JP2014514687A - Emiフィルタ用のピーク電流制限器を持つ照明用電源回路 - Google Patents

Emiフィルタ用のピーク電流制限器を持つ照明用電源回路 Download PDF

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Abstract

【課題】光源電源回路及び該回路用のEMIフィルタを提供する。
【解決手段】入力整流器の後のEMIフィルタ・コンデンサと直列にデプリーション型電界効果トランジスタを接続して、EMIの濾波作用を可能にし、且つフェーズカット調光器回路を介して電力供給するときにトライアックをスイッチングする際の容量性電流を制限する。
【選択図】図1

Description

本発明は、EMIフィルタ用のピーク電流制限器を持つ照明用電源回路に関するものである。
照明システム用の従来の電子式電源回路は、屡々、正のDC枝路にインダクタと、入力整流器のDC出力端子間に接続されたコンデンサとを持っていて、低域通過フィルタとして動作するフィルタ回路を用いている。このフィルタ回路は、電力変換スイッチングによって引き起こされる高周波電磁干渉(EMI)が電力線路に達するのを抑制する。このような装置は、電子式安定器又はLED駆動装置と直列に接続されたトライアック装備の壁取付け又は卓上調光器回路と共に使用することができる。このような調光器は、所謂「フェーズカット(phase cut) 」調光能力を提供し、この場合、光出力を低減するために、線路のAC波形の一部分が本質的に各ACサイクルにおいて除去される。
コンパクト蛍光ランプ(CFL)及びLEDランプのような電子回路一体型ランプは、白熱電球用に設計された従来のランプの代わりに使用することができ、また光出力をフェーズカット調光(トライアック制御)によって調節できるようにする調光回路を含むことができる。しかしながら、このような調光制御におけるトライアックの動作は、EMIフィルタのコンデンサの両端間の電圧に急速なステップ上の変化を生じさせて、該コンデンサ及び電力線路に電流スパイクを引き起こす。これは、EMIフィルタのコンデンサを劣化させることがあり、また調光回路のトライアックを損傷することがある。
このような電流スパイクを制限する以前の試みでは、EMIフィルタ・コンデンサと直列に抵抗を接続している。しかしながら、設備によっては、多数のこのような電子式駆動装置又は安定器が共通の(共用の)壁取付け調光器で作動されている。このような場合、一体の電流制限抵抗器を備えていても、個々の照明装置によって発生されるピーク電流は、場合によっては3〜8アンペアほどの大きさになることがあり、これらの電流は調光器で加算され、これによって潜在的にトライアックの損傷又は劣化を招く。従って、非調光用途において必要とされる濾波作用を提供すると共に、フェーズカット調光器を持つ回路において調光器トライアックを損傷又は劣化させることなく動作することのできる照明システム用の改良EMIフィルタが、依然として必要とされている。
本発明は照明システム電源回路を提供し、該回路では、入力整流器から整流DC電力をDC出力端子を介してEMIフィルタ回路へ供給する。或る特定の実施形態では、該電源回路はLED駆動装置回路を形成し、この場合、電力変換回路が、少なくとも1つのLED光源を駆動するためにDC出力を供給するように動作する。他の実施形態では、電子式安定器が提供され、その場合、電力変換回路が、DC−DC変換器からDC出力を受け取って、蛍光ランプに電力供給するためのAC出力を供給するインバータ(逆変換器)を含む。フィルタは、1つ以上の光源に直接に又は間接的に電力を供給する少なくとも1つのDC−DC変換器を持つ電力変換回路に接続された出力端子を持つ。EMIフィルタ回路は、第1の整流器DC出力端子に結合された第1の端子を持つフィルタ・キャパシタンスを有すると共に、電界効果トランジスタ(FET)及びインダクタンスを有する。インダクタンスは第1の整流器DC出力端子と第1のフィルタ出力端子との間に結合される。トランジスタは、制御ゲート及び2つのソース/ドレイン端子を有し、第1のソース/ドレイン端子がフィルタ・キャパシタンスの第2の端子と結合される。ゲート端子及び第2のソース/ドレインが第2の整流器DC出力端子に結合される。
