(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランス及びその一次側に設けられたスイッチング素子を含むフライバック型の回路構成を有し、当該スイッチング素子がオン状態である間にトランスがエネルギーを蓄え、当該スイッチング素子がオフ状態の間に当該エネルギーを二次巻線から出力するとともに、当該エネルギーを二次巻線から全て出力し終わった時点でスイッチング素子がオン状態となるように制御するための制御手段を備えた直流電圧変換回路であって、
上記トランスの２次側電流がゼロになった時点から当該トランスの１次側電流が流れ始めるまでの時間を検出するとともに、当該時間が短くなるように上記制御手段によってスイッチング周波数を変化させる
ことを特徴とする直流電圧変換回路。
【請求項２】
請求項１に記載の直流電圧変換回路において、
上記トランスの出力電圧又は電流を検出する出力検出部と、
上記トランスの２次側電流がゼロになる時点を検出するタイミング検出部と、
上記タイミング検出部からの検出信号及び上記スイッチング素子への制御信号に応じて周波数が可変制御されるランプ波を発生させるランプ波発生部と、
上記出力検出部からの検出信号及び上記ランプ波発生部からのランプ波を受けて上記スイッチング素子への制御信号を送出する演算制御部を備えている
ことを特徴とする直流電圧変換回路。
【請求項３】
請求項２に記載の直流電圧変換回路において、
上記スイッチング素子にかかる電圧を検出し、当該電圧波形からトランスの２次側電流がゼロになった時点をタイミング検出部が検出する
ことを特徴とする直流電圧変換回路。
【請求項４】
請求項２又は請求項３に記載の直流電圧変換回路において、
上記タイミング検出部からの検出信号と、上記スイッチング素子への制御信号に基いて、上記トランスの２次側電流がゼロになった時点から当該トランスの１次側電流が流れ始めるまでの期間を検出して、当該期間の長さが長いほど、ランプ波の傾斜が大きくなるように変化させることで当該ランプ波の周波数を制御する周波数制御回路を設けた
ことを特徴とする直流電圧変換回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フライバック型の直流電圧変換回路において、回路効率を高め、コストを低減するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
直流入力電圧を所望の直流電圧に変換するための直流電圧変換回路（所謂ＤＣ−ＤＣコンバータ）については各種の構成形態が知られている。
【０００３】
例えば、放電灯（メタルハライドランプ等）の点灯回路への適用においては、直流電源からの直流入力電圧を所望の直流電圧に変換するための直流−直流変換回路として、フライバック型の構成が挙げられる。つまり、変換用トランスの一次巻線側に半導体スイッチング素子を接続して当該素子のオン／オフ制御を行うとともに、トランスの２次側に整流ダイオード及び平滑コンデンサを設けた構成を備えている。
【０００４】
このフライバック型回路の動作について、例えば、電流連続モードの場合には、トランスに蓄えられたエネルギーを当該トランスの２次側へ完全に放出する前にスイッチング素子がオン状態となるように制御される（つまり、トランスの２次側電流がゼロアンペアになる前にスイッチング素子がオンする。）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、電流連続モードについては、電気効率（入力電力に対する出力電力の割合）に関して下記に示すような問題がある。
【０００６】
先ず、トランスの２次側に設けられた整流ダイオードの逆回復時間における電力損失に着目した場合に、当該ダイオードに電流が流れている間にスイッチング素子がオン状態となり、ダイオードが逆バイアス状態となるので、逆回復時間において電力損失が生じる。そして、ダイオードの逆回復時間における損失の総量は、スイッチング周波数に比例するため、電流連続モードにおいては、当該周波数が高くなる程、電力損失が多くなってしまう。
【０００７】
また、スイッチング素子がオン状態となる時点でトランスの１次電流が生じているため、当該素子のターンオンロスが発生する。
【０００８】
そこで、本発明は、フライバック型構成の直流電圧変換回路において、スイッチング周波数の高周波化に対処するとともに電気効率を高くすること、そして、そのために著しいコスト上昇を伴わないようにすることを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、フライバック型構成の直流電圧変換回路において、トランスに蓄えられたエネルギーを当該トランスの２次側へ完全に放出した時点でスイッチング素子がオン状態となるように制御する電流境界モード（つまり、トランスの２次側電流がゼロアンペアになる時にスイッチング素子がオンする。）の場合には、整流ダイオードの電流がゼロアンペアになった後にスイッチング素子がオン状態となるので、逆回復時間での電力損失が発生しないこと、そして、比較的高いスイッチング周波数の場合（例えば、数百キロヘルツ以上）には、電流境界モードにおいて最も電気効率が良いことに鑑み、上記した課題を解決するために、下記に示す構成を備えたものである。
【００１０】
・トランスの一次側に設けられたスイッチング素子がオン状態である間にトランスがエネルギーを蓄え、当該スイッチング素子がオフ状態の間に当該エネルギーを二次巻線から出力するとともに、当該エネルギーを二次巻線から全て出力し終わった時点でスイッチング素子がオン状態となるように制御するための制御手段を備えていること。
【００１１】
