(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
矩形波電力を出力し、放電灯と並列接続されたＬＣ振動方式スタータ回路を備えたインバータにおいて、
前記スタータ回路には、
ＬＣ振動を発生するためのコイルとコンデンサが直列接続されたＬＣ振動発生回路と、
前記ＬＣ振動発生回路と接続された一次コイルと、
放電灯に対し直列に接続された二次コイルと、
前記ＬＣ振動発生回路と直列に接続された双方向性スイッチング半導体素子と、
が設けられていることを特徴とするインバータ。
【請求項２】
請求項１記載のインバータにおいて、前記双方向性スイッチング半導体素子は、点灯される放電灯によって決定される無負荷電圧より低く、放電灯安定点灯時に印加される電圧より高い電圧の間にある作動開始しきい電圧を有し、前記作動開始しきい電圧より高い電圧が印加されると通電することを特徴とするインバータ。
【請求項３】
請求項１または２のいずれかに記載のインバータにおいて、インバータに供給される電源からの電力が商用電源の周波数であり、出力電力の周波数が８０Ｈｚ以上であることを特徴とするインバータ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のインバータにおいて、前記双方向性スイッチング半導体素子の作動開始しきい電圧が２００Ｖ〜２７０Ｖであることを特徴とするインバータ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載のインバータにおいて、電源電圧を昇圧して矩形波変換しており、矩形波変換される昇圧電圧が、定格ランプ電圧よりも１００Ｖ以上高いことを特徴とするインバータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はインバータ、特にＬＣ振動方式のスタータ回路を備えるインバータの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インバータは高周波出力を行うことができ、かつ容易に矩形波を出力できることからＨＩＤ光源である高圧放電灯（ランプ）の点灯用として用いられるようになってきている。そしてインバータのこのような特性から、特にＨＩＤ光源特有のちらつきの問題を起こりにくくすることができることが特徴となっている。
このため、ＨＩＤ光源を用いた照明設備は大型競技場などの娯楽施設のみならず、店舗などの一般照明にも用いられるようになってきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、たとえインバータを用いたとしても、ちらつきが発生することがあることがわかってきた。これはインバータを用いた照明設備の、ちらつきが無いという特徴を根底から揺るがすものであり、早急な解決が望まれた。
しかし、放電灯自身の特性も様々であるとともに、放電灯と放電灯点灯に使用される回路の組合わせによっても繊細な照明特性を示すことから、根本的な原因を究明することは非常に困難なことであった。
【０００４】
これに対して、本発明者らは鋭意研究を重ね、ＬＣ振動方式のスタータ回路を備えたインバータにおいて、ちらつきが発生する可能性が高いことを突き止めた。ＬＣ振動方式のスタータ回路を備えるインバータは回路構成が簡単で比較的安価であることから広く普及している。
このようなＬＣ振動方式のスタータ回路を用いたインバータでは、ＬＣ振動によって放電灯を始動するのであるが、放電灯始動後であっても振動自体は発生しており、この振動が放電灯の照明出力に影響を与えている可能性を見出したのである。
【０００５】
図６に一般的なインバータの構成概要図とインバータに用いられた従来のＬＣ振動方式のスタータ回路の構成概要図を示す。
