JP2010257728A

JP2010257728A - 発光ダイオード点灯装置および照明装置

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Publication number: JP2010257728A
Application number: JP2009105842A
Authority: JP
Inventors: Naoko Iwai; 直子岩井; Hirokazu Otake; 寛和大武; Masahiko Kamata; 征彦鎌田; Masatoshi Kumagai; 昌俊熊谷; Katsutomo Uchino; 勝友内野; Hitoshi Kono; 仁志河野
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2009-04-24
Filing date: 2009-04-24
Publication date: 2010-11-11
Anticipated expiration: 2029-04-24
Also published as: JP5392476B2

Abstract

【課題】
降圧チョッパのスイッチング素子とフリーホイールダイオードの放熱手段を簡素化して小形化を図った発光ダイオード点灯装置およびこれを備えた照明装置を提供する。
【解決手段】
発光ダイオード点灯装置は、直流電源DCと、入力端t1、スイッチング素子Q1、インダクタL1、フライホールダイオードD1および出力端t3、t4を含み、入力端が直流電源の出力端に接続し、入力端および出力端の間にスイッチング素子およびインダクタが直列に接続し、かつ出力端にフライホールダイオードおよびインダクタが直列に接続し、かつスイッチング素子およびフライホールダイオードが１モジュール化されている降圧チョッパDSCと、降圧チョッパのスイッチング素子を所定周期および所定のデューティでスイッチングさせる駆動回路と、降圧チョッパの出力端に接続した発光ダイオードLEDとを具備している。
【選択図】図１

Description

本発明は、降圧チョッパを備えた発光ダイオード点灯装置およびこれを備えた照明装置に関する。

降圧チョッパを備えた発光ダイオード点灯装置は、既知である（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１の図２に記載の降圧チョッパを備えた発光ダイオード点灯装置においては、第１のスイッチング素子であるＦＥＴ５と第１のインダクタ７との間に、抵抗値の小さい抵抗素子６１を接続し、この抵抗素子６１を第２のスイッチング素子であるバイポーラ形トランジスタ２１のベース・エミッタ間に接続している。前記トランジスタ２１のコレクタを前記ＦＥＴ５のゲート端子に接続している。そして、第１のインダクタ７とフリーホイールダイオード１１とが出力端間に直列接続している。

ＦＥＴ５がオン動作すると、直流電源４から抵抗素子６１、第１のインダクタ７および負荷のＬＥＤ回路８に並列接続しているコンデンサ９を介して増加電流が流れて第１のインダクタ７が充電される。そうして、抵抗素子６１の両端間電圧がトランジスタ２１を動作するバイアスに達すると、トランジスタ２１がオン動作し、これによりＦＥＴ５はターンオフされる。抵抗素子６１の両端間電圧をトランジスタ２１のベースバイアスとし、この電圧が所定の電圧に達したときトランジスタ２１をオン動作してＦＥＴ５をターンオフさせるようにしているので、ターンオフのタイミングを第２のインダクタ１２に誘起される電圧値に影響されず常に正確に取ることができる。すなわち、ＦＥＴ５を常に正確にスイッチング動作できる。

ＦＥＴ５がオフすると、今度は第１のインダクタ７に蓄積された電磁エネルギーがフリーホイールダイオード１１を経由して放出されてコンデンサ９に引続き減少電流を流す。減少電流が０になると、再びＦＥＴ５がオン動作し、以上の動作を繰り返す。

そうして、コンデンサ９の充電電圧がＬＥＤ回路８の順方向電圧以上になると、ＬＥＤ回路８に電流が流れ、ＬＥＤ回路８のＬＥＤは点灯する。

ところで、発光ダイオードの発光強度は電流におおよそ比例するが、特に大電流域では発光効率が低下する。また、発光ダイオードは、熱に弱く、８０℃以上で素子の劣化が始まるため寿命が短縮してしまう。発光ダイオードは、発熱が少ないとはいえ、定格電流に応じて相応に発熱するため、適切に放熱しないと発光効率の低下や寿命の短縮するばかりでなく、発煙・発火などの事故につながる虞がある。

そこで、発光ダイオードの点灯に伴って発生する熱を放散させるために、ヒートシンクなどの放熱手段を配設している。

特許第４１２３８８６号公報

しかし、この種の発光ダイオード点灯装置においては、発光ダイオードの放熱だけでなく、発光ダイオードを駆動するＬＥＤ照明灯点灯回路に電流をスイッチングするために半導体デバイスを使用しているので、相応の熱が発生する。