・トランスの２次側電流がゼロになった時点から当該トランスの１次側電流が流れ始めるまでの時間を検出するとともに、当該時間が短くなるように制御手段によってスイッチング周波数を変化させること。
【００１２】
従って、本発明によれば、トランスの２次側電流がゼロになった時点から当該トランスの１次側電流が流れ始めるまでの時間をゼロに近づけるようにスイッチング周波数を制御しているので、電流境界モードでの駆動制御を実現することができ、しかも、そのために高速な素子等を必要としない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る直流電圧変換回路は、トランスと当該トランスの一次側に設けられたスイッチング素子を含むフライバック型の回路構成を有し、当該スイッチング素子がオン状態である間にトランスがエネルギーを蓄え、当該スイッチング素子がオフ状態の間に当該エネルギーを二次巻線から出力するものである。本発明では、後述する電流境界モードでの駆動制御を行うことにより、電気効率の向上や、回路装置の小型化、低コスト化にとって好適であり、例えば、放電灯点灯回路（特に、車両用灯具の光源として用いられる、メタルハライドランプ等の放電灯において、その点灯回路を含む装置の設置スペースに制約が課せられる場合の当該点灯回路）に適用することができるが、これに限らず、電源回路等の各種用途に幅広く適用できる。
【００１４】
図１は本発明に係る直流電圧変換回路を放電灯点灯回路に適用する場合の基本構成例を示すものである。
【００１５】
放電灯点灯回路１は、直流電源２、直流−直流変換回路３、直流−交流変換回路４、起動回路５、制御回路７を備えている。
【００１６】
直流−直流変換回路３は、直流電源２からの電源電圧を受けて電圧変換を行うために設けられる。即ち、直流電源２からの直流入力電圧（これを「Ｖin」と記す。）を受けて所望の直流電圧に変換するものであり、トランス及びスイッチング素子を用いたフライバック型の回路構成を有する（後で詳述する。）。
【００１７】
直流−交流変換回路４は、直流−直流変換回路３の出力電圧を交流電圧に変換した後で起動回路５を介して当該電圧を放電灯６に供給するために設けられている。例えば、４つの半導体スイッチング素子を用いたブリッジ型回路とその駆動回路を備えており、２組のスイッチング素子対を相反的にオン／オフ制御することによって、交流電圧を出力するものである。
【００１８】
起動回路（所謂スタータ）５は、放電灯６に対する起動用の高電圧パルス信号（起動用パルス）を発生させて当該放電灯に起動をかけるために設けられており、当該信号は直流−交流変換回路４の出力する交流電圧に重畳されて放電灯６に印加される。
【００１９】
制御回路７は、放電灯にかかる電圧や当該放電灯に流れる電流又はそれらに相当する電圧や電流についての検出信号を受けて放電灯６に投入する電力を制御するとともに直流−直流変換回路３の出力を制御するものである。例えば、直流−直流変換回路３の出力電圧や出力電流を検出するための検出部８によって取得される検出信号を受けて、放電灯６の状態に応じた供給電力を制御するために設けられており、直流−直流変換回路３に対して制御信号を送出することで、その出力電圧を制御する。また、直流−交流変換回路４に対して制御信号を送出して交番出力に係る極性切換について制御を行う。尚、放電灯の点灯前に当該放電灯への供給電圧をあるレベルまで高めることで、放電灯の点灯を確実にするための出力制御を行うことも制御回路７の役目である。また、直流−直流変換回路３に係るスイッチング制御方式として、ＰＷＭ（パルス幅変調）方式、ＰＦＭ（パルス周波数変調）方式等が知られている。
【００２０】
図２は、フライバック式ＤＣ−ＤＣコンバータの基本構成例９（上記直流−直流変換回路３との関係では、放電灯への給電系を構成する回路部分に相当する。）について要部を示すものであり、下記の要素を備えている（括弧内の数字は符号を示す）。
【００２１】
・トランス（１０）
・スイッチング素子（１１）
・整流ダイオード（１２）
・平滑コンデンサ（１３）。
【００２２】
図中に示す端子、「Ｔi+」、「Ｔi-」は入力端子であり、上記した直流入力電圧「Ｖin」が供給され、両端子間にはコンデンサ１４が設けられている。また、「Ｔo+」、「Ｔo-」は出力端子であり、電圧変換後の正極性出力電圧（これを「Ｖout」と記す。）が後段回路（直流−交流変換回路）に送出される。
【００２３】
トランス１０の一次巻線１０ｐ（図には、巻き始めを黒丸印で示す。）には、スイッチング素子１１が接続されており、当該素子には制御回路７からの駆動信号が供給される。図には、スイッチング素子１１として、ＮチャンネルＭＯＳ形ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）が用いられており、そのドレインがトランス１０の一次巻線１０ｐ（巻き終り側の端子）に接続され、ＦＥＴのソースが入力端子「Ｔi-」に接続されている。
【００２４】
トランス１０の二次側には、整流ダイオード１２及び平滑コンデンサ１３が設けられている。つまり、トランス１０の二次巻線１０ｓの一端（巻き終り側の端子）が整流ダイオード１２のアノードに接続され、当該二巻線１０ｓの他端（図に黒丸印を付して示す巻き始め側の端子）が、端子「Ｔi-」と「Ｔo-」とを繋ぐラインに接続されている。そして、整流ダイオード１２のカソードが端子「Ｔo+」及び平滑コンデンサ１３の一端に接続されている。尚、平滑コンデンサ１３は、出力端子「Ｔo+」、「Ｔo-」の間に設けられていて、当該コンデンサの両端電圧がＶoutとして出力される。
【００２５】
図中の「Ｉp」はトランス１０の１次側電流、「Ｉs」はトランス１０の２次側電流をそれぞれ示しており、「ＶG」はＦＥＴのゲート駆動用信号電圧（制御回路７から供給される制御電圧に相当する。）を示している。
【００２６】
