JP5417869B2

JP5417869B2 - 電力供給装置

Info

Publication number: JP5417869B2
Application number: JP2009022415A
Authority: JP
Inventors: 研吾木村; 真司麻生
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2009-02-03
Filing date: 2009-02-03
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2029-02-03
Also published as: CN101795518A; TW201037937A; KR101086737B1; CN101795518B; US8188617B2; KR20100089742A; TWI406469B; JP2010183656A; US20100194199A1

Description

本発明は、並列に接続された複数の負荷に流れる電流を均衡化させるための電力供給装置に関する。

従来、直列に接続された複数のＬＥＤ（Light Emitting Diode）を点灯させるＬＥＤ点灯装置として、例えば特許文献１が知られている。

特許文献１に開示された発光素子駆動装置は、図３に示すように、直流電源Ｖｄｄ、昇圧回路２７、発光素子(ＬＥＤ)２１〜２６が接続される端子Ｐ２３〜Ｐ２５に一端が接続され、時分割信号Ｓ１〜Ｓ３に応じてオン／オフするシンクドライバ１２〜１４と、シンクドライバ１２〜１４に並列に接続され、シンクドライバ１２〜１４がオフの時にＬＥＤ２１〜２６が発光するに至らない程度の電流を流すためのバイパス手段１５〜１７と、選択回路１８とを備える。

選択回路１８は、シンクドライバ１２〜１４のうち１つのドレイン−ソース間電圧やＬＥＤ２１〜２６のうちの１ラインに流れる電流を検出して、制御回路１１はコンバータ回路２７の出力電圧を制御する。

発光素子駆動装置では、ＬＥＤ２１〜２６を点灯させる期間には、シンクドライバ１２〜１４が必要な電流を引き込んでＬＥＤ２１〜２６に電流を流し、ＬＥＤ２１〜２６を消灯させる期間には、シンクドライバ１２〜１４が電流の引き込みを停止するとともに、微小電流をバイパス手段１５〜１７でバイパスさせる。これにより、コンバータ回路２７の出力電圧の跳ね上がりを防止している。

なお、従来の技術として、例えば特許文献２、特許文献３が知られている。

特開２００３−３３２６２４号公報特開平１１−６７４７１号公報特開２００２−８４０９号公報

上述した発光素子駆動装置では、昇圧リアクトルＬ２７と高周波スイッチＱ２７を用いて昇圧された高周波電圧を生成し、昇圧された高周波電圧をダイオードＤ２７と電解コンデンサＣ２７とにより整流平滑して、昇圧された直流電圧をＬＥＤ２１〜２６に印加している。

また、ＬＥＤには順方向電圧Ｖｆのバラツキがあるため、ＬＥＤ２１〜２６の並列接続では、電流がバランスしない。このため、定電流回路（カレントミラー回路）からなるシンクドライバ１２〜１４に、Ｖｆのバラツキに応じて、異なる電圧を印加させることにより、ＬＥＤ２１〜２６の電流をバランスさせている。このため、シンクドライバ１２〜１４では、印加された電圧に応じた損失が発生し、高効率を実現することができなかった。

本発明の課題は、負荷に流れる電流バランス回路における損失低減を実現し高効率化を実現できる電力供給装置を提供することにある。

請求項１の発明の電力供給装置は、変圧器を含む直列共振回路と、前記直列共振回路に電流を流すための複数のスイッチング素子と、前記直列共振回路の出力に接続され、第１電流が流れる第１負荷に一端が接続された第１の一次巻線と前記第１の一次巻線に電磁結合された第１の二次巻線とを有する第１変圧器と、前記直列共振回路の出力に接続され、前記第１電流と略１８０度の位相差の交流成分を有する第２電流が流れる第２負荷に一端が接続された第２の一次巻線と前記第２の一次巻線に電磁結合された第２の二次巻線とを有する第２変圧器と、前記第１の二次巻線と前記第２の二次巻線と電流平滑手段との直列回路と、前記直列回路に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の出力に応じて前記複数のスイッチング素子をオン／オフさせる制御手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、第１の二次巻線と第２の二次巻線と電流平滑手段との直列回路に電流を流すことにより、第１電流と第２電流とを均衡化すること
ができる。従って、負荷に流れる電流バランス回路における損失低減を実現し高効率化を実現できる。

