JP2010541256A - 力率補正回路および駆動回路 - Google Patents
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Abstract
力率補正回路および駆動回路および回路段が記載される。より詳しくは、電力調整のために補助巻線を用いる力率補正回路が記載される。また、直列配置された発光ダイオードのような電気的負荷用の駆動回路も記載される。そのような駆動回路の1つの実施例は、直列配置されたLEDのような高電圧の用途および負荷に対して、出力電流の均一性を改善させるコンパレータおよび/または電圧調整器を実現することができる。力率補正段および駆動段の実施例では、これらを組み合わせて1つの電源装置として用いることができ、1つの共通の回路基板上に構成することもできる。力率補正回路と駆動回路を、照明装置として、1つ以上の発光素子と組み合わせてもよい。
Description
本発明の開示は、概要として、力率補正回路および駆動回路に関する。より詳しくは、本発明の開示は、電力調整のために補助インダクタ巻線を用いる力率補正回路、ならびに直列配置された複数の発光ダイオード(LED)のような電気的負荷のために構成された高電圧駆動回路に関する。
力率とは、皮相電力に対する実電力の比率である。米国においては、約120ボルトの交流電力が約60ヘルツの周波数で供給される。欧州およびその他の地域では、約240ボルトの交流電力が約50ヘルツの周波数で供給される。
力率補正(PFC)は、1未満の力率を作り出す電気的負荷の特性を調整する過程である。力率補正は、送電施設で送電網の安定性と効率を高めるのに用いられることがある。あるいは、力率補正を個々の電力ユーザーが設置して、電力供給者から課せられる料金を減らすのに用いることもできる。送電システムでは、伝送損失を減らし、負荷における電圧調整性を向上させるために、一般的に高い力率(すなわち、100%または「1」に近いこと)が望ましい。
交流電力を消費する電気的負荷は、有効に働くまたは働きうる実電力と、負荷でエネルギーが消費されずに各交流サイクルで電源に戻される無効電力の両方を消費する。実電力と無効電力のベクトル和が皮相電力である。皮相電力に対する実電力の比が力率であり、0から1の間の数値(0および1を含む)である。無効電力の存在故に実電力は皮相電力より小さくなり、そのため、電気的負荷の力率は1未満になる。
無効電力は電源と負荷との間の流れる電流を増加させ、それが送電線および配電線での電力損失を増加させる。これが、電力会社にとって付加的コストをもたらす結果となっている。したがって、電力会社はユーザー、特に大きい負荷のユーザーに対して、規定値(通常0.90またはそれ以上の値)以上の力率を維持するよう要請しており、さもなければ付加的料金を課している。電気設備は、高需要ユーザーにより使用される無効電力を測定し、それに応じて高い料率を課している。このような高いコストを下げるために力率補正手段を工場に設置しているユーザーもある。
発電、送電、配電および電力消費に関わる電気エンジニアにとって、負荷の力率は関心の対象である。なぜなら、負荷の力率は、電力業界と消費者の双方にとって、効率とコストに影響を及ぼすからである。すなわち無効電力のため、操業費が高まるだけでなく、より高い電流容量の配線、スイッチ、ブレーカー、トランスおよび送電線を用いなければならなくなることがある。
力率補正とは、負荷の誘起効果または容量効果をそれぞれ打ち消すように作用するコンデンサまたはインダクタを付加して、逆極性の無効電力を供給することにより、交流回路の力率を1に近づけることである。例えば、電動機の負荷の誘起効果は、負荷毎にコンデンサを接続することで相殺できる。容量性負荷を加えたことにより力率が進んでいるときには、力率を補正するためにインダクタが用いられる。電力業界では、インダクタが無効電力を消費し、コンデンサが無効電力を供給するという言い方が用いられているが、実際には、無効電力は各交流サイクルの間で往復しているに過ぎない。
コンデンサを用いる代わりに、無負荷の同期電動機を用いることもできる。同期電動機により引き込まれる無効電力は、その電動機の励磁関数の1つである。この同期電動機は同期調相機と呼ばれている。このような同期調相機が電気系統に導入され接続されている。同期調相機は完全に進み力率で動作し、無効電力(一般的に、ボルト−アンペアリアクティブまたはVARと呼ばれている)を、必要に応じて電気系統に加えて、或るシステムの電圧を補助し、あるいは、そのシステムの力率を規定のレベルに保つ。同期調相機の設置と動作は、大型電動機のそれと同じである。その主な利点は、電気的に可変のコンデンサのように動作するので、補正量を簡単に調整できることにある。
非線形負荷は、元の交流電流の他に高調波電流を発生する。コンデンサやインダクタのような線形構成要素を加えても、これらの高調波電流を打ち消すことはできないので、フィルタや能動的力率補正のような他の方法を用いて、交流電流の各サイクルに亘る電流需要を平滑化することで高調波電流の発生を低減する必要がある。
典型的なスイッチング電源装置では、先ず、ブリッジ整流器またはそれに類する回路を用いて交流電流を整流して直流バス(つまり直流リプル電流)を形成する。そして、この直流バスから出力電圧を取り出す。このとき生ずる問題は、整流器が非線形手段であるため、入力電流が高度に非線形であることである。それは、入力電流が、電圧の周波数の高調波でエネルギーを有することを意味する。
このことは、電力会社にとって特に問題である。なぜなら、線形負荷に引き込まれる無効電力に対してなら通用しうるコンデンサやインダクタの付加だけでは、高調波電流に対する補正を行えないからである。そのため多くの行政区域で、所定電力レベル以上の全ての給電に対する力率補正が法的に要求されるようになってきた。
図1は、先行技術により力率補正(PFC)を行うよう設計された電子装置の電流および電圧の波形を示す。図示のように、電圧波形は正弦波形状であり、電流波形は、一定の電流値と、高調波を高度に含む電流振幅の大きなスパイクとを有する波形として特徴づけられる。電流波形における大きなスパイクは、スイッチング電源装置であるが故に、整流ブリッジ回路と平滑化コンデンサ回路を用いることに起因するものである。効率の点では、典型的な補正されていないスイッチング電源装置は、力率が0.6であり、これが、実際上、交流コンセントから得られる電流を約13アンペアから約7.8アンペアに低下させている。