このようなフライバック型の回路構成について、下記に示す３種の動作モードが挙げられる。
【００２７】
（Ｉ）電流連続モード（図３参照）
（ＩＩ）電流境界モード（図４参照）
（ＩＩＩ）電流不連続モード（図５参照）。
【００２８】
尚、図３乃至図５には、上から、ＶG、Ｉp、Ｉsの順にそれぞれの波形を概略的に示している。
【００２９】
先ず、（Ｉ）電流連続モードでは、トランス１０に蓄えられたエネルギーを当該トランスの２次側へ完全に放出する前にスイッチング素子１１がオン状態となるように制御される。つまり、図３に示すように、ＶGの立ち上がり開始時点でＩp、Ｉsがともにゼロアンペアでない。
【００３０】
また、（ＩＩ）電流境界モードでは、トランス１０に蓄えられたエネルギーを当該トランスの２次側へ完全に放出した時点でスイッチング素子１１がオン状態となるように制御される。つまり、図４に示すように、トランス１０の２次側電流Ｉsがゼロアンペアになる時にスイッチング素子１１がオンし、ＶGの立ち上がり開始時点でＩp、Ｉsがともにゼロアンペアである。
【００３１】
（ＩＩＩ）電流不連続モードでは、トランス１０に蓄えられたエネルギーを当該トランスの２次側へ完全に放出し切った時点から、ある不連続期間の後に、スイッチング素子１１がオン状態となるように制御される。つまり、図５に示すように、トランス１０の２次側電流Ｉsがゼロアンペアになってから、ある時間の経過後にスイッチング素子１１がオンする。）。尚、ここで、「不連続期間」とは、図に「ＴＴ」で示すように、トランス１０の２次側電流Ｉsがゼロアンペアになった時点から、トランス１０の１次側電流Ｉpが立ち上がり始めるまでの期間である。
【００３２】
トランス１０の２次側に設けられた整流ダイオード１２の逆回復時間における電力損失に着目した場合に、電流連続モードでは、当該ダイオードに電流が流れている間にスイッチング素子１１がオン状態となり、ダイオード１２が逆バイアス状態となるので、逆回復時間において電力損失が生じる。これに対して、電流境界モードや電流不連続モードでは、整流ダイオード１２の電流がゼロアンペアになってからスイッチング素子１１がオン状態となるので、逆回復時間での電力損失が発生しない。尚、ダイオードの逆回復時間における損失の総量は、スイッチング周波数（スイッチング素子１１の制御信号の周波数に相当する。）に比例するため、電流連続モードにおいては、当該周波数が高くなる程、電力損失が多くなってしまう。
【００３３】
また、ＤＣ−ＤＣコンバータ全体としての効率について各モードを比較すると、スイッチング周波数が低い場合には、電流連続モードにおいて電気効率が良く、数百キロヘルツ以上の高周波スイッチングの場合には、電流境界モードにおいて最も電気効率が良いことが判明している。尚、電流不連続モードでは、スイッチング素子１１のターンオフ損失が大きくなる上に、上記不連続期間での共振動作の影響によって、電流境界モードよりも電気効率が低い。
【００３４】
従って、数百キロヘルツ以上の高いスイッチング周波数をもってフライバック型のＤＣ−ＤＣコンバータを駆動する場合には、電流境界モードで動作させるのが最も電気効率が良いことになるが、そのためにはスイッチング周波数制御回路が必要となる。
【００３５】
図６は、本発明に係る直流電圧変換回路の構成例１５を示したものであり、直流−直流変換部及び制御部の要部について概要を示している。尚、本例では、ＰＷＭ制御方式（制御パルスのデューディーサイクルを変化させる方式）を採用しているが、これに限らず、ＰＦＭ制御方式（制御パルスの周波数を変化させる方式）の採用も可能である。また、トランス１０については、その一次巻線１０ｐと二次巻線１０ｓの一端同士（１０ｐの巻き終わり側端子と１０ｓの巻き始め側端子）が接続されてＮチャンネルＦＥＴのドレインに接続されている点において、図２に示した構成と異なるが本質的な相違はない。図中に示す「ＶDS」はスイッチング素子１１であるＦＥＴのドレイン−ソース間電圧、「ＶGS」は当該ＦＥＴのゲート−ソース間電圧をそれぞれ示し、「Ｖｓ」はトランス１０の２次側電圧を示す。
【００３６】
制御手段１６は、トランス１０においてスイッチング素子１１のオン期間に蓄えられたエネルギーを当該スイッチング素子のオフ期間において二次巻線１０ｓから全て出力し終えた時点で再び当該スイッチング素子がオン状態となるように制御する、即ち、上記電流境界モードでの制御を実現するために設けられており、下記に示す構成要素を備えている（括弧内の数字は符号を示す）。
【００３７】
・出力検出部（１７）
・演算制御部（１８）
・タイミング検出部（１９）
・ランプ波発生部（２０）。
【００３８】
出力検出部１７は、トランス１０の出力電圧又は出力電流を検出するために設けられる。本例では、トランス１０の出力電圧を検出する電圧検出部とされ、トランス１０の二次巻線１０ｓから整流平滑回路（ダイオード１２、コンデンサ１３）を経て出力される電圧「Ｖout」を検出するものであり、例えば、分圧抵抗等を用いて検出される検出電圧を後段のエラーアンプ２１の負入力端子（反転入力端子）に送出する。
【００３９】
エラーアンプ２１は、後段のＰＷＭコンパレータ２２とともに演算制御部１８を構成するものであり、放電灯（負荷）の電力制御用に設けられている。エラーアンプ２１の正入力端子には、所定の基準電圧「ＶREF」（図には電圧源の記号で示す。）が供給される。つまり、出力検出部１７からの検出電圧とＶREFとの差を求めて、エラー信号（制御電圧）をＰＷＭコンパレータ２２（比較部）の正入力端子に供給する。
【００４０】