図６（ａ）に記載されるように、インバータ１０２には交流電源１０４から電力が供給され、交流電源から供給される電力を整流する整流回路１０６、整流された電力を平滑化するとともに力率改善する力率改善回路１０８、出力する電力を制御する電力制御回路１１０、電力制御回路１１０から供給される電力を矩形波に変換するとともに周波数を調整する矩形波変換回路１１２、前記力率改善回路１０８、電力制御回路１１０、矩形波変換回路１１２を制御する制御回路部１１３とスタータ回路１１６が備えられ、交流電源１０４から供給される電力を整流回路１０６、力率改善回路１０８、電力制御回路１１０、矩形波変換回路１１２、スタータ回路１１６を通して放電灯１１４の点灯を行っている。そして放電灯１１４の点灯を開始させる為に用いられるものがスタータ回路１１６に備えられるコイルとコンデンサのＬＣ振動である。
【０００６】
図６（ｂ）には従来のＬＣ振動方式のスタータ回路の構成概要図を示す。同図に示すようにスタータ回路１１６には、ＬＣ振動を発生させるためのコイル１１８及び一次コイル１２１とコンデンサ１２０が直列に接続されて備えられており、このＬＣ振動を利用してスタータ回路１１６が備える接点１２２、１２４間に設置される放電灯１１４を点灯させていたのである。
【０００７】
このような構成のスタータ回路は矩形波変換回路１１２から供給される二次電圧の極性の切り換わりごとに動作し、３０００〜５０００Ｖのピークを出して、放電灯を点灯させるのであるが、放電灯点灯中であっても二次電圧の極性の切り換わりごとに動作してしまい、コイル１１８及び一次コイル１２１とコンデンサ１２０のＬＣ振動によって、２４０Ｖ程度のピークを出してしまっていた。このＬＣ振動成分が矩形波のランプ電流、ランプ電圧に重畳されるのである。通常、ＬＣ振動成分は数１０ｋＨｚ程度の高周波であるがこの振動成分が点灯中の放電灯のちらつきを発生させている可能性を突き止めたのである。
【０００８】
実際に、このような構成のインバータが供給する電圧及び電流波形を計測してみると、確かに矩形波交流が出力されているにも関わらず、ランプ電圧、電流波形を計測してみると、供給される波形が乱れていることがわかった。
図７に従来のＬＣ振動方式のスタータ回路を備えたインバータによるランプ電圧と電流の波形を示す。
同図（ａ）に示すように、ランプ電圧、電流は共に矩形波交流となっている。そして極性の切り換わりごとに、ピーク１２６のようなＬＣ振動成分によるピークが出ていることが記録されている。
【０００９】
この図７（ａ）示したグラフの時間軸を変えて波形を拡大してみると、図７（ｂ）に示すように、極性の切り換わりでＬＣ振動成分による複数のピークが減衰していく様子が記録された乱れた波形を描いている。このようにＬＣ振動成分がランプ電圧、電流波形に重畳することがちらつきの原因となっている可能性があることがわかる。
本発明は前記課題に鑑みなされたものであり、放電灯のちらつき発生を防止することができるＬＣ振動方式のスタータ回路を有するインバータを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明にかかるインバータは、矩形波電力を出力し、放電灯と並列接続されたＬＣ振動方式のスタータ回路を備えたインバータにおいて、前記スタータ回路には、ＬＣ振動を発生するためのコイルとコンデンサが直列に接続されており、前記コイル及びコンデンサと直列に接続された双方向性スイッチング半導体素子が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
また本発明において、前記双方向性スイッチング半導体素子は、点灯される放電灯によって決定される無負荷電圧より低く、放電灯安定点灯時に印加される電圧より高い電圧の間にある作動開始しきい電圧を有し、前記作動開始しきい電圧より高い電圧が印加されると通電することが好適である。
また本発明において、インバータに供給される電源からの電力が商用電源の周波数であり、出力電力の周波数が８０Ｈｚ以上であることが好適である。
また本発明において、前記双方向性スイッチング半導体素子の作動開始しきい電圧が２００Ｖ〜２７０Ｖであることが好適である。
また、前記インバータは電源電圧を昇圧して矩形波変換しており、矩形波変換される昇圧電圧が定格ランプ電圧よりも１００Ｖ以上高いことが好適である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、放電灯のちらつき発生を防止することができるＬＣ振動方式のスタータ回路を有するインバータを提供することを目的とするものである。本発明のインバータはＬＣ振動方式のスタータ回路を備えた一般的なインバータにおいて適用可能である。