したがって、これら半導体デバイスの放熱に対しても配慮することが発光ダイオード点灯装置全体の安全性と性能、そして信頼性を確保するのはもちろん、装置全体の小形化を図るうえでも望ましいことである。すなわち、上記発光ダイオード点灯装置の特にパワー回路部分に用いられているスイッチング素子やフリーホイールダイオードの半導体デバイスは、一種の抵抗と見なすことができ、電流が流れると、オン抵抗に応じた熱を発生するので無視できない。

ところで、パワー回路部分に用いられる半導体デバイスにおいては、その発熱量も多くなるので、従来からそのパッケージにヒートシンクを付設して熱を空中に放散させたり、パッケージを介して配線基板に伝導したりするようなパッケージ構造とした熱対策を施している。その結果、半導体デバイスに付設される放熱手段は、当該半導体デバイスが連続的に動作することを前提として設計されているため、相応の放熱容量とこれに伴う大きさを有している。

しかしながら、前述の発光ダイオード点灯装置においては、スイッチング素子とフリーホイールダイオードがスイッチングの各周期において交互にスイッチングを行う。また、入力電圧に応じてスイッチング素子とフリーホイールダイオードに流れる電流が相補的に変化する関係があり、これらの半導体デバイスとして個別に製作されたものを使用すると、放熱手段の放熱能力に余裕が生じる。

本発明は、降圧チョッパのスイッチング素子とフリーホイールダイオードの放熱手段を簡素化して小形化を図ることのできる発光ダイオード点灯装置およびこれを備えた照明装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の発光ダイオード点灯装置は、直流電源と；入力端、スイッチング素子、インダクタ、フリーホイールダイオードおよび出力端を含み、入力端が直流電源の出力端に接続し、入力端および出力端の間にスイッチング素子およびインダクタが直列に接続し、かつ出力端にフリーホイールダイオードおよびインダクタが直列に接続し、かつスイッチング素子およびフリーホイールダイオードが１モジュール化されている降圧チョッパと；降圧チョッパのスイッチング素子を所定周期および所定のデューティでスイッチングさせる駆動回路と；降圧チョッパの出力端に接続した発光ダイオードと；を具備していることを特徴としている。

上記において、直流電源は、例えば整流回路および平滑コンデンサを備えて構成することができる。この場合、整流回路が交流電源、例えば商用交流電源の交流電圧を整流して直流を得る。なお、交流電圧は、負荷の発光ダイオードに供給する電流が一定であれば、電源電圧が変化してもスイッチング素子とフリーホイールダイオードの合算された発熱量がほぼ一定なので、１００Ｖに限定されない。すなわち、後述するように降圧チョッパのスイッチング素子とフリーホイールダイオードに流れる電流が相補的に変化してスイッチング周期にわたってほぼ一定となり、これに伴い放熱量もほぼ一定になる。平滑コンデンサは、整流により得られた直流電圧を適度のリップルを含むように平滑化して、発光ダイオードを点灯するための電力を直流の態様で後述する降圧チョッパに供給することができる。

降圧チョッパは、直流電源に接続する入力端、負荷を接続する出力端および出力端間に接続した出力コンデンサを備えていていて、入力直流電圧より低圧の直流電圧を出力する周知のチョッパ回路である。

すなわち、直流電源の１極と一方の出力端子との間にスイッチング素子およびインダクタの直列回路を接続し、スイッチング素子とインダクタの接続点と直流電源の１極および他方の出力端子との間にフリーホイールダイオードを、スイッチング素子がＯＦＦ期間中にインダクタから流出する電流に対して順方向に接続してなる。また、出力端子間には出力コンデンサが接続され、主としてスイッチングに伴って発生する高周波を負荷の発光ダイオードに流さないようにバイパスする。そして、上記スイッチング素子のスイッチングを自励形または他励形の駆動回路などの制御回路を用いて制御する。

スイッチング素子およびフリーホイールダイオードは、１モジュール化される。そのため、両半導体デバイスにより放熱手段が共有される。換言すれば、スイッチング素子およびフリーホイールダイオードは、モジュールの中で共通の放熱手段を介して熱結合されている。スイッチング素子およびフリーホイールダイオードは、発光ダイオード点灯装置のパワー回路に挿入されているので、上記モジュールは、パワーモジュールでもある。このパワーモジュールは、パッケージが樹脂モールド、セラミックスおよびメタル製のいずれであってもよい。また、スイッチング素子およびフリーホイールダイオードが熱結合していれば、基板を共通にしていてもよいし個別に分離していてもよい。なお、スイッチング素子は、電圧制御形および電流制御形のいずれであってもよい。

