JP2011065874A

JP2011065874A - 照明用ｌｅｄ駆動回路

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Publication number: JP2011065874A
Application number: JP2009215764A
Authority: JP
Inventors: Toru Okuma; 徹大熊; Osamu Kinoshita; 治木下
Original assignee: Fujitsu Telecom Networks Ltd
Current assignee: Fujitsu Telecom Networks Ltd
Priority date: 2009-09-17
Filing date: 2009-09-17
Publication date: 2011-03-31
Anticipated expiration: 2029-09-17
Also published as: JP5275186B2

Abstract

【課題】照明用ＬＥＤ駆動回路に関し、商用交流電源に対する力率改善と照明用ＬＥＤの高効率駆動とを図る。
【解決手段】商用交流電源１に接続した全波整流回路２の出力電圧を印加する第１のトランジスタＱ１とリアクトルＬ１との直列回路と、リアクトルＬ１と並列的に接続した第２のトランジスタＱ２とコンデンサＣ１との直列回路と、コンデンサＣ１の端子電圧と、この端子電圧を照明用のＬＥＤ７に印加して発光させると共に、流れる電流とを検出して、第１及び第２のトランジスタＱ１，Ｑ２を同時にオフとなる期間を介在させて交互にオン、オフ制御し、端子電圧及び電流を所定値に制御する制御回路５と、第１及び第２のトランジスタＱ１，Ｑ２にそれぞれ並列に接続したコンデンサＣ２，Ｃ３とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、商用交流電源からの交流電圧を整流し、且つ所望の直流電圧として照明用ＬＥＤに供給する照明用ＬＥＤ駆動回路に関する。

半導体技術の進歩により、ＬＥＤ（発光ダイオード；ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）の発光効率の向上及び演色性の改善が進み、白熱灯や蛍光灯に代わって照明用として採用されるようになっている。このような照明用ＬＥＤの駆動回路は、ＬＥＤの直列接続数に対応した直流電圧を印加する必要がある。その為に、ＤＣ／ＤＣコンバータを適用する場合が一般的である。又ＬＥＤの駆動回路は、商用交流電源からの電力を利用するものであり、純抵抗特性を有するものではないことから、商用交流電源側に対する力率改善を行うことが要望されている。従って、一般的には、整流回路と力率改善回路とＤＣ／ＤＣコンバータとの組合せによる駆動回路を適用することになる。例えば、図８に示すように、商用交流電源１００の交流電圧を整流回路１０１により整流し、力率改善コンバータ１０２により、商用交流電源１００の交流電圧位相と同一位相の交流電流が流れるように制御し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０３により、複数個直列接続したＬＥＤ１０４に所定の直流電圧を印加し、所定の直流電流が流れるように制御する。このような駆動回路に於いて、整流回路１０１により整流した脈流分を含む電圧を入力する力率改善コンバータ１０２は、図示のように、リアクトル１１１とトランジスタ１１２とダイオード１１３とコンデンサ１１４とＰＷＭ制御回路１１５とを含む構成が一般的である。又ＤＣ／ＤＣコンバータ１０３は、リアクトル１２１とトランジスタ１２２とダイオード１２３とコンデンサ１２４とＰＷＭ制御回路１２５とを含む構成が一般的である。

この力率改善コンバータ１０２は、整流回路１０１による整流出力電圧の正弦波の半波波形の瞬時値に対応した値の電流が流れるようにトランジスタ１１２をＰＷＭ制御回路１１５によりオン、オフ制御し、ダイオード１１３を介してコンデンサ１１４に印加し、所定の電圧値として、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０３の入力電圧とする。このＤＣ／ＤＣコンバータ１０３は、トランジスタ１２２をＰＷＭ制御回路１２５によりオン、オフ制御し、ダイオード１２３とリアクトル１２１とコンデンサ１２４とにより、整流平滑化した所定の電圧をＬＥＤ１０４に印加して発光させるもので、供給電流等の制御構成は図示を省略している。

