(57)【要約】  本発明はガス放電灯用の電子駆動装置に関する。本発明によれば、電子駆動装置は、力率改善回路を含む直流電圧変換器と、ランプチョーク、および、個別に駆動可能な２つのハーフブリッジから成るフルブリッジを含むインバータとを有しており、前記直流電圧変換器はさらに降圧機能部を有し、前記インバータはさらにランプ電流制御機能部および入力電圧をランプ電圧の値へ降圧する降圧機能部および共振点弧機能部を有する。
2012518977.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
力率改善回路を含む直流電圧変換器と、
ランプチョーク、および、個別に駆動可能な２つのハーフブリッジから成るフルブリッジを含むインバータと
を有する、
ガス放電灯用の電子駆動装置において、
前記直流電圧変換器はさらに降圧機能部を有しており、
前記インバータはさらにランプ電流制御機能部およびランプ電圧の値までの降圧を行う降圧機能部および共振点弧機能部を有している
ことを特徴とするガス放電灯用の電子駆動装置。
【請求項２】
前記直流電圧変換器は入力電圧を１６０Ｖ〜２５０Ｖの範囲の中間回路電圧へ降圧するように構成されている、請求項１記載のガス放電灯用の電子駆動装置。
【請求項３】
前記インバータ内の前記ランプ電流制御機能部は、前記ランプチョーク内のリップル電流が小さくなり、かつ、ガス放電灯内の音響共振が回避され、かつ、ランプ電流の瞬時値が前記ランプチョーク内の電流の瞬時値にほぼ相当するように、降圧機能を担当するハーフブリッジを連続モードで動作させる、請求項１または２記載のガス放電灯用の電子駆動装置。
【請求項４】
前記インバータは共振チョーク（Ｌ）および共振コンデンサ（ＣＬ，ＣＲ）を有しており、該共振チョークはオートトランスとして構成されており、該オートトランスの中間タップは前記共振コンデンサに接続されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のガス放電灯用の電子駆動装置。
【請求項５】
前記共振コンデンサを通る電流を遮断可能なスイッチ（Ｓ）が前記共振コンデンサに接続されており、該スイッチは点弧開始時点から放電灯のテイクオーバまでの始動期間にはオンとなり、ランプの点灯による定格動作の期間にはオフとなる、請求項４記載のガス放電灯用の電子駆動装置。
【請求項６】
前記直流電圧変換器と前記インバータとのあいだに中間回路コンデンサが配置されており、該中間回路コンデンサによって駆動中に生じる電圧リップルと前記インバータによって形成される交流電圧とが同期されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のガス放電灯用の電子駆動装置。
【請求項７】
前記インバータは、交流電圧がつねに前記電圧リップルの最大値付近で転換されるように、前記電圧リップルの周波数に同期されている、請求項６記載のガス放電灯用の電子駆動装置。
【請求項８】
前記ランプ電流は矩形波状の電流であり、前記ランプ電流の大きさは、該ランプ電流の正の象限におけるランプ出力の瞬時値が負の象限におけるランプ出力の瞬時値と同じ大きさとなるように調整されている、請求項４または５記載のガス放電灯用の電子駆動装置。
【請求項９】
前記ランプ電流のオンオフ比は、該ランプ電流の正の象限におけるランプ出力の平均値が負の象限におけるランプ出力の平均値と同じ大きさとなるように調整されている、請求項４または５記載のガス放電灯用の電子駆動装置。
【請求項１０】
前記フルブリッジは２つのハーフブリッジに分割されており、ガス放電灯の駆動中、第１のハーフブリッジは高周波のパルス幅変調電圧によって駆動され、第２のハーフブリッジは低周波の矩形波電圧によって駆動される、請求項１から９までのいずれか１項記載のガス放電灯用の電子駆動装置。
【請求項１１】
