JP2013118130A - 点灯装置および照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】より深い調光制御が可能な点灯装置および照明器具を提供することを目的とする。
【解決手段】点灯装置１は、４００Ｖ以上の直流電圧を出力する直流電源回路１５と、スイッチング素子１６２を有するフライバック式のコンバータ回路１６と、スイッチング素子１６２を高周波でオンオフ制御する制御回路４とを備えている。制御回路４は、ＬＥＤ３５からなる光源負荷３にコンバータ回路１６から直流電流が供給されるように、駆動信号にてスイッチング素子１６２を駆動し、駆動信号のオンパルス幅を変化させて光源負荷３を調光点灯させる調光機能を有している。駆動信号のオンパルス幅の下限値は１μｓ以下に設定される。スイッチング素子１６２は、入力容量が５００ｐＦ以下である絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子を調光点灯可能な点灯装置および照明器具に関する。

近年、ＬＥＤ（Light EmittingDiode）や有機ＥＬ（ElectroLuminescence）などの半導体発光素子を光源とする照明器具が普及してきている。この種の照明器具には、たとえば図６に示すような構成の点灯装置（電源装置）が用いられる（たとえば特許文献１参照）。

この点灯装置は、交流電源９１に全波整流回路９２および平滑用のコンデンサ９３を介して接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ９４を備え、ＤＣ−ＤＣコンバータ９４の出力端に負荷としてのＬＥＤ（発光ダイオード）９５と抵抗９６とが直列に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ９４はフライバック式である。ＤＣ−ＤＣコンバータ９４は、コンデンサ９３の両端に（スイッチング）トランス９４１の一次巻線９４１０とスイッチング素子９４２との直列回路が接続され、トランス９４１の二次巻線９４１１にダイオード９４３と平滑コンデンサ９４４とが接続されてなる。スイッチング素子（スイッチングトランジスタ）９４２はパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor）からなる。

電流検出部としての抵抗９６には、比較器９７１とダイオード９７２とを有する調光設定部９７が接続されている。調光設定部９７は、比較器９７１の一方の入力端子にＬＥＤ９５と抵抗９６との接続点が接続され、比較器９７１の出力にはダイオード９７２を介して制御回路９８が接続されている。制御回路９８は、調光信号発生部９９からの調光信号による調光の深さ（調光深度）に応じた大きさの基準電圧を出力する基準信号設定部９８１を有し、基準電圧を比較器９７１の他方の入力端子に入力する。制御回路９８は、比較器９７１の出力に応じてスイッチング素子９４２のオンオフを制御し、ＤＣ−ＤＣコンバータ９４のトランス９４１をスイッチング駆動してＬＥＤ９５に供給される電流をフィードバック制御することにより、調光制御を行う。

特開２０１０−６７８３１号公報

しかし、上述のようにスイッチング素子９４２のオンオフを制御してＬＥＤ９５の光量を調節する構成では、スイッチング素子９４２を駆動する駆動信号のオンパルス幅を短くした深い（暗い）調光時に、スイッチング素子の（ゲート）入力容量が問題となる。すなわち、スイッチング素子９４２を駆動する駆動信号のオンパルス幅を短くしても、スイッチング素子の入力容量により、実際にスイッチング素子がオフするタイミングが遅れ、スイッチング素子９４２のオンパルス幅が長くなってしまうことがある。とくに、ＤＣ−ＤＣコンバータ９４の入力電圧が高圧（たとえば４００Ｖ以上）であれば、スイッチング素子９４２としても高耐圧のパワーデバイスが必要となるため、ＭＯＳＦＥＴでは入力容量が大きくなりオンパルス幅への影響が大きくなる。その結果、点灯装置は、ＬＥＤ９５に流れる電流を十分に低減できず、深い調光を実現できない可能性がある。

また、上記点灯装置では、スイッチング素子９４２の入力容量のばらつきがスイッチング素子９４２のオンパルス幅のばらつきに大きく影響する。したがって、調光時にＬＥＤ９５に流れる電流を一定に保つために、上述した調光設定部９７のように電流をフィードバックする構成が必要である。

本発明は上記事由に鑑みて為されており、より深い調光制御が可能な点灯装置および照明器具を提供することを目的とする。

本発明の点灯装置は、４００Ｖ以上の直流電圧を出力する直流電源と、スイッチング素子を有し前記直流電源に接続されるフライバック式のコンバータ回路と、半導体発光素子からなる光源負荷に前記コンバータ回路から直流電流が供給されるように前記スイッチング素子を高周波でオンオフ制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記スイッチング素子を駆動する駆動信号のオンパルス幅を変化させて前記光源負荷を調光点灯させる調光機能を有しており、当該オンパルス幅の下限値は１μｓ以下に設定され、前記スイッチング素子は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタからなることを特徴とする。

