JP2015535133A - Ｌｅｄ照明用のドライバ及びｌｅｄ照明を駆動する方法 - Google Patents

Abstract

本願発明は、複数のＬＥＤを備えるＬＥＤ照明用のドライバであって、ドライバがＡＣ電源からのＡＣ入力電力を受信し、光束を生成すべく、複数のＬＥＤに整流出力電力を供給するための電圧増倍機を含むＬＥＤ照明用のドライバを提供する。また、複数のＬＥＤを備えるＬＥＤ照明を駆動する方法であって、入力電圧を有するＡＣ入力電力を受信する段階と、入力電圧を乗算し、複数のＬＥＤに乗算された出力電圧を供給する段階と、光束を生成すべく、整流出力電力を複数のＬＥＤに供給するためにＡＣ入力電力を整流する段階とを備える方法を提供する。

Description

本願発明は、ＬＥＤ照明用の複数のドライバ及びＬＥＤ照明を駆動する方法に関する。本願発明は、本明細書において、主として、高出力照明用途に関するが、これに限定されるものではない。

複数のＬＥＤドライバの最近の研究は、図１に示される一例のような、複数のアクティブ電力電子スイッチ（「複数のアクティブＬＥＤドライバ」）を利用する複数のスイッチモードＬＥＤドライバ、及び図２に示される一例のような、複数のアクティブ電力電子スイッチ（「複数のパッシブＬＥＤドライバ」）を有さない複数のパッシブＬＥＤドライバの両方が複数のＬＥＤシステムのために提案されていることを示す。図１は、ST Microelectronics Application Notes Power Supply And Power Management L6562A TSM1052 AN2711 データシートからの「アクティブ」オフラインＬＥＤシステムを示す。複数のＡＣメインに接続される複数のＬＥＤシステムのオフライン用途のために、アクティブＬＥＤドライバ及びパッシブＬＥＤドライバは、メイン周波数でＡＣ電圧源を複数のＬＥＤストリングとして直列に通常接続された複数のＬＥＤデバイスを駆動するための電流源に本質的に変化させる。

コンパクトＬＥＤドライバの設計のために、複数のアクティブＬＥＤドライバが良い解決方法である。複数のアクティブＬＥＤドライバは、スイッチモード電力供給技術に基づく。スイッチ周波数は、何百キロヘルツにもなり得るので、複数のインダクタ及び複数のコンデンサ等の複数のエネルギー貯蔵コンポーネントのコンポーネントサイズが削減され得る。しかしながら、複数の補助電源、複数の制御集積回路、複数の電力スイッチ用の複数のゲートドライブ回路などの複雑な電子回路に関する要求のために、複数のアクティブＬＥＤドライバは、大きな温度変化及び大きな湿度変化並びに照明のような厳しい環境条件にさらされる屋外用途において信頼性が低い。

一方、複数のパッシブＬＥＤドライバは、複数の補助電源、複数の制御集積回路、複数の電力スイッチ用の複数のゲートドライブ回路などが不要な簡単な回路構造を有する。しかしながら、メイン周波数オペレーションのために、これらのパッシブドライバは、一般的により大きなサイズの複数のパッシブエネルギー貯蔵コンポーネントが必要である。これらのコンポーネントは、限られた寿命を有し、温度に非常に敏感である複数の電解コンデンサを含む。一般的に、ＬＥＤ照明にしばしば使用される複数の電解コンデンサは、１５，０００時間又は１．７年の寿命を有する。この寿命は、ＬＥＤ照明の動作温度が１０℃低下した場合に２倍となり、動作温度が１０℃上昇した場合に半分となる。にもかかわらず、厳しい環境に対するこれらの回路の簡易性及びロバスト性のために、複数のパッシブＬＥＤドライバは、屋外用途においてより信頼性が高い。

米国特許出願第１３／１２９，７９３号は、複数の電解コンデンサが不要なパッシブドライバによる方法を使用する、厳しい環境用のロバストな複数のＬＥＤドライバを開示する。これらの複数のパッシブＬＥＤドライバは、図２に開示されるようなフルブリッジダイオード整流器に基づく。ダイオード整流器の出力電圧は、非電解コンデンサＣ３によって平滑化され、出力インダクタは、このコンデンサ電圧をＬＥＤ負荷の駆動用の電流源に変化させる。いくつかの場合、コンデンサＣ３は、図３に示されたような複数のバレイフィル回路の様々な方式によって置き換えられ得る。

