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JP4921668B2 - 高輝度放電ランプを駆動するための電子安定回路 - Google Patents

高輝度放電ランプを駆動するための電子安定回路 Download PDF

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Description

【0001】
本発明は電子安定回路および該回路を駆動する方法に関する。この電子回路はピーク電流サージたとえば高輝度放電(HID)ランプを流れるピーク電流サージを検出して制限する。
【0002】
従来の技術
典型的なD1 HIDランプの点弧後に突入電流が発生する。この電流は公称30Aというピークをもつ。自動車用HID回路において使用されるランプなどのようなこの種のランプは、ランプへ交流電流を供給するためのスイッチング回路としてHブリッジまたはフルブリッジを使用する。30AのサージによってHブリッジ制御回路の動作信頼性が失われたり、あるいはHブリッジMOSFETスイッチが故障してしまうおそれがある。
【0003】
電子安定回路を流れる高電流は様々なやり方によって扱うことができる。1つのやり方によれば、システムを流れる最大電流と同じ高さあるいはそれよりも高い所定の電流レベルを定格とするMOSFETのような素子が用いられる。高い電流を定格とする素子を利用することの1つの欠点は、それらが余計に高価なことである。また、高い定格の素子は低い定格の相当品よりも大きくかつ重くなる傾向にある。ほとんどの適用事例では、素子の占めるスペースおよび素子の重さを最低限に抑えたい。
【0004】
過剰電流を扱う2番目のやり方は、「スイッチオン」時の突入電流を制御するためのコンポーネントを組み込むことである。このようなコンポーネントとしては(これに限定するわけではないけれども)、Huber 等の US 5,719,473 に開示されているアクティブフィルタ昇圧回路内の1つのサイリスタまたは一対のサイリスタ、Huber の US 5,877,614 に開示されている昇圧レギュレータまたはブロッキングオシレータとして設計された出力段、Twardzik の US 6,078,144 に開示された振動トランス、EP0 757,420 に開示されたヒステリシスつきのマルチバイブレータ、あるいは十分なボルトセコンド(volt-second)能力をもつインダクタが挙げられる。このインダクタは通常、ピーク電流を制限するためにランプと直列に配置されることになる。これらのコンポーネントのいずれを組み込んでもシステム全体のサイズが増大しシステムが複雑になるし、そのコストが高くなってしまう。
【0005】
発明の概要
本発明の目的は、Hブリッジ回路内に設けられている低い定格のMOSFETを利用してその回路を流れる電流を制限することにある。
【0006】
本発明の別の課題は、ランプ点弧に続く周期中にHブリッジ内のMOSFETゲート電圧を抑えて、MOSFETを流れる電流を制限することにある。
【0007】
さらに本発明の課題は、寄生容量を使用してMOSFETを流れる電流を制限するための方法を提供することにある。
【0008】
本発明によればこれらの課題やそのほかの目的は、既存のHブリッジMOSFETスイッチのうちの少なくとも1つを使用して、D1ランプのサージ電流を既存のデバイスの定格内のレベルに抑えることによって達成される。本発明の有利な実施形態によれば、回路を駆動することにより発生する寄生容量が利用される。この寄生容量を放電させる目的で回路内の抵抗のうちの1つから電圧を引き出すことにより、MOSFETのゲート電圧が抑えられる。その際、このゲートを不完全に閉じることでMOSFETに流れる電流が制限される。この手法の利点は、サージの検出および制限にあたり外部のコンポーネントを加える必要がなくなることであるし、あるいはスイッチングMOSFETのコストが必要以上にかからなくなることである。
【0009】
図面の簡単な説明
添付の図面を参照することで本発明を明瞭に理解することができる。この図には、本発明の有利な実施形態によるHIDランプ用の電子安定回路が示されている。
【0010】
有利な実施例の説明
