JP2577179B2 - 疑似共振ダイオード駆動電流源 - Google Patents

疑似共振ダイオード駆動電流源

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    • Y02B20/30Semiconductor lamps, e.g. solid state lamps [SSL] light emitting diodes [LED] or organic LED [OLED]

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ダイオード駆動電流源
に関し、特に固体レーザにパワーを供給するために使用
される疑似共振ダイオード駆動電流源に関する。
【0002】
【従来の技術】電流制御された疑似共振コンバータはモ
ータ技術において知られており、文献(H.Le-Huy著
IEEE Transactions on Industrial Eiectronics,
Vol.38,No.5,1991 年10月)に開示されている。この文
献はスイッチングレラクタンスモータを使用する低およ
び中程度の電力の可変速度駆動装置で使用するために電
流制御された疑似共振コンバータについて記載されてい
る。その装置ではゼロ電流スイッチングが使用されてス
イッチング特性を改善し、モータ巻線中の電流の有効な
制御を行っている。さらに疑似共振コンバータはまた別
の文献にも記載されている(R.B.Ridley 著IEE
E Transactions on POWER Electronics,Vol.6,No.1
,1991 年1月)。この文献には疑似共振コンバータの
多重ループ制御方式および種々の共振バックコンバータ
形態および回路について記載されている。共振コンバー
タは使用するLC共振回路の共振周波数またはその近傍
の周波数で動作するものである。これに対して、疑似共
振コンバータは同様にLC共振回路を使用してその振動
電流を利用するものであるが、動作周波数が共振周波数
ではなく、共振周波数から離れた低い周波数である点で
共振コンバータと異なっている。したがって通常の共振
コンバータと区別するためにこのような動作をするコン
バータは疑似共振(quassi-resonant) コンバータと呼ば
れている。
【0003】レーザ技術によれば、ダイオードポンピン
グはその高い電気−光効率により固体レーザシステムで
使用するのに選択されるようになっている。ダイオード
ポンピングの使用以前にはフラッシュランプがポンプ源
として使用された。その典型的なシステム効率は1乃至
2%である。この低い効率は主としてその低い電気ー光
効率によるものである。ダイオードポンピングの使用に
よって、その高い電気−光効率により10乃至15%の
レーザシステム効率が得られる。したがっている電力は
10分の1に減少できる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ダイオードポンピング
は、ポンプダイオードを駆動するために調整された高電
力パルス電流源を必要とする。通常の電流源は出力電流
を制御するために直列電力消費調整装置またはパルス幅
変調(PWM)コンバータを使用する。例えばダイオー
ドポンピングレーザによって必要とされるような高出力
電流で使用するとき、これらの技術は共に高い電力損失
を生じ、したがって非常に効率が低い。
【0005】直列電力消費調整装置は通常はトランジス
タである直列電流通過素子の両端における電圧降下によ
って電力が消費され、その電力PはP=(Vin−V
out )×Iout で与えられる。したがって、高出力電流
において電力損失は非常に高くなる。PWMコンバータ
はそのスイッチングトランジスタにおける高いスイッチ
ング損失を生じ、特にキャッチダイオードの逆回復およ
びキャッチダイオード中のスイッチング損失により大き
い損失を生じる。高出力電流において、逆回復電流は非
常に大きくその結果電力損失は非常に高くなる。
【0006】したがって、本発明の目的は、比較的効率
が高く、固体ダイオードポンピングレーザまたはその類
似装置に高電力のパルスの調整された電流を供給するこ
とのできる電流源を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、パルス
高電力電流源として疑似共振ダイオード駆動コンバータ
が使用され、発光ダイオード等を駆動するのに使用され
る。本発明のダイオード駆動電流源は例えば固体レーザ
をポンプするために使用された固体発光ダイオードを駆
動するために使用することができる。疑似共振ダイオー
ド駆動コンバータの出力電流が検出され、発光ダイオー
ドによって必要とされるレベルに制御ループによって調
整される。本発明の特定の実施形態においては、ゼロ電
流スイッチ全波疑似共振バックコンバータが開発されて
複数の発光ダイオードを駆動するために必要なパルス高
振幅出力電流を供給し、それは固体ダイオードポンピン
グレーザ中のレーザ結晶をポンピングする。
【0008】さらに説明すると、本発明の1態様では、
電源と、発光ダイオードと、電源と発光ダイオードとの