力率補正のための1つの解決法は、能動的力率補正技術を用いて、設備装置の入力負荷電力を、純粋に抵抗的になるように条件設定することである。一般的な力率補正の設計では、実際上スイッチング電源装置に縦続接続されている従来の電圧調整段の前に、昇圧前置変換器が設けられる。昇圧前置変換器は、全波整流され濾波されていない交流ライン電圧を、この交流ライン電圧よりやや上のレベルの直流入力レール電圧、例えば375ボルトから400ボルト程度の直流電圧に引き上げる。交流ラインサイクル全体に亘って電流を引き込むことにより、昇圧前置変換器は、負荷が交流ライン電圧と同相で電流を引き込むように強制し、これにより高調波の発生を抑える。
高調波電流を制御する最も簡単な方法は、受動的力率補正技術としてフィルタを用いることである。フィルタを、ライン周波数(例えば50Hzまたは60Hz)の電流のみ通過させるように設計することができる。このフィルタは高調波電流を低減し、これは、非線形装置が線形負荷のようになることを意味する。この時点で、必要に応じてコンデンサやインダクタを用いて、力率をほぼ1にすることができる。しかしながら、このフィルタは、大きな値の高電流インダクタを必要とし、そのようなインダクタは、かさばり高価である。これが、コンデンサバンクを用いて負荷の非線形性を補正する簡単な方法である。しかしこの方法は能動的力率補正ほど有効ではない。コンデンサを回路に接続したり回路から切断したりする切替を行うと高調波が生じるため、能動的力率補正または同期電動機のほうが好ましい。
能動的力率補正を行うことも可能である。そのためには、通常は昇圧変換器がブリッジ整流器と主要入力コンデンサとの間に挿入される。昇圧変換器は、その出力側で定直流バス電圧を維持する一方で、ライン電圧と常に同相で同じ周波数の電流を引き込むように構成されている。電源装置内の別のスイッチング変換器が、直流バスから所望の出力電圧を生成する。この方法は、付加的な半導体スイッチと制御電子回路を必要とするが、より安価で小型の受動的構成要素で実施できる。能動的力率補正手段を用いた多くのパワーエレクトロニクスシステムは、その非常に広範な入力電圧範囲故に、約100V(日本)から240V(英国)までの交流電力で動作するように自動的に調整することができる。
能動的力率補正手段(アクティブPFC)は、「1」に出来るだけ近い力率値が得られるように負荷から引き出される電力量を制御するパワーエレクトロニクスシステムである。殆どの用途において、アクティブPFCは、負荷の入力電流を制御することで電流波形が主電圧波形(正弦波)に比例するよう作用する。アクティブPFCには、(i)ブースト型、(ii)バック型、(iii)バック−ブースト型の能動的力率補正手段等があり、いずれのタイプにも、単段式と多段式がある。アクティブPFCによって、0.99(99%)の力率補正値を得ることが出来る。
整流器ブリッジ回路と平滑化コンデンサ回路を使用する電源装置は、交流ラインの瞬間電圧が蓄積コンデンサの電圧を超過したときに非正弦波電流を引き込む。力率補正を行わない発電機は、電力を、そのサイクル全体に亘ってではなく正弦波の頂点で供給しなければならず、そのため正弦波が頂点付近で崩れてしまうことがある。
図2は、先行技術による昇圧前置変換器を有する力率補正回路を示す。全波ブリッジ整流器200は交流入力電圧を受け取り、全波整流された電圧を生成する。昇圧前置変換器205は、全波整流された電圧を受け取り、負荷がこの電圧と同相で電流を引き出すように作用する。電流波形は、出力側と制御回路220に接続されたスイッチング手段215によって決定される。制御回路220は、スイッチング手段215への入力を提供し、出力側からの信号と整流器・昇圧ノード225からの信号とを入力信号として受け取る。この回路は、電流波形を電圧波形に類似し且つ電圧波形と同相になるように成形することにより、力率の問題を解決することが出来る。
しかし、比較的高い電圧で電力を供給する場合を含むいくつかの用途では、先に述べた力率補正技術は、力率補正値が「1」でないために、効率において望ましくない損失をもたらすことがある。
多くの工業的、商業的および公的インフラ用途で、照明用に発光ダイオードを用いることが増えてきた。白熱灯や蛍光灯などの従来の照明技術に比べて、LEDは、カラースペクトルが広く、サイズがコンパクトで、エネルギー効率が高く、水銀などの環境汚染の心配が無く、動作寿命が長く、出力を弱めることができ、(望まれれば)赤外線成分や紫外線成分を含まないようにでき、且つ(LED毎の)電圧を低くできる。LEDは、本来的に低電圧デバイスであり、色と電流に依存してLEDの順電圧は2V未満から4.5Vまで変動しうる。さらに、LEDは、所望の光度と色とを確保するためには定電流で駆動する必要がある。LEDを含む様々な照明等の電気的構成要素のための駆動段に関しては、電力調整と力率補正のためにレギュレータが用いられてきた。しかし、そのようなレギュレータや力率補正技術は、最適な電流制御には十分でないことが明らかとなっている。むしろ、この技術は、電流配送において許容しがたい変動をもたらすことがあり、これに伴い、付加的構成要素の寿命の短縮や熱管理の問題が生じうる。
したがって、現在不足しているのは、様々な動作条件の下で、比較的高い電圧に対して、「1」に近い力率補正値を提供するための技術である。さらに不足しているのは、強力且つより均一に電力調整を行える、電気的構成要素、殊に、印加電力の変動が顕著な可視的効果を生じうるLED装置等の照明装置のための、比較的高い電圧を供給する技術である。
本発明の開示は、様々な動作条件の下で、比較的高い電圧、例えば約400V以上、に対して、「1」に近い力率補正値を提供するための技術と、回路を含むシステムとを対象とし且つそれらを包含するものである。本発明の開示に記載の、技術および回路系統を含めたシステムは、広範囲に且つより均一に電力および電流の調整を行いつつ電気的構成要素に対して比較的高い電圧を供給することができる。
実施例は、LEDから成る構造、例えば所望の個数の適宜のLEDの直列配置構造、を動作させ制御するために利用または実施することができる。
本発明の開示の1つの態様は、力率補正を提供する技術およびシステムを含み、このシステムには回路、回路系統および/または回路段が含まれる。より詳しくは、本発明の開示の1つの態様は、電力調整および電流位相(例えばゼロ点)の検出のために補助インダクタ巻線を用いる力率補正回路に関し、またそのような力率補正回路を提供しうるものである。
