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技術 放電ランプ点灯装置

出願人 東芝ライテック株式会社
発明者 石川達章
出願日 2018年9月20日 (2年2ヶ月経過) 出願番号 2018-176554
公開日 2020年3月26日 (8ヶ月経過) 公開番号 2020-047527
状態 未査定
技術分野 放電ランプ高周波または変換器直流点灯回路
主要キーワード 論理否定回路 対数関数的 中管内 初期パルス パルス情報 粒子温度 点灯効率 エキシマ放電ランプ
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2020年3月26日)のものです。
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図面 (6)

課題

突入電流緩和し、スイッチング素子の破損を抑制すること。

解決手段

実施形態に係る放電ランプ点灯装置は、検知部と、生成部とを具備する。検知部は、ランプ負荷への起動を指示する起動信号を検知する。生成部は、検知部によって起動信号が検知された場合に、ランプ負荷へ電源を供給する変換器の両端にそれぞれ接続されたスイッチング素子を駆動させる駆動信号を生成する。また、生成部は、駆動信号の生成を開始した初期状態において駆動信号のパルス幅を固定した状態で、パルス周期定常状態のパルス周期である定常パルス周期まで徐々に狭める。

概要

背景

従来、商業用の光源としてエキシマランプ希ガス蛍光ランプ等のバリア放電ランプが用いられる。この種の放電ランプ点灯させる放電ランプ点灯装置は、起動時にトランスに接続されたスイッチング素子印加する駆動信号パルス幅を短くする、いわゆるソフトスタートを行うことで発生する突入電流緩和している。

概要

突入電流を緩和し、スイッチング素子の破損を抑制すること。実施形態に係る放電ランプ点灯装置は、検知部と、生成部とを具備する。検知部は、ランプ負荷への起動を指示する起動信号を検知する。生成部は、検知部によって起動信号が検知された場合に、ランプ負荷へ電源を供給する変換器の両端にそれぞれ接続されたスイッチング素子を駆動させる駆動信号を生成する。また、生成部は、駆動信号の生成を開始した初期状態において駆動信号のパルス幅を固定した状態で、パルス周期定常状態のパルス周期である定常パルス周期まで徐々に狭める。

目的

本発明が解決しようとする課題は、突入電流を緩和し、スイッチング素子の破損を抑制することができる放電ランプ点灯装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

ランプ負荷への起動を指示する起動信号を検知する検知部と;前記検知部によって前記起動信号が検知された場合に、前記ランプ負荷へ電力を供給する変圧器の両端にそれぞれ接続されたスイッチング素子を駆動させる駆動信号を生成する生成部と;を具備し、前記生成部は、前記駆動信号の生成を開始した初期状態において前記駆動信号のパルス幅を固定した状態で、パルス周期定常状態のパルス周期である定常パルス周期まで徐々に狭める、放電ランプ点灯装置

請求項2

前記生成部は、前記定常状態におけるパルス幅をパルス周期の1/2以下に固定して前記駆動信号を生成する、請求項1に記載の放電ランプ点灯装置。

請求項3

前記生成部は、前記スイッチング素子に対してそれぞれ逆位相の前記駆動信号を入力する、請求項1または2に記載の放電ランプ点灯装置。

技術分野

0001

本発明の実施形態は、放電ランプ点灯装置に関する。

背景技術

0002

従来、商業用の光源としてエキシマランプ希ガス蛍光ランプ等のバリア放電ランプが用いられる。この種の放電ランプ点灯させる放電ランプ点灯装置は、起動時にトランスに接続されたスイッチング素子印加する駆動信号パルス幅を短くする、いわゆるソフトスタートを行うことで発生する突入電流緩和している。

先行技術

0003

特開2002−136114号公報

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、上記の従来技術では、駆動信号のパルス周波数が固定であり、駆動信号についてパルス幅短縮制御を行うため、スイッチング素子へ突入するときのストレスサイクルが変わらず、入力電力が大きい場合にスイッチング素子へ突入するストレスが発生する可能性があり、スイッチング素子の破損を招く恐れがある。