駆動回路は、降圧チョッパを所定の周期およびデューティで動作するようにスイッチング素子を駆動する手段であるが、上述のように自励形および他励形のいずれであってもよい。なお、他励形の駆動回路によりスイッチング素子を駆動する場合、スイッチング素子およびフリーホイールダイオードをモジュールの内部で予め直列接続して３端子形のモジュールを構成することができる。また、自励形の場合などでは、スイッチング素子およびフリーホイールダイオードの間にインピーダンス素子、例えば抵抗器を電流検出用として接続するために、スイッチング素子およびフリーホイールダイオードのそれぞれの端子リードをモジュールの外部に導出して５端子形に構成することもできる。

そうして、降圧チョッパは、スイッチング素子のオン時間をＴ_ＯＮ、オフ時間をＴ_ＯＦＦ、直流電源電圧をＶ_ＩＮ、出力電圧をＶ_ＯＵＴとすれば、出力電圧がＶ_ＯＵＴ＝Ｖ_ＩＮ・Ｔ_ＯＮ／（Ｔ_ＯＮ＋Ｔ_ＯＦＦ）となり、入力電圧より低くなる関係があることで知られている。

発光ダイオードは、ＬＥＤ点灯回路である降圧チョッパの出力端に負荷として接続し、降圧チョッパの出力電流により付勢されて点灯する。降圧チョッパの出力端に接続される発光ダイオードは、その複数が直列接続した直列回路でもよいし、単独でもよい。また、これらの複数が均一化分流回路などを介して並列接続して負荷回路を構成していてもよい。

また、発光ダイオードは、その発光特性およびパッケージ態様なども特段限定されないので、既知の各種発光特性、パッケージ態様および定格などを適宜選択して用いることができる。しかし、一般照明用としては白色発光タイプの発光ダイオードが一般的である。

また、本発明においては、所望により発光ダイオードとスイッチング素子とを熱結合させることができる。すなわち、発光ダイオードが故障モードになって異常発熱したときに、熱結合しているスイッチング素子の温度を過昇にして、スイッチング素子を破壊させることで回路がオープンモードになるように構成することができる。これにより、ＬＥＤ点灯回路のスイッチングを司るスイッチング素子に発光ダイオードの異常時に保護動作をも行わせることができる。

また、上記熱結合が発光ダイオードの放熱手段を経由して行われるように構成すれば、発光ダイオードと上記スイッチング素子との距離をある程度自由に設定することができ、その結果ＬＥＤ光源としての設計の自由度が向上する。
本発明の照明器具は、照明器具本体および点灯装置を具備している。照明器具は、ＬＥＤ照明灯を備えていればよく、その用途は照明目的であるのが一般的であるが、これに限定されない。照明器具本体は、照明器具から点灯装置を除去した残余の全ての部分をいう。点灯装置は、上述の本発明における構成である。

本発明においては、降圧チョッパのスイッチング素子およびフリーホイールダイオードが各スイッチング周期において交互にスイッチング動作をするので、スイッチング素子およびフリーホイールダイオードが１モジュール化されていることにより、１素子が連続的に動作して発熱する程度まで低減する。また、入力直流電圧の変化に対して、スイッチング素子に電流が流れる期間とフリーホイールダイオードに電流が流れる期間とが相補的に変化するために、モジュールとしての発熱量がほぼ一定化される。その結果、小形化された発光ダイオード点灯装置およびこれを備えた照明装置を提供できる効果を奏する。

また、発光ダイオードと１モジュール化されたスイッチング素子とを熱結合させておくことにより、発光ダイオードが故障により異常発熱した際にスイッチング素子を破壊させて保護動作を行わせることができる。

本発明の発光ダイオード点灯装置を実施するための第１の形態を示す回路図である。同じくスイッチング素子およびフリーホイールダイオードのモジュールの模式的平面透視図および断面図である。同じく降圧チョッパの電流波形図である。本発明の発光ダイオード点灯装置を実施するための第２の形態を示すＬＥＤ光源の断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１に示す第１の形態において、発光ダイオード点灯装置は、直流電源ＤＣ、降圧チョッパＳＤＣ、発光ダイオードＬＥＤ、駆動信号発生回路ＤＳＧおよびターンオフ回路ＴＯＦを具備している。なお、本形態において、駆動信号発生回路ＤＳＧおよびターンオフ回路ＴＯＦで自励形駆動回路を構成している。以上の各構成要素に加えて、起動回路ＳＴが付設されている。

直流電源ＤＣは、入力端が例えば定格電圧１００Ｖの商用交流電源などの交流電源ＡＣに接続する全波整流回路ＤＢおよび平滑コンデンサＣ１を備えている。平滑コンデンサＣ１は、全波整流回路ＤＢの出力端間に接続して全波整流回路ＤＢの直流出力を適度のリップルを含んだ平滑化電圧を形成することができる。また、全波整流回路ＤＢの入力端間に接続しているのは雑音防止用コンデンサＣ２である。