本発明の開示のもう1つの態様は、直列配置された複数のLEDのような電気的負荷のために構成された高電圧駆動回路に関し、またそのような高電圧駆動回路を提供しうるものである。そのような駆動段または回路の1つの実施例は、直列配置されたLEDのような高電圧の用途および負荷に対する出力電流の均一性の向上を可能とするコンパレータおよび/または電圧レギュレータに実施することができる。
力率補正段または回路の実施例および駆動段または回路の実施例は、組み合わせた1つの回路として構成配置することができる。そのような実施形態は、電源装置として使用でき、共通の1つの回路基板に、例えば1つの基板の両面に構成してもよい。
本発明の開示のその他の態様、実施形態および詳細は、以下の記載により添付の図面を参照して明らかとなるであろう。
本発明の開示の態様および実施形態は、以下の記載を添付の図面と共に読めば、より十分に理解できるであろう。なお添付の図面は、本来説明のためのものとみなすべきであって、本発明を限定するものとみなすべきではない。図面は一定の縮尺比をもって描かれるわけではなく、本発明の開示の原理を説明することに重きが置かれている。
いくつかの実施形態を図示するが、図示の実施形態は説明のためのものであって、図示の形態ならびに本明細書に記載の他の実施形態の変形・変更は、本発明の開示の範囲内で可能であり且つ実施できるであろう。
さらに、図には特定の成分値および/または部品番号または型番号が示されているが、本発明の開示の範囲内で他の適当な値を有する他の適当な部品ないし構成要素を使用してもよいことは、当業者であれば自明であろう。
本発明の開示の態様および実施形態は、力率補正に用いることができる回路または回路段および/または駆動機能を有する電気的装置または構成要素を提供する。そのような回路段または回路は、力率補正および/または電力調整能力を高め、例えばLEDや関連する構成要素の直列配置構造のような電気的負荷の有効寿命を長くするとともに、熱損失やそれに関連するコストを低減するのに用いることができる。
本発明の開示の別の態様は、発光ダイオードの直列配置のような電気的負荷用に構成された高電圧駆動回路に関する。駆動回路の1つの実施例は、直列配置されたLEDのような高電圧の用途および負荷に対して、出力電流の均一性を改善することができるコンパレータおよび/または電圧調整器を実現することができる。
本発明の開示の態様および実施形態は、本明細書の記載を添付の図面と共に読めば、より十分に理解できるであろう。なお添付の図面は、本来説明のためのものであって、本発明を限定しないものとみなすべきである。図示の回路の実施形態の主な特徴的構成には参照符号を付し(例えば図3のコンデンサ336)、関連する記載の中で言及しているが、さほど重要でない構成には図面において参照符号を付さず、説明も行っていない。しかしながら、理解を容易にするために、この詳細な説明に記載の図面において、図示の回路の機能的構成要素には、代表的な定格値、端子番号、および/または値に加えて、代表的な印加電圧入力値と接地記号ならびに回路要素記号および文字を(従来の規格にそって)設けている(例えば図3では、電極コンデンサC1の公称静電容量が450Vに対して68μFであることを示す)。なお図には特定の成分値および/または部品番号または型番号を示したが、本発明の開示の範囲内で他の適当な値を有する他の適当な部品または構成要素を使用してもよいことは、当業者であれば自明であろう。
本発明の開示の1つの態様は、電力調整および/または電流位相(例えばゼロ点)の検出のために補助インダクタ巻線を用いる力率補正回路に関する。そのような力率補正回路の一例を図3に示す。
図3は、本発明の開示の1つの実施例による、力率補正回路ないし段300の回路図を示す。
図3に示すように、力率補正段300は、EMI(電磁妨害)フィルタ部320に接続された昇圧回路310(例えば昇圧前置変換器トポロジーまたは回路部分にて構成される)を含む構成とすることができる。EMIフィルタ部320は、図示のような、ライン、中性点およびアース接地を有する典型的な120ボルトの交流電源から供給されるような交流電力を受け取るように構成することができる。昇圧回路310は、能動的力率補正コントローラ312を含むものとすることができる。力率補正段300は、電力調整回路330および整流器340も含むものとすることができる。いくつかの適用例ないし実施例において、力率補正段300を、臨界導通モード(CRM)で動作するように構成することができる。
昇圧回路310は、補助巻線316を有する昇圧つまり力率補正用コイル314を含むものとすることができる。補助巻線316からの電圧を力率補正コントローラ310および/またはその他の回路または構成要素、例えば図4に示すような駆動コントローラ、で使用するのに望ましい電圧に調整するために、定電圧回路もしくはレギュレータ330を力率補正段300に含めてもよい。整流器340を力率補正段300に含めることができ、昇圧回路310への整流電圧および電流を容易に生成するために、図示のようにEMIフィルタ回路320からの交流を受け取るように構成配置してもよい。実施例では、NCP1606Bコントローラを力率コントローラ310として用いることができる。特定の用途に対して、NCP1606コントローラのいずれの端子に加わる最大電圧も20V以下に制限することができる。実施例において、昇圧コイル314を、市販のコイルクラフト社製FA2890−AL型力率補正昇圧インダクタとすることができる。
引き続き図3に関して述べると、EMIフィルタ回路310は、電磁妨害遮断ないし濾波のために、図示のように、バリスタ322と、ヒューズ324と、複数のコンデンサ326(1)、326(2)、326(3)、326(4)と、1つ以上のコイルすなわちインダクタ328(1)、328(2)、328(3)、328(4)とを含むものとすることができる。
