(57)【要約】【課題】  負荷電圧や負荷電力等の状態が大きく変動する場合でも、常に確実なサージの抑制を可能とすると共に、負荷へ電力をより有効に伝達する小型、低コストな電源装置、及び放電灯点灯装置を提供する。【解決手段】  １次巻線２ａとスイッチング素子４との接続中点に一端を接続したコンデンサ７、コンデンサ７の他端−スイッチング素子４と直流電圧源１との接続中点間に接続したリアクトル９、コンデンサ７の他端とリアクトル９との接続中点にアノードを接続したダイオード８、ダイオード８のカソード−スイッチング素子４と直流電圧源１との接続中点間に接続したコンデンサ１０、ダイオード８とコンデンサ１０との接続中点にアノードを接続したダイオード１１でＤＣ／ＤＣコンバータ部のスナバ回路部を構成し、ダイオード１１のカソードをコンデンサ６と負荷回路１２との接続中点に接続する。【選択図】図１
2005073431.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧源と、直流電圧源の両端間に接続したトランスの１次巻線とスイッチング素子との直列回路と、スイッチング素子がオフのときにトランスに発生する電圧を整流した正電位の出力を負荷回路へ供給する第１のダイオードと、１次巻線とスイッチング素子との接続中点に一端を接続した第１のコンデンサと、第１のコンデンサの他端−スイッチング素子と直流電圧源との接続中点間に接続したリアクトルと、第１のコンデンサの他端とリアクトルとの接続中点にアノードを接続した第２のダイオード、第２のダイオードのカソード−スイッチング素子と直流電圧源との接続中点間に接続した第２のコンデンサと、第２のダイオードと第２のコンデンサとの接続中点にアノードを接続した第３のダイオードとを備え、第３のダイオードのカソードを負荷回路の正電位入力側へ接続したことを特徴とする電源装置。
【請求項２】
直流電圧源と、直流電圧源の両端間に接続したトランスの１次巻線とスイッチング素子との直列回路と、トランスに発生する電圧を整流した正電位の出力を負荷回路へ供給する第１のダイオードと、１次巻線とスイッチング素子との接続中点に一端を接続した第１のコンデンサと、第１のコンデンサの他端−スイッチング素子と直流電圧源との接続中点間に接続したリアクトルと、第１のコンデンサの他端とリアクトルとの接続中点にアノードを接続した第２のダイオードとを備え、第２のダイオードのカソードを負荷回路の正電位入力側へ接続したことを特徴とする電源装置。
【請求項３】
前記トランスはオートトランスであることを特徴とする請求項１または２記載の電源装置。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれかの電源装置の負荷回路が、放電灯を負荷とすることを特徴とする放電灯点灯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電圧源の出力を電圧変換して負荷へ供給する電源回路、及び放電灯点灯装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のＤＣ／ＤＣコンバータとして、トランスに接続したスイッチング素子を高周波で動作させることで直流電圧源の出力を電圧変換するものがあり、中にはトランスのリーケージインダクタンス等によってスイッチング素子に発生するサージ電圧の抑制、及びスイッチング素子で発生する損失の低減等を図ったものがある。これらの従来技術の共通事項としては、スイッチング素子に発生するサージのエネルギーを、主として電源側へ帰還、回生している点が挙げられる。（例えば、特許文献１参照）
【特許文献１】特開２００２−１０１６５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし上記従来の構成では、前述したようにスイッチング素子に発生するサージのエネルギーを、主として電源側へ帰還、回生しているため、負荷回路へ電力を有効に伝えるという点において不充分であるという課題があった。またスナバ回路を設けた場合、負荷電圧や負荷電力等の状態が大きく変動すると、理想とするスナバ回路の動作を常に得ることが困難となり、結果的にスイッチング素子に過大なサージが発生するという課題があった。
