JP2018505638A - 改善された力率を有する低コストドライバ回路 - Google Patents

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Abstract

負荷に動力供給するためのドライバ回路が開示される。ドライバ回路は、AC電源への接続を受け入れるための入力部と、入力部からのAC電力をDC電力に変換するための整流器とを含む。ドライバ回路はまた、電圧バスフィルタと、高周波AC信号を生成するための高周波発振器と、共振ドライバと、帰還回路と、高周波DC整流器とを含む。電圧バスフィルタは、整流器からのDC電力を平滑化し、少なくとも1つのコンデンサを含む。共振ドライバは、高周波発振器と電気通信し、高周波AC信号の電流を制限し、高周波AC信号に基づいて限定出力電圧を生成する。帰還回路は、共振ドライバ及び電圧バスフィルタと電気通信し、電圧バスフィルタ上のコンデンサ上の電荷を維持する。【選択図】図1

Description

本発明は、一般に、負荷に電力供給するためのドライバ回路(driver circuit)に関し、より具体的には、電圧バスフィルタ(voltage bus filter)上の電荷を維持するための帰還回路(feedback circuit)を含む、改善された力率(PF)を有するドライバ回路に関する。
発光ダイオード(LED)ベースの照明システムは、例えば白熱灯又は蛍光灯照明のような他の型式の照明システムに優る幾つかのエネルギー的な利点及び信頼性の利点を提供することができる。したがって、LEDベースの照明システムは、他の既存の照明技術に置き換わる魅力的な候補となり得る。
歴史的に見て、白熱灯電球は、ほぼ完全な力率(PF)を有していた。換言すれば、白熱電球は、典型的には約1のPFを有する。比較的低いPFを有する電気デバイスは、商用電力とも呼ばれる電力会社からの余分な電力を必要とすることが当業者には容易に認識されるであろう。したがって、LEDベースの照明システムには、高力率の解決策が望ましい。特に、米国政府によって普及されている特定のタイプのエネルギー認証(例えば、ENERGY STAR(登録商標)認証)を得るためには、LEDベースの照明器具は、少なくとも0.7のPFを有することが特に望ましい場合がある。なぜなら、照明製品の潜在的な消費者の中には、LED照明器具が1又は2以上の特定のタイプのエネルギー認証を得ているか否かに基づいて購買の決定を行う者もいるからである。さらに、LED照明器具用の比較的低コストで信頼性の高いドライバに対する継続的な要求が当該分野に存することもまた、当業者には認識されるであろう。
1つの実施形態において、負荷に動力供給するためのドライバ回路が開示される。ドライバ回路は、AC電源への接続を受け入れるための入力部と、入力部からのAC電力をDC電力に変換するための整流器とを含む。ドライバ回路はまた、電圧バスフィルタと、高周波AC信号を生成するための高周波発振器(high-frequency oscillator)と、共振ドライバと、帰還回路と、高周波DC整流器とを含む。電圧バスフィルタは、整流器からのDC電力を平滑化し、少なくとも1つのコンデンサを含む。共振ドライバは、高周波発振器と電気的に接続し、高周波AC信号の電流を制限し、高周波AC信号に基づいて限定出力電圧を生成する。帰還回路は、共振ドライバ及び電圧バスフィルタと電気的に接続し、電圧バスフィルタ上のコンデンサ上の電荷を維持する。高周波DC整流器は、共振ドライバと電気的に接続し、限定出力電圧を整流して、負荷に電力供給するための実質的に一定の電流を含むDC出力電圧にする。
別の実施形態において、非調光型用途(non-dimming application)において少なくとも1つの発光ダイオード(LED)に電力供給するためのドライバ回路が開示される。ドライバ回路は、AC電源への接続を受け入れるための入力部と、入力部からのAC電力をDC電力に変換するための整流器とを含む。ドライバ回路はまた、電圧バスフィルタと、高周波AC信号を生成するための高周波発振器と、共振ドライバと、帰還回路と、高周波DC整流器とを含む。電圧バスフィルタは、整流器からのDC電力を平滑化し、少なくとも1つのコンデンサを含む。共振ドライバは、高周波発振器と電気的に接続し、高周波AC信号の電流を制限し、高周波AC信号に基づいて限定出力電圧を生成する。帰還回路は、共振ドライバ及び電圧バスフィルタと電気的に接続する。帰還回路は、電圧バスフィルタの少なくとも1つのコンデンサ上の電荷を維持する電荷ポンプ(charge pump)として作用するコンデンサを備える。高周波DC整流器は、共振ドライバと電気的に接続し、限定出力電圧を整流して、LEDに電力供給するための実質的に一定の電流を含むDC出力電圧にする。