又前述のように、商用交流電源からの交流電圧を所望の直流電圧に変換すると共に、商用交流電源側に対する力率の低下を回避できるように制御する力率改善回路を備えた各種の構成が提案されている。例えば、全波整流電圧を第１のスイッチングトランジスタを介してチョークコイルに印加し、次段の第２のスイッチングトランジスタを介してコンデンサに印加し、全波整流電圧によって流れる電流波形を、全波整流電圧波形と比較して、第１のスイッチングトランジスタのオン、オフ比を制御し、商用交流電圧波形に同期した電流波形となるように制御することにより、力率改善を行う構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。又ＬＥＤを照明用に適用する為の各種の点灯制御回路は、既に各種提案されており、このようなＬＥＤの点灯制御を行うと共に、ＬＥＤに対する印加電圧を制御することにより、調光を行う構成も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平５−７６１６８号公報特開２００２−２３１４７１号公報

ＬＥＤを照明用として発光させる為には、所定の電圧の直流電圧を印加することが必要であり、１個のＬＥＤに対する印加電圧は数ボルト程度の比較的低い電圧であるから、通常は複数個のＬＥＤを直列接続して、例えば、商用交流電源の１００Ｖを整流した直流電圧を、ＬＥＤの直列接続個数に対応した電圧とし、所定の電流を供給できる駆動回路を用いるもので、従来は、例えば、前述の図８に示すように、整流回路１０１と力率改善コンバータ１０２とＤＣ／ＤＣコンバータ１０３とにより構成する場合が一般的である。従って、回路構成が比較的複雑であると共に高コストとなる問題があり、且つ小型化することが容易ではない問題があった。

本発明は、前述の従来の問題点を改善することを目的とし、照明用ＬＥＤに対して印加する所望の直流電圧を出力し、且つ力率改善を可能とすると共に、コストアップすることなく、効率改善を可能とした照明用ＬＥＤの駆動回路を提供するものである。

本発明の照明用ＬＥＤ駆動回路は、ＬＥＤに直流電圧を印加して照明用の光源とする為の照明用ＬＥＤ駆動回路であって、商用交流電源に接続した全波整流回路の出力電圧を印加する第１のトランジスタとリアクトルとの直列回路と、このリアクトルと並列的に接続した第２のトランジスタとコンデンサとの直列回路と、このコンデンサの端子電圧と、この端子電圧をＬＥＤに印加して流れる電流との何れか一方又は両方を検出して、第１及び第２のトランジスタを同時にオフとなる期間を介在させて交互にオン、オフして、前記端子電圧と前記電流との何れか一方又は両方を所定値に制御する制御回路と、第１及び第２のトランジスタにそれぞれ並列に接続したコンデンサとを備えている。

又前記リアクトルに二次巻線を設け、この二次巻線の誘起電圧をダイオードにより整流して、制御回路の動作電力として供給する構成を備えることができる。又前記リアクトルを一次巻線と二次巻線とにより構成し、この一次巻線に直列に前記第１のトランジスタを接続し、二次巻線に前記第２のトランジスタと前記コンデンサとの直列回路を接続した構成を備えることができる。

第１のトランジスタと第２のトランジスタとにより、ＤＣ／ＤＣコンバータの機能と力率改善の機能とを実現することが可能となり、照明用ＬＥＤに所定の直流電圧を供給して発光させ、且つ商用交流電源を電源として直流電圧を形成する場合の力率を改善することが可能となり、且つ第１のトランジスタと第２のトランジスタのスイッチング損失の低減を図ることも可能となる利点がある。

本発明の実施例１の説明図である。本発明の実施例１の制御動作の概要説明図である。本発明の実施例１の入力電圧と入力電流との概要説明図である。本発明の実施例１の制御回路の説明図である。本発明の実施例１の動作波形の説明図である。本発明の実施例２の説明図である。本発明の実施例３の説明図である。従来例の説明図である。

