JP5216103B2

JP5216103B2 - 少なくとも１つのｌｅｄに電流を供給するためのバック・コンバータ

Info

Publication number: JP5216103B2
Application number: JP2010542537A
Authority: JP
Inventors: ルドルフベルント
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2008-01-18
Filing date: 2008-01-18
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2028-01-18
Also published as: US20110050129A1; CN101919146A; EP2232686A1; ATE517461T1; WO2009089919A1; EP2232686B1; CN101919146B; US8207683B2; KR20100103701A; KR101480687B1; TWI471065B; JP2011510604A; TW200935979A

Description

本発明は、直流電圧源に接続するための第１の入力端子および第２の入力端子を有する入力側と、少なくとも１つのＬＥＤに接続するための第１の出力端子および第２の出力端子を有する出力側と、バック・ダイオードと、バック・チョークコイルと、制御電極および作動電極および基準電極を有するバック・メインスイッチとを備えた、少なくとも１つのＬＥＤに電流を供給するためのバック・コンバータに関する。

一般照明の広範な分野へのＬＥＤの使用が広まっていることによって、構成素子用の簡単で廉価な電流供給回路の需要が高まっている。ＬＥＤを駆動させるための電源に用いられる公知の変換回路はフライバック・コンバータであり、これはフライバックの名称でも一般的に知られている。さらにまた、殊にバック・コンバータまたはブースト・コンバータのための多数の集積回路、例えばMicronix社の制御ＩＣ、MXHV9910も存在している。これらの実現形態における欠点は、それら全てが著しく高いコストを要求し、また高価な構成素子の使用に依存しなければならないことである。つまり、フライバック・コンバータのスイッチは欧州の電源電圧では少なくとも７００Ｖの電圧耐性を有していなければならない。大量生産を行う場合、それにより発生するコストはしばしば所定の予算を上回る。

発明の概要
したがって本発明の課題は、冒頭で述べたバック・コンバータを非常に廉価に実現できるようにすることである。

この課題は、請求項１の特徴部分に記載されている構成を備えたバック・コンバータによって解決される。

本発明は、非常に廉価なバイポーラトランジスタ、例えばビデオの分野から公知のタイプMPSA42を使用するという認識を基礎とする。このようなバイポーラトランジスタにおいては、パワーＬＥＤに必要とされる電流が一方では依然として低い電流ゲインを有しているが、他方ではＬＥＤに対して同様に所定の電流を調整するために所定の時点に遮断されなければならない。

さらに本発明は、スイッチの負荷を低減するために、バック・ダイオードおよびバック・メインスイッチが第１の入力端子と第２の入力端子との間に直列に接続されており、バック・ダイオードとバック・メインスイッチとの間の接続点が第２の出力端子と接続されていることを基礎とする。バック・チョークコイルの第１の端子は第１の入力端子と接続されており、バック・チョークコイルの第２の端子は第１の出力端子と接続されている。パワーＬＥＤの駆動に必要とされる電流の範囲における電流ゲインが低いという問題は、本発明によれば、バック・メインスイッチに対して十分なベース電流を供給する措置を講じることによって解決される。このために、バック・コンバータはさらに、第２の入力端子と接続されている第１の端子とバック・メインスイッチの制御電極と接続されている第２の端子とを備えており、且つバック・チョークコイルと結合されている第１の補助コイルを有する。第１の補助コイルは、バック・メインスイッチに電流が流れる際に第１の補助コイルを通って電流がバック・メインスイッチの制御電極に供給されるようにバック・チョークコイルと結合されている。

この措置により、バック・コンバータの非常に簡単で廉価な構造を実現することができる。さらにこの措置によって、実際にはバック・メインスイッチに関するスイッチオフ損失しか生じない、臨界通電モード（ＣＲＭ；Critical Conduction Mode）での動作が実現される。

有利な実施形態において、バック・コンバータはさらに、バック・メインスイッチに対して、殊にバック・ダイオードおよびバック・メインスイッチによって規定される接続点と第２の入力端子との間に直列に接続されている電流測定抵抗と、バック・メインスイッチをスイッチオフするための第１の補助スイッチとを有し、第１の補助スイッチは制御電極および作動電極および基準電極を有し、第１の補助スイッチの基準電極は第２の入力端子と接続されており、第１の補助スイッチの制御電極は電流測定抵抗と接続されている。この配置構成によって、バック・メインスイッチを流れる電流が所定の最大値に達した際には電流測定抵抗に第１の補助スイッチをスイッチオンさせる電圧が生じ、第１の補助スイッチがスイッチオンされるとバック・メインスイッチがスイッチオフされる。

