(57)【要約】【課題】【解決手段】集積回路は、ＨＩＤランプの駆動に使用し得る単一ステージバックブーストコンバータおよびスイッチングフルブリッジを含むパワーコンバータを制御する。単一ステージバックブーストコンバータは、パワーコンバータまたは電子バラストの複雑性および部品数を減少させると同時に、集積回路の制御下でＰＦＣおよび直流バス電圧調整を可能にする。集積回路は、さらに、ＨＩＤランプにおいて定電力を維持するためにスイッチングフルブリッジ回路を操作する全駆動信号を提供する。待機タイマは、ＨＩＤランプの再始動の試行の時間間隔をあけることにより、ランプの冷却が可能となり高い高温再始動電圧が回避される。集積回路は、特にパワーコンバータおよび電子バラストの設計を簡略化すると同時に、単一ステージバックブーストコンバータに関連する部品数、複雑性、およびコストを低減するのに寄与する。
2006525639.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に電力を供給するパワーコンバータであって、
整流された入力信号を変換する単一ステージバックブーストコンバータと、
前記直流信号を、前記負荷へ供給されるスイッチングされた信号に変換するスイッチング出力ステージと、
前記バックブーストコンバータおよび前記出力ステージに結合され、前記バックブーストコンバータおよび前記出力ステージを制御するコントローラと、
を備えるパワーコンバータ。
【請求項２】
請求項１記載のパワーコンバータであって、
前記バックブーストコンバータは、前記コントローラにより駆動されるスイッチを含む、パワーコンバータ。
【請求項３】
請求項２記載のパワーコンバータであって、さらに、
前記コントローラから前記スイッチへ提供される駆動信号を備え、
前記駆動信号は、入力電圧と実質的に同相の入力電流を引き込むために、前記スイッチを切り替える動作が可能である、パワーコンバータ。
【請求項４】
請求項２記載のパワーコンバータであって、さらに、
前記スイッチに結合され、前記スイッチにより供給された電流を貯留するインダクタと、
前記コントローラから前記スイッチへ提供され、前記インダクタを介する電流が実質的にゼロである時に前記スイッチを導通状態に切り替える駆動信号と、
を備える、パワーコンバータ。
【請求項５】
請求項２記載のパワーコンバータであって、さらに、
前記スイッチに結合され、前記スイッチにより供給された電流を貯留するインダクタと、
前記コントローラから前記スイッチへ提供され、選択期間にわたって前記スイッチを導通状態に切り替える駆動信号と、
を備え、
前記選択期間にわたって前記スイッチを導通状態に切り替えることにより、前記インダクタに貯留される電流が前記スイッチの前記導通状態にある前記選択期間に応じて変化する、パワーコンバータ。
【請求項６】
請求項４記載のパワーコンバータであって、さらに、
前記スイッチおよび前記インダクタに結合され、前記スイッチからの電流を前記インダクタに導くダイオードを備える、パワーコンバータ。
【請求項７】
請求項５記載のパワーコンバータであって、さらに、
前記スイッチおよび前記インダクタに結合され、前記スイッチからの電流を前記インダクタに導くダイオードを備える、パワーコンバータ。
【請求項８】
請求項１記載のパワーコンバータであって、さらに、
前記負荷に電力を供給するための、前記出力ステージ内のスイッチングフルブリッジを備え、
前記スイッチングフルブリッジ内の前記スイッチは、前記コントローラにより制御可能である、パワーコンバータ。
【請求項９】
請求項６記載のパワーコンバータであって、さらに、
前記ダイオードおよび前記インダクタに結合され、前記ダイオードが導通している時に前記インダクタにより供給されたエネルギを貯留するキャパシタを備える、パワーコンバータ。
【請求項１０】
請求項７記載のパワーコンバータであって、さらに、
前記ダイオードおよび前記インダクタに結合され、前記ダイオードが導通している時に前記インダクタにより供給されたエネルギを貯留するキャパシタを備える、パワーコンバータ。
【請求項１１】
請求項３記載のパワーコンバータであって、さらに、
前記スイッチが切り替えられる時期の決定に使用される、前記バックブーストコンバータから前記コントローラへのフィードバック信号を備える、パワーコンバータ。
【請求項１２】
請求項４記載のパワーコンバータであって、さらに、
前記インダクタ電流が実質的にゼロになる時期を決定する、前記インダクタからから前記コントローラへのフィードバック信号を備える、パワーコンバータ。
【請求項１３】
請求項１記載のパワーコンバータであって、さらに、
前記出力ステージを流れる電流の示度を前記コントローラに提供する、前記出力ステージから前記コントローラへのフィードバック信号を備える、パワーコンバータ。
【請求項１４】
請求項１記載の前記パワーコンバータを備える、ＨＩＤランプを駆動するための電子バラスト。
【請求項１５】
整流された交流入力から調整電力を供給するバックブーストコンバータであって、
