JP5416645B2 - 放電灯点灯装置および車両用前照灯装置 - Google Patents

Description

本発明は、放電灯点灯装置および車両用前照灯装置に関するものである。

従来、バッテリや交流電源を整流平滑して得られる直流電源を、放電灯が必要とする電力に変換し、放電灯を安定に点灯させるための電力制御手法として、特許文献１に記載されたものがある。これは、ランプ電圧の検出値より放電灯に供給するランプ電流の目標電流値を設定し、ランプ電流検出値との誤差演算量から、放電灯点灯回路を構成する電力変換回路の制御量を調整するものである。

また、特許文献２には、高輝度放電灯を低周波交番電力で点灯させる構成が記載されている。本例は、図１０に示すように、電力変換部１と、電力供給部２と、制御部３と、電圧検出部４と、電流検出部５とで構成され、放電灯Ｌａを点灯させるものである。

電力変換部１は、直流電源Ｅの両端間にはトランスＴの一次コイルＮ１とスイッチング素子Ｑ１との直列回路が接続されている。トランスＴ１の二次コイルＮ２の両端間にはダイオードＤ１と平滑用のコンデンサＣ１との直列回路が接続され、コンデンサＣ１の両端電圧が、電力変換部１が出力する直流電圧Ｖｏとなる。上記のように構成された電力変換部１は、フライバックコンバータを構成しており、スイッチング素子Ｑ１をオン・オフ駆動することで、所望の直流電圧Ｖｏおよび直流電流Ｉｏを出力する。

電力供給部２は、インバータ部２１と始動回路２２とで構成される。

インバータ部２１は、電力変換部１の出力端間に、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３の直列回路と、スイッチング素子Ｑ４，Ｑ５の直列回路とを接続して、フルブリッジインバータを構成している。そして、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ５とスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４を交互にオン・オフ駆動することで、直流電圧Ｖｏの極性を交互に反転させた交流電圧Ｖａｃ（交番電圧）を出力する。

始動回路２２は、パルストランスＴｐの一次コイルＮｐ１にパルス電圧を印加するパルス発生回路２２ａと、インバータ部２１の出力に直列接続されたパルストランスＴｐの二次コイルＮｐ２とで構成される。放電灯Ｌａは、パルストランスＴｐの二次コイルＮｐ２を介して、インバータ部２１の出力端間に接続されている。そして、放電灯Ｌａの始動時には、パルス発生回路２２ａが一次コイルＮｐ１にパルス電圧を印加することで、二次コイルＮｐ２に高電圧の始動電圧を発生させ、放電灯Ｌａを始動させる。始動後の放電灯Ｌａは、インバータ部２１から交流電力を供給されて、点灯状態を維持する。

制御回路３は、電流指令発生部３ａ、誤差演算部３ｂ、誤差増幅部３ｃ、ＰＷＭ信号発生部３ｄ、インバータ駆動部３ｅと、ホールド回路３ｆ，３ｇとで構成される。そして、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ５をオン・オフ制御することで、電力変換部１およびインバータ部２１の動作を制御している。

本例において、放電灯Ｌａへ供給するランプ電力の調整は、電力変換部１の出力制御によって行われる。まず、インバータ部２１は、電力変換部１の直流出力の極性を交互に反転させて放電灯Ｌａに供給しており、放電灯Ｌａを流れるランプ電流Ｉｌａは、電力変換部１が出力する直流電流Ｉｏに略等しいとみなすことができる。また、放電灯Ｌａの両端に印加されるランプ電圧Ｖｌａは、電力変換部１が出力する直流電圧Ｖｏに略等しいとみなすことができる。したがって、放電灯Ｌａを流れるランプ電流Ｉｌａ、放電灯Ｌａの両端に印加されるランプ電圧Ｖｌａは、電力変換部１が出力する直流電流Ｉｏ、直流電圧Ｖｏにて等価的に検出することができる。図１０では、電圧検出部４が直流電圧Ｖｏを検出し、電流検出部５が直流電流Ｉｏを検出して、各検出値を制御回路３へ出力する。

そして、電流指令発生部３ａには、本放電灯点灯装置に設けた調光操作手段（図示無し）や、外部の調光コントローラ（図示無し）から、設定された調光レベルに対応して放電灯Ｌａにて消費されるランプ電力を指示するランプ電力指令値が入力される。電流指令発生部３ａは、このランプ電力指令値を直流電圧Ｖｏの検出値で除することで、直流電流Ｉｏの目標値（直流電流目標値）を算出する。そして、誤差演算部３ｂは、直流電流Ｉｏの検出値と直流電流目標値との誤差を導出し、誤差増幅器３ｃは、この誤差を増幅する。ＰＷＭ信号発生部３ｄは、誤差増幅器３ｃの出力に基づいて、直流電流Ｉｏが直流電流目標値に一致する方向に変化するＰＷＭ信号を生成し、当該ＰＷＭ信号でスイッチング素子Ｑ１のオン・オフを制御する。すなわち、ＰＷＭ信号によって、スイッチング素子Ｑ１のスイッチング周波数やデューティ比等のスイッチング条件を調整し、直流電流Ｉｏをフィードバック制御している。

また、インバータ駆動部２ｅは、インバータ部２１のスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５をオン・オフ制御して、インバータ部２１が出力する交流電圧Ｖａｃの周波数を制御している。スイッチング素子Ｑ２，Ｑ５とスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４とは交互にオン・オフ駆動され、インバータ部２１が出力する交流電圧Ｖａｃ、交流電流Ｉａｃの各波形は、図１１（ａ）（ｂ）に示すように極性が交互に反転している。

