JP2018121519A - 照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｈブリッジ回路においてハイサイドのスイッチング素子を駆動する駆動回路の電源が不足することを抑制することのできる点灯装置および照明器具を提供する。
【解決手段】点灯装置１０は、Ｈブリッジ回路１２を備える。Ｈブリッジ回路１２は、整流回路ＤＢ１の出力端子に接続する第１端子を持つスイッチング素子Ｑ１と、スイッチング素子Ｑ１の第２端子に一端が接続するインダクタＬ１と、インダクタＬ１の他端に接続する第１端子および接地される第２端子を有するスイッチング素子Ｑ２と、を備える。点灯装置１０は、スイッチング素子Ｑ１を駆動する駆動回路２２と、一端がスイッチング素子Ｑ１の第２端子と接続し他端が駆動回路２２に接続したコンデンサＣ３と、コンデンサＣ３の一端に制御電源電圧を与える制御電源２３と、接地電位とスイッチング素子Ｑ１の第１端子との間の電気的接続を、接続状態と遮断状態に切替可能なスイッチ回路２０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明器具に関する。

従来、例えば、特開２０１１−６７０１１号公報に開示されているように、複数のスイッチング素子それぞれに対してオン維持、オフ維持、或いはオンオフ制御を行わせることにより昇圧モード（昇圧チョッパ）と降圧モード（降圧チョッパ）を使い分けることができる点灯装置が知られている。

特開２０１１−６７０１１号公報

本願発明者は、従来知られているコンバータ回路の一つであるＨブリッジ回路を点灯装置に応用する技術開発を行ってきた。典型的なＨブリッジ回路ではハイサイドとローサイドにそれぞれスイッチング素子が設けられており、これらのスイッチング素子をそれぞれ制御することで、昇圧、降圧、および昇降圧の３モードを使い分けることができる。ハイサイドのスイッチング素子を駆動する駆動回路に電源を供給する必要があり、そのために電源用コンデンサを設けることが考えられる。この電源用コンデンサは、ハイサイドスイッチング素子の低電圧側端子（例えばソース）に一端が接続し、他端が制御電源に接続される。ローサイドのスイッチング素子がオンとなる期間はこのコンデンサを充電することができる。しかし、ローサイドのスイッチング素子がオフに維持される動作モードの場合、あるいは軽負荷時にローサイドのスイッチング素子のオン期間が非常に短くなる場合にはこのコンデンサの電荷が不足してしまい、駆動回路の電源が不足するという問題があった。

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、Ｈブリッジ回路においてハイサイドのスイッチング素子を駆動する駆動回路の電源が不足することを抑制することのできる照明器具を提供することを目的とする。

本発明にかかる照明器具は、第一端子を備えた第一スイッチング素子と、前記第一スイッチング素子の第二端子に一端が接続するインダクタと、前記インダクタの他端に接続する第三端子および抵抗を介して接地される第四端子を有する第二スイッチング素子と、を備え、前記第一スイッチング素子の前記第一端子に入力される電圧を変換して出力するＨブリッジ回路と、前記第一スイッチング素子を駆動する第一駆動回路と、一端が前記第一スイッチング素子の前記第二端子と接続し他端が前記第一駆動回路に接続したコンデンサと、前記コンデンサの前記他端に制御電源電圧を与える制御電源と、接地電位と前記第一スイッチング素子の前記第一端子との間の電気的接続を、接続状態と遮断状態に切替可能なスイッチ回路と、を備える。

本発明によれば、スイッチ回路を設けたので、第二スイッチング素子をオンにしなくとも第一駆動回路の電源用に充電されるべきコンデンサの充電経路を作り出すことができ、第二スイッチング素子をオフに維持する降圧モードにおいても駆動回路の電源が確保できる。