有利には、バック・コンバータはさらに時限素子を有し、この時限素子は電流測定抵抗と第１の補助スイッチの制御電極との間に接続されている。これによって、第１の補助スイッチの制御電極に供給される電流はバック・メインスイッチのスイッチオフに基づき小さくなるにもかかわらず、第１の補助スイッチのスイッチオンが維持されることを保証できる。有利な時定数は例えば０．２μｓ〜１０μｓの範囲、有利には１μｓである。

さらに有利には、第１の補助コイルの第２の端子とバック・メインスイッチの制御電極との間に第１のオーム抵抗が接続されている。さらに有利には、第１のオーム抵抗とバック・メインスイッチの制御電極との間の接続点が第２のオーム抵抗を介して第２の入力端子と接続されている。これによってバック・メインスイッチの制御区間が低抵抗で閉じられ、したがって入力される電流に対して敏感ではない。

さらに有利には、バック・メインスイッチの制御電極は第１の補助スイッチの作動電極と接続されている。

有利な実施形態においては、バック・コンバータがさらにこのバック・コンバータを始動させるための第２の補助スイッチを有し、この第２の補助スイッチは制御電極、作動電極および基準電極を有し、第２の補助スイッチの基準電極は第１の入力端子と接続されており、第２の補助スイッチの制御電極はオーム抵抗を介して第２の入力端子と接続されている。この措置によって、第１の入力端子と第２の入力端子との間に直流電圧源が接続されると即座に第２の補助スイッチがスイッチオンされることが保証される。

有利には、第２の補助スイッチの作動電極はオーム抵抗を介して第１の補助スイッチの作動電極と接続されている。第２の補助スイッチがスイッチオンされると即座にこのオーム抵抗を介して電流がバック・メインスイッチの制御電極に供給され、これによりバック・メインスイッチが同様にスイッチオンされる。したがってバック・メインスイッチの制御電極には、第１の補助コイルによって形成された電流ならびにスイッチオンされた第２の補助スイッチを介して流れる電流が流れる。

有利には、バック・コンバータはさらに、バック・チョークコイルと結合されている第２の補助コイルを有し、この第２の補助コイルは第１の入力端子と接続されている第１の端子と、第２の補助スイッチの制御電極と接続されている第２の端子とを有する。有利には、第２の補助コイルの第２の端子と第２の補助スイッチの制御電極との間にはオーム抵抗、有利にはオーム抵抗とダイオードからなる直列回路が接続されている。第２の補助コイルは殊に、バック・メインスイッチの阻止フェーズないしバック・チョークコイルの消磁フェーズの間に、第２の補助スイッチが阻止されるように電流が第２の補助スイッチの制御電極に供給されるようバック・チョークコイルと結合されている。これによって、オーム抵抗を流れて第２の補助スイッチの作動電極を第１の補助スイッチの作動電極に接続させる電流を阻止することができるので、このオーム抵抗においてはバック・メインスイッチの短時間のスイッチオンフェーズの間にのみ損失が生じ、このバック・メインスイッチはバック・メインスイッチの長期のスイッチオフフェーズにおいてはほぼ損失無く動作する。

さらに、少なくとも１つのＬＥＤに供給される電流のリプルを低減するために、有利には第１の出力端子と第２の出力端子との間に少なくとも１つのコンデンサが接続されている。

別の有利な実施形態は従属請求項より明らかになる。

図面の簡単な説明
以下では、添付の図面を参照しながら本発明によるバック・コンバータの実施例を詳細に説明する。

本発明によるバック・コンバータの実施例の概略図を示す。バック・メインスイッチにおけるコレクタ・エミッタ電圧の時間経過ならびに少なくとも１つのＬＥＤに供給される電流Ｉ_LEDの時間経過を第１の時間的解像度で示す。バック・メインスイッチにおけるコレクタ・エミッタ電圧の時間経過ならびに少なくとも１つのＬＥＤに供給される電流Ｉ_LEDの時間経過を第２の時間的解像度で示す。

