JP2016067120A

JP2016067120A - 電源装置および照明装置

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Publication number: JP2016067120A
Application number: JP2014194517A
Authority: JP
Inventors: 松本　晋一郎; Shinichiro Matsumoto; 晋一郎松本; 宇佐美　朋和; Tomokazu Usami; 朋和宇佐美; 小西　達也; Tatsuya Konishi; 達也小西
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2014-09-24
Filing date: 2014-09-24
Publication date: 2016-04-28
Anticipated expiration: 2034-09-24
Also published as: JP6341378B2

Abstract

【課題】昇圧チョッパ回路の入力電圧が高い、または、負荷が軽い場合の出力電圧の不所望な上昇または変動を抑制できる電源装置およびこれを備えた照明装置を提供する。
【解決手段】昇圧チョッパ回路16は、スイッチング素子Q1、および、スイッチング素子Q1に流れる電流Ｉの増減に応じてスイッチング素子Q1をスイッチングさせるドライバ24を備える。降圧チョッパ回路17は、昇圧チョッパ回路16により昇圧された電圧を降圧して光源12に供給する。マイコン30は、昇圧チョッパ回路16の入力電圧Vinに比例する電圧が予め設定された所定の電圧値以上となったときと、光源12の調光信号が予め設定された所定の調光レベル以下となったときとの少なくともいずれかのときに信号を出力する。負荷調整手段28は、マイコン30が出力する信号に応じて昇圧チョッパ回路16に対して負荷を増加させるように動作する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、スイッチング素子のスイッチングにより直流電源部からの入力の力率を改善する昇圧チョッパ回路を有する電源装置およびこれを備えた照明装置に関する。

従来、半導体スイッチング素子を制御して力率改善する昇圧チョッパ回路では、入力電圧が高いとき、また、負荷が軽いときに、スイッチング素子のオン幅の絞り込み限界によりオン幅が絞り込めず、制御限界により出力電圧が上昇することがある。この点、例えば過電圧検出手段などを用い、過電圧を検出したときにスイッチング素子の発振を停止させて出力電圧の上昇を抑えることが考えられる。しかしながら、このような過電圧検出手段が検出する過電圧は、レギュレーション電圧をおよそ１０％程度増加させた値を閾値として設定されるのが通常であるため、軽負荷時に昇圧チョッパ回路の出力電圧が常時１０％増しで動作する状態は、負荷側回路や、昇圧チョッパ回路の出力電解コンデンサにとっては負荷が大きく、好ましくない。

米国特許第６９４６８１９号公報

本発明が解決しようとする課題は、昇圧チョッパ回路の入力電圧が高い、または、負荷が軽い場合の出力電圧の不所望な上昇または変動を抑制できる電源装置およびこれを備えた照明装置を提供することである。

実施形態の電源装置は、昇圧チョッパ回路と、降圧手段と、信号出力手段と、負荷調整手段とを有する。昇圧チョッパ回路は、スイッチング素子、および、このスイッチング素子に流れる電流の増減に応じてこのスイッチング素子をスイッチングさせる制御手段を備え、スイッチング素子のスイッチングによって外部電源からの入力電圧を昇圧する。降圧手段は、昇圧チョッパ回路により昇圧された電圧を降圧して光源に供給する。信号出力手段は、昇圧チョッパ回路の入力電圧に比例する電圧が予め設定された所定の電圧値以上となったときと、光源の調光信号が予め設定された所定の調光レベル以下となったときとの少なくともいずれかのときに信号を出力する。負荷調整手段は、信号出力手段が出力する信号に応じて昇圧チョッパ回路に対して負荷を増加させるように動作する。

本発明によれば、昇圧チョッパ回路の入力電圧に比例する電圧が予め設定された所定の電圧値以上となったときと、光源の調光信号が予め設定された所定の調光レベル以下となったときとの少なくともいずれかのときには、信号出力手段から出力された信号により負荷調整手段が昇圧チョッパ回路に対して負荷を増加させるように動作するので、ドライバがスイッチング素子の不規則な発振を抑制し、昇圧チョッパ回路の出力電圧の不所望な上昇または変動を抑制することが期待できる。