前記整流された交流入力に結合され、前記整流された交流入力をスイッチングするスイッチと、
前記スイッチに結合され、前記スイッチが導通状態である時に前記スイッチを介して供給された電流を貯留するインダクタと、
前記スイッチおよび前記インダクタに結合され、前記ダイオードが導通していない時に電流を前記スイッチから前記インダクタに導くダイオードと、
前記ダイオードおよび前記インダクタに結合され、前記ダイオードが導通している時に前記インダクタにより供給されるエネルギを貯留し、前記バックブーストコンバータの出力を供給するキャパシタと、
を備えるバックブーストコンバータ。
【請求項１６】
請求項１５記載のバックブーストコンバータであって、さらに、
前記バックブーストコンバータを制御するコントローラと、
前記スイッチに結合され、前記スイッチを切り替える前記コントローラの出力信号と、
を備える、バックブーストコンバータ。
【請求項１７】
請求項１６記載のバックブーストコンバータであって、
前記コントローラは、入力電圧と同相の入力電流を引き込むために、切り替え信号を前記スイッチに提供する動作が可能である、バックブーストコンバータ。
【請求項１８】
請求項１６記載のバックブーストコンバータであって、さらに、
前記インダクタの電圧または電流の示度を提供するために、前記インダクタから前記コントローラへのフィードバック信号を備える、バックブーストコンバータ。
【請求項１９】
請求項１記載のバックブーストコンバータであって、
前記コントローラは、集積回路を備える、バックブーストコンバータ。
【請求項２０】
パワーコンバータを制御するための集積回路であって、
前記集積回路に供給されるバックブーストコンバータパラメータ信号に基づいて、バックブーストコンバータ内のスイッチを駆動する力率補正回路と、
スイッチングフルブリッジ回路を駆動し、前記スイッチングフルブリッジ回路に接続された負荷に供給される電力を制御するドライバ回路と、
を備える集積回路。
【請求項２１】
請求項２０記載の集積回路であって、さらに、
前記スイッチングフルブリッジ回路を流れる電流の示度を得るために前記スイッチングフルブリッジ回路に結合された入力を有する電流検知回路を備える、集積回路。
【請求項２２】
請求項２０記載の集積回路であって、さらに、ＨＩＤランプを駆動する電子バラストを備える、集積回路。
【請求項２３】
請求項１記載の前記パワーコンバータを制御する方法であって、
入力電圧と同相の入力電流を引き込むために前記バックブーストコンバータを操作するステップと、
前記バックブーストコンバータから前記出力ステージへ供給される調整直流バス電圧を得るために前記バックブーストコンバータを操作するステップと、
前記負荷に定電流を供給するために前記出力ステージを操作するステップと、
を備える方法。
【請求項２４】
単一ステージ入力バックブーストコンバータと、スイッチング出力ステージとを含むパワーコンバータを操作する方法であって、
入力電圧と同相の正弦波電流を引き込み、調整直流バス出力を提供するために、前記単一ステージ入力バックブーストコンバータを操作するステップと、
負荷に定電力を提供するために前記切り替え出力ステージを操作するステップと、
を備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００３年３月１８日提出の米国仮出願第６０／４５５，６５２号「高輝度放電ランプバラスト回路」および２００３年７月１４日提出の米国仮出願第６０／４８７，４９１号「高輝度放電（ＨＩＤ）バラスト制御回路」に基づくと共にその利益を主張するものであり、本明細書ではその両者に基づき優先権の主張を行う。
【０００２】
本発明は、電子ランプバラストに関し、特に、高輝度放電ランプのための電子ランプバラストおよび制御に関する。
【背景技術】
【０００３】
高輝度放電（ＨＩＤ）ランプは、長年にわたり、様々な照明用途で使用されている。通常、水銀、低圧ナトリウム、高圧ナトリウム、およびメタルハライドを含む、４種類のＨＩＤランプが実際に使用されている。ＨＩＤランプは、白熱灯および蛍光灯よりも多数の点で有利だが、比較上、いくつかの制限も有する。例えば、ＨＩＤランプは、通常、即座に始動せず、完全な照度となるまでに、ある程度のウォームアップ時間を要する。加えて、ＨＩＤランプは、通常、数種類の色で光を発し、例えば、水銀ランプは青みがかった色を有する傾向にあり、一方、ナトリウムランプは黄色の出力を有する傾向にある。メタルハライドランプは、通常、明るい白色出力を有し、光質が重要な要素である多数の用途にとって好適である。
【０００４】
蛍光灯は、ＨＩＤよりも遙かに大きくなる傾向にあり、ほぼ瞬間的な始動および再始動時間を有する。加えて、蛍光灯の性能は、温度に非常に敏感となる傾向にあるが、ＨＩＤランプは、性能を大幅に低下させることなく、様々な環境で動作できる。
【０００５】
