JP2016167944A - 電源装置及び照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】入力電流波形の歪みを抑え、力率低下を抑制できるとともに、高調波電流を十分に抑制することができるＳＥＰＩＣ型の電源装置及び照明器具を得る。【解決手段】コンバータ３において、インダクタＬ１の一端が平滑コンデンサＣ１の正電位側端子に接続されている。結合コンデンサＣ２の一端がインダクタＬ１の他端に接続されている。スイッチング素子ＳＷがインダクタＬ１の他端と平滑コンデンサＣ１の負電位側端子の間に接続されている。インダクタＬ２の一端が結合コンデンサＣ２の他端に接続され、他端が平滑コンデンサＣ１の負電位側端子に接続されている。ダイオードＤ１のアノードが結合コンデンサＣ２の他端に接続されている。平滑コンデンサＣ１からコンバータ３に電荷を出力する経路においてダイオードＤ２のアノードが平滑コンデンサＣ１の正電位側端子に接続され、カソードがスイッチング素子ＳＷの正電位側端子に接続されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ照明器具に用いられるＳＥＰＩＣ（Single Ended Primary Inductor Converter）型の電源装置及び照明器具に関する。

ＬＥＤ照明器具にＳＥＰＩＣ型の電源装置が用いられている（例えば、特許文献１，２参照）。特に、特許文献１の電源装置では、１つのコンバータで商用電源電圧を整流した電圧をＬＥＤに所定値で供給することができ、さらに照明器具の必須機能である高調波抑制を行うことができる。

特開２０１１−８２２０４号公報 特開２０１３−１６９１１２号公報

特許文献１の電源装置では、ＳＥＰＩＣ型のコンバータの特有な動作として入力電流波形が歪んでしまい、力率が低下する。そして、高調波電流を十分に抑制できているとはいえない。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は入力電流波形の歪みを抑え、力率低下を抑制できるとともに、高調波電流を十分に抑制することができるＳＥＰＩＣ型の電源装置及び照明器具を得るものである。

本発明に係る電源装置は、交流電源から入力した電圧を整流する整流回路と、前記整流回路により整流された電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサにより平滑された電圧を電圧変換するコンバータとを備え、前記コンバータは、前記平滑コンデンサの正電位側端子に一端が接続された第１のインダクタと、一端が前記第１のインダクタの他端に接続された結合コンデンサと、前記第１のインダクタの他端と前記平滑コンデンサの負電位側端子の間に接続されたスイッチング素子と、一端が前記結合コンデンサの他端に接続され、他端が前記平滑コンデンサの前記負電位側端子に接続された第２のインダクタと、アノードが前記結合コンデンサの他端に接続された第１の整流素子と、前記平滑コンデンサから前記コンバータに電荷を出力する経路においてアノードが前記平滑コンデンサの前記正電位側端子に接続されカソードが前記スイッチング素子の正電位側端子に接続されるか、又は／及び、前記平滑コンデンサに前記コンバータから電荷が入力される経路においてアノードが前記スイッチング素子の負電位側端子に接続されカソードが前記平滑コンデンサの前記負電位側端子に接続された第２の整流素子とを有することを特徴とする。

本発明では入力電流が流れる経路に第２のダイオードを追加している。これにより、入力電流を妨げる方向に流れていたオフセット電流を妨げることができる。この結果、入力電流波形の歪みを抑え、力率低下を抑制できるとともに、高調波電流を十分に抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る電源装置を示す図である。 比較例に係る電源装置の動作を説明する図である。 スイッチング電流波形を示すタイミングチャートである。 比較例に係る電源装置でオフセット電流の流れる経路を示す図である。 オフセット電流を考慮した場合のスイッチング電流波形を示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態１に係る電源装置の変形例を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る電源装置を示す図である。

本発明の実施の形態に係る電源装置及びその電源装置を備えた照明器具について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電源装置を示す図である。整流回路１はダイオードブリッジであり、交流商用電源２から入力した交流電圧を脈流整流する。整流後の電圧をＶｉｎ、電流をＩｉｎとし、電圧Ｖｉｎの基準となる負側の電位を回路ＧＮＤと定義する。平滑コンデンサＣ１は、その正電位側端子が整流回路１の高電位側端子に接続され、負電位側端子が整流回路１の低電位側端子に接続され、この整流回路１により整流された電圧を平滑する。ＳＥＰＩＣ型のコンバータ３は平滑コンデンサＣ１により平滑された電圧を電圧変換する。

コンバータ３において、インダクタＬ１の一端が平滑コンデンサＣ１の正電位側端子に接続され、他端がダイオードＤ２のアノードに接続されている。ダイオードＤ２のカソードは結合コンデンサＣ２の一端に接続されている。スイッチング素子ＳＷのドレインはダイオードＤ２のカソードと結合コンデンサＣ２の一端の接続点に接続され、ソースは平滑コンデンサＣ１の負電位側端子に接続され、ゲートが制御回路４に接続されている。