0005

本発明が解決しようとする課題は、突入電流を緩和し、スイッチング素子の破損を抑制することができる放電ランプ点灯装置を提供することである。

課題を解決するための手段

0006

実施形態に係る放電ランプ点灯装置は、検知部と、生成部とを具備する。前記検知部は、ランプ負荷への起動を指示する起動信号を検知する。前記生成部は、前記検知部によって前記起動信号が検知された場合に、前記ランプ負荷へ電源を供給する変換器の両端にそれぞれ接続されたスイッチング素子を駆動させる駆動信号を生成する。また、前記生成部は、前記駆動信号の生成を開始した初期状態において前記駆動信号のパルス幅を固定した状態で、パルス周期定常状態のパルス周期である定常パルス周期まで徐々に狭める。

発明の効果

0007

本発明によれば、突入電流を緩和し、スイッチング素子の破損を抑制することができる。

図面の簡単な説明

0008

図1は、実施形態に係る放電ランプ点灯装置の模式図である。
図2は、実施形態に係る電源装置ブロック図である。
図3は、実施形態に係る初期状態における駆動信号の具体例を示す図である。
図4は、駆動信号のパルス周波数の具体例を示す図である。
図5は、実施形態に係る電源装置が実行する処理手順を示すフローチャートである。

実施例

0009

以下で説明する実施形態に係る放電ランプ点灯装置100は、検知部11と、生成部12とを具備する。検知部11は、ランプ負荷50への起動を指示する起動信号を検知する。生成部12は、検知部11によって起動信号が検知された場合に、ランプ負荷50へ電力を供給するトランスT(変換器に対応)の両端にそれぞれ接続された第1スイッチング素子Q1、第2スイッチング素子Q2を駆動させる駆動信号を生成する。また、生成部12は、駆動信号の生成を開始した初期状態において駆動信号のパルス幅を固定した状態で、パルス周期を定常状態のパルス周期である定常パルス周期まで徐々に狭める。

0010

また、以下で説明する実施形態に係る放電ランプ点灯装置100において、生成部12は、定常状態におけるパルス幅をパルス周期の1/2以下に固定して駆動信号を生成する。

0011

また、以下で説明する実施形態に係る放電ランプ点灯装置100において、生成部12は、第1スイッチング素子Q1および第2スイッチング素子Q2に対してそれぞれ逆位相の駆動信号を入力する。

0012

(実施形態)
以下、添付図面を参照して、実施形態に係る放電ランプ点灯装置100について説明する。実施形態において同一の機能を有する構成には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、以下では、ランプ負荷50がエキシマ放電ランプである場合について説明するが、ランプ負荷50はこれに限定されるものではない。

0013

まず、図1を用いて実施形態に係る放電ランプ点灯装置の概要について説明する。図1は、実施形態に係る放電ランプ点灯装置の模式図である。図1に示すように、放電ランプ点灯装置100は、電源装置1と、ランプ負荷50と、トランスTと、第1スイッチング素子Q1、第2スイッチング素子Q2と、スイッチSWとを具備する。

0014

トランスTは、絶縁型のトランスであり、一次コイルL1、L2および二次コイルL3によって構成される。また、一次コイルL1、L2の中点には、直流電源DDが接続されるとともに、一次コイルL1、L2の両端には、それぞれ第1スイッチング素子Q1および第2スイッチング素子Q2が設けられる。

0015

第1スイッチング素子Q1および第2スイッチング素子Q2は、例えば、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である。第1スイッチング素子Q1および第2スイッチング素子Q2のソースは、それぞれ一次コイルL1、L2に接続され、第1スイッチング素子Q1および第2スイッチング素子Q2のドレインは、それぞれグランドに接続される。

0016

電源装置1は、それぞれ逆位相のPWM(Pulse Width Modulation)を駆動信号として第1スイッチング素子Q1および第2スイッチング素子Q2へそれぞれ入力することで、トランスTを介してランプ負荷50へ交流出力電流を供給することができる。

0017

スイッチSWは、ランプ負荷50への起動を指示する起動信号を電源装置1へ出力する装置である。スイッチSWは、ランプ負荷50を点灯・消灯させるためのスイッチであり、例えば、ユーザの操作に応じて起動信号を電源装置1へ入力する。

0018

なお、スイッチSWは、起動信号のみならず、ランプ負荷50の調光を制御するための制御信号を電源装置1へ入力することも可能である。この場合、電源装置1は、制御信号に基づいて調光を制御することも可能である。より詳細には、電源装置1は、制御信号に基づき、第1スイッチング素子Q1および第2スイッチング素子Q2へ入力する駆動信号のパルス周波数を制御することで、ランプ負荷50の調光を制御することができる。