ここで、以降の説明では、電圧検出部４および電流検出部５による直流電圧Ｖｏおよび直流電流Ｉｏの検出点から放電灯Ｌａに至る経路を出力経路と称する。

まず、始動回路２２は始動用の高電圧を発生する機能を有しており、インバータ部２１以降の出力経路に設けたトランスやインダクタ等のインダクタンス要素に高電圧を発生させて、放電灯Ｌａに印加することで始動させている。

しかし、出力経路には、始動回路２２に含まれるパルストランスＴｐ等のインダクタンス成分が存在している。このため、電力変換部１が出力する直流電圧Ｖｏおよび直流電流Ｉｏには、図１１（ｃ）（ｄ）に示すように、インバータ部２１の出力が極性反転する度に不連続部が存在している。直流電圧Ｖｏは、出力経路のインダクタンス成分によるオーバシュートが、インバータ部２１の出力反転毎に発生し、このオーバシュート発生時の直流電流Ｉｏは、一時的に落ち込んでいる。これは、出力経路のインダクタンス成分に蓄積された磁気エネルギーが、極性反転毎に直流電圧Ｖｏ側に回生されるためである。同時に、出力経路へ電力が供給され続けるため、オーバシュートはより大きくなる。

制御部３は、直流電流Ｉｏ、直流電圧Ｖｏの各検出値を、等価的にランプ電流Ｉｌａ、ランプ電圧Ｖｌａとみなしている。したがって、上記直流電流Ｉｏ、直流電圧Ｖｏの不連続部は、ランプ電力の検出精度を低下させ、電力変換部１の出力を必要以上に増加させたり、逆に出力を必要以上に低下させる虞があり、消灯の原因にもなり得る。ランプ電流Ｉｌａが小さいときは回生エネルギーも小さく、ランプ電力の検出精度への影響も小さいが、ランプ電圧が低いときにランプ電流Ｉｌａを増加させた場合には、ランプ電力の検出精度への影響を無視できなくなる。出力経路のインダクタンス成分が大きいほど、またインバータ部２１ｂの出力周波数が高いほど、この影響は大きくなる。

そこで、本例では、インバータ部２１の出力反転時に、直流電圧Ｖｏおよび直流電流Ｉｏの各検出値を出力反転前の値に保持しておくホールド回路２ｆ，２ｇを備えることで、不連続な検出値を用いることなく、出力制御の安定化を図っている。

ところで、電圧検出部４および電流検出部５の電圧検出点および電流検出点から放電灯Ｌａに至る出力経路には、導体抵抗等の抵抗成分が存在する。

そして、電力変換部１が出力する直流電圧Ｖｏを等価的にランプ電圧Ｖｌａとみなす場合、直流電圧Ｖｏは、放電灯Ｌａに実際に印加されているランプ電圧Ｖｌａに対して、出力経路の抵抗成分による電圧降下分、高くなっている。すなわち、出力経路の抵抗成分による電圧降下によって、直流電圧Ｖｏは実際のランプ電圧Ｖｌａより高くなる。したがって、直流電圧Ｖｏを用いて導出された直流電流目標値は、実際に必要な値より低くなり、ランプ電力が不足して、所望の光出力を得ることができない要因となる。

また、ＨＩＤランプでは、低温度時の光出力が小さいため、ランプ温度を早く上昇させて光出力を増加させるために、定格電力より大きいランプ電力を供給する場合がある。このような場合、ランプ電流が定常時に比べて非常に大きくなるので、出力経路での電圧降下がさらに大きくなる。したがって、検出した直流電圧Ｖｏと実際のランプ電圧Ｖｌａとの誤差がさらに大きくなり、所望のランプ電力を供給できなくなる。

そこで、特許文献３，４では、出力経路の抵抗成分による電圧降下分を直流電圧Ｖｏから減算してランプ電圧Ｖｌａを推定しており、直流電圧Ｖｏの検出値を実際のランプ電圧Ｖｌａに近付くように補正している。

特開平０８−００８０８７号公報 特開平０９−００７７８４号公報 特開２０００−３５７５９６号公報 特開２００５−１００９４８号公報

上記図１０の回路構成において、インバータ部２１が出力する交流出力の基本周波数を考えた場合に、各部の電流および電圧をベクトル図で表すと図１２のようになる。ランプ電圧Ｖｌａはランプ電流Ｉｌａと同相になる。一方、インバータ部２１が出力する交流電圧Ｖａｃは、出力経路のインダクタンス成分によって、ランプ電流Ｉｌａに対して位相角θ進んだ電圧となる。さらに、電力変換部１が出力する直流電圧Ｖｏの大きさを、交流電圧Ｖａｃと同相に配置する。

本来、出力経路の抵抗成分による電圧降下Ｖｄは、ランプ電流Ｉｌａと同相である。しかし、上記従来技術では、電力変換部１が出力する直流電圧Ｖｏから電圧降下Ｖｄを減ずることによって、ランプ電圧の推定値Ｖｌａ’（推定ランプ電圧Ｖｌａ’）を導出するため、推定ランプ電圧Ｖｌａ’は、実際のランプ電圧Ｖｌａよりα高い値となる。したがって、この推定ランプ電圧Ｖｌａ’に基づいて直流電流目標値を導出すると、ランプ電流が実際に必要な値より低くなり、ランプ電力が不足して、所望の光出力を得ることができない。

この現象は、ランプ電流Ｉｌａが大きく、また等価的なランプインピーダンスが、出力経路のインダクタンス成分によるリアクタンスに近いほど、ランプ電力指令値と実際のランプ電力との間に発生する誤差が大きくなる。さらに、出力経路のインダクタンス成分が大きいほど、またインバータ部２１ｂの交流出力の周波数が高いほど、この誤差は大きくなる。