インダクタＬ２の一端は結合コンデンサＣ２の他端に接続され、インダクタＬ２の他端が平滑コンデンサＣ１の負電位側端子に接続されている。ダイオードＤ１のアノードが結合コンデンサＣ２の他端に接続されている。平滑コンデンサＣ１、スイッチング素子ＳＷ、インダクタＬ２のそれぞれの負電位側端子は回路ＧＮＤに接続されている。平滑コンデンサＣ１からコンバータ３に電流を出力する経路においては、ダイオードＤ２のアノードがインダクタＬ１を介して平滑コンデンサＣ１の正電側端子に接続され、カソードがスイッチング素子ＳＷの正電位側端子に接続されている。インダクタＬ２の一端は結合コンデンサＣ２の他端とダイオードＤ１のアノードとの接続点に接続されている。

ダイオードＤ１のカソードには、負荷である発光素子ＬＥＤのアノードが接続されている。平滑コンデンサＣ３がＬＥＤと並列に接続されている。この平滑コンデンサＣ３の負電位側端子とＬＥＤのカソードは回路ＧＮＤに接続されている。ＬＥＤの出力電流Ｉ１を検出するためにＬＥＤに直列に抵抗Ｒ１が接続されている。

インダクタＬ１は二次巻線を有し、この二次巻線の一端が制御回路４に接続され、他端が回路ＧＮＤに接続されている。スイッチング素子ＳＷは制御回路４からの制御信号により、数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚの周波数でオン／オフを行う。制御回路４は出力電流Ｉ１を監視し、その結果からスイッチング素子ＳＷのオンの期間を決定する。また、制御回路４は、インダクタＬ１の２次巻線に流れる電流を監視し、ある閾値を下回るタイミングで、スイッチング素子ＳＷをオフからオンへと切り替えを行う臨界モードで動作させる。本実施の形態では臨界モードでの動作について説明する。

続いて、本実施の形態の動作と効果を比較例と比較して説明する。図２は比較例に係る電源装置の動作を説明する図である。比較例には実施の形態１で設けたダイオードＤ２が存在しない。その他の回路構成は実施の形態１と同じである。図中の実線はスイッチング素子ＳＷがオンの時の電流径路を示し、破線はスイッチング素子ＳＷがオフの時の電流経路を示す。図中のＩＬ１はインダクタＬ１に流れる電流、ＩＬ２はインダクタＬ２に流れる電流を示す。

図３はスイッチング電流波形を示すタイミングチャートである。Ｑ１は平滑コンデンサＣ１の電荷量である。図３に示すＩＬ１，ＩＬ２は図２に示すＩＬ１，ＩＬ２と対応している。時刻ｔ０から時刻ｔ１の間、スイッチング素子ＳＷはオンしている。この期間、平滑コンデンサＣ１に蓄えられていた電荷の放電により、インダクタＬ１に流れる電流ＩＬ１は時間経過に伴い増加する。また、時刻ｔ０以前に結合コンデンサＣ２に蓄えられていた電荷の放電により、インダクタＬ２に流れる電流ＩＬ２も時間経過に伴い増加する。スイッチング素子ＳＷがオンしている時は、インダクタＬ１に流れる電流ＩＬ１の向きとインダクタＬ２に流れる電流ＩＬ２の向きは図２に示すように逆向きとなる。

制御回路４は、ＬＥＤの負側と直列に接続された抵抗Ｒ１に流れる電流により発生する電圧を検出し、その検出電圧によってスイッチング素子ＳＷがオンする期間を決定する。これにより、制御回路４は時刻ｔ１においてスイッチング素子ＳＷをオンからオフへ切り替える。

時刻ｔ１から時刻ｔ２の間、スイッチング素子ＳＷはオフしている。この期間、インダクタＬ１は蓄えられていたエネルギーを結合コンデンサＣ２とダイオードＤ１を介して平滑コンデンサＣ３に放出し、インダクタンス電流ＩＬ１は時間経過に伴って減少する。また、インダクタＬ２も蓄えられていたエネルギーをダイオードＤ１を介して平滑コンデンサＣ３に放出するため、インダクタンス電流ＩＬ２も時間経過に伴って減少する。

時刻ｔ２において、インダクタＬ１の２次巻線に発生する電圧を制御回路４が検出し、制御回路４はその電圧がある閾値を下回った際に、スイッチング素子ＳＷをオフからオンへ切り替える。

時刻ｔ２以降は、時刻ｔ０から時刻ｔ２までの動作を繰り返すことにより、ＬＥＤに電力を供給する。なお、ＬＥＤに並列に接続された平滑コンデンサＣ３によりコンバータ３の出力電流Ｉ１は平滑される。以上が、臨界モードでの基本的な動作となる。

