JP2009516923A - Ｌｅｄセルを駆動するための装置 - Google Patents

Abstract

磁気エレメント（１１）に結合された高周波発生器（１０）により発生される電流を、それぞれ少なくとも１つのＬＥＤを含む複数のＬＥＤセル（３３）に供給するための駆動装置。この駆動装置は、並列構成に配置されたそれぞれ複数のＬＥＤチャネル（１，２，３，４；１’，２’，３’，４’）と、前記複数のＬＥＤチャネル（１，２，３，４；１’，２’，３’，４’）のチャネルにペアで接続された１つまたは複数の結合インダクタ（Ｌ１２，Ｌ２３，Ｌ３４）とを有する。

Description

本発明は発光ダイオード（ＬＥＤ）の駆動装置に関する。

本発明は、複数のＬＥＤセル、例えばＲＧＢ ＬＥＤセルを含む装置で使用することを意図して開発されたものであり、複数のＬＥＤセルはＲＧＢ三色発光システムを有し、一般的に多色発光システムで、例えば調整可能な白色光システムを駆動するために使用される。

関連技術の説明
ディスプレイユニットでの使用に加えて、発光ダイオード（ＬＥＤ）はますます光源として一般的になっている。このことは主として、いわゆる高線束（ＨＦ）ＬＥＤまたは高輝度ＬＥＤに当てはまる。典型的に、これらのＬＥＤはセルに配置され、各セルは並列／直列装置に接続された１つまたは複数のＬＥＤからなる。

所定の波長（すなわちそれぞれの「色」に関して）で発光するそれぞれ１つまたは複数のＬＥＤを含む複数のセルを組み合わせることにより、混合光放射を形成することができる。その特性（スペクトル、強度等）は、各セルの関与率を適切にコントロールすることによって選択的に調整することができる。例えばそれぞれ三色系の基本色（例えばＲＧＢ）の１つの波長で発光するダイオードの集合を含む３つのセルは選択的に色を変化する白色光および／または白色放射を形成する。このような装置はいわゆる調整可能な白色光システムを含みことができ、色温度が種々異なる白色光を形成するのに使用される。実質的に類似の装置はそれぞれ同じ色の１つまたは複数のＬＥＤを有するセルを含むことができ、光の強度を選択的に特別の光要求に適合することができる（例えば所定のスペース、ディスプレイエリア等の異なるエリアに異なる光レベルを供給する）。

このような装置では、２つまたはそれ以上のＬＥＤチャネルを並列に接続する必要があり、電圧降下の異なる各チャネルでの電流をコントロールするアクティブ素子を使用する必要性も回避すべきである。

現在の解決手段は、各チャネルに沿って分配された電流制御器を必要とする。この電流制御器は付加的な電圧降下を引き起こし、これが高電流ＬＥＤの場合には特に無視できない電力損失の原因となる。電流制御部を備えるスイッチング段を、電力損失を改善するために各シングルチャネルに導入することができる。しかしこのことは多数の付加的電力素子を必要とし、ドライバコストと複雑さを増大させる。

本発明の課題と概要
前述の従来技術の装置は満足する動作を提供することができるが、種々異なる電圧降下を備える種々のＬＥＤに送出される電流をコントロールするアクティブ素子の使用を回避するという問題を解決するものではない。

本発明の課題は、前記の問題を十分に満足できるように解決することである。

本発明によれば、この課題は以下の請求項に示された特徴を備えた駆動装置により解決される。これらの請求項は本明細書に示される発明の開示と不可分である。

本発明の実施例では、高周波発生器により発生された電流を、各１つのＬＥＤを含む複数のＬＥＤセルに供給するための駆動装置において、この駆動装置は複数のＬＥＤチャネルと１つまたは複数の結合インダクタとを有し、この複数のＬＥＤチャネルは並列に配置されており、前記結合インダクタはペアで前記複数のＬＥＤチャネルに結合されている。

前記駆動装置では、ＬＥＤ電流の電流等化を実行するために結合インダクタをチャネルに導入すると有利であり、この等化はチャネルに大きく異なる順電圧が存在していても実行される。

高周波電圧源が順電圧の異なるＬＥＤチャネルペアに適用され、１つの結合インダクタと結合されていれば、結合インダクタのコアにおける不平衡な磁束が動的インピーダンスを決定する。この動的インピーダンスはＬＥＤの異なる電圧を、ネガティブフィードバック動作によって補償する。

