放電燈點亮電路的製作方法
2023-09-16 05:01:10 2
專利名稱：放電燈點亮電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及控制HID(High Intensity Discharge，高強度放電)燈等的放電燈點亮的放電燈點亮電路。
背景技術：
例如，在車載用的HID燈中，當開始放電時，需要通過加上約20kV的短脈衝電壓引起絕緣破壞。
已有的放電燈點亮電路，內設的點火器生成高電壓的短脈衝電壓，將該短脈衝電壓加到HID燈上。
內設在已有的放電燈點亮電路中的點火器具有如下的構成。
即，當與間隙(gap)開關並聯連接的電容器的兩端電壓超過該間隙開關的接通電壓時，該間隙開關接通。
因此，通過在點火器變壓器的初級線圈中流過脈衝電流，在它的次級線圈中產生約20kV的短脈衝高電壓，在HID燈兩端的電極上加上短脈衝高電壓(例如請參照專利文獻1)。
日本特開2002-352989號專利公報(從段落號碼 到 、圖1)因為已有的放電燈點亮電路是如上那樣構成的，所以如果在HID燈上加上約20kV的高電壓(短脈衝電壓)，則能夠使HID燈開始放電。但是存在著當每次起動HID燈時，因為需要加上高電壓，所以由於電火花使HID燈的電極消耗，壽命縮短那樣的課題。
又，因為點火器的點火器變壓器具有為了產生約20kV的高電壓所需的多個繞線比，並且需要具有線間的絕緣耐壓，所以存在著妨礙小型化和降低成本那樣的課題。
進一步，為了第1次起動HID燈就能夠100％成功，需要用工作可靠性高的間隙開關，也存在著妨礙提高成品率和降低部件成本那樣的課題。
此外，因為在已有的放電燈點亮電路中，為了避免音響共鳴現象，以400Hz的低頻使燈點亮。因此，作為與燈串聯連接、產生點火電壓的元件，只能夠用能夠在低頻傳送能量的電抗器。
發明內容
本發明就是為了解決上述那樣的課題提出的，本發明的目的是得到能夠實現放電燈的長壽命化，並且能夠實現小型化和降低成本等的放電燈點亮電路。
本發明的放電燈點亮電路設置了從由逆變器升壓的交流電壓生成超過放電燈的絕緣破壞電壓的直流電壓，或者，在該直流電壓上重疊脈動成分的重疊電壓，將該直流電壓或重疊電壓加到放電燈上開始放電的點火器。
如果根據本發明，則因為具有從由逆變器升壓的交流電壓生成超過放電燈的絕緣破壞電壓的直流電壓，或者，在該直流電壓上重疊脈動成分的重疊電壓，將該直流電壓或重疊電壓加到放電燈上開始放電的構成，所以具有能夠實現小型化和降低成本等的效果。
圖1是表示本發明的實施方式1的放電燈點亮電路的構成圖。
圖2是表示HID燈的燈電阻為2MΩ時的驅動頻率和輸出對輸入的增益的說明圖。
圖3是表示加在HID燈上的電壓脈衝寬度與該HID燈的絕緣破壞電壓的關係的說明圖。
圖4是表示HID燈的燈電阻為500Ω時的驅動頻率和輸出對輸入的增益的說明圖。
圖5是表示HID燈的燈電阻為200Ω時的驅動頻率與輸出對輸入的增益的關係的說明圖。
圖6是表示電抗器Lp的效果的說明圖。
圖7是表示本發明的實施方式3的放電燈點亮電路的構成圖。
圖8是表示本發明的實施方式3中的諧振特性的說明圖。
標號說明1直流電源，2 DC-AC逆變器電路單元(逆變器)，2a、2bMOSFET，2c脈衝變壓器，3 MOSFET柵極控制電路，4電抗器Lp(第1電抗器)，5電抗器Ls(第2電抗器)，6電容器Cp(第2電容器)，7點火器電路單元(點火器)，7a電容器Cs(第1電容器)，7b電容器Cc1，7c電容器Cc2，7d電容器Cc3，7e電容器Cc4，7f電容器Cc5，7h二極體D1，7i二極體D2，7j二極體D3，7k二極體D4，7l二極體D5，7g電阻Rc，8 HID燈(放電燈)具體實施方式
實施方式1圖1是表示本發明的實施方式1的放電燈點亮電路的構成圖。在圖1中，直流電源1例如產生12V的直流電壓，負電位側與地連接。