或る特定の実施形態では、電界効果トランジスタはデプリーション型装置であり、制御ゲート及び第2のソース/ドレインが整流器の第2のDC出力端子に一緒に接続される。或る特定の実施形態では、Nチャンネル電界効果トランジスタが使用され、この場合、フィルタ・コンデンサ端子が正の整流器DC出力端子に結合され、また第2のソース/ドレイン端子及びゲート端子が負の整流器端子に結合される。他の実施形態では、Pチャンネル・デプリーション型トランジスタが用いられ、この場合、コンデンサ端子が負の整流器出力に結合され、また第2のソース/ドレイン及びゲートが正の整流器出力に結合される。
或る特定の実施形態では、エンハンスメント型電界効果トランジスタが用いられ、この場合、バイアス回路が電界効果トランジスタに結合されて、ゲート端子にバイアス電圧を供給する。実施形態によっては、Nチャンネル装置が用いられて、第1のコンデンサ端子が正の整流器出力に結合され、その場合、第2のトランジスタ・ソース/ドレインが負のDC整流器端子に直接に又は間接的に結合される。バイアス回路は、実施形態によっては、トランジスタ・ゲートと正の供給電圧との間に結合された第1の抵抗器、並びにゲートと負の整流器出力との間に結合された第2の抵抗器を含む。或る特定の実施形態では、第3の抵抗器が第2のソース/ドレインと負の整流器DC出力端子との間に結合される。
1つ以上の模範的な実施形態を以下の詳細な説明及び図面において記述する。
図1は、本発明の1つ以上の面に従った、フィルタ・コンデンサに直列に結合されたNチャンネル・デプリーション型FETを持つEMIフィルタ段を備えた模範的なLED駆動装置を例示する回路図である。 図2は、EMIフィルタ・コンデンサに直列に結合されたNチャンネル・デプリーション型FETを含んでいる、1つ以上の蛍光ランプに電力供給するための模範的な電子式安定器を例示する回路図である。 図3は、図1又は図2の駆動装置又は安定器に、調光動作のためのフェーズカット調光器を接続した例を示す回路図である。 図4は、図1及び図2のNチャンネル・デプリーション型FETについての幾つかの模範的なドレイン−ソース電流曲線をゲート−ソース電圧の関数として例示するグラフである。 図5は、EMIフィルタ・コンデンサに直列に結合されたPチャンネル・デプリーション型FETを含んでいる、図1又は図2の電源回路に用いることのできる別の模範的なEMIフィルタ回路を例示する回路図である。 図6は、本発明に従った、抵抗バイアス回路を備えたNチャンネル・デプリーション型FETを含む別の実施形態のEMIフィルタを例示する回路図である。
次いで図面を参照して説明するが、全体を通じて同様な要素は同様な参照符号を用いて表しており、また様々な機能部は必ずしも縮尺通りに描いていない。図1及び図2は、照明装置に電力供給するための2つの模範的な電子式電源回路100を例示する。これらの電源回路100の各々は、外部源から信号又は多相AC入力電力を受け取る入力整流器101と、整流器101のDC側に結合されたEMIフィルタ102とを含む。整流器回路101は、或る特定の実施形態では、単相入力の場合はブリッジ回路に形成された4つのダイオード整流器を含み、或いは多相入力の場合は6つ以上の整流器を含む全波整流器型の回路である。他の実施形態では、整流器回路101は半波整流器又は単一のダイオードとすることができる。