ＰＷＭコンパレータ２２の負入力端子には、後述するランプ（ramp）波発生部２０からのランプ波（あるいは鋸歯状波）が供給されるようになっており、当該ランプ波の信号と、上記エラーアンプ２１からのエラー信号とのレベル比較に基く矩形波状パルス信号（ＰＷＭパルス）が出力されてバッファ２３を介して上記スイッチング素子１１の制御端子（ＦＥＴではゲート）に送出される。尚、当該パルス信号は、後述するランプ波発生部２０（の周波数制御回路）にも送られる。
【００４１】
このように、エラーアンプ２１等を含む演算制御部１８については、出力検出部１７からの検出信号及びランプ波発生部２０からのランプ波を受けてスイッチング素子１１への制御信号を送出するために設けられている。
【００４２】
タイミング検出部１９は、トランス１０の２次側電流Ｉsについて０Ａになるタイミングを検出するものである。つまり、電流境界モードでは、トランス１０に蓄えられたエネルギーを２次側へ完全に放出した時点でスイッチング素子１１がオン状態となるように制御する必要があるため、２次側電流Ｉsに係る吐き出し終了の時点を検出する。本例では、スイッチング素子１１としてＦＥＴを用いているので、そのドレイン−ソース間電圧ＶDSの波形に基いて２次側電流に係る吐き出し終了のタイミング（Ｉsがゼロになる時点）を検出している。尚、上記Ｖｓに基いて当該タイミングの検出を行うことも可能ではあるが、Ｖｓのレベルについては、ＧＮＤ（グランド）電位に対して、正及び負の電圧が発生するために、後段の制御部への信号入力に関して、正電圧及び負電圧のリミッタが必要になる分、構成がやや複雑になる。これに対して、ＶDSを検出する回路形態では、ＶDSのレベルがＧＮＤ電位に対して常に正の電圧であるため、正方向の電圧に対するリミッタのみで対処することができるので構成を簡単化できる。
【００４３】
ランプ波発生部（本例では、ＰＷＭランプ波発生部）２０は、タイミング検出部１９からの信号を受けてランプ波を発生させるとともに、トランス１０の２次側電流がゼロになった時点から当該トランスの１次側電流が流れ始めるまでの時間（上記不連続期間の長さに相当する。）に応じて当該ランプ波の周波数を変化させる（つまり、上記不連続期間の長さが短くなるようにランプ波の周波数を制御することでスイッチング周波数を変化させる。）。本例では、周波数制御回路２４とランプ波発生回路２５とにより構成されている。
【００４４】
周波数制御回路２４は、タイミング検出部１９からの信号及びＰＷＭコンパレータ２２からの制御信号（ＰＷＭパルス）に基いて、ランプ波の周波数を制御するための信号を生成して後段のランプ波発生回路２５に送出する。
【００４５】
ランプ波発生回路２５は、周波数制御回路２４からの制御信号に応じて周波数が可変制御されるランプ波を発生して、これをＰＷＭコンパレータ２２（の負入力端子）に送出するものである。
【００４６】
本回路において、電力制御用のフィードバックループが形成されており、上記出力電圧Ｖoutに係る検出信号のレベルと、エラーアンプ２１の基準電圧ＶREFとの誤差を示すエラー信号を、ランプ波とレベル比較することで、デューティー制御を行い（ＰＷＭパルスのデューティーサイクルが変化する）、ＰＷＭコンパレータ２２の出力信号（ＰＷＭパルス）を、バッファ２３を介してスイッチング素子１１に送出することで当該素子を駆動している。
【００４７】
そして、タイミング検出部１９による検出信号とＰＷＭパルスに基いてランプ波の周波数を制御することによって電流境界モードに従うスイッチング動作を行っている。
【００４８】
図７は、動作説明のための波形図であり、図中に示す各記号の意味は以下の通りである。
【００４９】
「Ｖramp」＝ランプ波発生回路２５による生成されるランプ波を示す信号レベル
「Ｖerr」 ＝エラーアンプ２１の出力信号レベル
「Ｓpwm」 ＝ＰＷＭコンパレータ２２の出力信号（ＰＷＭパルス）
「ＳTT」  ＝不連続期間においてＨ（ハイ）レベルを示す信号であり、電流境界モード（不連続期間がゼロ）に対する時間的なエラー量を示す。
【００５０】
尚、「ＶGS」、「ＶDS」、「Ｉp」、「Ｉs」については、既述の通りである。
【００５１】
また、ｔ１乃至ｔ４に示す各時刻の意味は、下記の通りである。
【００５２】
「ｔ１」＝Ｓpwmの立ち上がり時点であり、ＶrampがＶerrよりも下がった時点
「ｔ２」＝Ｓpwmの立ち下り時点であり、ＶrampがＶerrに一致する時点
「ｔ３」＝２次側電流Ｉsがゼロになった時点
「ｔ４」＝ｔ３以後において、初めてＳpwmが立ち上がった時点。
【００５３】
尚、ｔ３〜ｔ４に示すエラー期間「Ｔe」が上記不連続期間に相当する。
【００５４】
図では、説明の便宜上Ｖerrを一定としており、ランプ波のレベルＶrampについては、時刻ｔ１から一定の傾斜をもって次第に増加していき、これがＶerrに一致する時刻ｔ２においてＳpwm、ＶGSが立ち下がる。
【００５５】
ｔ１からｔ２までの期間中、１次側電流Ｉpが次第に増加していくが、ｔ２の時点において当該電流がゼロになる。
【００５６】
２次側電流Ｉsについては、ｔ２の時点で立ち上がって、ある値を示した後、時間経過とともに減少してき、ｔ３の時点でゼロになる。
【００５７】
ＶDSについては、ｔ２の時点で立ち上がった後、ｔ３の時点で立ち下がるが、直ぐにはゼロにならず、減衰振動を経て収束する。ＶDSに係るｔ３での立ち下りエッジを検出することにより、エラー期間Ｔeの始まりを規定することができる。そして、Ｖrampが急激に下がってＶerrを下回る時点ｔ４で、Ｓpwmが立ち上がるので、このエッジを検出すれば、エラー期間Ｔeの終りを規定することができる。
【００５８】
このように、本例では、エラー期間Ｔeの長さがゼロでないため、電流不連続モードとされるが、エラー期間の長さがゼロに近づくように、ＰＷＭランプ波の周波数を変化させれば、最終的には当該期間がゼロの状態、つまり、電流境界モードでのスイッチング動作を行うことができ、そのための制御を行っているのが、上記周波数制御回路２４である。