実施の形態１にかかる点灯装置および照明器具を示す回路図である。 実施の形態１にかかる点灯装置の部分的な回路図である。 実施の形態１にかかる点灯装置および照明器具の動作説明用の波形図である。 実施の形態２にかかる点灯装置および照明器具を示す回路図である。 実施の形態２にかかる点灯装置および照明器具の動作説明用の波形図である。 実施の形態２にかかる点灯装置および照明器具の動作説明用の波形図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる点灯装置１０および照明器具１を示す回路図である。図１において商用交流電源ＡＣおよびＬＥＤモジュール３０以外は、点灯装置１０の構成要素である。照明器具１は、ＬＥＤモジュール３０と、ＬＥＤモジュール３０に電力を供給する点灯装置１０とを備える。ＬＥＤモジュール３０は、複数のＬＥＤ素子が直列に接続されたものである。なお、実施の形態においては複数のＬＥＤ素子の接続は直列に限らず、並列、あるいは直列と並列を組み合わせたものであってもよく、ＬＥＤ素子に替えて有機ＥＬ素子を用いてもよい。点灯装置１０は、商用交流電源ＡＣより電力の供給を受けてＬＥＤモジュール３０を点灯させる装置である。点灯装置１０は、商用交流電源ＡＣから電力を受けて全波整流する整流回路ＤＢ１と、整流回路ＤＢ１の出力した脈流電圧を受けるＨブリッジ回路１２と、制御電源２３と、制御回路２４と、駆動回路２２、２５とを備えている。本実施の形態にかかる整流回路ＤＢ１は典型的な全波整流回路としてのダイオードブリッジ回路を用いている。商用交流電源ＡＣと整流回路ＤＢ１との間には、スイッチ（図示せず）が介在している。

Ｈブリッジ回路１２は、ハイサイドのスイッチング素子Ｑ１と、ダイオードＤ１と、インダクタＬ１と、ダイオードＤ２と、ローサイドのスイッチング素子Ｑ２を備えている。スイッチング素子Ｑ１の第１端子（例えばドレイン）は、整流回路ＤＢ１の一方の高電圧側出力端子に接続している。スイッチング素子Ｑ１の第２端子（例えばソース）は、ダイオードＤ１のカソードと接続している。ダイオードＤ１のアノードは整流回路ＤＢ１の他方の低電圧側出力端子に接続しており、この低電圧側出力端子は接地されている。Ｈブリッジ回路１２の出力側には、平滑コンデンサＣ２が設けられている。インダクタＬ１の一端は、スイッチング素子Ｑ１の第２端子（例えばソース）とダイオードＤ１のカソードとの間の接続点に接続している。インダクタＬ１の他端は、ダイオードＤ２のアノードとスイッチング素子Ｑ２の第１端子（例えばドレイン）との間の接続点に接続している。スイッチング素子Ｑ２の第２端子（例えばソース）は、抵抗Ｒ３の一端に接続しており、抵抗Ｒ３の他端は接地されている。ダイオードＤ２のカソードは、平滑コンデンサＣ２の一端に接続している。平滑コンデンサＣ２の他端は抵抗Ｒ３を介して接地されている。平滑コンデンサＣ２に対して並列に、ＬＥＤモジュール３０が接続されている。

Ｈブリッジ回路１２は、降圧コンバータ（降圧チョッパ）として作動する降圧モード、昇圧コンバータ（昇圧チョッパ）として作動する昇圧モード、および降圧と昇圧のいずれにも対応可能な昇降圧モードという３つのモードで駆動することができる。降圧モードは、スイッチング素子Ｑ１をオンオフし、かつスイッチング素子Ｑ２をオフに維持することで実現される。昇圧モードは、スイッチング素子Ｑ１をオンに維持し、かつスイッチング素子Ｑ２をオンオフすることで実現される。昇降圧モードは、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の両方をオンオフさせることで実現される。制御回路２４は、スイッチング素子Ｑ１およびスイッチング素子Ｑ２をそれぞれ制御する制御信号を駆動回路２２、２５に入力する。駆動回路２２、２５は、制御回路２４からのスイッチング信号に基づいてスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２それぞれの制御端子（例えばゲート）に制御信号を供給することで、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を駆動する。これにより制御回路２４からのスイッチング信号に基づいてＨブリッジ回路１２が駆動され、交流電源電圧から直流電流を生成してＬＥＤモジュール３０に供給している。制御電源２３はダイオードＤ３のアノードと接続し、ダイオードＤ３のカソードは駆動回路２２の電源端子とコンデンサＣ３の一方の端子との接続点に接続している。制御電源２３は、例えば１５Ｖ〜２０Ｖ程度の大きさの制御電源電圧を生成する回路である。コンデンサＣ３は、一端がスイッチング素子Ｑ１の第２端子（図１ではソース）と接続し他端が駆動回路２２に接続している。

