JP2017085865A - 力率補償装置、led照明装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本発明の実施の形態1における電源制御に用いる力率補償装置を説明するための回路ブロック図である。図1において、商用の交流電源20の交流電圧が全波整流回路2で全波整流される。全波整流回路2の出力電圧が入力電圧として力率補償回路1に供給され、力率補償回路1の出力が負荷19に接続される。本発明の実施の形態1に係る力率補償装置は、破線で囲んだ力率補償回路1及び一点鎖線で囲んだ制御回路8をその構成要素として含んでいる。
図11は、本発明の実施の形態2における力率補償装置の構成を示す回路ブロック図である。図1と同一もしくは対応する構成部分には、同一の符号を付す。実施の形態2の力率補償装置の特徴は、動作切替器12において、入力電圧が切替閾値電圧よりも小さいときには、不連続動作器でなく、インダクタンス素子に流れる電流をゼロにするスイッチ停止器21を用いる点である。
図13は、本発明の実施の形態3における力率補償装置の構成を示す回路ブロック図である。実施の形態3の力率補償装置は、実施の形態1の力率補償装置と比べて、力率補償回路1内の出力電圧を分圧する抵抗R4とR5により分圧した電圧を動作切替器12に入力し、動作切替器12では入力された値に応じて臨界動作/不連続動作の切替タイミングを変更する点において異なる。
図16は、この発明の実施の形態4における力率補償装置の構成を示す回路ブロック図である。実施の形態4は、実施の形態1(図1)に示した構成の力率補償回路1を前提として、複数のLED31を直列に接続したLEDモジュール30を負荷としたものである。複数のLED31の接続方法は、単に直列接続した場合に限らず並列接続又は直並列接続としてもよい。また、複数のLED31は有機EL又はレーザーダイオードといった別の光源でもかまわない。
本発明の実施の形態5における力率補償装置を説明する回路ブロック図は、基本的には実施の形態2に係る回路ブロック図である図11と同じである。ただし、実施の形態5に係る動作切替器12の動作は、実施の形態2に係る動作切替器12の動作と異なる。
図19は、抵抗R1,R2で検出される入力電圧の波形を示すグラフである。破線aは理想波形を示し、実線bは実測波形を示す。入力電流を入力電圧の波形と同一にする力率補償制御として、入力電圧ボトム付近では入力電流を小さくするようにスイッチング制御をする必要がある。図19における期間tは、必要とする入力電流が小さい期間であり、この期間tにおいては図11の入力側コンデンサ3に蓄積されているエネルギーで必要電流が供給される。したがって、期間tでは交流電源20から電流を流すことができず、入力電圧が浮上する。つまり、入力電圧ボトムの電圧浮上期間tは交流電源20から入力電流が流れていない状態であるから、力率補償制御の効果が得られていない期間である。この期間tは負荷が軽くなればなるほど長くなる。そこで、実施の形態5では、交流電源20から入力電流が流れ込んでいない期間tにおいて、力率補償のためのスイッチング制御を停止することで、力率を維持しつつ、効率を向上させる。
図20は、実施の形態5に係る力率補償装置を説明するための回路ブロック図である。動作切替器12は、検知部12Aと切替部12Bを備えている。検知部12Aは、全波整流回路2から力率補償回路1への電流の流れがなくなったこと、および全波整流回路2から力率補償回路1への電流が流れ始めたこと、を検知する。切替部12Bは、検知部12Aで全波整流回路2から力率補償回路1への電流の流れがなくなったことを検知したときにはスイッチ停止器21を使用させ、検知部12Aで全波整流回路2から力率補償回路1への電流が流れ始めたことを検知したときは臨界動作器15を使用させる。
図22を参照しつつ説明した制御を実施することでΔ|Vin|senを検出する一定時間間隔で、臨界動作でスイッチングする期間とスイッチ停止期間の切替を行うことができる。そして、交流電源20から力率補償回路1へ入力電流が流れ込んでいない期間tにおいて、スイッチング素子5のスイッチング制御を停止することで、力率を維持しつつ、効率を向上させることが可能となる。
上述のとおり、実施の形態5に係る動作切替器12の検知部12Aは、入力電圧の傾きを検出し、入力電圧の傾きから、全波整流回路2から力率補償回路1への電流の流れがなくなったこと、および全波整流回路2から力率補償回路1への電流が流れ始めたこと、を検知するものである。具体的には、検知部12Aで一定周期で入力電圧の変化分を検知し、その検知結果に基づき切替部12Bがスイッチング動作を切替える。しかしながら、これに限らず、交流電源20から力率補償回路1へ入力電流が流れていないこと、また、流れていることを検出可能な別の構成に変更し動作切替を行っても良い。