【０００４】
さらに、能動的なスイッチング素子や、トランス等の大型、高価な部品を必要とするため、装置の小型化、低コスト化を阻害するという課題があった。
【０００５】
本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、負荷電圧や負荷電力等の状態が大きく変動する場合でも、常に確実なサージの抑制を可能とすると共に、負荷へ電力をより有効に伝達する小型、低コストな電源装置、及び放電灯点灯装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、直流電圧源と、直流電圧源の両端間に接続したトランスの１次巻線とスイッチング素子との直列回路と、スイッチング素子がオフのときにトランスに発生する電圧を整流した正電位の出力を負荷回路へ供給する第１のダイオードと、１次巻線とスイッチング素子との接続中点に一端を接続した第１のコンデンサと、第１のコンデンサの他端−スイッチング素子と直流電圧源との接続中点間に接続したリアクトルと、第１のコンデンサの他端とリアクトルとの接続中点にアノードを接続した第２のダイオード、第２のダイオードのカソード−スイッチング素子と直流電圧源との接続中点間に接続した第２のコンデンサと、第２のダイオードと第２のコンデンサとの接続中点にアノードを接続した第３のダイオードとを備え、第３のダイオードのカソードを負荷回路の正電位入力側へ接続したことを特徴とする。
【０００７】
この発明によれば、負荷電圧や負荷電力等の状態が大きく変動する場合でも、常に確実なサージの抑制を可能とすると共に、負荷へ電力をより有効に伝達することができ、且つ小型、低コストに構成することができる。
【０００８】
請求項２の発明は、直流電圧源と、直流電圧源の両端間に接続したトランスの１次巻線とスイッチング素子との直列回路と、トランスに発生する電圧を整流した正電位の出力を負荷回路へ供給する第１のダイオードと、１次巻線とスイッチング素子との接続中点に一端を接続した第１のコンデンサと、第１のコンデンサの他端−スイッチング素子と直流電圧源との接続中点間に接続したリアクトルと、第１のコンデンサの他端とリアクトルとの接続中点にアノードを接続した第２のダイオードとを備え、第２のダイオードのカソードを負荷回路の正電位入力側へ接続したことを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、負荷電圧や負荷電力等の状態が大きく変動する場合でも、常に確実なサージの抑制を可能とすると共に、負荷へ電力をより有効に伝達することができ、且つ請求項１よりもさらに小型、低コストに構成することができる。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１または２において、前記トランスはオートトランスであることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、オートトランスを用いてさらなる小型化、低コスト化を図ることができる。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１乃至３いずれかの電源装置の負荷回路が、放電灯を負荷とすることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、請求項１乃至３いずれかと同様の効果を奏する放電灯点灯装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明では、負荷電圧や負荷電力等の状態が大きく変動する場合でも、常に確実なサージの抑制を可能とすると共に、負荷へ電力をより有効に伝達することができ、且つ小型、低コストに構成することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
（実施形態１）
本実施形態の電源装置の構成を図１に示す。直流電圧源Ｖ１の正極−負極間にはトランス２３ａの１次巻線２ａとスイッチング素子４との直列回路が接続され、トランス２３ａの２次巻線３ａの一端には２次整流用ダイオード５のカソードが接続され、ダイオード５のアノードはスイッチング素子４と直流電圧源１との接続中点に接続され、２次巻線３ａと２次整流用ダイオード５との直列回路には２次平滑用コンデンサ６、及び負荷回路１２が各々並列接続される。