点灯装置１０は抵抗Ｒ１、Ｒ２を直列接続した第１分圧回路を備えており、この第１分圧回路は平滑コンデンサＣ１と並列接続されている。点灯装置１０は抵抗Ｒ５、Ｒ６を直列接続した第２分圧回路も備えており、この第２分圧回路は平滑コンデンサＣ２と並列接続されている。これら第１、２分圧回路で分圧された電圧がそれぞれ制御回路２４に供給されることで、制御回路２４はＨブリッジ回路１２の入力電圧および出力電圧をそれぞれ検知することができる。点灯装置１０はＬＥＤモジュール３０と直列接続する抵抗Ｒ８を備えており、この抵抗Ｒ８はＬＥＤ電流検出抵抗である。

点灯装置１０は、接地電位とスイッチング素子Ｑ１の第１端子との間の電気的接続を接続状態と遮断状態に切替可能なスイッチ回路２０を備えている。スイッチ回路２０は、電圧検出回路２１と、抵抗Ｒ７およびスイッチング素子Ｑ３の直列回路とを備えている。電圧検出回路２１は、商用交流電源ＡＣと接続する入力端子に並列接続して、入力交流電圧を検出可能である。電圧検出回路２１は、スイッチング素子Ｑ３の制御端子（例えばゲート）および制御回路２４と接続している。抵抗Ｒ７の一端は、Ｈブリッジ回路１２におけるスイッチング素子Ｑ１の第１端子と平滑コンデンサＣ１の一方の端子（つまり正極端子）との接続点に接続している。抵抗Ｒ７の他端はスイッチング素子Ｑ３の第１端子（例えばドレイン）と接続しており、スイッチング素子Ｑ３の第２端子（例えばソース）は接地されている。

図２は、実施の形態１にかかる点灯装置１０の部分的な回路図である。スイッチ回路２０が接地電位とスイッチング素子Ｑ１の第１端子との間の電気的接続を接続状態としたとき、すなわちスイッチング素子Ｑ３がオンであるときの回路図である。スイッチング素子Ｑ１は寄生ダイオードＤｐｓを有している。スイッチング素子Ｑ３をオンとすることで、図２の破線「充電経路」に示すように、制御電源２３、ダイオードＤ３、コンデンサＣ３、寄生ダイオードＤｐｓ、抵抗Ｒ７、およびオン状態のスイッチング素子Ｑ３を経由して接地に至る電気的経路が形成される。起動時には駆動回路２２の電源用として設けられたコンデンサＣ３が充電されていない。よって降圧モード起動時にスイッチング素子Ｑ１の初回のオンを行うためには、まずコンデンサＣ３を充電する必要がある。このコンデンサＣ３はスイッチング素子Ｑ２をオンとすることで充電できるものの、降圧モードはスイッチング素子Ｑ２をオフに維持するモードなのでその充電方法は利用できない。この点、実施の形態１によれば駆動回路２２の電源用に充電されるべきコンデンサＣ３の充電経路を作り出すことができるので、スイッチング素子Ｑ２をオンにしない降圧モード起動時においてもこの充電経路を介して制御電源電圧ＶｃｃによりコンデンサＣ３を充電することができる。

図３は、実施の形態１にかかる点灯装置１０および照明器具１の動作説明用の波形図である。図３（ａ）は整流回路ＤＢ１で全波整流され平滑コンデンサＣ１に入力される入力電圧波形であり、点線でその整流前における商用交流電源ＡＣからの入力交流電圧波形も示している。スイッチ回路２０は、図３（ａ）に示す全波整流入力電圧が制御電源電圧Ｖｃｃ以下であるとき接続状態を維持し、その全波整流電圧が制御電源電圧Ｖｃｃを上回るときは遮断状態を維持する。全波整流電圧がＶｃｃ以下である期間を、以下、期間Ｔｃとも称す。この期間Ｔｃに限り図３（ｂ）に示すようにスイッチング素子Ｑ３をオンとする。ここで、平滑コンデンサＣ１による平滑化が行われるので整流回路ＤＢ１の出力側においては全波整流電圧がＶｃｃ以下である期間を検出することができない。そこで、実施の形態１では整流回路ＤＢ１の入力側に電圧検出回路２１を設けて、入力交流電圧（つまり整流前の電圧）の値が＋Ｖｃｃ以下かつ−Ｖｃｃ以上の範囲内にあるか否かを検知する。これにより、全波整流電圧が制御電源電圧Ｖｃｃ以下となっている期間を正確に検知することができる。