添付図面の簡単な説明
以下に、添付図面を参照して本発明を実施例により説明する。
図１は、本発明による駆動装置の第１実施形態の回路図である
図２は、本発明による駆動装置の第２実施形態の回路図である
図３は、図２の駆動装置で発生する電流を示す線図である。

本発明の有利な実施形態の詳細な説明
図１はＲＧＢ−ＬＥＤのための駆動装置の回路図を示す。このようなドライブ段は実質的に"ｂｕｃｋ"ＨＦドライバである。

より詳細には図１で参照符合１０は矩形波発生器を示す。矩形波発生器は、その信号をインダクタである磁気エレメント１１と、この磁気エレメント１１に直列で後置されたデカップリングキャパシタ１２を介して、４つの並列チャネルに供給する。４つの並列チャネルはそれぞれ参照符合１，２，３，４により示されている。

実施例で矩形波発生器１０は、２４Ｖの電圧を４．７ｎＨのインダクタ１１と１５０ｎＦのデカップリングキャパシタ１２に供給するインバータである。

４つの並列チャネル１，２，３，４はそれぞれＬＥＤセル３３を有し、図１の例では１つのＬＥＤだけを含む。ＬＥＤセル３３の上流には電圧倍化構造体が配置されている。この電圧倍化構造体は、アース点２１に第１の（有利にはセラミック）キャパシタ４２を介して接続されたリバースダイオード４３と、アース点２１に第２の（有利にはセラミック）キャパシタ４１を介して接続されたダイレクトダイオード４４を有する。ＬＥＤセル３３は、セラミックキャパシタ４１，４２の間に接続されており、アース２１には接続されていない。

すべてのＬＥＤセル３３チャネル１，２，３，４は同じ構造を有するので、チャネル１，２，３，４は結合インダクタ（すなわち変換器）Ｌ１２，Ｌ２３，Ｌ３４とペアで配置されているとみなすことができる。結合インダクタＬ１２，Ｌ２３，Ｌ３４は前記デカップリングキャパシタ１２に各チャネルの開始部で直列に、電圧倍化構造体の上流で接続されている。

より詳細には：
結合インダクタＬ１２は、第１のチャネル１に第１のコイル（すなわち巻線）、第２のチャネルに相互コイルを有する。

結合インダクタＬ２３は、第２のチャネル１に第１のコイル、第３のチャネルに相互コイルを有する。

結合インダクタＬ３４は、第３のチャネル１に第１のコイル、第４のチャネルに相互コイルを有する。

このような結合インダクタＬ１２，Ｌ２３，Ｌ３４により、チャネル１，２，３，４の順電圧が大きく異なっているＬＥＤ電流がほぼ完全に電流等化される。

高周波電圧源が、順電圧Ｖｆの値が異なり、結合インダクタの１つに結合された２つのＬＥＤセルに適用されると、結合インジケータ内の不平衡磁束により引き起こされるダイナミックインピーダンスが自動的に形成され、これが異なるＬＥＤ電圧を補償する。

とりわけ低い順電圧Ｖｆにより引き起こされる１つのチャネルでの電流の上昇は、このチャネルで観察されるダイナミックインピーダンスの上昇をネガティブフィードバックの形態で引き起こす。

結合インダクタを電流イコライザとして使用するために、連続電圧を磁気コアの磁化インダクタンスに適用することが回避される。このようなことは磁気コアの飽和を引き起こす。さらに結合インダクタの正しい動作特性を得るために、結合インダクタを流れる電流がリセットされる。前記駆動装置は、高周波電圧源または電流源が存在する場合に特に適する。

結合インダクタを前記のように使用する場合、サイズの小さい磁気コアが必要なだけである。実際、２つの異なるＬＥＤチャネルを分離するために絶縁（沿面距離／隙間間隔）は必要なく、小さな不平衡磁束（低コア寸法）が必要なだけである。

実施例でＬＥＤセル３３は９Ωの抵抗を示し、並列チャネル１，２，３，４に対してそれぞれ順電圧Ｖｆは１０Ｖ、１３．５Ｖ、１５Ｖそして２０Ｖであり、結合インダクタＬ１２，Ｌ２３，Ｌ３４は５００μＨの値を有することができる。キャパシタ４１と４２は１μＦの値を有するように選択することができる。

図１の回路は、高周波電圧発生器１０を形成するために例えば２つの電力ＭＯＳＦＥＴだけを必要とする。１つの電力インダクタは、磁気エレメント１１とＮ−１結合インダクタにより表わされる。ここでＮはＬＥＤチャネルの番号を表わす。