負荷にDC電流を供給するための、改善された力率(PF)を有する回路の例示的なブロック図である。 整流器がファストリカバリダイオード(fast recovery diode)を含む、図1に示す回路の例示的な回路図である。 図1及び図2に示す回路の入力部における例示的なAC波形、並びに該回路の電圧バスフィルタにおいて測定した整流入力電圧の図である。 図1及び図2に示す共振ドライバの共振曲線及び動作点の図である。 整流器がファストリカバリダイオードを含まない、図2に示す回路図の代替的な実施形態である。 阻止コンデンサ(blocking capacitor)の位置が変更された、図5に示す回路図の別の実施形態である。
以下の詳細な説明は、本発明の一般的な原理を示すものであり、その実施例は、添付の図面に付加的に示されている。図中、同様の数字は、同一又は機能的に類似の要素を示す。
図1は、負荷18にDC電流を供給するための回路10の例示的なブロック図である。ドライバ回路10は、例えば、公称120ボルトACの主電力線などのAC電源(図示せず)への接続のための、一対の電力入力線20を含むことができる。ドライバ回路10はまた、抵抗器R1(図2に示す)、電磁干渉(EMI)フィルタ24、整流器26、電圧バスフィルタ27、始動回路28、スイッチ30、変圧器32、スイッチ34、帰還回路35、共振ドライバ回路36、高周波DC整流器40、及び阻止コンデンサ46を含むことができる。より詳細に後述するように、回路10は、比較的高い力率(PF)を維持する一方で、実質的に一定のDC電流を負荷18に供給する。1つの実施形態において、回路10は、少なくとも0.7のPFを伴うことができる。
図1〜図2を参照すると、ドライバ回路10の入力線20は、EMIフィルタ24と電気的に接続することができる。1つの非限定的な実施形態において、EMIフィルタ24は、インダクタL1並びにコンデンサC1及びC2(図2に示す)を含むことができる。整流器26は、EMIフィルタ24と電気的に接続することができ、EMIフィルタ24からの入力AC電力をパルス状のDC電力に変換するように構成される。図2に示すような実施形態において、整流器26は、4つのファストリカバリダイオードD1、D2、D3、D4を含む高周波ブリッジ整流器である。1つの実施形態において、ファストリカバリダイオードD1〜D4は、約150ns未満の応答時間を有するものとすることができるが、しかしながら、このパラメータは事実上単なる例示であり、他のタイプのファストリカバリダイオードもまた使用することができることを理解されたい。
整流器26の出力は、電圧バスフィルタ27と電気的に接続することができる。図2に示すような例示的な実施形態において、電圧バスフィルタ27は、コンデンサC3を含むことができる。コンデンサC3は、平滑コンデンサとして作用する電解コンデンサとすることができることを、当業者は容易に認識するであろう。詳細には、コンデンサC3を用いて、整流器26によって供給されるDC電力を平滑化する、すなわちリップルの量を減らすことができ、その結果、比較的定常なDC電力が、回路10内の残りの構成要素(すなわち、始動回路28、スイッチ30、変圧器32、スイッチ34、共振ドライバ回路36、及び高周波DC整流器40)に供給されることができるようになっている。より詳細に後述するように、帰還回路35を用いて、コンデンサC3上に電荷を生じさせることができる。コンデンサC3上の電荷を維持することで、整流器26によって供給されるDC電力がさらに平滑化され、このことが回路10のPFを改善することにつながる。