第一実施形態
図１に、本発明におけるインバータの構成図と、該インバータのＬＣ振動方式スタータ回路の第一実施形態である回路概要図を記載する。
【００１３】
同図（ａ）に示すように本発明におけるインバータ２も、図６に記載されたインバータ同様、交流電源４から電力が供給され、交流電源から供給される電力を整流する整流回路６、整流された電力を平滑化するとともに力率改善する力率改善回路８、出力する電力を制御する電力制御回路１０、電力制御回路から供給される電力を矩形波にするとともに、周波数を調整する矩形波変換回路１２、前記力率改善回路８、電力制御回路１０、矩形波変換回路１２を制御する制御回路部１３とスタータ回路１６を備え、交流電源４から供給される電力を整流回路６、力率改善回路８、電力制御回路１０、矩形波変換回路１２、スタータ回路１６を通して放電灯１４の点灯を行っている。そして放電灯１４の点灯を開始させる為に用いられるものがスタータ回路１６に備えられるコイルとコンデンサのＬＣ振動である。
【００１４】
本発明におけるインバータは、図１（ａ）に示したような、矩形波電力を出力し、放電灯と並列に接続されたＬＣ振動方式のスタータ回路を備えたインバータ２において、図１（ｂ）に示すように、そのスタータ回路１６には、ＬＣ振動を発生するためのコイル１８及び一次コイル２１とコンデンサー２０が直列に接続されており、前記コイル１８、一次コイル２１及びコンデンサー２０と直列に接続された双方向性スイッチング半導体素子２２が設けられていることを特徴とする。
この双方向性スイッチング半導体素子２２は、双方向に電流を流すものの、一定以上の電圧が印加されなければオン作動しないため電流を流さず、また一度オン作動しても、流れる電流が特定の電流値以下になると再びオフ作動するものである。
【００１５】
前記双方向性スイッチング半導体素子には、放電灯始動前に放電灯の電極間に無負荷電圧がかかり、放電灯安定点灯時より高い電圧が印加されることとなり、また放電灯が安定して点灯するようになると、安定点灯時の電圧となり印加される電圧が低くなる。
そこで前記双方向性スイッチング半導体素子のオン作動する作動開始しきい電圧を、点灯される放電灯によって決定される無負荷電圧より低く、放電灯安定点灯時に印加される電圧より高い電圧の間で有することが好適である。
【００１６】
このような作動開始しきい電圧を有する双方向性スイッチング半導体素子２２であれば、放電灯点灯前の無負荷電圧による、高い電圧が印加された際には、無負荷電圧が作動開始しきい電圧より大きいため、オン作動してＬＣ振動を妨害することなく、好適に放電灯１４を始動させることができる。また放電灯１４が安定点灯しているときには、印加される電圧が作動開始しきい電圧より小さいため、オフ状態のままとなり、図１（ｂ）に示したＬＣ振動を発生させるコイル１８とコンデンサー２０及び一次コイル２１は回路から切り離された状態となり、スタータ回路の二次コイル２３を通してＬＣ振動が重畳されていない電力が放電灯１４に供給される。このようにしてランプ電圧やランプ電流にＬＣ振動成分が重畳されることが防止される。さらに回路からコイル１８、コンデンサー２０、一次コイル２１が切り離されるので、ランプ点灯中はこの部分での電力消費がなくなり、省エネの面からも有利である。
【００１７】
なお図１（ｂ）には、コイル１８とコンデンサ２０の間に双方向性スイッチング半導体素子２２を設けたが、本発明はこれに限られるものでなく、双方向性スイッチング半導体素子がオフ状態のときに、ＬＣ振動を発生させるコイルとコンデンサを回路から切り離した状態にしうる位置、つまりはコイル１８、一次コイル２１及びコンデンサ２０と直列に接続されていればよく、図１（ｂ）に示した回路上のａ点或いはｂ点であっても一向に差し支えない。
図１に記載したＬＣ振動方式のスタータ回路を備えたインバータによるランプ電圧と電流の波形を図２に示す。
【００１８】