第１の実施形態の電源装置を示す回路図である。第２の実施形態の電源装置を示す回路図である。

以下、第１の実施形態の構成を、図面を参照して説明する。

図１において、10は照明装置であり、この照明装置10は、電源装置11と負荷としてのＬＥＤなどの発光素子である光源12とを備えている。

すなわち、電源装置11は、光源12を点灯させる点灯装置用のものであり、この電源装置11は、外部電源(交流電源部)である商用交流電源ｅに接続された電源部15と、この電源部15に直流電圧を出力する昇圧チョッパ回路16と、この昇圧チョッパ回路16に電気的に接続されて光源12に電力を供給する降圧手段である降圧チョッパ回路17とを有している。

電源部15は、図示しないノイズフィルタ回路と、このノイズフィルタ回路に接続された整流素子22および整流素子22からの出力を平滑する平滑素子である電解コンデンサなどの昇圧チョッパ回路16の入力コンデンサである平滑コンデンサC1とを備えている。

ノイズフィルタ回路は、例えばヒューズ、コンデンサ、コモンモードチョークおよびコンデンサによって構成された既知のラインフィルタである。

整流素子22は、ノイズフィルタ回路の出力側に接続されたブリッジダイオードなどの全波整流素子である。

昇圧チョッパ回路16は、電源部15からの出力電圧を所望の電圧に変換する電流臨界型の力率改善回路であり、交流正弦波または交流矩形波の交流電力を直流変換する。この昇圧チョッパ回路16は、電源部15に対して、昇圧用のトランス(チョッパチョーク)であるインダクタL1と逆阻止用のダイオードD1との直列回路が接続されているとともに、インダクタL1とダイオードD1のアノードとの接続点に、例えばＰチャネル型のＭＯＳＦＥＴなどの(昇圧チョッピング用)スイッチング素子Q1が接続され、出力側であるダイオードD1のカソード側に電解コンデンサなどの出力コンデンサである平滑コンデンサC2が接続され、かつ、スイッチング素子Q1をスイッチング制御する制御手段としての(昇圧チョッパ用)ドライバ24を備えている。

インダクタL1は、一次巻線L1aが整流素子22の出力側とダイオードD1のアノードとの間に接続されているとともに、二次巻線(補助巻線)L1bがドライバ24と接続されている。

スイッチング素子Q1は、ドレイン端子がインダクタL1(一次巻線L1a)とダイオードD1のアノードとの接続点に接続されているとともに、出力側であるソース端子が電流検出用の抵抗R1を介してグランド電位に接続されている。また、このスイッチング素子Q1の制御端子であるゲート端子は、ドライバ24と接続されている。

ドライバ24は、昇圧チョッパ回路16の入力電圧Vinを検出する入力電圧検出部25、昇圧チョッパ回路16の出力電圧Voutを検出する出力電圧検出部26、スイッチング素子Q1に流れる電流(ソース電流)Ｉを検出する電流検出部27、インダクタL1に流れる電流、および、負荷調整手段28と電気的に接続されている。そして、このドライバ24は、入力電圧検出部25により検出した入力電圧Vin、出力電圧検出部26により検出した出力電圧Vout、および、電流検出部27により検出した電流Ｉに基づいてスイッチング素子Q1を所定のスイッチング周波数でオンオフさせるとともに、そのスイッチング素子Q1のオン幅(デューティ)を制御する(オン時間およびオフ時間を設定する)制御ＩＣであり、少なくともスイッチング素子Q1に流れる電流Ｉが増加(減少)したときにスイッチング素子Q1のオン幅を増加(減少)させるようになっている。すなわち、このドライバ24は、電流Ｉの増減に応じてスイッチング素子Q1をスイッチングさせるようになっている。

入力電圧検出部25は、電源部15(整流素子22)と昇圧チョッパ回路16(平滑コンデンサC1)との間に接続されている。この入力電圧検出部25は、複数の(入力電圧)検出抵抗R2，R3が直列に接続されて構成され、これら検出抵抗R2，R3の分圧によって昇圧チョッパ回路16の入力電圧Vinに対応(比例)する電圧を検出することで、昇圧チョッパ回路16の入力電圧Vin(電源部15の出力電圧)を検出するようになっている。そして、検出抵抗R2，R3の接続点(中点)がドライバ24と接続されている。

