JP2014014264A

JP2014014264A - 駆動装置

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Publication number: JP2014014264A
Application number: JP2013168563A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Fukui; 啓之福井
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2013-08-14
Filing date: 2013-08-14
Publication date: 2014-01-23
Anticipated expiration: 2028-08-12
Also published as: JP5731597B2

Abstract

【課題】ＬＥＤ等の負荷に電力を供給し、長寿命化かつ小型化を図ることが可能な駆動装置を提供する。
【解決手段】駆動装置１０１は、受けた交流電圧を整流する１次側整流回路ＢＤ１と、整流された電圧を平滑化する第１のコンデンサＣ１と、トランスＴ１の１次巻線Ｌ１に結合され、オン・オフすることにより平滑化された電圧を交流電圧に変換して１次巻線Ｌ１に供給するスイッチング素子Ｑ１と、トランスＴ１の２次巻線Ｌ２に誘起された交流電圧を整流平滑して負荷１１〜１３に出力する２次側整流平滑回路２４と、駆動電圧をスイッチング素子Ｑ１の制御電極に供給することにより、スイッチング素子Ｑ１をオン・オフするスイッチング制御回路２２と、１次巻線Ｌ１に誘起された電圧に基づいてスイッチング素子Ｑ１の制御電極にバイアス電圧を供給するバイアス回路２１とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、駆動装置に関し、特に、スイッチング素子を用いて電力変換を行なう駆動装置に関する。

ＬＥＤ（Light-Emitting Diode）等の発光素子を用いた蛍光灯および街路灯等の照明装置が開発されている。このようなＬＥＤを用いたＬＥＤ照明装置の用途は、サブ照明から住宅用のメイン照明へ拡大してきている。通常、蛍光灯の寿命は２年〜３年であるが、ＬＥＤの寿命は約４０，０００時間であり、蛍光灯に比べて遥かに長寿命である。ＬＥＤ照明装置は、たとえば複数のＬＥＤと、これらのＬＥＤをそれぞれ駆動する複数の駆動装置とで構成される。

ＬＥＤ照明装置の一例として、たとえば、特許文献１には以下のような構成が開示されている。すなわち、照明装置は、商用交流電源（ＡＣ１００Ｖ）を全波整流するダイオードブリッジからなる整流回路と、整流された直流電流を平滑化する電解コンデンサからなる平滑回路と、平滑された直流電流を共通電源として、当該共通電源に対し並列に接続される２つのＬＥＤ列と、一方のＬＥＤ列と直列に接続される定電流回路と、他方のＬＥＤ列と直列に接続される定電流回路とを含む。

また、ＬＥＤ照明装置の一例として、特許文献２には以下のような構成が開示されている。すなわち、２つのブリッジダイオードと、これらのブリッジダイオード間に接続されたＬＥＤユニット回路とを備える。ＬＥＤユニット回路は、電解コンデンサである平滑コンデンサを含む。

特開２００４−２０７６５４号公報特開２００４−１９２８３３号公報

ところで、蛍光灯の交換は容易であるが、ＬＥＤ照明装置は、たとえばダウンライトなど埋め込み型のものが存在するため、その交換が容易でない場合がある。したがって、ＬＥＤ照明装置は長寿命であることが要求される。

ここで、前述のようにＬＥＤは長寿命であるため、ＬＥＤ照明装置の寿命を長くするためには、駆動装置の寿命を長くすることが重要となる。特許文献１および２記載の構成では、入力交流電圧を全波整流した後に平滑するために大容量の電解コンデンサが設けられている。ところが、電解コンデンサは一般的に寿命が短く、たとえば１０５℃の条件下で５，０００時間の寿命しか有していない。また、このような大容量の電解コンデンサはサイズが大きいことから、ＬＥＤ照明装置の小型化を図ることが困難である。