降圧チョッパＳＤＣは、直流電源ＤＣに接続した入力端ｔ１、ｔ２、負荷を接続する出力端ｔ３、ｔ４、第１の回路Ａおよび第２の回路Ｂを備えて自励駆動形の降圧チョッパとして構成されている。第１の回路Ａは、スイッチング素子Ｑ１、インピーダンス手段Ｚ１および第１のインダクタＬ１を直列に含み、入力端ｔ１および出力端ｔ３の間に接続している。第２の回路Ｂは、第１のインダクタＬ１およびフリーホイールダイオードＤ１を直列に含み出力端ｔ３、ｔ４間に接続している。また、出力端ｔ３、ｔ４間には出力コンデンサＣ３が接続している。

また、降圧チョッパＳＤＣは、そのスイッチング素子Ｑ１およびフリーホイールダイオードＤ１が点線で囲んで示すように１モジュール化されてパワーモジュールＰＭを構成している。本形態において、パワーモジュールＰＭは、図２に示すように熱伝導性金属からなるヒートスプレッダ１１の上面にスイッチング素子Ｑ１のチップＣＨＳおよびフリーホイールダイオードＤ１のチップＣＨＤが隣接してマウントされ、かつヒートスプレッダ１１の下面には絶縁シート１２が配置されていて、以上の各構成要素が充填されたモールド樹脂１３によって被覆されて一体化している。

また、パワーモジュールＰＭは、外部リードｌ１〜ｌ５を備えている。すなわち、外部リードｌ１はスイッチング素子Ｑ１の一方の主端子（ドレイン）に接続し、外部リードｌ２はスイッチング素子Ｑ１の他方の主端子（ソース）に接続し、外部リードｌ３は制御端子（ゲート）に接続している。また、外部リードｌ４はフリーホイールダイオードＤ１のアノードに接続し、外部リードｌ５はカソードに接続している。なお、スイッチング素子Ｑ１およびフリーホイールダイオードＤ１の各チップと各外部リードｌ１〜ｌ５との間は導電ワイヤ１４によって接続している。

本形態において、降圧チョッパＳＤＣのスイッチング素子Ｑ１は、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）からなり、その一対の主端子（ドレイン、ソース）が第１の回路Ａに直列接続される。そして、第１の回路Ａが出力コンデンサＣ３および／または後述する負荷回路ＬＣを介して第１のインダクタＬ１の充電回路を形成し、第２の回路Ｂが第１のインダクタＬ１およびフリーホイールダイオードＤ１が出力コンデンサＣ３および／または後述する負荷回路ＬＣを介して第１のインダクタＬ１の放電回路を形成している。なお、本形態において、インピーダンス手段Ｚ１は、抵抗器からなるが、所望により適度の抵抗成分を有するインダクタまたはコンデンサなどを用いることができる。

発光ダイオードＬＥＤは、その所望数が直列接続して負荷回路ＬＣを形成し、降圧チョッパＳＤＣの出力端ｔ３、ｔ４間において出力コンデンサＣ３に並列接続することで、高圧チョッパＳＤＣの出力電流によって付勢されて点灯する。

自励形駆動回路のうち、駆動信号発生回路ＤＳＧは、降圧チョッパＳＤＣの第１のインダクタＬ１に磁気結合した第２のインダクタＬ２を備えている。そして、第２のインダクタＬ２に誘起した電圧をスイッチング素子Ｑ１の制御端子（ゲート）と一方の主端子（ドレイン）の間に駆動信号として印加して、そのスイッチング素子Ｑ１をオン状態に維持する。なお、第２のインダクタＬ２の他端は、インピーダンス手段Ｚ１を介してスイッチング素子Ｑ１の他方の主端子（ソース）に接続している。

本形態において、駆動信号発生回路ＤＳＧには、上記構成に加えてコンデンサＣ４と抵抗器Ｒ１の直列回路が第２のインダクタＬ２の一端とスイッチング素子Ｑ１の制御端子（ゲート）との間に直列に介在している。また、駆動信号発生回路ＤＳＧの出力端間にツェナーダイオードＺＤ１が接続して、スイッチング素子Ｑ１の制御端子（ゲート）と一方の主端子（ドレイン）の間に過電圧が印加されてスイッチング素子Ｑ１が破壊されないよう過電圧保護回路を形成している。