道路照明に使用されるような、複数の高出力ＬＥＤ照明システムのために、複数のＬＥＤデバイスは、通常、複数のＬＥＤストリングを形成すべく直列に接続される。高出力が必要な場合、必要とされる電力及び輝度特性を達成するために、複数の並列接続ストリングを使用する必要がある場合がある。同一の製造業者によって製造されたとしても、複数のＬＥＤデバイスが完全に一致しないので、同一のモデルタイプの複数のＬＥＤデバイスの電圧電流（ＶＩ）特性は、正確には一致しない。このように、複数の並列接続ＬＥＤストリングのＶＩ特性も異なる。このような違いは、電流不均衡問題をもたらし得、同様に、不均一な光と熱の分布をもたらし得、より重要なことに、意図されない過電流状態のために複数のＬＥＤモジュールの寿命の減少をもたらし得る。

複数の並列接続ＬＥＤストリングの電流不均衡問題に対処するために、IEEE Transactions on Power Electronics, Volume: 27, Issue: 4, 2012, Pages: 2153 - 2162で、Li S.N, Zhong W.Z., Chen W., 及びHui S.Y.Rにより著された"Novel Self-configurable Current Mirror Techniques for Reducing Current Imbalance in Parallel Light-Emitting Diode (LED) strings"において報告されたような、様々な技術が提案された。概して、カレントミラー技術及びスイッチモード電流制御方法は、複数の並列電流ストリングにおける電流不均衡を低減するために一般に使用されている。図４には、そのような技術に使用されている電流平衡回路の一例が示されている。しかしながら、これらの方式にもかかわらず、これらの技術及び方法を使用することは、回路の複雑性及びコストを増加させるであろう。

従来技術の不利なことの少なくとも１つを克服し、又は改善すること、又は役に立つ代わりの手段を提供することが本願発明の目的である。

本願発明は、第１態様において、複数のＬＥＤを備えるＬＥＤ照明用のドライバであって、ＡＣ電源からのＡＣ入力電力を受信し、光束を生成すべく、複数のＬＥＤに整流出力電力を供給するための電圧増倍機を含むドライバを提供する。

好ましくは、複数のＬＥＤは、直列に接続される。

様々な実施形態において、電圧増倍機は、電圧２倍器、電圧３倍器、及び電圧４倍器のうちの１つ又は任意の組み合わせである。いくつかの実施形態において、電圧増倍機は、デロン電圧２倍器及びグラナッシャー電圧２倍器のうちの１つ又は組み合わせである。

好ましくは、ドライバは、ヒトの眼によって知覚されない光束の変動に対応する整流出力電力の変動を許可する。

好ましくは、ドライバは、ＡＣ電源と電圧増倍機との間に入力コンデンサを含む。好ましくは、ドライバは、電圧増倍機と複数のＬＥＤとの間に出力コンデンサを含む。また好ましくは、ドライバは、ＡＣ電源と電圧増倍機との間に入力インダクタを含む。さらに、好ましくは、ドライバは、電圧増倍機と複数のＬＥＤとの間に出力インダクタを含む。

いくつかの実施形態において、ドライバは、電圧増倍機と複数のＬＥＤとの間にバレイフィル回路を含む。

いくつかの他の実施形態において、ドライバは、電圧増倍機と複数のＬＥＤとの間にスムージングコンデンサを含む。

好ましくは、複数のＬＥＤは、直列に接続された複数の直列接続ストリングの方式である。好ましくは、複数の直列接続ストリングは、並列に配置される。

また、本願発明は、第２態様において、複数のＬＥＤを備えるＬＥＤ照明を駆動する方法であって、入力電圧を有するＡＣ入力電力を受信する段階と、乗算された出力電圧を複数のＬＥＤに供給すべく、入力電圧を乗算する段階と、光束を生成すべく、整流出力電力を複数のＬＥＤに供給するためにＡＣ入力電力を整流する段階とを備える方法を提供する。