本発明を他の目的や利点ならびにその可能性を含めてなおいっそう理解できるようにするため、上述の図面を参照しながらこの明細書やそれに付随する特許請求の範囲について説明する。
【0011】
図面には本発明の有利な実施形態が描かれており、この実施形態ではランプ50は自動車用D1 HIDランプである。ランプ50は点弧トランス60といっしょに統合することができる。ランプ50およびトランス60は破線のブロック70内の回路によって表されている。
【0012】
安定器の出力によって直流電圧が供給され、これはHブリッジスイッチング回路30へと導かれる。このような安定器は適切な変形を加えて使用することができる。Hブリッジ30の出力は約500Hzの周波数をもつ方形波電圧である。Hブリッジのコンポーネントならびに動作についてはあとで説明する。
【0013】
放電ランプ50は密封された慣用のアーク管51を有しており、これによって放電空間が規定されている。アーク管51は要求に従い透明でも半透明でもよい。慣用の手法で放電空間内に無水銀ハライド充填物が収容されている。
【0014】
放電ランプ50は、アーク放電を形成するためその内部に密封された2つの電極を有している。たとえばアーク管51は慣用の手法によって、その内部の対向する各端部のところで密封された2つの電極53および54を有している。電極54は接続点66と電気的に接続されており、電極53はトランス60と電気的に接続されており、さらにこのトランス自体は接続点68と電気的に接続されていて、これによりアーク管51がHブリッジスイッチング回路30と電気的に接続される。
【0015】
Hブリッジスイッチング回路30には4つのMOSFETが含まれており、すなわち2つのローサイド(低電位側)MOSFET Q5,Q6と2つのハイサイド(高電位側)MOSFET Q7,Q8が設けられている。安定した状態の動作中、回路はQ6,Q8がONとなりQ5,Q7がOFFとなるときと、Q6,Q8がOFFとなりQ5,Q7がONとなるときとで、交互に入れ替わる。本発明は点弧動作時点ならびにその直後の動作に係わるものであるため、Q6,Q8にのみ関連させてこの回路を説明する。殊にQ8のゲートと接続された回路の検出動作と制御について説明する。
【0016】
Q6とQ8は点弧より前と点弧中と点弧直後、ONに保持される。Q8の駆動源であるフェーズB(PHB)は直流スイッチング電源であり、つまりこの駆動源は−85Vとアースとの間で周期的に動作し、約500Hzの周波数を有する。Q7の駆動源(PHA、図示せず)も同様に動作する。2つの駆動源(PHB,PHA)は180°の位相のずれをもち、約50%の電力で動作する。
【0017】
図面には、本発明に従い構成された絶縁ゲートデバイスQ8のためのゲート駆動(制御)回路の1つの実施形態が示されている。この実施形態の場合、絶縁ゲートデバイスQ8はMOSFETである。とはいえ当業者であれば理解できるように、このゲート駆動回路を他のFET、IGBT、MCTを駆動するためにも使用できる。当然ながら1つの駆動回路によって1つまたは複数のゲートデバイスを駆動することができる。
【0018】
ゲート駆動回路はエネルギー蓄積コンデンサC28を有しており、これは安定器出力電圧Voutの高電位側すなわちハイサイドと接続されており、さらに抵抗R14と直列に接続されていて、この抵抗自体は電源の低電位側すなわちローサイドと接続されている。また、C28はツェナダイオードD7とも並列に接続されている。当然ながら他の実施形態として、ダイオードD7をツェナダイオードとしなくてもよい。これらC28,R14,D7がいっしょになって、トランジスタQ11のための調整供給側を成している。図1に示されているようにトランジスタQ11とトランジスタQ15は、C28とR14の接続点と電源のハイサイドとの間に結線されたトーテムポール構成をとっている。図示されている実施形態の場合、トーテムポール構成は、npnトランジスタQ11ならびにこれと直列に接続された第1のpnpトランジスタQ15から成る。Q11およびQ15のエミッタとゲートQ8のゲートの間にトランジスタR79が接続されている。
【0019】