【００５９】
本発明では、下記の（１）乃至（４）に示す方法に従って、電流境界モードでの駆動制御を行っている。
【００６０】
（１）最初は電流不連続モードでスイッチング動作が行われるように、ＰＷＭパルスの周波数を予め低い値に初期設定しておく
（２）不連続期間について測定する（つまり、上記エラー期間Ｔeの長さを測る）
（３）不連続期間の長さが減少する方向に、ランプ波の周波数を徐々に変化させる（周波数を上げる）ことで、電流境界モード（エラー期間Ｔeの長さがゼロ）へと近づける
（４）（２）及び（３）の制御により、電流境界モードで動作を安定させる。
【００６１】
尚、（３）では、（２）において計測した不連続期間の長さに基いて、いきなりランプ波の周波数を変化させるのではなく、不連続期間の長さが次第に短くなるように周波数を徐々に高めることで、目的とする電流境界モードへと漸近させる制御を行い、最終的に当該モードでの安定動作を保証している。
【００６２】
次に、ランプ波発生部２０を中心とする回路構成例について説明する。
【００６３】
図８はランプ波発生回路２５の構成例として、複数の電流源、コンデンサ、コンパレータを用いた構成を示したものである。
【００６４】
「Ｉ１」や「Ｉ２」をそれぞれ付して示す電流源は、コンデンサ２６に対する充電電流の供給源であるが、電流源Ｉ１については定電流源とされ、電流源Ｉ２については周波数制御回路２４からの信号によって制御される可変電流源とされる。つまり、コンデンサ２６に接続される電流源としては、Ｉ１、Ｉ２の２つが並列に設けられており、それらの電流源に対して直列に設けられたコンデンサ２６には、Ｉ１とＩ２の各電流値の和に等しい合計電流「Ｉ」が当該コンデンサへの充電経路を介して供給されるようになっている。
【００６５】
ヒステリシスコンパレータ２７は、演算増幅器２８を用いて構成されており、その反転入力端子がコンデンサ２６と電流源Ｉ１、Ｉ２の接続点（図には、「Ｐ」点で示す。）に接続されるとともに、演算増幅器２８の非反転入力端子には、定電圧源の記号で示す基準電圧「Ｅ」が抵抗２９を介して供給される。尚、非反転入力端子は抵抗３０を介して接地されるとともに、抵抗３１を介して演算増幅器２８の出力端子に接続されている。
【００６６】
ＰＮＰトランジスタ３２は、高速動作のためにエミッタフォロワを形成している。当該トランジスタ３２がオン状態のときに、上記コンデンサ２６の放電経路を形成するものであり、当該トランジスタのエミッタが抵抗３３を介して上記接続点Ｐに接続されている。また、トランジスタ３２のベースがダイオード３４のアノードに接続され、当該ダイオードのカソードが演算増幅器２８の出力端子に接続されているので、接続点Ｐの電位がヒステリシスコンパレータ２７において規定される閾値を越えた場合に演算増幅器２８の出力信号によってトランジスタ３２がオン状態となり、コンデンサ２６が放電される。尚、ダイオード３４は、ＰＮＰトランジスタ３２のベース−エミッタ間にかかる逆電圧について保護用に設けられている。
【００６７】
図示のように、接続点Ｐから得られるコンデンサ２６の端子電圧が上記Ｖrampに相当し、ランプ波としてＰＷＭコンパレータ２２に送られる。
【００６８】
図９は、上記ランプ波発生回路２５の動作について説明するための波形図である。本図において、上方に示す図が、電流源Ｉ２による電流値が小さい場合のＶramp波形を示し、下方に示す図が、電流源Ｉ２による電流値が大きい場合のＶramp波形を示している。尚、図中に示す「ＶTH」、「ＶTL」は、上記ヒステリシスコンパレータ２７により決定される閾値（一定の比較基準値）を示しており、「ＶTH」が上限閾値を示し、「ＶTL」が下限閾値を示す。
【００６９】
先ず、電流源Ｉ２による電流値が小さい場合には、Ｉ２とＩ１との合計電流Ｉにより決定されるコンデンサ２６への充電電流が比較的小さいので、ランプ波の傾斜が小さい。そして、ＶrampがＶTHに達した時点で演算増幅器２８の出力信号がＬ（ロー）レベルとなるため、トランジスタ３２がオン状態となってコンデンサ２６が放電する。これによりＶrampが急激に下がって、ＶTLに達すると、今度は演算増幅器２８の出力信号がＨ（ハイ）レベルとなるため、トランジスタ３２がオフ状態となり、Ｉ２及びＩ１によりコンデンサ２６への充電が行われてＶrampが再び上昇するといった、サイクルが周期的に繰り返される。
【００７０】
この場合には、ランプ波の傾きが緩やかであるため、下図との比較では、その周波数が低いことが分かる。
【００７１】
また、電流源Ｉ２による電流値が大きい場合には、合計電流Ｉにより決定されるコンデンサ２６への充電電流が比較的大きいので、ランプ波の傾斜が急峻になる。そして、ＶrampがＶTHに達した時点で上記演算増幅器２８の出力信号がＬ（ロー）レベルとなるため、トランジスタ３２がオン状態となってコンデンサ２６が放電する。これによりＶrampが急激に下がって、ＶTLに達すると、今度は演算増幅器２８の出力信号がＨ（ハイ）レベルとなるため、トランジスタ３２がオフ状態となり、Ｉ２及びＩ１によりコンデンサ２６への充電が行われてＶrampが再び上昇するといった、サイクルが周期的に繰り返される。
【００７２】
この場合には、ランプ波の傾きが大きいため、上図との比較では、その周波数が高いことが分かる。
【００７３】
このように、Ｉ２の電流値を変化させることによってランプ波の傾斜を変化させ、その周波数を変えることができる。
【００７４】
尚、本例では、電流源Ｉ１の電流値を一定とし、電流源Ｉ２の電流値を変化させる構成形態としたが、Ｉ２だけを設けてその電流値を周波数制御回路２４からの信号によって変化させる構成でも構わない。
【００７５】
図１０はランプ波発生回路２５について具体例を示したものである。