引き続き図1及び図2を参照すると、電圧バスフィルタ27は、始動回路28と電気的に接続することができる。始動回路28は、抵抗器R2及びR3、ダイオードD6、ダイアック(diac)D7、並びにコンデンサC6を含むことができる。ダイアックD7は、ブレークオーバ電圧VBOに達した後にのみ電流を導通するダイオードである。回路10の初期始動中、ダイアックD7がブレークオーバ電圧VBOに達するまでコンデンサC6を充電することができる。ひとたびブレークオーバ電圧に達すると、ダイアックD7は、電流の導通を開始することができる。詳細には、ダイアックD7は、スイッチ30に接続することができ、これに電流を送る。ひとたびダイアックD7がブレークオーバ電圧VBOに到達すると、ダイオードD6を用いて、コンデンサC6を放電し、ダイアックD7が再び点弧(firing)することを防止することができる。
図2に示すように、回路10は、カスケード配列で接続された下部スイッチ30(Q2と表示)及び上部スイッチ34(Q1と表示)を含むことができる。図1及び図2の両方を参照すると、抵抗器R3を用いて、下部スイッチング素子Q2にバイアスをかけることができる。図2に示すような実施形態において、スイッチング素子Q2は、バイポーラ接合トランジスタ(bipolar junction transistor)(BJT)である。BJTは、スイッチング用に用いられる比較的安価で費用対効果が高い構成要素であり得るが、他のタイプのスイッチング素子も同様に用いることができることを当業者は認識するであろう。ダイオードD10を設けて、スイッチング素子Q2のベースBとエミッタEとの間の負電圧を制限することができ、このことが効率を高めることにつながる。
スイッチ30は、変圧器32に接続することができる。図2に示すように、実施形態において、変圧器32は、T1A、T1B及びT1Cの3つの巻線を含む。巻線T1Aは、巻線T1Bと比べて逆極性を含むことができる。これは、スイッチング素子Q2がオンになった際に、もう一方のスイッチング素子Q1が同時にオンになることがないことを保証する。
図1〜図2を参照すると、両方のスイッチ30、32、ダイオードD9、D10、抵抗器R5及びR6、並びに変圧器32が、高周波発振器50を定める。高周波発振器50は、高周波AC信号VIN(図1に示す)を生成する。1つの実施形態において、高周波AC信号VINは、少なくとも約40キロヘルツ(kHz)の周波数を有するAC信号とすることができる。高周波発振器50の出力42(図1に示す)は、共振ドライバ回路36と電気的に接続することができる。
図2を参照すると、上部スイッチング素子Q1もまた、BJTとすることができる。ダイオードD9を設けて、スイッチング素子Q1のベースBとエミッタEとの間の負電圧を制限することができ、このことが効率を高めることにつながる。スイッチ34は、高周波発振器50を共振ドライブ回路36に電気的に接続する。図2に示す実施形態において、共振ドライブ回路36は、変圧器32の巻線T1Cに直接接続されたコンデンサC7を含むことができる。共振ドライブ回路36はまた、インダクタL2を含むこともできる。共振ドライブ回路36を用いて、高周波発振器50から受け取る高周波AC信号VINの電流を制限することができる。共振ドライブ回路36はまた、高周波AC信号VINに基づいて、限定出力電圧VLIMITED(図1に示す)を生成する。
共振ドライバ回路36は、高周波DC整流器40と電気的に接続することができる。共振ドライバ36によって生成された限定出力電圧VLIMITEDは、高周波DC整流器40に送られ、整流されてDC出力電圧VDC(図1に示す)になる。DC出力電圧VDCは、負荷18に供給される実質的に一定の電流を含む。図2に示すような実施形態において、高周波DC整流器40は、4つのダイオードD11〜D14及びフィルタコンデンサC8含む全波整流器である。全波整流器は、フィルタコンデンサC8と並列に接続することができる。1つの実施形態において、ダイオードD11〜D14は、低電圧ダイオードとすることができる。全波整流器40は、共振回路36からの限定出力電圧VLIMITEDの周波数を2倍にするので、したがってフィルタコンデンサC8は比較的小さいサイズのものとすることができることを理解されたい。例えば、1つの実施形態において、フィルタコンデンサC8は、1マイクロファラド未満とすることができる。