本発明の実施例１の電流均衡化装置を備えた電力供給装置の構成を示すブロック図である。本発明の実施例１の電流均衡化装置を備えた電力供給装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。従来のＬＥＤ点灯装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態の電流均衡化装置及び電流均衡化方法並びに電力供給装置
を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１に係る電流均衡化装置を備えた電力供給装置の構成を示すブロック図である。実施例１では、この電流均衡化装置を備えた電力供給装置を、ＬＥＤ点灯装置に適用した例を示している。

図１において、直流電源Ｖｉｎの両端には、ＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子Ｑ１とＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子Ｑ２との直列回路が接続されている。スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２との接続点には、トランスＴの一次巻線Ｎｐと電流共振コンデンサＣｒｉとの直列共振回路が接続されている。トランスＴは、リーケージインダクタンスを有する。

トランスＴの二次巻線Ｎｓの一端には、直列に接続された複数のＬＥＤ２１ａ〜２１ｅと、直列に接続された複数のＬＥＤ２２ａ〜２２ｅと、フライホイールダイオードＤ１０が接続されている。

トランスＴの二次巻線Ｎｓの他端には、直列に接続された複数のＬＥＤ２３ａ〜２３ｅと、直列に接続された複数のＬＥＤ２４ａ〜２４ｅと、フライホイールダイオードＤ１１が接続されている。

ＬＥＤ２１ｅのカソードにはトランスＴ３（本発明の第１変圧器に対応）の一次巻線Ｐ１の一端が接続され、一次巻線Ｐ１の他端は接地されている。ＬＥＤ２２ｅのカソードにはトランスＴ２の一次巻線Ｐ４（本発明の第１変圧器に対応）の一端が接続され、一次巻線Ｐ２の他端は接地されている。

ＬＥＤ２３ｅのカソードにはトランスＴ３（本発明の第２変圧器に対応）の一次巻線Ｐ３の一端が接続され、一次巻線Ｐ３の他端は接地されている。ＬＥＤ２４ｅのカソードにはトランスＴ４の一次巻線Ｐ４の一端が接続され、一次巻線Ｐ４の他端は接地されている。

トランスＴ１の二次巻線Ｓ１とトランスＴ２の二次巻線Ｓ２とトランスＴ３の二次巻線Ｓ３とトランスＴ４の二次巻線Ｓ４と抵抗ＲｓとリアクトルＬ１とは直列に接続されて閉ループからなる定電流回路を構成している。この定電流回路は、その作用からバランス回路と換言しても良い。リアクトルＬ１は、本発明の電流平滑手段であり、定電流回路に流れる電流を平滑する。なお、後述する電流均衡化作用のために、平滑化後の電流には交流成分を残すように構成する。

抵抗Ｒｓと二次巻線Ｓ４との接続点は、接地されている。抵抗Ｒｓは、電流検出回路を構成している。抵抗ＲｓとリアクトルＬ１との接続点には、抵抗Ｒ３とコンデンサＣ３との直列回路が接続されている。この直列回路は、交流成分を含む電圧を直流電圧に変換する。

ＰＦＭ回路１は、コンデンサＣ３の電圧と基準電圧Ｖｒｅｆとを比較することによりパルス信号を生成するとともに、コンデンサＣ３の電圧に応じてパルス信号の周波数を変化させる。

インバータ２は、ＰＦＭ回路１からのパルス信号を反転させて、ハイサイドドライバ４に出力する。ローサイドドライバ３は、ＰＦＭ回路１からのパルス信号に応じてスイッチング素子Ｑ１をオン／オフさせ、ハイサイドドライバ４は、インバータ２からの反転されたパルス信号に応じてスイッチング素子Ｑ２をオン／オフさせる。

即ち、スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２とを交互にオン／オフさせるとともに、パルス信号の周波数に応じて、ＬＥＤ２１ａ〜２１ｅ、ＬＥＤ２２ａ〜２２ｅ、ＬＥＤ２３ａ〜２３ｅ、ＬＥＤ２４ａ〜２４ｅへの入力電圧を制御する。

次に、このように構成される本発明の実施例１のＬＥＤ点灯装置の動作を、図２に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。

図２において、Ｑ１ｖは、スイッチング素子Ｑ１のドレイン−ソース間電圧、Ｑ１ｉは、スイッチング素子Ｑ１のドレインに流れる電流、Ｑ２ｖは、スイッチング素子Ｑ２のドレイン−ソース間電圧、Ｑ２ｉは、スイッチング素子Ｑ２のドレインに流れる電流、Ｄ１０ｉは、フライホイールダイオードＤ１０に流れる電流、Ｄ１１ｉは、フライホイールダイオードＤ１１に流れる電流である。