同図（ａ）に示すように、ランプ電圧、電流は共に矩形波交流となっている。そして従来のインバータでは極性の切り換わりごとに出ていたＬＣ振動成分によるピークが、本発明のインバータでは出ていないことがわかる。
さらに図２（ａ）に示したグラフの時間軸を変えて波形を拡大してみても、図２（ｂ）に示すように本発明のインバータによるランプ電圧、電流波形には、図４（ｂ）で現れた乱れがまったく無いきれいな波形を描いている。このように本発明によれば、ＬＣ振動成分がランプ電圧、電流波形に重畳することが好適に防止することができていることがわかる。
【００１９】
なお、本発明において、前記インバータは、インバータに供給される電源からの電力が商用電源の周波数であり、出力電力の周波数が８０Ｈｚ以上であることが好適である。
インバータは数１０ｋ〜数百ｋＨｚの高周波を発生させることが可能であるが、放電灯にこのような高周波を供給し点灯すると、音響的共鳴現象と呼ばれるアークの揺らぎが発生することがある。そこで一度高周波に変換された出力をおよそ１００Ｈｚ程度の周波数に変換して放電灯に供給するのが好適である。
【００２０】
なお、さらに本発明者らがちらつきの原因について鋭意研究を重ねたところ、点灯させる放電灯の消費電力の大きさにもちらつきの原因が含まれている可能性を見出した。
つまり放電灯は安定点灯を始めると、図１（ｂ）に示したような回路上では、抵抗と同様の振る舞いを見せる。このため、放電灯が有する前記したような抵抗値が回路において影響を与え、電源から供給される周波数、及び放電灯の点灯周波数などの特定の組合わせ状態となったときに、数１０ｋＨｚのＬＣ振動成分と音響的共鳴を起こし、放電状態が不安定になってちらつきが発生しているものと予測されるのである。
【００２１】
ちらつきが発生するケースを分析してみると消費電力の小さい放電灯程ちらつき発生の頻度が高くなり、１５０Ｗや７０Ｗの放電灯ではちらつきの発生がほとんど確認されることが無いにも関わらず、同じ回路構成で３５Ｗの放電灯ではちらつきが多数発生するなどの現象が見られた。これらを分析してみると、放電灯安定点灯状態で消費電力が小さい放電灯ほど、回路上では大きな抵抗値を持つ抵抗と同様の働きを示すことがわかってきた。
【００２２】
このような理由から本発明のインバータは６０Ｗ以下さらに好適には５０Ｗ以下の低電力放電灯点灯用として用いることが好適である。このような低電力放電灯はちらつき発生の可能性が高い傾向にあるため、本発明のインバータを使用することでちらつきを好適に防止することができるためである。
また本発明におけるインバータが備える双方向性スイッチング半導体素子の作動開始しきい電圧はこれらの放電灯を点灯させるのに必要な無負荷電圧と安定点灯時の電圧を考慮して、２００Ｖ〜２７０Ｖ、さらには２２０Ｖ〜２５０Ｖであることが好適である。このような始動開始しきい電圧とすることで、このような双方向性スイッチング半導体素子を使用して、ちらつき発生の可能性が高くなる低電力放電灯であっても、本発明のインバータを好適に使用することできるためである。
【００２３】
実験
続いて、図１に記載したインバータで３５Ｗ放電灯を５０Ｈｚ商用電源から電力を供給して点灯させ、ちらつきが発生するかを調べた。この際、比較例として図３（ｂ）に記載したスタータ回路を備える図３（ａ）に記載されたようなインバータを用いて、本発明のインバータと同様に３５Ｗ放電灯を５０Ｈｚ商用電源から電力を供給して点灯させた。
前記実験の結果、比較例は放電灯のちらつきが観察されたが、本発明のインバータによって点灯された放電灯にはちらつきの発生が観察されなかった。よって本発明のインバータによれば放電灯のちらつきの発生が好適に防止できることが確認できた。
【００２４】
以上説明した本発明のインバータは矩形波と組合わせて使用するため、二次電圧の極性が切り換わるたびに始動パルスが発生する。このため放電灯によっては、始動に必要なパルスのエネルギーの規格を発生パルスの単位時間あたりの累積パルス幅で規定している場合があるが、前記説明したインバータは二次側周波数の二倍の数のパルスが発生するので、この規格を満たしやすい。
また仮に二次電圧の値が変化しても常に極性の切り換わり時にパルスが発生するため、パルスの発生する位相を一定に保つことができる。