これまで、ＨＩＤランプは、メタルハライドＨＩＤランプにより提供される高いルーメン出力、高い効率性、および優れた光質のため、照明市場で優位を占めてきた。代表的なメタルハライドＨＩＤランプは、以前、通常は何らかの特定の用途に最適化されていない磁気バラストにより駆動されていた。現在では、メタルハライドＨＩＤ照明用途のための電子バラストが開発され、ＨＩＤランプの性能および効率を高めており、ＨＩＤランプは、維持費およびエネルギ費の減少という有利な結果を有している。電子バラストの使用により、ＨＩＤランプは、さらに、調光モードでの動作が可能となる。電子バラストでは、さらに、寿命と共に変化するランプの条件に適応させ、これにより、寿命と共に通常は減少するランプからの光出力を補正させ得る。光出力の減少を補正することで、電子バラストは、ランプの寿命期間にわたって、より高く一貫した光レベルを維持できる。したがって、電子バラストは、頻繁にランプを交換する必要性を低減すると同時に、効率を改善し、これにより、特定の用途を実現するのに必要な照明器具の総数を減少させる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
通常のＨＩＤランプでは、ランプの寿命を改善し、ランプの動作を簡略化するイグナイタを使用して、ランプを始動する。従来のＨＩＤランプにおいては、ランプを点灯するためには高い開回路電圧を必要とした。高い開回路電圧は、ランプ電流の波高率が高くなることでランプの寿命を減少させる一因となる。イグナイタを使用することで、ＨＩＤランプ用電子バラストは、多数の利点を提供する潜在的に低い電圧での動作が可能となる。例えば、通常は、他の電子機器との干渉を回避し、照明用途の効率を改善する任意の周波数で、ＨＩＤランプ用電子バラストを動作させるのが好ましい。電子バラストは、さらに、ランプ電力をその寿命全体にわたってランプの特定の定格点に維持できる。ランプの発光管の固有電圧はランプの老化と共に変化することから、ランプの寿命全体にわたってランプ電力を維持することは重要であり、電子バラストは、一定の電力出力を維持するのに適応するべきである。
【０００７】
一般に、ＨＩＤランプは、蛍光灯より高い点火電圧を有し、通常は、ピーク間で測定した時、３ｋＶの範囲となる。さらに、ＨＩＤランプは、一般に、フィラメントを有しておらず、予熱の必要性が回避されるが、蛍光灯は、通常、フィラメントの予熱を必要とする。蛍光灯用電子バラストは、通常、３０ないし５０ｋＨｚで動作するが、ＨＩＤランプは、ランプに損傷および突発故障を発生させる恐れのある音響共振の問題から、こうした周波数を避けた範囲で動作する。したがって、ＨＩＤランプは、通常は数百ヘルツである低周波数の範囲で動作させる場合が多い。こうした低周波数範囲では、フルブリッジスイッチング回路を使用して、共振出力回路なしで矩形波によりＨＩＤランプを駆動する。良好なＨＩＤ電子バラスト設計の実現には、高温のＨＩＤランプの点火を試みる時の高い点火電圧についての設計課題に対処することが含まれる。この状況において、点火電圧は、約２５ｋＶ程度の電圧に上昇する恐れがあり、電子バラストにとって対処するのが困難となる可能性がある。
【０００８】
電子バラストにより対処するのが好ましい別の設計基準は、力率補正（ＰＦＣ）である。ライン入力に接続される通常のパワーコンバータは、理想的には、パワーコンバータの負荷が電力ライン入力に対する純粋な抵抗負荷として現れるように、互いに同相の電流および電圧を引き込むべきである。例えば、１に近い高い力率は、電力ライン入力の負荷が抵抗負荷の特性に近づくことを示す。１である力率は、電力ラインに接続された他のデバイスに供給される電力ライン入力の品質を損なう可能性のある容量または誘導インピーダンスを回避する上で望ましい。したがって、ＨＩＤバラストは、ライン入力上で過剰なインピーダンスを回避するために、力率補正を提供するべきである。
【０００９】
上記の設計課題を満たすように設計された電子バラストは、電子バラストが適切に動作するように制御するため、多数の構成要素および集積回路により実現される場合が多い。例えば、ＨＩＤランプを動作させるために使用されるフルブリッジのそれぞれの側は、通常、独自のドライバ集積回路、すなわち、ＩＣを有する一方で、力率補正の制御として、別のＩＣが使用される。さらに、別のＩＣは、スイッチの駆動およびフィードバックの取得を含め、電子バラストの全体的動作のためのシステム制御を実現するために使用される場合が多い。バラストの効率を高め、コストを低減するために、簡略化された構造と、低減されたコンポーネント数とを有するＨＩＤランプ用電子バラストを獲得することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の好適な実施形態によれば、ＨＩＤランプ用電子バラストにおいて全ての制御信号を提供する単一の集積回路が提供される。制御ＩＣは、入力電圧と同相の入力電流を引き込むことで高い力率を得るために、入力ステージスイッチを切り替えるゲート信号を提供する。ゲート信号は、さらに、電子バラストに対する電源に調整直流バスを与える。