出力電圧検出部26は、昇圧チョッパ回路16(平滑コンデンサC2)と降圧チョッパ回路17との間に接続されている。この出力電圧検出部26は、複数の(出力電圧)検出抵抗R4，R5が直列に接続されて構成され、これら検出抵抗R4，R5の分圧によって昇圧チョッパ回路16の出力電圧Voutに対応(比例)する電圧を検出することで、昇圧チョッパ回路16の出力電圧Vout(降圧チョッパ回路17の入力電圧)を検出するようになっている。そして、検出抵抗R4，R5の接続点(中点)がドライバ24と接続されている。

電流検出部27は、抵抗R1に加えて、この抵抗R1とスイッチング素子Q1のソース端子との接続点とドライバ24との間に接続された検出素子である抵抗R6およびこの抵抗R6を接地するコンデンサC3を備えており、スイッチング素子Q1に流れる電流Ｉに比例する電流を電圧として検出するようになっている。

負荷調整手段28は、インピーダンス素子としての抵抗であるダミー抵抗R7と例えばＰチャネル型のＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子Q2との直列回路29と、スイッチング素子Q2をスイッチングする上記ドライバ24とにより構成されている。

直列回路29は、昇圧チョッパ回路16(平滑コンデンサC2)と降圧チョッパ回路17(出力電圧検出部26)との間に接続され、昇圧チョッパ回路16に対して降圧チョッパ回路17と並列、すなわち平滑コンデンサC2の両端間に接続されている。また、この直列回路29のスイッチング素子Q2は、ドレイン端子がダミー抵抗R7と接続され、ソース端子が接地され、かつ、制御端子であるゲート端子がドライバ24と接続されている。そして、このドライバ24には、信号出力手段であるマイコン30が接続されている。

マイコン30は、入力電圧検出部25の検出抵抗R2，R3の接続点(中点)、および、調光信号受信手段35と接続され、かつ、接地されている。

ここで、調光信号受信手段35は、ＰＷＭ信号である調光信号が例えば手動などにより入力される信号源37に接続された整流素子38と、この整流素子38に接続されたフォトカプラ39と、このフォトカプラ39に接続されたプルアップ抵抗R8とを備えている。整流素子38は、ＰＷＭ信号である調光信号を整流してフォトカプラ39に供給する例えばブリッジダイオードなどの全波整流素子である。また、フォトカプラ39は、フォトダイオードPDとフォトトランジスタPTとを備え、整流素子38と接続されたフォトダイオードPDが、この整流素子38により整流された調光信号に対応して点灯される。また、フォトトランジスタPTは、フォトダイオードPDの発光に応じてオンオフが切り換えられるスイッチング素子であり、エミッタ端子が接地され、コレクタ端子がプルアップ抵抗R8を介して所定の電圧源Ｖと接続されているとともにマイコン30と接続されている。したがって、調光信号受信手段35は、調光信号がハイレベルのときにフォトトランジスタPTがオンされてローレベル信号を出力し、調光信号がローレベルのときにフォトトランジスタPTがオフされてハイレベル信号を出力するようになっている。

そして、マイコン30は、調光信号受信手段35により信号源37から受信された調光信号が予め設定された所定の調光レベル以下、すなわち光源12を予め設定された所定の調光深度以上で調光することを指示する調光信号を調光信号受信手段35により受信してその調光信号に対応した信号が調光信号受信手段35(フォトカプラ39)から入力された場合と、入力電圧検出部25により検出した入力電圧Vinが予め設定された所定の電圧以上である場合との少なくともいずれかの場合に、ドライバ24に所定の信号を出力し、このマイコン30が出力した所定の信号に基づき、ドライバ24がスイッチング素子Q2のゲート端子にハイレベル信号を出力してこのスイッチング素子Q2をオンさせるようになっている。