好ましくは、複数のＬＥＤは、直列に接続される。

様々な実施形態において、入力電圧は、２倍、３倍、又は４倍される。いくつかの実施形態において、入力電圧は、デロン電圧２倍器及びグラナッシャー電圧２倍器のうちの１つ又は組み合わせを用いて乗算される。

好ましくは、方法は、ヒトの眼によって知覚されない光束の変動に対応する整流出力電力の変動を許可する段階を備える。

添付の複数の図面を参照し、単に例示の方法によって、本願発明のベストモードに従った好ましい実施形態が、ここに開示されるであろう。

アクティブドライバを用いた従来技術のオフラインＬＥＤシステムの概略図である。

パッシブドライバを用いた従来技術のオフラインＬＥＤシステムの概略図である。

パッシブドライバを用いた他の従来技術のオフラインＬＥＤシステムの概略図である。

複数の並列接続ＬＥＤストリングを備え、パッシブドライバ及び電流平衡回路を用いた更なる従来技術のオフラインＬＥＤシステムの概略図である。

本願発明の実施形態に係るＬＥＤ照明用のドライバの概略図である。

本願発明の他の実施形態に係るＬＥＤ照明用のドライバの概略図である。

本願発明の更なる実施形態に係るＬＥＤ照明用のドライバの概略図である。

本願発明の他の実施形態に係るＬＥＤ照明用のドライバの概略図である。

本願発明のさらなる実施形態に係るＬＥＤ照明用のドライバの概略図である。

複数の図を参照し、本願発明の実施形態は、複数のＬＥＤ２を備えるＬＥＤ照明用のドライバ１を提供する。ドライバ１は、ＡＣ電源３からＡＣ入力電力を受信し、光束を生成すべく、複数のＬＥＤ２に整流出力電力を供給するための電圧増倍機４を含む。

固有の用途の要求に応じて、電圧増倍機は、電圧２倍器、電圧３倍器、及び電圧４倍器のうちの１つ又は任意の組み合わせであってよい。例えば、いくつかの実施形態において、電圧増倍機は、デロン電圧２倍器及びグラナッシャー電圧２倍器のうちの１つ又は組み合わせである。

本願発明の複数のドライバは、道路照明用途及び他の屋外照明用途などの高出力用途のための複数のパッシブＬＥＤドライバとして使用するのに特に適している。本願発明により提供される複数のドライバは、必要とされる複数の並列接続ＬＥＤストリングの数を減少させ、又は複数の並列接続ＬＥＤストリングの必要性を完全に回避する。最近の場合では、複数のＬＥＤの全ては、直列に接続され、したがって、カレントミラー回路及び他の電流平衡回路などの追加の回路の必要性を回避し、複数の並列接続ＬＥＤストリングに生じる電流不均衡問題を防止する。

しかしながら、複数のＬＥＤの全てが直列に接続された場合に、複数のＬＥＤは、複数の直列接続ＬＥＤストリング又は複数のモジュールの方式であり得ることが述べられている。これらの複数のＬＥＤストリングは、順に、直列に接続され、全てが直列に接続された複数のＬＥＤの単一チェーンを効果的に形成する。しかしながら、複数の直列接続ＬＥＤストリングは、並列に又は任意の他の構成で配置され得る。このように、これらは、複数の並列接続ＬＥＤストリングの任意の配置を再現し得る。

本発明に係るドライバのここで開示された実施形態において、ドライバ１は、また、ヒトの眼によって知覚されない光束の変動に対応する整流出力電力の変動を許可する。実施形態は、最大１２％の光束の変動を許可して、そのような大きさの光束の変動をヒトの眼が知覚できないことが示された。

そのような光束の変動に対応する整流出力電力の変動は、大きなサイズの複数のエネルギー貯蔵コンポーネントを要求せず、特に、複数の電解コンデンサの限られた寿命の使用を要求しない。このように、整流出力電力のそのような変動を許可する本願発明の複数のドライバは、屋外用途などの厳しい環境用の、簡単、ロバスト、及び信頼性のある複数のパッシブＬＥＤドライバとして機能するのに適していることが、予想外に発見された。

