JP2011101585A

JP2011101585A - 力率を増加させた駆動回路

Info

Publication number: JP2011101585A
Application number: JP2010237117A
Authority: JP
Inventors: Thomas J Ribarich; ジェイリバリッチトーマス
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 2009-11-04
Filing date: 2010-10-22
Publication date: 2011-05-19
Anticipated expiration: 2030-10-22
Also published as: US8963442B2; DE102010049246A1; JP5584089B2; US20110101880A1

Abstract

【課題】力率を増加させた負荷駆動回路を提供する。
【解決手段】好適例によれば、ＡＣ電力線と負荷との間に結合された駆動回路が、バス電圧と共振回路との間に挿入された第１半導体スイッチ、及び共振回路と接地との間に挿入された第２半導体スイッチを含み、共振回路が負荷を駆動する。駆動回路内では、バス電圧が、ＡＣ電力線電圧を整流した波形にほぼ相当する波形を有し、これにより駆動回路の力率を増加させる。この駆動回路はさらに、共振回路と負荷との間に配置されたフルブリッジ整流器を含むことができる。負荷は少なくとも１つのＬＥＤを含むことができる。
【選択図】図１

Description

（定義）
本願では、「III−V族半導体」とは、少なくとも１つのIII族元素及び少なくとも１つのV族元素を含む化合物半導体、例えばこれらに限定されないが窒化ガリウム（ＧaＮ）、ガリウムヒ素（ＧaＳ）、インジウムアルミニウム窒化ガリウム（ＩnＡlＧaＮ）、インジウム窒化ガリウム、等を称する。同様に、「III族窒化物半導体」とは、窒素及び少なくとも１つのIII族元素を含む化合物半導体、例えばこれらに限定されないがＧaＮ、ＡlaＧＮ、ＡlＮ、ＩnＧaＮ、ＩnＡlＧaＮ、等を称する。

（発明の分野）
本発明は一般に電気回路の分野に入る。特に、本発明は、負荷に給電するための駆動回路の分野に入る。

照明用途のような応用は、非直結で、即ちＡＣ電力線のようなＡＣ電源から給電される、１つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む負荷のような負荷を必要とする。ＬＥＤ負荷のような負荷にＡＣ電力線から給電するために、ＡＣ電力線の電圧は一般に、フルブリッジ整流器を通して整流したＤＣ電圧に変換される。そして、この整流したＤＣ電圧を適切に濾波（フィルタリング）して、ほぼ一定のＤＣ電圧を供給することができ、このＤＣ電圧は、ＬＥＤ負荷のような負荷に要求される適切な電圧レベルに変換することができる。しかし、ＡＣ電力線から（即ち非直結で）１つ以上のＬＥＤを含む負荷のような負荷に給電するための従来の解決法は、種々の欠点を伴い得る。

１つ以上のＬＥＤを含む負荷のような負荷に給電するための従来の解決法は、フライバック回路を利用している。しかし、フライバック回路は一般に、80.0〜85.0パーセントの効率、及び50.0ワットの最大電力制限しか有さず、これらは不所望な特徴である。他の従来の解決法は、バックコンバータを用いて、ＬＥＤ負荷のような負荷に要求される必要なＤＣ電圧を供給している。しかし、バックコンバータは一般に、不所望に低い力率を有する。これに加えて、上述した従来の解決法は一般に、大型電解コンデンサのような大型のフィルタコンデンサを必要とし、このことがコストを不所望に増大させ得る。

力率を増加させた駆動回路を、少なくとも１つの図面に実質的に図示し、及び／または少なくとも１つの図面に関連して説明し、そして特許請求の範囲により完全に記載する。

本発明の一実施例による好適な駆動回路の回路図である。本発明の他の実施例による好適な駆動回路の回路図である。本発明の実施例に負荷絶縁を提供するための好適な回路構成の回路図である。本発明の実施例に負荷絶縁を提供するための他の好適な回路構成の回路図である。本発明の一実施例による例示的なバス電圧を示すグラフである。本発明の他の実施例による例示的なバス電圧を示すグラフである。本発明の駆動回路によって取り出される例示的なＲＭＳＡＣ電流を示すグラフである。本発明の駆動回路によって取り出される他の例示的なＲＭＳＡＣ電流を示すグラフである。

（実施例の詳細な説明）
本発明は、力率を増加させた駆動回路に指向したものである。以下の説明は、本発明の実現に関連する詳細な情報を含む。本願で詳細に説明するのとは異なる方法で本発明を実現することができることは、当業者の認める所である。さらに、本発明の特定の詳細の一部は、本発明をあいまいにしないために説明しない。

本願中の図面及びこれに付随する詳細な説明は、単に本発明の好適な実施例に指向したものである。簡潔さを保つために、本発明の他の実施例は、本願では詳細に説明せず、本願の図面に詳細に例示していない。

図１に、本発明の一実施例による、ＡＣ電力線と負荷との間に結合された好適な駆動回路の回路図を示す。駆動回路１００は、共振モード駆動回路とすることができ、ＡＣ電力線１０２と負荷１０４との間に結合することができる。駆動回路１００は、電磁波妨害（ＥＭＩ）フィルタ１０６、フルブリッジ整流器１０８及び１１０、コンデンサ１１２、ソフトスタートブロック１１４、可変オン時間発振器１１６、制御回路１１８、総和ブロック１２０、故障論理ブロック１２２、ハーフブリッジ・スイッチング回路１２３、共振回路１２８、及び電流センサ１３４を含む。ハーフブリッジ・スイッチング回路１２３は、半導体スイッチ１２４及び１２６（本願では単に「スイッチ１２４及び１２６とも称する」）を含み、共振回路１２８はインダクタ１３０及びコンデンサ１３２を含み、ＥＭＩフィルタ１０６はコンデンサ１３７及びインダクタ１３８を含む。

