(57)【要約】【課題】コンバータの変換効率を下げることなく、サージ電圧の低減を図る。【解決手段】直流電源１１の電圧をトランジスタＱでオンオフさせトランスＴＲの1次コイルｎ１に印加して２次コイルｎ２から交流電圧を得る。この交流電圧を直流電圧に変換し第１のコンバータ１２の出力とする。この直流電圧を交流に変換して放電灯１５の点灯の電力をインバータ１６で生成し供給する。放電灯１５の点灯開始は第１のコンバータ１２の出力電圧を、第２のコンバータ１３で直流電圧に変換し、この電圧に基づき高パルス電圧をイグナイタ１４で生成する。第１のコンバータ１２のトランスＴＲの１次コイルｎ１とトランジスタＱのゲートとの間にコイルＬとコンデンサＣ１による直列回路を接続する。コイルＬとコンデンサＣ１の直列回路は、トランジスタＱがオフのときに電流を流し、トランスＴＲのサージ電圧を吸収しドレインとソース間の電圧を軽減でき高周波振動電圧を低減できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、
前記直流電源の電圧をスイッチング素子によりトランスの1次コイルに印加させるかどうかを制御し、前記トランスの２次コイルから所望の交流電圧を得て、該交流電圧を直流電圧に変換する第１のコンバータと、
前記第１のコンバータが出力する直流電圧を交流に変換して放電灯の点灯に必要な電力を供給するインバータと、
前記第１のコンバータが出力する直流電圧を所望の直流電圧変換する第２のコンバータと、
前記第２のコンバータが出力する直流電圧に基づきパルス電圧を生成するイグナイタとを具備するスイッチング電源装置において、
前記第１のコンバータの前記トランスの１次コイルとスイッチング素子の制御端子との間にコイルとコンデンサまたは抵抗による直列回路を接続したことを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】
前記直列回路は、前記トランスの１次コイルの中間タップと前記スイッチング素子の制御電極に接続したことを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
【請求項３】
前記直列回路は、前記スイッチング素子の出力電極と制御電極間に接続したことを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、インバータやコンバータ等のスイッチング素子のサージ電圧を低減するスイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のスイッチング電源装置は、直流電圧を降圧させるコンバータを構成するトランスの1次側で、スイッチング素子をオンオフさせて交流電圧を発生させている。スイッチング素子がオフしたときにこのスイッチング素子のドレインとソース間にはトランスの１次巻線に発生する電圧とリーケージインダクタンスと浮遊容量に起因して発生するサージ電圧が加算された電圧が印加する。サージ電圧を低減するためトランスの１次巻線と並列に接続したダイオード、抵抗、コンデンサでサージ電圧を吸収させている。（例えば、特許文献１）
【特許文献１】特開２００１−１４５３４６公報（第２〜３頁、図９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記した特許文献１の技術は、スイッチング素子をオフさせたときに、サージ電圧を吸収させるためのコンデンサに蓄積されたエネルギーを、このコンデンサと並列接続された抵抗で消費させている。しかし、抵抗値を小さくすることによりサージ電圧は低減できるものの、電流が大きくなることから抵抗で消費される電力は大きくなり回路損失が大きくなる、という問題があった。
【０００４】