0019

ランプ負荷50は、誘電体バリア放電ランプであり、放電用ガスとして、アルゴンキセノンネオンなどの希ガスや窒素ヘリウムなどの気体封入される。ランプ負荷50は、両端が二次コイルL3に接続され、二次コイルL3から出力される出力電流によって点灯する。なお、ランプ負荷50は、誘電体バリア放電ランプに限られず、LED(Light Emitting Diode)など他の光源であってもよい。

0020

次に、図2を用いて実施形態に係る電源装置1の構成例について説明する。図2は、実施形態に係る電源装置1のブロック図である。図2に示すように、電源装置1は、制御部10と、記憶部20とを備える。

0021

制御部10は、検知部11と、生成部12とを具備する。制御部10は、例えば、CPU(Central Processing Unit)やMPU(Micro Processing Unit)などの電子回路ASIC(Application Specific IntegratedCircuit)やFPGA(Field Programmable Gate Array)などの集積回路であり、電源装置1の全体制御を実行する。なお、制御部10は、上記に限定されず、例えば、VCO (Voltage Controlled Oscillator)により、パルスの周波数を制御してもよい。

0022

記憶部20は、例えば、RAM(Random Access Memory)、フラッシュメモリ(Flash Memory)等の半導体メモリ素子、または、ハードディスク光ディスク等の記憶装置によって実現される。実施形態に係る記憶部20は、図2に示すように、パルス情報21を記憶する。なお、パルス情報21の具体例については、図4を用いて後述する。

0023

制御部10の検知部11は、ランプ負荷50への起動を指示する起動信号を検知する。検知部11は、スイッチSWから入力される起動信号を検知すると、生成部12へ通知する。

0024

生成部12は、検知部11によって起動信号が検知された場合に、ランプ負荷50へ電力を供給するトランスTの両端にそれぞれ接続された第1スイッチング素子Q1および第2スイッチング素子Q2を駆動させる駆動信号を生成する。

0025

例えば、生成部12は、図示しない系統電源から供給される電力をPWM(Pulse Width Modulation)信号へ変換し、変換したPWM信号を駆動信号として第1スイッチング素子Q1および第2スイッチング素子Q2へそれぞれ入力することができる。

0026

なお、図1に示したように、トランスTは、プッシュプル回路であるため、生成部12は、第1スイッチング素子Q1および第2スイッチング素子Q2に対してそれぞれ逆位相の駆動信号を入力する。

0027

例えば、生成部12は、論理否定回路(NOT回路とも称される)などの反転回路を具備しており、第1スイッチング素子Q1および第2スイッチング素子Q2のうち、一方へ入力する駆動信号を逆位相の駆動信号へ変換して入力することができる。

0028

これにより、第1スイッチング素子Q1がオン導通状態)である期間に、第2スイッチング素子Q2がオフ非導通状態)となり、第2スイッチング素子Q2がオンである期間に、第1スイッチング素子Q1がオフとなる。したがって、トランスTにおいて、効率よく出力電流を発生させることが可能となる。

0029

なお、ここでは、生成部12が反転回路にて駆動信号を逆位相へ変換する場合について説明したがこれに限定されるものではない。すなわち、生成部12は、それぞれ逆位相の駆動信号を生成し、第1スイッチング素子Q1および第2スイッチング素子Q2へそれぞれ入力することにしてもよい。

0030

ところで、ランプ負荷の点灯を開始する場合に、駆動信号のパルス幅を短くする、いわゆるソフトスタートを行うことで発生する突入電流を緩和する放電ランプ点灯装置が有る。かかる放電ランプ点灯装置では、発生する突入電流を緩和することができるものの、駆動信号のパルスの周波数が固定であり、駆動信号についてパルス幅短縮制御を行うため、スイッチング素子へ突入するときのストレスサイクルが変わらず、入力電力が大きい場合にスイッチング素子へ突入するストレスが発生する可能性があり、スイッチング素子の破損を招く恐れがある。

0031

これに対して、本実施形態に係る生成部12は、駆動信号のパルス周波数を可変することで、突入時のストレスサイクルを減らし、入力電力が大きい場合でもスイッチング素子(第1スイッチング素子Q1および第2スイッチング素子Q2に対応)の破損を抑制することが可能である。