【００７６】
電流源Ｉ１については、ＰＮＰトランジスタ３５、３６によるカレントミラー回路が用いられ、各トランジスタのエミッタがそれぞれの抵抗を介して電源端子３７に接続されている。そして、各トランジスタのベース同士が接続されて、トランジスタ３５のコレクタに接続されるとともに、抵抗３８及び可変抵抗３９（電流値設定用）を介して接地されている。また、トランジスタ３６のコレクタがコンデンサ２６に接続されるとともに、ヒステリシスコンパレータ２７を構成する演算増幅器２８の反転入力端子に接続されている。
【００７７】
可変電流源Ｉ２については、ＰＮＰトランジスタ４０、４１によるカレントミラー回路が用いられ、各トランジスタのエミッタがそれぞれの抵抗を介して電源端子３７に接続されている。そして、各トランジスタのベース同士が接続されて、トランジスタ４０のコレクタに接続されている。尚、トランジスタ４０のコレクタは、抵抗４２を介して後述のエラーアンプ（を構成する演算増幅器）の出力端子に接続される。また、トランジスタ４１のコレクタが、順方向のダイオード４３を介して接続点Ｐに接続されている。
【００７８】
演算増幅器２８に対するトランジスタ３２やダイオード３４の接続関係については、図８の場合と同じであり、また、当該演算増幅器２８の非反転入力端子に供給される基準電圧については、分圧抵抗２９、３０から得ている。そして、演算増幅器２８の出力段には、ＰＮＰトランジスタ４４、４５からなるカレントミラー回路が設けられており、トランジスタ４４のコレクタが演算増幅器２８の出力端子及びダイオード３４のカソードに接続されている。
【００７９】
図１１は、周波数制御回路２４の構成例を示すものであり、上記ランプ波発生回路２５との関連を示すために当該回路の一部（電流源Ｉ１、Ｉ２、コンデンサ２６等）を併せて図示している。
【００８０】
図中に示す検出信号「Ｓ１９」は、タイミング検出部１９によって得られる信号である。つまり、タイミング検出部１９では、上記スイッチング素子１１に係る電圧（非制御端子間にかかる電圧であり、ＦＥＴでは上記ＶDS）を検出し、当該電圧波形からトランスの２次側電流がゼロになった時点を検出する。本例においてＳ１９は、２次側電流ＩsがゼロになるタイミングをもってＨレベルを示す。当該信号については、ＶDSの立ち下りエッジを検出することによって得ることができ、Ｄフリップフロップ４６のクロック信号入力端子（ＣＬＫ）に供給される。
【００８１】
Ｄフリップフロップ４６においては、そのＤ端子及びプリセット端子（図には、「ＰＲ」の上にバー記号を付して示す。）に所定電圧が供給され、また、リセット端子（図には、「Ｒ」の上にバー記号を付して示す。）には、ＰＷＭパルス波を示すＳpwmの否定信号（図には、「Ｓpwm」の上にバー記号を付して示す。）が供給される。つまり、ＳpwmがＨレベルに立ち上がった時にＤフリップフロップ４６がリセットされる。
【００８２】
「Ｉ３」、「Ｉ４」を付して示す電流源は、いずれも定電流源であり、電流源Ｉ４がスイッチ素子４７（図には、単にスイッチの記号で示す。）を介して電流源Ｉ３に接続されている。尚、電流源Ｉ４の方が電流源Ｉ３よりも電流値が大きくされている（各電流源の電流値をＩ３、Ｉ４とするとき、「Ｉ３＜Ｉ４」の設定である。）。
【００８３】
スイッチ素子４７には、例えば、トランジスタが用いられ、Ｄフリップフロップ４６のＱバー出力（図には、「Ｑ」の上にバー記号を付して示す）を受けて、そのオン／オフ状態が規定される。つまり、Ｑバー出力がＨレベル（あるいはＱ出力がＬレベル）のときに、スイッチ素子４７がオン状態となる。
【００８４】
コンデンサ４８は、その一端が電流源Ｉ３とスイッチ素子４７との間に接続されるとともに、他端が接地されている。当該コンデンサ４８は、上記不連続期間の長さに相当する時間的なエラー量（電流境界モードでの動作時をゼロ基準とする量であり、上記エラー期間の長さに相当する。）を電圧に換算するために設けられている。つまり、コンデンサ４８に対して電流源Ｉ３が充電用、電流源Ｉ４が放電用とされており、スイッチ素子４７がオフ状態のとき（エラー期間）にはコンデンサ４８の端子電圧が上昇するが、スイッチ素子４７がオン状態のときには、当該コンデンサ４８の端子電圧が下がる。
【００８５】
コンデンサ４８の端子電圧は電圧バッファ４９に送られる。当該バッファの出力端子は抵抗５０の一端に接続され、当該抵抗の他端がコンデンサ５１を介して接地されるとともに、エラーアンプ５２の負入力端子に供給される。当該エラーアンプの正入力端子には、電圧源の記号で示す所定の基準電圧「Ｖref」が供給され、コンデンサ５１の端子電圧とＶrefとの差（誤差）が出力端子から電流源Ｉ２に対して送出される。つまり、誤差が大きい程、電流源Ｉ２の電流値が増加する結果、ＰＷＭランプ波の周波数が上昇することになる。
【００８６】
尚、図には、ランプ波発生回路２５の構成部分として、Ｉ１、Ｉ２、コンデンサ２６、制御部（ヒステリシスコンパレータ２７を含む部分）２５ａを示している。
【００８７】
図１２は、上記周波数制御回路２４の動作について説明するための波形図であり、ＶDS、ＳTT、Ｖramp、Ｖc48、Ｖc51を示している。尚、Ｖc48はコンデンサ４８の端子電圧を示し、Ｖc51はコンデンサ５１の端子電圧を示しており、それらに対して図中に破線でそれぞれ示すレベル「Ｖ48」、「Ｖ51」は、電流境界モードでの動作時における電圧を示している。また、「ＳTT」は、Ｄフリップフロップ４６のＱ出力信号に相当する。
【００８８】