実施の形態5の構成によれば、力率補償回路1を制御回路8にて制御する場合、交流入力電圧の下限のタイミング、すなわち全波整流した波形のボトム電圧のタイミングで、出力電圧を分圧した電圧と、目標電圧との誤差を減算器9により演算処理する。そして、減算器9により演算された誤差を用いて、PI演算を実施し、PI演算結果から求めたオン時間信号と、タイマーリセット信号を用いてスイッチ生成器13にてPWM信号を生成する。そして、このような構成において、動作切替器12にて、一定時間間隔における入力電圧の傾きを随時検出し、その傾きに応じてインダクタンス素子4に流れる電流の動作を、入力電圧ピーク付近を含む第1期間では臨界動作で、入力電圧ボトムを含む第2期間ではインダクタンス素子4に流す電流をゼロに制御するように切り替える。具体的には、臨界動作中に、数回連続して一定以上の電圧低下が続き、その後数回連続で一定未満の電圧低下が続いたときにスイッチ停止動作に切り替える。また、スイッチ停止時に、数回連続で電圧変化なし、または数回連続で電圧低下が続いた後、数回連続で電圧上昇したときに臨界動作に切り替える。これにより、入力電圧ボトム付近の入力電源から入力電流が流れない第2期間ではスイッチが停止されるため、力率を悪化させずに、スイッチング損失を低減でき、高効率化が可能となる。
上記した実施形態1〜5では、ボトム検出器11を用いてVinボトムのタイミングでPI演算を行うこととしている。しかしながら、Vinボトム検出タイミングに限らず、一定周期ごと、または、スイッチング周期ごと等、任意のタイミングでPI演算を行っても良い。この場合、PI制御で用いるゲインを小さくすること、または、検出値のマイコン入力の前段に設けるアンチエイリアシングフィルタのカットオフ周波数を下げることでも、入力電圧の全波整流後の周期をほぼ一定のオン時間とすることができるため、上述した出力電圧と出力電流の制御とほぼ同様の力率補償装置を構成することが可能となる。また、臨界動作のゼロ電流検出方法は、実施の形態1の図3を用いて説明した方法に限定されない。なお、実施の形態1〜5の特徴を適宜組み合わせてもよい。
Claims (21)
- 電源主回路と、
制御回路と、を備え、
前記電源主回路は、
交流電源の交流電圧を全波整流する全波整流回路と、
インダクタンス素子と、スイッチング素子を有し、前記全波整流回路によって得られた入力電圧を目標とする出力電圧に変換する力率補償回路と、
前記入力電圧を検出する入力電圧検出回路と、
前記出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、
前記インダクタンス素子に流れる電流がゼロになるタイミングを検出するゼロ電流検出回路と、を有し、
前記制御回路は、前記入力電圧検出回路、前記出力電圧検出回路及び前記ゼロ電流検出回路で検出された検出信号に基づいて前記スイッチング素子をオンオフ制御することにより前記出力電圧を所望の電圧に制御しつつ、前記インダクタンス素子に流れる電流を制御して入力電流を力率補償制御し、
前記制御回路は、前記入力電圧が最大値となるときを含む第1期間では前記インダクタンス素子に流れる電流を臨界動作させ、前記入力電圧が最小値となるときを含む第2期間では前記インダクタンス素子に流れる電流を不連続動作させる、ことを特徴とする力率補償装置。 - 電源主回路と、
制御回路と、を備え、
前記電源主回路は、
交流電源の交流電圧を全波整流する全波整流回路と、
インダクタンス素子と、スイッチング素子を有し、前記全波整流回路によって得られた入力電圧を目標とする出力電圧に変換する力率補償回路と、
前記入力電圧を検出する入力電圧検出回路と、
前記出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、
前記インダクタンス素子に流れる電流がゼロになるタイミングを検出するゼロ電流検出回路と、を有し、
前記制御回路は、前記入力電圧検出回路、前記出力電圧検出回路及び前記ゼロ電流検出回路で検出された検出信号に基づいて前記スイッチング素子をオンオフ制御することにより前記出力電圧を所望の電圧に制御しつつ、前記インダクタンス素子に流れる電流を制御して入力電流を力率補償制御し、
前記制御回路は、前記入力電圧が最大値となるときを含む第1期間では前記インダクタンス素子に流れる電流を臨界動作させ、前記入力電圧が最小値となるときを含む第2期間では前記インダクタンス素子に流れる電流をゼロとする、ことを特徴とする力率補償装置。 - 前記制御回路は、予め定められた切替閾値電圧と前記入力電圧を比較し、前記入力電圧が前記切替閾値電圧より大きい期間を前記第1期間とし、前記入力電圧が前記切替閾値電圧より小さい期間を前記第2期間とすることを特徴とする請求項1又は2に記載の力率補償装置。
- 前記制御回路は、
前記臨界動作を実現する臨界動作器と、
前記不連続動作を実現する不連続動作器と、
前記臨界動作器を用いるか前記不連続動作器を用いるかを切り替える動作切替器と、を備え、
前記動作切替器は、前記入力電圧と予め定められた切替閾値電圧を入力とするコンパレータを有し、
前記入力電圧検出回路は2つ以上の抵抗素子で構成されたことを特徴とする請求項1に記載の力率補償装置。 - 前記制御回路は、
前記臨界動作を実現する臨界動作器と、
