JP2014171382A

JP2014171382A - 力率改善回路機能向上装置

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Publication number: JP2014171382A
Application number: JP2014032794A
Authority: JP
Inventors: Richard Landry Gray; ランドリーグレイリチャード
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-02-24
Filing date: 2014-02-24
Publication date: 2014-09-18
Also published as: US9083258B2; TW201434255A; US20140292212A1; CN104009621A; EP2770621A3; EP2770621A2

Abstract

【課題】力率を改善し高めるのに用いられる力率改善回路機能向上装置を提供する。
【解決手段】本発明の力率改善回路機能向上装置は、主負荷、電源モジュール、力率改善モジュール、電流源モジュールおよび補助負荷を含む。前記電源モジュールは交流電圧をパルス直流電圧に整流するのに用いられる。前記力率改善モジュールは前記パルス直流電圧を駆動電圧に調整するのに用いられる。前記電流源モジュールは前記電源モジュール、前記主負荷および前記力率改善モジュールの片側に接続し、前記駆動電圧により前記主負荷を駆動する。前記補助負荷は前記力率改善モジュールの別の片側に接続し、前記力率改善モジュールにより駆動される。
【選択図】図３

Description

本発明は電力使用機能を高める装置に関するものであって、特に、力率改善回路機能を改善し高めるのに用いられる回路に関するものである。

現在、電子製品の力率（Ｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒ）を高めるための多くの力率改善回路は、特に照明に使用される回路の設計において、エネルギー消耗、コスト増加、複雑度が増す、スペースをとる、といった問題を抱えている。

図１ａと図１ｂは、定電流源の主負荷１４（発光ダイオード）の基本回路構造を開示しており、電源モジュール１０（ブリッジ整流器）とフィルタキャパシタＣを組み合わせている。
図１ｂは、この回路構造が高調波ノイズと低力率を有することを示している。その主な原因は、フィルタキャパシタＣの放電速度は遅いが充電速度は極めて速いために、入力電圧１０１の各周期において電流スパイク１４０が生じることにある。一般的には、この回路構造の力率は０．５である。

図２ａと図２ｂに示すように、限流器１６とフィルタキャパシタＣを直列設置する方法により回路の力率を増加させることができる。図２ｂは、図２ａにおける限流器１６を増設した場合の入力電流１００と入力電圧１０１の関係を波形で示した図であり、フィルタキャパシタＣの電流量が半周期ごとに制限されるのが図からわかる。

しかし、電流量を有効に制限するために、図２ｂに示すように、限流器１６には一定の電圧１６１が印加される必要があり、限流器１６が十分な電圧１６１と電流を有すれば電流量を有効に制限でき、そこで生じた余分な電気エネルギーの大部分はその後熱エネルギーに変換される。このため、電力効率の観点から言えば、限流器１６の力率改善回路には電気エネルギーの浪費があるという欠点を有することになる。

上述のニーズより、本発明の目的は、力率改善回路の電力使用効率を改良するに用いられる装置を提供することである。

実施例によると、力率改善回路機能向上装置は主負荷、電源モジュール、力率改善モジュール、電流源モジュールおよび補助負荷を含む。前記電源モジュールは交流電圧（ＡｌｔｅｒｎａｔｉｎｇＣｕｒｒｅｎｔ（ＡＣ）ｖｏｌｔａｇｅ）をパルス直流電圧（ＰｕｌｓａｔｉｎｇＤｉｒｅｃｔＣｕｒｒｅｎｔ（ＤＣ）ｖｏｌｔａｇｅ）に整流するのに用いられる。前記力率改善モジュールは前記パルス直流電圧を駆動電圧に調整するのに用いられる。前記電流源モジュールは前記電源モジュール、前記主負荷および前記力率改善モジュールの片側に接続し、前記駆動電圧により前記主負荷を駆動する。前記補助負荷は前記力率改善モジュールの別の片側に接続し、前記力率改善モジュールにより駆動される。

本発明によれば、力率改善モジュールが浪費するエネルギーを利用して補助負荷を駆動して動作させることにより、電力機能が高められ、力率が改善される。

従来の定電流源駆動ＬＥＤの回路構造を示す図。図１ａの入力電圧と電流の波形を示す図。従来の限流器を利用した力率改善回路を示す図。図２ａの電流と電圧の関係を波形で示した図。本発明の力率改善回路機能向上装置を示す図。本発明の実施例における装置の回路図。図４ａの電流と電圧の関係を波形で示した図。本発明のもう１つの実施例における装置の回路図。