間に結合されて発光ダイオードにパルス電流を供給する
疑似共振コンバータとを備えている。発光ダイオードを
通る電流を感知するために電流感知装置が設けられ、ま
た制御手段がこの感知手段に接続されて発光ダイオード
に供給されるパルス電流の振幅を調整する。
【0009】さらに本発明によるレーザ駆動回路は、電
荷供給源と、この電荷供給源に結合されて電荷を蓄積す
る複数の電荷蓄積装置とを備えている。複数の発光ダイ
オードをそれぞれ有する複数の発光ダイオードアレイは
この電荷蓄積装置に結合されている。複数のダイオード
駆動回路は複数の発光ダイオードアレイにそれぞれ結合
され、前述のように疑似共振ダイオード駆動パルス電流
源を構成する。
【0010】
【発明の効果】疑似共振ダイオード駆動コンバータの使
用は通常のレーザ電流源に比較してはるかに高い変換効
率を与える。この高い変換効率は電源から引出される入
力電力を低下させ、冷却装置の動作を軽減しその結果電
流源の信頼性を高める。改善された効率は高電力レベル
で特に有効であり、消費電力を大幅に節減する。本発明
は、高電流の、調整されたパルス電流源を必要とする固
体ダイオードポンピングレーザの分野に対して特に重要
である。このような効率の高い電源がなければ、ダイオ
ードポンピングレーザは実用的なものにはならないであ
ろう。
【0011】
【実施例】図1は、それぞれ複数の発光ダイオード16か
ら構成されている複数のレーザ用発光ダイオードアレイ
13,14,15を駆動するために本発明による疑似共振ダイオ
ード駆動電流源20を使用しているレーザ用発光ダイオー
ド駆動回路10のブロック図である。個々のレーザ用発光
ダイオードアレイ13,14,15は図示されていないレーザ結
晶をポンプするように構成されており、この図示されて
いないレーザ結晶を使用するレーザ装置は2個の増幅器
および1個の発振器を備えている。各レーザ用発光ダイ
オードアレイ13,14,15は複数の別々のレーザ用の発光ダ
イオード16を有しており、それらの発光ダイオード16は
電荷供給装置11と疑似共振ダイオード駆動電流源20の1
つとの間に直列に接続されている。保護ダイオード17は
発光ダイオード16の直列回路と並列に接続されて逆電圧
の場合に複数の発光ダイオード16を保護するために使用
されている。キャパシタ12により複数の発光ダイオード
16のそれぞれの間で容量分離が行われている。キャパシ
タ12はレーザ用発光ダイオードアレイ13,14,15を付勢す
るために疑似共振ダイオード駆動電流源20によって制御
される電荷を蓄積するために使用される。従来の通常の
ダイオード駆動回路でも図1と類似した回路が使用され
ているが、本発明では駆動電流源として図2に詳細に示
されているような疑似共振ダイオード駆動電流源20が使
用されている点で相違している。疑似共振ダイオード駆
動電流源20を使用しない通常のダイオード駆動回路の1
例はアナログモジユール社により製造されているモデル
778である。
【0012】図2は、図1のダイオード駆動回路10中で
使用されている本発明による疑似共振ダイオード駆動電
流源20の概略図である。図2ではゼロ電流スイッチ全波
バック(buck)コンバータが1例として示されているが、
本発明の疑似共振ダイオード駆動電流源20は他の形式の
コンバータによっても容易に構成することができること
を理解すべきである。
【0013】上記のように通常のバックコンバータ電流
源におけるスイッチング損失は非常に大きい電力損失を
生じ、したがってそのような回路は電流源としては非常
に非効率である。それ故スイッチング損失を最小にする
電力変換技術が所望され、図2に示されるような疑似共
振ダイオード駆動電流源20が開発されたものである。こ
の実施例のダイオード駆動電流源20はゼロ電流スイッチ
疑似共振コンバータ21である。このコンバータ21は部品
の寄生を利用し、或いは最小限その影響が無視できるよ
うに部品の寄生をマスクする。
【0014】ゼロ電流スイッチ疑似共振コンバータ21は
電源22を備え、それは直列に接続されたスイッチトラン
ジスタ24 (Q1)、共振インダクタ27 (L1)、フィルタイ
ンダクタ28 (L2)を通って発光ダイオード31に結合され
ている。通常の電源フィルタ(図示せず)は図2の回路
で容易に使用されることができる。ダイオード25 (CR
1)はスイッチトランジスタ24と並列に結合されている。
キャッチダイオード29(CR2)および共振キャパシタ30
(C1)は共振インダクタ27 (L1)とフィルタインダクタ2
8 (L2)との接続点と電源の負端子との間に結合されて
いる。電流センサ32は発光ダイオード31に結合される出
力電流を検知し、検出ライン33によって疑似共振制御装
置26に結合され、この制御装置26はスイッチング周波数
を変化させることによってスイッチトランジスタ24 (Q
1)を流れる電流の平均値を調整する。
【0015】共振インダクタ27 (L1)はスイッチング時
間中スイッチトランジスタ24 (Q1)に対して高いインピ
ーダンスを与えてスイッチトランジスタ24 (Q1)のスイ
ッチングにおける損失をなくすことを可能にする。共振