0032

図3は、初期状態における駆動信号の具体例を示す図である。なお、図3縦軸は、駆動信号のオンおよびオフを示し、横軸は、時刻を示す。ここで、初期状態とは、ランプ負荷50の点灯を開始してから定常状態へ移行するまでの状態であり、突入電流が発生する期間である。また、定常状態とは、所望する点灯周波数でランプ負荷50を点灯させている状態である。

0033

図3に示すように、生成部12は、初期状態において、駆動信号がオンとなるオン時間Tonを固定した状態で、駆動信号がオフとなるオフ時間Toffを徐々に狭めて駆動信号を生成する。言い換えれば、生成部12は、オン時間Tonを固定した状態で、パルス周波数を徐々に増大させて駆動信号を生成する。

0034

初期状態においては、図3に示すオン時間Tonは全て一定の値であり、オフ時間Toff−1よりもオフ時間Toff−1の次のオフ時間Toffであるオフ時間Toff−2が短くなる。したがって、オフ時間Toff−1に対応するパルス周波数f1よりもオフ時間Toff−2に対応するパルス周波数f2の方がパルス周波数が大きくなる。

0035

このように、生成部12は、初期状態において、オン時間Tonを固定した状態で、パルス周波数を徐々に増加させることで、第1スイッチング素子Q1または第2スイッチング素子Q2へ流れる突入電流の発生を緩和することができる。

0036

さらに、オフ時間Toffを徐々に短くすることで、パルス周波数を固定しておく場合に比べて、第1スイッチング素子Q1または第2スイッチング素子Q2がオンとなる回数を抑制することが可能となる。したがって、スイッチング素子の破損を抑制することができる。

0037

また、本実施形態では、パルス周波数を固定しておく場合に比べて、初期状態におけるオフ時間Toff時間を長く設定することができる。これにより、ランプ負荷50の放電中管内粒子温度の上昇を抑えることも可能となり、ランプ負荷50の点灯効率を向上させることが可能となる。

0038

ところで、オン時間Tonは、できるだけ短いことが好ましい。これは、オン時間Tonが短いほど、トランスTからランプ負荷50へ出力される出力電流が急峻となり、ランプ負荷50を高効率で点灯可能となるためである。

0039

また、オン時間Tonが短いほど、トランスTにおける励起時間が短くすることができ、トランスTの発熱を抑制することも可能である。すなわち、オン時間Tonが短いほど、効率よく出力電流を発生可能となるためである。

0040

これらを満たすために、オン時間Tonは、定常状態におけるオフ時間Toffの1/2以下であることが好ましい。より詳細には、例えば、定常状態における駆動信号のパルス周波数が37kHzである場合、パルス周期は、約30μsecであり、オン時間Tonは、4〜6μsecであり、オフ時間Toffは、21〜23μsecとなる。なお、定常状態においてオン時間Tonがオフ時間Toffの1/2以下を満たせば、上記の効果を得ることが可能である。

0041

次に、図4を用いて駆動信号のパルス周波数と、経過時刻の関係について説明する。図4は、実施形態に係るパルス周波数の具体例を示す図であり、図2に示したパルス情報21の一例に対応する。また、図4では、縦軸に駆動信号のパルス周波数を示し、横軸に時刻を示す。

0042

図4に示すように、初期状態のパルス周波数である初期パルス周波数fiにおいては、時刻の経過に伴いパルス周波数を線型的に増加させる。なお、ここでの線型的とは、所定の誤差を含む概念であり、厳密に線形を意味するものではない。

0043

また、初期パルス周波数fiの傾きについては、ランプ負荷50の性能や第1スイッチング素子Q1および第2スイッチング素子Q2の応答特性に応じて任意に変更可能である。この場合、初期パルス周波数fiは、必ずしも線形的な上昇である必要はなく、指数関数的に上昇させることも可能であるし、対数関数的に上昇させることも可能である。

0044

その後、パルス周期が定常状態に到達すると、定常時のパルス周波数である定常パルス周波数fsにパルス周波数を固定する。すなわち、初期状態においては、駆動信号のパルス周波数を短くすることで、第1スイッチング素子Q1または第2スイッチング素子Q2へ流れる突入電流を緩和するとともに、定常状態においては、駆動信号のパルス周波数を固定することで、所望の点灯周波数でランプ負荷50を点灯させることが可能となる。