図３（ｃ）は、図１、２の回路図において符号Ｐが示す位置の電圧波形、すなわち全波整流電圧が平滑コンデンサＣ１で平滑された後の電圧波形を示す。図３（ｄ）は、図３（ｃ）のうち期間Ｔｃ付近の拡大図である。図３（ｃ）に示すように位置Ｐに表れる平滑後の入力電圧はＶｃｃより高くなるのが普通であり、このような状態のままでは位置Ｐのほうが制御電源２３側より高電位となるのでコンデンサＣ３を充電できない。この点、本実施の形態では、全波整流電圧の絶対値がＶｃｃを下回る期間Ｔｃにおいて、スイッチング素子Ｑ３がオンとされる。オンとされたスイッチング素子Ｑ３が接地電位と位置Ｐを接続すると、平滑コンデンサＣ１からすばやく電荷が引き抜かれ、位置Ｐには図３（ａ）の期間Ｔｃ部分の波形が表れる。なお、平滑コンデンサＣ１は、０．１μＦ〜０．２μＦ程度の小容量のコンデンサであるのが典型的である。その結果、図３（ｂ）に示すように期間Ｔｃにおいては位置Ｐの電圧がＶｃｃを下回るので、制御電源２３側が位置Ｐよりも高電位となる。その結果、図２に示す充電経路を介して制御電源２３によりＣ３を充電することができる。なお、図３では図示を省略しているが、降圧モードの起動時に期間Ｔｃを迎えるたびにスイッチング素子Ｑ３をオンとするように、電圧検出回路２１で検知した電圧とＶｃｃとの間の大小関係に応じてスイッチング素子Ｑ３のオンオフ動作を繰り返すことにより、コンデンサＣ３の充電を複数回行うことが好ましい。これによりコンデンサＣ３を確実に充電することができる。充電電圧がスイッチング素子Ｑ１をオンできる値になったら駆動回路２２はスイッチング素子Ｑ１の初回のオン動作を行い、その後は制御回路２４の制御信号に基づいてオンオフを行う。

なお、点灯装置１０において昇圧モードあるいは昇降圧モードでの動作を行う場合には起動時においてもスイッチング素子Ｑ２のオン期間にコンデンサＣ３を充電できるので、昇圧モードあるいは昇降圧モードではスイッチ回路２０を常に遮断状態としてもよい。

実施の形態２．
図４は、実施の形態２にかかる点灯装置１１０および照明器具１０１を示す図である。照明器具１０１は、点灯装置１０を点灯装置１１０に置換した点を除き、照明器具１と同じである。点灯装置１１０は、点灯装置１０からスイッチ回路２０におけるスイッチング素子Ｑ３を取り除いた点、および後述するように制御回路２４が行う制御動作が異なる点を除いては、点灯装置１０と同じである。

図５および図６は、実施の形態２にかかる点灯装置１１０および照明器具１０１の動作説明用の模式的な波形図である。実施の形態２にかかる点灯装置１１０は、昇圧モードでＨブリッジ回路１２を動作させる。昇圧モードは、図５に示すように、スイッチング素子Ｑ１をオンに維持し、かつスイッチング素子Ｑ２をオンオフすることで実現される。昇圧モードにおいてはスイッチング素子Ｑ２をオンとする期間に駆動回路２２の電源としてのコンデンサＣ３の充電を行うことができる。スイッチング素子Ｑ２のスイッチング信号の内容は、負荷（すなわちＬＥＤモジュール３０に流すＬＥＤ電流）に応じて制御回路２４が設定しており、負荷が軽いほどスイッチング信号のオン幅ｔｏｎ１が狭く設定される。一般的にＬＥＤ点灯装置では調光機能が備えられており、ユーザが調光器で指定した値によっては例えば５％調光などまで明るさを抑制する場合がある。このような場合、図６に示すようにスイッチング素子Ｑ２のオン幅ｔｏｎ１が非常に狭くなる。スイッチング素子Ｑ２のオン期間が短くなると、その分だけコンデンサＣ３の充電期間が少なくなっていく。これに対し、昇圧モードではスイッチング素子Ｑ１をオンし続けなければならないので、コンデンサＣ３の充電電圧は低下していきやがて駆動回路２２に必要な電源をまかなえなくなるという問題がある。