キャパシタ１２は負荷電流のＤＣ成分を不要にし、磁気エレメント１１を表わすインダクタは導入された容量性エレメントによるスパイクを低減する。

ＬＥＤは単方向の、有利には定電流源を必要とする。図示の駆動装置では、これは２つのダイオード４３，４４と２つのセラミックキャパシタ４１，４２を各チャネルに挿入することにより保証される。

この構造（「電圧倍化」と以下では述べる）は電力源の周波数を倍にすることにより所要電流を形成する。したがってダイナミックレスポンスが非常に高速である。

インダクタ１１とキャパシタ１２は共同で共振回路を形成する。発生器１０におけるＭＯＳＦＥＴの動作周波数が共振周波数よりもわずかに低い場合、低い蓄積無効電力とＭＯＳＦＥＴゼロ電流動作（低スイッチング損失）が達成される。

図２は、駆動装置の第２実施形態を示す。ここでは各チャネルにより駆動されるＬＥＤの輝度を選択的に変化するために、各チャネル１’，２’，３’，４’にエキストラＭＯＳＦＥＴ７０が付加されている。この付加的ＭＯＳＦＥＴはそれぞれローサイドドライバ７０により、すなわち低周波ＰＷＭ（パルス幅変調）モードで動作する矩形波発生器により駆動される。それ以外の点で開示された回路は図１を参照して説明した回路に相当する。ただしここでは４つのデカップリングキャパシタ２２がそれぞれのチャネル１’，２’，３’，４’の下流側に、それぞれの結合インダクタＬ１２，Ｌ２３，Ｌ３４と直列に配置されており、したがって図１のデカップリングキャパシタ１２は除去されている。

「電圧倍化」構造体は維持され、エキストラＭＯＳＦＥＴ７２のドレイン電極はＬＥＤセル３３の正端子と接続されている。

とりわけ図２の実施例では、図１のシングルキャパシタが各チャネルに対するキャパシタ２２により置換されている。これにより、この素子をすべてのチャネルの電流が流れることにより引き起こされる電圧降下が回避される。またキャパシタ４１だけが、ＬＥＤセル３３と並列に設けられている。キャパシタ２２は実施例では、５６ｎＦの容量を有し、キャパシタ４１は２μＦの容量を有する。その他の素子はすでに図１で説明した素子に相当し、同じ値を有する。

図示のＭＯＳＦＥＴはアースに接続されており、絶縁ドライバを必要としない。ＭＯＳＦＥＴドライバコマンドは負の論理回路である。ＬＥＤセル３３がオフのとき、相応するＭＯＳＦＥＴ７２は導通し、ＬＥＤセル３３を短絡し、全体チャネル電流を維持する。

図３には時間線図が示されている。この時間線図は、各チャネルごとにＰＷＭ調光フェーズ中に測定された電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４を示す。

発明者により行われた実験では、順電圧が大きく異なる（５０％以上）ＬＥＤが使用され、一方、周波数は同じで、スイッチオンインターバルＴｏｎの異なるＰＷＭコントロール信号が３つのチャネルに適用された。生じた波形は、スタート電流は類似しており、チャネルの電流は他のチャネルと接続されていないことによりまったく影響を受けないことを示している。

提案された駆動装置は共振回路と関連して適用されるだけでなく、異なるトポロジーを備え、並列ＬＥＤチャネル上で動作するコンバータと関連しても適用される。例えば、１つまたは２つのＭＯＳＦＥＴを含むドライビング段を介して電流を供給するインバータと関連して使用することができる。この場合、並列チャネルに配置された同じ相互インダクタの漏れインダクタンスによってフィルタリングインダクタが得られる。

この実施例でも、相互インダクタの電流を各スイッチングサイクルでリセットするのが有利である。このような動作モードによれば、最高のパフォーマンスはコンバータがボーダーラインで動作すると、すなわち連続動作と非連続動作の境界で動作すると得られる。

当業者であれば以下のことが理解できるであろう。

４つのチャネルがここでは励磁されているが、問題のセルおよびチャネルは任意の数で良い（したがって３つのセルもまったくの例である）。

各チャネルは、１つのＬＥＤまたは複数のＬＥＤを備えるチャネルを含む。

とりわけ提案された駆動装置は、ＲＧＢシステムと関連してだけでなく、一般的に並列ＬＥＤチャネルと関連しても効率的である。例えば高出力が所望される場合、すなわち２４の白色ＬＥＤを使用することが所望される場合、これらのＬＥＤは並列チェーンに配置すべきである。これは直列構成により決定される過剰の電圧降下を回避するためであり、電圧制御により制限される電圧限界、例えば２５Ｖｒｍｓを越える電圧を必要とすることとなるからである。したがって関連する回路は、それぞれ６つのＬＥＤを有する少なくとも４つの並列チャネルにしたがって構成されなければならない。提案された駆動装置は各チャネルに対して安価なコンポーネントを付加して駆動することができる。

