JP2015082400A - Led点灯装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】LEDを点灯させるLED点灯装置の変換効率向上と電流高調波抑制機能の両立を図る。【解決手段】本発明の実施形態のLED点灯装置は、LED点灯回路と、制御手段と、LED電流制御手段とを備えている。前記制御手段は、LED点灯装置を流れる回路電流と交流電源の電圧とに基づいて、パルス信号を第一のスイッチと第四のスイッチの組と、第二のスイッチと第三のスイッチの組を、交互に開閉する。この開閉によりLED点灯装置には、交流電源の低周波成分に高周波成分が混在した電流が流れる。【選択図】図1
Description
本発明の実施態様は、交流電源から得られる交流電圧を直流電圧に変換してLEDへ電力を供給して点灯に至らしめるLED点灯装置に関する。
LEDを点灯させる方法として、次の2つの方法が一般的に知られている。第一の方法は、ダイオードブリッジ回路と平滑コンデンサとを用いる。ダイオードブリッジ回路は、交流電源からの交流を全波整流する。平滑コンデンサは、全波整流後の直流を平滑する。こうして得られた直流電圧に対してLEDに定電流を流すための定電流回路を接続する。この第一の方法は、交流電圧が正または負のいずれの場合においても、常に2つのダイオードの直列回路を電流が流れる。このとき、2つのダイオードでは、それぞれダイオードを流れる電流とダイオードの順方向電圧との積に相当する電力損失が発生する。さらに、ダイオードブリッジ回路と平滑コンデンサの組み合わせでは、交流電源電圧を印加した際に、不連続的な電流が流れることになり、電流歪の大きい動作電流となる。
第二の方法は、第一の方法のダイオードブリッジ回路と平滑コンデンサの間に力率改善コンバータ(PFC)を介在させる。力率改善コンバータは、交流電源に流れる電流が正弦波状になるように制御し、なおかつ、交流電源の電圧位相と等しくなるように制御する。
この第二の方法も、全波整流の際に2つのダイオードの直列回路を電流が流れるため、電力損失が発生する。それに加えて、力率改善コンバータを構成する電界効果トランジスタ(FET)とダイオードを交互に電流が流れるため、さらなる損失が発生する。
第二の方法の場合、LED点灯装置全体としては、AC−DC変換、DC−DC(PFC)変換、DC電圧−DC電流変換の3段の構成となり、電力変換効率はこれらの変換効率の積となって現れる。例えば1段あたりの効率を0.95とした場合、3段では0.95×0.95×0.95=0.86となる。つまり効率95%の優れた変換であっても3段接続では86%まで落ちてしまう。このように、個々の変換効率は良くても、多段にすることで変換効率は著しく低下する。
昨今、照明機器の省電力化要求が高まっており、同時に、外部環境に悪影響を及ぼさないように電流高調波ノイズを出さないことも必須の条件である。このため、LEDを点灯させるLED点灯装置の変換効率向上と電流高調波抑制機能の両立とが求められている。
本発明が解決しようとする課題は、LEDを点灯させるLED点灯装置の変換効率向上と電流高調波抑制機能の両立を図ることにある。
上記課題を解決するために、本発明の実施形態のLED点灯装置は、第一のスイッチと第二のスイッチとを直列に接続するとともに、第三のスイッチと第四のスイッチとを直列に接続し、前記第一のスイッチと前記第三のスイッチ及び第二のスイッチと第四のスイッチをそれぞれ接続して閉ループを形成し、交流電源に、第一のインダクタ、第一のキャパシタを直列に接続してなる閉ループを形成し、前記第一のスイッチと第二のスイッチの接続点と、前記第三のスイッチと第四のスイッチの接続点との間に、前記第一のキャパシタ、第二のインダクタからなる直列回路を接続し、前記第三のスイッチと第四のスイッチの両端に第二のキャパシタを接続し、LED負荷に、前記第二のキャパシタの両端に接続された定電流回路を接続したLED点灯回路と、前記交流電源の電圧位相を検出する手段から得られる交流電圧位相と、前記LED点灯回路を流れる回路電流を検出する手段から得られる回路電流と、前記第二のキャパシタの電圧を検出する手段から得られるキャパシタ電圧とに基づいて、前記交流電源の低周波成分に高周波成分が混在した電流が前記電力変換回路を流れるように、前記第一のスイッチと第四のスイッチの組と、前記第二のスイッチと第三のスイッチの組を交互に開閉させるためのパルス信号を、前記第一のスイッチと前記第四のスイッチの組と、前記第二のスイッチと第三のスイッチの組とに供給する制御手段と、前記LEDの電流を検出する手段から得られるLED電流に基づいて、前記第五のスイッチのパルス幅を調整する信号を供給するLED電流制御手段と、を具備したことを特徴とする。
以下、LED点灯装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
(第一の実施形態)
(第一の実施形態)
図1は、第一の実施形態におけるLED点灯変換装置100の回路構成図である。LED点灯装置100は、第一〜第五の半導体スイッチ(以下、単にスイッチと称する)S1、S2、S3、S4、S5と、第一第二のインダクタL1,L2と、第一第二のキャパシタC1、C2と、第一のダイオードD1、入力電圧位相検出部1、回路電流検出部2、C2電圧検出部3、LED電流検出部5、LED電流制御部からなる主回路部と、回路電流制御部4により構成される。S1〜S5はいずれもN型電界効果型トランジスタ(MOSFET)を使用する。
LED点灯装置100は、第一のスイッチS1のソース端子を第二のスイッチS2のドレイン端子に接続する。また、第三のスイッチS3のソース端子を第四のスイッチS4のドレイン端子に接続する。さらに、第一のスイッチS1のソース端子と、第三のスイッチS3のソース端子を接続する。同様に、第二のスイッチS2のソース端子と第四のスイッチS4のドレイン端子を接続する。また、第一のスイッチのソースと第二のスイッチのドレインを接続する点と、第三のスイッチのソースと第四のスイッチのドレインを接続する点との間に、第一のキャパシタC1と、第二のインダクタL2と、回路電流検出部2を直列に接続する。
