がオンの状態で、かつ正規の極性の急峻な当該第２のスイッチング素子に大電流が流れる期間には前記ＭＯＳＦＥＴをオンさせる状態の信号とし、その後に続くリンギング期間には、前記ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードが動作するように当該ＭＯＳＦＥＴをオフさせる状態の信号としたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、一方向性電流素子としてＭＯＳＦＥＴを使用し、そのＭＯＳＦＥＴのゲート信号として、半導体スイッチング素子がオンしている期間中に少なくとも２種類以上の状態が違う制御信号を供給することにより、小型のＭＯＳＦＥＴを使用しても部品の温度上昇が小さく、電力効率が高く、外面電極型放電ランプを輝度高く点灯させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図１、図２、図３それぞれは本発明の１つの実施の形態の回路構成であって、異なる３つのスイッチング状態のものを示しており、図４はタイミングチャートを示している。なお、図示した実施の形態の放電灯駆動装置は、第１、第２の従来例と同様にハーフブリッジ方式のものであるが、昇圧トランスＴ１の１次巻線側を制御する回路方式としては、フルブリッジ方式、ハーフブリッジ方式、プッシュプル方式、中点タップ方式のいずれをも採用することができる。また従来例の回路要素と共通するものには共通の符号を用いている。
【００２０】
本実施の形態の放電灯駆動装置は、昇圧トランスＴ１の１次巻線のうち、少なくとも１つの１次巻線に直接に、あるいはインダクタ若しくは抵抗などのインピーダンス成分を持ったインピーダンス素子Ｚ１のいずれかを介在させて一方向性電流素子Ｓ３となるＭＯＳＦＥＴを接続し、さらにこのＭＯＳＦＥＴと直列に第１、第２の半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を直列に接続してチラツキ防止回路２０を構成したことを特徴としている。
【００２１】
制御回路１０は、従来例と同様にオン／オフの位相が互いに反対になった駆動信号（１）１１と駆動信号（２）１２を生成すると共に、第３の駆動信号（３）１４として、第２の半導体スイッチング素子Ｓ２用の駆動信号（２）のオン期間中に少なくとも２種類以上の状態が違う信号を生成する。この制御回路１０は、発振器とカウンタやマイクロコンピュータで構成され、発振器のパルスを所定数カウントする毎にオン（Ｈ）信号、オフ（Ｌ）信号を交互に出力し、かつ第１、第２の駆動信号で互いに逆位相になるように２つの矩形波信号を生成し、これらを第１の駆動信号（１）１１、第２の駆動信号（２）１２として出力し、駆動信号（１）１１が第１のスイッチング素子Ｓ１を動作させ、駆動信号（２）１２が第２のスイッチング素子Ｓ２を動作させる。制御回路１０はさらに、上述したようにオン／オフの位相が互いに反対になった駆動信号（１）１１と駆動信号（２）１２を生成すると共に、第３の駆動信号（３）１４として、第２の半導体スイッチング素子Ｓ２用の駆動信号（２）のオン期間中に少なくとも２種類以上の状態が違う信号を生成する。
【００２２】
図示した本実施の形態の放電灯駆動装置の回路構成は、図１２、図１３に示した第２の従来回路例と容易に比較できるように一方向性電流素子であるダイオードＤ１の部分をＭＯＳＦＥＴに置き換えた構成にしてある。ただし、一方向性電流素子Ｓ３としてのＭＯＳＦＥＴはドレイン側とソース側を通常とは逆に接続し、さらにゲートヘは、このＭＯＳＦＥＴと直列に接続されている第２の半導体スイッチング素子Ｓ２のオン期間中に少なくとも２種類以上の状態が違う駆動信号（３）１４を制御回路１０から供給するようにしてある。つまり、図４に示すように、第２の半導体スイッチング素子Ｓ２のオン期間中に駆動信号（３）１４としてｔＡ、ｔＢの状態が異なる２種類の信号を供給する。
【００２３】
次に、上記構成の放電灯駆動装置の動作について説明する。
【００２４】
I)図１に示すように、第１のスイッチング素子Ｓ１がオフで、第２のスイッチング素子Ｓ２がオンの状態では、第２の半導体スイッチング素子Ｓ２のオン期間中、正規の極性の急峻な大電流が流れる期間（図４中の期間ｔＡに相当する期間）では、一方向性電流素子Ｓ３であるＭＯＳＦＥＴをオン電圧の極めて小さいスイッチング素子として動作させるため、駆動信号（３）を「Ｈ」にする。
【００２５】
II)そしてその後に続くリンギング期間（図４中の期間ｔＢに相当する期間）では、図２に示すように逆方向の電流分をカットするために、ＭＯＳＦＥＴ（Ｓ３）の寄生ダイオードが動作するように駆動信号（３）１４を「Ｌ」にする。