すなわち、交流点灯する放電灯Ｌａのランプ電力を、電力変換部１の直流出力を制御することで調整する放電灯点灯装置では、出力経路のインダクタンス等のリアクタンス成分による誤差のため、ランプ電圧を精度よく推定することができなかった。而して、ランプ電力を精度よく調整することが困難であった。

本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、直流電力を制御することでランプ電力を調整する場合に、出力経路のリアクタンス成分の影響による誤差を抑制して、ランプ電力を精度よく調整できる放電灯点灯装置および車両用前照灯装置を提供することにある。

本発明の放電灯点灯装置は、入力を所望の直流電力に変換する電力変換部と、前記電力変換部が出力する直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力をランプに供給する電力供給部と、ランプにおいて消費されるランプ電力の指令値であるランプ電力指令値に基づいて、前記電力変換部が出力する直流電力の目標値を決定し、前記電力変換部が出力する直流電力を当該目標値に一致させる制御部とを備え、前記制御部は、前記電力変換部から前記電力供給部を介してランプに至る電力供給のための出力経路の抵抗成分によって生じる電力損失と、前記出力経路のリアクタンス成分によって生じる前記電力供給部の出力電力の無効成分とを用いたベクトル演算によって、前記目標値を補正し、前記ランプ電力を前記ランプ電力指令値に一致させることを特徴とする。

この発明において、前記制御部は、前記電力変換部の出力電圧に対して、前記出力経路の抵抗成分によって生じる電圧降下と、前記出力経路のリアクタンス成分によって生じる前記電力供給部の出力電圧の無効成分とを用いたベクトル演算を適用することによって、ランプに印加されているランプ電圧を算出し、前記ランプ電力指令値を当該ランプ電圧で除することで、前記電力変換部が出力する直流電流の目標値を決定し、前記電力変換部が出力する直流電流を当該目標値に一致させることが好ましい。

この発明において、前記電力変換部の出力電圧Ｖｏ、前記電力変換部の出力電流Ｉｏ、前記出力経路の抵抗成分によって生じる電圧降下Ｖｄ、前記出力経路のリアクタンス成分Ｘｃとした場合、前記制御部は、下記式（１）に基づくベクトル演算によってランプ電圧Ｖｌａを算出することが好ましい。

Ｖｌａ＝Ｖｏ×ｃｏｓ｛ｓｉｎ^−１（Ｉｏ×Ｘｃ／Ｖｏ）｝−Ｖｄ … （１）
この発明において、前記電力変換部の出力電圧Ｖｏ、前記電力変換部の出力電流Ｉｏ、前記出力経路の抵抗成分によって生じる電圧降下Ｖｄ、前記出力経路のリアクタンス成分Ｘｃとした場合、前記制御部は、下記式（２）に基づくベクトル演算によってランプ電圧Ｖｌａを算出することが好ましい。

Ｖｌａ＝Ｖｏ−（Ｉｏ×Ｘｃ）^２／（２×Ｖｏ）−Ｖｄ … （２）
この発明において、前記制御部は、前記ランプ電力指令値に対して、前記出力経路の抵抗成分によって生じる電力損失と、前記出力経路のリアクタンス成分によって生じる前記電力供給部の出力電力の無効成分とを用いたベクトル演算を適用することによって、前記ランプ電力指令値を補正し、当該補正後のランプ電力指令値を前記電力変換部の出力電圧で除することで、前記電力変換部が出力する直流電流の目標値を決定し、前記電力変換部が出力する直流電流を当該目標値に一致させることが好ましい。

この発明において、前記ランプ電力指令値Ｗｌａ、前記電力変換部の出力電流Ｉｏ、前記出力経路のリアクタンス成分Ｘｃ、前記出力経路の抵抗成分によって生じる電力損失Ｗｌｏｓｓとした場合、前記制御部は、下記式（３）に基づくベクトル演算によって補正後のランプ電力指令値Ｗｏを算出することが好ましい。

Ｗｏ＝√｛（Ｗｌａ＋Ｗｌｏｓｓ）^２＋（Ｉｏ^２×Ｘｃ）^２｝ … （３）
この発明において、前記制御部は、前記電力変換部の出力電流に基づいて、前記出力経路のリアクタンス成分を算出する関数部を備えることが好ましい。

この発明において、前記制御部は、前記電力変換部の出力電流が閾値以下である場合、前記出力経路のリアクタンス成分によって生じる前記電力供給部の出力電力の無効成分を、前記ベクトル演算に用いないことが好ましい。

この発明において、前記電力供給部は、前記電力変換部が出力する直流電圧の極性を交互に反転させた交番電圧を発生するインバータ部と、ランプを始動させるための始動電圧を発生させる始動回路とで構成されることが好ましい。

この発明において、前記制御部は、前記ランプ電力指令値に基づいて、前記電力変換部が出力する直流電流の目標値を決定し、前記電力変換部が出力する直流電流を当該目標値に一致させることが好ましい。

本発明の車両用前照灯装置は、車両の前照灯に用いるランプと、当該ランプを点灯させる放電灯点灯装置とを備え、前記放電灯点灯装置は、入力を所望の直流電力に変換する電力変換部と、前記電力変換部が出力する直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力をランプに供給する電力供給部と、ランプにおいて消費されるランプ電力の指令値であるランプ電力指令値に基づいて、前記電力変換部が出力する直流電力の目標値を決定し、前記電力変換部が出力する直流電力を当該目標値に一致させる制御部とを備え、前記制御部は、前記電力変換部から前記電力供給部を介してランプに至る電力供給のための出力経路の抵抗成分によって生じる電力損失と、前記出力経路のリアクタンス成分によって生じる前記電力供給部の出力電力の無効成分とを用いたベクトル演算によって、前記目標値を補正し、前記ランプ電力を前記ランプ電力指令値に一致させることを特徴とする。