LED点灯装置100は、第一のキャパシタC1の両端に、第一のインダクタL1と交流電源V1を直列に接続する。さらに、交流電源V1の両端に入力電圧検出部1を接続する。
LED点灯装置100は、第三のスイッチS3のドレイン端子と、第四のスイッチS4のソース端子の間に、第二のキャパシタC2を接続する。さらに、第二のキャパシタC2の両端にC2電圧検出部3を接続する。
LED点灯装置100は、第二のキャパシタC2の正極側に第五のスイッチのドレイン端子を接続し、そのソース端子に第三のインダクタL3と負荷であるLED素子を接続する。また、第五のスイッチのソース端子に第一のダイオードのカソード端子を接続し、そのアノード端子を第二のキャパシタC2の負極端子に接続する。また、LED素子に流れる電流を検出するLED電流検出部5をLED電流が流れる経路に挿入する。すなわち、第二のキャパシタC2の電圧を直流電源とみなして第五のスイッチS5を適宜スイッチングすることで第三のインダクタL3に流れる電流がほぼ一定になるようにし、その結果として負荷であるLEDが定電流駆動され、一定の明るさで点灯維持する。
回路電流制御部4は、電圧位相検出部1の検出信号VS1と、回路電流検出部2の検出信号IS1と、C2電圧検出部3の検出信号VS2とを入力し、これらをもとに適宜演算を行い、その結果をP1,P2信号として出力する。そして、P1信号は第一のスイッチS1及び第四のスイッチS4のゲートに接続し、P2信号は第二のスイッチS2及び第三のスイッチS3のゲートに接続する。
第一のスイッチS1及び第四のスイッチS4は、ゲート端子にP1信号が供給されている間、導通する。第二のスイッチS2及び第三のスイッチS3は、ゲート端子にP2信号が供給されている間、導通する。
このような回路構成において、本実施形態では100V[ボルト]で50Hz[ヘルツ]の商用電源を交流電源V1として使用する。そして、負荷であるLEDに200W[ワット]の電力を供給する場合を想定する。この場合、商用電源の電圧は100Vであるから、200Wの電力を得るためには2A[アンペア]の電流が必要になる。つまり最終的に第一のインダクタL1を経由して交流電源V1に同期して流れる電流が2Aであれば、200Wの電力を負荷であるLEDに供給できる。
第一のインダクタL1と第一のキャパシタC1の組はローパスフィルタを形成し、第一のインダクタL1を経由して交流電源V1側に流れる電流は50Hz成分のみである。一方で第一のキャパシタC1を経由して第一のスイッチS1又は第二のスイッチS2に流れる電流は、例えば100kHzの高周波成分を含む。つまり、回路電流検出部2で検出される回路電流IS1は、50Hzの低周波と100kHzの高周波の成分が混在している。かくして、電力変換装置100全体では、これら2種類の、周波数が異なる交流が混在して動作する。
こうして商用電源から得られた電力は、一時的に第二のキャパシタC2の電荷として蓄えられていく。すなわち、第二のキャパシタC2の電圧が上昇していくことを意味する。C2電圧が上昇すると、この電位差を直流電源とみなして第五のスイッチを適宜開閉し、第三のインダクタL3に流れる電流がほぼ一定になるように制御する。第三のインダクタは比較的大きいインダクタンス値、例えば数百マイクロヘンリーから数ミリヘンリー程度を使用する。インダクタンス値が大きいほど第五のスイッチS5を開閉したときの電流リップル成分を少なくできる。第三のインダクタL3に流れる電流をほぼ一定電流に制御できるなら、これと直列接続されている負荷LEDにも同じ電流が流れ、一定光量でLEDを点灯させることができる。
このとき、第二のキャパシタC2の電圧は必ずしも一定電圧である必要はなく、例えば所定の電圧の±30%程度変動しても構わない。なぜなら後段のLED電流検出部5、LED電流制御部6、第五のスイッチS5および第三のインダクタL3からなる定電流駆動回路は第二のキャパシタC2の電圧変動に影響を受けることなく一定電流が流れるように制御が自己完結するからである。
100kHzの高周波電流は、第一のスイッチS1と第四のスイッチS4の対と、第二のスイッチS2と第三のスイッチS3の対を交互に開閉させることによって得られる。そのためには、回路電流IS1のピークを規定する正負一対の正弦波状のエンベロープを生成し、これらエンベロープの間で電流の向きが切り替わるように、第一のスイッチS1と第四のスイッチS4の対と、第二のスイッチS2と第三のスイッチS3の対を適当なタイミングで交互にスイッチングさせればよい。この手順について図2を用いて説明する。
図2の波形VS1は、商用電源V1に接続された電圧位相検出部1の検出信号を示す。商用電源V1の電圧が正のとき、検出信号VS1はHレベルを出力し、商用電源V1の電圧が負のとき、検出信号VS1はLレベルを出力する。さらに、商用電源V1が正から負に切り替わるゼロクロス点、および、負から正に切り替わるゼロクロス点において、検出信号VS1がHからLへ、LからHへ、それぞれ商用電源V1のゼロクロス点に同期して変化する。
図2の波形env1は、電圧位相検出信号VS1の出力信号をもとに正弦波を生成したものであり、そのゼロクロス点は検出信号Vacの切り替わりタイミングに同期する。すなわち、商用電源V1の電圧位相と同期した電流位相となる。このとき正弦波の振幅amp1は、所定の演算の結果として与えられるものとする。