図３が示すように、力率改善回路機能向上装置は主負荷１４、電源モジュール１０、力率改善モジュール３、電流源モジュール１２および補助負荷４を含む。
前記電源モジュール１０は交流電圧（ＡｌｔｅｒｎａｔｉｎｇＣｕｒｒｅｎｔ（ＡＣ）ｖｏｌｔａｇｅ）をパルス直流電圧（ＰｕｌｓａｔｉｎｇＤｉｒｅｃｔＣｕｒｒｅｎｔ（ＤＣ）ｖｏｌｔａｇｅ）に整流するのに用いられる。前記力率改善モジュール３は前記パルス直流電圧を駆動電圧に調整するのに用いられる。前記電流源モジュール１２は前記電源モジュール１０、前記主負荷１４および前記力率改善モジュール３の片側に接続し、前記駆動電圧により前記主負荷１４を駆動する。前記補助負荷４は前記力率改善モジュール３の別の片側に接続し、前記力率改善モジュール３により駆動される。
注目すべきは、本発明の特徴は、従来の力率改善モジュール３が浪費するエネルギーを利用して補助負荷４を駆動して動作させることにより、電力機能を高めるのに利用されるという点にある。

図４ａと図４ｂを参照されたい。図４ａは本発明実施例における回路構造図であり、限流器（ＣｕｒｒｅｎｔｌｉｍｉｔｉｎｇＤｅｖｉｃｅ，ＣＬＤ）式の力率改善モジュールを応用して力率改善効果を達成する。
本実施例では、前記電源モジュール１０はブリッジ整流器であり、前記力率改善モジュール３はフィルタキャパシタＣと限流器３０により構成されている。前記主負荷１４は前記電流源モジュール１２に接続したＬＥＤ（発光ダイオード）ストリングである。
本実施例では照明器具や発光装置を利用して本発明の技術特徴の説明を補助しているが、本発明は通常の技術知識を有する者であれば、必要に応じてその他の力率改善電子装置中にも応用可能であるため、本発明の応用は照明器具への使用に限定されない点に注意されたい。

前記フィルタキャパシタＣの第一端は前記電源モジュール１０、前記電流源モジュール１２および前記補助負荷４に接続する。前記補助負荷４は前記限流器３０と前記フィルタキャパシタＣの間に接続し、複数のＬＥＤ（発光ダイオード）４０、複数のスイッチ４１および制御器４２を含む。各スイッチ４１は第一端、第二端および第三端を有し、各前記スイッチ４１の第一端と第二端は対応するＬＥＤ４０にそれぞれ接続する。
図４ａに示すように、前記ＬＥＤ４０は直列であるとともに前記フィルタキャパシタＣの第二端と前記限流器３０の間に設けられる。前記制御器４２は前記限流器３０に接続して前記限流器３０の電圧を検出するとともに、各前記スイッチ４１の第三端に接続し、対応するスイッチ４１を順次無効にし、それに応じて前記補助負荷４の前記ＬＥＤ４０を駆動させる。

本実施例では、前記直列するＬＥＤ４０はバイナリ形式（ｂｉｎａｒｙ）の設計であり、バイナリ形式で重み付けされた各セグメントは対応するスイッチ４１によりそれぞれ制御される。限流器３０の上方には１個のＬＥＤ４０があり、続く各セグメントのＬＥＤの数は順次倍増（例：２、４、６、８・・・）する。
スイッチ４１はＮＭＯＳトランジスタである。図４ａでは各セグメントにつき１個のＬＥＤのみを図示したが、各セグメントのＬＥＤの数に制限はなく、また、本発明の前記直列するＬＥＤ４０の数もバイナリ形式の設計によるものに限らず、その他の形式も可能である。

限流器３０の電圧は制御器４２によりモニタリングされているので、前記フィルタキャパシタＣに直列するＬＥＤ４０は適切な数を直列接続することができ、前記限流器３０の電圧は順方向バイアス（ｆｏｒｗａｒｄｂｉａｓ）を維持できる。
制御器４２は前記限流器３０に接続するコンパレータ４３をさらに含み、前記制御器４２は前記コンパレータ４３で予め設定された高閾値と低閾値に基づき、前記対応するスイッチ４１を順次無効（ｄｉｓａｂｌｅ）または有効（ｅｎａｂｌｅ）にする。前記限流器３０の電圧が前記高閾値より高い場合、前記制御器４２は前記対応するスイッチ４１を有効にし、前記限流器３０の電圧が前記低閾値より低い場合、前記制御器４２は前記対応するスイッチ４１を無効にする。

パルス直流電圧が周期の始めにある時点では、前記フィルタキャパシタＣの電流値は０であり、前記限流器３０の電圧も０である。前記スイッチ４１はすべて前記制御器４２により有効になる。

パルス直流電圧の周期が続くと、フィルタキャパシタＣは電流を流し始め、限流器３０は電流を制限するために電圧を増加し始める。限流器３０の電圧がコンパレータ４３の高閾値に達した時、制御器４２は最も下方のスイッチ４１を無効にし、前記スイッチ４１に対応するセグメントのＬＥＤ４０に電流が流れて発光し始める。スイッチ４１が無効になると、ＬＥＤ４０の電圧降下が起こり、限流器３０の電圧は降下する。