以上説明したように、本発明では、直流電力を制御することでランプ電力を調整する場合に、出力経路のリアクタンス成分の影響による誤差を抑制して、ランプ電力を精度よく調整することができるという効果がある。

実施形態１の放電灯点灯装置の構成を示す回路図である。 同上の各電圧を示すベクトル図である。 同上の放電灯点灯装置の別構成を示す回路図である。 実施形態２のベクトル演算部の構成を示すブロック図である。 実施形態３のベクトル演算部の構成を示すブロック図である。 実施形態４の放電灯点灯装置の各電圧を示すベクトル図である。 同上の電流指令発生部の構成を示すブロック図である。 実施形態６の照明装置を示す構成図である。 同上の照明装置を用いた車両用前照灯装置を示す構成図である。 従来の放電灯点灯装置の構成を示す回路図である。 （ａ）〜（ｄ）同上の各部の波形を示す波形図である。 同上の各電圧を示すベクトル図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（実施形態１）
図１は、本実施形態の放電灯点灯装置の構成を示し、図１０に示す背景技術の制御部３に、ベクトル演算部６を付加したものである。なお、図１０と同様の構成には同一の符号を付して説明は省略する。

従来の電流指令発生部３ａは、直流電圧Ｖｏの検出値から出力経路の抵抗成分による電圧降下Ｖｄのみを減じて推定ランプ電圧を導出し、ランプ電力指令値をこの推定ランプ電圧で除することで、直流電流目標値を算出している。しかし、インバータ部２１が出力する交流電圧Ｖａｃは、出力経路のリアクタンス成分によって、ランプ電圧Ｖｌａに対して位相がずれる。したがって、電力変換部１が出力する直流電圧Ｖｏから、出力経路の抵抗成分による電圧降下Ｖｄのみを減じて導出した推定ランプ電圧は、実際のランプ電圧Ｖｌａとの誤差が大きいものになる。而して、ランプ電力指令値に基づいて生成される直流電流目標値の精度は低かった。

そこで本実施形態では、ベクトル演算部６が、出力経路の抵抗成分Ｒｃだけでなく、出力経路のリアクタンス成分Ｘｃも併せて考慮して、直流電圧Ｖｏの検出値を補正し、推定ランプ電圧として出力する。まず、インバータ部２１が出力する交流電圧Ｖａｃは、出力経路のリアクタンス成分Ｘｃによって、ランプ電圧Ｖｌａ（ランプ電流Ｉｌａ）に対して位相がずれる。以下、リアクタンス成分Ｘｃとして、始動回路２２に含まれるパルストランスＴｐ等のインダクタンス成分が支配的であり、交流電圧Ｖａｃはランプ電圧Ｖｌａに対して位相が進むものとして説明する。

まず、インバータ部２１が出力する交流電圧Ｖａｃは、出力経路のリアクタンス成分Ｘｃによって、ランプ電圧Ｖｌａに対して位相が９０度進んだ無効成分Ｖｃを含んでいる。さらに、出力経路の抵抗成分Ｒｃによって、ランプ電圧Ｖｌａと同相の電圧降下Ｖｄが発生している。

そして、電力変換部１が出力する直流電圧Ｖｏの大きさを、交流電圧Ｖａｃと同相に配置した場合、図２に示すように、実際のランプ電圧Ｖｌａに電圧降下Ｖｄを加算した値に、無効成分Ｖｃをベクトル合成した結果が、直流電圧Ｖｏとなる。すなわちベクトル演算部６は、直流電圧Ｖｏの検出値に、無効成分Ｖｃと電圧降下Ｖｄとをベクトル合成すれば、ランプ電圧Ｖｌａを精度よく推定できることになる。

具体的に、ベクトル演算部６は、式［数１］を用いてランプ電圧Ｖｌａの推定値を算出している。

出力経路のリアクタンス成分Ｘｃは、始動回路２２のパルストランスＴｐや図示しないフィルタ等のインダクタンス成分Ｌｃと、インバータ部２１の出力周波数ｆｓより、Ｘｃ＝２・π・ｆｓ・Ｌｃで求められる。

電圧降下Ｖｄは、始動回路２２のパルストランスＴｐ等を含む出力経路の抵抗成分Ｒｃによる電圧降下や、スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５における電圧降下の総和となる。スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５がＭＯＳＦＥＴの場合、オン抵抗によって直流電流Ｉｏに比例した電圧降下Ｖｄが生じる。また、スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５がバイポーラトランジスタやＩＧＢＴの場合、オン抵抗によって直流電流Ｉｏに比例した電圧に所定のオフセット電圧Ｖｏｆｆを加算した電圧降下Ｖｄが生じる。したがって、電圧降下Ｖｄは、Ｖｄ＝Ｉｏ・Ｒｃ＋Ｖｏｆｆで求められる。

ベクトル演算部６は、上記のように求められた出力経路のリアクタンス成分Ｘｃと電圧降下Ｖｄとを用いて、式［数１］にしたがってランプ電圧Ｖｌａを算出する。

このように求められた推定ランプ電圧は、出力経路の電圧降下Ｖｄだけでなく、出力経路におけるリアクタンス成分Ｘｃによる電圧の無効成分も考慮しており、実際のランプ電圧に対して精度のよい値となる。そして、電流指令発生部３ａは、ランプ電力指令値をこの推定ランプ電圧で除することで、直流電流目標値を精度よく算出できる。すなわち、直流電流目標値（直流電力の目標値）は、出力経路の抵抗成分Ｒｃによって生じる電圧降下Ｖｄと、出力経路のリアクタンス成分Ｘｃによって生じる無効成分とを用いたベクトル演算によって補正されている。而して、ランプ電力指令値に対する直流電流目標値の精度を向上させることができる。