それゆえに、本発明の目的は、ＬＥＤ等の負荷に電力を供給し、長寿命化かつ小型化を図ることが可能な駆動装置を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる駆動装置は、負荷に電力を供給する駆動装置であって、受けた交流電圧を整流する１次側整流回路と、整流された電圧を平滑化する第１のコンデンサと、１次巻線および２次巻線を含むトランスと、１次巻線に結合され、オン・オフすることにより平滑化された電圧を交流電圧に変換し、変換した交流電圧を１次巻線に供給するスイッチング素子と、２次巻線に誘起された交流電圧を整流平滑して負荷に出力する２次側整流平滑回路と、駆動電圧をスイッチング素子の制御電極に供給することにより、スイッチング素子をオン・オフするスイッチング制御回路と、１次巻線に誘起された電圧に基づいてスイッチング素子の制御電極にバイアス電圧を供給するバイアス回路とを備える。

好ましくは、バイアス回路は、１次巻線の第１端とスイッチング素子の制御電極との間に接続された第２のコンデンサと、１次巻線の第２端とスイッチング素子の制御電極および第２のコンデンサとの間に接続されたダイオードとを含む。

より好ましくは、バイアス回路は、さらに、第２のコンデンサおよびダイオードとスイッチング素子の制御電極との間に接続された第１の抵抗と、スイッチング素子の制御電極および第１の抵抗の接続ノードに接続された第２の抵抗とを含む。

好ましくは、第１のコンデンサはセラミックコンデンサである。
好ましくは、負荷は発光素子である。

本発明によれば、ＬＥＤ等の負荷に電力を供給し、長寿命化かつ小型化を図ることができる。

本発明の実施の形態に係る駆動装置の構成を示す図である。本発明の実施の形態に係る駆動装置がバイアス回路を備えないと仮定した場合の構成を示す図である。（ａ）および（ｂ）は、駆動装置の１次巻線に発生するフライバック電圧を示す波形図である。駆動装置５１の動作を示す波形図である。本発明の実施の形態に係る駆動装置の動作を示す波形図である。駆動装置５１および駆動装置１０１の各々における入力電圧とＬＥＤ駆動電圧との関係を示すグラフ図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、本発明の実施の形態に係る駆動装置の構成を示す図である。
図１を参照して、駆動装置１０１は、ブリッジダイオード（１次側整流回路）ＢＤ１と、コンデンサＣ１と、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ（スイッチング素子）Ｑ１と、トランスＴ１と、抵抗Ｒ３，Ｒ４と、バイアス回路２１と、スイッチング制御回路２２と、電圧監視回路２３と、２次側整流平滑回路２４とを備える。トランスＴ１は、１次巻線Ｌ１と、２次巻線Ｌ２と、補助巻線Ｌ３とを含む。バイアス回路２１は、ダイオードＤ１と、コンデンサＣ２と、抵抗Ｒ１，Ｒ２とを含む。２次側整流平滑回路２４は、ダイオードＤ２と、コンデンサＣ３とを含む。コンデンサＣ１は、電解コンデンサと比べて長寿命かつ小容量のコンデンサであり、たとえばセラミックコンデンサである。

ブリッジダイオードＢＤ１の第１端および第３端と交流電源ＰＳとが接続されている。ブリッジダイオードＢＤ１の第２端と、コンデンサＣ１の第１端と、コンデンサＣ２の第１端と、１次巻線Ｌ１の第１端とが接続されている。コンデンサＣ２の第２端と、ダイオードＤ１のカソードと、抵抗Ｒ１の第１端とが接続されている。１次巻線Ｌ１の第２端と、ダイオードＤ１のアノードと、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ１のドレインとが接続されている。抵抗Ｒ１の第２端と、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ１のゲートと、抵抗Ｒ２の第１端と、スイッチング制御回路２２とが接続されている。ブリッジダイオードＢＤ１の第４端と、コンデンサＣ１の第２端と、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ１のソースと、抵抗Ｒ２の第２端と、スイッチング制御回路２２とが接続されている。

２次巻線Ｌ２の第１端と、ダイオードＤ２のアノードとが接続されている。ダイオードＤ２のカソードと、コンデンサＣ３の第１端と、抵抗Ｒ３の第１端と、ＬＥＤ１１のアノードとが接続されている。２次巻線Ｌ２の第２端と、コンデンサＣ３の第２端と、ＬＥＤ１３のカソードとが接続されている。抵抗Ｒ３の第２端と、抵抗Ｒ４の第１端とが接続されている。抵抗Ｒ４の第２端が、接地電圧の供給されるノードに接続されている。ＬＥＤ１，１２，１３はこの順番に直列接続されている。