本発明の実施例では、負荷１０４は、直列結合されたＬＥＤ１４０₁, １４０₂,…,１４０_Nを含み、ここに「Ｎ」は特定用途に必要な任意の整数とすることができる。実施例では、負荷１０４が少なくとも１つのＬＥＤを含むことができる。一実施例では、逆並列配置になるように互いに結合された複数のＬＥＤを含むことができ、各ＬＥＤは隣接するＬＥＤに対して逆向きに配向されている。こうした実施例ではフルブリッジ整流器を利用せず、負荷１０４は共振回路１２８と電流センサ１３４との間に結合されている。しかし、本発明の共振回路は、ＬＥＤ以外の半導体デバイスを含む負荷のようなＬＥＤ負荷以外の負荷に給電するために広く利用することができる。

図１に示すように、ＡＣ電力線１０２は、コンデンサ１３７の第１及び第２端子間に結合され、そしてインダクタ１３８の第１端子と、フルブリッジ整流器１０８の第１ＡＣ端子（ノード１４２）との間に結合され、インダクタ１３８の第２端子は、ノード１４４でフルブリッジ整流器１０８の第２ＡＣ端子に結合されている。ＡＣ電力線１０２は、駆動回路が必要とする十分なＡＣ電力（即ち、十分なＡＣ電圧及び電流）を供給することができる。本発明の実施例では、ＡＣ電力線１０２は、例えば110.0ボルト〜120.0ボルトのＡＣ電力線電圧を供給することができる。コンデンサ１３７及びインダクタ１３８を含むＥＭＩフィルタ１０６は、ＥＭＩのような高周波妨害を濾波するためのローパスフィルタを形成する。

また図１に示すように、コンデンサ１１２の第１端子は、ノード１４６でフルブリッジ整流器１０８の正端子に結合され、コンデンサ１１２の第２端子は、ノード１３６でフルブリッジ整流器１０８の負端子に結合され、ノード１３６は駆動回路１００用の接地も与える。本発明の実施例では、バスコンデンサであるコンデンサ１１２は、比較的低い容量を有する非分極コンデンサとすることができる。本発明の実施例では、コンデンサ１１２は、例えば約0.5マイクロファラッド（μfd）以下の容量を有することができる。コンデンサ１１２は、フルブリッジ整流器１０８が供給する整流したＡＣ電圧の低周波数濾波（フィルタリング）を実質的に行わない。本発明の駆動回路では、大容量電解コンデンサのような大容量の分極コンデンサを必要としない。

本発明の実施例では、コンデンサ１１２が十分低い容量を有し、このため、ノード１４６で供給されるバス電圧（Ｖbus）１４８は、フルブリッジ整流器１０８によって供給される整流したＡＣ電圧の波形にほぼ相当する波形を有する。一実施例では、コンデンサ１１２を利用しない。こうした実施例では、フルブリッジ整流器１０８は、例えば約100.0ナノ秒（ns）のスイッチング速度を有するダイオードのような高速スイッチングダイオードを必要とする。一実施例では、フルブリッジ整流器１０８は、100.0ナノ秒（ns）未満のスイッチング速度を有する高速スイッチングダイオードを有することができる。整流したＡＣ電圧の波形にほぼ相当する波形を有するＤＣバス電圧（即ちＶbus１４８）を供給することによって、本発明の駆動回路１００の実施例は、増加した（即ち高い）力率を達成する。

図１にさらに示すように、スイッチ１２４の第１端子はノード１４６（Ｖbus１４８）に結合され、スイッチ１２４の第２端子は、ノード１５０で、スイッチ１２６及びインダクタ１３０のそれぞれの第１端子、及び制御回路１１８の入力端子に結合され、そしてスイッチ１２６の第２端子は、ノード１３６（即ち接地）でフルブリッジ整流器１０８の負端子に結合されている。実施例では、スイッチ１２４及び１２６はそれぞれ、例えばシリコン金属酸化物半導体ＦＥＴ（ＭＯＳＦＥＴ）のようなシリコン電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）とすることができる。一実施例では、スイッチ１２４及び１２６はそれぞれ、例えばガリウムヒ素（ＧaＮ）デバイスのようなIII−V族半導体デバイスとすることができ、ガリウムヒ素デバイスは、ＧaＮ高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）とすることができる。

また図１に示すように、スイッチ１２４及び１２６の第３端子（即ち制御端子）は、それぞれの制御線１５２及び１５４を通して制御回路１１８に接続され、インダクタ１３０の第２端子はコンデンサ１３２の第１端子に結合され、コンデンサ１３２の第２端子は、ノード１５６でフルブリッジ整流器１１０の第１ＡＣ端子に結合されている。コンデンサ１３２は共振回路１２８用の適切な容量を与え、インダクタ１３０は、この共振回路用の適切なインダクタンスを与える。図１にさらに示すように、負荷１０４は、フルブリッジ整流器１１０の正端子（ノード１５８）と、フルブリッジ整流器１１０の負端子（ノード１６０）との間に結合されている。特に、ＬＥＤ１４０₁の陽極（アノード）はノード１５８に結合され、ＬＥＤ１４０₁の陰極（カソード）はＬＥＤ１４０₂のアノードに結合され...そしてＬＥＤ１４０_N（即ち、最後に直列結合されたＬＥＤ）のカソードはノード１６０に結合されている。

また図１に示すように、フルブリッジ整流器１１０の第２ＡＣ端子は、ノード１６２で、電流センサ１３４の第１端子、故障論理ブロック１２２の入力端子、及び総和ブロック１２０の第１入力端子に結合され、電流センサ１３４の第２端子はノード１３６（即ち接地）に結合されている。本発明の実施例では、電流センサ１３４は、例えば少なくとも１つの抵抗器で構成することができる。一実施例では、電流センサ１３４は、例えば約1.0オーム以下の抵抗を有する抵抗器で構成することができる。本発明の実施例では、フルブリッジ整流器１１０と接地との間に挿入された電流センサ１３４は、全波整流された負荷（例えばＬＥＤ）電流の振幅の直接測定を行うことができる。