さらに、電圧増倍機を有する上述の利点を考慮すると、光束の知覚できない変動に対応する整流出力電力の変動も許可する複数の電圧増倍機を有する本願発明の複数のドライバは、屋外照明用途及び道路照明用途などの、厳しい環境における高出力用途のための複数のパッシブＬＥＤドライバとして使用される場合に、やや意外で予期せぬ利点を提供する。特に、これらの利点は、詳細に上述した様に、電流不均衡及び複数の電解コンデンサの限られた寿命に関連付けられたそのような用途における複数の問題を克服し、又は改善する。

ドライバ１は、例えば、図８で示したように、電圧増倍機４と複数のＬＥＤ２との間のバレイフィル回路５を含み、ヒトの眼によって知覚されない光束の変動に対応する整流出力電力の変動を許可する。バレイフィル回路５及び電圧増倍機４は、いくつかの回路コンポーネントを共有し得ることが、実用的な実装において認識されるであろう。図５を参照すると、電圧増倍機４は、デロン電圧２倍器の方式を取る。デロン電圧２倍器内の２つのコンデンサＣ_Ｄの各々は、バレイフィル回路５により置換えられて図８に示されたドライバ１となり、その結果電圧増倍機４と複数のＬＥＤ２との間にバレイフィル回路５を含む。

別の実施形態において、ヒトの眼によって知覚されない光束の変動に対応する整流電力の変動を許可するために、バレイフィル回路５の代わりに、スムージングコンデンサ６が電圧増倍機４と複数のＬＥＤ２との間の電圧増倍機４の出力と交差して配置される。これは図９に示される。この実施形態において、ドライバ１は、ＡＣ電源３と電圧増倍機４との間の入力インダクタ７（Ｌ_ｓ）も含む。入力インダクタ７は、入力電流フィルタを提供するのに十分な大きさであり、入力電流は主として正弦関数であり、低い電流調和性を有する。このように、バレイフィル回路５を置き換えるスムージングコンデンサ６を有することは、光束の知覚されない変動を生成するのに要求される整流出力電力の変動を許可するのに十分である。

ドライバ１の他の実施形態は、バレイフィル回路５又はスムージングコンデンサ６を含み、又は含まない入力インダクタ７（Ｌ_ｓ）を備える。

ドライバ１は、ＡＣ電源３と電圧増倍機４との間の入力コンデンサ８（Ｃ_ｓ）も含み得る。ドライバ１は、電圧増倍機４と複数のＬＥＤ２との間の出力インダクタ９（Ｌ）も含む。入力コンデンサ８及び出力インダクタ９は、バレイフィル回路５及び／又はスムージングコンデンサ６と一緒に、又は一緒ではなく含まれてよい。スムージングコンデンサ６が含まれるところでは、電圧増倍機４と出力インダクタ９との間にそれが配置される。

本願発明は、複数のＬＥＤを備えるＬＥＤ照明を駆動する方法も提供する。方法の実施形態は、上述の説明からすぐにわかる。例えば、複数の図を参照すると、方法の実施形態は、入力電圧を含むＡＣ入力電力を受信する段階と、複数のＬＥＤ２に乗算された出力電圧を供給すべく、入力電圧を乗算する段階と、光束を生成すべく、複数のＬＥＤ２に整流出力電力を供給するためにＡＣ入力電力を整流する段階とを備える。

いくつかの実施形態において、方法は、ヒトの眼によって知覚されない光束の変動に対応する整流出力電力の変動を許可する段階を備える。

より特定の詳細な複数の図を考慮すると、図７は、本願発明によるオフラインパッシブＬＥＤシステムの基本構造を示す。入力コンデンサ８（Ｃ_ｓ）は、電力補正コンデンサとして追加され得る。小さなコンデンサの方式における出力コンデンサ１０（Ｃ_ｏ）は、複数のＬＥＤ２のストリングで開回路障害がある場合、出力インダクタ電流用の連続電流パスを提供するための出力端子と交わって追加され得る。特に、出力コンデンサ１０は、出力インダクタ９と複数のＬＥＤとの間に配置される。上述したように、電圧増倍機は、電圧２倍器であり得、又は、オフラインパッシブＬＥＤシステム用により多くの電力及び光出力が必要な場合、電圧増倍機構想は、電圧３倍器及び電圧４倍器に拡張され得る。