DC-AC逆變器電路單元(逆變器)2將由直流電源1產生的直流電壓變換成交流電壓，使該交流電壓升壓。此外，DC-AC逆變器電路單元2由作為構成半橋型的開關元件的MOSFET2a、2b和繞線比例如為1∶23的脈衝變壓器2c構成。
MOSFET柵極控制電路3與HID燈8的狀態相應，控制DC-AC逆變器電路單元2中的MOSFET2a、2b的工作頻率和負載。
作為第1電抗器的電抗器4(以下稱為「電抗器Lp」)與DC-AC逆變器電路單元2中的脈衝變壓器2c的次級側並聯連接。作為第2電抗器的電抗器5(以下稱為「電抗器Ls」)，一端與電抗器Lp的一端連接。作為第2電容器的電容器6(以下稱為「電容器Cp」)，一端與電抗器Ls的另一端連接，另一端與電抗器Lp的另一端和HID燈8的另一端連接。
點火器電路單元(點火器)7用科克羅夫特-沃爾頓(コツククロフトウオルトン)電路構成，從由DC-AC逆變器電路單元2升壓的交流電壓生成超過HID燈8的絕緣破壞電壓的直流電壓，將該直流電壓加到HID燈8上開始放電。
作為第1電容器的電容器7a(以下稱為「電容器Cs」)構成點火器電路單元7的一部分，一端與電抗器Ls的另一端連接，另一端與HID燈8的一端連接。
此外，點火器電路單元7除了電容器Cs外，為了使電容器Cp的兩端電壓升壓，還由5個電容器7b、7c、7d、7e、7f(以下稱為「電容器Cc1」、「電容器Cc2」、「電容器Cc3」、「電容器Cc4」、「電容器Cc5」)、5個二極體7h、7i、7j、7k、7l(以下稱為「二極體D1」、「二極體D2」、「二極體D3」、「二極體D4」、「二極體D5」)、和1個電阻7g(以下稱為「電阻Rc」)構成。
此外，電容器Cs的電容值為3nF、電容器Cc1～Cs2的電容值為500pF，Rc的電阻值為500kΩ。
在圖1的例子中，由電抗器Lp、電抗器Ls、電容器Cp和電容器Cs構成與HID燈8的負載相應地進行諧振的諧振電路。
此外，電抗器Lp的電感值為0.25mH，電抗器Ls的電感值為0.3mH，電容器Cp的電容值為3nF。
HID燈8是當加上超過絕緣破壞電壓的電壓時，開始放電的放電燈。
下面，我們說明其工作。
MOSFET柵極控制電路3與HID燈8的狀態相應，控制DC-AC逆變器電路單元2中的MOSFET2a、2b的工作頻率和負載。
即，HID燈8，從不點亮的非點亮狀態到穩定放電狀態，與該狀態有關地改變電阻值。因此，因為需要與HID燈8的狀態相應地，變更對HID燈8的電功率輸入，所以MOSFET柵極控制電路3與HID燈8的狀態相應地控制MOSFET2a、2b。我們將在後面述說HID燈8的從開始點亮時刻到穩定放電期間的詳細工作。
DC-AC逆變器電路單元2的MOSFET2a、2b，在MOSFET柵極控制電路3的控制下，重複進行接通和斷開，將由直流電源1產生的直流電壓變換成交流電壓，並使該交流電壓升壓。
點火器電路單元7從由DC-AC逆變器電路單元2升壓的交流電壓生成超過HID燈8的絕緣破壞電壓的直流電壓，或者，在該直流電壓上重疊脈動成分的重疊電壓，將該直流電壓或重疊電壓加到HID燈8上開始放電。
這時，為了減少由DC-AC逆變器電路單元2中的脈衝變壓器2c的初級側電阻成分生成的損失，由電抗器Lp、電抗器Ls、電容器Cp和電容器Cs構成的諧振電路在MOSFET2a、2b的驅動頻率上諧振。
下面，我們順序地說明HID燈8的從開始點亮時刻到穩定放電期間的工作。
A.放電待機期間例如，當汽車駕駛員給出HID燈8的點亮指令時，通過MOSFET柵極控制電路3將柵極信號給予DC-AC逆變器電路單元2中的MOSFET2a、2b，使MOSFET2a、2b重複進行接通和斷開。
由此，將由直流電源1產生的直流電壓變換成交流電壓，在DC-AC逆變器電路單元2中的脈衝變壓器2c的次級側，產生脈衝變壓器2c的初級側的交流電壓的繞線比倍的交流電壓。