自励形駆動回路のうち、ターンオフ回路ＴＯＦは、コンパレータＣＰ１、スイッチ素子Ｑ２、第１および第２の制御回路電源ＥＳ１、ＥＳ２を備えている。そして、コンパレータＣＰ１の端子Ｐ１は、その内部の基準電圧回路の基底電位側から導出されてインピーダンス手段Ｚ１と第１のインダクタＬ１の接続点に接続する。また、上記基準電圧回路は、コンパレータＣＰ１内に付設されていて、後述する第２の制御回路電源ＥＳ２から端子Ｐ４で電源の供給を受けて基準電圧を生成し、コンパレータＣＰ１内部の演算増幅器の非反転入力端子に基準電圧を印加する。同様に端子Ｐ２は、コンパレータＣＰ１の入力端子であり、第１のスイッチング素子Ｑ１とインピーダンス手段Ｚ１の接続点に接続して演算増幅器の反転入力端子に入力電圧を印加する。また、端子Ｐ３は、コンパレータＣＰ１の出力端子であり、後述する第２のスイッチング素子Ｑ２のベースに接続して出力電圧を第２のスイッチング素子Ｑ２に印加する。さらに、端子Ｐ５は、後述する第１の制御回路電源ＥＳ１に接続して、コンパレータＣＰ１に制御電源を供給する。

スイッチ素子Ｑ２は、トランジスタからなり、そのコレクタが第１のスイッチング素子Ｑ１の制御端子に接続し、エミッタがインピーダンス素子Ｚ１および第１のインダクタＬ１の接続点に接続している。したがって、スイッチ素子Ｑ２がオンすることによって、自励形駆動信号発生回路ＤＳＧの出力端を短絡する。そうして、スイッチング素子Ｑ１はターンオフする。なお、スイッチ素子Ｑ２のベース・エミッタ間に抵抗器Ｒ２が接続している。

第１の制御回路電源ＥＳ１は、第２のインダクタＬ２の両端にダイオードＤ２およびコンデンサＣ５の直列回路を接続して構成されており、第１のインダクタＬ１が充電されるときに第２のインダクタＬ２に発生する誘起電圧でダイオードＤ２を経由してコンデンサＣ５が充電され、ダイオードＤ２およびコンデンサＣ５の接続点からプラスの電位を出力してコンパレータＣＰ１の出力端子に制御電圧を印加するように構成されている。

第２の制御回路電源ＥＳ２は、第１のインダクタＬ１に磁気結合する第３のインダクタＬ３の両端にダイオードＤ３およびコンデンサＣ６の直列回路を接続して構成されており、第１のインダクタＬ１が放電するときに第３のインダクタＬ３に発生する誘起電圧でダイオードＤ３を経由してコンデンサＣ６が充電され、ダイオードＤ３およびコンデンサＣ６の接続点からプラスの電圧を出力して基準電圧回路に制御電圧を印加して基準電圧を生成するように構成されている。

起動回路ＳＴは、第１のスイッチング素子Ｑ１のドレイン・ゲート間に接続した抵抗器Ｒ３と前記自励形駆動信号発生回路ＤＳＧの抵抗器Ｒ１およびコンデンサＣ４に並列接続する抵抗器Ｒ１０との直列回路、第２のインダクタＬ２、ならびに前記降圧チョッパＳＤＣの第２の回路Ｂの出力コンデンサＣ３および／または負荷回路ＬＣの発光ダイオードＬＥＤからなる直列回路により構成され、直流電源ＤＣの投入時に主として抵抗器Ｒ３とＲ１０の抵抗値比で決まるプラスの起動電圧が第１のスイッチング素子Ｑ１のゲートに印加されて降圧チョッパＳＤＣが起動する。

次に、回路動作について説明する。

直流電源ＤＣは、その平滑コンデンサＣ１の静電容量が例えば比較的低い値に設定されていて、入力電流波形の５次高調波比率が６０％以下となり、その結果入力電流波形の高調波が日本の負荷が２５Ｗ以下の高調波規格（JIS C61000-3-2 Class C）を満足する。

直流電源ＤＣが投入され、起動回路ＳＴにより降圧チョッパＳＤＣが起動すると、スイッチング素子Ｑ１がオンして、直流電源ＤＣから第１の回路Ａ内を出力コンデンサＣ３または／および負荷回路ＬＣの発光ダイオードＬＥＤを経由して直線的に増加する増加電流が流れ出す。この増加電流により、駆動信号発生回路ＤＳＧの第２のインダクタＬ２にはコンデンサＣ４側がプラスとなる電圧が誘起され、この誘起電圧がコンデンサＣ４および抵抗器Ｒ１を経由してスイッチング素子Ｑ１の制御端子（ゲート）にプラスの電圧を印加するので、スイッチング素子Ｑ１はオン状態に維持され増加電流が流れ続ける。これと同時に、増加電流によりインピーダンス手段Ｚ１に電圧降下が生じ、その降下電圧がターンオフ回路ＴＯＦのコンパレータＣＰ１の端子Ｐ２に入力電圧として印加される。