キャパシタ30 (C1)はキャッチダイオード29 (CR2)の
キャパシタンスおよび逆回復をマスクし、したがってキ
ャッチダイオード29 (CR2)のスイッチング損失を除去
にする。この構成は本質的に損失のないスイッチングを
可能にする。共振コンバータの詳細な回路の説明は種々
の文献に記載されている(例えばUnitrode Integrated
Circuit Corporation による1990年4 月出版の“Linear
Integrated Circuits Data and Applications Handboo
k 参照)。
【0016】疑似共振電流源20の動作について回路の動
作波形を示す図3および図4を参照にして以下詳細に説
明する。最初ゼロ状態と仮定する。スイッチトランジス
タ24はオンになり、入力電圧は共振インダクタ27の
両端に供給される。共振インダクタ27はスイッチトラン
ジスタ24と直列であるから、電流の立上りはVin/L1
によって制限される。スイッチトランジスタ24は本質的
にゼロコレクタ(またはドレイン)電流でオンに切替え
られ、スイッチング損失はゼロである。入力電圧は共振
インダクタ27と共振キャパシタ30とよりなる非常に低制
動のLCR低インピーダンスタンク回路に供給される。
ターンオンから入力電流は上昇し、スイッチトランジス
タ24を通ってタンク回路を正弦波で流れる。共振キャパ
シタ30は入力電流によって2Vinに充電される。入力電
流は正弦波で変化を続け、極性が反転して逆方向にダイ
オード25を通って電源22に流れる。この逆電流により共
振キャパシタ30は放電される。スイッチトランジスタ24
はこの共振キャパシタ30が放電される時間はオフに切替
えられる。したがってこの時スイッチトランジスタ24を
通って流れる電流は存在しないからスイッチトランジス
タ24のオフ時もまた損失ゼロである。入力電流はそれか
ら再びゼロになり、ダイオード25はオフに切替えられ
る。次のサイクルが開始し、スイッチトランジスタ24は
再びオンに切替えられ、前記過程が繰り返される。共振
キャパシタ30は各サイクルに1度充電(および放電)さ
れる。
【0017】サイクルが反復されるとき、フィルタイン
ダクタ28は電流の流通を開始する。上記の共振キャパシ
タ30の充電は発光ダイオード31のインピーダンスを通っ
てフィルタインダクタ28の両端の電圧による電流を供給
する。このインダクタ28中の電流立上り(di/dt)
は共振キャパシタ30に供給された電圧(VC1 )×サイ
クル速度に比例する。それ故、インダクタ28中の電流、
したがって発光ダイオード31の電流はスイッチトランジ
スタ24が切替えられる周波数を変化させることによって
制御される。出力電流は検出され、制御ループは動作周
波数を変化して出力電流を調整する。
【0018】定常状態出力電流における動作は上記の説
明とは若干異なる。疑似共振ダイオード駆動電流源20の
定常状態動作波形を示している図5を参照して説明す
る。これらの図に示された時より前にコンバータは定常
状態に到達しているものとする。スイッチトランジスタ
24はオフであり、入力電流(Iin)はゼロであり、共振
キャパシタ30の両端の電圧(VC1 )はゼロであり(実
際には1ダイオード電圧降下だけゼロより下である)、
出力電流(Iout )はフィルタインダクタ28およびキャ
ッチダイオード29を通って流れる。出力電流がセンサ32
によって検出され、低下しているのでスイッチトランジ
スタ24はオンに切替えられる。出力電流Iout は共振イ
ンダクタ27およびダイオード25を通って流れ続けるので
電圧(VC1 )はゼロボルトのままである。入力電圧V
inが共振インダクタ27の両端に印加されるとIinは直線
的にIout に上昇し、その後まもなくIin>Iout にな
り、電流は共振キャパシタ30に流れて疑似共振が始ま
り、最初共振キャパシタ30に流入し、ダイオード25を通
って電源に戻る電流が生成される。出力電流は共振タン
ク回路に対する制動抵抗として作用し、ダイオード25を
通る電流はスタートのときよりもはるかに小さい。電圧
(VC1 )がゼロボルトに到達すると、Iout が再びキ
ャッチダイオード29を通って流れ始める。Iinが変化し
てゼロに戻るときサイクルは完了する。
【0019】疑似共振ダイオード駆動電流源20は通常の
SPICEベースの解析を使用してシミュレートされ
た。このシミュレーションで図3乃至5に示された波形
が生成された。シミュレーションの結果は上述の機能お
よび利点を示している。
【0020】疑似共振ダイオード駆動電流源20の実験例
が組立てられ、試験された。この実験例の性能は予測さ
れた性能とよく一致している。効率測定が行われ、計算
された効率は85〜90%程度であった。疑似共振ダイ
オード駆動電流源20の変換効率は約95%に改善される
可能性があることが認められる。
【0021】以上、本発明は新しい、改善された固体レ
ーザの給電に使用される疑似共振電流源が説明された。
上記の実施例は本発明の原理を適用する多くの実施例の
いくつかの例示に過ぎないものであり、多くの他の変形
変更が本発明の技術的範囲を逸脱することなく、当業者