前記インダクタンス素子に流れる電流をゼロにするスイッチ停止器と、
前記臨界動作器を用いるか前記スイッチ停止器を用いるかを切り替える動作切替器と、を備え、
前記動作切替器は、前記入力電圧と予め定められた切替閾値電圧を入力とするコンパレータを有し、
前記入力電圧検出回路は2つ以上の抵抗素子で構成されたことを特徴とする請求項2に記載の力率補償装置。 - 前記制御回路は、
前記臨界動作を実現する臨界動作器と、
前記不連続動作を実現する不連続動作器と、
前記臨界動作器を用いるか前記不連続動作器を用いるかを切り替える動作切替器と、を備え、
前記動作切替器は、
前記全波整流回路から前記力率補償回路への電流の流れがなくなったこと、および前記全波整流回路から前記力率補償回路への電流が流れ始めたこと、を検知する検知部と、
前記検知部で前記全波整流回路から前記力率補償回路への電流の流れがなくなったことを検知したときには前記不連続動作器を使用させ、前記検知部で前記全波整流回路から前記力率補償回路への電流が流れ始めたことを検知したときは前記臨界動作器を使用させる切替部と、を備えたことを特徴とする請求項1に記載の力率補償装置。 - 前記制御回路は、
前記臨界動作を実現する臨界動作器と、
前記インダクタンス素子に流れる電流をゼロにするスイッチ停止器と、
前記臨界動作器を用いるか前記スイッチ停止器を用いるかを切り替える動作切替器と、を備え、
前記動作切替器は、
前記全波整流回路から前記力率補償回路への電流の流れがなくなったこと、および前記全波整流回路から前記力率補償回路への電流が流れ始めたこと、を検知する検知部と、
前記検知部で前記全波整流回路から前記力率補償回路への電流の流れがなくなったことを検知したときには前記スイッチ停止器を使用させ、前記検知部で前記全波整流回路から前記力率補償回路への電流が流れ始めたことを検知したときは前記臨界動作器を使用させる切替部と、を備えたことを特徴とする請求項2に記載の力率補償装置。 - 前記検知部は、前記入力電圧の傾きを検出し、前記入力電圧の傾きから、前記全波整流回路から前記力率補償回路への電流の流れがなくなったこと、および前記全波整流回路から前記力率補償回路への電流が流れ始めたこと、を検知することを特徴とする請求項6又は7に記載の力率補償装置。
- 前記検知部は、サインテーブルと前記入力電圧の差が予め定められた値より大きくなったときに前記全波整流回路から前記力率補償回路への電流の流れがなくなったことを検知し、前記サインテーブルと前記入力電圧の差が予め定められた値より小さくなったときに前記全波整流回路から前記力率補償回路への電流が流れ始めたことを検知することを特徴とする請求項6又は7に記載の力率補償装置。
- 前記制御回路は、前記入力電圧に同期してクリアされるタイマーのカウント数に応じて前記第1期間と前記第2期間を切り替えることを特徴とする請求項1又は2に記載の力率補償装置。
- 前記制御回路は、前記出力電圧に基づき前記切替閾値電圧を変化させることを特徴とする請求項3〜5のいずれか1項に記載の力率補償装置。
- 前記制御回路は、前記出力電圧が予め定められた値より大きくなると前記切替閾値電圧を低くすることを特徴とする請求項11に記載の力率補償装置。
- 前記制御回路は、前記出力電圧に基づき前記カウント数を変化させることを特徴とする請求項10に記載の力率補償装置。
- 前記力率補償回路の出力電流を検出する出力電流検出回路を備え、
前記制御回路は、前記出力電流と前記出力電圧を乗算した出力電力に基づき前記切替閾値電圧を変化させることを特徴とする請求項3〜5のいずれか1項に記載の力率補償装置。 - 前記力率補償回路の出力電流を検出する出力電流検出回路を備え、
前記制御回路は、前記出力電流と前記出力電圧を乗算した出力電力に基づき前記カウント数を変化させることを特徴とする請求項10に記載の力率補償装置。 - 前記制御回路は、前記入力電圧の実効値レベルに基づき、前記切替閾値電圧を変化させることを特徴とする請求項3〜5のいずれか1項に記載の力率補償装置。
- 前記制御回路は、前記入力電圧の最小電圧を検出したタイミングで、前記出力電圧と目標とする電圧とから、前記スイッチング素子のオン時間を求め、前記オン時間だけ前記スイッチング素子をオンすることを特徴とする請求項1〜16のいずれか1項に記載の力率補償装置。
- 前記力率補償回路を昇圧コンバータとすることを特徴とする請求項1〜17のいずれか1項に記載の力率補償装置。
- 前記制御回路を1つの制御ICのパッケージに収めたことを特徴とする請求項1〜18のいずれか1項に記載の力率補償装置。
- 前記力率補償回路の後段に接続されたLED電流調整回路と、
前記LED電流調整回路に接続されたLEDと、を備えたことを特徴とする請求項1〜19のいずれか1項に記載の力率補償装置。 - 複数のLEDを接続したLEDモジュールと、
前記LEDモジュールに電流を供給する、請求項1〜19のいずれか1項に記載の力率補償装置と、を備えることを特徴とするLED照明装置。
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