這裡，在放電待機期間，因為HID燈8的電極間具有約2MΩ的高電阻，所以成為從DC-AC逆變器電路單元2不能夠看到電容器Cs的狀態。
為此，由電抗Ls和電容器Cp構成諧振電路。
圖2是表示HID燈的燈電阻為2MΩ時的驅動頻率和輸出對輸入的增益的說明圖，如從圖2可以看到的那樣，通過將MOSFET2a、2b的工作頻率設定在諧振頻率165kHz的附近，使在脈衝變壓器2c的次級側產生的交流電壓通過諧振而升壓。
在圖1的例子中，考慮到電容器Cp的耐壓，以使電容器Cp的兩端電壓在零峰值成為2kV或其以下的方式，決定MOSFET2a、2b的工作頻率和負載(duty)。
在電容器Cp的兩端產生的±2kV的交流電壓通過點火器電路單元7在電容器Cs的兩端升壓到5倍的直流電壓10kV。因此，將在10kV的直流電壓上重疊±2kV的脈動電壓的重疊電壓加到HID燈8上。此外，加在本文中說明的HID燈8上的直流電壓也包含這種重疊電壓。
又，考慮到下列2點決定與點火器電路單元7的輸出側連接的電阻Rc的電阻值。
(1)當HID燈8起動時，因為將電容器Cc1、Cc2、Cc3的各自的兩端電壓的合計值加在電容器Cs和電阻Rc的兩端，所以從使加在電容器Cs兩端的電壓儘可能高的觀點出發，最好使電阻Rc的電阻值儘可能小。
(2)在穩定放電時，在沒有電阻Rc的情形中，當對二極體D1～D5沿順方向流過電流的電壓的極性時，在二極體D1～D5中流過電流，在HID燈8上未加上電壓。為了防止它，需要使電阻Rc具有比HID燈8的負載充分大的電阻值。
在該實施方式1中，考慮上述(1)、(2)，結果將電阻Rc的電阻值設定為500kΩ。
此外，在電容器Cs的連接處，即便代替電容器Cs，使串聯連接的電容器Cs1、Cs2、Cs3與HID燈8串聯連接，也可以在HID燈8上加上DC電位。這時，不需要電容器Cs和電阻Rc，減少了元件數量。又，因為將串聯連接的電容器Cs1、Cs2、Cs3的兩端電壓原封不動地加在HID燈8上，所以向HID燈8的電壓的施加效率好。具有這樣的優點，可以一眼就看出來，但是由於下列理由，該實施方式1所示的構成，在電路設計方面具有更大的自由度，又，也能夠減少元件的尺寸和減低元件的價格。
首先，以形成諧振電路的方式設計與HID燈8串聯連接電容器Cs的電容值，在該實施方式1中為3nF。當將3個串聯連接的電容器作成該電容值時，需要3個9nF的電容器。因此，使元件的尺寸和價格增大。又，為了在所要的時間(當過早時增加電源負擔，當過遲時使點亮的響應性惡化)建立起DC電壓，將科克羅夫特-沃爾頓電路的電容器設定在最佳值。在該實施方式1中為500pF。因此，如果要滿足諧振特性則需要使電容器Cc1、Cc2、Cc3為9nF，如果要使DC電壓的上升時間最佳則必須為500pF。要使這兩者同時成立是困難的。因此，降低了電路設計的自由度。從上述的這些情況，可以說電容器Cc和電阻Rc的構成是非常重要的問題。
B.放電起動期間圖3是表示加在HID燈8上的電壓脈衝寬度與該HID燈8的絕緣破壞電壓的關係的說明圖。
如從圖3可以看到的那樣，當電壓脈衝寬度充分長時，HID燈8的絕緣破壞電壓降低，當加在HID燈8上的電壓成為8kV或其以上時，發生絕緣破壞。
至今，因為加上電壓脈衝寬度短的脈衝電壓，所以需要加上約20kV的高電壓，存在著由電火花引起的HID燈8的電極消耗，但是在該實施方式1中，為了減輕由電火花引起的HID燈8的電極消耗，通過在HID燈8上加上電壓脈衝寬度充分長的10kV或其以下的直流電壓，引起HID燈8的絕緣破壞。
即，點火器電路單元7，當被加上由DC-AC逆變器電路單元2升壓的交流電壓時，從該交流電壓生成超過HID燈8的絕緣破壞電壓的直流電壓(10kV或其以下的直流電壓)，將該直流電壓加到HID燈8上。
C.過渡放電期間例如，金屬滷化物燈等的HID燈8，在其內部封入氙氣、汞、金屬滷化物，與從絕緣破壞後投入的能量(例如，管內壓力、溫度)有關，以氙氣、汞、金屬滷化物的順序進行放電對發光作出貢獻。