図１にさらに示すように、故障論理ブロック１２２の出力端子は、線１６４を通して、オン時間発振器１１６及び制御回路１１８のそれぞれの入力端子に結合され、基準電圧（Ｖref）１６６は総和回路１２０の第２入力端子に結合され、そして総和回路１２０の出力端子は線１６８を通して、可変オン時間発振器１１６の入力端子に結合されている。故障論理ブロック１２２は、負荷１０４内の開放または短絡の発生を検出し、負荷内の開放または短絡に応答して、エラー検出信号を可変オン時間発振器１１６及び制御回路１１８に供給するように構成することができ、これにより、駆動回路１００を安全に停止させることを可能にする。本発明の実施例では、故障論理ブロック１２２は、例えば負荷１０４内のＬＥＤの開放を検出することができる。総和ブロック１２０は、ノード１６２からのフィードバック電圧（Ｖfb）１７０及びＶref１６６を受信し、Ｖfb１７０をＶref１６６から減算して誤差電圧（Ｖerr）１７２を決定し、Ｖerr１７２を、線１６８を通して、可変オン時間発振器１１６に供給することができる。

制御回路１１８は、可変オン時間発振器１１６からの制御信号に応じて、ハーフブリッジ・スイッチング回路１２３内のスイッチ１２４及び１２６のそれぞれの制御端子（例えばゲート）に適切な駆動信号を供給することによって、これらのスイッチのそれぞれのオン時間を制御するように構成することができる。本発明の実施例では、制御回路１１８は、スイッチ１２４及び１２６の各々にほぼ一定のデューティサイクルを持たせて、これらのスイッチのスイッチング周波数を、オン時間発振器１１６からの制御信号に応じて変化させるように構成することができる。一実施例では、制御回路１１８は、スイッチ１２４及び１２６の各々に、例えば50.0パーセントのデューティサイクルを持たせるように構成することができる。

また図１に示すように、ソフトスタートブロック１１４は、可変時間発振器１１６の入力端子に結合され、駆動回路１００の電源投入時に、スイッチ１２４及び１２６を含むハーフブリッジ・スイッチング回路１２３のスイッチング周波数を、最大周波数から始めて共振周波数に向けて徐々に低下させるように構成され、これにより、有害な高いピーク電流が負荷１０４内に発生することを防止することができる。図１にさらに示すように、バースト調光入力端子１７４が制御回路１１８の入力端子に結合されている。バースト調光入力端子１７４は、制御回路１１８を交互に、所定持続時間だけオン状態及びオフ状態にすることによって、負荷１０４内のＬＥＤ１４０₁, １４０₂,...,１４０_Nのバースト調光を行うことができる。本発明の実施例では、バースト調光回路１７４は、制御回路１１８を交互に、数秒間ずつオン状態及びオフ状態にすることによって、負荷１０４内のＬＥＤ１４０₁, １４０₂,...,１４０_Nのバースト調光を行うことができる。しかし、バースト調光は、駆動回路１００の力率を不所望に低下させる。

本発明の実施例では、Ｖref１６６を利用することによって負荷１０４内のＬＥＤ１４０₁, １４０₂,...,１４０_Nの連続的な調光を行って、負荷電流を滑らかに上下させることができる。他の実施例では、Ｖref１６６を、最大レベルと０でない非常に小さいレベルとの間で、所定デューティサイクルで段階的に上下させて、平均負荷電流（即ち、負荷１０４内のＬＥＤ電流）を低減することができる。

本発明の一実施例では、一次及び二次巻線を有する変圧器を利用することによって、負荷１０４を共振回路１２８から絶縁することができる。こうした実施例では、フルブリッジ整流器１１０の代わりに変圧器の一次巻線を、共振回路１２８と電流センサ１３４との間に挿入することができ、変圧器の二次巻線は負荷１０４に結合することができる。

以下、本発明の駆動回路１００の実施例の動作を説明する。駆動回路１００を電源投入すると、ソフトスタートブロック１１４がハーフブリッジ・スイッチング回路１２３のスイッチング周波数を、最大周波数から始めて共振回路１２８の共振周波数に向けて徐々に低下させる。その結果、負荷１０４（即ちＬＥＤ１４０₁, １４０₂,...,１４０_N）を通って流れる負荷電流（Ｉ_Load）１７６が所定レベルまで徐々に増加する。ハーフブリッジ・スイッチング回路１２３は、バス電圧（即ちＶbus１４８）に結合され、制御回路１１８によって制御されて高周波数の方形波電圧を共振回路１２８に供給し、これにより負荷電流（即ちＩ_Load１７６）を制御する。

共振回路１２８を通って流れる出力電流はＡＣ電流であるので、フルブリッジ整流器１１０を共振回路１２８と負荷１０４との間に設け、これにより、各高周波スイッチングサイクル中に、正電流が常にＬＥＤ１４０₁, １４０₂,...,１４０_Nを通って流れる。フルブリッジ整流器１１０の第２ＡＣ端子（ノード１６２）と接地との間に挿入した電流センサ１３４は、ＬＥＤ電流（即ちＩ_Load１７６）の直接測定を行う。電流センサ１３４によって提供されるＬＥＤ電流の測定値はＶfb１７０として総和ブロック１２０にフィードバックされ、総和ブロック内でＶref１６６から減算される。Ｖref１６６とＶfb１７０との差（即ちＶerr１７２）は、総和ブロック１２０によって可変オン時間発振器に出力され、これにより、ハーフブリッジ・スイッチング回路１２３内のスイッチ１２４及び１２６の各々のオン時間を制御する。本発明の実施例では、Ｖerr１７２を利用して、可変オン時間発振器１１６の周波数を必要な向きに導いて、ＬＥＤ電流（即ちＩ_Load１７６）を、Ｖref１６６に対応する基準電流にほぼ等しくする。