加えて、制御ＩＣは、標準のＨＩＤランプを駆動するのに使用されるフルブリッジを動作させるゲート信号を提供する。フルブリッジは、音響共振を回避するために、制御ＩＣにより約２００Ｈｚで駆動される。制御ＩＣは、フルブリッジを駆動してランプ電力を調整し、電子バラストまたはランプの故障状態を検出するためのシステム制御機能を含む。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のいくつかの有利な特徴によれば、本発明による制御ＩＣは、６００Ｖフルブリッジドライバと、８００Ｖブーストバックドライバと、制御および保護機能とを提供し、ＨＩＤランプを完全に動作させる。本発明による制御ＩＣにより提供される特定の機能によれば、点火試行間の間隔を５分間として、ランプ点火用の多数の点火パルスの生成を可能にするタイマ回路が提供される。点火パルスは、例えば、低入力電圧等の故障状態の場合に、イグナイタを駆動してランプを始動または再始動するために使用される。５分間の待機期間により、ＨＩＤランプは、特定の温度まで冷却可能となり、高電圧のホットリストライク点火状態を回避できる。制御ＩＣは、さらに、外部イグナイタを駆動するための直接使用可能なイグナイタ信号を提供する。
【００１２】
単一ステージバックブーストコンバータは、ライン入力電力を高い力率で調整直流バス電力に変換する。ＰＦＣ回路用のバックブーストドライバ制御は、３ピン制御を使用して動作する。一本のピンは、電流のゼロ交差を検知し、別のピンは、バックブーストコンバータ用の補正を提供し、第３のピンは、調整直流バス電圧を取得するためにバス電圧を検知する。
【００１３】
制御ＩＣは、さらに、ランプにおける電流および電圧を調整し、指定の動作範囲間にバス電圧を調整するために、フィードバック値を検知する機能を提供する。ＨＩＤランプに供給されるユーザ選択可能な電力のための入力設定も利用可能である。
【００１４】
上記その他の特徴については、添付図面と併せて読まれる以下の詳細な説明において、さらに詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明につき添付図面を参照してさらに詳細に説明する。
【００１６】
図１を参照すると、本発明がブロック図１５に例示されており、電子バラストは、２つのステージ、すなわち、バックブースト入力ステージ１０とフルブリッジ出力ステージ１２とにより構成されている。フルブリッジ出力ステージ１２は、上記のように音響共振を避けるために約２００Ｈｚの周波数で切り替えられるスイッチＭ１ないしＭ４から成る。異なるステージ１０および１２におけるパラメータは、制御ＩＣ１４により検知および制御される。制御ＩＣ１４は、ＨＩＤランプを駆動するのに使用されるフルブリッジ出力ステージ１２においてスイッチＭ１ないしＭ４を制御するゲート信号を提供する。制御ＩＣ１４は、フルブリッジ出力ステージ１２においてＨＩＤランプを駆動すると同時に、高い力率および調整直流バスを得るためにバックブースト入力ステージ１０も制御する単一チップ制御ソリューションを提供する。
【００１７】
バックブースト入力ステージ１０は、ステージ１２をバックブーストコンバータとして動作させるスイッチＳ１を含む。制御ＩＣ１４は、入力電圧と同相の正弦波入力電流を引き込んで高い力率を得るために、スイッチＳ１とバックブースト入力ステージ１０とを制御するゲート信号を提供する。バックブースト入力ステージ１０は、適切な入力電流を引き込むために臨界導通モードで作動すると同時に、一定のランプ電力を維持し得るように直流バス電圧を調整する。
【００１８】
制御ＩＣ１４は、バックブースト入力ステージ１０およびフルブリッジ出力ステージ１２から多数のフィードバック信号を受信して、これらのステージを制御し、電子バラストまたはランプの障害を検出する。例えば、制御ＩＣ１４は、フルブリッジ出力ステージ１２内の電流を検知し、ランプの取り外しまたは故障により生じ得る過電流状態が存在するかを判断する。制御ＩＣ１４は、さらに、低電圧動作の場合、すなわち、低電圧状態で発生し得る意図しない消灯の後、ランプを再点火する必要がある時に、電子ランプバラストおよびＨＩＤランプの保護を提供する。制御ＩＣ１４は、例えば、意図せずに消灯した時にランプを再点火する点火パルス間において、好ましくは５分間の待機期間を発生させるタイマ回路を提供する。５分間の待機期間により、ランプの冷却が可能となり、これにより、そうでない場合に高温状態でランプを再点火するのに必要となる高電圧が回避される。
【００１９】
制御ＩＣ１４は、さらに、例えばバス電圧を調整できるように、インダクタ内の電流とバス電圧とのゼロ交差点を決定するために、バックブースト入力ステージ１０内の状態を検知する。制御ＩＣ１４は、バックブースト入力ステージ１０内のインダクタ内の電流のゼロ交差に基づいてスイッチＳ１を切り替え、ＰＦＣを提供し、ライン入力にとって純粋な抵抗負荷として現れる状態に電子バラストを近付ける。制御ＩＣ１４は、さらに、プログラムされたランプ電力を維持できるように、ランプ電力入力を含む。ランプ電流および電圧は、制御ＩＣ１４により検知され、バス電圧を公称バス電圧値により調整して、ランプにおいて所望の電力を得られるようになる。