降圧チョッパ回路17は、平滑コンデンサC2の両端に、Ｐチャネル型のＭＯＳＦＥＴなどの(降圧チョッピング用)スイッチング素子Q3とダイオードD2との直列回路が接続されている。さらに、ダイオードD2のカソードにインダクタL2が接続され、ダイオードD2のアノードが接地され、このダイオードD2に並列に光源12が接続されている。そして、スイッチング素子Q3の制御端子であるゲート端子は、このスイッチング素子Q3のオン時間およびオフ時間を設定する降圧制御手段としての制御ＩＣである(降圧チョッパ用)ドライバ41と接続されている。このドライバ41は、スイッチング素子Q3を所定のスイッチング周波数でオンオフさせるとともに、例えば調光信号受信手段35により受信した調光信号に応じてスイッチング素子Q3のオン幅(デューティ)を制御する(オン時間およびオフ時間を設定する)ことで、光源12に所定の定電流が流れるように制御している。

次に、上記第１の実施形態の動作を説明する。

電源装置11を起動すると、商用交流電源ｅが整流素子22で整流され平滑コンデンサC1により平滑されて昇圧チョッパ回路16に入力される。昇圧チョッパ回路16では、ドライバ24によりスイッチング素子Q1がスイッチング動作され、整流素子22および平滑コンデンサC1で整流平滑された電源電圧を所定の電源電圧に昇圧し、平滑コンデンサC2により平滑された電圧を降圧チョッパ回路17に供給する。そして、この降圧チョッパ回路17では、ドライバ41によりスイッチング素子Q3がスイッチング動作されて昇圧チョッパ回路16の出力電圧Voutを所定の電圧に降圧し、光源12に供給することで光源12が点灯する。

ドライバ24では、インダクタL1の二次巻線L1bに誘起された一次巻線L1aの誘起電圧に比例した電圧がインダクタL1に蓄えられた全エネルギーの吐き出しにより降下し始めるタイミングを検出することで、インダクタL1に流れる電流Ｉの臨界点を電流検出部27により検出し、インダクタL1の電流Ｉがゼロになったことを検出すると、スイッチング素子Q1をオン状態にすることにより、昇圧チョッパ回路16の出力電圧Voutが目標値に近づくようにフィードバック制御する。

また、ドライバ41では、例えば調光信号受信手段35により信号源37から受信された調光信号に応じて、スイッチング素子Q3のオン時間およびオフ時間(デューティ)を設定することで、光源12に流れる定電流が目標値に近づくようにフィードバック制御して光源12を調光する。

ここで、電源電圧(入力電圧Vin)が高く、光源12の調光レベルが所定以下(調光深度が所定以上)、あるいは軽負荷の場合、スイッチング素子Q1に流れる電流Ｉが所定値以下に減少する、すなわちスイッチング素子Q1の最小オン幅以下が必要となる制御範囲となることで、ドライバ24によるスイッチング素子Q1のスイッチングが不規則になり、昇圧チョッパ回路16の出力電圧Voutが不所望に上昇または変動する。そこで、本実施形態では、入力電圧検出部25により検出した昇圧チョッパ回路16の入力電圧Vinに比例する電圧が予め設定された所定の電圧以上となる(昇圧チョッパ回路16の入力電圧Vinが予め設定された所定の電圧(例えば２４２Ｖ)以上となる)と、マイコン30からハイレベル信号がスイッチング素子Q2のゲート端子に出力されてこのスイッチング素子Q2がオンし、このスイッチング素子Q2のオンによりダミー抵抗R7による電力損が発生する、すなわち負荷調整手段28が昇圧チョッパ回路16に対する負荷を増加させるように動作するため、ドライバ24がスイッチング素子Q1の不規則な発振を抑制し、より広い電源位相において最小オン幅で規則正しく、または略規則正しくスイッチング制御するため、昇圧チョッパ回路16の出力電圧Voutが不所望に上昇または変動することを抑制できる。