この点灯装置において、前記スイッチング素子は、入力容量が５００ｐＦ以下であることが望ましい。

本発明の照明器具は、上記点灯装置と、当該点灯装置から電力供給される光源負荷とを備えることを特徴とする。

本発明は、より深い調光制御が可能になるという利点がある。

実施形態１に係る点灯装置の構成を示す回路図である。 実施形態１に係る点灯装置の動作説明図である。 実施形態１に係る点灯装置で用いる矩形波信号の説明図である。 実施形態１に係る点灯装置において、スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを用いた場合とＩＧＢＴを用いた場合を比較する動作説明図である。 上記点灯装置を備えた照明器具を示す断面図である。 従来の点灯装置の構成を示す回路図である。

（実施形態１）
本実施形態の点灯装置１は、図１に示すように、商用電源などの交流電源（図示せず）に接続される電源コネクタ１１と、ＬＥＤ（発光ダイオード）などの半導体発光素子からなる光源負荷３にリード線３１を介して接続される出力コネクタ１２とを備えている。光源負荷３は、ここでは複数個（たとえば３２個）のＬＥＤ３５が直列に接続されてなり、点灯装置１から供給される直流電流により点灯する。光源負荷３は、複数個のＬＥＤ３５を並列接続した構成、または複数個のＬＥＤ３５の直列回路を並列に接続した構成であってもよい。

この点灯装置１は、フィルタ回路１４および直流電源回路１５からなる直流電源生成部と、フライバック式のコンバータ回路１６と、制御回路４とを主構成として備えている。さらに図１の例では、５Ｖ、１ｋＨｚの矩形波電圧信号であって調光比をオンデューティで示す調光信号を出力する外部調光器６が、調光信号線５を介して点灯装置１の信号線コネクタ１７に接続されている。さらに、点灯装置１は、制御用電源を供給する制御用電源回路７を備えており、制御用電源回路７の出力電圧を制御回路４等に印加している。以下、点灯装置１の具体的な構成について図１を参照して説明する。

電源コネクタ１１には、電流ヒューズ１３およびフィルタ回路１４を介して直流電源回路１５が接続されている。フィルタ回路１４は、電流ヒューズ１３を介して電源コネクタ１１に接続されたサージ電圧吸収素子１４１およびフィルタコンデンサ１４２と、ラインフィルタ１４３とで構成されており、ノイズをカットする。電源コネクタ１３は電源ヒューズ１３を介してラインフィルタ１４３の入力端に接続され、ラインフィルタ１４３の入力端には、サージ電圧吸収素子１４１とフィルタコンデンサ１４２とが並列に接続されている。ラインフィルタ１４３の出力端は、直流電源回路１５の入力端に接続されている。

直流電源回路１５は、ここでは全波整流器１５１と高周波バイパス用のコンデンサ１５２とからなる整流回路と、コンデンサ１５２の後段に設けられた力率改善（ＰＦＣ：Power FactorCorrection）回路としての昇圧チョッパ回路とを備えている。全波整流器１５１の負極の出力端は、回路基板（図示せず）上のグランドであって、コンデンサＣ１，Ｃ２の直列回路を介してフレームグランドに高周波的に接続される。

昇圧チョッパ回路は、整流回路の出力端間にインダクタ１５３とＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子１５４とが直列に接続され、スイッチング素子１５４の両端間にダイオード１５５と平滑コンデンサ１５６とが直列に接続された構成である。さらに、昇圧チョッパ回路は、スイッチング素子１５４をオンオフ制御するＰＦＣ制御回路１５７を備えている。ここで、全波整流器１５１の正極の出力端は、インダクタ１５３を介してスイッチング素子１５４のドレイン端子、およびダイオード１５５のアノード端子に接続されている。スイッチング素子１５４のソース端子は、電流検出抵抗Ｒ１を介して全波整流器１５１の負極の出力端に接続されている。平滑コンデンサ１５６は、アルミ電解コンデンサ等からなる比較的大容量のコンデンサである。

上記構成により、昇圧チョッパ回路は、スイッチング素子１５４のオン／オフを高周波で切り替えることにより、全波整流器１５１から出力される脈流電圧を昇圧し、また、平滑コンデンサ１５６によって平滑化する。これにより、直流電源回路１５は、交流電源からの交流電圧（１００Ｖ、５０／６０Ｈｚ）を直流電圧（たとえば４１０Ｖ）に変換し、その出力端（平滑コンデンサ１５６の両端）から出力する。したがって、本実施形態では、交流電源とフィルタ回路１４と直流電源回路１５とで、４００Ｖ以上の直流電圧を出力する直流電源を構成している。直流電源回路１５の出力端（平滑コンデンサ１５６の両端）には後述するコンバータ回路１６が接続されている。