電流センサ１３４、総和ブロック１２０、可変オン時間発振器１１６、及び制御回路１１８を含むフィードバックループは、ハーフブリッジ・スイッチング回路１２３内のスイッチ１２４及び１２６の各々のオン時間を連続的に調整することによって、ＬＥＤ電流の振幅をほぼ一定にすることができる。本発明の実施例では、上述したフィードバックループが、ＬＥＤ電流の振幅をほぼ一定にして、実効値の（ＲＭＳ）ＬＥＤ電流を製造業者の仕様内にすることができる。本発明の実施例では、このフィードバックループが、ＬＥＤ電流の増加に応じてハーフブリッジ・スイッチング回路１２３のスイッチング周波数を増加させ、これにより、共振回路１２８のゲインを低下させてＬＥＤ電流を減少させることができる。ＬＥＤ電流が減少した場合は、このフィードバックループがスイッチング周波数を低下させて共振回路１２８のゲインを増加させ、これによりＬＥＤ電流を増加させることができる。上述したフィードバックループは、電力線、負荷、及び温度の変動に対して、ＬＥＤ電流をほぼ一定にすることができる。

本発明の駆動回路１００の実施例では、ＡＣ電力線電圧を整流した波形にほぼ相当する波形を有するＶbus１４８（即ちＤＣバス電圧）が、ハーフブリッジ・スイッチング回路１２３のスイッチ１２４に結合される。上述したＶbus１４８の波形は、例えば、ノード１４６と接地との間の十分小さい容量を有する非分極バスコンデンサ（即ちコンデンサ１１２）を利用することによって提供することができる。ＡＣ電力線電圧を整流した波形にほぼ相当する波形をＶbus１４８に持たせることによって、本発明の実施例は、力率の増加した（即ち高い）駆動回路を提供する。本発明の実施例では、ＲＭＳ（実効値の）ＡＣ入力電流が、ＡＣ電力線の入力電圧の波形にほぼ相当する波形を有することができる。一実施例では、負荷１０４（即ちＬＥＤ１４０₁, １４０₂,...,１４０_N）を通って流れるピーク電流を制限することができる。こうした実施例では、ＲＭＳＡＣ線路入力電流が、ＡＣ電力線の入力電圧の波形に部分的に相当する波形を有することができる。

従って、ＤＣバス電圧に、ＡＣ電力線電圧を整流した波形にほぼ相当する波形を持たせることによって、本発明の駆動回路１００の実施例は、バックコンバータを用いる従来の解決法に比べて増加した力率を有利に提供しつつ、ＬＥＤ負荷のような負荷に非直結で給電することができる。また、駆動回路１００は、フライバック回路の最大電力制限を回避しつつ、フライバック回路を利用する従来の解決法より高い効率を提供することができる。

これに加えて、ＬＥＤ負荷のような負荷の非直結給電のための従来の解決法は一般に、バス電圧濾波のために大型の電解フィルタコンデンサを必要とする。しかし、電解フィルタコンデンサは、ＬＥＤより大幅に短い寿命を有することがある。従って、バス電圧濾波用の電解コンデンサを必要としないことによって、本発明の実施例は、電解コンデンサのコストを有利に回避しつつ、電解フィルタコンデンサを利用する従来の解決法に比べて信頼性の増加した駆動回路を提供することができる。

図２に、本発明の一実施例による、ＡＣ電力線と負荷との間に結合された好適な共振モード駆動回路の回路図を示す。駆動回路２００は、共振モード駆動回路とすることができ、ＡＣ電力線２０２と負荷２０４との間に結合されている。駆動回路２００は、ＥＭＩフィルタ２０７、フルブリッジ整流器２１０、ソフトスタートブロック２１４、可変オン時間発振器２１６、制御回路２１８、総和ブロック２２０、故障論理ブロック２２２、ハーフブリッジ・スイッチング回路２２１、共振回路２２８、及び電流センサ２３４を含む。ハーフブリッジ・スイッチング回路２２１は、半導体スイッチ２２５及び２２７（本願では単に「スイッチ２２５及び２２７」とも称する）を含み、ＥＭＩフィルタ２０７は、コンデンサ２０９及び２１３、及びインダクタを含み、共振回路２２８はインダクタ２３０及びコンデンサ２３２を含む。

図２では、ＡＣ電力線２０２、負荷２０４、フルブリッジ整流器２１０、ソフトスタートブロック２１４、可変オン時間発振器２１６、制御回路２１８、総和ブロック２２０、故障論理ブロック２２２、共振回路２２８、インダクタ２３０、コンデンサ２３２、電流センサ２３４、ＬＥＤ２４０₁, ２４０₂,...,２４０_N、Ｖref２６６、Ｖfb２７０、Ｖerr２７２、及びＩ_Load２７６はそれぞれ、図１のＡＣ電力線１０２、負荷１０４、フルブリッジ整流器１１０、ソフトスタートブロック１１４、可変オン時間発振器１１６、制御回路１１８、総和ブロック１２０、故障論理ブロック１２２、共振回路１２８、インダクタ１３０、コンデンサ１３２、電流センサ１３４、ＬＥＤ１４０₁, １４０₂,...,１４０_N、Ｖref１６６、Ｖfb１７０、Ｖerr１７２、及びＩ_Load１７６に相当する。なお本願では、簡潔さを保つために、駆動回路２００と駆動回路１００との相違のみを詳細に説明する。