この発明の目的は、直流電圧を降圧させるコンバータの変換効率を下げることなくサージ電圧を低減させることのできるスイッチング電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記した課題を解決するために、この発明は、直流電源と、前記直流電源の電圧をスイッチング素子によりトランスの1次コイルに印加させるかどうかを制御し、前記トランスの２次コイルから所望の交流電圧を得て、該交流電圧を直流電圧に変換する第１のコンバータと、前記第１のコンバータが出力する直流電圧を交流に変換して放電灯の点灯に必要な電力を供給するインバータと、前記第１のコンバータが出力する直流電圧を所望の直流電圧変換する第２のコンバータと、前記第２のコンバータが出力する直流電圧に基づきパルス電圧を生成するイグナイタとを具備するスイッチング電源装置において、前記第１のコンバータの前記トランスの１次コイルとスイッチング素子の制御端子との間にコイルとコンデンサまたは抵抗による直列回路を接続したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
この発明によれば、第１のコンバータの変換効率を下げることなくサージ電圧を軽減させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【０００８】
図１は、この発明の一実施形態について説明するための構成図である。１１は例えば１２Ｖの定電圧の直流電源であり、この直流電源１１の電力を、第１のコンバータ１２に供給する。また、直流電源１１は第２のコンバータ１３にも供給し、ここで例えば１ｋＶに昇圧された直流電圧Ｖｄ１を生成し、イグナイタ１４に供給する。イグナイタ１４では供給された１ｋＶの直流電圧に基づき、例えば２５ｋＶの高圧パルス電圧を発生させて放電灯１５に供給し、放電灯１５をグロー放電させる。
【０００９】
第１のコンバータ１２では、例えば３７５Ｖの高い直流電圧Ｖｄ２を生成し、インバータ１６に供給するとともに、交流電圧Ｖａ１を生成し、定電圧回路１７に供給する。
【００１０】
また、定電圧回路１７は、出力から定電圧化された直流電圧Ｖｄ３を生成し、ＤＣ／ＡＣ変換駆動回路１８と制御回路１９の電源としてそれぞれ供給する。ＤＣ／ＡＣ変換駆動回路１８では、駆動交流電圧Ｖａ２を生成してインバータ１６に供給し、第１のコンバータ１２から供給される直流電圧Ｖｄ２を、交流電圧Ｖａ３に変換して出力する。
【００１１】
第１のコンバータ１２の出力と接地間には、抵抗Ｒ１，Ｒ２を直列接続し、その接続点に発生する抵抗Ｒ１，Ｒ２抵抗比による分割電圧を、放電灯１５のランプ電圧情報として制御回路１９に供給する。
【００１２】
イグナイタ１４は、第２のコンバータ１３から供給される直流電圧Ｖｄ１に基づき生成された高圧直流電圧で２０ｋＶ程度の高圧パルス電圧を生成し、この電圧を放電灯１５に印加することでグロー放電の状態にする。そして、インバータ１６から供給される例えば３７５Ｖの交流電圧Ｖａ３を供給し、放電灯１５をグロー放電からアーク放電に切り替える。
【００１３】
次に、図１の第１のコンバータ１２、インバータ１６をより詳細に示した図２の回路構成図を参照しながら、図１についてさらに詳しく説明する。図２において、図１と同一の部分には同一の符号を付している。
【００１４】
図２において、第１のコンバータ１２の構成について説明する。直流電源１１の正極は、トランスＴＲの１次コイルｎ１の一端に接続する。１次コイルｎ１の他端は、ソースが接地されたＣＭＯＳ型のスイッチング素子であるトランジスタＱの出力電極であるドレインに接続する。１次コイルｎ１の中間タップｔとトランジスタＱのドレイン間には直列接続されたコイルＬとコンデンサＣ１を接続する。トランジスタＱのドレインとソース間にはコンデンサＣ２を接続する。トランジスタＱの制御電極であるゲートは、制御回路１９の出力により駆動される。コイルＬとコンデンサＣ１は、スナバ回路を構成し、トランスＴＲで発生するサージ電圧を吸収してトランジスタＱにサージ電圧が印加されないようにする。
【００１５】
トランスＴＲの２次コイルｎ２の一端は、第２のコンバータ１３に接続するとともに、ダイオードＤ、コンデンサＣ３を介して接地する。ダイオードＤとコンデンサＣ３の接続点は、インバータ１６に接続する。さらに、２次コイルｎ２の他端は１次コイルｎ１の他端に接続する。
【００１６】
また、インバータ１６は、例えばＣＭＯＳ型のスイッチングトランジスタのスイッチＳａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄからフルブリッジ回路を構成しており、スイッチＳａとスイッチＳｄ、スイッチＳｂとスイッチＳｃは同時にオンオフ制御される。これらの２群のスイッチは、ＤＣ／ＡＣ変換駆動回路１７からの駆動用の交流電圧Ｖａ２に基づき交互にオンオフ制御される。