第2のpnpトランジスタQ39は、抵抗R75における10VDCを維持するための電流源として動作する。抵抗R75は電源のハイサイドと接続されており、静的な保護とQ8のゲートのプルダウンつまりはMOSFET Q8のターンオフのために用いられる。したがってトランジスタQ39と抵抗R75はレベルシフト回路を成している。とはいえ当業者であれば実現できるように、本発明の広い範囲内でどのような駆動回路を使用してもどのようなデバイスを使用してもかまわない。
【0020】
さらにゲート駆動回路は抵抗R76を有しており、これは駆動信号位相源(PHB)とQ39のエミッタの間に直列に接続されている。PHBは絶縁ゲートデバイスQ8をターンオンおよびターンオフする。上述のようにPHBは、Q7を制御する第2の駆動信号源PHAに対し180°の位相がずれて動作する。
【0021】
駆動信号位相源PHBから生じる駆動電圧VbによりQ8のゲートが駆動され、これにより絶縁ゲートデバイスQ8がターンオンする。Q8を完全にオンの状態に維持するために必要とされる電圧は5V〜8Vの間にある。この電圧は、抵抗R75における電圧降下からQ11のベース・エミッタ接合部における電圧降下を差し引いたものにほぼ等しい。
【0022】
上述の回路構成ゆえに、Q39のベースとコレクタの間に寄生容量(寄生容量C)が発生する。普通の当業者であれば通常、このように構成された回路を望むことはないであろう。それというのも寄生容量の発生により回路のスイッチング速度が遅くなるからである。しかしながら本発明にはこれまで知られていなかった寄生容量Cを利用した技術が含まれており、それによって後述のようにMOSFETからみたピーク電流が低減される。Q8からみたピーク電流を低減するためには、Hブリッジ内の電流を抑える必要がある。この電流低減は寄生容量Cを放電させることによって達成される。寄生容量Cを放電させるための電流はQ39から到来する。この放電電流は抵抗R75における10VDCを維持するために使われるのと同じ電流源(Q39)からのものであるため、抵抗R75を通る電流は必然的に低減される。抵抗R75を流れる電流が低減されると、そこにおける電圧降下もそれに比例して低減される。上述のようにQ8のゲートにおける電圧は、抵抗R75における電圧降下からトランジスタQ11のベース・エミッタ接合部における電圧を差し引いたものにほぼ等しい。したがって抵抗R75における電圧を低減するということは、Q8のゲートにおける電圧の低減に相応する。Q8のゲートにおける電圧は2V〜4Vまで低減する。この電圧降下によってMOSFETチャネルにおけるインピーダンスが増大し、Q8を流れる最大電流が約20Aまで減少する。
【0023】
ランプ50は最初はオフであり、トランス60の2次側における電圧がランプ50の点弧に十分になるまでオフのまま維持される。安定器は通常、約−400VDCを出力する。点弧中は他の約−600VDCが出力され、トランス60の1次側に加えられる。トランス60の1次側に対し合成された約−1000VDが生じる。トランス60の2次側は約23,000Vの出力電圧となり、これはランプの点弧に十分なものである。
【0024】
点弧シーケンスは0μsから5μsまで継続する。点弧に応じてランプ50がグロー放電し始めるがまだアーク放電していない。したがって電流はまだ流れず、非常に高くほぼ無限大の抵抗が存在することになる。電流を流せるようにするためにはランプはアーク放電しなければならない。Voutにおける約−400VDCによって電流を流し始めるエネルギーが供給され、アーク放電が形成される。ひとたびランプがアーク放電すれば、ランプの抵抗は約10Ωまで下がり、回路に電流サージが流れ始める。約13μsの期間内で上述の制御回路の動作に基づき、電流はゼロAから20Aの最大値まで変化する。
【0025】
電流がそのピーク値まで上昇すると、Voutにおける約−400VDCが0Vに向かって減少する。その結果として生じた電圧降下により、上述の回路構成に基づき充電コンデンサである寄生容量Cが生成される。トランジスタQ39は抵抗R75において10VDCを維持するので、コンデンサCにおける初期の電圧は−390VDCになる。この電圧は電流が増加するにつれて0Vに向かって減少する。
【0026】