図２に示すように、ＡＣ電力線２０２は、ノード２１７でコンデンサ２０９及びインダクタ２１１のそれぞれの第１端子に結合され、ノード２１９でコンデンサ２０９の第２端子及びコンデンサ２１３の第１端子に結合され、ノード２１９は駆動回路２００用の接地を与える。また図２に示すように、インダクタ２１１及びコンデンサ２１３の第２端子はノード２１５に結合されノード２１５はバス電圧（Ｖbus）２３１を与える。ＥＭＩフィルタ２０７は、コンデンサ２０９及び２１３、及びインダクタ２１１を含んで、ＥＭＩのような高周波妨害を濾波するためのローパスフィルタを形成する。本発明の駆動回路２００の実施例では、ＥＭＩフィルタ２０７はＡＣ電力線とノード２１５との間に挿入され、Ｖbus２３１を与える。従って、駆動回路２００では、Ｖbus２３１はＡＣ電圧であり、ＡＣ電力線２０２によって供給されるＡＣ電力線電圧の波形にほぼ相当する波形を有する。

図２にさらに示すように、スイッチ２２５の第１端子はノード２１５（Ｖbus２３１）に結合され、スイッチ２２５の第２端子は、ノード２５０で、スイッチ２２７及びインダクタ２３０のそれぞれの第１端子、及び制御回路２２８の入力端子に結合され、スイッチ２２７の第２端子はノード２１９（即ち接地）に結合されている。駆動回路２００内では、スイッチ２２５及び２２７はそれぞれ、例えばＧaＮデバイスのようなIII−V族半導体デバイスとすることができ、このＧaＮデバイスはＧaＮＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）とすることができる。また図２に示すように、スイッチ２２５及び２２７の第３端子（即ち制御端子）は、それぞれの制御線２５２及び２５４を通して制御回路２１８に結合され、コンデンサ２３２の第２端子は、ノード２５６でフルブリッジ整流器２１０の第１ＡＣ端子に結合されている。

図２にさらに示すように、負荷２０４は、フルブリッジ整流器２１０の正端子（ノード２５８）と整流器２１０の負端子（ノード２６０）との間に結合されている。特に、ＬＥＤ２４０₁の陽極はノード２５８に結合され、ＬＥＤ２４０₁の陰極はＬＥＤ２４０₂の陽極に結合され...そしてＬＥＤ２４０_N（即ち最後に直列結合されたＬＥＤ）の陰極はノード２６０に結合されている。また図２に示すように、フルブリッジ整流器２１０の第２ＡＣ端子は、ノード２６２で、電流センサ２３４の第１端子、故障論理ブロック２２２の入力端子、及び総和ブロック２２０の第１入力端子に結合され、電流センサ２３４の第２端子はノード２１９（即ち接地）に結合されている。本発明の実施例では、フルブリッジ整流器２１０と接地との間に挿入された電流センサ２３４は、全波整流された負荷電流（即ちＬＥＤ電流）の直接測定を行うことができる。

図２にさらに示すように、故障論理ブロック２２２の出力端子は、可変オン時間発振器２１６及び制御回路２１８のそれぞれの入力端子に線２６４を通して結合され、Ｖref２６６は総和ブロック２２０の第２入力端子に結合され、総和ブロック２２０の出力端子は線２６８を通して可変オン時間発振器２１６の入力端子に結合されている。また図２に示すように、ソフトスタートブロック２１４は可変オン時間発振器２１４に結合されている。ソフトスタートブロック２１４、故障論理ブロック２２２、及び総和ブロック２２０はそれぞれ、図１の駆動回路１００内のソフトスタートブロック１１４、故障論理ブロック１２２、及び総和ブロック１２０と同様に構成することができる。図２にさらに示すように、バースト調光入力端子２７４が制御回路２１８の入力端子に結合されている。駆動回路２００では、ＬＥＤ調光は、図１の本発明の駆動回路の実施例に関して説明したのとほぼ同様の方法で行うことができる。

制御回路２１８は、可変オン時間発振器２１６からの制御信号に応じて、ハーフブリッジ・スイッチング回路２２１内のスイッチ２２５及び２２７のそれぞれの制御端子（例えばゲート）に適切な駆動信号を供給することによって、これらのスイッチのそれぞれのオン時間を制御するように構成することができる。本発明の実施例では、制御回路２１８は、スイッチ２２５及び２２７の各々にほぼ一定のデューティサイクルを持たせて、これらのスイッチのスイッチング周波数を、可変オン時間発振器２１６からの制御信号に応じて変化させるように構成することができる。一実施例では、制御回路２１８は、スイッチ２２５及び２２７の各々に、例えば50.0パーセントのデューティサイクルを持たせるように構成することができる。

ＧaＮＨＥＭＴのようなIII−V族半導体デバイスを各スイッチ２２５及び２２７用に利用することによって、本発明の駆動回路２００の実施例は、図１のフルブリッジ整流器１０８のような入力フルブリッジ整流器、及び図１のコンデンサ１１２のようなＤＣバスコンデンサをなくすことができる。その結果、ハーフブリッジ・スイッチング回路２２１内の電流及び共振回路２２８内の電流は、ＡＣ電力線（即ちＡＣ電力線２０２）が正または負である際に流れることができる。

駆動回路２００の動作は、上述した駆動回路１００の動作とほぼ同様である。本発明の駆動回路２００の実施例では、Ｖbus２３１はＡＣ電圧であり、ＡＣ電力線２０２によって供給されるＡＣ電圧の波形にほぼ相当する波形を有する。その結果、本発明の駆動回路２００の実施例は、増加した（即ち高い）力率を提供することができる。実施例では、駆動回路２００によって取り出されるＲＭＳＡＣ線路電流は、ＡＣ電力線の入力電圧の波形にほぼ相当する波形を有することができる。一実施例では、負荷２０４（即ちＬＥＤ２４０₁, ２４０₂,...,２４０_N）を通って流れるピーク電流を制限することができる。こうした実施例では、ＲＭＳＡＣ線路電流が、ＡＣ電力線の入力電圧の波形に部分的に相当する波形を有することができる。本発明の駆動回路２００の実施例は、低い全高調波歪みを有利に提供することもできる。駆動回路２００はさらに、図１の本発明の駆動回路１００の実施例に関して上述したのと同様の利点を提供することができる。