図1及び図2の回路100はまた電力変換回路110を含み、この電力変換回路110は、少なくとも1つの光源108に直接に又は間接的に電力供給するために1つ以上のDC−DC変換器を含む。図1の例では、回路100はLED駆動装置であり、電力変換回路110は昇圧型DC−DC変換器段104とそれに続くバック(buck)DC−DC変換器106とを含み、1つ以上のLED照明装置108を駆動するためにDC出力を供給する。第2の回路106には、隔離変圧器を備えたフライバック変換器、バック・ブースト変換器などのような、他の形式のDC−DC変換器を使用することができる。他の可能性のあるLED駆動装置構成では、昇圧変換器1004がインバータ(図示せず)にDCを供給し、次いで該インバータが隔離変圧器一次巻線を駆動し、その二次巻線が、LED配列に接続された出力整流器を駆動する。図2の回路100は電子式安定器を形成し、これは、昇圧変換器104からDC出力を受け取って、1つ以上の蛍光ランプ108に電力供給するためのAC出力を供給するインバータ107を含む。或る特定の実施形態では、複数のDC−DC変換器段の内の1つを省略することができ、また実施形態によっては、最初のDC−DC変換器段104が力率補正機能を提供するように動作する。更に、変換器段104,106,107の内の1つ以上は、調光入力(図示せず)に基づいて(1つ又は複数の)光源108に印加される出力電力を加減する調光制御を提供することができる。
更に、前に述べたように且つ図3に示されているように、駆動装置又は安定器100は単相AC源から電力供給を受けることができ、またAC源及び駆動装置100と直列に結合されたフェーズカット調光器200により調光制御を行うことができる。調光器200はトライアックT201を含み、トライアックT201は、ユーザー調節可能な抵抗R201に従って光出力を加減するためにAC源101の各サイクルの一部分の電流の流れを選択的に切断又は中断する(フェーズカット)。或る特定の実施形態では、駆動装置又は安定器回路100は、AC入力端子と共にエジソン口金を持つ構造の中に収容することができる。
図1及び図2に示されているように、整流器回路101は、AC入力電力を受け取るために外部源に接続するためのAC入力端子を持ち、また整流DC出力を第1及び第2のDC出力端子101a及び101bに供給する。この整流器出力101a,101bは、EMIフィルタ回路102の第1及び第2の入力端子に結合される。フィルタ回路102は、次に、最初の(例えば、昇圧)DC−DC変換器104へDC入力を供給するために結合された出力端子102a及び102bを含む。昇圧変換器104の出力はバック変換器106の入力にDC電力を供給し、そのバック変換器106の出力は、(1つ又は複数の)LED光源108(例えば、図1)を直接に駆動するために使用され、或いは、昇圧変換器の出力は、インバータ(図2)を介して1つ以上の蛍光ランプ108に間接的に電力供給するために使用される。
図1及び図2中のEMIフィルタ回路102は、上側(正の)DC枝路中に結合されたインダクタL1と、上側及び下側の整流器出力端子101a及び101bの間に延在する回路枝路中にNチャンネル・デプリーション型電界効果トランジスタ(FET)Q1と直列に接続されたコンデンサC1とを含む。図1及び図2の実施形態では、フィルタ・キャパシタンスC1は、正のDC整流器出力端子に結合された第1の端子と、FET装置Q1の第1のソース/ドレイン端子SD1に接続された第2の端子とを持ち、インダクタL1が正のDC整流器出力101aと上側のフィルタ出力端子102aとの間に延在する。Q1の他のソース/ドレイン端子SD2は整流器回路101の負のDC出力端子101bに接続され、またFETゲート端子Gも同様に接続される。
動作について説明すると、フィルタ回路102は、整流器101に完全に正弦波状のAC入力電力を印加することによる動作中にEMI濾波作用を行う。或る特定の模範的な実施形態では、インダクタL1がほぼ25mHのインダクタンスを持ち、これは、約150KHzのEMI電流を比較的小さく(例えば、約10〜20mAのEMI電流に)するほどに充分大きく、またEMIフィルタ・コンデンサが約15nFであり、これにより、EMI濾波作用は、約150KHz以上の干渉周波数について理想的に低域通過濾波作用を提供する。これに関連して、C1のキャパシタンスを増大すると、回路102のEMI濾波能力を有利に改善できると考えられる。しかしながら、駆動装置又は安定器100がフェーズカット調光器200(例えば、図3)を介して電力線路に接続されている状況では、C1のキャパシタンスをより大きくすると、本書に記載の対処手段を設けていない場合には、調光用トライアックT201のサイクル中間での点弧により生じる電流スパイクの大きさが悪化する。