ランプ始動時には２つのハーフブリッジの双方が高周波電圧によって駆動される、請求項８記載のガス放電灯用の電子駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力率改善回路を含む直流電圧変換器と、ランプチョーク、および、個別に駆動可能な２つのハーフブリッジから成るフルブリッジを含むインバータとを有する、ガス放電灯用の電子駆動装置に関する。
【０００２】
従来技術
本発明は、力率改善回路を含む直流電圧変換器と、ランプチョーク、および、個別に駆動可能な２つのハーフブリッジから成るフルブリッジを含むインバータとを有する、ガス放電灯用の電子駆動装置に関する。
【０００３】
図１には、従来技術の電子駆動装置のコンセプトが示されている。この電子駆動装置は３つの段から成る。直流電圧変換器を含む第１の段では入力交流電圧が４００Ｖのいわゆる中間回路電圧ＵＺＫへ昇圧される。中間回路電圧ＵＺＫは直流電圧であり、ふつう中間回路コンデンサによって維持される。当該の直流電圧変換器は、特別なモードで動作し、同時に力率改善回路ＰＦＣの機能も果たす。当該の直流電圧変換器は例えばフライバック変換器またはＳｅｐｉｃ変換器またはＣｕｋ変換器として構成することができる。
【０００４】
４００Ｖの直流電圧は、ハーフブリッジ型のインバータを含む第２の段で、ランプ電圧のレベルの低周波交流電圧へ降圧される。交流電圧の周波数はここでは５０Ｈｚから５００Ｈｚまでの範囲にある。中間回路電圧ＵＺＫがランプ電圧の２倍より大きいため、インバータ内で、周知のように出力電圧を入力電圧の１／２にするハーフブリッジ回路が選択される。降圧された出力交流電圧は、ガス放電灯５を始動するための点弧電圧を形成する点弧段へ入力される。
【０００５】
第３の段は、通常、インバータの出力電圧に高い点弧電圧を重畳する重畳型点弧回路から成る点弧段である。当該の重畳型点弧回路の点弧電圧は個々の点弧パルスから成っており、これらの点弧パルスはガス放電灯の放電管（バーナー）に電気的なブレークダウンが生じるまで形成される。
【０００６】
インバータ内で降圧を担当する第１のハーフブリッジは、効率および電磁耐性の観点から、不連続モードで動作する。これにより、エネルギ蓄積器の完全放電が可能となり、スイッチング損失が最小化される。この場合、エネルギ蓄積器としては、ふつう、ランプチョークが用いられる。しかし、こうした動作では、エネルギ蓄積器によって大きなリップル電流が発生するので、インバータは低周波交流電圧を形成するが、これに高周波交流電圧が重畳する変調が行われてしまう。エネルギ蓄積器を通るリップル電流はエネルギ蓄積器の完全充放電によって三角波となり、インバータの出力交流電圧の上に、類似した形状のリップル電圧を形成する。高周波のリップル電圧は放電管内で共振を引き起こすため望ましくなく、放電灯に達する前に除去されなければならない。当該のフィルタリングはたいてい大きなフィルタリングキャパシタンスによって行われ、リップル電圧の平滑化と共振の発生の防止とが達成される。これは、駆動交流電圧の周波数がエネルギ蓄積器内のリップル電流によって生じる電圧リップルの周波数よりもいちじるしく小さいことから可能となる。しかし、大きなフィルタリングキャパシタンスが必要となるため、重畳型点弧回路しか使用できず、共振点弧回路を使用することはできない。
【０００７】
課題
本発明の課題は、冒頭に言及した形式の電子駆動装置を提供し、点弧段として共振点弧回路を使用できるようにすることである。
【０００８】
発明の開示
この課題は、力率改善回路を含む直流電圧変換器と、ランプチョーク、および、個別に駆動可能な２つのハーフブリッジから成るフルブリッジを含むインバータとを有する、ガス放電灯用の電子駆動装置において、前記直流電圧変換器はさらに降圧機能部を有し、前記インバータはさらにランプ電流制御機能部およびランプ電圧の値までの降圧を行う降圧機能部および共振点弧機能部を有することを特徴とするガス放電灯用の電子駆動装置により解決される。当該の回路トポロジは、点弧トランスを含む点弧段および中間回路電圧のための回路に起因する大きなコストが節約されるため、きわめて低コストに実現可能である。
【０００９】