力率補正コントローラ312(例えば図3に示すように構成されたNCP1606型コントローラ)は、インダクタ電圧を検知することで正しい遮断時間を決定する。インダクタ電流がゼロに降下したとき、トランジスタスイッチ317(実施例では、Q1として示される、フェアチャイルド・セミコンダクター社の市販の550V N形エンハンスメントモードMOSFETであるFDPF7N50型トランジスタ)のドレイン電圧は基本的に流動的であり、降下し始めることがある。この瞬間にスイッチ317をオンにすると、臨界導通モード(CRM)動作が達成される。この高電圧を昇圧インダクタで直接測定することは、一般的には非経済的で非実用的である。そこで昇圧インダクタ314から、より小型の補助巻線316を取り出す。この巻線316は、ゼロ電流検出器(ZCD)巻線として動作し(例えば、図示のようにコントローラ312の端子8に接続されており)、殊に、力率補正コントローラ312が使用するための、インダクタ314の出力に比例する出力を提供する。
上記のように、補助コイル巻線316の主な用途は、力率補正コントローラ(例えば実施例ではNCP1606型集積回路)によって、力率補正インダクタ314の電流が所定の位相点にいつ達するかを特定する、例えば、力率補正インダクタ314で電流のゼロ点通過がいつ起きるかを特定することができるようにすることである。臨界導通モード運転に関しては、交流サイクルに亘ってオン時間は一定であるのに対し、臨界導通モード運転におけるオフ時間は目下の入力電圧と共に変動する。
ゼロ電流検知を行う他に、補助コイル巻線316は、力率補正コントローラ312、例えばNCP1606コントローラおよび/またはそれに関連するまたは接続された構成要素および回路系統、例えば図4で図示説明するスーパーテックスHV9910型のような駆動コントローラ、を作動させるのに必要な電力の供給も行う。
力率補正段300の動作において、力率補正コントローラ312(例えばNCP1606)は、回路300に給電を開始するときには不作動状態である。給電開始すると、僅かな電流が抵抗313(1)および313(2)を介して流れ始める。なお、これらの抵抗は、1つの実施例として、図3にR24およびR23で示すような270オームの抵抗値を有するものとすることができる。このようにして発生した電流はコンデンサ315を充電する。このコンデンサは、例えば図3にC13で示すような25Vで10μFの値をもつ電極コンデンサとすることができる。コンデンサ315の電圧が力率補正コントローラ312用のオン電圧Vcc(on)に達すると、力率補正コントローラ312は起動することができ、トランジスタスイッチ317(実施例ではQ1として示される、550V N形エンハンスメントモードMOSFETである、フェアチャイルド・セミコンダクター社の市販のFDPF7N50型トランジスタ)をオンにする。これにより、力率補正インダクタ314(実施例ではL2として示される、市販のコイルクラフト社製の部品番号FA2890−ALのインダクタ)に電流が流れ、補助巻線316の電流も比例して上昇する。
力率補正段300の定電圧回路(またはレギュレータ)330は、共通のエミッタ増幅器332と、ツェナーダイオード334と、蓄積コンデンサ336と、ローカルコンデンサ338とを含むものとすることができ、ローカルコンデンサ338は、例えばダイオード339と電荷ポンプ318とを介してコイル314の補助巻線316に接続することができる。共通エミッタ増幅器332は、図示のようにNPNトランジスタを含むものとすることができる。実施例では、図3に示すように、NPNトランジスタは、定格80VCEMAXのBCP56型トランジスタとすることができ、蓄積コンデンサ336は、53Vに対して定格47μFの電極コンデンサとすることができ、ローカルコンデンサ338は、25Vに対して定格10μFのコンデンサとすることができる。
力率補正段300の電圧レギュレータ330は、補助巻線316からの電圧を所望のレベルに、例えば、補助巻線の供給電圧である40Vから力率補正コントローラ312に必要な20Vに調整するように動作することができる。そのような調整は、多くの用途にとって望ましいといえる。なぜなら、コンデンサ336の電圧(例えば、図示のように、実施例ではc9において40Vとなりうる)が安価で容易に入手可能な線形レギュレータ、例えばLM7812型レギュレータ、に印加する電圧としては大き過ぎることがあるので、あるいは、そのようなレギュレータの最大定格値に近すぎて、安全性の点で満足できるないしは望ましいとはいえないからである。
力率補正段300の動作において、(例えば臨界導通モード運転の間に)力率補正コントローラの一定のオン時間が経過すると、スイッチ317がオフにされ、力率補正インダクタ314に集められたエネルギーがダイオード311を介してコンデンサ319に送られる。このコンデンサ319は、例えば図3ではC1として示される、400V出力350のための、450Vの最大電圧のとき68μFの電極コンデンサである。力率補正インダクタ電流がゼロまで降下すると(これは補助巻線316で検出される)、力率補正コントローラ312(例えばトランジスタスイッチQ1)がスイッチ317を一定のオン時間の間導通させる。このようにして同じ過程が繰り返される。一定のオン時間とは、力率補正インダクタ314の電流が、入力電圧が高まればより高い値になり、入力電圧が低くなれば低くなる期間である。このように、入力電流パルスが入力電圧に結びつけられているので、力率補正段300により提供される力率は高くなる(「1」に近づく)。
上記のように、補助巻線316は力率補正コントローラ312(例えばNCP1606)および/またはそれに接続された構成要素(例えば図4の駆動回路412)を動作させる電力を供給するために用いることができる。この役割において、補助巻線316の交流出力(または交流成分)が有利に直流に変換され平滑化される。電荷ポンプ318(例えば図3においてR21、C22およびD6を含む)を314の補助巻線316に接続してもよい。蓄積コンデンサ336の電圧は、補助巻線316からの電圧よりもダイオード1つ分降下する。例えば、インダクタ314の公称電圧が400Vで、巻線比が10:1であるとすれば、補助巻線316には40Vの電圧が加わる(ただしこれは電荷ポンプ318の抵抗およびコンデンサを通過することで降下する前の値である)。
定電圧回路330の説明を引き続き行うと、その電圧が(先行技術に比べて)高く且つ蓄積コンデンサ336の静電容量を所望の値、例えば68μF、47μF、39μF等、となるよう設計できるので、出力の電圧超過状態が原因で力率補正スイッチング回路がシャットダウンしたときに、蓄積された十分なエネルギーを、力率補正コントローラ312および/またはその他の回路構成要素(例えば、図4で図示説明するコントローラ412)に供給することができる。コンデンサ336から供給できるエネルギーがない場合には、電圧超過状態にユーザーが気づけるようにする。例えば電気的負荷がLEDの連鎖体の場合、部材ないし負荷(複数列のLED)に力率補正のオフ時間に亘って給電するにはコンデンサ336のエネルギーが不十分なとき、フラッシュ光としてユーザーに電圧超過状態を気づかせることができる。