上記増加電流の増大に伴いコンパレータＣＰ１の入力電圧が増加して基準電圧を超えると、コンパレータＣＰ１が動作して、端子Ｐ３にプラスの出力電圧が発生する。その結果、ターンオフ回路ＴＯＦのスイッチ素子Ｑ２がオンして駆動信号発生回路ＤＳＧの出力端を短絡するので、降圧チョッパＳＤＣのスイッチング素子Ｑ１がオフし、上記増加電流が遮断される。

スイッチング素子Ｑ１がオフすると、第１のインダクタＬ１に上記増加電流が流れることによってそこに蓄積されていた電磁エネルギーが放出されて、第１のインダクタＬ１およびフリーホイールダイオードＤ１を含む第２の回路Ｂの内部を出力コンデンサＣ３または／および負荷回路ＬＣの発光ダイオードＬＥＤを経由して減少電流が流れ出す。このときスイッチング素子Ｑ１の制御端子（ゲート）にゼロ電位になっているので、スイッチング素子Ｑ１はオフ状態に維持され減少電流が流れ続ける。

第１のインダクタＬ１内に蓄積されていた電磁エネルギーの放出が終了して減少電流が０になると、第１のインダクタＬ１に逆起電力が発生して、第２のインダクタＬ２に誘起される電圧が逆転し、コンデンサＣ４側が再びプラスに転じるので、この誘起電圧がコンデンサＣ４および抵抗器Ｒ１を経由してスイッチング素子Ｑ１の制御端子（ゲート）にプラスの電圧を印加すると、スイッチング素子Ｑ１は再びオン状態に反転して、再び増加電流が流れ出す。

以後、以上と同様の回路動作が繰り返されて、増加電流および減少電流が合成されて三角波形の負荷電流が流れることにより、負荷回路ＬＣの発光ダイオードＬＥＤは点灯する。

次に、以上の回路動作中のパワーモジュールＰＭにおける放熱動作について図３を参照して説明する。図３は、降圧チョッパＳＤＣの動作における出力電流の波形図である。なお、図中の（ａ）は電源電圧が基準電圧の場合、（ｂ）は電源電圧が基準電圧より高い場合、（ｃ）は電源電圧が基準電圧より低い場合である。

電源電圧が基準電圧の場合、本形態においては、図３の（ａ）に示すように１スイッチング周期ＴのうちＯＮデューティが約５０％になるように設定されている。この状態において、スイッチング素子Ｑ１のＯＮ時にこれを流れて第１のインダクタＬ１を充電する増加電流Ｉｉの通流期間と、スイッチング素子Ｑ１のＯＦＦ時にインダクタＬ１から放電してフリーホイールダイオードＤ１を流れる減少電流Ｉｄの通流期間がほぼ等しくなる。また、電流のピーク値が等しくなる。

そして、増加電流Ｉｉと減少電流Ｉｄとがスイッチングの１周期内で交互に流れ、これに対応する熱がパワーモジュールＰＭ内に発生する。また、スイッチング素子Ｑ１内にそのオン抵抗によって発生する熱は、増加電流Ｉｉが流れる前半の半周期にのみ発生し、後半には発熱しない。他方、フリーホイールダイオードＤ１内に発生する熱は、減少電流が流れる後半の半周期にのみ発生し、前半には発熱しない。

したがって、スイッチング素子Ｑ１内に発生する熱とフリーホイールダイオードＤ１内に発生する熱の合計は、スイッチング素子Ｑ１およびフリーホイールダイオードＤ１の単位電流当たりの発熱量が概ねにおいて近似しているとすれば、単一のスイッチング素子Ｑ１に２等辺三角波状の電流が連続して流れる際にスイッチング素子Ｑ１内にそのオン抵抗によって発生する熱量に凡そ等しくなる。

このことは、スイッチング素子Ｑ１およびフリーホイールダイオードＤ１をパワーモジュールＰＭ化する場合、放熱容量をほぼ１素子分に必要な規模まで低減させることが可能になることを意味している。放熱容量の低減は、パワーモジュールＰＭの小形化を可能にする。

次に、電源電圧が基準電圧より高いときの発熱について説明する。この場合は、図３の（ｂ）に示すような増加電流Ｉｉと減少電流Ｉｄが流れる。すなわち、スイッチング素子Ｑ１のＯＮデューティが小さくなり、このときに流れる増加電流Ｉｉの通流期間が短縮する。反対に、ＯＦＦデューティが大きくなり、このときに流れる減少電流Ｉｄの通流期間が長くなる。しかし、両電流のピーク値が（ａ）の場合と同じで、かつ等しくなるので、スイッチングの１周期Ｔが（ａ）の場合と同じで変化していないので、１周期Ｔ内の発熱量は電源電圧が基準電圧の場合と同じである。
ＯＮデューティが基準電圧の場合より低減５０％になるように設定されている。