【００１７】
そして、上記のように構成されるＤＣ／ＤＣコンバータ部に設けるスナバ回路部として、１次巻線２ａとスイッチング素子４との接続中点（ａ点）にはコンデンサ７の一端が接続され、コンデンサ７の他端−スイッチング素子４と直流電圧源１との接続中点間にはリアクトル９が接続され、コンデンサ７の他端とリアクトル９との接続中点にはダイオード８のアノードが接続され、ダイオード８のカソード−スイッチング素子４と直流電圧源１との接続中点間にはコンデンサ１０が接続され、ダイオード８とコンデンサ１０との接続中点にはダイオード１１のアノードが接続されて、ダイオード１１のカソードはコンデンサ６と負荷回路１２との接続中点に接続される。トランス２３ａの１次巻線２ａ及び２次巻線３ａの各巻線方向は図中に示すとおりである。
【００１８】
まず本実施形態の主回路となるＤＣ／ＤＣコンバータ部の動作を説明する。スイッチング素子４がオンしているとき、直流電圧源１よりトランス２３ａの１次巻線２ａとスイッチング素子４とを介して電流Ｉ４が流れ（図２（ａ）参照）、トランス２３ａにエネルギーを蓄える。スイッチング素子４がオフするとトランス２３ａに蓄えられたエネルギーは２次巻線３ａよりダイオード５を介してコンデンサ６へ電流として放出され、コンデンサ６はトランス２３ａが放出するエネルギーを平滑して負荷回路１２へ電圧を供給する。トランス２３ａ、ダイオード５の極性は負荷回路１２両端の負荷電圧Ｖｏが正電位となる極性であり、したがって負荷電圧Ｖｏは直流電圧源１の負極（グランド電位）よりも高い電位となる。
【００１９】
次にスナバ回路部の動作について、図２（ａ）〜（ｆ）に示す通常負荷時の各部の動作波形を用いて説明する。トランス２３ａの巻数比をｎとし、トランス２３ａが理想的なトランス（１次と２次との結合が１）であるとすると、スイッチング素子４がオンからオフになった際、１次巻線２ａにはＶｏ／ｎ（負荷電圧／巻数比）の電圧が発生する。しかし実際はトランス２３ａにはリーケージインダクタンスが存在して理想的なトランスではないため、１次巻線２ａにはＶｏ／ｎを超える電圧が発生し、このＶｏ／ｎを超える電圧が直流電圧源１の電圧Ｖｉと加極された電圧がサージ電圧として、スイッチング素子４（ａ点）に印加される。
【００２０】
そこで本実施形態では、時間ｔ０〜ｔ１間でオン、時間ｔ１〜ｔ３でオフしているスイッチング素子４は、そのオフ時にトランス２３ａのリーケージインダクタンス等によりａ点の電圧Ｖ４（図２（ｄ））に過大な電圧が発生しようとした場合（時間ｔ１〜ｔ２）、ａ点に接続されたスイッチング素子４の両端間に接続されたコンデンサ７、ダイオード８、コンデンサ１０からなる閉回路によってこのエネルギーはａ点から電流Ｉ７（図２（ｂ））としてコンデンサ７（図２（ｃ））及びコンデンサ１０に一旦蓄えられる。そしてスイッチング素子４がオンのとき、コンデンサ７に蓄えられたエネルギーはコンデンサ７、スイッチング素子４、リアクトル９からなる閉回路によってリアクトル９に移行する。リアクトル９に移行したエネルギーはスイッチング素子４がオフのとき、ダイオード８を介してコンデンサ１０を充電する。
【００２１】
以上の動作によってコンデンサ１０には電圧Ｖ１０が発生する。ところで、コンデンサ６はダイオード１１を介してコンデンサ１０に並列接続されており、負荷電圧Ｖｏが電圧Ｖ１０を下回ったときにコンデンサ１０の電荷はコンデンサ６を充電して負荷回路１２へ電力供給することになる。このときコンデンサ１０からコンデンサ６へダイオード１１を介して充電電流Ｉ１１（図２（ｅ））が流れる。この動作によって電圧Ｖ１０は負荷電圧Ｖｏとほぼ同じ値に保たれる。また、コンデンサ７に発生する電圧Ｖ７は基本的に電圧Ｖｉとほぼ同じ値に保たれる。
【００２２】