【００２０】
制御ＩＣ１４は、電子バラストを提供するバックブーストコンバータとの組み合わせにおいて、多数の利点を実現する。６００Ｖフルブリッジドライバ機能は、制御ＩＣ１４に組み込まれており、例えば、約２００ヘルツで動作する。制御ＩＣ１４は、さらに、バックブースト入力ステージ１０のバックブーストコンバータ内のスイッチ用に８００Ｖバックブーストドライバを提供する。制御ＩＣ１４は、ＰＦＣを提供するフィードバック制御ループを有すると同時に、ランプ電力を制御するためにバス電圧を調整する。制御ＩＣ１４のタイミング回路により、不点火の場合、あるいはランプが消灯した時に、ランプの冷却を可能にする間隔での点火再試行シーケンスが可能となる。タイミング回路と連動して、電子バラストは、制御ＩＣ１４により決定されるような点火失敗の設定回数の後、シャットダウンされる。制御ＩＣ１４は、さらに、電子バラストの起動のためにプログラム可能な機能を提供し、ユーザは、電子バラスト用の起動シーケンスを設定可能になる。制御ＩＣ１４は、さらに、ランプの点火失敗、ランプ欠落保護、ランプ寿命末期保護、および誤動作ランプに対する保護を含む、多数の障害検出および保護機能を提供する。制御ＩＣ１４は、さらに、内部温度制限回路により過熱から保護される。制御ＩＣ１４は、さらに、高電力でのスイッチングを行う前に回路の動作を始動する微電力動作を提供する。微電力機能は、フルブリッジ内のスイッチを切り替えることなく回路を動作モードにすることが望ましい障害状態においても有用となる。加えて、制御ＩＣ１４は、ラッチアップを防止するラッチ排除機能と、静電放電による損傷を防止するＥＳＤ保護とを有する。
【００２１】
ダイアグラム５０として図５に例示した従来のＨＩＤ電子バラストを一時的に参照すると、３ステージソリューションが例示されている。従来のソリューションは、ブースト入力ステージ５２と、バック中間ステージ５４と、フルブリッジ出力ステージ５６とを提供する。ダイアグラム５０に例示した従来の回路は、ブースト入力ステージ５２内のインダクタＬＰＦＣおよびスイッチＳＰＦＣと、バック中間ステージ５４内のインダクタＬＯＣおよびスイッチＳＣＣと、フルブリッジ出力ステージ５６内の４つのスイッチＭ１ないしＭ４とを含む。加えて、ダイアグラム５０において実現された回路は、ステージ５２、５４、および５６のそれぞれにおけるフィードバックおよび制御機能のために使用される他の多数の支援コンポーネントを含む。ブースト入力ステージ５２は、ライン入力でのＰＦＣと、調整直流バス電圧とを提供する。バック中間ステージ５４は、ランプ電力のためにフルブリッジ出力ステージ５６に対する電流制御を提供する。フルブリッジ出力ステージ５６は、早期点火、点火、および連続動作のためのＨＩＤランプの制御を提供する。ダイアグラム５０の従来のソリューションにおいて、独立した制御回路５３、５５、および５７は、ステージ５２、５４、および５６をそれぞれ制御する。制御回路５３は、ブースト入力ステージ５２内の状態を検知し、高い力率および調整直流バス電圧の維持に従ってスイッチＳＰＦＣを操作する。制御回路５５は、バック中間ステージ５４およびフルブリッジ出力ステージ５６内のパラメータを検知し、バック中間ステージ５４における電流制御のためにスイッチＳＣＣに対する制御を提供する。制御回路５７は、フルブリッジ出力ステージ５６内の状態を検知し、例えば、定電力モード等、特定の設計上の目標に従ってＨＩＤランプを駆動するためにスイッチＭ１ないしＭ４を操作する。
【００２２】
再び図１を参照すると、ダイアグラム１５内の回路は、バックブースト入力ステージ１０およびフルブリッジ出力ステージ１２を含み、バックブースト入力ステージ１０は、従来の電子バラストにおける分離したブーストおよびバックステージの全機能を提供する。加えて、バックブースト入力ステージ１０およびフルブリッジ出力ステージ１２は、単一の制御ＩＣ１４により実現可能である単一の制御回路により制御される。制御ＩＣ１４は、ステージ１０および１２において、スイッチＳ１およびスイッチＭ１ないしＭ４を切り替えるための全ての検知および制御動作を提供する。こうした本発明の実現において、バックブースト入力ステージ１０は、バックブースト入力ステージ１０内の全ての所望の機能を実現するために、単一のインダクタＬ１および単一のスイッチＳ１を含む。従来の入力ステージをバックブースト入力ステージ１０に集約することで、本発明は、少ないコンポーネントと、電子バラストを検知および制御するために使用される追加コンポーネントの対応する減少とにより、さらに効率的な電子バラストの実現を提供する。
【００２３】
次に図２を参照すると、グラフ２０に入力電流の波形が例示されている。電流ピークは、一般に、低い全高調波歪みと共に高い力率を得るために、入力電圧波形と相関があるエンベロープに従う。この波形は、下でさらに詳細に説明するように、バックブースト入力ステージ１０の動作により達成される。