図３に、本発明の駆動回路の実施例に負荷絶縁を提供するための好適な回路構成の回路図を示す。図３では、回路３０２は負荷３０４に結合され、負荷３０４は図１の負荷１０４及び図２の負荷２０４に相当する。回路３０２は変圧器３０８を含み、変圧器３０８は、一次巻線３１０、二次巻線３１２、端子３１４及び３１６、中央タップ３１８、及びダイオード３２０及び３２２を含む。負荷３０４はＬＥＤ３４０₁, ３４０₂,...,３４０_Nを含み、これらは図１の負荷１０４内のＬＥＤ１４０₁, １４０₂,...,１４０_N、及び図２の負荷２０４内のＬＥＤ２４０₁, ２４０₂,...,２４０_Nに相当する。図３に示すように、ダイオード３２０の陽極は変圧器３０２の二次巻線３１２の第１端子に結合され、ダイオード３２２の陽極は二次巻線３１２の第２端子に結合され、負荷３０４は、二次巻線３１２の中央タップ３１８とダイオード３２０及び３２２のそれぞれの陰極（ノード３２４）との間に結合されている。

本発明の実施例では、駆動回路１００内のフルブリッジ整流器１１０を図３の回路３０２に置き換えて、駆動回路１００と負荷１０４との間の絶縁を提供することができ、変圧器３０８の一次巻線３１０の端子３１４及び３１６は駆動回路１００内のそれぞれのノード１５６及び１６２に結合することができ、負荷１０４は、図３の負荷３０４と同様の方法で、変圧器３０８の二次巻線３１２に結合することができる。他の実施例では、駆動回路２００内のフルブリッジ整流器２１０を、同様の方法で図３の回路３０２に置き換えて、駆動回路２００と負荷２０４との間の絶縁を提供することができる。回路３０２では、二次巻線３１２の中央タップ３１８を利用しているので、ＬＥＤ出力電流の全波整流を達成するために２つのダイオード（即ちダイオード３２０及び３２２）しか必要としない。

図４に、本発明の駆動回路の実施例に負荷絶縁を提供するための他の好適な回路構成の回路図を示す。図４では、変圧器４０２は一次巻線４０４及び二次巻線４０６を含み、負荷４０８は変圧器４０２に結合され、ＬＥＤ４１０₁, ４１０₂,...,４１０_Nをを含む。図４に示すように、ＬＥＤ４１０₁の陽極はノード４１２で二次巻線４０６に結合され、ＬＥＤ４１０₂の陽極はノード４１４に結合され、ＬＥＤ４１０₂の陰極はノード４１２に結合され、ＬＥＤ４１０_Nの陰極はノード４１４に結合されている。従って、図４に示す回路構成では、変圧器４０２の一次巻線４０４が負荷４０８から絶縁され、負荷４０８は変圧器４０２の二次巻線４０６に結合されている。

本発明の実施例では、駆動回路１００内のフルブリッジ整流器１１０及び負荷１０４をそれぞれ、図４の変圧器４０２及び負荷４０８に置き換えて、駆動回路１００とＬＥＤ負荷（即ち負荷４０８）との間の絶縁を提供することができ、変圧器４０２の一次巻線４０４の端子４１６及び４１８はそれぞれ、駆動回路１００内のノード１５６及び１６２に結合することができる。他の実施例では、駆動回路２００内のフルブリッジ整流器２１０及び負荷２０４をそれぞれ、同様の方法で図４の変圧器４０２及び負荷４０８に置き換えて、駆動回路２００とＬＥＤ負荷（即ち負荷４０８）との間の絶縁を提供することができる。

図５に、本発明の一実施例による、例示的なＤＣバス電圧を含む例示的なグラフ５００を示す。グラフ５００は、時間軸５０２、電圧軸５０４、及びＤＣバス電圧５０６を含む。グラフ５００では、ＤＣバス電圧５０６は、図１の本発明の駆動回路１００の実施例におけるＶbus１４８に相当する。グラフ５００に示すように、ＤＣバス電圧５０６は、図１のフルブリッジ整流器１０８によってノード１４６に供給される整流したＡＣ電力線電圧のような、ＡＣ電力線電圧を整流した波形にほぼ相当する波形を有する。

図６に、本発明の一実施例による、例示的なＡＣバス電圧を含む例示的なグラフ６００を示す。グラフ６００は、時間軸６０２、電圧軸６０４、及びＡＣバス電圧６０６を含む。グラフ６００では、ＡＣバス電圧６０６は、図２の本発明の駆動回路の実施例におけるＶbus２３１に相当する。グラフ６００に示すように、ＤＣバス電圧６０６は、図２のＡＣ電力線２０２によって供給されるＡＣ電力線電圧のようなＡＣ電力線電圧の波形にほぼ相当する波形を有する。

図７に、本発明の一実施例による、例示的なＲＭＳＡＣ線路電流を含む例示的なグラフ７００を示す。グラフ７００は、時間軸７０２、電圧軸７０４、ＲＭＳＡＣ線路電流７０６、高周波数のＬＥＤ出力電流７０８、及びＡＣ電力線電圧７１０を含む。グラフ７００では、ＲＭＳＡＣ線路電流７０６は、図１の本発明の駆動回路１００の実施例によって取り出されるＲＭＳＡＣ線路電流に相当し、図２の本発明の駆動回路２００の実施例によって取り出されるＲＭＳＡＣ線路電流にも相当する。グラフ７００では、高周波数のＬＥＤ出力電流７０８は、本発明の駆動回路１００の実施例において負荷１０４を通って流れるＬＥＤ出力電流に相当し、本発明の駆動回路２００の実施例において負荷２０４を通って流れるＬＥＤ出力電流にも相当する。グラフ７００では、ＡＣ電力線電圧７１０は、図１のＡＣ電力線１０２によって供給されるＡＣ電力線電圧及び図２のＡＣ電力線２０２によって供給されるＡＣ電力線電圧に相当する。