本発明の有利な実施形態では、直流電圧変換器は入力電圧を１６０Ｖ〜２５０Ｖの範囲の中間回路電圧へ降圧するように構成される。この手段により、半導体素子のテクノロジによって定められる電圧限界値に到達しなくなるので、低コストな回路素子を用いることができる。
【００１０】
本発明の別の有利な実施形態では、インバータ内のランプ電流制御回路により降圧機能を担当するハーフブリッジが連続モードで動作し、ランプチョーク内のリップル電流が小さくなり、かつ、ガス放電灯内の音響共振が回避され、かつ、ランプ電流の瞬時値がランプチョーク内の電流の瞬時値にほぼ相当するようになる。このようにすれば、ガス放電灯の放電管での共振の発生が回避され、安定した動作が達成される。
【００１１】
本発明の別の有利な実施形態では、インバータは共振チョークおよび共振コンデンサを有しており、共振チョークはオートトランスとして構成され、このオートトランスの中間タップは共振コンデンサに接続される。こうした構成により、ランプを点弧するための効率的な共振回路が実現される。ここで、有利には、共振コンデンサを通る電流を遮断可能なスイッチが共振コンデンサに接続されており、このスイッチは点弧開始時点から放電灯のテイクオーバまでの始動期間にオンとなり、ランプの点灯による定格動作の期間にオフとなる。このようにすると、定格動作中は共振回路が遮断されるので、回路装置の効率的かつ確実な動作が保証される。
【００１２】
本発明の別の有利な実施形態では、直流電圧変換器とインバータとのあいだに中間回路コンデンサが配置されており、中間回路コンデンサによって駆動中に生じる電圧リップルとインバータによって形成される交流電圧とが同期される。ここで、有利には、インバータは、交流電圧がつねに電圧リップルの最大値付近で反転されるように、電圧リップルの周波数に同期されている。こうした手段により、転流過程における高い電圧が保証され、転流時のガス放電灯の消弧の危険がいちじるしく低減される。
【００１３】
本発明の別の有利な実施形態では、ランプ電流は矩形波状の電流であり、ランプ電流の正の象限におけるランプ出力の瞬時値が負の象限におけるランプ出力の瞬時値と同じ大きさとなるように、ランプ電流の大きさが調整される。また、これに代えて、ランプ電流の正の象限におけるランプ出力の平均値が負の象限におけるランプ出力の平均値と同じ大きさとなるように、ランプ電流のオンオフ比を調整してもよい。これにより、ランプ電極が均等に加熱され、非対称性が低減される。
【００１４】
本発明の別の有利な実施形態では、フルブリッジは２つのハーフブリッジに分割され、ガス放電灯の駆動中、第１のハーフブリッジは高周波のパルス幅変調電圧によって駆動され、第２のハーフブリッジは低周波の矩形波電圧によって駆動される。このようにすれば、フルブリッジにより低周波交流電圧と降圧動作とが達成される。なお、共振回路に対する適切な励振周波数を形成するには、ランプ始動時に２つのハーフブリッジの双方を高周波電圧によって駆動するとよい。
【００１５】
本発明のガス放電灯用の電子駆動装置の他の有利な実施形態は従属請求項の対象となっている。
【００１６】
本発明の他の特徴および利点を図示の実施例に則して以下に詳細に説明する。図中、同じ要素または同様の機能を有する要素には同じ参照番号を付してある。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来技術の電子駆動装置のブロック図である。
【図２】本発明の電子駆動装置のブロック図である。
【図３】本発明のインバータの第１の実施例の回路図である。
【図４】本発明のインバータの第２の実施例の回路図である。
【００１８】
本発明の有利な実施例
図２には、本発明の電子駆動装置のブロック図が示されている。本発明の電子駆動装置の段は２つのみである。直流電圧変換器を含む第１の段では、入力交流電圧が約１８０Ｖの中間回路電圧ＵＺＫへ変換される。このために、直流電圧変換器は力率改善回路ＰＦＣの機能に加えて降圧回路の機能を有している。これにより、例えば、２２０Ｖ交流電圧が整流された電圧約３２５Ｖから、約１８０Ｖの中間回路電圧ＵＺＫへの降圧が行われる。
【００１９】