そして、誤差演算部３ｂは、直流電流Ｉｏの検出値と直流電流目標値との誤差を導出し、誤差増幅器３ｃは、この誤差を増幅する。ＰＷＭ信号発生部３ｄは、誤差増幅器３ｃの出力に基づいて、直流電流Ｉｏが直流電流目標値に一致する方向に変化するＰＷＭ信号を生成し、当該ＰＷＭ信号でスイッチング素子Ｑ１のオン・オフを制御する。すなわち、ＰＷＭ信号によって、スイッチング素子Ｑ１のスイッチング周波数やデューティ比等のスイッチング条件を調整し、直流電流Ｉｏをフィードバック制御している。

したがって、交流点灯する放電灯Ｌａのランプ電力を、電力変換部１の直流出力を制御することで調整する放電灯点灯装置において、出力経路のリアクタンス成分の影響による誤差を抑制して、ランプ電力を精度よく調整できる。

また、図１の構成では、ベクトル演算部６が［数１］によるベクトル演算を行う際に、直流電流Ｉｏの検出値を用いている。しかし、ベクトル演算部６は、図３に示すように、電流指令発生部３ａが出力する直流電流目標値を、直流電流Ｉｏとして［数１］に適用してもよい。この構成は、例えば誤差演算部３ｂが電流検出部５の出力端から直流電流Ｉｏの検出値を直接取得する回路構成のように、ベクトル演算部６が直流電流Ｉｏの検出値を得ることができない回路構成の場合に有効である。

また、ベクトル演算部６は、インバータ部２１が出力する交流電圧Ｖａｃ、交流電流Ｉａｃの各検出値を用いて、ランプ電圧Ｖｌａを推定してもよい。この場合、ベクトル演算部６は、式［数２］を用いてランプ電圧Ｖｌａの推定値を算出する。

この場合、交流電圧Ｖａｃ、交流電流Ｉａｃの検出点以降を出力経路として考えるため、リアクタンス成分Ｘｃは、主として始動回路２２におけるリアクタンスとなり、電圧降下Ｖｄは、主として始動回路２２の抵抗分による電圧降下となる。

（実施形態２）
実施形態１の放電灯点灯装置のベクトル演算部６は、［数１］のベクトル演算を行う際に、逆正弦関数と余弦関数とを用いた計算を行うため、複雑な演算処理が必要となる。

ここで、逆正弦関数ｓｉｎ^−１φ、余弦関数ｃｏｓδをフーリエ級数展開すると、
ｓｉｎ^−１φ＝φ＋（１／２）・（φ^３／３）＋（１／２）・（３／４）・（φ^５／５）＋…
ｃｏｓδ＝１−δ^２／２！＋δ^４／４！−δ^６／６！＋…
となる。

インバータ部２１が出力する交流電圧Ｖａｃとランプ電圧Ｖｌａとの間の位相角θが大きくないとし、ｓｉｎ^−１φ＝φ、ｃｏｓδ＝１−δ^２／２とすれば、
ｃｏｓ（ｓｉｎ^−１φ）＝１−φ^２／２
と近似でき、［数１］は、［数３］のような近似演算式として表すことができる。

したがって、ベクトル演算部６は、図４に示す回路構成で実現可能になる。図４に示すベクトル演算部６は、ゲイン回路６ａによって、直流電流Ｉｏの検出値に出力経路のリアクタンス成分Ｘｃを掛け、ゲイン回路６ａの出力を乗算器６ｂで二乗する。また、ゲイン回路６ｃによって、直流電圧Ｖｏを２倍する。そして除算部６ｄは、乗算器６ｂの出力［（Ｉｏ×Ｘｃ）^２］をゲイン回路６ｃの出力［２×Ｖｏ］で除算する。また、ゲイン回路６ｅによって、直流電流Ｉｏに出力経路の抵抗分Ｒｃを掛け、加算器６ｆによって、ゲイン回路６ｅの出力にオフセット電圧Ｖｏｆｆを加算する。すなわち、ゲイン回路６ｅと加算器６ｆとで、電圧降下Ｖｄ（＝Ｉｏ・Ｒｃ＋Ｖｏｆｆ）を算出する有効分生成部６ｇとして動作する。

そして、加算器６ｈによって、出力電圧Ｖｏの検出値から、除算部６ｄの出力［（Ｉｏ×Ｘｃ）^２／（２×Ｖｏ）］と、加算器６ｆの出力［Ｖｄ（＝Ｉｏ・Ｒｃ＋Ｖｏｆｆ）］とを減算し、加算器６ｈの演算結果を推定ランプ電圧とする。

このようにベクトル演算部６は、［数３］の近似演算式を用いることで、回路構成を簡略化できる。

なお、他の構成は実施形態１と同様であり、説明は省略する。

（実施形態３）
実施形態１，２の放電灯点灯装置において、出力経路におけるリアクタンス成分Ｘｃは、始動回路２２のパルストランスＴｐや図示しないフィルタ等のインダクタンス成分Ｌｃと、インバータ部２１の出力周波数ｆｓより、Ｘｃ＝２・π・ｆｓ・Ｌｃで求めている。すなわち、リアクタンス成分Ｘｃを固定値として扱っている。しかし、素子特性によっては、当該素子に流れる電流の値によって磁気飽和が発生し、インダクタンス成分Ｌｃが変化する場合がある。