0045

これにより、上記のように、初期状態における突入電流の発生を緩和しつつ、定常状態において、任意の調光でランプ負荷50を点灯させることが可能となる。

0046

特に、本発明は、放電ランプ点灯装置100を商業用に用いる場合に有効である。すなわち、放電ランプ点灯装置100を商業用として用いる場合、ランプ負荷50へ比較的大きな電力を供給する必要があり、第1スイッチング素子Q1および第2スイッチング素子Q2を高耐圧のスイッチング素子を用いる必要がある。

0047

しかしながら、スイッチング素子が、高耐圧であるほど、駆動信号に対する応答性が遅くなるため、パルス周期が短くすると、スイッチング素子の応答速度が追い付かず、所望の出力電流をランプ負荷50へ供給できないおそれがある。

0048

これに対して、実施形態に係る放電ランプ点灯装置100では、初期状態においてパルス周期を充分に長くするため、高耐圧のスイッチング素子を用いる場合であっても、所望する出力電流をランプ負荷50へ供給することが可能となる。

0049

次に、図5を用いて実施形態に係る電源装置1が実行する処理手順について説明する。図5は、実施形態に係る電源装置1が実行する処理手順を示すフローチャートである。なお、かかる処理手順は、電源装置1の制御部10によって繰り返し実行される。

0050

図5に示すように、電源装置1は、まず、ランプ負荷50を起動させる起動信号を検知したか否かを判定する(ステップS101)。電源装置1は、起動信号を検知した場合(ステップS101,Yes)、初期状態のパルス周期である初期パルス周期の駆動信号を生成する(ステップS102)。

0051

その後、電源装置1は、パルス周期を徐々に狭めて駆動信号を生成し(ステップS103)、駆動信号のパルス周期が定常状態のパルス周期である定常パルス周期に到達したか否かを判定する(ステップS104)。

0052

電源装置1は、ステップS104の処理において、定常パルス周期に到達した場合(ステップS104,Yes)、駆動信号のパルス周期を保持して(ステップS105)、処理を終了する。

0053

一方、電源装置1は、ステップS104の処理において、定常パルス周期に到達していない場合(ステップS104,No)、ステップS103の処理へ移行する。また、電源装置1は、ステップS101の処理において、起動信号を検知していない場合(ステップS101,No)、そのまま処理を終了する。なお、ステップS102以降の処理においいて、起動信号を検知できなくなった場合は、駆動信号の生成を停止し、そのまま処理を終了する。

0054

上述したように、実施形態に係る放電ランプ点灯装置100は、検知部11と、生成部12とを具備する。検知部11は、ランプ負荷50への起動を指示する起動信号を検知する。生成部12は、検知部11によって起動信号が検知された場合に、ランプ負荷50へ電力を供給するトランスT(変換器に対応)の両端にそれぞれ接続された第1スイッチング素子Q1、第2スイッチング素子Q2を駆動させる駆動信号を生成する。

0055

また、上述した実施形態に係る放電ランプ点灯装置100において、生成部12は、定常状態におけるパルス幅をパルス周期の1/2以下に固定して駆動信号を生成する。したがって、実施形態に係る放電ランプ点灯装置100によれば、出力電流の立ち上がりを急峻にするとともに、トランスTにて効率よく出力電流を発生させることができる。

0056

また、上述した実施形態に係る放電ランプ点灯装置100において、生成部12は、第1スイッチング素子Q1および第2スイッチング素子Q2に対してそれぞれ逆位相の駆動信号を入力する。したがって、実施形態に係る放電ランプ点灯装置100によれば、トランスTにおいて、効率よく出力電流を発生させることが可能となる。

0057

ところで、上述した実施形態では、負荷がランプ負荷50である場合について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、ランプ負荷50以外の種々の負荷であっても、本発明を適用することが可能である。

0058

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

0059

1電源装置
11 検知部
12 生成部
21パルス情報
50ランプ負荷
100放電ランプ点灯装置
L1、L2一次コイル
L3二次コイル
Q1 第1スイッチング素子
Q2 第2スイッチング素子
T トランス

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