引き続き図1〜図2を参照すると、阻止コンデンサ46は、コンデンサC4を含むことができる。コンデンサC4は、整流器26、電圧バスフィルタ27、及び高周波DC整流器40と的に接続する。コンデンサC4は、インピーダンス整合のため、及びDC電流の阻止のために用いることができる。詳細には、コンデンサC4は、高周波発振器によって生成された高周波AC信号VIN(図1に示す)が高周波DC整流器40へ流れることを可能にする。コンデンサC4はまた、回路10の右側に位置する高周波DC整流器40によって生成されたDC出力電圧VDCが整流器26へ逆流することを阻止する。図2に示すような実施形態において、阻止コンデンサC4は、整流器26と高周波DC整流器40との間に位置する。しかしながら、代替的な実施形態において、阻止コンデンサ46は、スイッチ30のエミッタEに接続することができる。
帰還回路35は、EMIフィルタ24と整流器26との間で回路10に接続することができる。帰還回路35は、高周波DC整流器40にも接続することができる。帰還回路35は、コンデンサC5を含み、これは電圧バスフィルタ27のコンデンサC3上の電荷を維持する電荷ポンプとして作用し、このことが回路10のPFを高めることにつながる。ここで図3を参照すると、回路10の入力部20が受け取るAC波形Aの例示的な図を示す。図3はまた、整流器24の後ろで電圧バスフィルタ27のコンデンサC3において測定される、回路10の整流入力電圧VRECもまた示す。整流入力電圧VRECは、回路10の入力部20が受け取ったAC波形に基づく。
図2及び図3を参照すると、整流入力電圧VRECは、リップルRを含む。整流入力電圧VRECのリップルRの振幅は、電圧バスフィルタ27のコンデンサC3上の電荷を維持する帰還回路35により小さくすることができる。換言すれば、コンデンサC3上の電荷を維持することは、回路10の入力部20におけるAC波形Aの各半周期を通して、整流入力電圧VREC内のリップルの量をさらに平滑化し又は低減することにつながる(AC波形Aの半周期は図3で表示されている)。さらに、コンデンサC3上の電荷を維持することはまた、回路10の入力部20における電流の導通時間の増大をもたらすことになる。したがって、帰還回路35は、回路10の全PFを改善することができる。例えば、1つの実施形態において、回路10の全PFは、少なくとも0.7とすることができる。
図2に戻ると、1つの実施形態において、負荷18は、1つ又はそれ以上の発光ダイオード(LED)とすることができる。例えば、図2〜図6に示す実施形態において、回路10は、LED(図示せず)に接続される一対の出力端子44を含むことができる。説明され、図面に示された実施形態において、ドライバ回路10は、調光不可型LED用途に用いられる。LEDが説明されているが、負荷18は、動作時に実質的に一定の電流を必要とするあらゆるタイプのデバイスとすることができることを理解されたい。例えば、代替的な実施形態において、負荷18は、加熱要素とすることができる。
図4は、図2に示す共振ドライブ回路36の例示的な共振曲線の図である。共振曲線は、動作点O及び共振臨界周波数f0を含むことができる。臨界周波数f0は、共振曲線のピークに位置し、動作点Oは、臨界周波数f0の左側に位置する。図2及び図4を参照すると、共振ドライバ36のコンデンサC7のキャパシタンス又はインダクタL2のインダクタンスを増大させると、臨界周波数f0を左にシフトさせることができ、コンデンサC7のキャパシタンス又はインダクタL2のインダクタンスの減少は、臨界周波数f0を右にシフトさせることができる。共振曲線の発振周波数は、変換器32の巻き線T1C、抵抗器R5及びR6、上部スイッチング素子Q1及び下部スイッチング素子Q2によって決定することができる。特に、共振曲線の発振周波数は、変換器32の巻き線T1Cの巻き数、並びに上部スイッチング素子Q1及び下部スイッチング素子Q2の蓄積時間に基づくものとすることができる。
インダクタL2のインダクタンス並びにコンデンサC4及びC7のキャパシタンスは、回路10の許容可能な電源変動率を維持する際の重要な因子となり得る。詳細には、線間電圧が高まるにつれ、回路10の動作周波数は低減する。さらに、インダクタL2のインピーダンスは、動作周波数が低減するにつれて低減する場合があり、それにより負荷18(図1)に送り出される電流の増大が生じる。したがって、インダクタL2のインダクタンス並びにコンデンサC7及びコンデンサC4のキャパシタンスは、動作周波数が低減するにつれて回路10の全利得が低減するように選択することができる。このことは、線間電圧が高まるにつれて負荷18に送り出される電流が増大することを実質的に低減し又は最小化することができることにつながる。