グラフ７００に示すように、ＲＭＳＡＣ線路電流７０６の波形は、ＡＣ線路電圧７１０の波形にほぼ相当する。従って、ＡＣ電力線電圧を整流した波形にほぼ相当する波形を有するＤＣバス電圧（即ち図１のＶbus）を供給することによって、図１の本発明の駆動回路１００の実施例は、駆動回路１００によって取り出されるＲＭＳＡＣ線路電流の波形をＡＣ電力線電圧の波形にほぼ相当するようにし、これにより、増加した力率を提供することができる。また、ＡＣ電力線電圧の波形にほぼ相当する波形を有するＡＣバス電圧（即ち図２のＶbus２３１）を供給することによって、図２の本発明の駆動回路２００の実施例は、駆動回路２００によって取り出されるＲＭＳＡＣ線路電流の波形をＡＣ電力線電圧の波形にほぼ相当するようにし、これにより、増加した力率を提供することができる。

図８に、本発明の一実施例による例示的なＲＭＳＡＣ線路入力電流を含む例示的なグラフ８００を示す。グラフ８００は、時間軸８０２、電圧軸８０４、ＲＭＳＡＣ線路電流８０６、高周波数のＬＥＤ出力電流８０８、及びＡＣ電力線電圧８１０を含む。グラフ８００では、ＲＭＳＡＣ線路電流８０６は、ピーク負荷電流（即ち、負荷１０４を通って流れるピークＬＥＤ電流）が制限された実施例において、図１の駆動回路１００によって取り出したＲＭＳＡＣ線路電流に相当する。ＲＭＳＡＣ線路電流８０６は、ピーク負荷電流（即ち、負荷２０４を通って流れるピークＬＥＤ電流）が制限された実施例において、図２の駆動回路２００によって取り出したＲＭＳＡＣ線路電流にも相当する。グラフ８００では、高周波数のＬＥＤ出力電流８０８は、図１の本発明の駆動回路１００の実施例において負荷１０４を通って流れるＬＥＤ出力電流に相当し、図２の本発明の駆動回路２００の実施例において負荷２０４を通って流れるＬＥＤ出力電流にも相当し、ここではピーク負荷が制限されている。

グラフ８００に示すように、ＲＭＳＡＣ線路電流８０６の波形は、ＡＣ電力線電圧８１０の波形に部分的に相当する。従って、ＡＣ電力線電圧を整流した波形にほぼ相当する波形を有するＤＣバス電圧（即ちＶbus１４８）を供給し、ピーク負荷電流を制限することによって、図１の本発明の駆動回路１００の実施例は、駆動回路１００によって取り出されるＲＭＳＡＣ線路電流の波形をＡＣ電力線電圧の波形に部分的に相当するようにし、これにより、増加した力率を提供することができる。また、ＡＣ電力線電圧の波形にほぼ相当する波形を有するＡＣバス電圧（即ち図２のＶbus２３１）を供給し、ピーク負荷電流を制限することによって、図２の本発明の駆動回路２００の実施例は、駆動回路２００によって取り出されるＲＭＳＡＣ線路電流の波形をＡＣ電力線電圧の波形にほぼ相当するようにし、これにより、増加した力率を提供することができる。

従って、上述したように、ＡＣ電力線電圧を整流した波形にほぼ相当する波形をＤＣバス電圧に持たせることによって、図１の本発明の駆動回路１００の実施例は、バックコンバータを用いる従来の解決法に比べて増加した力率を有利に提供しつつ、ＬＥＤ負荷のような負荷に非直結で給電することができる。また、本発明の駆動回路１００の実施例は、フライバック回路の最大電力制限を回避しつつ、フライバック回路を利用する従来の解決法より高い効率を提供することができる。

また、ＡＣ電力線電圧の波形にほぼ相当する波形を有するＡＣバス電圧を供給することによって、図２の本発明の駆動回路２００の実施例は、増加した力率のように、駆動回路１００と同様の利点を提供しつつ、ＬＥＤ負荷のような負荷に非直結で給電することができる。これに加えて、電解コンデンサのような大型の分極フィルタコンデンサを電圧バスの濾波用に必要としないことによって、図１及び２の本発明の実施例は、電解コンデンサのコストを有利に回避しつつ、電解フィルタコンデンサを電圧バスの濾波用に利用する従来の解決法に比べて増加した信頼性を提供することができる。

以上の本発明の説明より、本発明の範囲を逸脱せずに、種々の技術を用いて本発明の概念を実現することができることは明らかである。さらに、本発明は、特定実施例を詳しく参照して説明してきたが、本発明の範囲を逸脱せずに、形状及び細部に変更を加えることができることは、通常の当業者にとって明らかである。従って、説明した実施例はあらゆる点で例示的であり限定的ではない。また、本発明は、本明細書で説明した特定実施例に限定されず、本発明の範囲を逸脱せずに、多数の再構成、変更、及び代替が可能であることも明らかである。