そこで、図５に示す本実施形態のベクトル演算部６は、実施形態２の構成に無効分生成部６ｋを設けて、電流値によって変化するインダクタンス成分Ｌｃを含むリアクタンス成分Ｘｃに対応している。なお、実施形態２と同様の構成には同一の符号を付して説明は省略する。

まず、無効分生成部６ｋは、関数部６ｉと乗算器６ｊとで構成されており、関数部６ｉは、出力電流Ｉｏの検出値と出力経路におけるリアクタンス成分Ｘｃとの関係を表す関数を保持している。そして、出力電流Ｉｏの検出値を入力とし、当該出力電流Ｉｏの検出値を関数に適用してリアクタンス成分Ｘｃの値を出力する。したがって、出力電流Ｉｏの値に応じてリアクタンス成分Ｘｃが変化する場合でも、関数部６ｉが出力するリアクタンス成分Ｘｃの値は、実際の値に対して精度が高いものとなる。

そして、乗算器６ｊは、関数部６ｉが出力するリアクタンス成分Ｘｃの値を直流電流Ｉｏの検出値に掛け、乗算器６ｂが、乗算器６ｊの出力を二乗する。また、ゲイン回路６ｃによって、直流電圧Ｖｏを２倍する。そして除算部６ｄは、乗算器６ｂの出力［（Ｉｏ×Ｘｃ）^２］をゲイン回路６ｃの出力［２×Ｖｏ］で除算する。また、有効分生成部６ｇでは、ゲイン回路６ｅが、直流電流Ｉｏに出力経路の抵抗分Ｒｃを掛け、加算器６ｆが、ゲイン回路６ｅの出力にオフセット電圧Ｖｏｆｆを加算する。すなわち、ゲイン回路６ｅと加算器６ｆとで、電圧降下Ｖｄ（＝Ｉｏ・Ｒｃ＋Ｖｏｆｆ）を算出する有効分生成部６ｇとして動作する。

そして、加算器６ｈによって、出力電圧Ｖｏの検出値から、除算部６ｄの出力［（Ｉｏ×Ｘｃ）^２／（２×Ｖｏ）］と、加算器６ｆの出力［Ｖｄ＝（Ｉｏ・Ｒｃ＋Ｖｏｆｆ）］とを減算し、加算器６ｈの演算結果を推定ランプ電圧とする。

また、リアクタンス成分Ｘｃは、インバータ部２１の出力周波数ｆｓに比例するため、出力周波数ｆｓが変化する場合、出力周波数ｆｓとリアクタンス成分Ｘｃとの関係を表す関数を保持した関数部を新たに設けてもよい。

（実施形態４）
実施形態１乃至３の放電灯点灯装置では、電流指令発生部３ａが、ランプ電力指令値を推定ランプ電圧で除することで、直流電流Ｉｏの目標値（直流電流目標値）を算出している。そして、推定ランプ電圧は、出力経路の電圧降下Ｖｄだけでなく、出力経路におけるリアクタンス成分Ｘｃによる電圧の無効成分も考慮して推定されている。

しかし、本実施形態の放電灯点灯装置は、出力経路の抵抗分Ｒｃによる電力損失と、インバータ部２１が出力しなければならない無効電力とを用いたベクトル演算によって、ランプ電力指令値Ｗｌａを補正して、補正後のランプ電力指令値Ｗｏを生成する。ここで、補正前のランプ電力指令値Ｗｌａは、放電灯Ｌａにて実消費されるランプ電力を指示する。

まず、インバータ部２１が出力する交流電力Ｗａｃは、出力経路のリアクタンス成分Ｘｃによって、ランプ電力Ｗｌａに対して位相が９０度進んだ無効成分Ｗｃを含んでいる。さらに、出力経路の抵抗成分Ｒｃによって、電力損失Ｗｌｏｓｓが発生している。

そして、図６に示すように、補正前のランプ電力指令値Ｗｌａは、ランプ電流Ｉｌａと同相になる。出力経路の抵抗成分Ｒｃによって発生する電力損失Ｗｌｏｓｓは、ランプ電力指令値Ｗｌａと同相になる。出力経路のリアクタンス成分Ｘｃによって発生する無効電力Ｗｃは、ランプ電流Ｉｌａに対して位相が９０度進み、その大きさはＩｌａ^２×Ｘｃとなる。

ここで、電力変換部１が電力供給部２を含む出力経路を介して放電灯Ｌａへ供給すべき電力Ｗｏ（すなわち、補正後のランプ電力指令値Ｗｏ）の大きさを、インバータ部２１が出力する交流電力Ｗａｃと同相に配置する。すると、補正後のランプ電力指令値Ｗｏは、ランプ電力指令値Ｗｌａに、電力損失Ｗｌｏｓｓと無効電力Ｗｃとをベクトル合成して導出される。

そして、ランプ電流Ｉｌａが直流電流Ｉｏと等価であるとみなすと、式［数４］を用いて補正後のランプ電力指令値Ｗｏを算出することができる。すなわち、式［数４］では、無効電力Ｗｃ＝Ｉｏ^２×Ｘｃで表される。

そして、電流指令発生部３ａは、式［数４］を用いて求めたランプ電力指令値Ｗｏを、直流電圧Ｖｏの検出値で除することで、直流電流目標値を精度よく算出できる。すなわち、直流電流目標値（直流電力の目標値）は、出力経路の抵抗成分Ｒｃによって生じる電力損失Ｗｌｏｓｓと、出力経路のリアクタンス成分Ｘｃによって生じる無効電力Ｗｃとを用いたベクトル演算によって補正されている。而して、ランプ電力指令値に対する直流電流目標値の精度を向上させることができる。