予め説明した様に、複数の並列ＬＥＤストリングの使用は、出力電力を増加させ、それゆえに、複数のＬＥＤ照明システムの光出力を増加させる。複数のパッシブＬＥＤドライバでは、ダイオード整流器の整流出力電圧は、複数のＡＣメインの入力電圧に関連する。そのようなＤＣ電圧は、それぞれのＬＥＤストリングにおいて、複数の直列接続ＬＥＤモジュールの可能な数の限界を決める。例えば、それぞれ、出力ＤＣ電圧が１５０Ｖであり、それぞれの直列接続ＬＥＤモジュールの電圧及び定格電流が１０Ｖ、０．３５Ａである場合、その結果、それぞれのＬＥＤストリングは、１５個の直列接続ＬＥＤモジュールで構成され得、それぞれのストリングの電力は５２．５Ｗである。したがって、パッシブＬＥＤドライバの同一の出力電圧が用いられた場合、１００Ｗ及び１５０Ｗの名目上の電力の複数のＬＥＤシステムのために、２及び３のＬＥＤストリングがそれぞれ必要であろう。図４は、電力出力を拡張するための複数の並列接続ＬＥＤストリングの利用を図示する。

電流不均衡を解消するための最も簡単な方法は、当然、１つのストリングを使用することである。しかしながら、全波ダイオード整流器及び入力インダクタＬ_ｓの使用に基づく複数のパッシブＬＥＤドライバは、図２及び図３に図示された様に、出力電圧に関していくつかの制約がある。したがって、単一のＬＥＤストリングの電力がＬＥＤ照明システムにより要求される電力及び輝度特性を満足しない限り、図２から４の複数のパッシブＬＥＤドライバは、単一のＬＥＤストリングの用途にとって適切でない。

パッシブＬＥＤドライバによって提供された同一のＤＣ電圧出力用の複数の並列接続ストリングを用いる代わりに、本願発明は、（１の単一のＬＥＤストリングを形成するために）複数の直列接続ＬＥＤストリング用の、拡張可能なＤＣ出力電圧を提供するための電圧増倍機を使用する。

図５は、電圧増倍機４として（ドット付のボックスに囲まれた）デロン電圧２倍器の形式のＡＣ−ＤＣ電圧２倍器を使用する固有の例を示す。図５の電圧２倍器の出力電圧は、図４のフルブリッジダイオード整流器の出力電圧の２倍である。結果として、２つのＬＥＤストリングの電力は、直列に接続された２つのＬＥＤストリングを有することによって満足され得、元のストリングの２倍の電力で単一のＬＥＤストリングを効果的に形成する。グラナッシャー電圧２倍器のような電圧２倍器の他の形式も、出力電圧を２倍にするのに使用され得る。図６は、グラナッシャー電圧２倍器を有するドライバを図示する。

上述されたように、本願発明は、単に単一の発光ダイオード（ＬＥＤ）ストリングに電力を供給するための、複数の回路トポロジー及び複数のＬＥＤドライバのオペレーションの方法に関する。複数の高出力ＬＥＤシステムが、複数の並列接続ストリングに配置された複数のＬＥＤを標準的に有する一方で、１つのＬＥＤストリングの使用は複数の並列接続ＬＥＤストリング間に生じる電流不均衡問題を解消し得る。本願発明は、複数の補助電源、複数のアクティブ半導体スイッチ及び制御集積回路を必要としない複数のパッシブＬＥＤドライバが、どのようにして、単一のＬＥＤストリング配置において高電圧要求及び低電流要求に対処するように設計され得るのかを開示する。単一のストリングＬＥＤ配置の使用により、平衡並列ＬＥＤストリング電流の要求が除去され得る。