図4のグラフ400を参照して説明すると、所望の濾波能力を提供しながら、これらの電流スパイクに対処するため、図1及び図2中のフィルタ回路102は、フィルタ・コンデンサC1と直列のFET装置Q1によりインピーダンスを提供する。デプリーション型装置Q1は、非フェーズカット動作の場合、通常オン(ドレイン−ソース・チャンネルが導電状態)であり、また直列のドレイン−ソース間抵抗RDSONがグラフ400に例示されており、グラフ400はQ1についてゲート−ソース電圧VGSの関数としてドレイン−ソース電流曲線(IDS)を示す。図1及び図2の実施形態におけるFET装置がデプリーション型装置であるので、Q1は負の閾値電圧VT を持ち、且つゲート及びソースが一緒に短絡されたとき非ゼロ電流(一例では約300〜400mA)を導く。図4に示されているように、VGSの値が高くなると、それに対応してチャンネル電流のレベルIDSが高くなる。更に、VGSがゼロの場合、ドレイン−ソース・チャンネルのインピーダンスが、チャンネル電圧VDSのレベルの増加につれて実効的に増大する。一実施形態では、Q1は、コンデンサのリアクタンス(1/ωC)の約1/3〜1/2のゼロVGSでのデプリ−ション・モードで約2〜10ΩのRDSONを持つように選ばれる。この場合、ωは、電力変換器段110のスイッチング周波数に関連して150KHzである。これは、電力変換回路110のEMIに関して適切な濾波作用を行いながら、トライアックの点弧に関連した潜在的に損傷を起こす可能性のある電流スパイクを減衰させるインピーダンスを提供する。図1及び図2の例示した例では、トライアックT201が点弧したとき、Q1はスパイク電流を約300〜400mAに制限する。従って、複数の回路100が共用の又は共通の調光器200に接続されている場合でも、調光器電流は、本発明によるEMIフィルタ102の無い場合(例えば、各安定器からの3〜6Aのスパイク(これらのスパイク電流はトライアックT201で加算される))よりも遙かに小さい。
従って、デプリーション型FET装置Q1がEMI濾波モードで動作しているとき、回路102は濾波作用を行い、そこで、トライアックT201が点弧したとき、FET装置Q1は飽和状態から脱して、スパイク電流を数百mAに制限する。このように、図1及び図2の設計ではコンデンサ回路中に固定抵抗器が無く、その代わりに、最大電流をクランプする可変インピーダンスが設けられる。一例では、250ボルト定格を持ち且つ約5Ωの定格RDSONを持つNチャンネル・デプリーション型FET装置Q1を使用することができる。ここで、FET装置Q1の可変インピーダンスの使用により、C1のキャパシタンスの増大を容易にして、EMI濾波作用の改善を容易にすることができると共に、FET装置Q1が電流制限作用を行って、コンデンサ又はトライアックの劣化を軽減することができることに注意されたい。
図5は、駆動装置又は安定器型回路(例えば、上記の図1又は図2)に用いることのできる別の実施形態のEMIフィルタ回路102を示す。この場合、Pチャンネル・デプリーション型FET装置Q1が使用され、第1のソース/ドレインSD1がC1の上側のコンデンサ端子に接続され、また他のソース/ドレインSD2が上側の(正の)整流器DC出力端子101aに接続される。この実施例では、ゲートがまた上側のDC線路に接続され、また装置Q1が、濾波作用及び電流スパイク保護のためにオン状態抵抗RDSON(例えば、約2〜10Ω)を提供する。