次に、電源電圧が基準電圧より低いときの発熱について説明する。この場合は、図３の（ｃ）に示すような増加電流Ｉｉと減少電流Ｉｄが流れる。すなわち、スイッチング素子Ｑ１のＯＮデューティが大きくなり、このときに流れる増加電流Ｉｉの通流期間が長くなる。反対に、ＯＦＦデューティが小さくなり、このときに流れる減少電流Ｉｄの通流期間が短縮される。しかし、両電流のピーク値が（ａ）の場合と同じで、かつ等しいとともに、スイッチングの１周期Ｔが（ａ）の場合と同じで変化していないので、１周期Ｔ内の発熱量は電源電圧が基準電圧の場合と同じである。

以上から理解できるように、スイッチング素子Ｑ１とフリーホイールダイオードＤ１を１モジュール化してパワーモジュールＰＭを構成すると、放熱容量が１素子分の必要規模でよくなって、放熱容量が低減するから、パワーモジュールＰＭ延いては発光ダイオード点灯装置の小形化を図ることが可能になる。また、負荷の発光ダイオードＬＥＤが不変であれば、電源電圧変動や電源電圧の変更に対してもスイッチング素子Ｑ２に流れる電流とフリーホイールダイオードＤ１に流れる電流の通流期間およびピーク値が同じなので、必要な放熱容量がほぼ一定であるから、回路の柔軟性が向上する。

次に、図４を参照して本発明の発光ダイオード点灯装置を実施するための第２の形態を説明する。なお、図１と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。本形態は、電球形ＬＥＤランプ２０を構成している点で第１の形態と異なる。

すなわち、電球形ＬＥＤランプは、ランプ本体２１、ＬＥＤモジュール２２、グローブ２３、絶縁ケース２４、ＬＥＤ点灯回路基板２５および口金２６を主な構成要素からなる。

ランプ本体２１は、アルミニウムなどの熱伝導性物質からなり、略逆切頭円錐状をなし、図４において上端に後述するＬＥＤモジュール２２を、ランプ本体２１との間に熱伝導関係を形成しながら機械的に支持している。また、下部に形成した凹部２１ａ内に後述する絶縁ケース２４を収容する。さらに、ランプ本体２１を上下に貫通する貫通孔２１ｂを備えている。さらに、ランプ本体２１は、その外面に放熱フィンを形成して放熱面積を増大させることができる。

ＬＥＤモジュール２２は、複数の発光ダイオードＬＥＤを実装した円形の基板２２ａを備えている。また、基板２２ａは、貫通孔２１ａに一致する位置に配線孔２２ａ１を有している。さらに、基板２２ａは、例えばアルミニウムなどの熱伝導性物質を主体として構成されていて、発光ダイオードＬＥＤの発生熱が基板２２ａを経由してランプ本体２１に伝導されるようにしている。複数の発光ダイオードＬＥＤを点灯するためのＬＥＤ点灯回路（図１の降圧チョッパＳＤＣ）からの負荷電流供給は、貫通孔２１ｂおよび配線孔２２ａ１を経由して通線された図示しない導電線路を介して後述するＬＥＤ点灯回路基板２５から行われる。

グローブ２３は、複数の発光ダイオードＬＥＤを包囲するようにランプ本体２１の図において上端に装着されて、発光ダイオードＬＥＤの充電部を保護するとともに発光ダイオードＬＥＤを機械的に保護する。なお、所望によりグローブ２３に制光手段（図示しない。）、例えば光拡散手段を配設または一体に形成して配光特性を制御することもできる。なお、外観視において、グローブ２３とランプ本体２１の境界部に配設された傾斜面を有するリング２７は、外表面が反射性を有していて、グローブ２３から図において下方へ放射された光を反射して配光特性を補正する機能がある。

絶縁ケース２４は、ランプ本体２１に対して電気絶縁性の物質、例えばプラスチックスまたはセラミックスなどからなり、ランプ本体２１の凹部２１ａ内に収容され、内部に後述するＬＥＤ点灯回路基板２５を収納している。また、絶縁ケース２４は、逆有底円筒状をなしていて下端が開放され、ランプ本体２１の凹部２１ａ内に収容された状態において、上端がランプ本体２１の貫通孔２１ｂに一致する通線孔２４ａを形成した閉塞端になっていて、かつ中間部外面に鍔部２４ｂを備えている。鍔部２４ｂは、絶縁ケース２４がランプ本体２１の凹部２１ｂ内に収容されている状態で図においてランプ本体２１の下端に当接している。