【００２４】
次に図３を参照すると、本発明によるＨＩＤ電子バラストにおいてバックブーストコンバータを実現するためのトポロジおよび制御回路が、全般的に回路３０として例示されている。回路３０は、高電力を伝達する黒線と、スイッチングフルブリッジおよびＨＩＤランプの代わりとして抵抗ＲＬＯＡＤとを例示の目的で図示している。検知および制御信号は、細実線において例示されている。電子バラスト回路は、早期点火、点火、連続動作、障害保護、および寿命末期保護に対する制御を提供する。本発明によるバックブーストコンバータは、ライン入力のためのＰＦＣを提供し、説明の目的からダイアグラム３０において抵抗ＲＬＯＡＤとして例示したランプ出力ステージに調整電圧を提供する。バックブーストステージ３２は、整流された交流ライン入力（交流整流ライン入力）の正のノードとインダクタＬ１との間に接続されたスイッチＳ１を含む。インダクタＬ１は、スイッチＳ１と、交流整流ライン入力の負のノードとの間に接続される。ダイオードＤ１は、カソードをインダクタに接続し、アノードを直流バスキャパシタＣ１の負のノードに接続した状態で、バックブーストステージ３２に配置される。直流バスキャパシタＣ１は、負のノードをダイオードＤ１の陽極に接続し、正のノードを交流整流ライン入力の負のノードに接続した状態で、バックブーストコンバータステージ３２に配置される。
【００２５】
バックブーストコンバータステージ３２は、Ｓ１を切り替えることで、適切な時期にインダクタＬ１を充電し、インダクタＬ１Ａが放電を行い、抵抗ＲＬＯＡＤおよびキャパシタＣ１に電気エネルギを供給できるように動作する。スイッチＳ１が閉じている時、すなわち、導通状態にある時、インダクタＬ１Ａは、交流整流入力の正および負のノードにわたって接続されるため、インダクタＬ１Ａを介して流れる電流は、直線的に増加し始める。ダイオードＤ１は、スイッチＳ１が閉じている時、電流が直流バスキャパシタＣ１に流れるのを遮断する。インダクタＬ１Ａからの電流がスイッチＳ１のオン時間により決定されるような一定の値に達すると、スイッチＳ１は、開いた状態、すなわち、非導通状態となり、インダクタＬ１Ａは、直流バスキャパシタＣ１に接続されるようになる。インダクタＬ１Ａに貯留された電流は、直線的に放電し、直流バスキャパシタＣ１の正のノードに加わるため、直流バスキャパシタＣ１の電圧が増加する。ダイオードＤ１は、スイッチＳ１のオフ時間中、電流を直流バスキャパシタＣ１とインダクタＬ１Ａとの間に流すため、直流バスキャパシタＣ１の正のノードにおける電圧は、直流バスキャパシタＣ１の負のノードに対して増加する。スイッチＳ１のオフ時間は、インダクタＬ１Ａを介した電流が放電してゼロになることにより規定され、この時点でスイッチＳ１は閉じ、スイッチＳ１の新しいサイクルが開始される。このスイッチングとエネルギ伝達とのサイクルは、バックブーストコンバータの設計目標を達成するために、スイッチＳ１での動作全体で継続的に反復される。例えば、直流バス電圧レベルは、調整直流バス電圧を得るためにスイッチＳ１のオン時間を決定する。直流バス電圧が所望のレベルを下回る場合には、スイッチＳ１のオン時間を増加させ、インダクタＬ１Ａでの電流の充電を介して、直流バスキャパシタＣ１へ追加の電流を供給する。直流バスキャパシタＣ１へ供給される電流が増加すると、電荷が多くなり、したがって直流バス電圧レベルが高くなる。直流バス電圧が所望のレベルを上回る場合には、スイッチＳ１のオン時間を減少させ、インダクタＬ１Ａを介して直流バスキャパシタＣ１へ供給する電流を少なくし、これにより、直流バス電圧を低下させる。
【００２６】
バックブーストコンバータステージ３２の動作の別の重要な態様は、出力電力を制御することである。出力電力制御は、様々な動作モードでのＨＩＤランプの動作に対処するために重要である。早期点火および点火中、例えば、直流バスは、特定の電圧レベルに調整され、点火回路は、例えば、５ｋＶ等、ランプを点火し、ランプのアークを確立するのに十分な電圧をランプ全体に供給できる。ランプが点火されると、ランプの初期ウォームアップ期間中、直流バス電圧は、ランプ電圧により決定されるように、約２０Ｖまで低下する。加えて、ランプは、この点火段階中に約２アンペアを消費する。数分後、ランプが暖まると、直流バス電圧は、約１００Ｖの定常状態の値に達し、ランプは、約４００アンペアの電流を消費する。こうしたＨＩＤランプの様々な動作モードの全てのため、一定の出力電力調整は、非常に望ましい。
【００２７】