また、光源12の調光レベルが所定以下(調光深度が所定以上)、すなわち光源12を調光するための調光信号が調光レベル以下を指示する信号である場合にも、同様に昇圧チョッパ回路16の出力電圧Voutが不所望に上昇または変動しやすくなるので、この調光信号を調光信号受信手段35により受信した場合にはマイコン30からハイレベル信号がスイッチング素子Q2のゲート端子に出力されてこのスイッチング素子Q2がオンし、このスイッチング素子Q2のオンによりダミー抵抗R7による電力損が発生する、すなわち負荷調整手段28が昇圧チョッパ回路16に対する負荷を増加させるように動作するため、ドライバ24がスイッチング素子Q1の不規則な発振を抑制し、より広い電源位相において最小オン幅で規則正しく、または略規則正しくスイッチング制御するため、昇圧チョッパ回路16の出力電圧Voutが不所望に上昇または変動することを抑制できる。

出力電圧Voutが所定の出力電圧に制御されると、マイコン30からドライバ24に所定の信号を出力し、このマイコン30が出力した所定の信号に基づき、ドライバ24がスイッチング素子Q2のゲート端子にローレベル信号が出力されてスイッチング素子Q2はオフする。

また、負荷調整手段28を、ダミー抵抗R7およびスイッチング素子Q2の直列回路29と、昇圧チョッパ回路16のドライバ24と、このドライバ24がスイッチング素子Q2のオンオフを切り換えるための所定の信号を出力するマイコン30とにより構成したので、負荷調整手段28を容易かつ安価に形成できる。

次に、第２の実施形態を図２を参照して説明する。なお、上記第１の実施形態と同様の構成および作用については、同一符号を付してその説明を省略する。

この第２の実施形態では、上記第１の実施形態の負荷調整手段28に代えて、降圧チョッパ回路17およびマイコン30からなる負荷調整手段43を備えるものである。

ここで、降圧チョッパ回路17のドライバ41は、コンパレータ44およびマイコン30と接続されている。コンパレータ44は、非反転入力端子が基準電圧Vthに接続され、反転入力端子が光源12に流れる電流を電圧として検出するための電流検出用の抵抗R9と光源12との接続点に接続され、出力端子がドライバ41に接続されている。そして、コンパレータ44は、基準電圧Vthと抵抗R9を介して検出した光源12に流れる電流に対応する電圧とを比較した結果をドライバ41に出力し、ドライバ41は、この比較結果に応じてスイッチング素子Q3のオン幅(デューティ)を制御することで、光源12に流れる電流が所定の定電流となるようにする。

そして、マイコン30は、調光信号受信手段35により信号源37から受信された調光信号が予め設定された所定の調光レベル以下、すなわち光源12を予め設定された所定の調光深度で調光することを指示する調光信号を調光信号受信手段35により受信してその調光信号に対応した信号が調光信号受信手段35(フォトカプラ39)から入力された場合と、入力電圧検出部25により検出した入力電圧Vinが予め設定された所定の電圧以上である場合との少なくともいずれかの場合に、ドライバ41に対して例えばハイレベル信号を出力するようになっている。

このため、電源装置11の動作時、電源電圧(入力電圧Vin)が高く、光源12の調光レベルが所定以下(調光深度が所定以上)、あるいは軽負荷の場合、スイッチング素子Q1に流れる電流Ｉが所定値以下に減少する、すなわちスイッチング素子Q1の最小オン幅以下が必要となる制御範囲となることで、ドライバ24によるスイッチング素子Q1のスイッチングが不規則になり、昇圧チョッパ回路16の出力電圧Voutが不所望に上昇または変動し、例えば入力電圧検出部25により検出した昇圧チョッパ回路16の入力電圧Vinに比例する電圧が予め設定された所定の電圧以上となる(昇圧チョッパ回路16の入力電圧Vinが予め設定された所定の電圧(例えば２４２Ｖ)以上となる)と、マイコン30からハイレベル信号が降圧チョッパ回路17のドライバ41に出力されてドライバ41がスイッチング素子Q3のスイッチング周波数を増加させる(例えば５０ｋＨｚから８０ｋＨｚに増加させる)。この結果、降圧チョッパ回路17での電力損が増加する、すなわち負荷調整手段43が昇圧チョッパ回路16に対する負荷を増加させるように動作するため、ドライバ24がスイッチング素子Q1の不規則な発振を抑制し、より広い電源位相において最小オン幅で規則正しく、または略規則正しくスイッチング制御するため、昇圧チョッパ回路16の出力電圧Voutが不所望に上昇または変動することを抑制できる。