図１の例では、ＰＦＣ制御回路１５７は、ＳＴマイクロエレクトロニクス社製の「Ｌ６５６２Ａ」で構成されている。以下に、ＰＦＣ制御回路１５７およびその周辺部品の構成並びに機能について説明する。

ＰＦＣ制御回路１５７の１番ピン（ＩＮＶ）Ｐ１はＰＦＣ制御回路１５７内蔵の誤差増幅器（図示せず）の反転入力端子、２番ピン（ＣＯＭＰ）Ｐ２は誤差増幅器の出力端子、３番ピン（ＭＵＬＴ）Ｐ３は内蔵の乗算回路（図示せず）の入力端子である。また、４番ピン（ＣＳ）Ｐ４はチョッパ電流の検出用端子、５番ピン（ＺＣＤ）Ｐ５はゼロクロス検出端子、６番ピン（ＧＮＤ）Ｐ６はグランド端子、７番ピン（ＧＤ）Ｐ７はゲートドライブ端子、８番ピン（Ｖｃｃ）Ｐ８は電源端子である。

昇圧チョッパ回路の入力電圧であるコンデンサ１５２の両端電圧は、交流電源からの交流電源電圧を全波整流した脈流電圧となり、抵抗Ｒ２〜Ｒ４と抵抗Ｒ５とにより分圧され、ＰＦＣ制御回路１５７の３番ピンＰ３に入力される。これにより、ＰＦＣ制御回路１５７は３番ピンＰ３からの入力を用いて、コンデンサ１５２の両端電圧を検出する。３番ピンＰ３に接続された内蔵の乗算回路は、全波整流器１５１を介して交流電源から引き込まれる入力電流の電流波形が脈流電圧波形と相似形となるように制御するために用いられる。なお、３番ピンＰ３はコンデンサＣ６を介して回路グランド（６番ピンＰ６）に接続されている。

平滑コンデンサ１５６の両端電圧は、抵抗Ｒ６〜Ｒ９の直列回路と、抵抗Ｒ１０および可変抵抗ＶＲ１の直列回路とで分圧され、ＰＦＣ制御回路１５７の１番ピンＰ１に入力される。これにより、ＰＦＣ制御回路１５７は１番ピンＰ１からの入力を用いて、平滑コンデンサ１５６の両端電圧を検出する。なお、１番ピンＰ１と２番ピンＰ２との間に接続されたコンデンサＣ３，Ｃ４および抵抗Ｒ１１は、ＰＦＣ制御回路１５７内蔵の誤差増幅器の帰還インピーダンスである。

電流検出抵抗Ｒ１の両端電圧は、抵抗Ｒ１２およびコンデンサＣ５からなるノイズフィルタ回路を介して、ＰＦＣ制御回路１５７の４番ピンＰ４に入力される。これにより、ＰＦＣ制御回路１５７は４番ピンＰ４からの入力を用いて、スイッチング素子１５４を流れる電流を検出する。

インダクタ１５３の二次巻線１５３１の一端は、ＰＦＣ制御回路１５７の６番ピンＰ６に接続されることで回路グランドに接続され、他端は抵抗Ｒ１３を介してＰＦＣ制御回路１５７の５番ピンＰ５に接続されている。これにより、ＰＦＣ制御回路１５７は５番ピンＰ５からの入力を用いて、インダクタ１５３におけるエネルギーの出入りを検出する。

ＰＦＣ制御回路１５７の７番ピンＰ７は、ゲートドライブ端子であって、抵抗Ｒ１４および抵抗Ｒ１５の直列回路を介して回路グランド（６番ピンＰ６）に接続されている。そのため、７番ピンＰ７がＨレベルになると、抵抗Ｒ１４を介して抵抗Ｒ１５に電流が流れ、抵抗Ｒ１５の両端電圧が上昇する。抵抗Ｒ１４と抵抗Ｒ１５との接続点は、スイッチング素子１５４のゲート端子に接続されており、抵抗Ｒ１５の両端電圧がスイッチング素子１５４のゲート−ソース間の閾値電圧以上になると、スイッチング素子１５４はオンに切り替わる。

また、ＰＦＣ制御回路１５７の７番ピンＰ７とスイッチング素子１５４のゲート端子との間には、ダイオードＤ１および抵抗Ｒ１６の直列回路が、ダイオードＤ１のアノード端子をゲート端子に接続する向きで、抵抗Ｒ１４と並列に接続されている。そのため、７番ピンＰ７がＬレベルになると、スイッチング素子１５４のゲート−ソース間に蓄積された電荷がダイオードＤ１および抵抗Ｒ１６を介して放電され、スイッチング素子１５４はオフに切り替わる。

ここで、ＰＦＣ制御回路１５７は、スイッチング素子１５４を流れる電流の検出値が所定のピーク値に達すると、スイッチング素子１５４をオフに切り替える。また、ＰＦＣ制御回路１５７は、インダクタ１５３の蓄積エネルギーが放出されたことを検出すると、スイッチング素子１５４を再度オンに切り替える。