交流電源ＰＳから出力される交流電圧は、ブリッジダイオードＢＤ１によって全波整流される。ブリッジダイオードＢＤ１によって全波整流された電圧は、コンデンサＣ１によって平滑される。

スイッチング制御回路２２は、トランスＴ１の補助巻線Ｌ３に誘起された交流電圧によって動作する。スイッチング制御回路２２は、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ１をオン・オフするための駆動電圧をＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ１のゲートに供給する。

ＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ１は、スイッチング制御回路２２からの駆動電圧に基づいてオン・オフするスイッチング動作を行なう。ＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ１は、スイッチング動作によりコンデンサＣ１の両端電圧すなわちブリッジダイオードＢＤ１およびコンデンサＣ１によって整流平滑された電圧を交流電圧に変換し、トランスＴ１の一次巻線Ｌ１に供給する。

ダイオードＤ２は、トランスＴ１の二次巻線Ｌ２に誘起された交流電圧を整流する。コンデンサＣ３は、ダイオードＤ２によって整流された電圧を平滑化する。ダイオードＤ２およびコンデンサＣ３によって整流平滑された電圧は、ＬＥＤ１１〜１３に供給される。

電圧監視回路２３は、ＬＥＤ１１〜１３に供給される電圧を監視し、監視結果をスイッチング制御回路２２に通知する。より詳細には、電圧監視回路２３は、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４の接続ノードにおける電圧を監視し、監視結果を示す制御信号を図示しないフォトカプラ等を介してスイッチング制御回路２２へ出力する。スイッチング制御回路２２は、電圧監視回路２３から受けた制御信号に基づいて、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ１のスイッチング周波数および駆動電圧のデューティ等を変更する。

ここで、本発明の実施の形態に係る駆動装置がバイアス回路２１を備えないと仮定した場合の問題点について説明する。

図２は、本発明の実施の形態に係る駆動装置がバイアス回路を備えないと仮定した場合の構成を示す図である。

図２を参照して、駆動装置５１は、ブリッジダイオードＢＤ１と、コンデンサＣ１と、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ１と、トランスＴ１と、抵抗Ｒ３，Ｒ４と、ダイオードＤ５１と、コンデンサＣ５２と、抵抗Ｒ５１と、スイッチング制御回路２２と、電圧監視回路２３と、２次側整流平滑回路２４とを備える。

図３（ａ）および（ｂ）は、駆動装置の１次巻線に発生するフライバック電圧を示す波形図である。

図３（ａ）を参照して、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ１をオフすると、１次巻線Ｌ１に生じる誘導起電力により、レベルが数１００Ｖまで急峻に立ち上がるフライバック電圧が発生する。たとえば、１次巻線Ｌ１と２次巻線Ｌ２との巻線比が１０：１であり、２次巻線Ｌ２に誘起される電圧レベルが８０Ｖである場合には、８００Ｖのレベルを有するフライバック電圧が発生する。

しかしながら、駆動装置５１では、抵抗Ｒ５１と、コンデンサＣ５２と、ダイオードＤ５１とで構成される回路により、１次巻線Ｌ１に生じた誘導電流がダイオードＤ５１および抵抗Ｒ５１を通して流れ、フライバック電圧のレベルが抵抗Ｒ５１によって低下する。このため、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ１に印加される電圧の波形は図３（ｂ）のようになる。

図４は、駆動装置５１の動作を示す波形図である。図４において、ＶＩＮはブリッジダイオードＢＤ１およびコンデンサＣ１によって整流平滑された電圧であり、ＶＴＨはＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ１がオンするために必要な電圧ＶＩＮの最小レベルを示し、ＶＧはＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ１のゲート電圧であり、ＩＬはＬＥＤ１１〜１３を通して流れる電流である。

図４を参照して、コンデンサＣ１は小容量のセラミックコンデンサであるため、ブリッジダイオードＢＤ１によって全波整流された電圧を平滑化する度合いが電解コンデンサよりも低い。このため、電圧ＶＩＮのレベルがＶＴＨ未満となり、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ１のスイッチングが停止する期間が生じてしまう。このスイッチングが停止する期間においては電流ＩＬが大幅に低下するため、ＬＥＤ１１〜１３がちらついてしまう。