また図6について説明すると、他の実施形態では、エンハンスメント型FET装置Q1を使用することができ、図にはNチャンネル装置が示されている。ゲート電圧を設定するためにバイアス回路が設けられ、この場合、バイアス回路は、ゲートGと正のDC電圧VCC(例えば、一例では、15ボルト)との間に接続された第1の抵抗器R1と、ゲートGから下側の(負の)DC整流器出力へ接続された第2の抵抗器R2とを含む。一例では、Q1の閾値電圧VT が約3ボルトである場合、ゲート電圧は回路R1,R2によって約4ボルトにバイアスされる。これまでの実施形態と同様に、このエンハンスメント型装置とコンデンサC1との直列接続は、濾波作用のためのRDSON(例えば、約2〜10Ω)を提供し、且つ及びVDSが増大するにつれて電流スパイク保護を具現する。実施形態によっては、下側のソース/ドレインSD1と下側のDC端子101bの間に第3の抵抗器R3(一例として、2Ωの抵抗器)を設けて、コンデンサC1にほぼ500mAの電流が流れることができるようにすることができる。トライアックT201が点弧されたとき、この値を超えるような電流スパイクはVGSを減少させ、これに対応して装置Q1は電流の流れを減少させる。他の実施形態では、バイアス回路にツェナー・ダイオード(例えば、FETゲートとアースとの間に約4Vのツェナー電圧VZ を持つ装置)を設けることができる。
上記の例は本発明の様々な面の幾つかの可能な実施形態を単に説明しているに過ぎず、当業者には、本明細書及び図面を読み且つ理解すれば等価な変更及び/又は修正が考えられよう。特に上述の構成要素(組合せ、装置、システム、回路など)によって遂行される様々な機能に関して、このように構成要素を記述するために用いられる様々な用語(「手段」を含む)は、特に別に明記されていない限り、それらが本発明の例示した具現例における機能を遂行する開示した構造と構造的に等価でない場合でも、記述した構成要素の特定の機能を遂行する(すなわち、機能的に等価である)任意の構成要素(例えば、ハードウエア、プロセッサ実行ソフトウエア、それらの組合せなど)に対応するものである。本発明の特定の特徴が幾つかの具現例の1つのみについて例示及び/又は記述されていることがあるが、このような特徴は、任意の又は特定の用途にとって望まれる又は有利であるように他の具現例の1つ以上の他の特徴と組み合わせることができる。また更に、数を明記しないで記載した要素又は項目は、別に特定していない限り、そのような要素又は項目を2つ以上含んでいることを表すものとする。また、明細書及び「特許Y請求の範囲」の記載に「含んでいる」、「含む」、「持っている」、「持つ」、「備えた」などの用語が用いられているが、このような用語は用語「有する」と同様に包括的であるものとする。これまで本発明を好ましい実施態様について説明した。当業者にとって上述の詳しい説明を読んで理解したときに種々の修正及び変更を考え得ることは明らかである。本発明は、この様な全ての修正及び変更を包含するものとして解釈されるべきである。
100 電子式電源回路
101 入力整流器
102 EMIフィルタ
104 昇圧型DC−DC変換器段
106 バックDC−DC変換器
107 インバータ
108 光源
110 電力変換回路
200 フェーズカット調光器
Q1 電界効果トランジスタ
T201 トライアック

Claims (14)

  1. 少なくとも1つの光源に電力供給するための回路であって、
    AC入力電力を受け取るためのAC入力端子、並びに整流DC電力を供給するための第1及び第2のDC出力端子を持つ整流器回路と、
    前記整流器回路の前記DC出力端子に結合された第1及び第2のフィルタ入力端子、並びに第1及び第2のフィルタ出力端子を持つEMIフィルタ回路であって、
    (1)前記整流器回路の前記第1のDC出力端子に結合された第1の端子を持つフィルタ・キャパシタンス、
    (2)前記フィルタ・キャパシタンスの第2の端子に結合された第1のソース/ドレイン端子、前記整流器回路の前記第2のDC出力端子に結合された第2のソース/ドレイン端子、及び前記整流器回路の前記第2のDC出力端子に結合されたゲート端子を有する電界効果トランジスタ、並びに