また、ＰＦＣ制御回路１５７は、３番ピンＰ３からの入力を用いて検出される脈流電圧（コンデンサ１５２の両端電圧）が高い場合にはスイッチング素子１５４のオンパルス幅が長くなるように、脈流電圧が低い場合には短くなるようにオンパルス幅を制御する。さらに、ＰＦＣ制御回路１５７は、１番ピンＰ１への入力から検出される平滑コンデンサ１５６の両端電圧が目標値よりも高い場合にはスイッチング素子１５４のオンパルス幅が短くなるように、目標値よりも低い場合には長くなるようにオンパルス幅を制御する。これにより、ＰＦＣ制御回路１５７は、スイッチング素子１５４を流れるピーク電流が目標値と一致するようにスイッチング素子１５４をオンオフ制御する。

本実施形態では、制御用電源回路７は、図１に示すように平滑コンデンサ１５６に接続されるＩＰＤ素子７１と、その周辺部品とで構成されている。ＩＰＤ素子７１は、所謂インテリジェント・パワー・デバイスであって、たとえばパナソニック社製の「ＭＩＰ２Ｅ２Ｄ」が用いられる。ＩＰＤ素子７１は、ドレイン端子とソース端子とコントロール端子とを有する３ピンの集積回路であって、その内部に、パワーＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子７１１と、このスイッチング素子７１１をオンオフ制御する制御部７１２とを内蔵している。制御用電源回路７は、このＩＰＤ素子７１内蔵のスイッチング素子７１１と、インダクタ７２と、平滑コンデンサ７３と、ダイオード７４とで降圧チョッパ回路を構成している。また、制御用電源回路７は、ツェナダイオード７５と、ダイオード７６と、平滑コンデンサ７７と、コンデンサ７８とでＩＰＤ素子７１の電源回路を構成している。

上記構成により、制御用電源回路７は平滑コンデンサ７３の両端に平滑コンデンサ１５６の両端電圧より低い直流電圧（たとえば略１５Ｖ）を発生する。この直流電圧が、ＰＦＣ制御回路１５７および後述する集積回路（３端子レギュレータ７９，マイコン８０，ドライバ回路８１）の制御用電源を供給する電源電圧ＶＣ１となる。ＩＰＤ素子７１が動作を開始するまでは、平滑コンデンサ７３が充電されていないため、他の集積回路（ＰＦＣ制御回路１５７，３端子レギュレータ７９，マイコン８０，ドライバ回路８１）はいずれも動作しない。

以下、制御用電源回路７の動作について説明する。

電源投入初期において、平滑コンデンサ１５６が全波整流器１５１の出力電圧により充電されると、ＩＰＤ素子７１のドレイン端子→コントロール端子→平滑コンデンサ７７→インダクタ７２→平滑コンデンサ７３の経路で電流が流れる。これにより、平滑コンデンサ７３は図１に示す極性で充電され、ＩＰＤ素子７１に動作電圧を供給する。これにより、ＩＰＤ素子７１が動作を開始し、内蔵のスイッチング素子７１１がオンオフ動作する。

ＩＰＤ素子７１内蔵のスイッチング素子７１１がオンのとき、平滑コンデンサ１５６→ＩＰＤ素子７１のドレイン端子→ソース端子→インダクタ７２→平滑コンデンサ７３の経路で電流が流れ、平滑コンデンサ７３が充電される。スイッチング素子７１１がオフに切り替わると、インダクタ７２に蓄積されているエネルギーがダイオード７４を介して平滑コンデンサ７３に放出される。これにより、ＩＰＤ素子７１とインダクタ７２とダイオード７４と平滑コンデンサ７３とからなる回路が降圧チョッパ回路として動作し、平滑コンデンサ７３の両端には、平滑コンデンサ１５６の電圧を降圧した電源電圧ＶＣ１が発生する。

また、ＩＰＤ素子７１内蔵のスイッチング素子７１１がオフのとき、ダイオード７４を介して回生電流が流れるが、インダクタ７２の両端電圧は、平滑コンデンサ７３の両端電圧とダイオード７４の順方向電圧との和の電圧にクランプされる。この和電圧から、ツェナダイオード７５のツェナ電圧とダイオード７６の順方向電圧とを差し引いた電圧が、平滑コンデンサ７７の両端電圧となる。ＩＰＤ素子７１に内蔵された制御部７１２は、平滑コンデンサ７７の両端電圧が一定となるように、スイッチング素子７１１のオンオフ動作を制御する。これにより、結果として平滑コンデンサ７３の両端電圧も略一定（電源電圧ＶＣ１）となる。