図5は、代替的な回路100の図である。回路100は、図2に示す回路10と同様の構成要素を含む。しかしながら、回路100はまた、整流器26の後ろに位置する2つの付加的なダイオードD15及びD16も含む。図5に示すような実施形態において、ダイオードD15、D16は、ファストリカバリダイオードである。ダイオードD15は、整流器26とダイオードD16との間に配置することができる。ダイオードD16は、ダイオードD15と高周波DC整流器40との間に配置することができる。回路100は、ファストリカバリダイオードD15及びD16を含むので、整流器26のダイオードD1〜D4は、必ずしもファストリカバリダイオードである必要はない。換言すれば、整流器26は、標準的なブリッジ整流器である。したがって、図5に示す回路100は、図10に示す回路10と比べて、ファストリカバリダイオードの数を結果として減らすことができる。
図6は、回路200のさらに別の実施形態である。回路200は、図5に示す回路100と同様の構成要素を含む。しかしながら、阻止コンデンサC4の位置が変更されている。詳細には、阻止コンデンサC4は、ここではダイオードD15と共振ドライバ回路36との間に接続することができる。また、帰還回路35のコンデンサC5の位置も変更されている。詳細には、コンデンサC5は、ここではダイオードD16と並列に配置されている。しかしながら、コンデンサC5は、依然として、電圧バスフィルタ27のコンデンサC3上の電荷を維持するための電荷ポンプとして作用する。付加的なコンデンサC11が回路200に追加されており、これは電圧バスフィルタ27のコンデンサC3と並列である。コンデンサC11は、分割器として作用する。
図1〜図6に示した上述のような開示された回路は、負荷を駆動するための比較的低コストで効率的な手法を提供すると同時に、比較的高いPF(すなわち0.7を超える)を提供する。特に、開示された回路は、LED照明器具にコスト及び複雑さを加える能動回路を必要とすることなく、比較的高いPFを提供する。さらに、開示された回路は、実質的に一定の電流を負荷に送り出すための比較的低コストで効率的な手法も提供する。開示された回路は、今日の市場で現在入手可能なLEDドライバの幾つかのタイプと比べて、より少ない構成要素及びより簡単な設計をもたらすことが当業者には容易に認識されるであろう。
本明細書において説明された装置及び方法の形態は、本発明の好ましい実施形態を構成するが、本発明は、これらの装置及び方法のそのままの形態に限定されず、本発明の範囲から逸脱することなくそれらにおける変更を行うことができることを理解されたい。
10:ドライバ回路
18:負荷
20:入力部
24:電磁干渉フィルタ
26:整流器
27:電圧バスフィルタ
28:始動回路
30、34:スイッチ
32:変圧器
35:帰還回路
36:共振ドライバ回路
40:高周波DC整流器
46:阻止コンデンサ
DC:DC出力電圧
IN:高周波AC信号
LIMITED:限定出力電圧

Claims (20)

  1. 負荷に電力供給するためのドライバ回路であって、
    AC電源への接続を受け入れるための入力部と、前記入力部からのAC電力をDC電力に変換するための整流器と、
    少なくとも1つのコンデンサを含む、前記整流器からの前記DC電力を平滑化するための電圧バスフィルタと、
    高周波AC信号を生成するための高周波発振器と、
    前記高周波発振器と電気的に接続し、前記高周波AC信号の電流を制限し、前記高周波AC信号に基づいて限定出力電圧を生成する、共振ドライバと、
    前記共振ドライバ及び前記電圧バスフィルタと電気的に接続し、前記電圧バスフィルタの少なくとも1つのコンデンサ上の電荷を維持する、帰還回路と、
    前記共振ドライバと電気的に接続し、前記限定出力電圧を整流して、前記負荷に電力供給するための実質的に一定の電流を含むDC出力電圧にする、高周波DC整流器と、
    を備える、ドライバ回路。