本発明の詳細及び実施形態は、上に単なる例として記載及び図示した事柄に関して、本発明の基礎となる原理を損なうことなく、添付した請求項に規定された本発明の範囲内で変更しうる、場合によっては大幅に変更しうるものである。

したがって本発明の特定の実施形態がＲＧＢ ＬＥＤ源の駆動で使用されることに特別に注意して開示され、説明されたが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の実施形態も当業者であれば本発明の枠を逸脱することなく可能である。本発明は、多色照明システム、例えば調整可能白色照明システムを駆動する実施形態も含むものである。

図１は、本発明による駆動装置の第１実施形態の回路図である 図２は、本発明による駆動装置の第２実施形態の回路図である 図３は、図２の駆動装置で発生する電流を示す線図である。

Claims (14)

1. 高周波発生器（１０）により発生される電流を、それぞれ少なくとも１つのＬＥＤを含む複数のＬＥＤセル（３３）に供給するための駆動装置であって、
   並列構成に配置されたそれぞれ複数のＬＥＤチャネル（１，２，３，４；１’，２’，３’，４’）と、前記複数のＬＥＤチャネル（１，２，３，４；１’，２’，３’，４’）間でチャネルのペアに接続された１つまたは複数の結合インダクタ（Ｌ１２，Ｌ２３，Ｌ３４）とを有する駆動装置。
2. 請求項１記載の駆動装置において、
   磁気エレメント（１１）が前記高周波発生器（１０）にカスケード接続されている駆動装置。
3. 請求項１または２記載の駆動装置において、
   倍化キャパシタ（１２）が、前記電流の前記複数のＬＥＤチャネル（１，２，３，４）への経路に配置されている駆動装置。
4. 請求項１または２記載の駆動装置において、
   複数のデカップリングキャパシタ（１２）が、前記ＬＥＤチャネル（１’，２’，３’，４’）のそれぞれ１つに配置されている駆動装置。
5. 請求項４記載の駆動装置において、
   前記複数のデカップリングキャパシタ（１２）は、前記ＬＥＤチャネル（１’，２’，３’，４’）のそれぞれ１つに含まれる結合インダクタ（Ｌ１２，Ｌ２３，Ｌ３４）の下流に配置されている駆動装置。
6. 請求項１から５までのいずれか一項記載の駆動装置において、
   前記複数のＬＥＤチャネル（１，２，３，４；１’，２’，３’，４’）は、前記ＬＥＤセル（３３）に給電するためにそれぞれ電圧倍化構造体（４１，４２，４３，４４）を含む駆動装置。
7. 請求項１から６までのいずれか一項記載の駆動装置において、
   前記複数のＬＥＤチャネル（１，２，３，４；１’，２’，３’，４’）は、調光機能を達成するためにそれぞれ付加的電子スイッチ（７２）を含む駆動装置。
8. 請求項７記載の駆動装置において、
   前記それぞれの付加的電子スイッチ（７２）はローサイドドライバ（７０）に接続されており、該ローサイドドライバは前記それぞれの電子スイッチ（７２）をＰＷＭ調光モードで駆動する駆動装置。
9. 請求項１記載の駆動装置において、
   少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴを含むドライバ段が前記高周波発生器（１０）にカスケード接続されている駆動装置。
10. 請求項１から９までのいずれか一項記載の駆動装置において、
    前記高周波発生器（１０）は、前記１つまたは複数の結合インダクタ（Ｌ１２，Ｌ２３，Ｌ３４）に流れる電流を各スイッチングサイクルでリセットするように構成されている駆動装置。
11. 請求項１記載の駆動装置であって、
    前記複数の発光ダイオード（３３）は共同で三色照明システムを規定する駆動装置。
12. 請求項１記載の駆動装置であって、
    前記複数の発光ダイオード（３３）は共同で多色照明システムを規定する駆動装置。
13. 請求項１記載の駆動装置であって、
    前記複数の発光ダイオード（３３）は共同でＲＧＢ照明システムを規定する駆動装置。
14. 請求項１記載の駆動装置であって、
    前記複数の発光ダイオード（３３）は共同で調整可能白色照明システムを規定する駆動装置。

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