最終，金屬滷化物的蒸汽壓力充分大，達到穩定放電，但是直到達到穩定放電前，要通過放電不穩定的過渡放電期間。
為了在該過渡放電期間中放電不會在中途消失，需要在短期間不斷地給予充分的能量。
特別是，熄燈後，經過約10秒後再點亮時(稱為10秒熱條件)，放電容易消失。
在該10秒熱條件下，使放電過渡期間中的HID燈8的燈電阻約為500Ω，為了確實地持續放電，需要瞬間投入400W或其以上的能量。
圖4是表示HID燈8的燈電阻為500Ω時的驅動頻率和輸出對輸入的增益的說明圖，如從圖4可以看到的那樣，通過將MOSFET2a、2b的工作頻率設定在諧振頻率140kHz的附近，從脈衝變壓器2c的次級側得到高輸出，瞬間投入400W或其以上的能量，能夠持續放電。
D.穩定放電期間當穩定放電時，為了避免音響共鳴現象，以90kHz點亮HID燈8。
當穩定放電時，HID燈8的燈電阻約為200Ω，這時為了能夠在HID燈8的燈電阻上輸出額定電功率35W，MOSFET柵極控制電路3控制MOSFET2a、2b的負載。
圖5是表示HID燈8的燈電阻為200Ω時的驅動頻率與輸出對輸入的增益的關係的說明圖。
電抗器Ls、電容器Cp和電容器Cs與在HID燈8的燈電阻上的輸出諧振特性有關，如圖5所示，我們看到諧振點為120kHz。
因為MOSFET2a、2b的驅動頻率為90kHz，所以可以將從輸入側看的負載側的阻抗看作電容性負載。
當沒有電抗器Lp時，因為可以將負載側的阻抗看作電容性負載，所以MOSFET2a、2b接通時流過的初級側的電流峰值變大，電流有效值變大，從而在初級側的電阻成分中損失的電功率量變大。
電抗器Lp在90kHz與電抗器Ls、電容器Cp和電容器Cs的合成阻抗並聯諧振，為了減少初級側的損失地進行連接。
圖6是表示電抗器Lp的效果的說明圖。圖6表示Cp＝3nF、Cs＝3nF、Ls＝0.3mH時的電抗器Lp與由初級側電阻成分引起的損失的關係。
當Lp＝0.25mH時損失最小。即，電抗器Lp為0.25mH時，與電抗器Ls、電容器Cp和電容器Cs的合成阻抗諧振的諧振頻率與驅動頻率90kHz一致而滿足並聯諧振的條件，損失變成最小。
與直到放電待機期間→放電起動期間→過渡放電期間→穩定放電期間為止的HID燈8的燈電阻的變化一致地組合改變MOSFET2a、2b的驅動頻率和負載(duty)的時序，能夠從放電起動到穩定放電為止正常地進行工作。
這裡，我們追加說明音響共鳴現象。
通常，當使燈的點亮頻率在數kHz或其以上時，發生音響共鳴現象，產生燈的忽明忽暗、熄燈等的不適合情形。但是，即便在高頻率，也存在著不發生音響共鳴現象的特定頻率，又，通過在被驅動頻率調製等的波形下工夫，即便在高頻率也能夠正常地點亮。在該實施方式1中，能夠在90kHz點亮燈是使頻率、點亮波形的條件最佳化的結果。
又，在該實施方式1中，作為關鍵點電容器Cs，在與燈串聯連接的狀態中能夠向燈傳送能量，是因為在90kHz的高頻點亮燈。在已有例的低頻點亮中，因為不能傳送能量，所以不能使電容器Cs與燈串聯連接。因此，在已有例的低頻點亮中，不可能由DC電位進行點火。
如從上述可以看到的那樣，如果根據該實施方式1，則因為具有從由DC-AC逆變器電路單元2升壓的交流電壓生成超過HID燈8的絕緣破壞電壓的直流電壓，將該直流電壓加到HID燈8上開始放電的構成，所以與將短脈衝的高電壓加到HID燈8上的情形比較，產生能夠實現HID燈8的長壽命的效果。
又，因為為了產生短脈衝的高電壓，不需要搭載點火變壓器和間隔開關，所以產生能夠實現點火器小型化和低成本化的效果。
如果根據該實施方式1，則因為由電抗器Lp、電抗器Ls、電容器Cp和電容器Cs構成的並聯電路並聯諧振，所以產生能夠減少由DC-AC逆變器電路單元2中的脈衝變壓器2c的初級側電阻成分生成的損耗的效果。