  2. 前記帰還回路は、前記電圧バスフィルタの前記少なくとも1つのコンデンサ上の前記電荷を維持する電荷ポンプとして作用するコンデンサを備える、請求項1に記載のドライバ回路。
  3. 前記整流器は、4つのファストリカバリダイオードを含む高周波ブリッジ整流器である、請求項1に記載のドライバ回路。
  4. 前記整流器の後ろに位置する2つのファストリカバリダイオードを更に備える、請求項1に記載のドライバ回路。
  5. 前記整流器は、標準的なブリッジ整流器である、請求項4に記載のドライバ回路。
  6. 前記帰還回路は、コンデンサを備え、前記コンデンサは、前記2つのファストリカバリダイオードの1つと並列に接続される、請求項4に記載のドライバ回路。
  7. 前記整流器、前記電圧バスフィルタ、及び前記高周波DC整流器と電気的に接続する阻止コンデンサを備える、請求項1に記載のドライバ回路。
  8. 前記阻止コンデンサは、前記高周波発振器によって生成された前記高周波AC信号が前記高周波DC整流器へ流れることを可能にし、かつ、前記高周波DC整流器によって生成された前記DC出力電圧が前記整流器へ逆流することを阻止する、請求項7に記載のドライバ回路。
  9. 前記高周波発振器は、カスケード配列で接続された上部スイッチング素子及び下部スイッチング素子を含む、請求項1に記載のドライバ回路。
  10. 前記上部スイッチング素子及び前記下部スイッチング素子は、両方ともバイポーラ接合トランジスタ(BJT)である、請求項9に記載のドライバ回路。
  11. 抵抗器、ダイオード、ダイアック、及びコンデンサを含む始動回路を備える、請求項1に記載のドライバ回路。
  12. 前記始動回路の前記コンデンサは、前記ドライバ回路の初期始動中に、前記ダイアックがブレークオーバ電圧に達するまで充電される、請求項11に記載のドライバ回路。
  13. 第1の巻線、第2の巻線、及び第3の巻線を含む変圧器を備え、前記第1の巻線及び前記第2の巻線は、逆の極性を含む、請求項1に記載のドライバ回路。
  14. 前記共振ドライバ回路は、コンデンサ及びインダクタを含み、前記コンデンサは、前記変圧器の前記第3の巻線と直列接続し、前記インダクタのインダクタンス及び前記コンデンサのキャパシタンスは、動作周波数が減少するにつれて前記ドライバ回路の全利得もまた減少するように選択される、請求項13に記載のドライバ回路。
  15. 非調光型用途において少なくとも1つの発光ダイオード(LED)に電力供給するためのドライバ回路であって、
    AC電源への接続を受け入れるための入力部と、前記入力部からのAC電力をDC電力に変換するための整流器と、
    少なくとも1つのコンデンサを含む、前記整流器からの前記DC電力を平滑化するための電圧バスフィルタと、
    高周波AC信号を生成するための高周波発振器と、
    前記高周波発振器と電気的に接続し、前記高周波AC信号の電流を制限し、前記高周波AC信号に基づいて限定出力電圧を生成する、共振ドライバと、
    前記共振ドライバ及び前記電圧バスフィルタと電気的に接続し、前記電圧バスフィルタの前記少なくとも1つのコンデンサ上の電荷を維持する電荷ポンプとして作用するコンデンサを備える、帰還回路と、
    前記共振ドライバと電気的に接続し、前記限定出力電圧を整流して、前記LEDに電力供給するための実質的に一定の電流を含むDC出力電圧にする、高周波DC整流器と、
    を備える、ドライバ回路。
  16. 前記整流器は、4つのファストリカバリダイオードを含む高周波ブリッジ整流器である、請求項15に記載のドライバ回路。
  17. 前記整流器の後ろに位置する2つのファストリカバリダイオードを更に備える、請求項15に記載のドライバ回路。
  18. 前記整流器は、標準的なブリッジ整流器である、請求項17に記載のドライバ回路。
  19. 前記帰還回路は、コンデンサを備え、前記コンデンサは、前記2つのファストリカバリダイオードの1つと並列に接続される、請求項17に記載のドライバ回路。
  20. 前記整流器、前記電圧バスフィルタ、及び前記高周波DC整流器と電気的に接続する阻止コンデンサを備える、請求項15に記載のドライバ回路。
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