前記の手順（１）に示したように、最初の状態（放電灯の点灯初期を除く定常時における初期状態）では、電流不連続モードで動作するように、ＰＷＭパルスの周波数が予め低めに設定される。つまり、ランプ波発生回路２５における電流源Ｉ１、Ｉ２による合計電流Ｉ（＝Ｉ１＋Ｉ２）の値によってランプ波の周波数が規定され、可変電流源Ｉ２がエラーアンプ５２の出力によって制御されるので、コンデンサ２６への供給電流Ｉが最低値を示す時に、電流不連続モードでの動作が行われるように、Ｉ２の最低電流値とＩ１の電流値をそれぞれ設定すれば良い。
【００８９】
信号ＳTTについては、トランス１０の２次側電流Ｉsがゼロになる時点に相当する、ＶDSの立ち下り時点に同期して立ち上がる信号であり、当該信号を受けてＤフリップフロップ４６のＱ出力信号がＨレベルとなる。その後、ＰＷＭパルスＳpwmが立ち上がった時点（ランプ波の立ち下り時点）でＤフリップフロップ４６にリセットがかかって、Ｑ出力信号がＬレベルとなる。即ち、この間の期間が上記エラー期間（Ｔｅ）に相当しており、その長さが時間的なエラー量を示す。
【００９０】
スイッチ素子４７は、Ｄフリップフロップ４６のＱバー出力信号を受けてオン／オフされるので、エラー期間中は当該スイッチ素子がオフ状態であり、コンデンサ４８への充電が行われて、その電圧Ｖc48が上昇していく。また、エラー期間以外ではスイッチ素子４７がオン状態となり、コンデンサ４８の放電が行われて（Ｉ３＜Ｉ４である。）、その電圧Ｖc48が徐々に下がっていく。このような動作を繰り返すうちに、Ｖc51のレベルが次第に下がっていく。つまり、コンデンサ４８において電圧に換算された時間的なエラー量が、電圧バッファ４９を経て、積分回路を構成する抵抗５０及びコンデンサ５１に送られ、Ｖc51とＶrefとの差に応じて可変電流源Ｉ２の電流値が制御される結果、ＰＷＭランプ波の周波数が変化する。Ｖc51のレベルが高く、Ｖrefとの差が大きい程、Ｉ２の電流値が増加するのでランプ波の周波数が上昇し、その結果、ＳTTに示すエラー期間の長さが次第に短くなっていく。そして、最終的にはＶc51が電流境界モード動作時の電圧レベルＶ51に到達して当該モードでの安定動作へと移行する。
【００９１】
このように、不連続期間の長さに相当する時間的なエラー量について、Ｉsが０Ａになった時点からＩpが立ち上がり始める時点までの期間長を計測して、これに応じてランプ波発生回路２５のコンデンサ２６に対する供給電流Ｉ（本例では、そのうちのＩ２）を変化させ、ＰＷＭランプ波及び当該ランプ波とエラーアンプ出力から生成されるＰＷＭパルスの周波数を制御することにより、電流境界モードでのスイッチング動作を実現することができる。尚、Ｖc51のレベルに応じてＰＷＭランプ波の周波数を１回で決定する必要はないため、複数回のエラー演算の結果に応じて当該周波数を徐々に上げていって電流境界モードでの周波数に近づけて、最終的には当該モードとなる周波数にロックさせれば良い（動作開始の初期には電流不連続モードとされるが、電流境界モードへと漸近させて当該モードに移行させるべくスイッチング周波数が変化する。）。
【００９２】
周波数制御回路２４は、タイミング検出部１９からの検出信号Ｓ１９とスイッチング素子への制御信号Ｓpwmに基いて、トランス１０の２次側電流Ｉsがゼロになった時点から当該トランスの１次側電流が流れ始めるまでの期間（不連続期間）を検出するとともに、当該期間の長さが長いほど、ランプ波の傾斜が大きくなるように変化させることで当該ランプ波の周波数制御を行っている。
【００９３】
尚、このような電流境界モードへの移行制御及び当該モードでの駆動制御に関しては、放電灯点灯回路への適用において、放電灯の安定点灯状態で行うことが好ましい。つまり、「安定点灯状態」とは、放電灯を点灯直後のように不安定な状態や定常点灯に至るまでの過渡状態を除く趣旨であり、放電灯の点灯状態が不安定となってしまう結果、立ち消え等が発生するような状況下で上記の制御を推奨するものではない。
【００９４】
図１３は周波数制御回路２４についての具体的な構成例を示したものである。
【００９５】
エミッタフォロワ（コレクタ接地）のＰＮＰトランジスタ５３のベースには、上記スイッチング素子１１であるＦＥＴのＶDSが抵抗５４及びダイオード５５を介して供給され、また、トランジスタ５３のエミッタには抵抗５６を介して所定の電源電圧が供給されるとともに、エミッタ出力がシュミット・トリガ型のＮＯＴゲート５７を介してＤフリップフロップ４６のクロック信号入力端子ＣＬＫに供給される。つまり、ＶDSがＬレベルとなったときに、トランジスタ５３がオン状態となって、Ｄフリップフロップ４６の入力端子ＣＬＫにＨレベル信号が供給される。尚、高速なスイッチング素子を用いてＤＣ−ＤＣコンバータを駆動させるために、エミッタフォロワのトランジスタ５３によるリミッタを形成している。
【００９６】
ＰＷＭパルスＳpwmについては、エミッタフォロワのＰＮＰトランジスタ５８を設けて、そのエミッタ出力を、シュミット・トリガ型のＮＯＴゲート５９を介してＤフリップフロップ４６のリセット端子に供給している。
【００９７】
電流源Ｉ３については、ＰＮＰトランジスタ６０、６１を用いたカレントミラー回路により構成され、各トランジスタのエミッタがそれぞれの抵抗を介して電源端子に接続されている。そして、両トランジスタのベース同士が接続されてトランジスタ６０のコレクタに接続されるとともに、抵抗６２を介して接地されており、トランジスタ６１のコレクタに上記コンデンサ４８が接続されている。
【００９８】
また、電流源Ｉ４については、ＮＰＮトランジスタ６３、６４を用いたカレントミラー回路により構成されており、各トランジスタのエミッタにはそれぞれに接続された抵抗を介して所定電圧Ｖref（図には定電圧源の記号で示す。）が供給される。そして、両トランジスタのベース同士が接続されてトランジスタ６４のコレクタに接続されて、当該コレクタが抵抗６５を介して電源端子に接続されており、また、トランジスタ６３のコレクタが、コンデンサ４８とトランジスタ６１との接続点に接続されている。