パルス直流電圧の周期がさらに続くと（パルス直流電圧がこの周期のピークに達する前）、それに伴い限流器３０の電圧は、コンパレータ４３の次の高閾値に達するまで増加し、制御器４２は次のスイッチ４１を無効にし、その前のスイッチ４１を有効にする。時間が経過するにつれて、前記フィルタキャパシタＣの第二端の電圧により、補助負荷４中の各ＬＥＤ４０に電流が流れて駆動する。

パルス直流電圧がピークに達して降下し始める時、前記フィルタキャパシタＣの第二端の電圧も同時に降下し、それに応じて、前記限流器３０の電圧も降下し始める。
限流器３０の電圧がコンパレータ４３の低閾値まで降下した時、制御器４２はスイッチ４１を有効にして対応するＬＥＤ４０を短絡させる。この時、限流器３０の電圧値は上昇して対応するＬＥＤは電圧降下する。このプロセスは前記フィルタキャパシタＣの電流が０になるかすべての補助負荷４のＬＥＤ４０が短絡するまで継続する。

図４ｂと図３ｂを比較すると、限流器３０の電圧３０１は５ボルト以下の値が維持され（一時的なスパイクを除く）、これは前に浪費された電気エネルギーが再度浪費されず、補助負荷４のＬＥＤ４０（ＬＥＤ４０の電力１４１）に利用されることを意味する。また、図４ｂで見られるスパイクについては、スイッチ４１のオンとオフの時間を変更することにより、低減または除去することができる。

補助負荷４の前記ＬＥＤ４０がオンまたはオフになると、装置にちらつきが発生する可能性があり、このちらつきの周波数は入力交流電圧の周波数の２倍である（例えば、５０Ｈｚの入力交流電圧は１００Ｈｚのちらつきを生じさせる）。
装置が安定した光源の出力を継続的に維持できるようにするためには、前記制御器４２を前記電流源モジュール１２に接続するとともに、電流調整信号４４を前記電流源モジュール１２に伝送して、前記主負荷１４に流れる電流量を制御する。しかし、このような余分なちらつきの多くは微小であり、大部分の応用上では無視できるものであるため、このような電流補償の方法は本発明では絶対必要なものではない。

図５を参照されたい。図５は本発明のもう１つの実施例における回路構造図である。本実施例は上述の図４ａの実施例と類似する力率改善回路構造であるが、本実施例では限流器、スイッチおよびコンパレータは利用しない点で異なる。
本実施例では、力率改善回路機能向上装置中の補助負荷４はキャッチダイオードＤとＬＥＤアレイ４５を含む。前記キャッチダイオードＤは前記フィルタキャパシタＣの第二端に接続し、フィルタキャパシタＣとＬＥＤアレイ４５の電圧が逆バイアス状態になるのを防ぐのに用いられる。前記ＬＥＤアレイ４５は、前記キャッチダイオードＤと並列するとともに、複数の並列するＬＥＤストリング４６を含み、各前記ＬＥＤストリング４６は複数のＬＥＤが直列して構成されており、限流抵抗器Ｒと直列接続する。各前記限流抵抗器Ｒの抵抗値は同じである必要はなく、実際はＬＥＤストリング４６中のＬＥＤが多いほど必要な抵抗値は低くなる。

本実施例では抵抗とＬＥＤアレイ４５の構造を利用して、フィルタキャパシタＣの電流を制限すると同時に回路の力率を高める。わずかな電気エネルギーが抵抗により消耗されるが、もともと浪費されるはずだった電気エネルギーの大部分は発光に利用される。
発明者のシミュレーションによれば、図２ａが示す標準的な限流型力率改善回路の力率の値は０．１７５、電力効率は９４．１％であるが、本実施例の力率の値は０．１７５、電力効率は９５．５％であり、電力使用効率は１．４％増加している。

本実施例では、ＬＥＤアレイ４５において、各前記ＬＥＤストリング４６のＬＥＤの数は順次増加し、各前記ＬＥＤストリング４６に対応する限流抵抗器Ｒの抵抗値の大きさはＬＥＤの数と反比例する。図５では１０個のＬＥＤを例示しているが、本発明はこれに限定されない。

フィルタキャパシタＣの第二端の電圧が上昇した時、最も左側のＬＥＤストリング４６がまず先に駆動され（図５に示す）、電圧が上昇を続けると、横のＬＥＤストリング４６も順次駆動され、これがすべてのＬＥＤストリング４６のＬＥＤが点灯するまで続く。
このようにＬＥＤストリング４６とＬＥＤの最適な数はＬＥＤアレイ４５全体の圧力がフィルタキャパシタＣの第二端の電圧のピーク値よりもわずかに小さいところまで降下した時点で決定される。つまり、電圧の大部分はＬＥＤの点灯に利用され、電気エネルギーが限流抵抗器Ｒに消耗される確率はできるだけ低くなる。