発明の有利な実施形態
図１は、本発明によるバック・コンバータの実施例の概略図を示す。このバック・コンバータは第１の入力端子Ｅ１および第２の入力端子Ｅ２を有し、これらの入力端子Ｅ１，Ｅ２は整流器ＧＬ１を介して２つの電源端子Ｌ，Ｎと接続されている。電源端子Ｌと整流器ＧＬ１との間に配置されているインダクタンスＬ１はスイッチオン電流制限およびノイズ抑制に使用される。整流された電源電圧のバッファのためにコンデンサＣ９が設けられている。第１の入力端子Ｅ１と第２の入力端子Ｅ２との間には、通常の場合、バック・ダイオードＤ２とバック・メインスイッチＱ１とからなる直列回路が接続されている。バック・チョークコイルが第１の入力端子Ｅ１と第１の出力端子Ａ１との間に接続されており、この実施例ではバック・チョークコイルはトランスＴＲ１の第１のコイルｗ１として実施されており、このトランスＴＲ１はさらに第１の補助コイルｗ３および第２の補助コイルｗ２を有する。バック・ダイオードＤ２とバック・メインスイッチＱ１との間に配置されている接続点ＶＰ１はバック・コンバータの第２の出力端子Ａ２と接続されている。第１の出力端子Ａ１と第２の出力端子Ａ２との間には２つのコンデンサＣ２，Ｃ３が接続されている。

バック・メインスイッチＱ１のエミッタと第２の入力端子Ｅ２との間にはシャントとしてオーム抵抗Ｒ６が配置されている。この抵抗Ｒ６において降下する電圧は、バック・メインスイッチＱ１を流れる電流がそのスイッチオフ後におよそ２００ｎｓ〜３００ｎｓ後に０に低下するので、オーム抵抗Ｒ３ならびにコンデンサＣ１を含む時限素子を介して、またオーム抵抗Ｒ４を介して第１の補助スイッチＱ３のベースに印加される。この時限素子によって、第１の補助スイッチＱ３が直接的に接続される場合、すなわち抵抗Ｒ６において降下する電圧が時限素子を介在させることなく直接的に第１の補助スイッチＱ３のベースに印加される場合に比べて、第１の補助スイッチＱ３のスイッチオン状態が長く維持されることを保証できる。

バック・メインスイッチＱ１の制御電極は第１に抵抗Ｒ１を介して補助コイルｗ３と接続されており、第２に補助スイッチＱ３の作動電極と接続されている。さらにバック・メインスイッチＱ１の制御電極は第３にオーム抵抗Ｒ２を介して第２の入力端子Ｅ２と接続されている。第２の補助スイッチＱ２はその基準電極を用いて第１の入力端子Ｅ１と接続されており、またその作動電極を用いてオーム抵抗Ｒ８を介して第１の補助スイッチＱ３の作動電極と接続されている。第２の補助スイッチＱ２の制御電極は一方ではオーム抵抗Ｒ５を介して第２の入力端子Ｅ２と接続されており、他方ではダイオードＤ１およびオーム抵抗Ｒ７からなる直列回路を介して補助コイルｗ２と接続されている。ここでダイオードＤ１は始動用ダイオードとして非常に低い電源電圧で作動する。すなわち第２の補助スイッチＱ２は１６０Ｖ〜１７０Ｖの電源電圧においてスイッチオンされる。

補助コイルｗ３の巻線方向とコイルｗ１の巻線方向は同じであるが、コイルｗ２の巻線方向とコイルｗ１の巻線方向は異なる。

機能に関して：電源電圧の印加後に電流は第２の入力端子Ｅ２、補助コイルｗ２、オーム抵抗Ｒ７、ダイオードＤ１およびオーム抵抗Ｒ５を介して流れ、補助トランジスタＱ２をスイッチオンさせる。これによってベース電流がバック・メインスイッチＱ１のベースに供給され、これによりバック・メインスイッチＱ１がスイッチオンされる。トランスＴＲ１の適切な設計によって、殊に補助コイルｗ３の適切な構成によって、バック・メインスイッチＱ１自体には、少なくとも１つのＬＥＤに供給される電流が大きい場合に十分なベース電流が供給されることが保証されている。補助コイルｗ３によって、ベース電流が必要とされ、しかもバック・メインスイッチＱ１がスイッチオンされている場合には、ベース電流がバック・メインスイッチＱ１に供給される。バック・メインスイッチＱ１のエミッタ電流がシャントＲ６における電圧降下を生じさせ、この電圧降下が第１の補助スイッチＱ３をスイッチオンさせるには十分である場合には、補助スイッチＱ２から供給される電流はもはやバック・メインスイッチＱ１の制御電極にはもはや流れずに、補助スイッチＱ３を介して第２の入力端子Ｅ２へと流れる。これによって、バック・メインスイッチＱ１がスイッチオフされる。