平滑コンデンサ７３の両端に電源電圧ＶＣ１が発生すると、ＰＦＣ制御回路１５７が動作を開始して昇圧チョッパ回路（直流電源回路１５）が動作し、さらに３端子レギュレータ７９も動作を開始する。このとき、３端子レギュレータ７９から５Ｖの電源供給を受けてマイコン８０が動作し、且つドライバ回路８１も動作を開始することにより、後述のコンバータ回路１６のスイッチング素子１６２のオンオフ制御が開始される。

コンバータ回路１６は、図１のように直流電源回路（直流電源）１５の出力端間に直列接続されたトランス１６１およびスイッチング素子１６２と、トランス１６１の二次側に設けられたダイオード１６３および平滑コンデンサ１６４とを備えている。スイッチング素子１６２は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）からなる。スイッチング素子１６２に絶縁ゲートバイポーラトランジスタを用いることの利点については後述する。

ここで、直流電源回路１５の平滑コンデンサ１５６の正極にはトランス１６１の一次巻線１６１０の一端が接続され、平滑コンデンサ１５６の負極にはスイッチング素子１６２のエミッタ端子が接続されている。スイッチング素子１６２のコレクタ端子はトランス１６１の一次巻線１６１１の他端に接続されている。ダイオード１６３は、アノード端子がトランス１６１の二次巻線１６１１の一端に接続され、カソード端子が平滑コンデンサ１６４の一端に接続されており、平滑コンデンサ１６４の他端はトランス１６１の二次巻線１６１１の他端に接続されている。

このコンバータ回路１６は、後述する制御回路４によってスイッチング素子１６２が高周波でオンオフ制御されることにより、出力端となる平滑コンデンサ１６４の両端に電圧を発生する。つまり、コンバータ回路１６は、スイッチング素子１６２がオンのとき、直流電源回路１５の正極の出力端→トランス１６１の一次巻線１６１０→スイッチング素子１６２→直流電源回路１５の負極の出力端の経路で電流が流れる。このとき、トランス１６１のコアが磁化される（電磁エネルギーの蓄積）。ただし、ダイオード１６３が逆向きに挿入されているため、トランス１６１の二次巻線１６１１に誘導電流は流れない。

スイッチング素子１６２がオフに切り替わると、トランス１６１に蓄積されている電磁エネルギーが放出され、二次巻線１６１１→ダイオード１６３→平滑コンデンサ１６４→二次巻線１６１１の経路で電流が流れ、平滑コンデンサ１６４が充電される。そのため、コンバータ回路１６は、スイッチング素子１６２がオンオフ動作することによって、平滑コンデンサ１６４の両端に入力電圧（平滑コンデンサ１５６の両端電圧）を降圧した出力電圧を発生する。

平滑コンデンサ１６４の両端は一対の出力コネクタ１２に接続されており、平滑コンデンサ１６４の両端電圧は、出力コネクタ１２を介して光源負荷３に印加される。ここで、制御回路４は、スイッチング素子１６２のオンパルス幅（１周期当たりのオン時間）を可変制御することにより、平滑コンデンサ１６４の両端に発生する電圧の大きさを調節する。

なお、図１の例では、コンバータ回路１６は、トランス１６１の一次巻線１６１０の両端間に、抵抗１６５とダイオード１６６とコンデンサ１６７が直列に接続され、コンデンサ１６７に抵抗１６８が並列に接続されてなる回路を具備している。

制御回路４は、図１に示すように、マイコン８０を備えており、内部のプログラムにより、コンバータ回路１６のスイッチング素子１６２を駆動するための矩形波信号を発生する。マイコン８０は、２２番ピンＰ２２に入力される外部調光器６からの調光信号のオンパルス幅に応じて、スイッチング素子１６２を駆動するための矩形波信号を１９番ピンＰ１９から出力するように、プログラムが設定されている。さらに、制御回路４は、マイコン８０の１９番ピンＰ１９からの出力（矩形波信号）を受けてスイッチング素子１６２を実際に駆動するドライバ回路８１を備えている。これにより、マイコン８０は、外部調光器６からの調光信号を受けて、スイッチング素子１６２を制御することにより光源負荷３に流れる電流を制御して調光制御を実現する。

本実施形態では、３端子レギュレータ７９はたとえば東芝社製の「ＴＡ７８Ｌ０５」、マイコン８０はＲＥＮＥＳＡＳ社製の８ビットマイコン「７８Ｋ０／Ｉｘ２」、ドライバ回路８１はＭＡＸＩＭ社製の「ＭＡＸ１５０７０Ａ」である。なお、このドライブ回路８１はスイッチング素子１６２のゲート端子を電源電圧ＶＣ１の正電位に接続するためのＰ端子（図中「Ｐ＿ＯＵＴ」）と負電位（回路グランド）に接続するためのＮ端子（図中「Ｎ＿ＯＵＴ」）とを別々に有している。ドライブ回路８１のＰ端子は抵抗Ｒ１７を介してスイッチング素子１６２のゲート端子に接続され、ドライブ回路８１のＮ端子は抵抗Ｒ１８を介してスイッチング素子１６２のゲート端子に接続されている。