図2の波形envUP及びenvDNは、正弦波env1を中心としてそれぞれ正方向にdif1を加算、負方向にdif1を減算したものである。これにより正弦波状のエンベロープが正側および負側に生成でき、2つのエンベロープenvUP、envDNで挟まれた幅は常に一定である。なお、dif1は所定の演算の結果として与えられるものとする。
図2の波形IS1は、2つのエンベロープenvUP、envDNの間を折り返すようにスイッチング制御した回路電流を、回路電流検出部2により検出した信号IS1を示している。エンベロープ値と回路電流検出値IS1を常に比較し、エンベロープより外側に出たことを検出したら4つのスイッチS1〜4の状態を反転させ、電流の傾きを反転させる。次に反対側のエンベロープより外に出たことを検出したら再び4つのスイッチS1〜4の状態を反転させる。これにより回路電流IS1の傾きが再び反転する。これを繰り返すことで連続的な高周波発振(100kHz)を生成する。なお、正側エンベロープenvUPは常に正の領域にあり、負側エンベロープenvDNは常に負の領域にあるものとする。この関係を維持することにより4つのスイッチS1〜4の動作が正常に行われ、効率のよい発振動作となる。
図2の波形V1電流は、商用電源V1に流れる電流波形である。回路電流IS1波形に対して第一のインダクタL1と第一のキャパシタC1からなるローパスフィルタを通して低周波成分のみを抽出した波形である。ローパスフィルタにより100kHzは減衰され50Hzの低周波成分のみが第一のインダクタL1を経由して商用電源V1に流れる。
このとき、回路電流IS1は正弦波である2つのエンベロープenvUP、envDN間を往復する三角波形状であることから、その平均値はやはり正弦波となる。従って、高周波成分を取り除いた50Hz成分は正弦波であり、商用電源V1に流れる50Hz成分は正弦波形状になる。正弦波形状であるということは、基本波である50Hz成分に対して、これより高次の周波数成分、具体的には100Hz、150Hz,200Hz,・・・の成分含有率が極めて少ない。これは商用電源V1に流れる入力電流の高調波成分が極めて少ないことを意味する。
図3は、回路電流制御部4の内部構造を示すブロック図である。
回路電流制御部4は、正弦波生成機能300、正弦波の増幅率調整機能301、エンベロープの幅調整機能302、エンベロープの値が適正な範囲から外れないように規定するZVSマージン303、エンベロープと回路電流IS1との比較をするコンパレータ 304、およびコンパレータ 305、これらのコンパレート結果の状態を保持するラッチ306、ラッチ出力がLからHに変化するときに所定の遅延時間を加える遅延生成307、および遅延生成308、により構成される。
正弦波生成手段300は、電圧極性検出部1の検出信号VS1をもとにゼロクロスタイミングと商用電源の電圧極性を知ることができ、これらをもとに商用電源と同位相の正弦波sin1を生成する。例えば、商用電源電圧が正の場合は検出信号Vac1はHレベルであり、商用電源電圧が負の場合は検出信号Vac1がLレベルであるとする。検出信号Vac1がLからHになるタイミングで生成する正弦波はsin(0度)とし、検出信号Vac1がHからLになるタイミングがsin(180度)再び検出信号Vac1がLからHになるタイミングがsin(360度)となるように規定する。
増幅率調整手段301は、正弦波生成手段300が生成した正弦波sin1に対して適当な増幅率を掛けて、回路動作に適する振幅env1を生成する。増幅率の生成方法については後述する。
幅調整手段302は、増幅率調整手段301の出力amp1により生成した振幅env1をもとに、所定の幅を加算及び減算して2つのエンベロープ信号を生成する。正側のエンベロープは、振幅env1に幅を加算したenvUP、負側のエンベロープは振幅env1に幅を減算したenvDNとする。所定の幅の生成方法については後述する。
コンパレータ 304は、幅調整手段302が生成した正側エンベロープenvUPと、回路電流検出部2の出力IS1とを比較し、正側エンベロープenvUPより回路電流検出信号IS1が大きい場合はコンパレート結果SETを出力する。
コンパレータ 305は、幅調整手段302が生成した負側エンベロープenvDNと、回路電流検出部2の出力IS1とを比較し、負側エンベロープenvDNより回路電流検出信号IS1が小さい場合(外側に出た場合)はコンパレート結果RESETを出力する。
ラッチ306は、コンパレータ 304の出力SETと、コンパレータ 305の出力RESETを入力とし、状態を保持する機能である。例えばSETおよびRESET信号がHレベルのとき有効であるとして、SET信号がHレベルになるとラッチ出力QAはH出力で保持状態となり、同時にラッチ出力QBはL出力で保持状態となる。次に、SET信号がLレベルに戻り、RESET信号がHレベルになると、ラッチ出力QAはL出力で保持状態となり、同時にラッチ出力QBはH出力で保持状態となる。その次に、再びRESET信号がLレベルに戻りSET信号がHレベルになると、ラッチ出力QAはHレベル、ラッチ出力QBはLレベルとなり、以降この工程を繰り返す。
遅延生成307は、ラッチ306の出力QAに対して所定の遅延時間を与えるものである。例えば、信号がHレベルのときに有効であると仮定して、ラッチ出力QAがL→Hに遷移する時に所定の遅延時間を付加する。逆に、ラッチ出力QAがH→Lに遷移する時には遅延時間を付加しない。このようにしてラッチ410の出力QAに対して遅延を付加した信号をP1とする。
遅延生成308は、ラッチ306の出力QBに対して所定の遅延時間を与えるものである。ラッチ出力QBがL→Hに遷移する時に所定の遅延時間を付加する。逆にラッチ出力QBがH→Lに遷移する時には遅延時間を付加しない。このようにしてラッチ306の出力QBに対して遅延を付加した信号をP2とする。
ZVSマージン303は、エンベロープ領域を守るためのマージン値envMGN信号を出力する。この信号は幅調整機能302の中で処理される。具体的には、エンベロープに付加する幅を次の関係式が成り立つように幅dif1を決定する。