ＬＥＤ点灯回路基板２５は、図１の発光ダイオードＬＥＤを除いた残余の回路部分を実装していて、絶縁ケース２４内に収納されている。図中の図１と同一符号を付した回路部品は比較的大きな部品であり、図１におけるのと同一の回路部品である。その他の回路部品については比較的小形の部品なので図示を省略しているが、ＬＥＤ点灯回路基板２５の図において主として背面側に実装されている。

口金２６は、Ｅ２６形ねじ口金であり、絶縁ケース２４の下部に装着されて絶縁ケース２４の下部開口端を閉鎖している。すなわち、口金２６は、口金シェル２６ａ、絶縁体２６ｂおよびセンターコンタクト２６ｃを備えている。そして、口金シェル２６ａは、絶縁ケース２４の下部に装着されて図において上端が絶縁ケース２４の鍔部２４ｂに当接しているとともに、図示を省略している導線を介してＬＥＤ点灯回路基板２５の入力端の一方に接続している。絶縁体２６ｂは、口金シェル２６ａの図において下端を閉塞するとともにセンターコンタクト２６ｃを、口金シェル２６ａに対して絶縁関係となるように支持している。センターコンタクト２６ｃは、図示を省略している導線を介してＬＥＤ点灯回路基板２５の入力端の他方に接続している。

そうして、以上説明した電球形ＬＥＤランプは、全体として一体化されていて、白熱電球と同様の感覚で図示しないＥ２６形ソケットにねじ込めば光源としての使用に供することができる。

次に、図４を参照して本発明の発光ダイオード点灯装置を実施するための第３の形態を説明する。本形態は、発光ダイオードＬＥＤとパワーモジュールＰＭのスイッチング素子Ｑ２とを熱結合した点で第２の形態と異なる。

すなわち、発光ダイオードＬＥＤの発生熱は、ランプ本体２１に伝導するので、絶縁ケース２４を熱伝導性物質、例えば熱伝導性が良好な既知のセラミックスや熱伝導性プラスチックスにより形成する。また、ＬＥＤ点灯回路基板２５を絶縁ケース２４に対して熱伝導関係に収納する。例えば、ＬＥＤ点灯回路基板２５を収納した絶縁ケース２４内のスペースに熱伝導の良好なシリコーン樹脂を充填する。

そうして、発光ダイオードＬＥＤとパワーモジュールＰＭのスイッチング素子Ｑ２とがランプ本体２１および絶縁ケース２４を介して熱的に結合するので、発光ダイオードＬＥＤに異常発熱の故障モード発生したときには、ランプ本体２１および絶縁ケース２４を介してパワーモジュールＰＭのスイッチング素子Ｑ２が温度過昇となって破壊される。その結果、発光ダイオード点灯装置の動作が停止され、発煙、発火の危険を回避することができる。

Ａ…第１の回路、Ｂ…第２の回路、Ｃ１…平滑コンデンサ、ＣＰ１、ＣＰ２…コンパレータ、Ｄ１…フリーホイールダイオード、Ｄ２、Ｄ３…ダイオード、ＤＣ…直流電源、ＤＢ…全波整流回路、ＤＳＧ…自励形駆動信号発生回路、ＥＳ１…第１の制御回路電源、ＥＳ２…第２の制御回路電源、Ｌ１…第１のインダクタ、ＬＥＤ…発光ダイオード、ＬＣ…負荷回路、ＰＭ…パワーモジュール、Ｑ１…スイッチング素子、Ｑ２…スイッチ素子、ＳＤＣ…降圧チョッパ、ＳＴ…起動回路、ＴＯＦ…ターンオフ回路、Ｚ１…インピーダンス手段

Claims

直流電源と；
入力端、スイッチング素子、インダクタ、フリーホイールダイオードおよび出力端を含み、入力端が直流電源の出力端に接続し、入力端および出力端の間に形スイッチング素子およびインダクタが直列に接続し、かつ出力端にフリーホイールダイオードおよびインダクタが直列に接続し、かつスイッチング素子およびフリーホイールダイオードが１モジュール化されている降圧チョッパと；
降圧チョッパのスイッチング素子を所定周期および所定のデューティでスイッチングさせる駆動回路と；
降圧チョッパの出力端に接続した発光ダイオードと；
を具備していることを特徴とする発光ダイオード点灯装置。
降圧チョッパのスイッチング素子と発光ダイオードとが熱結合していて、発光ダイオードが異常温度上昇したときにスイッチング素子が熱破壊するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード点灯装置。
照明器具本体と；
照明器具本体に配設された請求項１または２記載の点灯装置と；
を具備していることを特徴とする照明器具。