上記動作の結果、スイッチング素子４に発生するサージ電圧をＶ１０（≒Ｖｏ）とＶ７（≒Ｖｉ）との和の値程度以下に保つことが可能となる。すなわち、スイッチング素子４がオフした際の電圧Ｖ４は、Ｖｏ＋Ｖｉ以下にほぼ保たれ、スイッチング素子４に過大な電圧が加わらなくなるため、より耐圧が低く、特性のよい素子を選定することが可能となり、電源装置での損失低減や、小型化、低コスト化が可能となる。また、図３（ａ）〜（ｆ）は負荷が比較的重い場合の各部の動作波形を示し、上記図２（ａ）〜（ｆ）に示す通常負荷時の波形と略同様となり、負荷電圧や負荷電力等の状態が大きく変動する場合でも、上記同様の効果を得ることができる。
【００２３】
さらに本実施形態では、スナバ回路部で回収した、本来サージとなるエネルギーの全てを直接負荷側へ供給しており、回収したエネルギーの全部もしくは多くを電源側へ回生する従来のスナバ回路部よりも効率の改善を図ることができる。特に、重負荷時等の大電流をスイッチングする場合において大きな効果を得ることができる。
【００２４】
（実施形態２）
本実施形態の電源装置の構成を図４に示し、実施形態１の構成に対して主回路であるＤＣ／ＤＣコンバータを、オートトランス２３ｂを用いた昇圧型の構成としたものであり、直流電圧源Ｖ１の正極−負極間にはトランス２３ｂの１次巻線２ｂとスイッチング素子４との直列回路が接続され、トランス２３ｂの１次巻線と直列接続した２次巻線３ｂの出力端には２次整流用ダイオード５のアノードが接続され、２次整流用ダイオード５のカソード−スイッチング素子４と直流電圧源１との接続中点間には２次平滑用コンデンサ６、及び負荷回路１２が各々接続される。
【００２５】
上記のように構成されるＤＣ／ＤＣコンバータ部に設けるスナバ回路部は実施形態１と同様に、１次巻線２ｂとスイッチング素子４との接続中点（ａ点）にはコンデンサ７の一端が接続され、コンデンサ７の他端−スイッチング素子４と直流電圧源１との接続中点間にはリアクトル９が接続され、コンデンサ７の他端とリアクトル９との接続中点にはダイオード８のアノードが接続され、ダイオード８のカソード−スイッチング素子４と直流電圧源１との接続中点間にはコンデンサ１０が接続され、ダイオード８とコンデンサ１０との接続中点にはダイオード１１のアノードが接続されて、ダイオード１１のカソードはコンデンサ６と負荷回路１２との接続中点に接続される。トランス２３ｂの１次巻線２ｂ及び２次巻線３ｂの各巻線方向は図中に示すとおりである。
【００２６】
まず本実施形態の主回路となるＤＣ／ＤＣコンバータ部の動作を説明する。スイッチング素子４がオンしているとき、直流電圧源１よりトランス２３ｂの１次巻線２ｂとスイッチング素子４とを介して電流が流れ、トランス２３ｂにエネルギーを蓄える。スイッチング素子４がオフするとトランス２３ｂに蓄えられたエネルギーは１次巻線２ｂ及び２次巻線３ｂよりダイオード５を介してコンデンサ６へ電流として放出され、コンデンサ６はトランス２３ｂが放出するエネルギーを平滑して負荷回路１２へ電圧を供給する。なお、上記動作時に直流電圧源１が電流放出ループに加わるため、本実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータは昇圧型となる。
【００２７】
次にスナバ回路部の動作について説明する。トランス２３ｂの巻数比をｎとし、トランス２３ｂが理想的なトランス（１次と２次との結合が１）であるとすると、スイッチング素子４がオンからオフになった際、１次巻線２ｂには（Ｖｏ−Ｖｉ）／（ｎ＋１）の電圧が発生する。しかし実際はトランス２３ｂにはリーケージインダクタンスが存在して理想的なトランスではないため、１次巻線２ａには（Ｖｏ−Ｖｉ）／（ｎ＋１）を超える電圧が発生し、この（Ｖｏ−Ｖｉ）／（ｎ＋１）を超える電圧が直流電圧源１の電圧Ｖｉに加極された電圧がサージ電圧として、スイッチング素子４（ａ点）に印加される。
【００２８】
そして本実施形態のスナバ回路部の具体的な動作は実施形態１と同様であって、このサージ電圧を所定電圧以下に保つことができるものであり、スイッチング素子４に過大な電圧が加わらなくなるため、より耐圧が低く、特性のよい素子を選定することが可能となり、電源装置での損失低減や、小型化が可能となる。
【００２９】
さらに、スナバ回路部で回収した、本来サージとなるエネルギーの全てを直接負荷側へ供給しており、回収したエネルギーの全部もしくは多くを電源側へ回生する従来のスナバ回路よりも効率の改善を図ることができる。特に、重負荷時等の大電流をスイッチングする場合において大きな効果を得ることができる。