力率補正回路に加えて、本発明の開示は別の態様を提示しており、その態様には、電気的負荷に比較的高い電圧、例えば400Vの直流、と高度に均一な電流とを供給するよう構成配置された駆動回路または回路段が含まれる。図4は、本発明の開示の1つの実施例による、そのような駆動回路または段400の回路図を示す。
図4に示すように、駆動段400は、駆動制御トポロジーまたは回路410と、比較回路420と、基準電圧回路ないし定電圧回路430とを含む構成とすることができる。駆動段400は、入力側450で受け取った電力を、電気的負荷460に適した値に調整するよう構成配置することができる。入力側450の電圧は比較的高い電圧、例えば400Vまたはそれ以上の直流電圧、またはそのような電圧範囲に亘る電圧、例えば約400Vから約500V等とすることができる。実施例では、駆動段400は、図4に示すような直列配置LEDを含む電気負荷に連結することができる。また駆動段400には、図示のようにコンデンサバンク470を含めてもよい。
駆動制御回路410は、駆動用集積回路(IC)であるコントローラ412を含むものとすることができる。比較回路420は適宜のコンパレータ422を含むことができる。定電圧回路430は、図示のように構成された適宜の調整器(つまりシャント・レギュレータ)432を含むことができる。駆動回路400の適用例において、パルス幅変調型高効率LED駆動制御ICをコントローラ412として用いることができる。実施例においては、市販のスーパーテックス社製HV9910BNG−G型LED駆動用ICを駆動コントローラ412として用いることができる。実施例において、テキサス・インスツルメンツ社から入手可能なTL331IDBV型単一差動コンパレータをコンパレータ422として用いることができる。また、実施例において、テキサス・インスツルメンツ社から入手可能なTL431cDBz型シャント・レギュレータ(またはそれに類するもの)を調整器432として定電圧回路430に用いることができる。
引き続き図4に関して説明すると、駆動段400は、例えば図示のように入力側450とスイッチ456のドレインとの間に構成されるダイオードつまりフライバックダイオード452を含む構成とすることができ、スイッチ456は、スイッチとして構成されたMOSFETとすることができる。フライバックダイオード452は、スイッチ(例えばMOSFET)のオフ時に、負荷電流ないしインダクタ電流(すなわち負荷および/またはインダクタを流れる電流)のための帰還路を提供することができる。コントローラ412がMOSFET456をオンにすると、電流がLED負荷460およびインダクタ454を流れる。コントローラ412がMOSFET456をオフにすると、オン時間の間にインダクタ454に蓄積されたエネルギーによって、電流は引き続き負荷460とインダクタ454に流れ込む。この電流がフライバックダイオード452に順方向バイアスを加えてループを閉じる。実施例では、ダイオード452は、炭化ケイ素(SiC)ショットキダイオード、例えば市販のクレー社製CSD01060A型とすることができる。そのように構成することで、駆動段400の負荷を形成する装置ないし構成要素の寿命を長くすることができる。
実施例において、段400は、例えば図3の力率補正段300から供給される約400Vの直流入力電圧を受け取るよう構成され、所望の負荷に対して調整された電力を供給するのに用いることができる。段400は、実施例において、100KHz、0.425アンペアで動作させることができる。実施例において、駆動段400を直列配置されたLEDに電流を供給するために用いることができる。段400は、所望の電流定格で、例えば350mA±3〜4%で、電流を供給することができる。これに対して、先行技術では、同様の電圧で電気的負荷に供給される電流の精度は±20%に過ぎなかった。
引き続き図4に関して説明する。駆動コントローラ412(例えば図4にU1で示すHV9910型IC)は、動作中、トランジスタスイッチ452(例えば、フェアチャイルド・セミコンダクター社製の市販の部品番号550VのN形エンハンスメントモードMOSFETであるFDPF7N50型トランジスタQ2)をオンにすることでパルス幅変調(PWM)サイクルを開始することができる。この時点で、力率補正電源450から供給される電流(例えば400Vの直流)は、負荷460(例えば複数のLED)を流れ、それからインダクタ454とスイッチ456と抵抗458とを通って接地されることになる。この結果、電流は、コンパレータ422のプラス入力がそのマイナス入力より高くなるまで上昇するようになる。プラス入力がそのマイナス入力より高くなった時点で、コンパレータの出力がハイになり、これによりコントローラの(CS)入力を駆動するので、コントローラ412がスイッチ456をオフにする。オフ時間(例えばRoscで示す端子14に接続された抵抗R7の値によって決定される)が過ぎると、サイクルが再び繰り返される。
引き続き図4に関して述べると、先行技術の駆動装置では、諸々の用途にとって許容できないほど高い基板間出力電流変動が起こっていたが、駆動回路400は、このような先行技術を改善する電流調整を行うことができる。基板間(またはユニット間)の電流変動の幅は広いが、駆動回路400は、それを克服することができる。電流変動は、従来技術の駆動コントローラ、例えばHV9910、の性能が、電流検知引き込み閾値電圧Vcs(hi)に関して低いことに起因していた。この電圧は、例えば225mVから275mVであり、その場合、350mAの公称電流に対して、314mAから384mAの間の電流変動を生じることがあり、このためコントローラのデータシートの全範囲が見込まれていた。