フライバック・コンバータとは異なり、本願発明では、入力端子Ｅ１，Ｅ２間に印加される電圧によってバック・メインスイッチＱ１に最大限の負荷が加えられる。回路は通常の場合、スイッチオフ時間ｔ_offがスイッチオン時間ｔ_onのおよそ２０倍であるように設計されている。有利な実施例において、スイッチオフ時間ｔ_offは約４０μｓでありスイッチオン時間ｔ_onは２μｓに相当する。

したがってフィードバックコイルｗ２およびｗ３によって、バック・チョークコイルＴＲ１，ｗ１が完全に消磁するまで、バック・メインスイッチＱ１および補助スイッチＱ２が確実に阻止されていることが保証される。これによって、バック・メインスイッチＱ１が臨界通電モード（遷移モード；Transition Mode）で駆動されるので、バック・メインスイッチＱ１を次の周期において低損失でスイッチオンすることができる。すなわち、バック・メインスイッチＱ１に流れる電流はスイッチオン時点においてほぼ０である。バック・チョークコイルＴＲ１，ｗ１を流れる三角波状の電流の周波数は、端子間に印加される入力側電源電圧Ｕ_N、出力側に印加されるＬＥＤ電圧Ｕ_LED、バック・チョークコイルＴＲ１，ｗ１のインダクタンスおよび最大ＬＥＤ電流Ｉ_LEDに関する限界値によって規定される。

図２は、図１に示されている寸法設計によって実現された実施例に関する電流Ｉ_LED、バック・メインスイッチＱ１のコレクタ・エミッタ電圧Ｕ_ceのエンベロープの時間経過ならびに周波数変調を示す。最小周波数は２３．１２ｋＨｚであり、最大周波数は２８．１６ｋＨｚである。バック・メインスイッチＱ１が臨界通電モードで駆動されるにもかかわらず、電流Ｉ_LEDはコンデンサＣ２およびＣ３の作用に基づき決して０には降下しない。この実施例において、電流Ｉ_LEDの最小値は６０ｍＡであり、最大値は１３０ｍＡである。

図２の記録は２ｍｓの時間単位の解像度で行われたが、図３に示されている解像度は２０μｓの時間単位である。図３には、電流Ｉ_LEDおよびバック・メインスイッチＱ１のコレクタ・エミッタ電圧Ｕ_ceの時間経過が示されている。電圧Ｕ_ceの時間経過においてはっきりと見て取れるように、バック・メインスイッチＱ１のスイッチオン時間ｔ_onは約２μｓであり、スイッチオフ時間ｔ_offは約３８μｓである。電流Ｉ_LEDの時間経過において三角形の角が丸まっていることはコンデンサＣ２およびＣ３の作用に起因する。