本発明の照明用ＬＥＤ駆動回路は、図１を参照して説明すると、ＬＥＤ７に直流電圧を印加して照明用の光源とする為の照明用ＬＥＤ駆動回路であって、商用交流電源１に接続した全波整流回路２の出力電圧を印加する第１のトランジスタＱ１とリアクトルＬ１との直列回路と、このリアクトルＬ１と並列的に接続した第２のトランジスタＱ２とコンデンサＣ１との直列回路と、このコンデンサＣ１の端子電圧と、この端子電圧をＬＥＤ７に印加して流れる電流との何れか一方又は両方を検出し、第１及び第２のトランジスタＱ１，Ｑ２を同時にオフとなる期間を介在させて交互にオン、オフ制御し、端子電圧と電流との何れか一方又は両方を所定値に制御する制御回路５と、第１及び第２のトランジスタＱ１，Ｑ２にそれぞれ並列に接続したコンデンサＣ２，Ｃ３とを備えている。

図１は、本発明の実施例１の説明図であり、１は商用交流電源、２は全波整流回路、３，４はドライブ回路、５は制御回路、６は電流検出部、７はＬＥＤ、Ｌ１はリアクトル、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３はコンデンサ、Ｑ１，Ｑ２は第１、第２のトランジスタ（電界効果トランジスタ；ＦＥＴ）を示す。第１、第２のトランジスタＱ１，Ｑ２（以下混同しない場合は、「第１」、「第２」を省略する）は寄生ダイオードを含む構成を有する場合を示し、それぞれ並列にコンデンサＣ２，Ｃ３を接続する。制御回路５は、ＬＥＤに印加する電圧と、電流検出部６によるＬＥＤ７に流れる電流検出値とを入力し、ドライブ回路３，４を介してトランジスタＱ１，Ｑ２を、同時にオフとなる期間を介在させて交互にオン、オフ制御を行う。又電流検出部６は、電流検出用の抵抗や、カレントトランス形式等の既に知られている電流検出手段を適用することができる。又ＬＥＤ７は、所望の照度が得られるように、通常は、複数個を直列接続するものであり、又直列接続したＬＥＤを、更に複数個並列接続する場合もある。

１００Ｖ等の商用交流電源１の交流電圧を全波整流回路２により整流して、トランジスタＱ１とリアクトルＬ１とに印加し、トランジスタＱ１をオンとして、リアクトルＬ１に矢印方向に電流ＩＬを流し、このトランジスタＱ１をオフとした後に、トランジスタＱ２をオンとして、リアクトルＬ１の蓄積エネルギによる矢印方向の電流を、トランジスタＱ２を介してコンデンサＣ１に印加し、このコンデンサＣ１の端子電圧をＬＥＤ７に印加する。制御回路５は、コンデンサＣ１の両端の電圧、即ち、ＬＥＤ７に対する印加電圧と電流検出部６によるＬＥＤ７に流れる電流とを検出して、トランジスタＱ１，Ｑ２のオン、オフを、ドライブ回路３，４を介して交互に制御する。この制御回路５の動作電圧は、全波整流回路２により整流した直流電圧を、所望の電圧として平滑化した電圧とすることができるもので、図示を省略しているが、既に知られている各種の構成を適用することができる。

図２は、制御動作の概要を示すもので、Ｑ１，Ｑ２はトランジスタＱ１，Ｑ２のオン、オフのタイミングを示し、ＩＬはリアクトルＬ１に流れる電流、Ｉ１はトランジスタＱ１に流れる電流、Ｖ１はトランジスタＱ１の両端子間の印加電圧、Ｉ２はトランジスタＱ２に流れる電流、Ｖ２はトランジスタＱ２の両端子間の印加電圧を示す。トランジスタＱ１をオン（ＯＮ）とする期間はトランジスタＱ２をオフとし、反対に、トランジスタＱ２をオン（ＯＮ）とする期間はトランジスタＱ１をオフとし、トランジスタＱ１，Ｑ２の同時オン状態とならないように、両方共オフとなる期間を設けている。制御回路５によりドライブ回路３を介してトランジスタＱ１をオンとすると、リアクトルＬ１に流れる電流ＩＬは、そのインダクタンス成分に応じて順次増加し、トランジスタＱ１に流れる電流Ｉ１も順次増加する。このトランジスタＱ１のオン期間では、そのオン抵抗が無視できる程度に小さい値であるから、トランジスタＱ１のソース・ドレイン間の電圧Ｖ１は０Ｖであり、従って、トランジスタＱ１に並列に接続したコンデンサＣ２の両端電圧も０Ｖである。次にトランジスタＱ１をオフとするものであるが、その時、コンデンサＣ２の電圧が０Ｖであるから、トランジスタＱ１は零電圧ターンオフとなる。