また、光源12の調光レベルが所定以下(調光深度が所定以上)、すなわち光源12を調光するための調光信号が調光レベル以下を指示する信号である場合にも、同様に昇圧チョッパ回路16の出力電圧Voutが不所望に上昇または変動しやすくなるため、この調光信号を調光信号受信手段35により受信した場合にはマイコン30からハイレベル信号が降圧チョッパ回路17のドライバ41に出力されてドライバ41がスイッチング素子Q3のスイッチング周波数を増加させる(例えば５０ｋＨｚから８０ｋＨｚに増加させる)。この結果、降圧チョッパ回路17での電力損が増加する、すなわち負荷調整手段43が昇圧チョッパ回路16に対する負荷を増加させるように動作するため、ドライバ24がスイッチング素子Q1の不規則な発振を抑制し、より広い電源位相において最小オン幅で規則正しく、または略規則正しくスイッチング制御するため、昇圧チョッパ回路16の出力電圧Voutが不所望に上昇または変動することを抑制できる。

出力電圧Voutが所定の出力電圧に制御されると、マイコン30からドライバ41に対してローレベル信号が出力され、ドライバ41のスイッチング周波数は元に戻る。

また、負荷調整手段43を、降圧チョッパ回路17と、この降圧チョッパ回路17のスイッチング素子Q3のドライバ41によるスイッチング周波数を変える信号を出力するマイコン30とにより構成したので、必要最小限の電力消費で昇圧チョッパ回路16に対する負荷を増加させることができる。

なお、上記各実施形態において、マイコン30は、入力電圧検出部25により検出した昇圧チョッパ回路16の入力電圧Vinに比例する電圧が予め設定された所定の電圧以上で、かつ、調光信号受信手段35により受信した調光信号が調光レベル以下を指示する信号である場合に、マイコン30からハイレベル信号を負荷調整手段28のスイッチング素子Q2のゲート端子に出力するようにしてもよい。

また、昇圧チョッパ回路16としては、電流臨界型以外でも、電流連続型、あるいは電流不連続型などでもよい。

さらに、電源装置11が、負荷電圧が異なる複数の光源12に対応する場合には、昇圧チョッパ回路16の出力電圧Voutが不所望に上昇または変動することをより効果的に抑制できる。

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、種々の省略、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。

10 照明装置
11 電源装置
12 光源
16 昇圧チョッパ回路
17 降圧手段である降圧チョッパ回路
24 制御手段としてのドライバ
28，43 負荷調整手段
29 直列回路
30 信号出力手段であるマイコン
41 降圧制御手段としてのドライバ
Ｉ電流
Q1，Q2，Q3 スイッチング素子
R7 インピーダンス素子としてのダミー抵抗

Claims

スイッチング素子、および、このスイッチング素子に流れる電流の増減に応じてこのスイッチング素子をスイッチングさせる制御手段を備え、スイッチング素子のスイッチングによって外部電源からの入力電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路と；
この昇圧チョッパ回路により昇圧された電圧を降圧して光源に供給する降圧手段と；
昇圧チョッパ回路の入力電圧に比例する電圧が予め設定された所定の電圧値以上となったときと、光源の調光信号が予め設定された所定の調光レベル以下となったときとの少なくともいずれかのときに信号を出力する信号出力手段と；
この信号出力手段が出力する信号に応じて、昇圧チョッパ回路に対して負荷を増加させるように動作する負荷調整手段と；
を具備していることを特徴とする電源装置。
負荷調整手段は、昇圧チョッパ回路と降圧手段との間に接続されたスイッチング素子とインピーダンス素子との直列回路を備え、信号出力手段が出力する信号に応じて直列回路のスイッチング素子を導通させる
ことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
降圧手段は、スイッチング素子と、このスイッチング素子を所定のスイッチング周波数でスイッチングする降圧制御手段とを備えた降圧チョッパ回路であり、
負荷調整手段は、信号出力手段が出力する信号に応じて降圧チョッパ回路の降圧制御手段によるスイッチング素子のスイッチング周波数を増加させる
ことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
光源と；
この光源に給電する請求項１ないし３いずれか一記載の電源装置と；
を具備していることを特徴とする照明装置。