図５は、本発明の実施の形態に係る駆動装置の動作を示す波形図である。図５において、ＶＤはＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ１のドレイン電圧であり、ＶＴＨはＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ１がオンするために必要な電圧ＶＤの最小レベルを示し、ＶＧはＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ１のゲート電圧であり、ＩＬはＬＥＤ１１〜１３を通して流れる電流である。

図５を参照して、駆動装置１０１では、駆動装置５１と同様に、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ１をオフすると、１次巻線Ｌ１に生じる誘導起電力によってフライバック電圧が発生する。

ここで、駆動装置１０１では、駆動装置５１と同様に、コンデンサＣ１は小容量のセラミックコンデンサであるため、ブリッジダイオードＢＤ１によって全波整流された電圧を平滑化する度合いが電解コンデンサよりも低い。

しかしながら、駆動装置１０１では、バイアス回路２１が、１次巻線に発生するフライバック電圧に基づいてＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ１のゲートにバイアス電圧を供給する。

すなわち、駆動装置５１では、コンデンサＣ１によって平滑された電圧がＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ１のゲートに供給されていたが、駆動装置１０１では、この整流平滑された電圧に加えて、１次巻線Ｌ１に生じるフライバック電圧がＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ１のゲートに供給される。これにより、図５の矢印Ａで示すように、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧのＤＣレベルが駆動装置５１と比べて上昇するため、ゲート電圧ＶＧが電圧レベルＶＴＨ未満となることを防ぐことができる。これにより、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ１のスイッチングが停止することを防ぐことができるため、電流ＩＬが大幅に低下してＬＥＤ１１〜１３がちらつくことを防ぐことができる。

さらに、駆動装置１０１では、１次巻線Ｌ１に生じる誘導電流が抵抗Ｒ１およびＲ２を通して流れ、フライバック電圧が抵抗Ｒ１およびＲ２によって低下するため、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ１に印加される電圧の波形は、駆動装置５１と同様に図３（ｂ）のようになる。これにより、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ１を耐圧の高いトランジスタとする必要がなくなる。

また、駆動装置１０１では、駆動装置５１における抵抗Ｒ５１を、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ１のゲート電圧のＤＣレベルを設定するための抵抗Ｒ２およびＲ３で代用している。これにより、駆動装置５１と比べて抵抗Ｒ５１が不要となるため、小型化を図ることができる。

図６は、駆動装置５１および駆動装置１０１の各々における入力電圧とＬＥＤ駆動電圧との関係を示すグラフ図である。

図６を参照して、駆動装置５１では、入力電圧すなわちブリッジダイオードＢＤ１およびコンデンサＣ１によって整流平滑された電圧が７０Ｖ以下になるとＬＥＤ１１〜１３に印加されるＬＥＤ駆動電圧が０Ｖになる。これに対して、駆動装置１０１では、入力電圧が２０Ｖ以下になるまでＬＥＤ駆動電圧が０Ｖにならない。

このように、本発明の実施の形態に係る駆動装置では、平滑用コンデンサとしてセラミックコンデンサを用いているが、バイアス回路２１によってゲート電圧ＶＧのレベルが上昇するため、入力電圧レベルすなわち入力交流電圧の振幅が小さい場合であっても、ＬＥＤに安定して電力を供給することができる。

すなわち、本発明の実施の形態に係る駆動装置では、長寿命化および小型化を図るとともに、負荷に安定して電力を供給することができる。

そして、本発明の実施の形態に係る駆動装置では、駆動装置の長寿命化を図ることにより、ＬＥＤ照明装置の長寿命化が要求される住宅市場への参入が容易となる。

また、駆動装置１０１およびＬＥＤを備えたＬＥＤ電球を、白熱電球およびハロゲン電球の代替品とすることにより、電球市場への参入が可能となる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

２１バイアス回路、２２スイッチング制御回路、２３電圧監視回路、２４２次側整流平滑回路、５１，１０１駆動装置、ＢＤ１ブリッジダイオード（１次側整流回路）、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ５２コンデンサ、Ｑ１ＮチャネルＭＯＳトランジスタ（スイッチング素子）、Ｔ１トランス、Ｌ１１次巻線、Ｌ２２次巻線、Ｌ３補助巻線、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ５１ダイオード、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５１抵抗。