寄生容量Cは、正の側がアース電位となり負の側がR75の上端の電位となるよう充電されている。寄生容量Cを放電させるために、寄生容量CのR75の側からこの寄生容量Cを通ってアースの側へ電流を流さなければならない。寄生容量Cの放電に用いられる電流はトランジスタQ39から到来する。この電流は通常は抵抗R75における10VDCを維持するために用いられるものであるから、寄生容量Cを放電させるためにこの電流の一部を利用することにより、抵抗R75を流れる電流つまりはそこにおける電圧が減少する。その結果、トランジスタQ8のゲートにおける電圧が2〜4Vまで下がる。トランジスタQ8のゲートにおける電圧が低減することによりQ8のインピーダンスが高まり、トランジスタQ8のゲートに生じる電圧降下によってドレイン・ソース電圧が0Vから150Vまで上昇し、これによってランプのピーク電流が20Aに制限され、これはこの種のデバイスにおいて一般的に達せられる30Aよりも小さい。つまりこのことは、MOSFETひいてはデバイスを小さくできることを意味する。
【0027】
最初のフェーズBのサイクル中に電流制限が行われる。ひとたびランプが安定状態に達してしまえばQ6もQ8もオンとなり、あるいはQ5とQ7がオンにされる。システムにおける電圧は生のランプ電力消費が35Wとなるように維持される。35Wの電力は、60V〜100Vの範囲内のどこかであるにせよ、約85Vの定格Voutと言い換えられる。
【0028】
この回路をそれを逆方向に動作させるように再構成することができ、その場合、ピーク制限は最初のフェーズAサイクル中に行われる。外部の回路を加えることができ、主電源出力をコントロールするマイクロプロセッサを回路の逆方向動作のために使うこともできる。
【0029】
これまで説明してきた実施形態は例証のために挙げたものであり、これに限定されるものではない。自明のように、当業者であれば容易に理解できるような他の実施形態を本発明の着想や範囲を大きく逸脱することなく実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の有利な実施形態によるHIDランプ用の電子安定回路を示す図である。

Claims (13)

  1. 電子安定回路において、
    電圧調整型直流電源とHブリッジが設けられており、該Hブリッジは複数のHブリッジトランジスタを有しており、該Hブリッジは前記電源と電気的に接続されており、
    該Hブリッジと接続されたランプソケットと、前記Hブリッジトランジスタの少なくとも1つと電気的に接続された調整回路が設けられており、該調整回路により前記Hブリッジを流れるピーク電流が調整され、
    放電ランプと直列に配置された点弧トランスが設けられており、該点弧トランスは前記複数のHブリッジトランジスタの間でHブリッジと接続されており、
    前記複数のHブリッジトランジスタは、第1のトランジスタと第2のトランジスタと第3のトランジスタと第4のトランジスタとから成り、
    前記第1のトランジスタは電源のローサイドとランプの第1の端子との間に配置されており、該ランプの対向する第2の端子は前記点弧トランスの第1の端子と電気的に接続されており、
    前記第2のトランジスタは点弧トランスの第2の端子と電源のローサイドとの間に配置されており、
    前記第3のトランジスタは電源のハイサイドと点弧トランスと第2の端子との間に配置されており、
    前記第4のトランジスタは電源のハイサイドとランプの第1の端子との間に配置されており、該第4のトランジスタは前記調整回路と電気的に接続されており
    前記トランジスタはMOSFETであり、
    前記調整回路は、駆動信号出力側、電源のハイサイドと電気的に接続されたバイアス抵抗、電流源トランジスタ、第1のゲート駆動トランジスタおよび第2のゲート駆動トランジスタを有しており、
    前記電流源トランジスタは、電源のローサイドと電気的に接続されたベースと、前記バイアス抵抗と電気的に接続されたコレクタと、前記駆動信号出力側と電気的に接続されたエミッタを有しており、
    前記第1および第2のゲート駆動トランジスタは、各々前記バイアス抵抗と接続されたベースを有しており、
    前記第4のトランジスタは、前記第1のゲート駆動トランジスタのエミッタと電気的に接続されており、前記電流源トランジスタのベースとコレクタはそれらの間で寄生容量が生じるように接続されている、
    ことを特徴とする、電子安定回路。
  2. 前記放電ランプは高輝度放電ランプである、請求項1記載の安定回路。