ところで、本実施形態の点灯装置１は、調光信号のオンデューティ（調光比）に応じて、光源負荷３を全点灯させる全点灯状態と、光源負荷３を調光点灯させる調光状態とを切り替えて動作する。ここでいう調光状態は、スイッチング素子１６２の発振周波数を略固定とし、スイッチング素子１６２のオンパルス幅を変化させることにより光源負荷３への供給電流を調節する点灯状態である。要するに、制御回路４は、スイッチング素子１６２を駆動する駆動信号のオンパルス幅を変化させることにより光源負荷３を調光点灯させる調光機能を有している。

次に、本実施形態に係る点灯装置１の動作について、図２および図３を参照して説明する。図２では、横軸が外部調光器６からの調光信号のオンデューティ、縦軸が負荷電流（光源負荷３へ供給される電流の実効値）および３００ｍＡを全点灯（１００％）としたときの調光比（図中の括弧内）を表している。

まず、調光信号のデューティ比が０〜５％の区間では、マイコン８０は、スイッチング素子１６２を駆動するための一定の矩形波信号を１９番ピンＰ１９より出力する。本実施形態では、このときの矩形波信号は、図３に示すように発振周波数が３０ｋＨｚ（つまり１周期が３３．３μｓ）でオンパルス幅が７μｓ、電圧値が５Ｖに設定されている。ドライバ回路８１は、この矩形波信号が入力されることにより、電圧値を１５Ｖに変換した駆動信号をスイッチング素子１６２のゲートに入力し、スイッチング素子１６２をオンオフ駆動する。このとき、点灯装置１は全点灯状態で動作しており、光源負荷３には平均が３００ｍＡの電流が流れる（調光比１００％）。点灯装置１は、調光信号のデューティ比が５％に達するまでは、この状態（全点灯状態）を継続する。

次に、調光信号のデューティ比が５〜９５％の区間では、マイコン８０は、調光信号のデューティ比の増加に伴い、１９番ピンＰ１９から出力する矩形波信号のオンパルス幅を徐々に短く（デューティ比を徐々に小さく）する。本実施形態では、マイコン８０は、発振周波数は既定値（３０ｋＨｚ）で略一定のまま、オンパルス幅を調光信号のデューティ比に応じて変化させる。

マイコン８０の出力（矩形波信号）のオンパルス幅が短くなると、ドライバ回路８１を介してコンバータ回路１６のスイッチング素子１６２のゲート端子に入力される駆動信号のオンパルス幅も短くなるので、光源負荷３に供給される電流も小さくなる。ここでは、調光信号のデューティ比が９５％になると１９番ピンＰ１９から出力される矩形波信号のオンパルス幅が０．５μｓとなるように、マイコン８０のプログラムが設定されている。このとき、点灯装置１は調光状態で動作しており、光源負荷３に流れる平均電流は４．４７ｍＡ（調光比１．４９％）を下限として調節される。

なお、この状態で、トランス１６１の二次巻線１６１１には３０ｋＨｚの高周波電流が流れるが、平滑コンデンサ１６４により平滑されるので、光源負荷３にはリップル（脈動）が抑制された直流電流が供給されることになる。したがって、点灯装置１は、光源負荷３の調光点灯時であっても、光源負荷３のちらつきを抑制して、たとえばカメラ撮影時に光源負荷３の点滅とシャッタスピード（露光時間）とが干渉することを回避できる。平滑コンデンサ１６４の容量は１μＦもあれば十分である。

また、本実施形態では、点灯装置１は、ＰＷＭ信号のデューティ比が９５％以上の区間では、マイコン８０の１９番ピンＰ１９からの出力をＬレベルにしてコンバータ回路１６の動作を停止させ、光源負荷３を消灯させている（図２参照）。

ところで、本実施形態の点灯装置１は、上述のようにスイッチング素子１６２のオンパルス幅を１μｓ以下（具体的には０．５μｓ）まで調節可能であるため、スイッチング素子１６２の入力容量がスイッチング素子１６２のオンパルス幅に与える影響が大きくなる。とくに、本実施形態の直流電源回路１５の出力電圧は４００Ｖ以上（４１０Ｖ）であり、コンバータ回路１６のスイッチング素子１６２には少なくとも６００Ｖ以上の耐圧が求められるため、ＭＯＳＦＥＴでは入力容量が大きく、オンパルス幅に与える影響が大きい。そこで、本実施形態では、コンバータ回路１６のスイッチング素子１６２として、ＭＯＳＦＥＴに比べて入力容量が小さい絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下、「ＩＧＢＴ」という）を用いている。