によって行われることができることを理解すべきであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の1実施例の疑似共振ダイオード駆動電
流源を使用したレーザダイオード駆動回路のブロック
図。
【図2】本発明の1実施例の疑似共振ダイオード駆動電
流源の回路図。
【図3】図2の疑似共振ダイオード駆動電流源の動作波
形図。
【図4】図2の疑似共振ダイオード駆動電流源の動作波
形図。
【図5】図2の疑似共振ダイオード駆動電流源の定常状
態の動作波形図。
【符号の説明】
11…電荷供給源、20…疑似共振電流源、26…疑似共振制
御装置、31…発光ダイオード。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョセフ・エイチ・ウルマン アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90630、サイプレス、ナシャーウエナ・ コート 11365 (56)参考文献 特開 昭55−107282(JP,A)

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電源と、 発光ダイオードと、 電源と発光ダイオードとの間に結合されて発光ダイオー
    ドにパルス電流を供給する疑似共振コンバータと、 発光ダイオードを通る電流を感知する感知手段と、 この感知手段に結合され、感知手段の出力に基づいて前
    記疑似共振コンバータを制御して発光ダイオードに供給
    されるパルス電流の振幅を調整する制御手段とを具備し
    ていることを特徴とする電流源。
  2. 【請求項2】 疑似共振コンバータは、ゼロ電流スイッ
    チ全波疑似共振バックコンバータを備えている請求項1
    記載の装置。
  3. 【請求項3】 疑似共振コンバータは、 並列に結合されたダイオードを有するスイッチトランジ
    スタと、 共振インダクタと、 フィルタインダクタと、 フィルタインダクタと発光ダイオードの直列回路に並列
    に接続された共振キャパシタおよびキャッチダイオード
    とを備えている請求項2記載の装置。
  4. 【請求項4】 電荷供給源と、 この電荷供給源に結合されて電荷を蓄積する電荷蓄積手
    段と、 この電荷蓄積手段に結合された複数の発光ダイオードを
    それぞれ有する複数の発光ダイオードアレイと、 複数の発光ダイオードアレイにそれぞれ結合されている
    複数のダイオード駆動回路とを具備し 前記ダイオード駆動回路は疑似共振コンバータを具備す
    るダイオード駆動パルス電流源で構成され ていることを
    特徴とするレーザ駆動回路。
  5. 【請求項5】 前記疑似共振コンバータを具備するダイ
    オード駆動パルス電流源は、 電荷蓄積手段と複数の発光ダイオードアレイの選択され
    た1つとの間に結合されて発光ダイオードアレイにパル
    ス電流を供給する疑似共振コンバータと、 選択された発光ダイオードアレイを通る電流を感知する
    感知手段と、 この感知手段に結合され、選択された発光ダイオードア
    レイに供給されるパルス電流の振幅を調整する制御手段
    とを備えている請求項4記載の駆動回路。
  6. 【請求項6】 疑似共振コンバータは、ゼロ電流スイッ
    チ全波疑似共振バックコンバータを備えている請求項5
    記載の駆動回路。
  7. 【請求項7】 疑似共振コンバータは、 電荷蓄積手段と複数の発光ダイオードアレイの選択され
    た1つとの間に結合されたスイッチング手段と、 スイッチング手段と複数の発光ダイオードアレイの選択
    された1つの間に直列に結合された共振インダクタおよ
    びフィルタインダクタと、 フィルタインダクタおよび複数の発光ダイオードアレイ
    の選択された1つに並列に結合されたキャッチダイオー
    ドおよび共振キャパシタとを備えている請求項6記載の
    駆動回路。
JP9980193A 1992-04-24 1993-04-26 疑似共振ダイオード駆動電流源 Expired - Fee Related JP2577179B2 (ja)

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US07/873,464 US5287372A (en) 1992-04-24 1992-04-24 Quasi-resonant diode drive current source
US873464 1992-04-24

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JPH0629575A JPH0629575A (ja) 1994-02-04
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US (1) US5287372A (ja)
EP (1) EP0567280B1 (ja)
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