dif1 > amp1 + envMGN
この式を適用することで、商用電源電圧が正のピークにあるとき、負側エンベロープはマージン値envMGNを確保しつつ負の領域に存在することができる。商用電源電圧が負のピークにあるとき、正側エンベロープはマージン値envMGNを確保しつつ正の領域に存在することができる。
dif1 > amp1 + envMGN
この式を適用することで、商用電源電圧が正のピークにあるとき、負側エンベロープはマージン値envMGNを確保しつつ負の領域に存在することができる。商用電源電圧が負のピークにあるとき、正側エンベロープはマージン値envMGNを確保しつつ正の領域に存在することができる。
このように、回路電流IS1の動作領域に対して安全なマージンを持ちつつ、必要以上に幅dif1を大きくしなくて済む。すなわち、出力電力に対して最小限の振幅で済むことになり、回路電流により発生する電力損失を極力少なくできる。
このようにして決められた幅dif1を用いて幅調整機能302内で、さらに次の演算を行う。
envUP = env1 + dif1
enfDN = env1 − dif1
という演算をする。
envUP = env1 + dif1
enfDN = env1 − dif1
という演算をする。
これら2つのエンベロープ信号envUP、envDNは、それぞれコンパレータ 304、コンパレータ 305へ入力する。
平均化機能309は、C2電圧検出部3の検出信号VS2を入力し、電圧位相検出部1の極性信号VS1を考慮して商用電源周期に対するVS2の平均値を算出する。例えば極性信号VS1が負から正に切り替わるタイミングから次に再び負から正に切り替わるタイミングまでを1周期とし、その周期内の検出信号VS2の平均値VS2aveを算出し出力する。
リファレンス310は、第二のキャパシタC2に所望する電圧値をセットし、その値をref1とする。
増幅率決定部301は、前述のリファレンス値ref1に対してC2電圧平均値VS2aveが高いか低いかを判定し、その結果を増幅率amp1として幅調整機能302に伝える。例えば、VS2aveがref1より大きい場合、それは第二のキャパシタC2電圧が所定の電圧より高いことを意味するので、この場合は増幅率amp1を小さく設定する。すると、結果として商用電源から供給される入力電流が減ることから、第二のキャパシタC2に電荷としてチャージアップされる電力が減少することになる。この作用によりC2電圧は高すぎる電圧状態から下降することになる。逆にC2電圧が所定の電圧より低い場合は、増幅率amp1の値を大きく設定する。すると、結果として商用電源から供給される入力電流が増えることから、第二のキャパシタC2に電荷としてチャージアップされる電力が増加することになる。この作用によりC2電圧は低い状態から上昇することになる。このようにリファレンス電圧ref1に常に等しくなるようにフィードバックがかかりC2電圧は一定に保たれる。
このようにして得られた一定のC2電圧を直流電源とみなしてLEDを点灯させるための定電流を発生させるための機能について図4を参照して説明する。
図4は、LED電流制御部6の内部ブロックを示す図である。LED電流検出部5の電流検出信号IS2を入力とし、第五のスイッチS5を駆動するためのパルス信号P3を出力とする。
LED電流リファレンス400は、LEDに流す電流の目標値ref2を出力する。
差動増幅機能401は、LED電流検出信号IS2と、LED電流リファレンス値ref2とを比較し、その差分をdif1として出力する。
PWM制御402は、前述の差分信号dif1をもとに、出力するP3信号のパルスデューティを変化させる。
例えば、LED電流検出信号IS2がLED電流リファレンス値ref2より大きい場合、LEDに流れる電流が過大であることを意味するので、この場合はdif1に負の値をセットする。すると、PWM制御402ではこれをもとにパルスのON区間を狭め、OFF区間を広める。これにより周波数は一定であるがONデューティを下げることになる。この駆動パルスP3で第五のスイッチS5を開閉すると、ONのデューティが小さいため第三のインダクタL3に流れる平均電流を下げる方向に作用し、LEDの電流量を減らすことになる。
同様に、LED電流検出信号IS2がLED電流リファレンス値ref2より小さい場合、差動増幅機能401は正の値を出力dif1にセットする。これをもとにPWM制御402はONデューティの大きいパルスP3を生成する。このパルスP3によって第五のスイッチS5を駆動すると、導通電流が増加することから第三のインダクタL3に流れる平均電流が増加し、LEDの電流量を増やすことになる。
図5は、図3の増幅された正弦波env1が正から負へゼロクロスする近辺を拡大した波形である。2つのエンベロープenvUP、envDNに挟まれた範囲内を回路電流IS1が折り返すようにしている。回路電流IS1が正側エンベロープenvUPに達した点を正側判定点とする。同様に負側エンベロープenvDNに達した点を負側判定点とする。これらを用いて回路電流IS1をいかにして反復動作させるかについて次に説明する。
図5のSET波形は、回路電流IS1が正側エンベロープenvUPより内側にある場合、常にLレベルを維持する。そして、回路電流IS1が正側エンベロープenvUPに等しいか又は超えた場合、Hレベルを維持する。すなわち、正側判定点は、このSET信号がLからHに立上ることをもって判定することができる。
図5のRESET波形は、回路電流IS1が負側エンベロープenvDNより内側にある場合、常にLレベルを維持する。そして、回路電流IS1が負側エンベロープenvDNに等しいか又は超えた場合、Hレベルを維持する。すなわち、負側判定点は、このRESET信号がLからHに立上ることをもって判定することができる。