上記のように、供給電流のそのような大幅な変動は、多くの負荷用途、例えば直列配置された高効率LED、にとって許容できないかまたは望ましくない。外部コンパレータ420と基準ないし定電圧回路430とを設ける、ないしは追加することにより、先行技術に比べて遙かに優れた精度が得られ、コンパレータ420(例えばTL331)のオフセット電圧が5mVまたは約5mVとなり、基準ないし定電圧回路430(例えばTL431)の精度が2%または約2%となる。結果的に、駆動回路400を用いることで、とりわけ、先行技術における±20%の電流変動幅を±3〜4%に、例えば公称値の2%以内の精度に低減することができる。そのような電流均一性は、特に、例えば400V以上の比較的高い電圧で、LEDのような照明素子等の電気的負荷にとって、寿命延長のために特に望ましい。
図5は、本発明の開示の別の実施形態による力率補正段500の回路図を示す。力率補正段500は、図3に記載の力率補正段300とほぼ同様の構成であり、EMI(電磁妨害)フィルタ部520に接続された昇圧回路510(例えば昇圧前置変換器トポロジーまたは回路部分にて構成される)を含む構成とすることができる。EMIフィルタ部520は、図示のような、ライン、中性点およびアース接地を有する典型的な120ボルトの交流電源から供給されるような交流電力を受け取るように構成することができる。昇圧回路510は、能動的力率補正コントローラ512を含む構成とすることができる。力率補正段500は、電力レギュレータ回路530および整流器540も含む構成とすることができる。いくつかの適用例ないし実施例において、力率補正段500を、臨界導通モード(CRM)で動作するように構成することができる。
昇圧回路510は、補助巻線516を有する昇圧コイル514を含むこともできる。補助巻線516からの電圧を力率補正コントローラ512および/またはその他の回路または構成要素、例えば図6に示し、下で説明するような駆動コントローラ612、で使用するのに望ましい電圧に調整するために、定電圧回路もしくはレギュレータ530を力率補正段500に含めてもよい。実施例において、力率補正コイル514は、市販のコイルクラフト社製Z9264−Bフライバックトランスとすることができる。
引き続き図5に関して、昇圧回路510への整流電圧および電流を容易に生成するために、整流器540を力率補正段500に含めることができ、図示のようにEMIフィルタ回路520からの交流を受け取るように構成配置してもよい。実施例では、市販のオン・セミコンダクター社のNCP1606B型コントローラを力率コントローラ512として用いることができる。特定の用途に対して、NCP1606コントローラのどの端子に加わる最大電圧も20V以下に制限することができる。
図5に示すように、EMIフィルタ回路520は、電磁妨害遮断ないし濾波のために、図示のように、バリスタ522と、ヒューズ524と、複数のコンデンサ526(1)、526(2)、526(3)、526(4)と、1つ以上のコイルないしインダクタ528とを含むものとすることができる。
また図5に示すように、定電圧回路(つまりレギュレータ)530は、共通のエミッタ増幅器532と、ツェナーダイオード534と、蓄積コンデンサ536と、ローカルコンデンサ538とを含むものとすることができ、ローカルコンデンサ538は、例えばダイオード539と電荷ポンプ518とを介して力率補正コイル514の補助巻線516に接続することができる。共通エミッタ増幅器532は、図示のようにNPNトランジスタを含むものとすることができる。実施例では、NPNトランジスタは、定格80VCEMAXのBCP56型トランジスタとすることができ、蓄積コンデンサ536は、63Vに対して定格39μFの電極コンデンサとすることができ、ローカルコンデンサ538は、25Vに対して定格10μFのコンデンサとすることができる。
図6は、本発明の開示の1つの実施形態の駆動段600の回路図を示す。駆動段600は、駆動制御トポロジーまたは回路610を含む構成とすることができる。駆動段600は、入力側650で受け取った電力を、電気的負荷660に適するように調整するよう構成配置することができる。入力側450の電圧は比較的高い電圧、例えば400V以上の直流電圧、またはそのような電圧範囲に亘る、例えば約400Vから約500V等、の電圧とすることができる。実施例では、駆動段600は、図6に示すような直列配置LEDを含む電気負荷に連結することができる。また駆動段600には、図示のようにコンデンサバンク670を含めてもよい。回路600は、力率補正電源650からの電流(例えば400Vの直流)が負荷660(例えば複数列のLED)を流れてからインダクタ654とスイッチ656と抵抗658とを通って接地されるように構成されている。
駆動制御回路610は、駆動用ICないしコントローラ612を含む構成とすることができる。駆動回路600には、コントローラ612として汎用LED駆動制御ICを用いることができる。実施例では、メリックス・マイクロエレクトロニック・インテグレイテッド・システム社の市販のMLX10803型LED駆動用ICを駆動コントローラ612として用いることができる。駆動コントローラはトランジスタスイッチ656を制御するように構成配置されている。実施例において、スイッチ656は、550V N形エンハンスメントモードMOSFETであるフェアチャイルド・セミコンダクター社の市販のFDPF7N50型スイッチである。
引き続き図6に関して説明すると、駆動段400は、例えば図示のように入力側650とMOSFETスイッチ656のドレインとの間に構成されるフライバックダイオード652を含む構成とすることができる。コントローラ612がMOSFET656をオンにすると、電流がLED負荷660とインダクタ654に流れる。コントローラ612がMOSFET656をオフにすると、オン時間の間にインダクタ654に蓄積されたエネルギーによって、電流は引き続き負荷660およびインダクタ654に流れ込む。この電流がフライバックダイオード652に順方向バイアスを加えてループを閉じる。実施例では、ダイオード652は、炭化ケイ素(SiC)ショットキダイオード、例えば市販のクレー社製CSD01060A型、とすることができる。そのように構成することで、駆動段600の負荷を形成する装置ないし構成要素の寿命を長くすることができる。