上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる駆動装置は、負荷に電力を供給する駆動装置であって、商用交流電源から受けた交流電圧を整流するダイオードブリッジからなる１次側整流回路と、整流された電圧を平滑化するセラミックコンデンサからなる第１のコンデンサと、１次巻線および２次巻線を含むトランスと、１次巻線に結合され、オン・オフすることにより平滑化された電圧を交流電圧に変換し、変換した交流電圧を１次巻線に供給するスイッチング素子と、２次巻線に誘起された交流電圧を整流平滑して負荷に出力する２次側整流平滑回路と、駆動電圧をスイッチング素子の制御電極に直接供給することにより、スイッチング素子をオン・オフするスイッチング制御回路と、１次巻線に誘起された電圧に基づいてスイッチング素子の制御電極にバイアス電圧を供給するバイアス回路とを備える。バイアス回路は、第１端が１次巻線の第１端に接続され、第２端がスイッチング素子の制御電極に接続された第２のコンデンサと、アノードが１次巻線の第２端に接続され、カソードが第２のコンデンサの第２端に接続されたダイオードとを含む。

好ましくは、１次巻線の第２端はスイッチング素子の第１主電極に直接接続されている。

好ましくは、１次巻線の第１端は第１のコンデンサの第１端に接続され、１次巻線の第２端はスイッチング素子を介して第１のコンデンサの第２端に接続されている。

好ましくは、１次巻線の第１端は第１のコンデンサの第１端に接続され、バイアス回路は、さらに、スイッチング素子の制御電極と第１のコンデンサの第２端との間に接続された抵抗を含む。
好ましくは、トランスは補助巻線をさらに含み、スイッチング制御回路は、補助巻線に誘起された交流電圧によって駆動される。
好ましくは、さらに、２次側整流平滑回路の出力電圧を監視する電圧監視回路を備え、スイッチング制御回路は、電圧監視回路の監視結果に基づいてスイッチング素子をオン・オフする。
好ましくは、負荷は発光素子である。

２次巻線Ｌ２の第１端と、ダイオードＤ２のアノードとが接続されている。ダイオードＤ２のカソードと、コンデンサＣ３の第１端と、抵抗Ｒ３の第１端と、ＬＥＤ１１のアノードとが接続されている。２次巻線Ｌ２の第２端と、コンデンサＣ３の第２端と、ＬＥＤ１３のカソードとが接続されている。抵抗Ｒ３の第２端と、抵抗Ｒ４の第１端とが接続されている。抵抗Ｒ４の第２端が、接地電圧の供給されるノードに接続されている。ＬＥＤ１１，１２，１３はこの順番に直列接続されている。

Claims

負荷に電力を供給する駆動装置であって、
受けた交流電圧を整流する１次側整流回路と、
前記整流された電圧を平滑化する第１のコンデンサと、
１次巻線および２次巻線を含むトランスと、
前記１次巻線に結合され、オン・オフすることにより前記平滑化された電圧を交流電圧に変換し、前記変換した交流電圧を前記１次巻線に供給するスイッチング素子と、
前記２次巻線に誘起された交流電圧を整流平滑して前記負荷に出力する２次側整流平滑回路と、
駆動電圧を前記スイッチング素子の制御電極に供給することにより、前記スイッチング素子をオン・オフするスイッチング制御回路と、
前記１次巻線に誘起された電圧に基づいて前記スイッチング素子の制御電極にバイアス電圧を供給するバイアス回路とを備える駆動装置。
前記バイアス回路は、
前記１次巻線の第１端と前記スイッチング素子の制御電極との間に接続された第２のコンデンサと、
前記１次巻線の第２端と前記スイッチング素子の制御電極および前記第２のコンデンサとの間に接続されたダイオードとを含む請求項１に記載の駆動装置。
前記バイアス回路は、さらに、
前記第２のコンデンサおよび前記ダイオードと前記スイッチング素子の制御電極との間に接続された第１の抵抗と、
前記スイッチング素子の制御電極および前記第１の抵抗の接続ノードに接続された第２の抵抗とを含む請求項２に記載の駆動装置。
前記第１のコンデンサはセラミックコンデンサである請求項１に記載の駆動装置。
前記負荷は発光素子である請求項１に記載の駆動装置。