出力電力の一定のレベルでの調整は、バックブーストコンバータステージ３２において、抵抗ＲＳＥＮＳＥを介して負荷電流検知値を取得し、抵抗ＲＢ１およびＲＢ２から成る電圧分割ネットワークを介して直流バス電圧値を取得することにより提供される。バス電圧および負荷電流は、電力値を求めるために、乗算回路チップ３４により互いに乗算される。結果として生じたフィードバック電力値は、例えば、オペアンプゲイン回路３５における１０Ｋおよび１Ｋ抵抗の比により１０倍することで増幅される。オペアンプゲイン回路３５の出力は、オペアンプと、電位差計と、キャパシタＣ２とから成る、標準的に構成されたフィードバックオペアンプ回路３６に提供される。標準フィードバックオペアンプ回路３６は、固定された４Ｖの閾値３７に対して出力電力を調整し、直流バス電圧を調整するための補正信号を提供する。その結果、標準フィードバックオペアンプ回路３６の出力は、制御ＩＣ３８のＣＯＭＰピンに提供される。出力電力が４Ｖの閾値３７を上回って増加または下回って減少すると、オペアンプ回路３６は、ＣＯＭＰピンの信号を適切に修正し、制御ＩＣ３８のＰＦＣ出力ピンのオン時間が増加または減少して、一定の電力が維持されるようになる。例えば、電力が減少した場合、ＰＦＣ出力ピンの信号により提供されるオン時間が増加され、インダクタＬ１Ａを介して抵抗ＲＬＯＡＤに供給される電流が増加する。供給される電力が増加傾向にある場合、スイッチＳ１のオン時間は、ＣＯＭＰピンに供給される値に基づいて低減され、負荷および結果的にはキャパシタＣ１に供給される電流が低減される。
【００２８】
こうしたバックブーストコンバータのフィードバックおよび制御のための単純な構成により、少数のコンポーネントおよび信号によるロバスト制御が可能となる。バックブーストコンバータステージ３２は、高いＰＦＣを実現すると同時に、良好な直流バス電圧調整を維持する。バス電圧を検知し、スイッチのオン時間を調整するためのフィードバックループは、好ましくは、インダクタ電流の充電および放電が交流入力ライン電圧と実質的に同じである形状を有するエンベロープに従うように、低減された応答時間を有する。適切なフィードバックループ速度を提供することで、高い力率が維持されると同時に、低い全高調波歪み（ＴＨＤ）が得られる。
【００２９】
インダクタ電流は、フィードバックの目的で、二次巻線インダクタＬ１Ｂを介して検出される。インダクタＬ１Ｂからの電流は、インダクタ電流が各充電／放電サイクルでゼロまで放電された時に信号を送るためにＺＸピンに結合される。制御ＩＣ３８の内部にあるＰＦＣ制御回路は、バックブーストコンバータステージ３２に対するＰＦＣ制御を提供するために、ピンＺＸ、ＣＯＭＰ、ＶＢＵＳ、およびＰＦＣにおける信号を含め、全ての機能を提供する。バックブーストコンバータの簡略化された動作により、ブーストタイプコンバータで使用されるものと実質的に同様の制御方法を、バックブーストコンバータステージ３２に応用できる。
【００３０】
Ｓ１を切り替えるための信号は、バックブーストコンバータステージ３２においてＰＦＣとバス電圧調整とを実現するために、制御ＩＣ３８のピンＰＦＣに提供される。しかしながら、スイッチＳ１は、好ましくは、制御ＩＣ３８のＣＯＭに参照されないため、信号レベルのシフトは、ピンＰＦＣにおける信号に基づいて、スイッチＳ１に対するゲート信号を提供するために使用される。したがって、レベルシフトＩＣ３９は、ゲートのソースを、スイッチＳ１のソースに対するソース制御電圧へシフトするために使用される。すなわち、レベルシフトＩＣ３９は、制御ＩＣ３８のピンＰＦＣにおける信号により提供されるスイッチング制御により、スイッチＳ１に対するゲート信号を適切なレベルまで高める。
【００３１】
ダイアグラム３０において、ＨＩＤランプおよびフルブリッジは、抵抗ＲＬＯＡＤによりシミュレートされている。シミュレーションにおいて、抵抗ＲＬＯＡＤは、点火後の初期ウォームアップ期間中のＨＩＤランプをシミュレートするために、低い値に設定される。ＲＬＯＡＤの値は、フルブリッジ回路におけるＨＩＤランプの正常な連続動作をシミュレートする定常状態の条件のために、さらに高い値に調整される。ダイアグラム３０の回路は、ＨＩＤランプの様々な動作モードをシミュレートする間に変化する抵抗ＲＬＯＡＤに対して定電力を提供する。
【００３２】
再び図２を参照すると、交流ライン入力電圧の１／２サイクルに対するインダクタ電流波形を例示するグラフ２０が図示されている。メイン入力電圧のサイクル時間中に整流交流ライン入力電圧が増加および減少すると、スイッチＳ１が切り替えられ、電流はインダクタＬ１Ａにおいて充電および放電される（図３）。スイッチＳ１の各サイクルは、交流入力電圧レベルに従ってピークが増減する実質的に三角形の電流波形を発生させる。すなわち、交流入力電圧レベルは、インダクタ電流波形における三角形のピークに対するエンベロープを形成する。スイッチＳ１のオン時間は、サイクルの間に相対的に一定を維持する一方で、スイッチＳ１のオフ時間は、インダクタＬ１Ａがピーク電流からゼロまで放電するのに要する時間により決定される。ピーク電流値は入力電圧レベルにより増減するため、スイッチＳ１のオフ時間は、入力電圧サイクルの間に変化する。この構成によれば、インダクタ電流の周波数は、可変かつフリーランニングとなり、最小周波数は入力電圧半周期のピークにおいて得られ、最大周波数は入力電圧のゼロ交差近くで発生する。インダクタ電流は、各インダクタ充電／放電サイクルによりゼロまで放電されるため、バックブーストコンバータステージ３２は、連続および不連続導通モード間の境界を形成する臨界導通モードで動作する。