具体的に、本実施形態の放電灯点灯装置は図１０の構成を備えており、制御回路部３の電流指令発生部３ａの構成を図７に示す。

電流指令発生部３ａは、電力指令発生部３１と、ベクトル演算部３２と、除算部３３とで構成される。電力指令発生部３１は、本放電灯点灯装置に設けた調光操作手段（図示無し）や、外部の調光コントローラ（図示無し）から、放電灯Ｌａにて実消費されるランプ電力を指示するランプ電力指令値Ｗｌａが入力され、ベクトル演算部３２へ出力する。

ベクトル演算部３２は、ランプ電力指令値Ｗｌａと、電流指令発生部３ａが出力する直流電流目標値（直流電流Ｉｏとみなす）とを入力される。さらには出力経路の電力損失Ｗｌｏｓｓおよびリアクタンス成分Ｘｃの各値を予め保持しており、式［数４］にしたがってランプ電力指令値Ｗｏを算出する。

除算部３３は、ベクトル演算部３２が出力するランプ電力指令値Ｗｌａを、直流電圧Ｖｏの検出値で除算し、当該除算結果を直流電流目標値として出力する。

また、図７の構成では、直流電流目標値を直流電流Ｉｏとして用いているが、直流電流Ｉｏの検出値を用いてもよい。

（実施形態５）
実施形態１乃至４において、出力経路には、始動回路２２に含まれるパルストランスＴｐ等のインダクタンス成分が存在している。このため、電力変換部１が出力する直流電圧Ｖｏおよび直流電流Ｉｏには、図１１（ｃ）（ｄ）に示すように、インバータ部２１の出力が極性反転する度に不連続部が存在している。直流電圧Ｖｏは、出力経路のインダクタンス成分によるオーバシュートが、インバータ部２１の出力反転毎に発生し、このオーバシュート発生時の直流電流Ｉｏは、一時的に落ち込んでいる。

そして、出力経路のリアクタンス成分Ｘｃは、直流電圧Ｖｏのオーバシュート等の不連続部の大きさおよび継続時間に影響を及ぼす。しかし、直流電流Ｉｏが小さく、オーバシュート等の不連続部の継続時間が、ホールド回路２ｆ，２ｇのホールド時間に比べて十分短い場合、出力経路のリアクタンス成分Ｘｃの影響は非常に小さくなる。

したがって、制御部３は、放電灯Ｌａの点灯後、ランプ温度が上昇して定常状態に近付き、直流電流Ｉｏが、ランプ電流の定格値近傍の閾値以下になった場合、以下の動作を行ってもよい。

実施形態１乃至３のベクトル演算部６は、出力経路のリアクタンス成分Ｘｃによる電圧の無効成分Ｖｃを考慮せずに、式［数１］〜［数３］のベクトル合成演算を行う。また、実施形態４のベクトル演算部３２は、出力経路のリアクタンス成分Ｘｃによる無効電力Ｗｃを考慮せずに、式［数４］のベクトル合成演算を行う。すなわち、出力経路の抵抗成分Ｒｃによって生じる電圧降下Ｖｄまたは電力損失Ｗｌｏｓｓのみを考慮して、ベクトル合成演算を行う。

また、点灯後の経過時間を計測し、当該経過時間が所定時間を超えた場合に、定常点灯状態となって、直流電流Ｉｏが閾値以下になったものと判断し、実施形態１乃至３のベクトル演算部６は上記動作を行ってもよい。なお、直流電流Ｉｏが閾値以下になったことを検出する手段は、上記方法に限定されない。

また、直流電流Ｉｏが閾値以下になった場合、式［数１］〜［数３］における無効成分Ｖｃの寄与度、式［数４］における無効電力Ｗｃの寄与度を徐々に減らす機能を有してもよい。

このように、上記実施形態１乃至４の放電灯点灯装置は、出力経路の抵抗成分Ｒｃによって生じる電力損失と、出力経路のリアクタンス成分Ｘｃによって生じる無効電力とを用いたベクトル演算によって、直流電流目標値（直流電力の目標値とみなすことができる）を補正することを特徴としている。そして、放電灯Ｌａにて実消費されるランプ電力を指示するランプ電力指令値に対する直流電流目標値の精度を向上させており、放電灯Ｌａの実ランプ電力を精度よく制御できるものである。この概念を実現可能な構成であれば、上記の各実施形態の構成に限定されるものではない。

また、制御部３の少なくとも一部にマイクロコンピュータを用いて構成してもよく、Ａ／Ｄ変換手段によって、直流電圧Ｖｏ、直流電流Ｉｏの各検出値をデジタル変換し、マイクロコンピュータがベクトル演算を行ってもよい。

また、制御部３の少なくとも一部を構成するマイクロコンピュータがインバータ部２１の極性反転制御を行う場合、制御部３とは別体に設けたホールド回路３ｆ，３ｇは削除可能となる。すなわち、ホールド時間に相当する間は、マイクロコンピュータが、スイッチング素子Ｑ１のスイッチング条件を固定したり、直流電圧Ｖｏおよび直流電流Ｉｏの各検出値を出力反転前の値に保持しておくことで、ホールド機能を実現できる。

（実施形態６）
図８は、実施形態１乃至５いずれかの放電灯点灯装置Ａを灯具１００内に組み込んだ照明装置Ｂの構成を示す。照明装置Ｂの灯具１００内では、放電灯Ｌａがソケット１０１に装着されており、放電灯Ｌａの周囲には反射板１０２が設けられている。ソケット１０１は、灯具１００の下面に取り付けられた放電灯点灯装置Ａの出力に配線１０３を介して接続しており、放電灯Ｌａは、放電灯点灯装置Ａからソケット１０１を通して交流電力を供給され、点灯する。