Claims

少なくとも１つのＬＥＤに電流を供給するバック・コンバータであって、
直流電圧源に接続するための第１の入力端子（Ｅ１）および第２の入力端子（Ｅ２）を備えた入力側と、
少なくとも１つのＬＥＤに接続するための第１の出力端子（Ａ１）および第２の出力端子（Ａ２）を備えた出力側と、
バック・ダイオード（Ｄ２）と、
バック・チョークコイル（ＴＲ１，ｗ１）と、
制御電極および作動電極および基準電極を備えたバック・メインスイッチ（Ｑ１）と、
前記バック・チョークコイル（ＴＲ１，ｗ１）と結合されている第１の補助コイル（ＴＲ１，ｗ３）と、
前記バック・メインスイッチ（Ｑ１）に直列に、前記バック・ダイオード（Ｄ２）および前記バック・メインスイッチ（Ｑ１）によって規定される接続点（ＶＰ１）と前記第２の入力端子（Ｅ２）との間に接続されている電流測定抵抗（Ｒ６）と、
前記バック・メインスイッチ（Ｑ１）をスイッチオフするための第１の補助スイッチ（Ｑ３）と、
を有し、
前記バック・ダイオード（Ｄ２）および前記バック・メインスイッチ（Ｑ１）は前記第１の入力端子（Ｅ１）と前記第２の入力端子（Ｅ２）との間に直列に接続されており、前記バック・ダイオード（Ｄ２）と前記バック・メインスイッチ（Ｑ１）との間の接続点（ＶＰ１）は第２の出力端子（Ａ２）と接続されており、
前記バック・チョークコイル（ＴＲ１，ｗ１）の第１の端子は前記第１の入力端子（Ｅ１）と接続されており、前記バック・チョークコイル（ＴＲ１，ｗ１）の第２の端子は前記第１の出力端子（Ａ１）と接続されており、
前記第１の補助コイル（ＴＲ１，ｗ３）は前記第２の入力端子（Ｅ２）と接続されている第１の端子と、前記バック・メインスイッチ（Ｑ１）の制御電極と接続されている第２の端子とを有し、前記第１の補助コイル（ＴＲ１，ｗ３）は、前記バック・メインスイッチ（Ｑ１）に電流を流す際に、前記第１の補助コイル（ＴＲ１，ｗ３）を介して電流が前記バック・メインスイッチ（Ｑ１）の制御電極に供給されるように前記バック・チョークコイル（ＴＲ１，ｗ１）と結合され、
前記第１の補助スイッチ（Ｑ３）は制御電極および作動電極および基準電極を有し、前記第１の補助スイッチ（Ｑ３）の基準電極は前記第２の入力端子（Ｅ２）と接続されており、前記第１の補助スイッチ（Ｑ３）の制御電極は前記電流測定抵抗（Ｒ６）と接続されている、
ことを特徴とする、バック・コンバータ。
バック・コンバータはさらに時限素子（Ｃ１，Ｒ３）を有し、該時限素子（Ｃ１，Ｒ３）は前記電流測定抵抗（Ｒ６）と前記第１の補助スイッチ（Ｑ３）の制御電極との間に接続されている、請求項１記載のバック・コンバータ。
前記第１の補助コイル（ＴＲ１，ｗ３）の第２の端子と前記バック・メインスイッチ（Ｑ１）の制御電極との間に第１のオーム抵抗（Ｒ１）が接続されている、請求項１または２記載のバック・コンバータ。
前記第１のオーム抵抗（Ｒ１）と前記バック・メインスイッチ（Ｑ１）の制御電極との間の接続点は第２のオーム抵抗（Ｒ２）を介して前記第２の入力端子（Ｅ２）と接続されている、請求項３記載のバック・コンバータ。
前記バック・メインスイッチ（Ｑ１）の制御電極は、前記第１の補助スイッチ（Ｑ３）の作動電極と接続されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のバック・コンバータ。
バック・コンバータはさらに、バック・コンバータを始動させるための第２の補助スイッチ（Ｑ２）を有し、該第２の補助スイッチ（Ｑ２）は制御電極および作動電極および基準電極を有し、前記第２の補助スイッチ（Ｑ２）の基準電極は前記第１の入力端子（Ｅ１）と接続されており、前記第２の補助スイッチ（Ｑ２）の制御電極は第３のオーム抵抗（Ｒ５）を介して前記第２の入力端子（Ｅ２）と接続されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のバック・コンバータ。
前記第２の補助スイッチ（Ｑ２）の作動電極は第４のオーム抵抗（Ｒ８）を介して前記第１の補助スイッチ（Ｑ３）の作動電極と接続されている、請求項６記載のバック・コンバータ。
バック・コンバータはさらに、前記バック・チョークコイルと結合されている第２の補助コイル（ＴＲ１，ｗ２）を有し、該第２の補助コイル（ＴＲ１，ｗ２）は前記第１の入力端子（Ｅ１）と接続されている第１の端子と、前記第２の補助スイッチ（Ｑ２）の制御電極と接続されている第２の端子とを有する、請求項６または７記載のバック・コンバータ。
前記第２の補助コイル（ＴＲ１，ｗ２）の第２の端子と前記第２の補助スイッチ（Ｑ２）の制御電極との間には第５のオーム抵抗（Ｒ７）が接続されている、請求項８記載のバック・コンバータ。
前記第２の補助コイル（ＴＲ１，ｗ２）の第２の端子と前記第５のオーム抵抗（Ｒ７）との間にはダイオード（Ｄ１）が直列に接続されている、請求項９記載のバック・コンバータ。
前記第２の補助コイル（ＴＲ１，ｗ２）は、前記バック・チョークコイル（ＴＲ１，ｗ１）の消磁フェーズの間に電流が前記第２の補助スイッチ（Ｑ２）の制御電極に供給されて前記第２の補助スイッチ（Ｑ２）が阻止されるように前記バック・チョークコイル（ＴＲ１，ｗ１）と結合されている、請求項８から１０までのいずれか１項記載のバック・コンバータ。
前記第１の出力端子（Ａ１）と前記第２の出力端子（Ａ２）との間に少なくとも１つのコンデンサ（Ｃ２；Ｃ３）が接続されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載のバック・コンバータ。