実施例において、段500は、例えば図5の力率補正段500から供給される約400Vの直流入力電圧を受け取るよう構成され、所望の負荷に対して調整された電力を供給するのに用いることができる。段600は、実施例において、100KHz、0.425アンペアで動作することができる。実施例において、駆動段600は直列配置されたLEDに電流を供給するために用いることができる。さらに、実施例において、駆動段600は力率補正段500または力率補正段300(または類似の力率補正段)と共に実装することができる。そのように組み合わせた構成により、対象となる電気的負荷に適した電源装置を提供することができる。なお対象となる電気的負荷には、例えばLEDの直列配置構造が含まれるが、これに限定されない。このような組み合わせた構成の実施例には、力率補正段と駆動段とを共通の1つの回路基板に、例えばその回路基板の両面に実装することが含まれよう。
上記のように、本発明の開示による実施形態は、比較的高い電圧(例えば400V以上の直流電圧)の電力を、多くの業界で多様な用途に使用されているLED(またはその他の光源)の直列配置構造に加えるために用いることができる。そのようなLEDは、通常2.5Vから4.5Vの間の印加電圧を必要とする。LEDは、どのような種類や色のものでもよく(例えば、意図する照明配置の要求に応じて、どの彩色光を発光するものでも、白色光でも、彩色光と白色光を混合したものでもよく)、また、どのような輝度能力ないし強度のものでもよいが、可視スペクトルの範囲内が好ましい。LEDは、意図する配色を作り出すものであれば、どのような半導体構成および材料または組成物(合金)で構成してもよい。このようなLEDは、LEDと共に組み込まれるかLEDに被せられる屈折光学系を備えていてもよいし、屈折光学系が無くてもよい。また、屈折光学系の代わりに、またはそれに加えて、低角度および中角度のLED光線を外に向けて反射させる周辺レフレクタを備えていてもよい。
実施例において、本発明の開示による力率補正段(例えば図3で図示説明した力率補正段)および駆動段(例えば図4で図示説明した駆動段)を組み合わせて、1つ以上の照明素子のための電源装置として働くようにすることができる。そのように組み合わされた電源装置は、1つ以上の照明素子と共に実装して照明装置または照明設備を形成することができる。
実施例において、1つ以上のLEDをプリント回路基板(「PCB」)上で構成配置することができ、このプリント回路基板に、(例えば図4で図示説明したような)1つのオンボード・ドライバーおよび/または(例えば図3で図示説明したような)力率補正回路も設けて、光源、例えばLEDを所望の電流で駆動することができる。例えば、1つのLEDに適した電流を用いることができる。例えば、代表的電流範囲は、約250mAから約800mAとすることができるが、これに限定されない。例えば一例として電流は約350mAである。そのような回路基板には、一端から他端まで延びるバス、例えば24V直流バス、を設けてもよい。もちろんバス用に他の電圧を用いてもよい。適宜の個数の適宜のLEDを線型照明基板に実装してもよい。図示の例においては、最低80ルーメンで動作する5個のLED(フィリップス・ルミレッズ・ライティング社の市販のLUXEON(R)RebelのLED)から成る構造体を1つ以上、本発明の開示の駆動装置および/または力率補正回路ないし段と共に用いることができる。本発明の開示の範囲内で、その他の適当なLEDもしくは他の光源および出力値を用いることもできよう。
このように、本発明の開示による回路の実施形態は、比較的高い直流電圧、例えば約400Vの直流電圧以上で、力率補正値を改善するのに用いることができる。さらに、本発明が開示する実施形態により、そのような高電圧用の電気的負荷に対する電流調整能力を改善させる駆動回路を提供することができる。本発明が開示するそのような技術および実施形態は、先行技術に比べて、消耗、熱疲労、出力変動、電力消費ならびにコストを低減することができる。先に述べたように、本発明の開示の実施形態は、直列配置ないし連鎖構造のLEDへの給電に用いるのが特に好適である。
以上、いくつかの実施形態を説明してきたが、本発明が開示する方法、システムおよび装置は、本発明の開示の趣旨を逸脱することなく他の特定の形態でも実施できることは当業者には理解されよう。例えば、本明細書では、所定の入力または出力電圧および電流に関連して本発明の態様および実施形態を説明してきたが、それ以外を実施および利用することも本発明の開示の範囲内で当然可能である。さらに、本発明の開示の実施形態を、LEDの直列配置構造からなる電気的負荷に給電する場合について説明してきたが、電気的負荷をLEDとして説明したのは一例にすぎず、開示の範囲はそれに限定されない。本発明の開示が実質的にあらゆる種類の電気的負荷と共に用いうるものであることは自明であろう。
したがって、本明細書および添付の請求範囲に記載の実施形態は、本発明の開示を説明するものに過ぎず、それを限定するものではないとみなされるべきである。
Claims (39)
- 照明装置および力率補正回路であって、
交流電源から交流入力を受け取るよう構成配置された電磁遮断フィルタと、
前記電磁遮断フィルタに接続された整流器であって、前記電磁遮断フィルタから交流入力を受け取って、整流された電流を発生するように構成配置された整流器と、
前記整流器に接続され、力率補正コントローラと、補助巻線を有する力率補正コイルとを含む昇圧回路であって、前記整流された電流を受け取って、前記交流電源の交流入力よりも高い電圧を有する力率補正された出力を発生するように構成配置された昇圧回路と、
前記補助巻線に接続され、前記補助巻線に接続された共通エミッタ増幅器を含む共通エミッタ増幅部を含む電圧調整器とを備え、前記電圧調整器が、前記補助巻線により供給される電圧を前記力率補正コントローラに印加するのに望ましい電圧に調整するよう構成配置されている照明装置および力率補正回路。 - 前記昇圧部が電荷ポンプを含む、請求項1の回路。
- 前記昇圧部が臨界導電モードトポロジーに構成配置されている、請求項1の回路。
- 前記電圧調整器が更に、前記共通エミッタ増幅器トランジスタのベースおよびエミッタに接続されたツェナーダイオードを含む、請求項1の回路。
- 前記電圧調整器が更に、前記補助巻線と前記共通エミッタ増幅器の間に直列接続されたダイオードを備える、請求項1の回路。
- 前記電圧調整器が更に、前記ダイオードと接地点との間に接続された蓄積コンデンサを備える、請求項5の回路。
- 前記電磁遮断フィルタが120Vの交流入力を受け取るよう構成配置され、また前記昇圧回路が約400Vの直流出力を発生するように構成配置されている、請求項1の回路。
- 前記力率補正コントローラはNCP1606型コントローラである、請求項1の回路。