放電灯点灯装置Ａの入力端子には、ヒューズ１１１と電源スイッチ１１２とを介して、バッテリＥが接続されている。ヒューズ１１１は過電流保護に用いられ、電源スイッチ１１２をオン・オフすることで、点灯装置Ａへの入力が導通・遮断されて、放電灯Ｌａの点灯・消灯を切り替える。

この照明装置Ｂは、図９に示す車両Ｃに搭載して、車両用前照灯装置として用いてもよく、この場合、放電灯Ｌａが前照灯として機能する。

１ 電力変換部
２ 電力供給部
２１ インバータ部
２２ 始動回路
３ 制御部
６ ベクトル演算部
Ｌａ 放電灯

Claims (11)

1. 入力を所望の直流電力に変換する電力変換部と、
   前記電力変換部が出力する直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力をランプに供給する電力供給部と、
   ランプにおいて消費されるランプ電力の指令値であるランプ電力指令値に基づいて、前記電力変換部が出力する直流電力の目標値を決定し、前記電力変換部が出力する直流電力を当該目標値に一致させる制御部とを備え、
   前記制御部は、前記電力変換部から前記電力供給部を介してランプに至る電力供給のための出力経路の抵抗成分によって生じる電力損失と、前記出力経路のリアクタンス成分によって生じる前記電力供給部の出力電力の無効成分とを用いたベクトル演算によって、前記目標値を補正し、前記ランプ電力を前記ランプ電力指令値に一致させる
   ことを特徴とする放電灯点灯装置。
2. 前記制御部は、前記電力変換部の出力電圧に対して、前記出力経路の抵抗成分によって生じる電圧降下と、前記出力経路のリアクタンス成分によって生じる前記電力供給部の出力電圧の無効成分とを用いたベクトル演算を適用することによって、ランプに印加されているランプ電圧を算出し、前記ランプ電力指令値を当該ランプ電圧で除することで、前記電力変換部が出力する直流電流の目標値を決定し、前記電力変換部が出力する直流電流を当該目標値に一致させることを特徴とする請求項１記載の放電灯点灯装置。
3. 前記電力変換部の出力電圧Ｖｏ、前記電力変換部の出力電流Ｉｏ、前記出力経路の抵抗成分によって生じる電圧降下Ｖｄ、前記出力経路のリアクタンス成分Ｘｃとした場合、
   前記制御部は、下記式（１）に基づくベクトル演算によってランプ電圧Ｖｌａを算出する
   ことを特徴とする請求項２記載の放電灯点灯装置。
   Ｖｌａ＝Ｖｏ×ｃｏｓ｛ｓｉｎ^−１（Ｉｏ×Ｘｃ／Ｖｏ）｝−Ｖｄ … （１）
4. 前記電力変換部の出力電圧Ｖｏ、前記電力変換部の出力電流Ｉｏ、前記出力経路の抵抗成分によって生じる電圧降下Ｖｄ、前記出力経路のリアクタンス成分Ｘｃとした場合、
   前記制御部は、下記式（２）に基づくベクトル演算によってランプ電圧Ｖｌａを算出する
   ことを特徴とする請求項２記載の放電灯点灯装置。
   Ｖｌａ＝Ｖｏ−（Ｉｏ×Ｘｃ）^２／（２×Ｖｏ）−Ｖｄ … （２）
5. 前記制御部は、前記ランプ電力指令値に対して、前記出力経路の抵抗成分によって生じる電力損失と、前記出力経路のリアクタンス成分によって生じる前記電力供給部の出力電力の無効成分とを用いたベクトル演算を適用することによって、前記ランプ電力指令値を補正し、当該補正後のランプ電力指令値を前記電力変換部の出力電圧で除することで、前記電力変換部が出力する直流電流の目標値を決定し、前記電力変換部が出力する直流電流を当該目標値に一致させることを特徴とする請求項１記載の放電灯点灯装置。
6. 前記ランプ電力指令値Ｗｌａ、前記電力変換部の出力電流Ｉｏ、前記出力経路のリアクタンス成分Ｘｃ、前記出力経路の抵抗成分によって生じる電力損失Ｗｌｏｓｓとした場合、
   前記制御部は、下記式（３）に基づくベクトル演算によって補正後のランプ電力指令値Ｗｏを算出する
   ことを特徴とする請求項５記載の放電灯点灯装置。
   Ｗｏ＝√｛（Ｗｌａ＋Ｗｌｏｓｓ）^２＋（Ｉｏ^２×Ｘｃ）^２｝ … （３）
7. 前記制御部は、前記電力変換部の出力電流に基づいて、前記出力経路のリアクタンス成分を算出する関数部を備えることを特徴とする請求項１乃至６いずれか記載の放電灯点灯装置。
8. 前記制御部は、前記電力変換部の出力電流が閾値以下である場合、前記出力経路のリアクタンス成分によって生じる前記電力供給部の出力電力の無効成分を、前記ベクトル演算に用いないことを特徴とする請求項１乃至７記載いずれか記載の放電灯点灯装置。
9. 前記電力供給部は、前記電力変換部が出力する直流電圧の極性を交互に反転させた交番電圧を発生するインバータ部と、ランプを始動させるための始動電圧を発生させる始動回路とで構成されることを特徴とする請求項１乃至８いずれか記載の放電灯点灯装置。
10. 前記制御部は、前記ランプ電力指令値に基づいて、前記電力変換部が出力する直流電流の目標値を決定し、前記電力変換部が出力する直流電流を当該目標値に一致させることを特徴とする請求項１記載の放電灯点灯装置。
11. 車両の前照灯に用いるランプと、当該ランプを点灯させる請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の放電灯点灯装置とを備えることを特徴とする車両用前照灯装置。

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