このトランジスタＱ１のターンオフにより、リアクトルＬ１の蓄積エネルギによる電流ＩＬが、トランジスタＱ２の寄生ダイオードを介してコンデンサＣ１及びＬＥＤ７側へ流れる。そして、トランジスタＱ２をオンとする。この時、トランジスタＱ２の寄生ダイオードと並列に接続されているコンデンサＣ３の両端の電圧は、寄生ダイオードの順方向電圧降下は無視できる程度であるから略０Ｖである。従って、トランジスタＱ２は零電圧ターンオンとなる。又トランジスタＱ２のオンにより、リアクトルＬ１の蓄積エネルギによるトランジスタＱ２を流れる電流Ｉ２はピーク点から次第に減少し、このトランジスタＱ２のオン状態継続により、電流Ｉ２の流れる方向は反転し、或る値となると、トランジスタＱ２はオフとする。このトランジスタＱ２をオフとする時、前述のオン状態のトランジスタＱ１の場合と同様に、トランジスタＱ２に並列に接続したコンデンサＣ３の両端の電圧は０Ｖとなっているから、トランジスタＱ２は、零電圧ターンオフとなる。即ち、トランジスタＱ１，Ｑ２は、何れも零電圧ターンオン及び零電圧ターンオフとすることができ、トランジスタＱ１，Ｑ２のオン、オフ制御の低損失化を図ることができる。

図３は、リアクトルＬ１に流れる電流（Ａ）と、商用交流電源からの入力電流（Ｂ）とを、商用交流電源からの入力電圧の半波期間について示すもので、トランジスタＱ１のオン期間に流れる電流は、印加電圧波形の瞬時値にほぼ比例した値となる。従って、入力電流の最大値を結ぶ包絡線は、入力電圧波形に近似した正弦波状となる。即ち、従来例の例えば、図８に示す力率改善コンバータの機能を備えたものとなる。

図４は、本発明の実施例１の制御回路の説明図であり、図１に示す制御回路５の構成の一例を示すもので、６は図１に於けるＬＥＤ７に流れる電流を検出する電流検出部、１３は比較器、１４はランプ信号発生部、１５は電流電圧変換器（Ｉ／Ｖ）、１６は比較器、１７は入力された信号の立下りを検出する立下り微分回路、１８はラッチ回路、１９は遅延回路（ＤＬ）、２０は入力された信号の立上りを検出する立上り微分回路、２１、２２は反転回路（インバータ）、２３は遅延回路（ＤＬ）、２４はアンド回路、２５はトランジスタＱ１のドライブ信号の出力端子、２６はトランジスタＱ２のドライブ信号の出力端子、Ｖｒは基準電圧を示す。又ａ１，ａ２及び（ｂ）〜（ｊ）は、図５に示す一例の動作波形図と対応させた信号を示す。

図５に示す動作波形の説明図に於いて、（ａ）はランプ信号発生部１４の出力のランプ信号ａ１と電流電圧変換器１５の出力電圧ａ２との一例を示し、（ｂ）は出力端子２５から出力するトランジスタＱ１のドライブ信号、（ｃ）は立下り微分回路１７からラッチ回路１８に入力するリセット信号、（ｄ）は遅延回路２３の出力信号、（ｅ）はリアクトルＬ１に流れる電流、（ｆ）はラッチ回路１８の出力信号、（ｇ）は反転回路２１の出力信号、（ｈ）は出力端子２６から出力するトランジスタＱ２のドライブ信号、（ｉ）は遅延回路１９の出力信号、（ｊ）は立上り微分回路２０の出力信号をそれぞれ示し、出力信号（ｊ）は、ランプ信号発生部１４に対するリセット信号となる。なお、ＬＥＤ７に流れる電流に対応する出力電圧ａ２は、通常ＬＥＤ７を定電流駆動する場合が一般的で、出力電圧ａ２は殆ど一定値を示すことになるが、変化した場合を図示している。