フィルタキャパシタＣの第二端の電圧が降下した時、上述のプロセスは逆になり、点灯したＬＥＤすべてが消灯するまで続く。

また、本実施例と上述の図４ａで示した実施例はちらつきの問題を同様に抱えるので、前記電流源モジュール１２は前記ＬＥＤアレイ４５に接続し、電流調整信号４４を受信することで、前記ＬＥＤアレイ４５に応じて前記主負荷１４に流れる電流量を調整する。このようにして全体的に安定した発光が維持される。しかし、このような余分なちらつきの多くは微小であり、大部分の応用上では無視できるものであるため、このような電流補償の方法は本発明では絶対必要なものではない。

３力率改善モジュール
４補助負荷
１０電源モジュール
１２電流源モジュール
１４主負荷
１６、３０限流器
１００入力電流
１０１入力電圧
１４０電流スパイク
１４１電力
１６１、３０１電圧
４０ＬＥＤ
４１スイッチ
４２制御器
４３コンパレータ
４４電流調整信号
４５ＬＥＤアレイ
４６ＬＥＤストリング
Ｃフィルタキャパシタ
Ｄキャッチダイオード
Ｒ限流抵抗器

Claims

主負荷と、
交流電圧をパルス直流電圧に整流するのに用いられる電源モジュールと、
前記パルス直流電圧を駆動電圧に調整するのに用いられる力率改善モジュールと、
前記電源モジュール、前記主負荷および前記力率改善モジュールの片側に接続し、前記駆動電圧により前記主負荷を駆動する電流源モジュールと、
前記力率改善モジュールの別の片側に接続し、前記力率改善モジュールにより駆動される補助負荷と、を含む、
力率改善回路機能向上装置。
前記力率改善モジュールはフィルタキャパシタを含み、前記フィルタキャパシタは第一端および第二端を有し、前記第一端は前記電源モジュールに接続し、前記第二端は前記補助負荷に接続する、請求項１に記載の力率改善回路機能向上装置。
前記力率改善モジュールは限流器を含み、前記補助負荷は前記限流器と前記フィルタキャパシタの間に接続する、請求項２に記載の力率改善回路機能向上装置。
前記主負荷はＬＥＤ（発光ダイオード）ストリングであり、前記補助負荷は、各ＬＥＤ（発光ダイオード）が直列し、前記フィルタキャパシタの前記第二端と前記限流器の間に接続する、複数のＬＥＤと、複数のスイッチであって、各前記スイッチは第一端、第二端および第三端を有し、各前記スイッチの前記第一端と前記第二端はそれぞれ対応する前記ＬＥＤの両端に接続する、複数のスイッチと、前記限流器に接続して前記限流器の電圧を検出し、各前記スイッチの前記第三端に接続し、対応する前記スイッチを順次無効にすることにより、前記補助負荷中の前記ＬＥＤを駆動する制御器と、を含む、請求項３に記載の力率改善回路機能向上装置。
前記制御器は前記限流器に接続するコンパレータを含み、前記制御器が前記コンパレータが予め設定した高閾値と低閾値に基づき、対応する前記スイッチを順次無効または有効にし、前記限流器の前記電圧が前記高閾値より高い場合、前記制御器が対応する前記スイッチを有効にし、前記限流器の前記電圧が前記低閾値より低い場合、前記制御器が対応する前記スイッチを無効にする、請求項４に記載の力率改善回路機能向上装置。
前記制御器は前記電流源モジュールにさらに接続し、電流調整信号を前記電流源モジュールに伝送して前記主負荷に流れる電流量を制御する、請求項５に記載の力率改善回路機能向上装置。
前記主負荷はＬＥＤストリングであり、前記補助負荷は、前記フィルタキャパシタの前記第二端に接続するキャッチダイオードと、前記キャッチダイオードと並列し、複数の並列するＬＥＤストリングを備え、各前記ＬＥＤストリングは複数のＬＥＤが直列して構成され、限流抵抗器と直列接続する、ＬＥＤアレイと、を含む、請求項２に記載の力率改善回路機能向上装置。
前記ＬＥＤアレイにおいて、各前記ＬＥＤストリングの前記ＬＥＤの数は順次増加する、請求項７に記載の力率改善回路機能向上装置。
前記電流源モジュールは前記ＬＥＤアレイにさらに接続し、前記ＬＥＤアレイに応じて前記主負荷に流れる電流量を調整する、請求項７に記載の力率改善回路機能向上装置。