實施方式2在上述的實施方式1中，我們舉出各元件的常數的數值進行了說明，但是如果可以進行同樣的工作，則也可以取用任何常數，這是不言而喻的。
又，在上述的實施方式1中，我們說明了HID燈8是車載用的額定35W的金屬滷化物燈，但是即便在不同定額的HID燈8中，也能夠應用本發明，這是不言而喻的。
又，我們表示了作為產生直流電壓的部件，用由科克羅夫特-沃爾頓電路構成的點火器電路單元7，但是也可以用其它方式產生直流電壓，這是不言而喻的。
實施方式3圖7是表示本發明的實施方式3的放電燈點亮電路的構成圖，因為在圖7中，用與圖1相同的標號表示相同或相當部分，所以省略對它們的說明。
作為第1電抗器的電抗器9(以下稱為「電抗器Ls1」)，一端與DC-AC逆變器電路單元2中的脈衝變壓器2c的次級側一方的輸出端連接。
作為第2電抗器的電抗器10(以下稱為「電抗器Ls2」)，一端與電容器Cp的另一端連接，另一端與HID燈8的另一端連接。
圖8是表示本發明的實施方式3中的諧振特性的說明圖，與上述實施方式1不同的部分是不用並聯諧振。即，將1mH的電抗器Ls2與HID燈8串聯連接起來。此外，電抗器Ls1＝0.3mH、電容器Cp＝3nF、電容器Cs＝3nF與上述實施方式1相同。
在HID燈8的電阻為200Ω的情形中，因為諧振頻率為80kHz，所以當以90kHz驅動MOSFET2a、2b時，DC-AC逆變器電路單元2中的脈衝變壓器2c的次級側的阻抗成為感性負載。因此，能夠減輕脈衝變壓器2c的初級側的損失。
電抗器Ls2的值大致與已有的點火器變壓器的電感相同，但是不需要耐約20kV或其以上的高電壓，因為能夠耐約10kV就可以了，所以使耐壓設計變得容易，能夠實現小型化和低成本化。
減少由DC-AC逆變器電路單元2中的脈衝變壓器2c的次級側的電阻成分產生的損失的效果與上述實施方式1的情形大致相同。
權利要求
1.一种放電燈點亮電路，其特徵在於備有將直流電壓變換成交流電壓、使該交流電壓升壓的逆變器；和從由上述逆變器升壓的交流電壓生成超過放電燈的絕緣破壞電壓的直流電壓、或者在該直流電壓上重疊了脈動成分的重疊電壓，將該直流電壓或重疊電壓加到上述放電燈上開始放電的點火器。
2.根據權利要求1所述的放電燈點亮電路，其特徵在於用科克羅夫特-沃爾頓電路構成點火器。
3.根據權利要求1所述的放電燈點亮電路，其特徵在於與放電燈的負載相應地進行諧振的諧振電路與逆變器的輸出側連接。
4.根據權利要求3所述的放電燈點亮電路，其特徵在於由與逆變器的輸出側並聯連接的第1電抗器；一端與上述第1電抗器的一端連接的第2電抗器；一端與上述第2電抗器的另一端連接、另一端與放電燈的一端連接的第1電容器；及一端與上述第2電抗器的另一端連接、另一端與上述第1電抗器的另一端和上述放電燈的另一端連接的第2電容器構成諧振電路。
5.根據權利要求3所述的放電燈點亮電路，其特徵在於由一端與逆變器的一個輸出端連接的第1電抗器；一端與上述第1電抗器的另一端連接、另一端與放電燈的一端連接的第1電容器；一端與上述第1電抗器的另一端連接、另一端與上述逆變器的另一個輸出端連接的第2電容器；及一端與上述第2電容器的另一端連接、另一端與上述放電燈的另一端連接的第2電抗器構成諧振電路。
全文摘要
本發明的目的是得到能夠實現放電燈的長壽命化，並且能夠實現小型化和降低成本等的放電燈點亮電路。具有從由DC－AC逆變器電路單元(2)升壓的交流電壓生成超過HID燈(8)的絕緣破壞電壓的直流電壓，或者，在直流電壓上重疊脈動成分的重疊電壓，將該直流電壓或重疊電壓加在HID燈(8)上開始放電的構成。因此，與將短脈衝的高電壓加到HID燈(8)上的情形比較，能夠達到使HID燈(8)長壽命的目的。
文檔編號H05B41/288GK1658732SQ20051005160
公開日2005年8月24日 申請日期2005年2月16日 優先權日2004年2月17日
發明者原田茂樹, 泉喜久夫, 巖田明彥 申請人:三菱電機株式會社