【００２６】
ＭＯＳＦＥＴ（Ｓ３）をこのように制御することによって、大電流が流れる期間（＝ｔＡ）では、ＭＯＳＦＥＴ（Ｓ３）のオン電圧が非常に小さいことから温度上昇が非常に低く抑えられ、リンギング期間（＝ｔＢ）中では、寄生ダイオードがオンする正規の方向の電流が極めて小さく、しかも流れる時間も短いことから、寄生ダイオードの発熱も低く抑えられる。
【００２７】
III)図３に示すように、第１のスイッチング素子Ｓ１がオンで、第２のスイッチング素子Ｓ２がオフの状態でも、一方向性電流素子Ｓ３としてのＭＯＳＦＥＴのゲートにはI)、II)の状態と同様に駆動信号（３）１４としてｔＡ、ｔＢの状態が異なる２種類の信号を供給する。しかしながら、第２のスイッチング素子Ｓ２がオフである期間はＭＯＳＦＥＴ（Ｓ３）がオン／オフいずれであってもこの枝には電流が流れない。
【００２８】
図５には、本実施の形態の実際の波形を示してある。図５中の実際の波形の左に示されている回路が、第２の半導体スイッチング素子Ｓ２と一方向性電流素子Ｓ３としてのＭＯＳＦＥＴとにＮチャンネルのＭＯＳＦＥＴを使った場合の具体的な回路例である。すなわち、ＮチャンネルのＭＯＳＦＥＴのドレインＤ同士が接続される回路構成となっている。
【００２９】
図５の実際の波形から、トランスＴ１の１次側のＭＯＳＦＥＴ（Ｓ３）から第２の半導体スイッチング素子Ｓ２に流れる電流（＝Ｉ２）には、図１１に示した従来例の実際の波形に見られるような逆極性の無効電流が存在しないことがわかる。特に、図５中の第２の半導体スイッチング素子Ｓ２のオン期間中で、ランプ電圧の立ち上り時又は立ち下がり時の急峻なランプ電流が流れる期間、すなわち正規の極性の急峻な大電流が流れる期間と第３の駆動信号（３）１４のオン期間（図４のタイミングチャートの中でｔＡの期間に相当する期間）との位相差を最適化することで、さらに図１２、図１３に示したダイオードを使用した第２の従来例回路よりもオン電圧が小さい分、さらに電源効率が向上する。
【００３０】
このように本実施の形態の放電灯駆動装置では、一方向性電流素子Ｓ３としてのＭＯＳＦＥＴに流れる電流が小さいため、小型のＭＯＳＦＥＴを採用しても大型パッケージのダイオードと同等に部品温度が低くなる上に、逆方向の無効電流が抑制されるため、電源効率が上がり輝度を高くできる。また、従来よりも基板面積の縮小も可能であり、そのため部品の温度や基板面積の縮小、高い輝度が要求されるナビゲーションやＴＶモニターに使用される液晶表示装置のバックライト光源用の点灯回路として導入可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の１つの実施の形態の放電灯駆動装置の第１の状態のスイッチング状態の回路図。
【図２】上記実施の形態の第２のスイッチング状態の回路図。
【図３】上記実施の形態の第３のスイッチング状態の回路図。
【図４】上記実施の形態の各回路要素の動作タイミングチャート。
【図５】上記実施の形態の各回路要素の電圧、電流の波形図。
【図６】従来の誘電体バリア放電型放電ランプの正面図。
【図７】上記の誘電体バリア放電型放電ランプの断面図。
【図８】第１の従来例の第１のスイッチング状態の回路図。
【図９】第１の従来例の第２のスイッチング状態の回路図。
【図１０】第１の従来例の各回路要素の動作タイミングチャート。
【図１１】第１の従来例の各回路要素の電圧、電流の波形図。
【図１２】第２の従来例の第１のスイッチング状態の回路図。
【図１３】第２の従来例の第２のスイッチング状態の回路図。
【符号の説明】
【００３２】
１  ガラス管
２  蛍光体
４  内部電極
５  外部電極
９  給電装置
１０  制御回路
１１  駆動信号（１）
１２  駆動信号（２）
１３  外面電極放電ランプ
１４  駆動信号（３）
２０  チラツキ防止回路
Ｓ１  第１のスイッチング素子
Ｓ２  第２のスイッチング素子
Ｓ３  ＭＯＳＦＥＴ
Ｔ１  昇圧トランス
Ｃ１，Ｃ２  中点バイアス用コンデンサ
Ｚ１  インピーダンス素子
Ｖ１  トランスの１次巻線の電圧
Ｖ２  ＭＯＳＦＥＴのソース側の電圧
ＶＧ２  第２のスイッチング素子のゲート信号
ＶＧ３  ＭＯＳＦＥＴのゲート信号
ＩＬ  ランプ電流
Ｉ２  ＭＯＳＦＥＴのソース電流
ｔＡ  ＭＯＳＦＥＴのオン期間
ｔＢ  ＭＯＳＦＥＴのオフ期間
【図１】
2005150026.tif 000003
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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