図5のP1波形は、RESET波形の立ち上がりから遅延1だけ遅れて立上るものとする。そして、SET波形の立ち上がりに対して遅延なく立ち下がるものとする。
図3のP2波形は、SET波形の立ち上がりに対して遅延2だけ遅れて立ち上がるものとする。そして、RESET波形の立ち上がりに対して遅延なく立ち下がるものとする。この動作を繰り返すことで、P1波形とP2波形は常に相補的にHレベルとLレベルを繰り返し、しかも遅延1、遅延2の間隙があることから同時にHレベルにならない。
図3の波形M1、M2は、スイッチS1とS2の中点M1の電位、スイッチS3とS4の中点M2の電位を示している。スイッチS1とS4がON状態になると、第二のキャパシタC2→第一のスイッチS1→第一のキャパシタC1→第二のインダクタL2→第四のスイッチS4の経路で電流が流れる。このとき中点M1電位は、第一のスイッチS1がON状態であることからHレベルである。なお、P1波形に遅延1の分だけHになる時間が遅くなっているが、遅延1の区間は第一のスイッチS1のボディダイオードに電流が流れている。すなわち、第二のインダクタL2→第一のスイッチS1のボディダイオード→第二のキャパシタC2の経路で逆電流が流れており、すなわち、第一のスイッチのドレインソース間が逆方向に通電していることから、この状態でもやはり中点M1電位はHであることがわかる。従って、遅延1の間隙があっても中点M1電位はすぐにHレベルになる。
中点M2電位についても同様の動作であり、第三のスイッチS3、第二のスイッチS2がON状態になると、第二のキャパシタC2→第三のスイッチS3→第二のインダクタL2→第一のキャパシタC1→第二のスイッチS2の経路で電流が流れ、中点M2電位はHレベルである。
遅延2の区間は第二のインダクタL2→第三のスイッチS3のボディダイオードの経路で逆電流が流れ、この場合も中点M2電位はHレベルである。従って、遅延2の間隙があっても中点M2電位はすぐにHレベルになる。
図6は、LED電流制御部6に対する回路動作を示す波形図である。横軸は時間で波形は上から順に、LED電流差分dif1、第五のスイッチS5に印加するパルスS3、パルス駆動によってLEDに定電流が流れ、その電流を検出した信号IS2である。IS2は第五のスイッチS5の開閉に応じて電流が若干増減するが、LEDに流れる電流はその平均値IS2aveとみなす。
例えばLED電流差分dif1が正の場合、すなわちLED電流が所定の電流値より少ない場合、LED電流を増やすためにPWM制御402はONデューティを増やしていく。図6ではP3波形のON区間が時間とともに増加していくことがこれを表している。すると、この結果としてLED電流平均値IS2aveは増加する傾向になり、やがて今度は所定の電流より増えてしまう。この結果が図6のdif1が正から負へ変化したこととして現れる。従って今後は逆にP3波形のONデューティを狭める方向に制御が作用し、以降、これを繰り返すことでLED電流は所定の電流値を維持し、一定の電流量で点灯することができる。
本実施形態によれば、簡素な構成で、入力電圧と同位相の電流を商用電源に流すことができ、入力電流高調波を極めて少なくできる。これにより商用電源の外部接続である変電設備やブレーカーに焼損などの悪影響を与えることが無くなる。また、スイッチング素子であるFETを、電力損失の少ない使い方をするので、高効率で、小型、低コストのLED点灯装置を実現できる。
(第二の実施形態)
図7は、第二の実施形態を説明する回路図である。図1で既に説明済みの部分は符号や記号を同じままにして説明を省略し、新たな構成部分のみを説明する。
図7は、第二の実施形態を説明する回路図である。図1で既に説明済みの部分は符号や記号を同じままにして説明を省略し、新たな構成部分のみを説明する。
図7はLED点灯装置100の回路を示す図である。第一のスイッチS1のソースと第二のスイッチS2のドレインを接続する点M1と、第三のスイッチS3のソースと第四のスイッチS4のドレインを接続する点M2とを結ぶ、第一のキャパシタC1と第二のインダクタL2、回路電流検出部2からなる直列経路に、新たにトランスT1の1次巻線TPを追加する。トランスT1の2次巻線TS1,TS2にそれぞれ第二のダイオードD2、第三のダイオードD3を接続し第三のキャパシタC3で平滑することにより、両波の整流平滑回路を構成する。第三のキャパシタC3の電圧を検出する経路にC3電圧検出部701を設け、検出したC3電圧信号VS3を回路電流制御部700に送る。第三のキャパシタC3の両端電圧を直流電源とみなして第五のスイッチS5と第一のダイオードD1、第三のインダクタL3、および、LED電流検出部5、LED電流制御部6からなるLED定電流駆動回路を接続する。
第二の実施形態において回路電流制御部が適当な制御演算を施し、4つのスイッチS1〜S4が適宜開閉すると、高周波と低周波が混在した回路電流が発生する。この電流の一部はトランスT1を介して2次側直流電圧となって第三のキャパシタC3の電荷として蓄えられる。
図8は、回路電流制御部700の内部を示すブロック図である。電圧位相検出部1の検出信号VS1、回路電流検出部2の検出信号IS1、C2電圧検出部3の検出信号VS2、C3電圧検出部701の検出信号VS3を入力とし、第一のスイッチS1と第四のスイッチS4に印加するパルス信号P1と、第二のスイッチS2と第三のスイッチS3に印加するパルス信号P2を出力とする。
正弦波生成800は、商用電源V1の電圧位相信号VS1に同期した正弦波信号sin1を生成する。
増幅率調整801は、正弦波信号sin1に対して適当な増幅率dif2を演算してその結果をエンベロープ基本信号env1として出力する。
幅調整802は、エンベロープ基本信号env1に適当な幅dif2を演算してその結果を正側エンベロープenvUP、負側エンベロープenvDNとして出力する。
