JP2022131187A

JP2022131187A - 電源装置および照明装置

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Publication number: JP2022131187A
Application number: JP2021030000A
Authority: JP
Inventors: 博志寺坂; Hiroshi Terasaka; 浩横山; Hiroshi Yokoyama
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2021-02-26
Filing date: 2021-02-26
Publication date: 2022-09-07

Abstract

【課題】雑音を低減できる電源装置を提供する。【解決手段】光源１１と、外部電源である交流電源Ｅからの電力を入力して光源１１を点灯させる電源装置１２とを備えている照明装置１０において、電源装置１２は、スイッチング素子Ｑ１と、スイッチング素子Ｑ１に直列に接続されたフェライトビーズＬ２とを有し、入力電力を所定の直流電力に変換する電力変換回路１９と、電力変換回路１９の入力部に接続し、インピーダンスピークが３０ＭＨｚ以上の周波数にあるラインフィルタ２１と、インピーダンスピークがラインフィルタ２１よりも低い３０ＭＨｚ未満の周波数にあるラインフィルタ２２と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、スイッチング素子を有する電源装置、およびこの電源装置を備える照明装置に関する。

従来、例えば照明装置には、光源を点灯させるために、スイッチング素子により入力電力を所定の直流電力に変換する電力変換回路を備える電源装置が用いられている。この電源装置では、スイッチング素子などから発生する雑音を低減するために、電力変換回路の入力部に接続される入力配線にノイズフィルタを設けている。

入力配線にノイズフィルタを設けるのは手間がかかるため、入力配線にノイズフィルタを設けなくても、雑音の低減が図れることが望まれている。

特開２０１６－１６２５９６号公報

本発明が解決しようとする課題は、雑音を低減できる電源装置および照明装置を提供することにある。

実施形態の電源装置は、スイッチング素子を有し、入力電力を所定の直流電力に変換する電力変換回路と、スイッチング素子に直列に接続されたフェライトビーズと、電力変換回路の入力部に接続され、インピーダンスピークが３０ＭＨｚ以上の周波数にあるラインフィルタとを備える。

実施形態の点灯装置によれば、雑音を低減することが期待できる。

第１の実施形態を示す電源装置を備えた照明装置の回路図である。同上電源装置のラインフィルタの周波数とインピーダンスとの関係を示すグラフである。同上図２の一部を拡大したグラフである。同上電源装置にフェライトビーズを使用しない場合のスイッチング素子のスイッチング波形図である。同上電源装置にフェライトビーズを使用した場合のスイッチング素子のスイッチング波形図である。第２の実施形態を示す電源装置を備えた照明装置の回路図である。同上電源装置のラインフィルタの特性を示す表である。

以下、第１の実施形態を、図１ないし図５を参照して説明する。

図１に示すように、照明装置１０は、光源１１と、外部電源である交流電源Ｅからの電力を入力して光源１１を点灯させる電源装置１２とを備えている。

光源１１は、例えば半導体発光素子である発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられている。なお、発光ダイオード以外に、有機ＥＬなどの他の半導体発光素子が用いられてもよい。また、光源１１は、例えば電源装置１２と一体形の構成としてもよいし、器具本体に着脱可能な光源ユニットにて構成し、器具本体への光源ユニットの装着時に電源装置12に電気的に接続される構成でもよい。

また、電源装置１２は、雑音防止回路１５と、整流回路１６と、力率改善回路１７および定電流回路１８を含む電力変換回路１９とを備えている。

雑音防止回路１５は、商用交流電源などの交流電源Ｅの両端に接続されるコンデンサＣ１と、このコンデンサＣ１の両端に一対の入力端が接続される高周波域用のラインフィルタ２１と、この高周波域用のラインフィルタ２１の一対の出力端に一対の入力端が接続される低周波域用のラインフィルタ２２とを有する。

高周波域用のラインフィルタ２１は、高周波域の雑音低減に対応する例えば分割巻きコイル構造を有するコモンモードチョークコイルが用いられている。高周波域用のラインフィルタ２１は、図２および図３のグラフに実線にて示すように、インピーダンスピークが３０ＭＨｚ以上の周波数にあり、３０ＭＨｚ以上の高周波域の雑音を効果的に低減する特性を有している。