図４（ａ）はスイッチング素子１６２としてＭＯＳＦＥＴを用いた比較例の動作を示し、図４（ｂ）はスイッチング素子１６２としてＩＧＢＴを用いた本実施形態に係る点灯装置１の動作を示している。図４（ａ）では、横軸を時間軸とし、Ｉｄがスイッチング素子１６２のドレイン電流（ドレイン−ソース間電流）、Ｖｇｓがスイッチング素子１６２のゲート電圧（ゲート−ソース間電圧）を表している。図４（ｂ）では、横軸を時間軸とし、Ｉｃがスイッチング素子１６２のコレクタ電流（コレクタ−エミッタ間電流）、Ｖｇｅがスイッチング素子１６２のゲート電圧（ゲート−エミッタ間電圧）を表している。

ここでは、ＭＯＳＦＥＴとしては、ドレイン−ソース間電圧の絶対最大定格（耐圧）が８００Ｖ、ドレイン電流（直流）Ｉｄの絶対最大定格が１１Ａ、入力容量が１６９０ｐＦに規格されたパワーデバイスが用いられている。一方、ＩＧＢＴとしては、コレクタ−エミッタ間電圧の絶対最大定格（耐圧）が９００Ｖ、コレクタ電流（直流）Ｉｃの絶対最大定格が５．４Ａ、入力容量が４０２ｐＦに規格されたパワーデバイスが用いられている。なお、ここではドライブ回路８１のＰ端子とスイッチング素子１６２のゲート端子との間に挿入された抵抗Ｒ１７の抵抗値は３３Ω、ドライブ回路８１のＮ端子とスイッチング素子１６２のゲート端子との間に挿入された抵抗Ｒ１８の抵抗値は１０Ωに設定されている。

スイッチング素子１６２にＭＯＳＦＥＴを用いた比較例では、スイッチング素子１６２の入力容量が比較的大きい（１６９０ｐＦ）ため、図４（ａ）に示すように、実際にゲート端子に印加されているゲート電圧Ｖｇｓは入力容量の影響で波形が鈍る。そのため、制御回路４からゲート端子に入力される駆動信号がＬレベルになっても、実際にドレイン電流がゼロになるのに約８００ｎｓの時間遅れを生じ、スイッチング素子１６２の実際のオンパルス幅は駆動信号のオンパルス幅に比べて長くなる。したがって、光源負荷３に供給される電流が十分に低減されず、本比較例では駆動信号のオンパルス幅が０．５μｓのときに光源負荷３に流れる電流は１３．８ｍＡ（調光比４．６％）となる。

これに対して、スイッチング素子１６２にＩＧＢＴを用いた本実施形態では、スイッチング素子１６２の入力容量が比較的小さい（４０２ｐＦ）ため、図４（ｂ）に示すように、実際にゲート端子に印加されているゲート電圧Ｖｇｅの波形の鈍り具合が低減される。そのため、制御回路４からゲート端子に入力される駆動信号がＬレベルになって、実際にコレクタ電流がゼロになるまでの時間遅れは約４００ｎｓまで改善され、スイッチング素子１６２の実際のオンパルス幅は駆動信号のオンパルス幅に近くなる。したがって、光源負荷３に供給される電流が十分に低減されることになり、本実施形態では駆動信号のオンパルス幅が０．５μｓのときに光源負荷３に流れる電流は上述のように４．４７ｍＡ（調光比１．４９％）となる。

このように、本実施形態の点灯装置１は、スイッチング素子１６２にＩＧＢＴを用いることによって、ＭＯＳＦＥＴを用いる場合に比較して、より深い調光（低い調光比）を実現できるという利点がある。

以上説明した本実施形態の点灯装置１によれば、スイッチング素子１６２として入力容量が比較的小さいＩＧＢＴを用いることにより、スイッチング素子１６２を駆動する駆動信号のオンパルス幅が十分に短い場合でも、入力容量の影響が小さくなる。とくに、本実施形態では、直流電源回路１５の出力電圧が高く（４００Ｖ以上）、コンバータ回路１６のスイッチング素子１６２として高耐圧（６００Ｖ以上）のパワーデバイスが要求される。この場合、一般的なＭＯＳＦＥＴでは入力容量が大きくなるので、ＩＧＢＴを用いることによりＭＯＳＦＥＴに比べて格段に入力容量を小さくできる。これにより、駆動信号のオンパルス幅がたとえば１μｓ以下であっても、実際にスイッチング素子１６２がオフするタイミングの入力容量に起因した時間遅れを抑制することができ、スイッチング素子１６２の実際のオンパルス幅が駆動信号に近くなる。その結果、点灯装置１は、駆動信号のオンパルス幅を短くすることにより光源負荷３に流れる電流を十分に低減でき、より深い調光制御が可能になる。