前述の図４に示す制御回路の動作を、図５を参照して説明する。ランプ信号発生部１４からのランプ信号ａ１（基準値から一定の立上り特性で上昇し、リセットにより基準値に急速低下する鋸歯状波形の信号）と、ＬＥＤ７（図１参照）に流れる電流の検出値を電流電圧変換器１５により電圧に変換した信号ａ２とを比較器１３により比較する。この比較出力信号（ｂ）は、出力端子２５からトランジスタＱ１のドライブ信号となる。又電流電圧変換器１５により電圧に変換した信号ａ２と基準電圧Ｖｒとを比較器１６により比較し、比較出力信号をラッチ回路１８に入力する。又出力端子２５は、図１のドライブ回路３に接続し、出力端子２６は、図１のドライブ回路４に接続し、アンド回路２４の出力信号（ｈ）を、トランジスタＱ２のドライブ信号として出力する。

又ランプ信号発生部１４は、その出力のランプ信号ａ１が例えば０Ｖ等の基準値から所定の傾斜の立上り特性で上昇し、立上り微分回路２０からの出力信号（ｊ）によってリセットされて基準値に戻り、再び所定の傾斜の立上り特性で上昇することを繰り返し、鋸歯状波信号を出力するもので、このランプ信号ａ１とＬＥＤ７に流れる電流の検出値を電圧値に変換した検出値ａ２とを比較器１３により比較し、出力端子２５からトランジスタＱ１のドライブ信号（ｂ）を出力し、図１に於けるドライブ回路３を介してトランジスタＱ１のオン、オフを制御する。なお、検出値ａ２は、前述のように、通常殆ど一定の状態を維持するものであるが、説明の便宜上、緩やかな変化をした場合について示している。この比較器１３の出力信号（ｂ）を、インバータ２２と立下り微分回路１７とに入力し、インバータ２２により反転し、遅延回路２３により遅延させた信号（ｄ）を、アンド回路２４の一方の入力信号とする。

又立下り微分回路１７によりドライブ信号（ｂ）を微分した信号（ｃ）（ドライブ信号（ｂ）の立下り検出信号）をラッチ回路１８のリセット信号とする。このラッチ回路１８の出力信号（ｆ）を、インバータ２１と遅延回路１９とに入力し、インバータ２１の出力信号（ｇ）をアンド回路２４の他方の入力信号とする。このアンド回路２４の出力信号（ｈ）をトランジスタＱ２のドライブ信号とする。又遅延回路１９により遅延した信号（ｉ）を立上り微分回路２０により微分し、その微分出力信号（ｊ）（遅延回路１９により遅延した信号（ｉ）の立上り検出信号）を、ランプ信号発生部１４のリセット信号とする。それによって、図１に於けるトランジスタＱ１，Ｑ２のオン、オフを制御し、ＬＥＤ７に対して供給する電流を一定化する定電流駆動特性の制御回路とすることができると共に、商用交流電源から供給される電流の位相を、交流電圧位相に一致させて力率改善を図ることができる。なお、ＬＥＤ７に印加する電圧を検出して、検出電圧を基準電圧に一致させるように、トランジスタＱ１，Ｑ２のオン、オフ制御を行う定電圧駆動特性の制御回路とすることも可能である。

図６は、本発明の実施例２の説明図であり、図１と同一符号は、同一名称部分を示し、リアクトルＬ２は、二次巻線を有し、二次巻線の誘起電圧を、ダイオードＤ２を介して制御回路５の動作電圧として供給する。又全波整流回路２の出力電圧を、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ４とに印加し、コンデンサＣ４の端子電圧を起動用の電圧として制御回路５に入力する。なお、図１に於けるＬＥＤ７の印加電圧と、ＬＥＤ７に流れる電流の検出値とを制御回路５に入力する構成と、トランジスタＱ１，Ｑ２を駆動するドライブ回路３，４とは図示を省略している。又制御回路５によるトランジスタＱ１，Ｑ２の制御動作は、図１に示す構成の場合と同様とすることができるものであり、トランジスタＱ１，Ｑ２を交互にオン、オフ制御し、且つ両方のトランジスタＱ１，Ｑ２が同時にオン状態とならないオフ期間を形成している。即ち、図１及び図４に示す制御回路５と同様の構成によって、トランジスタＱ１，Ｑ２のオン、オフ制御を行い、ＬＥＤ７に所定の電圧を印加して所定の電流を供給し、照明用としてＬＥＤ７を発光させると共に、商用交流電源１に対する力率改善を図ることができる。又各トランジスタＱ１，Ｑ２に並列に接続したコンデンサＣ２，Ｃ３によって、各トランジスタＱ１，Ｑ２の零電圧ターンオン及びターンオフ動作を可能とし、電力損失の低減を図ることができる。又制御回路５は、ＬＥＤ７に対して定電流駆動特性又は定電圧駆動特性を有する構成とすることができる。