【００２５】
さらにパルスの発生位相が、二次電圧の極性の切り換わり直後であるので、パルス発生直後（放電灯始動直後）に、二次電圧の極性の切り換わりによってランプ電流がゼロとなることが無く、放電灯が始動しやすくなる。
さらに回路構成が簡単であり比較的安価に構成できる。
【００２６】
第二実施形態
次に、本発明の第二実施形態にかかるインバータを説明する。本実施形態にかかるインバータの基本構成は、前記図１に示したものと同一であり、力率改善回路８が昇圧回路を兼ねている。
本実施形態において特徴的なことは、力率改善回路８による昇圧レベルを定格ランプ電圧よりも１００Ｖ以上高くすることである。
【００２７】
すなわち、定格電圧１００Ｖの放電灯を点灯するに際し、力率改善回路８による昇圧を＋８０Ｖ程度とすると、極性の切り替わり時に光波形が不安定となる場合がある(図３参照）。図３において、Ｃｈ１は昇圧電圧、Ｃｈ２は光強度変化、Ｃｈ３はランプ電流波形をそれぞれ示す。そして、昇圧電圧は一定を維持している。一方、光波形及びランプ電流波形は、（Ｉ）部分は変化が一定しているが、（II）部分は変化が一定しておらず、波形が二重になっている。これがちらつきの原因となり得ると推察された。
【００２８】
これに対し、力率改善回路８による昇圧を定格電圧に対し＋１３０Ｖとすると、図４に示すように極性の切り替わり時も光波形が不安定となることがなくなり、ちらつきも発生しない。
さらに本発明者らは、安定点灯に必要な昇圧回路出力電圧とランプ電圧との差の検討を行った。結果を図５に示す。
同図より、一般的なランプ電力にあるランプについては、差電圧は１００Ｖ以上あればよく、特に本発明が好適に適用される５０Ｗ以下の放電灯では１２０Ｖ以上あればいいことが理解できる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明におけるインバータによれば、スタータ回路に双方向性スイッチング半導体素子を設けたので、放電灯のちらつきを防止することが可能である。
さらに本発明にかかるインバータにおいて、電源電圧を昇圧して矩形波変換しており、矩形波変換される昇圧電圧を、ランプ電圧に対して１００Ｖ以上高くすることにより、放電灯のちらつきをより確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明におけるインバータの構成図と本発明のインバータのＬＣ振動方式スタータ回路の一実施形態である回路概要図である。
【図２】図２は、図１に記載したＬＣ振動方式スタータ回路を備えたインバータによるランプ電圧、電流波形である。
【図３】図３は、矩形波変換される入力電圧とランプ電圧との差電圧が小さい場合のちらつき発生状態の説明図である。
【図４】図４は、矩形波変換される入力電圧とランプ電圧との差電圧が大きい場合のちらつき発生状態の説明図である。
【図５】図５は、入力電圧とランプ電圧の差電圧と、ランプ電力との相関による安定化領域の説明図である。
【図６】図６は、一般的なインバータの構成概要図とインバータに用いられた従来のＬＣ振動方式スタータ回路の構成概要図である。
【図７】図７は、従来のＬＣ振動方式スタータ回路を備えたインバータによるランプ電圧、電流波形である。
【符号の説明】
２  インバータ
４  交流電源
６  整流回路
８  力率改善回路
１０  電力制御回路
１２  矩形波変換回路
１３  制御回路部
１４  放電灯
１６  スタータ回路
１８  コイル
２０  コンデンサ
２１  一次コイル
２２  双方向性スイッチング半導体素子
２３  二次コイル
【図１】
0004127357.tif 000002
【図２】
0004127357.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
0004127357.tif 000006
【図６】
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【図７】
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