【００１７】
次に、上記した図２構成の動作について図３の波形図とともに説明する。トランジスタＱをオンオフ制御させることで、トランスＴＲの１次側コイルｎ１に発生する交流電圧Ｖａ１は、第２のコンバータ１３を構成する１次側コイルｎ１より巻線数の多い図示しない３次側コイルに高い交流電圧を生成し、この交流電圧に基づいた例えば１ｋＶの直流電圧Ｖｄ１に変換してイグナイタ１４に供給する。イグナイタ１４では供給された１ｋＶに基づき図３（ｂ）に示す例えば２５ｋＶを生成して放電灯１５に供給し、放電灯１５をグロー放電させる。
【００１８】
また、トランスＴＲは２次コイルｎ２を、１次コイルｎ１より巻線比を多くし、それに応じた高い交流電圧を生成する。この交流電圧は、ダイオードＤ、コンデンサＣ３を用いて図３（ａ）に示す例えば３７５Ｖの直流電圧Ｖｄ２に整流してインバータ１６に供給する。
【００１９】
トランスＴＲの１次側に発生した交流電圧Ｖａ１は、定電圧回路１７に供給し、ここで定電圧化された直流電圧Ｖｄ３として生成し、この直流電圧Ｖｄ３を制御回路２０およびＤＣ／ＡＣ変換駆動回路１８の電源としてこれらに供給する。
【００２０】
制御回路２０は、スイッチング信号を生成し、トランジスタＱをオンオフ制御して直流電源１１の直流電圧を交流電圧に変換する。また、フルブリッジ構成のインバータ１６は、ＤＣ／ＡＣ変換駆動回路１８から出力される駆動用の交流電圧Ｖａ２で、スイッチＳａとスイッチＳｄをオン、スイッチＳｂとスイッチＳｃをオフ、次にスイッチＳａとスイッチＳｄをオフ、スイッチＳｂとスイッチＳｃをオンする制御を交互に行い、出力から直流電圧Ｖｄ２に交流電圧Ｖａ２が重畳された交流電圧Ｖａ３を生成する。
【００２１】
放電灯１５は、これまで直流電圧Ｖｄ１に基づきイグナイタ１４で生成された高いパルス電圧でグロー放電された状態から、放電破壊を起こし放電灯１５のインピーダンスは急激に低下する。低下すると、放電灯１５はインバータ１６から供給される電力により点灯させる。
【００２２】
第１のコンバータ１２について、図４、図５も参照しながらさらに説明する。図４はトランジスタＱのドレイン・ソース間電圧Ｄｖｓを示し、図５は図４の期間Ｔを拡大して示したものである。
【００２３】
第１のコンバータ１２のトランジスタＱがオンしたときに、トランジスタＱのドレインとソース間に流れる電流Ｉｄは、トランスＴＲの1次コイルｎ１にエネルギーをチャージする。トランジスタＱがオフしたときは、チャージされたエネルギーに基づいてトランスＴＲの1次コイルｎ１に、トランジスタＱのドレインと２次コイル間の電圧に相当する、例えば４５Ｖを発生する。1次コイルｎ１の中間タップｔに発生する電圧Ｖｔは、トランジスタＱのドレインと1次コイルｎ１の接続点に発生する電圧４５Ｖから中間タップｔの電圧Ｖｔを差し引いた値となる。
【００２４】
第１のコンバータ１２が動作することにより、トランスＴＲのリーケージインダクタンスと1次と２次コイルｎ１，ｎ２間や１次コイルｎ１の巻線間に発生する浮遊容量の共振に起因して図４に示すようなサージ電圧が発生する。サージ電圧は、トランジスタＱがオフしたときにドレイン・ソース間に印加される。トランジスタＱのゲートには、コイルＬ、コンデンサＣ１を介して電流が流れことから、トランスＴＲのリーケージインダクタンスによるサージ電圧が吸収されドレインとソース間に印加する電圧が低減でき高周波振動電圧が低減する。
【００２５】
図５に示すように、中間タップｔとトランジスタＱのゲート間に直列接続されたコイルＬ、コンデンサＣ１は、サージ電圧による高周波振動電圧を低減させている。
【００２６】
すなわち、従来のコイルＬ、コンデンサＣ１を中間タップｔとトランジスタＱのゲート間に接続しない場合は、破線の波形に示すようにサージ電圧が大きい。この発明のコイルＬ、コンデンサＣ１を中間タップｔとトランジスタＱのゲート間に接続した場合は、実線の波形に示すようにサージ電圧低減による高周波振動電圧を、破線で示す従来に比べて低減したものを得ることができる。
【００２７】