コンパレータ 808は、正側エンベロープ信号envUPと回路電流検出信号IS1とを比較し、回路電流検出信号IS1が正側エンベロープ信号envUPより大きければSET信号を出力する。
コンパレータ 809は、負側エンベロープ信号envDNと回路電流検出信号IS1とを比較し、回路電流検出信号IS1が負側エンベロープ信号envDNより小さければRESET信号を出力する。
ラッチ810は、SET信号が入るとQA出力をHレベルに維持し、QB出力をLレベルに維持する。また、RESET信号が入るとQA出力をLレベルに維持し、QB出力をHレベルに維持する。
遅延生成811は、QA出力がL→Hに変化するとき、Hのタイミングを遅らせてP1信号を生成する。
遅延生成812は、QB出力がL→Hに変化するとき、Hのタイミングを遅らせてP2信号を生成する。
平均化機能805は、商用電源の周期を電圧位相検出信号VS1で知るとともに、C2電圧検出信号VS2を入力し、その平均値を商用電源の周期単位で計算し、ave1として出力する。
リファレンス2は、C2電圧目標値VS2REFを出力する。
リファレンス2は、C2電圧目標値VS2REFを出力する。
差動増幅2 807は、平均化したVS2値ave1と、C2電圧目標値VS2REFとを比較し、その結果をdif2として前述の増幅率調整801の調整信号として伝達する。例えば、C2電圧VS2が目標値VS2REFより高い場合、dif2は小さい値を出力する。すると、増幅率調整801ではエンベロープの基準となるenv1の振幅を小さくする。これを反映させた回路動作の結果として商用電源V1からの入力電流が減り、第二のキャパシタC2への電荷の蓄積が減るため、C2電圧は下がる方向に変化する。逆にC2電圧VS2が目標値VS2REFより低い場合、dif2は大きい値を出力する。すると増幅率801ではエンベロープの基準となるenv1の振幅を大きくする。その結果として第二のキャパシタC2の電荷蓄積量を増やすことになり、C2電圧を上昇させる傾向になる。これらの働きにより第二のキャパシタC2の電圧はほぼ一定に保たれる。
リファレンス1 803は、第三のキャパシタC3の電圧目標値VS3REFを出力する。
差動増幅1 804は、第三のキャパシタC3の電圧検出信号VS3と、C3電圧目標値VS3REFを比較し、その結果をdif1として前述の幅調整802の制御信号として伝える。例えば、C3検出信号VS3がC3電圧目標値VS3REFより大きい場合、dif1は小さい値を出力する。すると、正側エンベロープenvUPと負側エンベロープenvDNで挟まれる距離が短くなり、すなわち回路電流のうちの高周波成分が少なくなる。このため、トランスT1を介して第三のキャパシタC3に電荷として蓄えられる量が減少する。すなわち第三のキャパシタC3の電圧が降下する方向に作用する。逆に、C3電圧検出信号VS3がC3電圧目標値VS3REFより小さい場合、dif1は大きい値を出力する。すると、正側エンベロープenvUPと負側エンベロープenvDNで挟まれる区間が広がるため、トランスT1を介して第三のキャパシタC3に電荷として蓄えられる量が増加する。すなわち、第三のキャパシタC3の電圧が増加する方向に作用する。これらが適宜働くことで、第三のキャパシタC3はほぼ一定の電圧を維持することができる。
第二の実施形態によれば、比較的簡素な構成でLED点灯装置を構成でき、入力電流を正弦波状にできることから入力電流高調波を極めて少なくできる。また、スイッチ素子に対して効率のよいスイッチング条件を常に満たすため、高効率であり、簡素であるから小型化も実現できる。また、トランスT1の1次巻線TPと2次巻線TS1およびTS2の巻数比を加減することでLED点灯に適した直流電圧を得ることができる。
(第三の実施形態)
図9は、第三の実施形態を説明する波形図である。図は横軸が時間軸で商用電源の50Hz周期の1周期分を表している。信号は上から順に、エンベロープ基準波形env1とそれに対して上下にdif1の幅を付加した正側エンベロープenvUP、負側エンベロープenvDN、これらのエンベロープに挟まれた区間を往復する回路電流IS1、IS1をローパスフィルタを経由して低周波である50Hz成分のみとなった商用電源V1に流れる電流を表している。
図9は、第三の実施形態を説明する波形図である。図は横軸が時間軸で商用電源の50Hz周期の1周期分を表している。信号は上から順に、エンベロープ基準波形env1とそれに対して上下にdif1の幅を付加した正側エンベロープenvUP、負側エンベロープenvDN、これらのエンベロープに挟まれた区間を往復する回路電流IS1、IS1をローパスフィルタを経由して低周波である50Hz成分のみとなった商用電源V1に流れる電流を表している。
第三の実施形態において特徴的なのは、エンベロープが必ずしも正弦波状ではないということである。具体的には正側エンベロープは常に正の領域に留まるようにZVSマージンを持たせている。負側エンベロープも同様に常に負の領域に留まるようにZVSマージンを持たせてある。このようにそれぞれのエンベロープが領域を逸脱することないようにすると、4つのスイッチS1〜S4の動作を常に効率のよいスイッチングが出来る条件に留めることができ、効率の低下を防ぐことができる。
第二の実施形態のように主回路動作に必要なC2電圧の制御と、LED点灯に必要なC3電圧の制御の2つが存在すると、増幅率を決めるdif2制御と幅を決めるdif1制御がそれぞれ別個に働くことになり、場合によっては正側エンベロープenvUPが負側に、負側エンベロープenvDNが正側に入り込んでしまうことが過渡的に発生する。これを防止する意味で第三の実施形態は有用である。
図10に、第三の実施形態を実現するためのブロック図を示す。図8で既出の部分は説明を省略する。