低周波域用のラインフィルタ２２は、低周波域の雑音低減に対応する例えば標準巻きコイル構造を有するコモンモードチョークコイルが用いられている。低周波域用のラインフィルタ２２は、インピーダンスピークが高周波域用のラインフィルタ２１よりも低い３０ＭＨｚ未満の周波数にあり、３０ＭＨｚ未満の低周波域の雑音を効果的に低減させる特性を有している。

また、整流回路１６は、交流電源Ｅからの交流電圧を全波整流する全波整流回路であり、一対の入力端が低周波域用のラインフィルタ２２の一対の出力端に接続され、雑音防止回路１５を介して交流電源Ｅに接続されている。整流回路１６の一対の出力端には、コンデンサＣ２が接続されている。これら整流回路１６およびコンデンサＣ２によって全波整流回路が構成され、交流電源Ｅから雑音防止回路１５を介して入力する交流電圧を整流し、後段の力率改善回路１７により高周波化された電圧を平滑して、全波整流波形に変換する。

また、力率改善回路１７は、整流平滑後の直流電圧を力率改善のために昇圧する昇圧チョッパ回路により構成されている。力率改善回路１７は、コンデンサＣ２の両端に接続されたインダクタＬ１とフェライトビーズＬ２とスイッチング素子Ｑ１の直列回路と、フェライトビーズＬ２およびスイッチング素子Ｑ１の直列回路の両端に並列に接続されたダイオードＤ１とコンデンサＣ３との直列回路とを備えている。

フェライトビーズＬ２は、例えばチップ形で、スイッチング素子Ｑ１のドレインに接続され、スイッチング素子Ｑ１のスイッチングに伴って発生する雑音を減衰させる。

スイッチング素子Ｑ１は、電界効果トランジスタであるＭＯＳ－ＦＥＴが用いられ、ドレインがフェライトビーズＬ２およびインダクタＬ１を介してコンデンサＣ２の高電位側に接続され、ソースがコンデンサＣ２の低電位側に接続され、ゲートがスイッチング素子Ｑ１を制御する制御回路に接続されている。

また、定電流回路１８は、力率改善回路１７により昇圧された直流電圧を光源１１の点灯に必要な所定の電圧に降圧するとともに定電流化する降圧チョッパ回路により構成されている。定電流回路１８は、コンデンサＣ３の両端に接続されたスイッチング素子Ｑ２およびダイオードＤ２の直列回路と、ダイオードＤ２の両端に接続されたインダクタＬ３およびコンデンサＣ４の直列回路とを備えている。コンデンサＣ４の両端に光源１１が接続されている。

スイッチング素子Ｑ２は、例えばＭＯＳ－ＦＥＴなどの電界効果トランジスタが用いられ、ドレインがダイオードＤ１のカソードとコンデンサＣ３との接続点に接続され、ソースがダイオードＤ２のカソードとインダクタＬ３との接続点に接続され、ゲートがスイッチング素子Ｑ２を制御する制御回路に接続されている。

次に、電源装置１２の動作を説明する。

交流電源Ｅが投入されると、交流電圧が雑音防止回路１５を通じて整流回路１６に入力され、交流電圧を整流回路１６で整流するとともにコンデンサＣ２で平滑し、この整流平滑後の全波整流電圧が力率改善回路１７に供給される。

力率改善回路１７では、制御回路によりスイッチング素子Ｑ１が所定のスイッチング周波数でオンオフされ、整流平滑後の直流電圧が所定の電圧に昇圧される。昇圧された直流電圧がコンデンサＣ３で平滑され、定電流回路１８に供給される。

定電流回路１８では、制御回路によりスイッチング素子Ｑ２が所定のスイッチング周波数でオンオフされ、力率改善回路１７から出力される直流電圧が所定の電圧に降圧されるとともに定電流化される。この定電流化された直流電圧が光源１１に供給され、光源１１が点灯する。