この実施形態では、簡単な構成でサージ電圧を低減できることから、サージ電圧の減衰振動電圧が早く収束させることができる。このためこの減衰振動電圧のサイクルが少なくなりノイズ低減ができる。また、サージ電圧が低減された場合のドレイン電圧は低くなる。この電圧と一定のドレイン電流が積算された値は、トランジスタの損失が小さくなり、コンバータの効率向上を図ることができる。
【００２８】
なお、図２の第１のコンバータ１２のコイルＬを抵抗に換えても構わない。この場合も、中間タップｔとトランジスタＱのゲート間に接続したコンデンサと抵抗の直列回路は、トランジスタＱがオフしたとき、この直列回路に電流が流れることによりリーケージインダクタンスに起因するサージ電圧が吸収されドレインとソース間に印加する電圧が吸収され、高周波振動電圧を低減させることができる。
【００２９】
図６は、この発明の他の実施形態について説明するための構成図であり、上記した実施形態と同一の構成部分には同一の符号を付して説明する。
【００３０】
この実施形態は、第１のコンバータ１２のトランスＴＲの１次コイルｎ１の中間タップｔとトランジスタＱのゲートに接続されていたコイルＬとコンデンサＣ１の直列回路を、トランジスタＱのドレインとゲート間に接続したものである。
【００３１】
そこで、第１のコンバータ１２が動作することにより、トランスＴＲのリーケージインダクタンスと浮遊容量の共振に起因して発生するサージ電圧は、トランジスタＱがオフしたときに、このスイッチング素子のドレインとソース間に印加させる。トランジスタＱのドレインとゲートがコイルＬ、コンデンサＣ１を介して接続することにより、トランジスタＱがオフしたとき、コンデンサＣ１に電流を流すことによりリーケージインダクタンスに起因するサージ電圧が吸収され、ドレインとソース間に印加する電圧が低減でき高周波振動電圧が低減する。
【００３２】
図６の構成によるトランジスタＱのドレインとソース間電圧Ｖｄｓは、コイルＬ、コンデンサＣ１の直列回路の接続以外の構成を同じとした場合に、図７および図７の期間Ｔを拡大して示した図８に示すように、６１Ｖ程度（図５参照）であった上記実施形態に対して、さらに５６Ｖ程度と軽減されたサージ電圧とすることができる。その結果、高周波振動電圧をさらに低減することが可能となる。
【００３３】
図６において、第１のコンバータ１２のコイルＬを抵抗に換えても構わない。トランジスタＱがオンオフする第１のコンバータ１２の動作により、トランスＴＲのリーケージインダクタンスと浮遊容量の共振に起因して発生するサージ電圧はトランジスタＱがオフしたときにこのトランジスタＱのドレインとソース間に印加する。トランスＴＲとトランジスタＱの接続点とトランジスタＱのゲート間に接続したコンデンサと抵抗の直列回路はスイッチング素子がオフしたとき、この回路に電流が流れることによりリーケージインダクタンスに起因するサージ電圧が吸収されドレイン〜ソース間に印加する電圧が吸収され高周波振動電圧が低減する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】この発明の一実施形態の概念について説明するための構成図。
【図２】図１の具体例について説明するための構成図。
【図３】図１の動作について説明するための説明図。
【図４】図１の動作について説明するための説明図。
【図５】図１の動作について説明するための説明図。
【図６】この発明の他の実施形態について説明するための構成図。
【図７】図６の動作について説明するための説明図。
【図８】図６の動作について説明するための説明図。
【符号の説明】
【００３５】
１１  直流電源
１２  第１のコンバータ
１３  第２のコンバータ
１４  イグナイタ
１５  放電灯
１６  ＤＣ／ＡＣインバータ
１７  定電圧回路
１８  ＤＣ／ＡＣ変換駆動回路
１９  制御回路
ＴＲ  トランス
ｎ１  １次コイル
ｎ２  ２次コイル
ｔ  中間タップ
Ｑ  トランジスタ
Ｌ  コイル
Ｃ１  コンデンサ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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