【００３３】
図４を参照すると、回路図４０は、入力バックブーストコンバータ４４およびフルブリッジ出力ステージ４６による電子バラストの制御のための簡略化されたソリューションを例示している。ダイアグラム４０の回路により提供されるソリューションによれば、単一の制御ＩＣ４２は、電子バラストにおける全ての検知信号を受信し、全ての制御信号を供給することで、電子バラストの制御を提供する。したがって、バックブーストコンバータ４４は、ピンＺＸに供給されるゼロ交差信号と、ピンＣＯＭＰに供給される調整信号と、ピンＶＢＵＳにおけるバス電圧値と、ピンＨＯＢＢにより供給されるゲート信号とにより制御される。こうした４種類の信号は、ランプ電力調整のための高い力率および電流制御を得る一方で、スイッチＭ１ないしＭ４とＨＩＤランプとから成るフルブリッジ回路４６に調整直流電力を供給するために、バックブーストコンバータ４４に対して完全な制御構成を提供する。制御ＩＣ４２は、ピンＶＢＢＢおよびＶＳＢＢを介して、バックブーストコンバータ４４内のスイッチＳ１を駆動するためにレベルシフトゲート信号を提供するため、ピンＨＯＢＢに供給されるゲート信号によりスイッチＳ１を動作させるのに回路を追加する必要はない。
【００３４】
制御ＩＣ４２は、所望のランプ電力をプログラミングするために、ピンＰＬＡＭＰに対するランプ電力入力を含む。ピンＰＬＡＭＰに接続された抵抗を適切に設定することで、ＨＩＤランプに供給される電力は、一定の値に調整できる。
【００３５】
外部イグナイタによりＨＩＤランプを機能させるためのＨＩＤランプのイグナイタを動作させる点火信号は、ピンＬＯＩＧＮに提供される。加えて、制御ＩＣ４２は、抵抗ＲＣＳにおける電圧の値に基づいて、ピンＣＳにおいて電流検知信号を取得する。例えば、ピンＣＳで受け取られた抵抗ＲＣＳの電圧が所定の電圧レベルを上回る場合、ランプの点灯失敗のようなランプ過電流障害が検出される。制御ＩＣ４２は、さらに、例えば、増幅信号処理のような平均値によるプログラミングを可能にするＩＮＴピンを提供する。制御ＩＣ４２は、それぞれスイッチＭ１およびＭ２とスイッチＭ３およびＭ４とで構成される２つのハーフブリッジを別々に動作させるための全ての駆動信号を提供し、ＨＩＤランプを駆動させるのに必要なフルブリッジを形成する。例えば、制御ＩＣ４２は、スイッチＭ１およびＭ２それぞれのためにピンＨＯ１およびＬＯ１に信号を供給し、スイッチＭ３およびＭ４それぞれのためにピンＨＯ２およびＬＯ２に信号を供給する。こうしたゲート信号は、ＨＩＤランプの制御において、スイッチＭ１ないしＭ４を切り替えるために使用される。したがって、制御ＩＣ４２の内部回路は、スイッチＭ１ないしＭ４を動作させるのに適切なレベルシフト、デッドタイム、制御、およびドライバ回路を提供する。２つの別個の基準信号は、例えば、ピンＶＳ１およびＶＳ２から、２つのハーフブリッジの中間点に接続される。
【００３６】
制御ＩＣ４２への電力は、インダクタＬ１Ｂの二次巻線と、ダイオードＤ２と、キャパシタＣＶＣＣとを介して、ピンＶＯＣに供給される。したがって、制御ＩＣ４２は、ダイアグラム４０の電子バラストにおいて、ＰＦＣ、バス電源調整、電流制御、およびランプ電力制御を実現するのに必要な全ての機能を内蔵している。バックブーストコンバータ４４は、電力供給、電圧、および電流制御を得るための簡略化された新規のアプローチを提供すると同時に、簡略化された構成と減少したコンポーネント数とにより、高い力率を維持する。加えて、電子バラストは、バスの低電圧、ランプの過電流、ランプの寿命末期、ランプの点火失敗、および短絡保護を含め、多数の障害に対処する障害保護を含む。
【００３７】
以上、本発明につきその特定の実施形態に関連して説明してきたが、その他の多数の変更および変形並びにその他の用途は当業者には明らかであろう。したがって、本発明は、本明細書での特定の開示ではなく添付特許請求の範囲によってのみ限定されることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明による回路の全体的な構成を例示するブロック図。
【図２】本発明の電子バラストによる交流ライン入力電圧の半周期中のインダクタ電流を例示するグラフ。
【図３】本発明による電子バラストの回路図。
【図４】本発明による制御ＩＣを使用したＨＩＤランプ用電子バラストの回路図。
【図５】従来の電子バラストの全体的な構成を例示するブロック図。
【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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【国際調査報告】
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