また、フェライトビーズＬ２と雑音防止回路１５のコンデンサＣ１およびラインフィルタ２１，２２により電力変換回路１９の主にスイッチング素子Ｑ１が発生する雑音を低減する。

図４にフェライトビーズＬ２を使用しない場合のスイッチング素子Ｑ１のスイッチング波形を示し、図５にフェライトビーズＬ２を使用した場合のスイッチング素子Ｑ１のスイッチング波形を示す。

図４および図５に示すように、スイッチング素子Ｑ１がターンオフしたときに、矩形波状の電圧が発生する。

フェライトビーズＬ２を使用した場合、電圧波形が変化し、電圧が立ち上がったときにオーバーシュートしてリンギング波形（図５のａ部）が発生する。このリンギンク波形電圧はスイッチング素子Ｑ１の耐圧を超えないようにする必要がある。

フェライトビーズＬ２の容量に対応したＬ値（インダクダンス値）を高くすれば、スイッチング素子Ｑ１が発生する雑音を効果的に低減できるが、その場合、リンギング波形電圧が大きくなり、スイッチング素子Ｑ１の耐圧を超える可能性がある。そのため、リンギング波形電圧がスイッチング素子Ｑ１の耐圧を超えることがない範囲までしかＬ値を高くすることができず、スイッチング素子Ｑ１が発生する雑音の低減不足が生じる場合がある。

そこで、雑音防止回路１５に、インピーダンスピークが３０ＭＨｚ以上の周波数にある高周波域用のラインフィルタ２１を設けることにより、フェライトビーズＬ２で低減しきれないスイッチング素子Ｑ１が発生する雑音を低減でき、雑音の低減効果を補完する。

電気用品安全法では、５ｋＨｚ～３０ＭＨｚでの雑音端子電圧、３０ＭＨｚ～３０ＭＨｚでの放射電界強度、９ｋＨｚ～３０ＭＨｚでの放射磁界強度のそれぞれにおける雑音の限度値が規定されており、フェライトビーズＬ２と高周波域用のラインフィルタ２１との併用により各限度値よりも低い値に雑音レベルを抑えることができる。

このように、第１の実施形態の電源装置１２では、スイッチング素子Ｑ１にフェライトビーズＬ２を直列に接続しているため、スイッチング素子Ｑ１が発生する雑音を効果的に低減でき、しかも、電力変換回路１９の入力部に、インピーダンスピークが３０ＭＨｚ以上の周波数にある高周波域用のラインフィルタ２１を設けているため、フェライトビーズＬ２で低減しきれないスイッチング素子Ｑ１が発生する雑音を低減できる。

さらに、電力変換回路１９の入力部にインピーダンスピークが高周波域用のラインフィルタ２１よりも低い３０ＭＨｚ未満の周波数にある低周波域用のラインフィルタ２２を設けているため、低周波域の雑音も低減できる。

次に、図６に第２の実施形態を示す。

第２の実施形態は、第１の実施形態に対して、雑音防止回路１５の構成のみが異なり、他の構成は同じである。

雑音防止回路１５は、第１の実施形態のラインフィルタ２１，２２に代えて、高周波域から低周波域に亘った広域での雑音低減に対応したいわゆるセクション付き複合型（あるいはハイブリット型）のラインフィルタ３０を備えている。

複合型のラインフィルタ３０は、コモンモード成分のインダクダンス値とノーマルモード成分のインダクダンス値を併せ持ったコモンモード・ノーマルモード複合チョークコイルである。

複合型のラインフィルタ３０は、図２および図３のグラフに１点鎖線にて示すように、インピーダンスピークが３０ＭＨｚ未満の周波数にあり、３０ＭＨｚ未満の低周波域の雑音を低減する特性を有するが、３０ＭＨｚでのインピーダンス値が１ｋΩ以上にあるとともに、線間容量が７ｐＦ以下にあることにより、３０ＭＨｚ以上の高周波域の雑音をも低減する特性を有する特性を有している。