また、上記点灯装置１では、スイッチング素子１６２の入力容量がばらついてもスイッチング素子１６２のオンパルス幅への影響が小さいので、調光時に光源負荷３に流れる電流を一定に保つための電流フィードバックの構成が不要になる、という利点もある。

ここで、駆動信号のオンパルス幅の調節範囲は、下限値が０．５μｓであることは必須ではなく、点灯装置１としての動作に支障がない範囲で、少なくとも下限値が１μｓ以下となるように設定されていればよい。また、駆動信号のオンパルス幅を短くすることにより実現可能な調光制御の範囲は、光源負荷３からの光出力が全点灯時の数％（１〜９％）程度まで低減されるように設定されていればよい。さらに、コンバータ回路１６のスイッチング素子１６２として用いられるＩＧＢＴは、上記の仕様に限らず、点灯装置１としての動作に支障がない範囲で、少なくとも耐圧が６００Ｖ以上、入力容量が５００ｐＦ以下となるように適宜仕様が変更される。

また、点灯装置１は、電源投入時や垂下の際の逆電流防止のために、スイッチング素子（ＩＧＢＴ）１６２のコレクタ−エミッタ間に逆向きにファストリカバリダイオードが接続されていてもよい。

なお、点灯装置１に入力される調光信号は、本実施形態ではデューティ比可変の矩形波であるが、これに限らずたとえば電圧値可変の直流電圧であってもよい。この場合、マイコン８０は、調光信号の振幅（電圧値）を読み込んで矩形波信号のデューティ比を調整して調光制御を実現する。また、点灯装置１は、調光信号線５から調光信号を入力する構成に限らず、たとえば赤外線受光モジュールを設け、赤外線通信により調光信号を受信する構成であってもよい。

（実施形態２）
本実施形態では、実施形態１で説明した点灯装置１と、半導体発光素子（ＬＥＤモジュール）からなる光源負荷３とを備えた照明器具について説明する。以下、実施形態１と同様の構成には共通の符号を付して適宜説明を省略する。

この照明器具１０は、図５に示すように、ＬＥＤモジュール（光源負荷３）３０の器具筐体３２とは別のケースに電源ユニットとしての点灯装置１を収納し、リード線３１を介してＬＥＤモジュール３０と点灯装置１とが接続されている。これにより、照明器具１０は、ＬＥＤモジュール３０の薄型化が可能となり、別置型の電源ユニットとしての点灯装置１の設置場所の自由度が高くなる。

図５の例では、器具筐体３２は、下面が開放されたたとえばアルミダイカスト等の金属製の有底円筒状の筐体であって、開放面（下面）が光拡散板３３にて覆われている。ＬＥＤモジュール３０は、基板３４の一面に複数個（図では３個）のＬＥＤ３５が実装されてなり、器具筐体３２内に光拡散板３３と対向する向きで配置されている。器具筐体３２は、天井１００に埋め込まれており、天井裏に配置された電源ユニットとしての点灯装置１に、リード線３１およびコネクタ３６を介して接続されている。

なお、照明器具１０は、電源ユニットとしての点灯装置１がＬＥＤモジュール３０とは別体のケースに収納される電源別置型の構成に限らず、ＬＥＤモジュール３０と同一の筐体に点灯装置１を収納した電源一体型の構成であってもよい。

さらに、実施形態１で説明した点灯装置１は、照明器具１０に限らず、各種の光源、たとえば液晶ディスプレイのバックライトや、複写機、スキャナ、プロジェクタなどに用いられてもよい。また、点灯装置１からの電力供給を受けて発光する光源負荷３は、発光ダイオード（ＬＥＤ）に限らず、たとえば有機ＥＬ素子や半導体レーザ素子などの半導体発光素子であってもよい。

１ 点灯装置
３ 光源負荷
４ 制御回路
１５ 直流電源回路
１６ コンバータ回路
３５ ＬＥＤ（半導体発光素子）
１６２ スイッチング素子

Claims (3)

1. ４００Ｖ以上の直流電圧を出力する直流電源と、スイッチング素子を有し前記直流電源に接続されるフライバック式のコンバータ回路と、半導体発光素子からなる光源負荷に前記コンバータ回路から直流電流が供給されるように前記スイッチング素子を高周波でオンオフ制御する制御回路とを備え、
   前記制御回路は、前記スイッチング素子を駆動する駆動信号のオンパルス幅を変化させて前記光源負荷を調光点灯させる調光機能を有しており、当該オンパルス幅の下限値は１μｓ以下に設定され、前記スイッチング素子は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタからなる
   ことを特徴とする点灯装置。
2. 前記スイッチング素子は、入力容量が５００ｐＦ以下であることを特徴とする請求項１に記載の点灯装置。
3. 請求項１または２に記載の点灯装置と、当該点灯装置から電力供給される光源負荷とを備えることを特徴とする照明器具。
   

Images