    (3)前記整流器回路の前記第1のDC出力端子に結合された第1の端子、及び前記第1のフィルタ出力端子に結合された第2の端子を持つインダクタンス、
    を有しているEMIフィルタ回路と、
    前記フィルタ出力端子(102a、102)に結合されたDC入力端子を持つ少なくとも1つのDC−DC変換器回路を有していて、少なくとも1つの光源に電力を直接に又は間接的に供給するように動作する電力変換回路と、
    を有する、少なくとも1つの光源に電力供給するための回路。
  2. 前記電力変換回路は、少なくとも1つのLED光源を駆動するためにDC出力を供給するように動作する、請求項1記載の回路。
  3. 前記電力変換回路は、前記少なくとも1つのDC−DC変換器回路からDC出力を受け取って、少なくとも1つの蛍光ランプに電力供給するためのAC出力を供給するインバータを有している、請求項1記載の回路。
  4. 前記電界効果トランジスタはデプリーション型電界効果トランジスタである、請求項1記載の回路。
  5. 前記電界効果トランジスタはデプリーション型Nチャンネル電界効果トランジスタであり、その場合、前記フィルタ・キャパシタンスの前記第1の端子が前記整流器回路の正のDC出力端子に結合され、また前記第2のソース/ドレイン端子及び前記ゲート端子が前記整流器回路の負のDC出力端子に結合されている、請求項4記載の回路。
  6. 前記電力変換回路は、少なくとも1つのLED光源を駆動するためにDC出力を供給するように動作する、請求項5記載の回路。
  7. 前記電力変換回路は、前記少なくとも1つのDC−DC変換器回路からDC出力を受け取って、少なくとも1つの蛍光ランプに電力供給するためのAC出力を供給するインバータを有している、請求項5記載の回路。
  8. 前記電界効果トランジスタはデプリーション型Pチャンネル電界効果トランジスタであり、その場合、前記フィルタ・キャパシタンスの前記第1の端子が前記整流器回路の負のDC出力端子に結合され、また前記第2のソース/ドレイン端子及び前記ゲート端子が前記整流器回路の正のDC出力端子に結合されている、請求項4記載の回路。
  9. 前記電界効果トランジスタはエンハンスメント型電界効果トランジスタである、請求項1記載の回路。
  10. 前記EMIフィルタ回路は、前記電界効果トランジスタに結合されて、前記ゲート端子にバイアス電圧を供給するバイアス回路を有している、請求項9記載の回路。
  11. 前記電界効果トランジスタは、Nチャンネル・エンハンスメント型電界効果トランジスタであり、その場合、前記フィルタ・キャパシタンスの前記第1の端子が前記整流器回路の正のDC出力端子に結合され、また前記電界効果トランジスタの前記第2のソース/ドレイン端子が前記整流器回路の負のDC出力端子に結合されており、更に、
    前記バイアス回路は、
    (1)前記電界効果トランジスタの前記ゲート端子と正の供給電圧との間に結合された第1の抵抗器、及び
    (2)前記電界効果トランジスタの前記ゲート端子と前記整流器回路の前記負のDC出力端子との間に結合された第2の抵抗器
    を有している、請求項10記載の回路。
  12. 前記EMIフィルタ回路は、前記電界効果トランジスタの前記第2のソース/ドレイン端子と前記整流器回路の前記負のDC出力端子との間に結合された第3の抵抗器を有している、請求項11記載の回路。
  13. 前記電力変換回路は、少なくとも1つのLED光源を駆動するためにDC出力を供給するように動作する、請求項9記載の回路。
  14. 前記電力変換回路は、前記少なくとも1つのDC−DC変換器回路からDC出力を受け取って、少なくとも1つの蛍光ランプに電力供給するためのAC出力を供給するインバータを有している、請求項9記載の回路。
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