図２および図３のグラフの２点鎖線には、比較例の複合型のラインフィルタ（以下、比較例のラインフィルタという）の特性を示す。

複合型のラインフィルタ３０と比較例のラインフィルタとでは、コイルの大きさ、巻き数、Ｌ値および線間容量が異なっている。線間容量については、コイルの巻線が絶縁物で被覆されているため、巻線間に絶縁物が介在してコンデンサと同じ構造となることから発生するもので、コイルが大きく、巻き数が多い場合に、線間容量が大きくなる。線間容量は、低周波域での影響は少ないが、高周波域では線間容量が大きいほど漏れ電流が増加してインピーダンスが小さくなる影響がある。

そして、複合型のラインフィルタ３０は、比較例のラインフィルタと比較して、コイルの大きさが小さく、巻き数が少なく、Ｌ値および線間容量が小さい。

そのため、複合型のラインフィルタ３０は、比較例のラインフィルタと比較して、高い周波数にインピーダンスピークがあり、インピーダンスピークから高い周波数域（３０Ｈｚ以上を含む）のインピーダンスが高く、インピーダンスピークから低い周波数域でのインピーダンスが低くなる特性を有している。

図７の表には、比較例のラインフィルタ、複合型のラインフィルタ３０、および高周波域用のラインフィルタ２１について、インピーダンスピークである並列共振周波数ｆ_０、インダクダンスＬ、線間容量Ｃｐを示す。

並列共振周波数ｆ_０は、線間容量Ｃｐによって発生し、インダクタとコンデンサとが共振して発生する。並列共振周波数ｆ_０は、以下の式で表される。

線間容量Ｃｐは、並列共振周波数ｆ_０から求めることができ、以下の式で表される。

そして、第２実施形態の電源装置１２では、スイッチング素子Ｑ１にフェライトビーズＬ２を直列に接続しているため、スイッチング素子Ｑ１が発生する雑音を効果的に低減でき、しかも、電力変換回路１９の入力部に、インピーダンスピークが３０ＭＨｚ未満の周波数にあり、３０ＭＨｚ未満の低周波域の雑音を低減する特性を有するが、３０ＭＨｚでのインピーダンス値が１ｋΩ以上、および線間容量が７ｐＦ以下にあることにより、３０ＭＨｚ以上の高周波域の雑音をも低減する特性を有する複合型のラインフィルタ３０を設けているため、フェライトビーズＬ２で低減しきれないスイッチング素子Ｑ１が発生する雑音を低減できる。

しかも、１つの複合型のラインフィルタ３０により、広域の雑音を低減でき、２つのラインフィルタ２１，２２を使用する場合に比べて、部品点数を削減できる。

なお、電源装置１２は、照明装置１０に用いることにより雑音を低減できるが、他の電気機器にも用いることができる。

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
１２電源装置
１９電力変換回路
２１ラインフィルタ
３０ラインフィルタ
Ｌ２フェライトビーズ
Ｑ１スイッチング素子

Claims

スイッチング素子を有し、入力電力を所定の直流電力に変換する電力変換回路と；
前記スイッチング素子に直列に接続されたフェライトビーズと；
前記電力変換回路の入力部に接続され、インピーダンスピークが３０ＭＨｚ以上の周波数にあるラインフィルタと；
を備えることを特徴とする電源装置。
スイッチング素子を有し、入力電力を所定の直流電力に変換する電力変換回路と；
前記スイッチング素子に直列に接続されたフェライトビーズと；
前記電力変換回路の入力部に接続されたセクション付き複合型のラインフィルタと；
を備えることを特徴とする電源装置。
前記ラインフィルタは、インピーダンスピークが３０ＭＨｚ未満の周波数にありかつ３０ＭＨｚでのインピーダンス値が１ｋΩ以上にある
ことを特徴とする請求項２記載の電源装置。
前記ラインフィルタは、インピーダンスピークが３０ＭＨｚ未満の周波数にありかつ線間容量が７ｐＦ以下にある
ことを特徴とする請求項２または３記載の電源装置。
請求項１ないし４いずれか一記載の電源装置を備える
ことを特徴とする照明装置。