  3. 前記Hブリッジはさらに、前記電源のローサイドに電気的に接続された抵抗と、該抵抗と電気的に接続されたコンデンサと、該コンデンサと並列に接続されたツェナダイオードを有する、請求項記載の安定回路。
  4. 電子安定回路において、
    電圧調整型直流電源とHブリッジが設けられており、該Hブリッジは複数のHブリッジトランジスタを有しており、該Hブリッジは前記電源と電気的に接続されており、
    該Hブリッジと接続されたランプソケットと、前記Hブリッジトランジスタの少なくとも1つと電気的に接続された調整回路が設けられており、該調整回路により前記Hブリッジを流れるピーク電流が調整され、
    放電ランプと直列に配置された点弧トランスが設けられており、該点弧トランスは前記複数のHブリッジトランジスタの間でHブリッジと接続されており、
    前記複数のHブリッジトランジスタは、第1のトランジスタと第2のトランジスタと第3のトランジスタと第4のトランジスタとから成り、
    前記第1のトランジスタは電源のローサイドとランプの第1の端子との間に配置されており、該ランプの対向する第2の端子は前記点弧トランスの第1の端子と電気的に接続されており、
    前記第2のトランジスタは点弧トランスの第2の端子と電源のローサイドとの間に配置されており、
    前記第3のトランジスタは電源のハイサイドと点弧トランスと第2の端子との間に配置されており、
    前記第4のトランジスタは電源のハイサイドとランプの第1の端子との間に配置されており、該第4のトランジスタは前記調整回路と電気的に接続されており、
    前記調整回路はさらに、電源のハイサイドに接続された抵抗と、該抵抗に接続された電流源を有しており、該電流源は少なくとも1つのHブリッジトランジスタの1つにバイアス電圧を供給する、
    ことを特徴とする、電子安定回路。
  5. 前記抵抗と前記電流源との間に形成された接続部と、電源のローサイドの間に素子が設けられており、該素子は電源により供給される電圧が低減したときに前記抵抗からの電流を分流させる、請求項記載の安定回路。
  6. 前記電流源は電流源トランジスタから成り、前記少なくとも1つのHブリッジトランジスタはゲートをもつMOSFETトランジスタであり、前記素子は前記電流源トランジスタのベースと該電流源トランジスタのエミッタとの間の寄生容量である、請求項記載の安定回路。
  7. ベースおよびエミッタをもつ第1のトーテムポールトランジスタと、ベースおよびエミッタをもつ第2のトーテムポールトランジスタが設けられており、前記のベースの各々は前記抵抗と接続されており、前記のエミッタの各々は前記Hブリッジトランジスタのうちの1つのゲートと電気的に接続されている、請求項記載の安定回路。
  8. 電圧調整型直流電源とHブリッジが設けられており、該Hブリッジは複数のHブリッジトランジスタを有しており、該Hブリッジは前記電源と電気的に接続されており、
    該Hブリッジと接続されたランプソケットと、
    前記複数のHブリッジトランジスタのうち少なくとも1つを制御して前記Hブリッジを流れる電流を制限する手段が設けられており、
    放電ランプと直列に配置された点弧トランスが設けられており、該点弧トランスは前記複数のHブリッジトランジスタの間でHブリッジと接続されており、
    前記複数のHブリッジトランジスタは、第1のトランジスタと第2のトランジスタと第3のトランジスタと第4のトランジスタとから成り、
    前記第1のトランジスタは電源のローサイドとランプの第1の端子との間に配置されており、該ランプの対向する第2の端子は前記点弧トランスの第1の端子と電気的に接続されており、
    前記第2のトランジスタは点弧トランスの第2の端子と電源のローサイドとの間に配置されており、
    前記第3のトランジスタは電源のハイサイドと点弧トランスと第2の端子との間に配置されており、
    前記第4のトランジスタは電源のハイサイドとランプの第1の端子との間に配置されており、該第4のトランジスタは前記制御手段と電気的に接続されており
    前記トランジスタはMOSFETであり、
    前記制御手段は、駆動信号出力側、電源のハイサイドと電気的に接続されたバイアス抵抗、電流源トランジスタ、第1のゲート駆動トランジスタおよび第2のゲート駆動トランジスタを有しており、