そこで、本実施の形態では、制御回路２４は、昇圧モード中にオン幅ｔｏｎ１よりも長いオン維持期間ｔｏｎ２を制御信号の間に割り込ませる充電動作を実行可能である。この充電動作を入れることで、昇圧モードの軽負荷時にスイッチング素子Ｑ２のオン幅ｔｏｎ１がコンデンサＣ３の充電不足を招くほどに狭くなったときであっても、駆動回路２２と接続したコンデンサＣ３の充電電圧が低下するのを補うことができる。また、本実施の形態ではより好ましい形態として、コンデンサＣ３を充電中には昇圧モード動作を中断させるので、制御回路２４はスイッチング素子Ｑ１をオフとしてコンデンサＣ３の放電を減らす。さらに、本実施の形態では、さらに好ましい形態として、図６に示すとおり実施の形態１で述べた期間Ｔｃにおいてスイッチング素子Ｑ２がオンとなるように、オン維持期間ｔｏｎ２の立上がりおよび立下りタイミングを決定する。期間Ｔｃの検知は実施の形態１と同様に電圧検出回路２１により行い、電圧検出回路２１は検知結果（つまり全波整流電圧の絶対値がＶｃｃを下回っているか否か）を制御回路２４に伝達し、全波整流電圧の絶対値がＶｃｃを下回ってから次にＶｃｃ以上となるまでの期間に限りスイッチング素子Ｑ２をオンに維持する。このようにすることで、全波整流電圧波形の高電圧側の期間を避けて、全波整流電圧波形のゼロクロス付近で充電動作を実行可能である。

なお、軽負荷の場合にコンデンサＣ３の充電不足が問題となるので充電動作を常に実行する必要は無く、負荷の大きさに基づいて上記の充電動作の実行と停止を切り替えることが好ましい。負荷の大きさを検知する手段としては、スイッチング素子Ｑ２の制御信号のオン幅が所定幅以下か否かで判定してもよい。また、抵抗Ｒ８を用いて検出したＬＥＤ電流の大きさが所定電流値以下か否かで判定してもよいし、ＬＥＤ電圧を検出している抵抗Ｒ５，Ｒ６の分圧電圧の大きさを所定値と比較して判定してもよいし、ＬＥＤ電圧とＬＥＤ電流の検出結果から「（ＬＥＤ電流）×（ＬＥＤ電圧）＝ＬＥＤ（出力）電力」を計算しこのＬＥＤ（出力）電力の大きさを所定値と比較して判定してもよいし、駆動回路２２の電源すなわちコンデンサＣ３の電圧が所定電圧以下か否かで判定してもよいし、あるいは、図示しない調光器から制御回路２４が調光信号を受けたときにその調光信号が指示する値の大きさが所定調光値以下か否かで判定してもよい。

１ 照明器具、１０ 点灯装置、１２ Ｈブリッジ回路、２０ スイッチ回路、２１ 電圧検出回路、２２、２５ 駆動回路、２３ 制御電源、２４ 制御回路、３０ ＬＥＤモジュール、ＤＢ１ 整流回路、Ｄｐｓ 寄生ダイオード

Claims (4)

1. 第一端子を備えた第一スイッチング素子と、前記第一スイッチング素子の第二端子に一端が接続するインダクタと、前記インダクタの他端に接続する第三端子および抵抗を介して接地される第四端子を有する第二スイッチング素子と、を備え、前記第一スイッチング素子の前記第一端子に入力される電圧を変換して出力するＨブリッジ回路と、
   前記第一スイッチング素子を駆動する第一駆動回路と、
   一端が前記第一スイッチング素子の前記第二端子と接続し他端が前記第一駆動回路に接続したコンデンサと、
   前記コンデンサの前記他端に制御電源電圧を与える制御電源と、
   接地電位と前記第一スイッチング素子の前記第一端子との間の電気的接続を、接続状態と遮断状態に切替可能なスイッチ回路と、
   を備える照明器具。
2. 前記スイッチ回路は、前記第一スイッチング素子の前記第一端子に印加される電圧が少なくとも前記制御電源電圧以下であるときに前記接続状態を維持する請求項１に記載の照明器具。
3. 前記スイッチ回路は、前記第一スイッチング素子の前記第一端子に印加される電圧が前記制御電源電圧以下であるときに前記接続状態を維持し、前記第一スイッチング素子の前記第一端子に印加される電圧が前記制御電源電圧を上回るときは前記遮断状態を維持する請求項２に記載の照明器具。
4. 前記第一スイッチング素子をオンオフしかつ前記第二スイッチング素子をオフに維持する降圧モードを有し、
   前記スイッチ回路は、前記降圧モードの起動時に、前記第一スイッチング素子の前記第一端子に印加される電圧と前記制御電源電圧の大小関係に応じて、前記接続状態の維持および前記遮断状態の維持を複数回交互に繰り返す請求項１から３のいずれか１項に記載の照明器具。

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