図７は、本発明の実施例３の説明図であり、図１と同一符号は、同一名称部分を示し、リアクトルＬ３は、前述の実施例２のリアクトルＬ２と同様に一次巻線と二次巻線とを有する構成とすると共に、トランスと同様に、一次巻線と二次巻線とを電位的に分離し、その二次巻線の誘起電圧をトランジスタＱ２によってオン、オフしてコンデンサＣ１に印加し、コンデンサＣ１の端子電圧をＬＥＤ７に印加し、電流を供給して発光させる。又全波整流回路２の出力電圧をリアクトルＬ３の一次巻線にトランジスタＱ１を介して印加し、トランジスタＱ１，Ｑ２のオン、オフを交互に且つ両方のトランジスタＱ１，Ｑ２が同時にオフとなる期間を介在させて、制御回路５により制御する。この制御回路５は、図示を省略しているが、コンデンサＣ１の端子電圧と、ＬＥＤ７に流れる電流とを検出して入力し、ＬＥＤ７に供給する電圧又は電流又は電圧と電流との両方を所定値となるように、トランジスタＱ１，Ｑ２のオン、オフを制御するもので、図４に示す構成を適用することができる。又トランジスタＱ１，Ｑ２には、それぞれコンデンサＣ２，Ｃ３を並列に接続して、トランジスタＱ１，Ｑ２の零電圧ターンオフ及び零電圧ターンオンの制御を可能として電力損失の低減を図ることができる。又全波整流回路２からトランジスタＱ１を介して断続的に流れる電流のピーク値の包絡線は、図３の（Ｂ）に示すように、正弦波状となるから、力率改善を図ることが可能となる。この実施例に於ける制御回路５も、ＬＥＤ７に対して、前述のように、定電流駆動特性又は定電圧駆動特性を有する構成とすることができる。

１商用交流電源
２全波整流回路
３，４ドライブ回路
５制御回路
６電流検出部
７ＬＥＤ
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３コンデンサ
Ｌ１リアクトル
Ｑ１，Ｑ２トランジスタ

Claims

ＬＥＤに直流電圧を印加して照明用の光源とする為の照明用ＬＥＤ駆動回路に於いて、
商用交流電源に接続した全波整流回路の出力電圧を印加する第１のトランジスタとリアクトルとの直列回路と、
該リアクトルと並列的に接続した第２のトランジスタとコンデンサとの直列回路と、
該コンデンサの端子電圧と、該端子電圧を前記ＬＥＤに印加して流れる電流との何れか一方又は両方を検出し、前記第１及び第２のトランジスタを同時にオフとなる期間を介在させて交互にオン、オフして、前記端子電圧と前記電流との何れか一方又は両方を所定値に制御する制御回路と、
前記第１及び第２のトランジスタにそれぞれ並列に接続したコンデンサと
を備えたことを特徴とする照明用ＬＥＤ駆動回路。
前記リアクトルに二次巻線を設け、該二次巻線の誘起電圧をダイオードにより整流して前記制御回路の動作電力として供給する構成を備えたことを特徴とする請求項１記載の照明用ＬＥＤ駆動回路。
前記リアクトルを一次巻線と二次巻線とにより構成し、該一次巻線に直列に前記第１のトランジスタを接続し、前記二次巻線に前記第２のトランジスタと前記コンデンサとの直列回路を接続した構成を備えたことを特徴とする請求項１記載の照明用ＬＥＤ駆動回路。