【００９９】
上記スイッチ素子４７に相当するものとして、ＰＮＰトランジスタ６６が設けられている。つまり、当該トランジスタのベースが抵抗６７を介してＤフリップフロップ４６のＱバー出力端子に接続されるとともに、そのエミッタが、トランジスタ６３、６４のベースに接続されており、トランジスタ６６のコレクタには、定電圧源の記号で示す所定電圧Ｖrefが供給される。
【０１００】
電圧バッファ４９は、演算増幅器６８を用いたボルテージフォロアの構成とされ、その出力段には、抵抗５０及びコンデンサ５１からなる積分回路が設けられている。そして、コンデンサ５１の端子電圧は、エラーアンプ５２を構成する演算増幅器６９の反転入力端子に、抵抗を介して送られる。
【０１０１】
可変電流源Ｉ２については、前記したようにＰＮＰトランジスタ４０、４１を用いたカレントミラー回路により構成されており、演算増幅器６９の出力端子が、抵抗４２を介してトランジスタ４０のコレクタ及びトランジスタ４０、４１のベースに接続されている。そして、トランジスタ４１のコレクタが順方向のダイオード４３を介してコンデンサ２６に接続されている。
【０１０２】
尚、演算増幅器６９の非反転入力端子については、当該端子に供給される基準電圧Ｖrefに関して、それぞれに対をなすＰＮＰトランジスタ７０、７１やＮＰＮトランジスタ７２、７３を含むカレントミラー回路及び必要な受動素子が用いられている。
【０１０３】
上記したように、電流不連続モードに初期設定された状態から駆動制御を開始して、上記トランス１０の２次側電流Ｉsがゼロになった時点から当該トランスの１次側電流Ｉpが流れ始めるまでの時間を検出し、当該時間が短くなるように制御手段によってスイッチング周波数を変化させることで、次第に電流境界モードへと近づけていき、最終的に当該モードでの安定した駆動制御を行うことができる。
【０１０４】
また、電流境界モードでの動作によって、整流ダイオード自体の逆回復時間の影響が直流−直流変換回路全体の特性（電気効率）に現れることがないので、高速の整流ダイオードを使用する必要がなくなり、低コスト化を図ることができる。
【０１０５】
例えば、上記の構成を自動車用灯具の放電灯点灯回路に適用することにより、装置の小型化に寄与することができる。即ち、車両用途では設置スペース等が限られるため、小型化の要求が厳しく、そのためには、点灯回路を構成する直流−直流変換回路の高周波化、高効率化が必須事項であるが、上記に説明した制御方式を用いることによって対処することが可能となる。
【０１０６】
【発明の効果】
以上に記載したところから明らかなように、請求項１に係る発明によれば、トランスの２次側電流がゼロになった時点から当該トランスの１次側電流が流れ始めるまでの時間をゼロに近づけるようにスイッチング周波数を制御しているので、電流境界モードでの駆動制御を実現することができ、スイッチング周波数の高周波化に対処するとともに電気効率を高くすることができる。しかも、そのために高速なスイッチ素子等を用いる必要がないので、著しいコスト上昇を伴うことがない。
【０１０７】
請求項２に係る発明によれば、トランスの２次側電流がゼロになる時点を検出するとともに、ランプ波の周波数を制御してこれを演算制御部に送出することにより、スイッチング素子への制御信号を得ることができるので、回路構成や制御方式等の大幅な変更を余儀なくされることがない。
【０１０８】
請求項３に係る発明によれば、タイミング検出部の回路構成を簡単化することができる。
【０１０９】
請求項４に係る発明によれば、トランスの２次側電流がゼロになった時点から当該トランスの１次側電流が流れ始めるまでの期間の長さに応じてランプ波の周波数を制御することができるので、電流境界モードへの移行を円滑に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】放電灯点灯回路の構成例を示す回路ブロック図である。
【図２】直流−直流変換回路の構成例を示す回路図である。
【図３】電流連続モードについての説明図である。
【図４】電流境界モードについての説明図である。
【図５】電流不連続モードについての説明図である。
【図６】本発明に係る直流電圧変換回路の構成例を示す図である。
【図７】図６の回路動作を説明するための波形図である。
【図８】ランプ波発生回路の構成例を示す図である。
【図９】図８の回路動作を説明するための波形図である。
【図１０】ランプ波発生回路について構成例を示す回路図である。
【図１１】周波数制御回路の構成例を示す図である。
【図１２】図１１の回路動作を説明するための波形図である。
【図１３】周波数制御回路について構成例を示す回路図である。
【符号の説明】
１０…トランス、１０ｐ…一次巻線、１０ｓ…二次巻線、１１…スイッチング素子、１５…直流電圧変換回路、１６…制御手段、１７…出力検出部、１８…演算制御部、１９…タイミング検出部、２０…ランプ波発生部、２４…周波数制御回路
【図１】
0003839737.tif 000002
【図２】
0003839737.tif 000003
【図３】
0003839737.tif 000004
【図４】
0003839737.tif 000005
【図５】
0003839737.tif 000006
【図６】
0003839737.tif 000007
【図７】
0003839737.tif 000008
【図８】
0003839737.tif 000009
【図９】
0003839737.tif 000010
【図１０】
0003839737.tif 000011
【図１１】
0003839737.tif 000012
【図１２】
0003839737.tif 000013
【図１３】
0003839737.tif 000014