続いて、インバータを含む第２の段では、中間回路電圧ＵＺＫがさらに低周波交流電圧へ変換される。ここでは、インバータのフルブリッジの第１のハーフブリッジが中間回路電圧ＵＺＫをより低いランプ電圧の値へ降圧するダウンコンバータとして動作し、第２のハーフブリッジは当該の降圧された低周波交流電圧によって動作する。なお、中間回路電圧ＵＺＫは充分に低くなっているので、インバータはフルブリッジ回路として構成されていてよい。
【００２０】
図３には、本発明のフルブリッジ回路の第１の実施例が示されている。中間回路電圧ＵＺＫは、ここでは、中間回路コンデンサＣ１によって維持される入力電圧として用いられている。第１のハーフブリッジ１１０は、ＭＯＳＦＥＴＴ１，Ｔ２と、各ＭＯＳＦＥＴに対して１つずつ並列接続されたフリーホイールダイオードとを有する。当該の並列回路により、ＭＯＳＦＥＴ内にフリーホイールダイオードを組み込む場合に比べて、良好な電気的特性が得られる。第１のハーフブリッジ１１０は、降圧機能を担当しているので、高周波で駆動される。第１のハーフブリッジ１１０の中点には降圧チョークとしても機能するランプチョークＬが接続されており、このランプチョークＬに対してガス放電灯５が直列に接続されている。当該の直列回路の他方の端には第２のハーフブリッジ１２０の中点が接続されている。第２のハーフブリッジ１２０はＭＯＳＦＥＴＴ３，Ｔ４を有しており、これらのトランジスタは、ガス放電灯５に印加される低周波交流電圧を形成するために設けられている。２つのトランジスタは、前述したように、低周波のクロックで、ガス放電灯５を通る電流の方向を反転させる。この役割はＭＯＳＦＥＴ内に組み込まれたフリーホイールダイオードが担当している。したがって、第２のハーフブリッジ１２０のＭＯＳＦＥＴにはフリーホイールダイオードが並列接続されていない。
【００２１】
点弧コンデンサＣＬはガス放電灯５に対して並列接続されている。降圧を担当する第１のハーフブリッジ１１０は、本発明の回路装置では、放電灯のランニングアップ時、すなわち、放電灯が定格動作点で動作しているとき、降圧チョークとして機能するランプチョークＬを１サイクル中に完全には放電させない連続モードで動作する。このモードにはスイッチング損失が多くなるという欠点があるが、ランプチョークＬの放電の度合を小さくすることによって電流リップルがいちじるしく小さくなるという利点が得られる。電流リップルがいちじるしく小さくなれば、フィルタコンデンサを完全に省略でき、コンデンサを共振点弧のための点弧コンデンサとしてのみ利用できるようになる。
【００２２】
スイッチング損失が多くなるという本発明の回路装置の些細な欠点は、本発明の全体的なコンセプトによって最小化される。従来技術に比べていちじるしく中間回路電圧が低く、１６０Ｖから２５０Ｖの間、有利には１６０Ｖから２３０Ｖの間程度にしかならないため、発生するスイッチング損失は低減され、従来技術の回路装置よりも大きな損失となることはない。このことはきわめて簡単に、次のことから予測される。すなわち、有効スイッチングキャパシタンスの放電時のトランジスタのスイッチング動作はＷｓｃｈａｌｔ＝１／２Ｃ＊Ｕ２によって記述されるが、電圧が２乗となっているので、電圧が１／２となると損失はもとの１／４となるのである。スイッチング損失が小さいと障害も僅かになり、電磁耐性も改善される。
【００２３】
降圧を担当する第１のハーフブリッジ１１０は、有利には、正の半波中と負の半波中とでランプ出力が等しい大きさに維持される象限選択式の電流制御によって動作する。第１の実施形態では、動作点に対するランプ出力が設定された値へ制御される。ここでは、ランプ電圧の瞬時値に依存してパルス幅変調を制御できるよう、迅速な電流制御が要求される。第２のより簡単な実施形態では、ランプ出力は全半波によってのみ制御され、低コストで実現可能な簡単かつ緩慢な制御部を利用することができる。
【００２４】