まず、時刻ｔ０において、スイッチング素子Ｑ１がオフ状態のときに、スイッチング素子Ｑ２がオンすると、Ｖｉｎ（正極）→Ｑ２→Ｎｐ→Ｃｒｉ→Ｖｉｎ（負極）の経路で電流Ｑ２ｉがマイナスから流れはじめ、時間とともに増加していく。また、このとき電流共振コンデンサＣｒｉが、充電される。

このとき、トランスＴの二次巻線Ｎｓにも電圧が発生するため、この電圧により、Ｎｓの一端→ＬＥＤ２１ａ〜２１ｅ（及びＬＥＤ２２ａ〜２２ｅ）→Ｐ１（Ｐ２）→Ｄ１１→Ｎｓの他端の経路でトランス電流Ｎｓｉ、ＬＥＤ電流及び電流Ｄ１１ｉが流れる。

次に、時刻ｔ１において、スイッチング素子Ｑ２がオフし、スイッチング素子Ｑ１がオンすると、一次巻線Ｎｐに逆方向の電圧が発生し、Ｃｒｉ→Ｎｐ→Ｑ１→Ｃｒｉの経路で、電流Ｑ１ｉがマイナスから流れはじめ、時間とともに増加していく。また、このとき電流共振コンデンサＣｒｉが放電していく。

このとき、トランスＴの二次巻線Ｎｓにも一次巻線Ｎｐに発生した逆方向の電圧に応じた電圧が発生するため、この電圧により、Ｎｓの他端→ＬＥＤ２３ａ〜２３ｅ（及びＬＥＤ２４ａ〜２４ｅ）→Ｐ３（Ｐ４）→Ｄ１０→Ｎｓの一端の経路でトランス電流Ｎｓｉ、ＬＥＤ電流及び電流Ｄ１０ｉが流れる。

即ち、ＬＥＤ２３ａ〜２３ｅとＰ３（及びＬＥＤ２４ａ〜２４ｅとＰ４）には、ＬＥＤ２１ａ〜２１ｅとＰ１（及びＬＥＤ２２ａ〜２２ｅとＰ２）に流れる電流と略１８０度の位相差の交流成分を有する電流が流れる。
なお、時刻ｔ２以降の動作は、時刻ｔ０〜ｔ２までの動作と同様であるので、その説明は、省略する。

次に、本実施例に係る電流均衡化方法について説明する。

上記のように、時刻ｔ０において、ＬＥＤ２１ａ〜２１ｅ及びトランスＴ１の一次巻線Ｐ１に等しいＬＥＤ電流が流れる。このとき、一次巻線Ｐ１にはＬＥＤ電流に基づく
磁束が発生し、一次巻線Ｐ１の磁束に基づき、トランスＴ１の二次巻線Ｓ１にはＬＥＤ電流に基づく磁束が発生し、二次巻線Ｓ１の磁束に基づく電流が、閉ループからなる定電流回路に流れる。

一方、時刻ｔ０において、同様にＬＥＤ２２ａ〜２２ｅ及びトランスＴ２の一次巻線
Ｐ２に等しいＬＥＤ電流が流れる。このとき、一次巻線Ｐ２にはＬＥＤ電流に基づく磁束が発生し、一次巻線Ｐ２の磁束に基づき、トランスＴ２の二次巻線Ｓ２にはＬＥＤ電流に基づく磁束が発生し、二次巻線Ｓ２の磁束に基づく電流が、閉ループからなる定電流回路に流れる。

また、時刻ｔ１において、ＬＥＤ２３ａ〜２３ｅ及びトランスＴ３の一次巻線Ｐ３に等しいＬＥＤ電流が流れる。このとき、一次巻線Ｐ３にはＬＥＤ電流に基づく磁束が発生し、一次巻線Ｐ３の磁束に基づき、トランスＴ３の二次巻線Ｓ３にも磁束が発生し、二次巻線Ｓ３の磁束に基づく電流が、閉ループからなる定電流回路に流れる。

一方、時刻ｔ１において、同様にＬＥＤ２４ａ〜２４ｅ及びトランスＴ４の一次巻線
Ｐ４に等しいＬＥＤ電流が流れる。このとき、一次巻線Ｐ４にはＬＥＤ電流に基づく磁束が発生し、一次巻線Ｐ４の磁束に基づき、トランスＴ４の二次巻線Ｓ４にはＬＥＤ電流に基づく磁束が発生し、二次巻線Ｓ４の磁束に基づく電流が、閉ループからなる定電流回路に流れる。