ここから、平滑コンデンサＣ１の充放電に着目すると、スイッチング素子ＳＷがオンし、結合コンデンサＣ２からインダクタＬ２に放電する電荷量と、スイッチング素子ＳＷがオフしてインダクタＬ１から平滑コンデンサＣ１に充電する電荷量が等しくなければ、結合コンデンサＣ２の電圧は整流後の電圧Ｖｉｎを維持できない。

スイッチング素子ＳＷがオンした時の結合コンデンサＣ２の電荷量Ｑ２、スイッチング素子ＳＷがオフした時の平滑コンデンサＣ１の電荷量Ｑ１はそれぞれ以下の数式１，２で表せる。ｔｏｎはスイッチング素子ＳＷのオン時間、ｔｏｆｆはオフ時間である。
Ｑ２＝１／２＊Ｖｉｎ／Ｌ２＊ｔｏｎ＊ｔｏｎ・・・数式１
Ｑ１＝１／２＊Ｖｉｎ／Ｌ１＊ｔｏｎ＊ｔｏｆｆ・・・数式２

ここで電荷量Ｑ１，Ｑ２が等しくなければいけないので、インダクタＬ１とインダクタＬ２のインダクタンス値が同じ場合、Ｑ１＝Ｑ２、即ちＴｏｎ＝Ｔｏｆｆであり、オンデューティーが５０％でなければならないことになる。

臨界モードやオンデューティー可変での出力制御の場合、上記の数式を満たすのは難しい。そのため、実際にはインダクタＬ１とインダクタＬ２との間で、次式で表されるオフセット電流ＩＬ１ｏ，ＩＬ２ｏのやり取りをすることで、安定して動作する。図４は、比較例に係る電源装置でオフセット電流ＩＬ１ｏ，ＩＬ２ｏの流れる経路を示す図である。

オフセット電流により発生する電荷も考慮すると、スイッチング素子ＳＷがオンした時の結合コンデンサＣ２の電荷量Ｑ２、スイッチング素子ＳＷがオンした時のコンデンサＣ１の電荷量Ｑ１はそれぞれ以下の数式３，４で表せる。
Ｑ２＝（ＩＬ２ｏ＋１／２＊Ｖｉｎ／Ｌ２＊ｔｏｎ）＊ｔｏｎ・・・数式３
Ｑ１＝（ＩＬ１ｏ＋１／２＊Ｖｉｎ／Ｌ１＊ｔｏｎ）＊ｔｏｆｆ・・・数式４

これより以下の数式５が得られる。
Ｑ＝（ＩＬ１ｏ＋１／２＊Ｖｉｎ／Ｌ１＊ｔｏｎ）＊ｔｏｆｆ＝（ＩＬ２ｏ＋１／２＊Ｖｉｎ／Ｌ２＊ｔｏｎ）＊ｔｏｎ・・・数式５

ここで、オフセット電流は以下の数式６を満たす。
ＩＬ１ｏ＋ＩＬ２ｏ＝０・・・数式６
従って、Ｔｏｎ≠Ｔｏｆｆの場合でも数式５を満たすことができる。インダクタＬ１からインダクタＬ２に向かって流れるオフセット電流をＩＬ１ｏ、逆向きのオフセット電流をＩＬ２ｏとすると、以下の数式７を満たす場合、オフセット電流ＩＬ２ｏは通常電流（入力電流）の流れる経路とは逆に流れる。
ＩＬ１ｏ＜ＩＬ２ｏ・・・数式７

この逆向きに流れる電流、即ちインダクタＬ２から平滑コンデンサＣ１に向かって流れるオフセット電流ＩＬ２ｏが平滑コンデンサＣ１に充電されると、入力電圧に対して入力電流が妨げられてしまうため、入力電流波形が歪んでしまい、力率が低下する。

図５はオフセット電流を考慮した場合のスイッチング電流波形を示すタイミングチャートである。数式７の条件の場合、インダクタＬ１に流れる電流ＩＬ１のスイッチング電流波形は、オフセット電流分ＩＬ１ｏ（−ＩＬ２ｏ）沈んでしまい、インダクタＬ２に流れる電流ＩＬ２のスイッチング電流波形はオフセット電流分ＩＬ１ｏ（−ＩＬ２ｏ）浮いてしまう。

この問題を解決するため、本実施の形態ではコンバータ３への入力電流が流れる経路、即ち平滑コンデンサＣ１からコンバータ３に電荷を出力する経路において、ダイオードＤ２のアノードをインダクタＬ１の他端と接続しカソードをスイッチング素子の正電位側端子と接続するように構成している。これにより、ダイオードＤ２は、インダクタＬ２から平滑コンデンサＣ１に向かって入力電流を妨げる方向に流れていたオフセット電流ＩＬ２ｏを抑制することができる。この結果、入力電流波形の歪みを抑え、力率低下を抑制できるとともに、高調波電流を十分に抑制することができる。