有利に小さい中間回路電圧により、フリーホイールダイオードとして、相応に小さい阻止電圧を有するタイプのものであって、従来技術で使用されている高電圧阻止タイプのものよりも電気的特性の著しく改善されたダイオードを使用できる。低電圧阻止タイプのダイオードは、高速であって、格段にソフトなリカバリ特性を有するので、電磁耐性が改善され、ハードスイッチングの欠点が補償される。本発明の回路装置の中間回路電圧に対しては、良好な特性を有するショットキーダイオードが市販で入手可能であり、これによって本発明の設計の利点がさらに高められる。
【００２５】
ガス放電灯５を点弧するために、降圧を担当する第１のハーフブリッジ１１０は、ランプチョークＬとフィルタコンデンサＣＬとから成る共振回路の共振周波数によって励振される。ここで、フィルタコンデンサＣＬに生じる電圧は共振し、ガス放電灯５の放電管における電気的ブレークダウンを引き起こす大きさの振動にいたる。降圧を担当する第１のハーフブリッジ１１０の駆動周波数を適切に制御することにより、ガス放電灯での点弧後の電圧は高まり、ガス放電灯の良好な始動特性が達成される。ガス放電灯が所定の点灯状態に入ると、ただちに、降圧を担当する第１のハーフブリッジ１１０は、電流制御機能を発揮してガス放電灯を電力制御によって駆動するように、調整される。
【００２６】
図４には、フルブリッジ装置の第２の実施例の概略図が示されている。この第２の実施例は第１の実施例と類似しているので、第１の実施例に対する相違点のみを説明する。第２の実施例のフルブリッジ装置は、ガス放電灯５に対して並列に接続された点弧コンデンサＣＬに代えて、共振コンデンサＣＲとスイッチＳとから成る直列回路を有する。当該の直列回路は、オートトランスとして構成されたランプチョーク（共振チョーク）Ｌの中間タップから負の入力電圧ＵＺＫへ接続されている。スイッチＳは点弧開始前に閉鎖され、電流路、すなわち、ランプチョークＬと共振コンデンサＣＲとから成る共振回路を閉成する。ガス放電灯の点弧後、スイッチがさらに短時間だけ閉じた状態に置かれるため、過共振による大きなテイクオーバ電圧がガス放電灯にかかる。当該のテイクオーバとは、放電管における電気的ブレークダウンの直後でまだ点灯電圧がきわめて低く、電極が冷たい状態にあるフェーズのことである。テイクオーバフェーズでは電極が冷たいことにより、ガス放電灯は、次の電流の転流が消えないようにするには、非常に高い電圧を必要とする。当該のテイクオーバフェーズが終了して、ガス放電灯の電極が充分に高い電圧を有するようになると、スイッチＳは開放され、電流路が遮断される。同様に、共振回路も遮断され、これに応じて電圧の過度の上昇が生じなくなり、降圧を担当する第１のハーフブリッジ１１０が入力電圧ＵＺＫを直接にランプ電圧まで降圧できるようになる。スイッチＳは、ランニングアップ動作中、すなわち、ガス放電灯がまだ定格出力で動作していない期間中、開放されている。ガス放電灯が定格出力で駆動される定格動作点に達した後も、スイッチＳは開放された状態にとどまり、ガス放電灯がいったん消弧された後に再点弧する場合にだけ、再び閉鎖される。
【００２７】
本発明の駆動装置は、特に、水銀フリーの高圧放電灯の駆動に適しており、従来技術に比べて、次のような利点を有する。
・ハーフブリッジは連続モードでハードスイッチングが使用できるので、スイッチング周波数を任意に選定できる。これは、周波数が条件ＺＣＳ（ゼロ電流スイッチング）によって定められ変更できない従来の不連続モードでの動作に比べて、大きな利点である。したがって、本発明のトポロジによって簡単に、低周波の矩形波電流に所定の変調率および所望の周波数の高周波を重畳することができる。こうした変調は水銀フリーの高圧放電灯でのアーク平滑化のために利用される。
・水銀フリーの高圧放電灯は約４０Ｖ〜９０Ｖの小さな点灯電圧を有し、相応に電流は高くなる。したがって、有利には、低電圧ＭＯＳＦＥＴでの損失が従来技術の回路トポロジでの損失よりも小さくなる。
【００２８】
水銀フリーの高圧放電灯の点灯電圧が小さい場合、第１の段は、力率改善回路および純粋な降圧回路（バックコンバータ）として動作するように構成される。よって、昇降圧すなわちバックブーストの可能な回路トポロジは必要ない。これにより、回路装置コストと損失電力とが節約されるという利点が得られる。