また、本願発明は、ヒトの眼により知覚されない複数のＬＥＤによって生成された光束の変動に対応する整流出力電力の変動を許可する複数のドライバに関する。これは、ロバストで信頼性のあるかなり長い寿命を有する複数のドライバをもたらす複数のドライバ内の複数の電解コンデンサの限られた寿命を使用する必要性を軽減する。そのような複数のドライバは、屋外照明用途及び道路照明用途において引き起こされるような、厳しい環境に特に適する。

このように、本願発明の特徴の組み合わせは、電流平衡技術及びこれらに関連付けられた電気回路を要求しない長い寿命を有する、ロバストで信頼性のある複数のＬＥＤドライバを提供する。したがって、本願発明は、屋外及び道路照明などの高出力ＬＥＤ照明用途のために特に適しているが、これらに限定されるものではない。

発明が固有の複数の例を参照して開示されたにもかかわらず、発明が多くの他の形式によって具現化され得ることが当業者に明らかであろう。開示された様々な例の特徴が他の組み合わせに組み合され得ることも、当業者に明らかであろう。

Claims (18)

1. 複数のＬＥＤを備えるＬＥＤ照明用のドライバであって、
   前記ドライバは、ＡＣ電源からのＡＣ入力電力を受信し、光束を生成すべく、前記複数のＬＥＤに整流出力電力を供給するための電圧増倍機を含む
   ドライバ。
2. 前記複数のＬＥＤは、直列に接続される
   請求項１に記載のドライバ。
3. 前記電圧増倍機は、電圧２倍器、電圧３倍器、及び電圧４倍器、のうちの１つ又は任意の組み合わせである
   請求項１又は２に記載のドライバ。
4. 前記電圧増倍機は、デロン電圧２倍器及びグラナッシャー電圧２倍器のうちの１つ又は組み合わせである
   請求項１又は２に記載のドライバ。
5. 前記ドライバは、ヒトの眼によって知覚されない前記光束の変動に対応する前記整流出力電力の変動を許可する
   請求項１から４のいずれか一項に記載のドライバ。
6. 前記ＡＣ電源と前記電圧増倍機との間に入力コンデンサを含む
   請求項１から５のいずれか一項に記載のドライバ。
7. 前記電圧増倍機と前記複数のＬＥＤとの間に出力コンデンサを含む
   請求項１から６のいずれか一項に記載のドライバ。
8. 前記ＡＣ電源と前記電圧増倍機との間に入力インダクタを含む
   請求項１から７のいずれか一項に記載のドライバ。
9. 前記電圧増倍機と前記複数のＬＥＤとの間に出力インダクタを含む
   請求項１から８のいずれか一項に記載のドライバ。
10. 前記電圧増倍機と前記複数のＬＥＤとの間にバレイフィル回路を含む
    請求項１から９のいずれか一項に記載のドライバ。
11. 前記電圧増倍機と前記複数のＬＥＤとの間にスムージングコンデンサを含む
    請求項１から１０のいずれか一項に記載のドライバ。
12. 前記複数のＬＥＤは、直列に接続された複数の直列接続ストリングの形式である
    請求項１から１１のいずれか一項に記載のドライバ。
13. 前記複数の直列接続ストリングは、並列に配置される
    請求項１２に記載のドライバ。
14. 複数のＬＥＤを備えるＬＥＤ照明を駆動する方法であって、
    入力電圧を有するＡＣ入力電力を受信する段階と、
    前記入力電圧を乗算し、前記複数のＬＥＤに乗算された出力電圧を供給する段階と、
    光束を生成すべく、整流出力電力を前記複数のＬＥＤに供給するために前記ＡＣ入力電力を整流する段階と
    を備える方法。
15. 前記複数のＬＥＤは、直列に接続される
    請求項１４に記載の方法。
16. 前記入力電圧は、２倍、３倍、又は４倍される
    請求項１４又は１５に記載の方法。
17. 前記入力電圧は、デロン電圧２倍器及びグラナッシャー電圧２倍器のうちの１つ又は組み合わせを用いて乗算される
    請求項１４又は１５に記載の方法。
18. ヒトの眼によって知覚されない前記光束の変動に対応する前記整流出力電力の変動を許可する段階を備える
    請求項１４から１７のいずれか一項に記載の方法。

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