幅調整機能802は、正側エンベロープの元になるenv2信号と、負側エンベロープの元になるenv3信号を出力する。
ZVSマージン1001は、マージン値MGN1を出力する。
ZVS補償1000は、エンベロープの元になる2つの信号env2、env3とZVSマージン値MGN1を入力し、2つのエンベロープ信号envUP、envDNを出力する。具体的には、正側エンベロープとしてenv2を監視し、env2がMGN1より小さくなったらenvUPとしてMGN1に置き換える。
ZVSマージン1001は、マージン値MGN1を出力する。
ZVS補償1000は、エンベロープの元になる2つの信号env2、env3とZVSマージン値MGN1を入力し、2つのエンベロープ信号envUP、envDNを出力する。具体的には、正側エンベロープとしてenv2を監視し、env2がMGN1より小さくなったらenvUPとしてMGN1に置き換える。
envUP = env2
if(env2<=MGN1){envUP=MGN1;}
などの処理とする。負側も同じように
if(env2<=MGN1){envUP=MGN1;}
などの処理とする。負側も同じように
envDN = env3
if(env3>−MGN1){envDN=−MGN1;}
などの処理とする。
第三の実施例によれば、回路動作に対して負荷変動が大きい場合であっても、電力変換を行うスイッチング素子に対して常にスイッチング損失が少ない状態を維持することができる。このことは、回路構成が簡素であり小型化できる上に、負荷変動に対する余裕度が高いため、さらなる小型化が可能である。また、第一第二の実施形態と同じく高効率、低コスト化、入力電流高調波軽減が見込めることは言うまでもない。
(他の実施形態)
本発明は、前記各実施形態に限定されるものではない。
例えば前記各実施形態では、単相の交流電源V1を用いたが、交流電源V1は単相に限定するものではない。三相あるいはそれ以上の多相の交流電源を用いることも可能である。
本発明は、前記各実施形態に限定されるものではない。
例えば前記各実施形態では、単相の交流電源V1を用いたが、交流電源V1は単相に限定するものではない。三相あるいはそれ以上の多相の交流電源を用いることも可能である。
また、前記各実施形態ではスイッチング素子としてFET(電界効果型トランジスタ)S1〜S4を用いたが、これに限定されるものではない。例えば、バイポーラトランジスタ、IGBT、GaN、SiC等の半導体素子を用いても良い。あるいはリレーのような機械式スイッチとダイオードの組み合わせで、第一のスイッチS1〜第四のスイッチS4を構成してもよい。
また、各実施形態では商用電源V1のゼロクロスを入力電圧検出部1でVac1信号として検出し、これをもとに正弦波生成部400で商用電源V1と同相の正弦波sin1を生成しているが、この方法に限定するものではなく、例えば商用電源V1の交流電圧波形をもとに同相の正弦波sin1を生成してもよい。
また、第三の実施形態の回路図は第二の実施形態の回路図をもとに拡張したが、第一の実施形態の回路図をもとに拡張した形態であってもかまわない。
以上を総括して、本発明の複数の実施形態を単独または連携させて実施することで、簡素な構成であるにもかかわらず、入力電流高調波の少ない交流電流を商用電源V1に流すことができ、なおかつスイッチング素子であるFET(S1〜S4)を損失が極めて少ない動作モードで常に動作させることが可能であり、第三の実施形態を組み合わせれば、入力電力の可変範囲および出力電力の可変範囲を広くとることができ、さらなる小型化が実現できる。この特性により、小型、高効率、低コストの電力変換装置を構成することができ、LED点灯装置として広い範囲で利用できるため、産業上の利用効果は大きい。
この他、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、様々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
100 LED点灯
1 電圧位相検出部
2 回路電流検出部
3 C2電圧検出部
4 回路電流制御部
5 LED電流検出部
6 LED電流制御部
300 正弦波生成機能
301 増幅率調整機能
302 幅調整機能
303 ZVSマージン
304、305、808、809 コンパレータ
306 ラッチ
307、308、811、812 遅延生成
400 LED電流リファレンス
401 差動増幅機能
402 PWM制御
1000 ZVS補償
1001 ZVSマージン
1 電圧位相検出部
2 回路電流検出部
3 C2電圧検出部
4 回路電流制御部
5 LED電流検出部
6 LED電流制御部
300 正弦波生成機能
301 増幅率調整機能
302 幅調整機能
303 ZVSマージン
304、305、808、809 コンパレータ
306 ラッチ
307、308、811、812 遅延生成
400 LED電流リファレンス
401 差動増幅機能
402 PWM制御
1000 ZVS補償
1001 ZVSマージン
Claims (4)
- 第一のスイッチと第二のスイッチとを直列に接続するとともに、第三のスイッチと第四のスイッチとを直列に接続し、前記第一のスイッチと前記第三のスイッチ及び第二のスイッチと第四のスイッチをそれぞれ接続して閉ループを形成し、交流電源に、第一のインダクタ、第一のキャパシタを直列に接続してなる閉ループを形成し、前記第一のスイッチと第二のスイッチの接続点と、前記第三のスイッチと第四のスイッチの接続点との間に、前記第一のキャパシタ、第二のインダクタからなる直列回路を接続し、前記第三のスイッチと第四のスイッチの両端に第二のキャパシタを接続し、LED負荷に、前記第二のキャパシタの両端に接続された定電流回路を接続したLED点灯回路と、