【００２９】
本発明の駆動装置により、ガス放電灯を駆動する段を１つ省略でき、コストが著しく低減される。降圧を担当する第１のハーフブリッジが連続モードで駆動され、フィルタコンデンサをきわめて小さくできることにより、点弧段に対する回路コストが節約される。
【図１】
2012518977.tif 000003
【図２】
2012518977.tif 000004
【図３】
2012518977.tif 000005
【図４】
2012518977.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成23年12月13日(2011.12.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
降圧機能を有する直流電圧変換器と、
ランプチョーク、および、個別に駆動可能な２つのハーフブリッジから成るフルブリッジを含むインバータと
を有しており、
ここで、前記各ハーフブリッジの中間点の間に、前記ランプチョークと放電灯との直列回路が接続されている、
ガス放電灯用の電子駆動装置において、
ランプ始動時には、２つのハーフブリッジの双方が高周波電圧によって駆動され、かつ、
ランプ始動後は、第１のハーフブリッジは高周波のパルス幅変調電圧によって駆動され、第２のハーフブリッジは低周波の矩形波電圧によって駆動される
ことを特徴とするガス放電灯用の電子駆動装置。
【請求項２】
ランプ始動後、前記第１のハーフブリッジは、電流連続モードで制御される、請求項１記載のガス放電灯用の電子駆動装置。
【請求項３】
ランプ始動後、前記インバータは、交流電圧がつねに前記電圧リップルの最大値付近で転換され、前記電圧リップルの周波数に同期されるように制御される、請求項１または２記載のガス放電灯用の電子駆動装置。
【請求項４】
前記インバータは共振チョーク（Ｌ）としての前記ランプチョークおよび共振コンデンサ（ＣＬ，ＣＲ）を有しており、該共振チョークはオートトランスとして構成されており、該オートトランスの中間タップは前記共振コンデンサに接続されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のガス放電灯用の電子駆動装置。
【請求項５】
前記共振コンデンサを通る電流を遮断可能なスイッチ（Ｓ）が前記共振コンデンサに接続されており、該スイッチは点弧開始時点から放電灯のテイクオーバまでの始動期間にはオンとなり、ランプの点灯による定格動作の期間にはオフとなる、請求項４記載のガス放電灯用の電子駆動装置。
【請求項６】
前記直流電圧変換器と前記インバータとのあいだに、駆動中の電圧リップルを抑制する中間回路コンデンサが配置されており、該電圧リップルと前記インバータによって形成される交流電圧とが同期されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のガス放電灯用の電子駆動装置。
【請求項７】
前記ランプ電流は矩形波状の電流であり、前記ランプ電流の大きさは、該ランプ電流の正の象限におけるランプ出力の瞬時値が負の象限におけるランプ出力の瞬時値と同じ大きさとなるように調整されている、請求項４または５記載のガス放電灯用の電子駆動装置。
【請求項８】
前記ランプ電流のオンオフ比は、該ランプ電流の正の象限におけるランプ出力の平均値が負の象限におけるランプ出力の平均値と同じ大きさとなるように調整されている、請求項４または５記載のガス放電灯用の電子駆動装置。
【請求項９】
前記直流電圧変換器は入力電圧を１６０Ｖ〜２５０Ｖの範囲の中間回路電圧へ降圧するように構成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の電子駆動装置。
【国際調査報告】
2012518977.tif 000007
2012518977.tif 000008
2012518977.tif 000009
2012518977.tif 000010
2012518977.tif 000011
2012518977.tif 000012