    前記電流源トランジスタは、電源のローサイドと電気的に接続されたベースと、前記バイアス抵抗と電気的に接続されたコレクタと、前記駆動信号出力側と電気的に接続されたエミッタを有しており、
    前記第1および第2のゲート駆動トランジスタは、各々前記バイアス抵抗と接続されたベースを有しており、
    前記第4のトランジスタは、前記第1のゲート駆動トランジスタのエミッタと電気的に接続されており、前記電流源トランジスタのベースとコレクタはそれらの間で寄生容量が生じるように接続されている、
    ことを特徴とする、電子安定回路。
  9. 前記放電ランプは高輝度放電ランプである、請求項記載の安定回路。
  10. 前記Hブリッジのローサイドに電気的に接続された抵抗と、該抵抗と電気的に接続されたコンデンサと、該コンデンサと並列に接続されたツェナダイオードを有する、請求項記載の安定回路。
  11. 電圧調整型直流電源とHブリッジが設けられており、該Hブリッジは複数のHブリッジトランジスタを有しており、該Hブリッジは前記電源と電気的に接続されており、
    該Hブリッジと接続されたランプソケットと、
    前記複数のHブリッジトランジスタのうち少なくとも1つを制御して前記Hブリッジを流れる電流を制限する手段が設けられており、
    放電ランプと直列に配置された点弧トランスが設けられており、該点弧トランスは前記複数のHブリッジトランジスタの間でHブリッジと接続されており、
    前記複数のHブリッジトランジスタは、第1のトランジスタと第2のトランジスタと第3のトランジスタと第4のトランジスタとから成り、
    前記第1のトランジスタは電源のローサイドとランプの第1の端子との間に配置されており、該ランプの対向する第2の端子は前記点弧トランスの第1の端子と電気的に接続されており、
    前記第2のトランジスタは点弧トランスの第2の端子と電源のローサイドとの間に配置されており、
    前記第3のトランジスタは電源のハイサイドと点弧トランスと第2の端子との間に配置されており、
    前記第4のトランジスタは電源のハイサイドとランプの第1の端子との間に配置されており、該第4のトランジスタは前記制御手段と電気的に接続されており、
    前記調整回路はさらに、電源のハイサイドと接続された抵抗と、該抵抗と接続されていて前記少なくとも1つのHブリッジトランジスタの1つにバイアストランジスタを供給する電流源と、前記の抵抗と電流源トランジスタの間に形成された接続部と電源のローサイドとの間に配置された素子を有しており、該素子は電源により供給される電圧が低減したときに前記抵抗からの電流を分流させ、
    前記電流源はトランジスタを有しており、
    前記少なくとも1つのHブリッジトランジスタのうちの1つはゲートをもつMOSFETであり、
    前記素子は、前記電流源トランジスタのベースと該電流源トランジスタのエミッタとの間の寄生容量である、
    ことを特徴とする、電子安定回路。
  12. ベースおよびエミッタをもつ第1のトーテムポールトランジスタと、ベースおよびエミッタをもつ第2のトーテムポールトランジスタが設けられており、前記のベースの各々は前記抵抗と接続されており、前記のエミッタの各々は前記少なくとも1つのトランジスタのうちの1つのゲートと電気的に接続されている、請求項11記載の安定回路。
  13. 高輝度放電ランプ回路の作動方法において、
    前記放電ランプに点弧電圧を供給するステップと、
    該ランプと直列に接続された複数のトランジスタにバイアス電圧を供給するステップと、
    ランプ内にアーク放電が形成されるまでランプにアーク電圧を供給するステップと、
    アーク放電が生じると、前記複数のトランジスタのうちの1つに対するバイアス電圧を調整して、該トランジスタを流れる電流を制限するステップが設けられており、
    前記点弧電圧を供給するステップにおいてアーク電圧によりキャパシタンスを充電し、
    前記のバイアス電圧調整ステップにおいてキャパシタンスの電圧を放電させ、バイアス抵抗から電流を引き出して前記バイアス電圧を低減する、
    ことを特徴とする、高輝度放電ランプ回路の作動方法。
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