図６は、本発明の実施の形態１に係る電源装置の変形例を示す図である。図１とはダイオードＤ２の接続位置が異なる。即ち、平滑コンデンサＣ１からコンバータ３に電流を出力する経路において、ダイオードＤ２のアノードが平滑コンデンサＣ１の正電側端子に接続され、カソードがインダクタＬ１の一端に接続されている。この場合でも上記の実施の形態１の効果を得ることができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、オフセット電流ＩＬ２ｏの流れを防ぐダイオードＤ２を、入力電流が流れる経路で、かつ平滑コンデンサＣ１の正電位側端子とスイッチング素子ＳＷの正電位側端子の間に配置した場合について説明したが、実施の形態２のようにＬＥＤの出力電流が流れる経路に配置してもよい。以下、具体的に説明する。

図７は、本発明の実施の形態２に係る電源装置を示す図である。本実施の形態では、ＬＥＤの出力電流が流れる経路側にダイオードＤ２が接続されている。具体的には、平滑コンデンサＣ１にコンバータ３から電荷が入力される経路においてダイオードＤ２のアノードがスイッチング素子ＳＷの負電位側端子に接続され、カソードが平滑コンデンサＣ１の負電位側端子に接続されている。このようにオフセット電流ＩＬ２ｏの流れる経路内においてオフセット電流ＩＬ２ｏを妨げる向きにダイオードＤ２を設ければ、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

なお、実施の形態１，２では、オフセット電流ＩＬ２ｏを防げる向きにダイオードＤ２を１つ配置して構成する場合について説明したが、ダイオードＤ２の個数は限定しない。例えば、入力電流が流れる経路内にダイオードＤ２を配置する実施の形態１と、出力電流が流れる経路内にダイオードＤ２を配置する実施の形態２とを組み合わせて構成してもよく、この場合も同様の効果を得ることができる。

また、実施の形態１，２では、インダクタＬ２から平滑コンデンサＣ１に向かって流れるオフセット電流ＩＬ２ｏの流れをダイオードＤ２により抑制する場合について説明したが、図２で説明したようにスイッチング素子ＳＷ→インダクタＬ２→結合コンデンサＣ２へと流れる電流径路ＩＬ２では電流径路ＩＬ１とは電流の流れる向きが逆向きとなるため、この電流径路ＩＬ２内に同様にダイオードＤ２を配置しても効果が得られないことは言うまでもない。

１ 整流回路、２ 交流電源、３ コンバータ、Ｃ１ 平滑コンデンサ、Ｃ２ 結合コンデンサ、Ｄ１，Ｄ２ ダイオード、Ｌ１ インダクタ、Ｌ２ インダクタ、ＳＷ スイッチング素子

Claims (5)

1. 交流電源から入力した電圧を整流する整流回路と、
   前記整流回路により整流された電圧を平滑する平滑コンデンサと、
   前記平滑コンデンサにより平滑された電圧を電圧変換するコンバータとを備え、
   前記コンバータは、
   前記平滑コンデンサの正電位側端子に一端が接続された第１のインダクタと、
   一端が前記第１のインダクタの他端に接続された結合コンデンサと、
   前記第１のインダクタの他端と前記平滑コンデンサの負電位側端子の間に接続されたスイッチング素子と、
   一端が前記結合コンデンサの他端に接続され、他端が前記平滑コンデンサの前記負電位側端子に接続された第２のインダクタと、
   アノードが前記結合コンデンサの他端に接続された第１の整流素子と、
   前記平滑コンデンサから前記コンバータに電荷を出力する経路においてアノードが前記平滑コンデンサの前記正電位側端子に接続されカソードが前記スイッチング素子の正電位側端子に接続されるか、又は／及び、前記平滑コンデンサに前記コンバータから電荷が入力される経路においてアノードが前記スイッチング素子の負電位側端子に接続されカソードが前記平滑コンデンサの前記負電位側端子に接続された第２の整流素子とを有することを特徴とする電源装置。
2. 前記第２の整流素子のアノードは前記第１のインダクタの他端に接続され、前記第２の整流素子のカソードは前記スイッチング素子の前記正電位側端子に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記第２の整流素子のアノードは前記平滑コンデンサの前記正電位側端子に接続され、前記第２の整流素子のカソードは前記第１のインダクタの一端に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
4. 前記第２の整流素子は、前記第２のインダクタから前記平滑コンデンサに向かって流れるオフセット電流の流れを抑制することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電源装置。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の電源装置を備えた照明器具。

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