- 照明装置駆動回路であって、
駆動コントローラを含む駆動制御回路と、
コンパレータを含み、前記コンパレータが前記駆動制御回路に接続されている比較回路と、
前記比較回路に接続された電圧調整器とを備えており、
前記駆動回路は、電気的負荷に供給される電流を、公称電流±約2%に調整するように構成配置されている、照明装置用駆動回路。 - 前記電圧調整器はシャント・レギュレータを含む、請求項9の駆動回路。
- 前記コンパレータは単一の差動コンパレータを含む、請求項9の駆動回路。
- トランジスタスイッチのオフ時に負荷電流ないしインダクタ電流のための帰還路を提供するように構成配置されたダイオードを更に備える、請求項9の駆動回路。
- 前記ダイオードが炭化ケイ素ショットキー・ダイオードを含む、請求項12の駆動回路。
- 約400Vの電圧の電力を受け取るよう構成配置された入力を更に備える、請求項9の駆動回路。
- 前記入力と接地との間に構成されたコンデンサバンクを更に備える、請求項14の駆動回路。
- 前記コンパレータが前記駆動コントローラの電流検知入力に接続されている、請求項9の駆動回路。
- 前記駆動コントローラはHV9910型コントローラである、請求項16の駆動回路。
- 次の構成を備える照明用電源装置:
(i)力率補正段であって、
交流電源から交流入力を受け取るよう構成配置された電磁遮断フィルタと、
前記電磁遮断フィルタに接続された整流器であって、前記電磁遮断フィルタから交流入力を受け取って、整流された電流を発生するように構成配置された整流器と、
前記整流器に接続され、力率補正コントローラと、補助巻線を有する力率補正コイルとを含む昇圧回路であって、前記整流された電流を受け取って、前記交流電源の交流入力よりも高い電圧を有する力率補正された出力を発生するように構成配置された昇圧回路と、
前記補助巻線に接続され、前記補助巻線に接続された共通エミッタ増幅器を含む共通エミッタ増幅部を含む電圧調整器であって、前記補助巻線により供給される電圧を前記力率補正コントローラに印加するのに望ましい電圧に調整するよう構成配置された電圧調整器とを備えた力率補正段、および
(ii)前記力率補正段からの出力を受け取って、電気的負荷への出力電力として供給するように構成配置された、駆動コントローラを含む駆動段。 - 前記駆動段が、
駆動コントローラを含む駆動制御回路と、
前記駆動制御回路に接続されたコンパレータを含む比較回路と、
前記比較回路に接続された電圧調整器とを備えており、
前記駆動回路は、電気的負荷に供給される電流を、公称電流±約2%に調整するように構成配置されている、請求項18の電源装置。 - 前記電圧調整器はシャント・レギュレータを含む、請求項19の電源装置。
- 前記コンパレータは単一の差動コンパレータを含む、請求項19の電源装置。
- トランジスタスイッチのオフ時に負荷電流ないしインダクタ電流のための帰還路を提供するように構成配置されたダイオードを更に備える、請求項19の電源装置。
- 前記ダイオードが炭化ケイ素ショットキー・ダイオードを含む、請求項22の電源装置。
- 約400Vの電圧の電力を受け取るよう構成配置された入力を更に備える、請求項19の電源装置。
- 前記入力と接地との間に構成されたコンデンサバンクを更に備える、請求項24の電源装置。
- 前記コンパレータが前記駆動コントローラの電流検知入力に接続されている、請求項19の電源装置。
- 前記駆動コントローラはHV9910型コントローラである、請求項26の電源装置。
- 前記力率補正段と前記駆動段とが共通の1つの回路基板上に構成配置されている、請求項19の電源装置。
- 前記昇圧部が電荷ポンプを含む、請求項19の電源装置。
- 前記昇圧部が臨界導電モードトポロジーにおいて構成配置されている、請求項19の電源装置。
- 前記電圧調整器が更に、前記共通エミッタ増幅器トランジスタのベースおよびエミッタに接続されたツェナーダイオードを含む、請求項19の電源装置。
- 前記電圧調整器が更に、前記補助巻線と前記共通エミッタ増幅器の間に直列接続されたダイオードを備える、請求項19の電源装置。
- 前記電圧調整器が更に、前記ダイオードと接地点との間に接続された蓄積コンデンサを備える、請求項32の電源装置。
- 前記電磁遮断フィルタが120Vの交流入力を受け取るよう構成配置され、また前記昇圧回路が約400Vの直流出力を発生するように構成配置されている、請求項19の電源装置。
- 前記力率補正コントローラはNCP1606型コントローラである、請求項19の電源装置。
- 次の構成を備える照明装置:
(i)力率補正段であって、
交流電源から交流入力を受け取るよう構成配置された電磁遮断フィルタと、
前記電磁遮断フィルタに接続された整流器であって、前記電磁遮断フィルタから交流入力を受け取って、整流された電流を発生するように構成配置された整流器と、
前記整流器に接続され、力率補正コントローラと、補助巻線を有する力率補正コイルとを含む昇圧回路であって、前記整流された電流を受け取って、前記交流電源の交流入力よりも高い電圧を有する力率補正された出力を発生するように構成配置された昇圧回路と、
前記補助巻線に接続され、前記補助巻線に接続された共通エミッタ増幅器を含む共通エミッタ増幅部を含む電圧調整器であって、前記補助巻線により供給される電圧を前記力率補正コントローラに印加するのに望ましい電圧に調整するよう構成配置された電圧調整器とを備えた力率補正段、
(ii)前記力率補正段からの出力を受け取って、電気的負荷への出力電力として供給するように構成配置された、駆動コントローラを含む駆動段、および
(iii)前記駆動回路から電力を受け取るよう構成配置された1つ以上の照明素子。 - 前記駆動段が、
駆動コントローラを含む駆動制御回路と、
コンパレータを含み、前記コンパレータが前記駆動制御回路に接続されている比較回路と、
前記比較回路に接続された電圧調整器とを備えており、
前記駆動回路は、電気的負荷に供給される電流を、公称電流±約2%に調整するように構成配置されている、請求項36の照明装置。 - 前記1つ以上の照明素子は、1つ以上の発光ダイオードを含む、請求項36の照明装置。
- 前記1つ以上の発光ダイオードは、直列配置で接続された複数の発光ダイオードを含む、請求項36の照明装置。
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