前記交流電源の電圧位相を検出する手段から得られる交流電圧位相と、前記LED点灯回路を流れる回路電流を検出する手段から得られる回路電流と、前記第二のキャパシタの電圧を検出する手段から得られるキャパシタ電圧とに基づいて、前記交流電源の低周波成分に高周波成分が混在した電流が前記電力変換回路を流れるように、前記第一のスイッチと第四のスイッチの組と、前記第二のスイッチと第三のスイッチの組を交互に開閉させるためのパルス信号を、前記第一のスイッチと前記第四のスイッチの組と、前記第二のスイッチと第三のスイッチの組とに供給する制御手段と、
前記LEDの電流を検出する手段から得られるLED電流に基づいて、前記第五のスイッチのパルス幅を調整する信号を供給するLED電流制御手段と、
を具備したことを特徴とするLED点灯装置。 - 第一のスイッチと第二のスイッチとを直列に接続するとともに、第三のスイッチと第四のスイッチとを直列に接続し、前記第一のスイッチと前記第三のスイッチ及び第二のスイッチと第四のスイッチをそれぞれ接続して閉ループを形成し、交流電源に、第一のインダクタ、第一のキャパシタを直列に接続してなる閉ループを形成し、前記第一のスイッチと第二のスイッチの接続点と、前記第三のスイッチと第四のスイッチの接続点との間を、前記第一のキャパシタ、第二のインダクタ、トランス1次巻線からなる直列回路を接続し、前記第三のスイッチと第四のスイッチの両端に第二のキャパシタを接続し、前記トランス2次巻線に整流平滑回路を接続し、前記整流平滑回路の出力に定電流回路を接続し、LED負荷に、前記定電流回路の出力を接続したLED点灯回路と、
前記交流電源の交流電圧位相を検出する手段から得られる電圧位相と、前記LED点灯回路を流れる回路電流を検出する手段から得られる回路電流と、前記第二のキャパシタの電圧を検出する手段から得られるキャパシタ電圧と、前記整流平滑回路の電圧を検出する手段から得られる整流平滑電圧とに基づいて、前記交流電源の低周波成分に高周波成分が混在した電流が前記電力変換回路を流れるように、前記第一のスイッチと第四のスイッチの組と、前記第二のスイッチと第三のスイッチの組を交互に開閉させるためのパルス信号を、前記第一のスイッチと前記第四のスイッチの組と、前記第二のスイッチと第三のスイッチの組とに供給する制御手段と、
前記LEDの電流を検出する手段から得られるLED電流に基づいて前記定電流回路の出力を調整する信号を供給するLED電流制御手段と、
を具備したことを特徴とするLED点灯装置。 - 前記制御手段は、
前記入力電圧検出手段により検出される電源電圧の信号に基づいて電源電圧と同位相の正弦波を生成する正弦波生成手段と、
この正弦波生成手段により生成された正弦波をもとに前記交流電源に流す電流の目標値を決定する決定手段と、
この決定手段により決定された前記交流電源電流の目標値に所定の幅を持たせて正側及び負側のエンベロープを生成するエンベロープ生成手段と、
前記回路電流検出手段により検出される回路電流が前記正側エンベロープと前記負側エンベロープとの範囲内に収まるか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段により前記回路電流が前記正側エンベロープと前記負側エンベロープとの範囲内から外れるタイミングで前記パルス信号を生成するパルス生成手段と、
を備えたことを特徴とする請求項1または請求項2記載のLED点灯装置。 - 前記制御手段は、
前記正側エンベロープが常に正の領域であることを検知する正側検知手段と、
前記正側検知手段により前記正側エンベロープが負の領域に外れたことを検出した場合、前記正側エンベロープの持つ負の値を無効とし、ゼロまたは正の値に設定し直す正側エンベロープ補正手段と、
前記負側エンベロープが常に負の領域であることを検知する負側検知手段と、前記負側検知手段により前記負側エンベロープが正の領域に外れたことを検出した場合、前記負側エンベロープの持つ正の値を無効とし、ゼロまたは負の値に設定し直す負側エンベロープ補正手段と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項1乃至請求項3記載のLED点灯装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013219709A JP2015082400A (ja) | 2013-10-23 | 2013-10-23 | Led点灯装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013219709A JP2015082400A (ja) | 2013-10-23 | 2013-10-23 | Led点灯装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2015082400A true JP2015082400A (ja) | 2015-04-27 |
Family
ID=53012898
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013219709A Pending JP2015082400A (ja) | 2013-10-23 | 2013-10-23 | Led点灯装置 |
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Country | Link |
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JP (1) | JP2015082400A (ja) |
-
2013
- 2013-10-23 JP JP2013219709A patent/JP2015082400A/ja active Pending
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