【００３０】
（実施形態３）
本実施形態の電源装置の構成を図５に示す。実施形態１の構成に対して、スナバ回路部のコンデンサ１０及びダイオード１１を無くし、ダイオード８のカソードを２次平滑用コンデンサ６の高圧側、すなわちＤＣ／ＤＣコンバータの出力に直接接続したものであり、コンデンサ６へダイオード８を介して充電電流Ｉ８が流れる。したがって、実施形態１と同様の効果を得ることができるとともに、さらなる小型化、低コスト化が可能となる。
【００３１】
また本実施形態のスナバ回路部は、ＤＣ／ＤＣコンバータがオートトランス構成の実施形態２においても適用可能である。
【００３２】
（実施形態４）
本実施形態は図６に示すように、実施形態３の負荷回路１２をスイッチング素子１３〜１６で構成するフルブリッジタイプのインバータ回路２０と、インバータ回路２０の矩形波出力で点灯する放電灯１７と、インバータ回路２０と放電灯１７との間に接続されて放電灯１７を始動させるイグナイタ１８とで構成した放電灯点灯装置である。
【００３３】
インバータ回路２０は、スイッチング素子１３，１４の直列回路と、スイッチング素子１５，１６の直列回路とを並列接続して構成され、スイッチング素子１３，１６とスイッチング素子１４，１５とを交互に例えば４００Ｈｚ程度の低周波でスイッチングさせることで、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力を交番出力に変換し、スイッチング素子１３，１４の接続中点、及びスイッチング素子１５，１６の接続中点をイグナイタ１８を介して放電灯１７に接続して、放電灯１７を矩形波交流点灯させる。
【００３４】
イグナイタ１８は、放電灯１７を絶縁破壊して始動させるためのものである。メタルハライドランプ等の放電灯１７は点灯状態に至る前は（ここでは始動と称する）、インピーダンスが非常に大きな値をとり、このような状態で始動させるためには、例えば数ｋＶ〜２０数ｋＶ程度の電圧を放電灯１７に印加し、放電灯１７を絶縁破壊に至らしめる必要がある。一般的なイグナイタ１８は、トランスの昇圧効果を利用して放電灯１７にパルス状の高電圧を印加する。
【００３５】
ところで、自動車の前照灯用として現在開発中の無水銀メタルハライドランプの場合、自動車の前照灯用として必要である速やかな光束立ち上がりを得るためには、定格３５Ｗに対して点灯後数秒間はおよそ３倍程度の電力を必要とし、またその際の負荷電圧Ｖｏ（ランプ電圧）は、メタルハライドランプの特性上、定常点灯時に比べて低い値となる。このような負荷に対して、負荷電圧や負荷電力等の状態が大きく変動する場合でも、常に確実なサージの抑制を可能とする本実施形態は特に好適である。
【００３６】
また、本実施形態の放電灯１７、イグナイタ１８、インバータ回路２０からなる負荷回路１２は、実施形態１，２に適用してもよく、放電灯点灯装置として上記同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施形態１の構成を示す図である。
【図２】（ａ）〜（ｆ）同上の通常負荷時の各部の動作波形を示す図である。
【図３】（ａ）〜（ｆ）同上の重負荷時の各部の動作波形を示す図である。
【図４】本発明の実施形態２の構成を示す図である。
【図５】本発明の実施形態３の構成を示す図である。
【図６】本発明の実施形態４の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  直流電圧源
２ａ  １次巻線
３ａ  ２次巻線
４  スイッチング素子
５  ２次整流用ダイオード
６  ２次平滑用コンデンサ
７，１０  コンデンサ
８，１１  ダイオード
９  リアクトル
１２  負荷回路
２３ａ  トランス
【図１】
2005073431.tif 000003
【図２】
2005073431.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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