二次巻線Ｓ１〜Ｓ４に発生する磁束に基づく電流は全て、閉ループからなる定電流回路に流れるため、これらの電流は、本来それぞれの大きさが異なる場合であっても一定の値に均衡化（均一化）される。そのため、二次巻線Ｓ１〜Ｓ４に発生する磁束が、均衡化（均一化）されることにより、一次巻線Ｐ１〜Ｐ４に発生する磁束をも均衡化（均一化）させるように作用する。その結果、ＬＥＤ２１ａ〜２１ｅと一次巻線Ｐ１、ＬＥＤ２２ａ〜２２ｅと一次巻線Ｐ２、ＬＥＤ２３ａ〜２３ｅと一次巻線Ｐ３、及びＬＥＤ２４ａ〜２４ｅと一次巻線Ｐ４を流れるＬＥＤ電流は均衡化（均一化）される。

以上のように構成された実施例１のＬＥＤ点灯装置によれば、一次巻線Ｐ１〜Ｐ４のそれぞれに流れる電流は、均衡化（均一化）される。また、リアクトルＬ１の働きにより、ＬＥＤ電流が平滑化される。従って、複数のＬＥＤ２１ａ〜２１ｅ、ＬＥＤ２２ａ〜２２ｅ、ＬＥＤ２３ａ〜２３ｅ、ＬＥＤ２４ａ〜２４ｅが均一に発光される。

また、従来のような定電流ドライバからなるシンクドライバ１２〜１４を用いていないため、バランス回路における損失を低減できるので、高効率化を図ることができる。また、実施例１では、ＰＦＭ回路１が、電流検出回路で検出された電流に応じた電圧と基準電源Ｖｒｅｆとの電圧とを比較することにより、スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２とを交互にオン／オフさせて、ＬＥＤ２１ａ〜２１ｅ、ＬＥＤ２２ａ〜２２ｅ、ＬＥＤ２３ａ〜２３ｅ、ＬＥＤ２４ａ〜２４ｅへの入力電圧を制御しているので、従来のような寿命が短い電解コンデンサＣ２７が不要となる。従って、ＬＥＤ点灯装置を低価格化、小型化及び長寿命化することができる。
なお、本発明は、上述した実施例１のＬＥＤ点灯装置に限定されるものではない。上述した実施例１のＬＥＤ点灯装置では、トランスＴの二次巻線Ｎｓの一端側に直列に接続された複数のＬＥＤを２個並列に接続し、二次巻線Ｎｓの他端側に直列に接続された複数のＬＥＤを２個並列に接続したが、二次巻線Ｎｓの一端側の複数のＬＥＤの並列接続数と二次巻線Ｎｓの他端側の複数のＬＥＤの並列接続数は、同数であれば良く、例えば、１個、あるいは３個以上であっても良い。

本発明は、例えば液晶ディスプレイのバックライトとして使用されるＬＥＤを点灯させるためのＬＥＤ点灯装置に適用可能である。

１ＰＦＭ回路
２インバータ
３ローサイドドライバ
４ハイサイドドライバ
Ｖｉｎ直流電源
Ｑ１，Ｑ２スイッチング素子
Ｄ１０，Ｄ１１フライホイ−ルダイオード
Ｃｒｉ電流共振コンデンサ
Ｌ１リアクトル
Ｔ，Ｔ１〜Ｔ４トランス
Ｎｐ，Ｐ１〜Ｐ４一次巻線
Ｎｓ，Ｓ１〜Ｓ４二次巻線
２１ａ〜２１ｅ，２２ａ〜２２ｅ，２３ａ〜２３ｅ，２４ａ〜２４ｅＬＥＤ
Ｖｒｅｆ基準電源

Claims

変圧器を含む直列共振回路と、
前記直列共振回路に電流を流すための複数のスイッチング素子と、
前記直列共振回路の出力に接続され、第１電流が流れる第１負荷に一端が接続された第１の一次巻線と前記第１の一次巻線に電磁結合された第１の二次巻線とを有する第１変圧器と、
前記直列共振回路の出力に接続され、前記第１電流と略１８０度の位相差の交流成分を有する第２電流が流れる第２負荷に一端が接続された第２の一次巻線と前記第２の一次巻線に電磁結合された第２の二次巻線とを有する第２変圧器と、
前記第１の二次巻線と前記第２の二次巻線と電流平滑手段との直列回路と、
前記直列回路に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段の出力に応じて前記複数のスイッチング素子をオン／オフさせる制御手段と、
を備えることを特徴とする電力供給装置。