１００駆動回路
１０２ＡＣ電力線
１０４負荷
１０６フィルタ
１０８、１１０フルブリッジ整流器
１１２コンデンサ
１１４ソフトスタートブロック
１１６可変オン時間発振器
１１８制御回路
１２０総和ブロック
１２２故障論理ブロック
１２３ハーフブリッジ・スイッチング回路
１２４、１２６半導体スイッチ
１２８共振回路
１３０インダクタ
１３２コンデンサ
１３４電流センサ
１３６ノード
１３７コンデンサ
１３８インダクタ
１４０ＬＥＤ
１４２、１４４、１４６ノード
１４８バス電圧
１５０ノード
１５２、１５４制御線
１５６、１５８、１６０、１６２ノード
１６６基準電圧
１６８線
１７０フィードバック電圧
１７２誤差電圧
１７４バースト調光入力端子
１７６負荷電流
２００駆動回路
２０２ＡＣ電力線
２０４負荷
２０７ＥＭＩフィルタ
２０９コンデンサ
２１０フルブリッジ整流器
２１１インダクタ
２１３コンデンサ
２１４ソフトスタートブロック
２１５ノード
２１６可変オン時間発振器
２１７ノード
２１８制御回路
２１９ノード
２２０総和ブロック
２２１インダクタ
２２２故障論理ブロック
２２５、２２７スイッチ
２２８共振回路
２３０インダクタ
２３１バス電圧
２３２コンデンサ
２３４電流センサ
２４０ＬＥＤ
２５０ノード
２５２、２５４制御線
２５６、２５８、２６０、２６２ノード
２６６基準電圧
２６８線
２７０フィードバック電圧
２７２誤差電圧
２７４バースト調光入力端子
２７６負荷電流
３０２回路
３０４負荷
３０８変圧器
３１０一次巻線
３１２二次巻線
３１４、３１６端子
３１８中央タップ
３２０、３２２ダイオード
３２４ノード
３４０ＬＥＤ
４０２変圧器
４０４一次巻線
４０６二次巻線
４０８負荷
４１０ＬＥＤ
４１２、４１４ノード
４１６、４１８端子
５００グラフ
５０２時間軸
５０４電圧軸
５０６ＤＣバス電圧
６００グラフ
６０２時間軸
６０４電圧軸
６０６ＤＣバス電圧
７００グラフ
７０２時間軸
７０４電圧軸
７０６ＡＣ線路電流
７０８ＬＥＤ出力電流
７１０ＡＣ電力線電圧
８００グラフ
８０２時間軸
８０４電圧軸
８０６ＡＣ線路電流
８０８ＬＥＤ出力電流
８１０ＡＣ電力線電圧

Claims

ＡＣ電力線と負荷との間に結合された駆動回路において、
バス電圧と共振回路との間に挿入された第１半導体スイッチ、及び前記共振回路と接地との間に挿入された第２半導体スイッチを具え、
前記共振回路が前記負荷を駆動し、
前記バス電圧は、前記ＡＣ電力線の電圧を整流した波形にほぼ相当する波形を有し、これにより前記駆動回路の力率を増加させることを特徴とする駆動回路。
前記負荷が少なくとも１つのＬＥＤを含むことを特徴とする請求項１に記載の駆動回路。
さらに、前記共振回路と前記負荷との間に挿入されたフルブリッジ整流器を具えていることを特徴とする請求項１に記載の駆動回路。
前記第１半導体スイッチ及び前記第２半導体スイッチの各々がＭＯＳＦＥＴを含むことを特徴とする請求項１に記載の駆動回路。
前記負荷が前記共振回路から絶縁されていることを特徴とする請求項１に記載の駆動回路。
前記負荷が、逆並列配置になるように互いに結合された複数のＬＥＤを含むことを特徴とする請求項１に記載の駆動回路。
さらに、前記ＡＣ電力線と前記第１半導体スイッチとの間に結合されたフルブリッジ整流器を具えていることを特徴とする請求項１に記載の駆動回路。
さらに、前記第１半導体スイッチと前記接地との間に結合された非分極コンデンサを具えていることを特徴とする請求項１に記載の駆動回路。
さらに、前記第１半導体スイッチ及び前記第２半導体スイッチの各々のオン時間を制御するための制御回路を具えていることを特徴とする請求項１に記載の駆動回路。
前記駆動回路によって取り出されたＲＭＳＡＣ線路電流が、前記ＡＣ電力線によって供給されるＡＣ電力線電圧の波形に少なくとも部分的に相当する波形を有することを特徴とする請求項１に記載の駆動回路。
ＡＣ電力線と負荷との間に結合された駆動回路において、
バス電圧と共振回路との間に挿入された第１半導体スイッチ、及び前記共振回路と接地との間に挿入された第２半導体スイッチを具え、
前記共振回路が前記負荷を駆動し、
前記バス電圧は、前記ＡＣ電力線によって供給されるＡＣ電圧の波形にほぼ相当する波形を有し、これにより前記駆動回路の力率を増加させることを特徴とする駆動回路。
前記負荷が少なくとも１つのＬＥＤを含むことを特徴とする請求項１１に記載の駆動回路。
さらに、前記共振回路と前記負荷との間に挿入されたフルブリッジ整流器を具えていることを特徴とする請求項１１に記載の駆動回路。
さらに、前記ＡＣ電力線と前記バス電圧との間に挿入された電磁波妨害（ＥＭＩ）フィルタを具えていることを特徴とする請求項１１に記載の駆動回路。
前記第１半導体スイッチ及び前記第２半導体スイッチの各々がIII−V族半導体デバイスを含むことを特徴とする請求項１１に記載の駆動回路。
前記III−V族半導体デバイスがＧaＮデバイスであることを特徴とする請求項１５に記載の駆動回路。
前記共振回路が前記負荷から絶縁されていることを特徴とする請求項１１に記載の駆動回路。
さらに、前記第１半導体スイッチ及び前記第２半導体スイッチの各々のオン時間を制御するための制御回路を具えていることを特徴とする請求項１１に記載の駆動回路。
さらに、前記共振回路と前記負荷との間に挿入されたフルブリッジ整流器を具えていることを特徴とする請求項１１に記載の駆動回路。
前記駆動回路によって取り出されたＲＭＳＡＣ線路電流が、前記ＡＣ電力線によって供給されるＡＣ電力線電圧の波形に少なくとも部分的に相当する波形を有することを特徴とする請求項１１に記載の駆動回路。