JP5658503B2

JP5658503B2 - 電源装置及びこの電源装置を備えた照明装置

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Publication number: JP5658503B2
Application number: JP2010168622A
Authority: JP
Inventors: 正徳三嶋
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2010-07-27
Filing date: 2010-07-27
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2030-07-27
Also published as: JP2012029535A

Description

本発明は、電源装置及びこの電源装置を備えた照明装置に関するものである。

従来から、図６に示すように、入力された交流電力を全波整流するダイオードブリッジ２１と、ダイオードブリッジ２１の直流出力を平滑及び電圧変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータ３０とを備える電源装置が提供されている（例えば、特許文献１参照）。ダイオードブリッジ２１は、ＬＣ型のローパスフィルタ２０を介して交流電源６に接続されている。

上記のＤＣ−ＤＣコンバータ３０は、ダイオードブリッジ２１の直流出力端間に接続された２個の入力コンデンサＣａ，Ｃｂの直列回路と、アノードがダイオードブリッジ２１の高電圧側の直流出力端に接続された第１ダイオードＤａと、カソードがダイオードブリッジ２１の低電圧側の直流出力端に接続された第２ダイオードＤｂと、第１ダイオードＤａのカソードと第２ダイオードＤｂとの間に接続された２個のスイッチング素子Ｑａ，Ｑｂの直列回路と、それぞれ１個ずつのスイッチング素子Ｑａ，Ｑｂに並列に且つダイオードブリッジ２１の出力電圧に対して逆向きに接続された２個のダイオードＤｃ，Ｄｄと、入力コンデンサＣａ，Ｃｂの接続点とスイッチング素子Ｑａ，Ｑｂの接続点との間に接続されたインダクタＬ０と、２個のスイッチング素子Ｑａ，Ｑｂの直列回路に並列に接続された出力コンデンサＣ０と、各スイッチング素子Ｑａ，Ｑｂを交互にオンオフ駆動する制御回路（図示せず）とを備え、出力コンデンサＣ０の両端が出力端として負荷Ｚに接続される。

上記のＤＣ−ＤＣコンバータ３０の動作を説明する。上記の制御回路が各スイッチング素子Ｑａ，Ｑｂを交互にオンオフする周波数は、ダイオードブリッジ２１に入力される交流電力の周波数に対して充分に高くされる。すなわち、上記オンオフの１周期中にはダイオードブリッジ２１の直流出力電圧は変化しないものと見なすことができる。

まず、低電圧側のスイッチング素子Ｑｂがオフ状態に維持されたまま、高電圧側のスイッチング素子Ｑａがオンされる。すると、ダイオードブリッジ２１→第１ダイオードＤａ→高電圧側のスイッチング素子Ｑａ→インダクタＬ０→低電圧側の入力コンデンサＣｂ→ダイオードブリッジ２１の経路で電流が流れ、この間、インダクタＬ０にエネルギーが蓄積される。また、低電圧側の入力コンデンサＣｂが充電される。２個の入力コンデンサＣａ，Ｃｂの両端電圧はダイオードブリッジ２１の直流出力端間の電圧に等しいから、低電圧側の入力コンデンサＣｂの充電に伴って高電圧側の入力コンデンサＣａは放電される。

次に、高電圧側のスイッチング素子Ｑａがオフされる。すると、インダクタＬ０に蓄積されたエネルギーが回生され、インダクタＬ０→高電圧側の入力コンデンサＣａ→第１ダイオードＤａ→出力コンデンサＣ０→低電圧側のスイッチング素子Ｑｂに並列に接続されたダイオードＤｄ→インダクタＬ０のループで流れる電流により、出力コンデンサＣ０が充電される。この間、高電圧側の入力コンデンサＣａはさらに放電され、これに伴って低電圧側の入力コンデンサＣｂがさらに充電される。

次に、高電圧側のスイッチング素子Ｑａがオフ状態に維持されたまま、低電圧側のスイッチング素子Ｑｂがオンされる。すると、ダイオードブリッジ２１→高電圧側の入力コンデンサＣａ→インダクタＬ０→低電圧側のスイッチング素子Ｑｂ→第２ダイオードＤｂ→ダイオードブリッジ２１の経路で電流が流れ、この間、インダクタＬ０にエネルギーが蓄積される。また、高電圧側の入力コンデンサＣａが充電され、これに伴って低電圧側の入力コンデンサＣｂは放電される。

次に、低電圧側のスイッチング素子Ｑｂがオフされる。すると、インダクタＬ０に蓄積されたエネルギーが回生され、インダクタＬ０→高電圧側のスイッチング素子Ｑａに並列に接続されたダイオードＤｃ→出力コンデンサＣ０→第２ダイオードＤｂ→低電圧側の入力コンデンサＣｂ→インダクタＬ０のループで流れる電流により、出力コンデンサＣ０が充電される。この間、低電圧側の入力コンデンサＣｂはさらに放電され、これに伴って高電圧側の入力コンデンサＣａがさらに充電される。

以下、同様の動作が繰り返されることで、２個の入力コンデンサＣａ，Ｃｂの直列回路の両端電圧が昇圧された電圧が、出力端（すなわち出力コンデンサＣ０の両端）から出力される。

上記のＤＣ−ＤＣコンバータ３０の出力端間に接続される負荷Ｚは、例えばＤＣ−ＤＣコンバータ３０の出力電力を変換することで生成した交流電力によって放電灯を点灯させるインバータ回路である。

特許第２６７７４０６号公報

しかし、上記のＤＣ−ＤＣコンバータ３０は非絶縁型である。

また、トランスを用いて絶縁性を確保しようとする場合において、トランスの二次側に発生する出力電圧を検出してこれを一定に維持するようにトランスの一次側で制御を行うことを考える。すると、絶縁性を維持しつつ、トランスの二次側で検出された出力電圧の情報をトランスの一次側に伝達するには、フォトカプラを用いる必要がある。

本発明は、上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、絶縁型であって且つフォトカプラを必要としない電源装置及びこの電源装置を備えた照明装置を提供することにある。

本発明の電源装置は、入力された交流電力を全波整流するダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジの直流出力端間に接続された２個の入力コンデンサの直列回路と、前記ダイオードブリッジの直流出力端間に接続された２個のスイッチング素子の直列回路と、前記入力コンデンサ間の接続点と前記スイッチング素子間の接続点との間に接続された一次巻線とタップを有する二次巻線とを有するトランスと、それぞれアノードが前記二次巻線の一端ずつに接続された２個の出力ダイオードと、各前記出力ダイオードのカソードに一端が接続されるとともに他端が前記二次巻線のタップに接続された出力コンデンサと、前記２個のスイッチング素子の直列回路に並列に接続されたスナバコンデンサと、前記スナバコンデンサの両端電圧の波形を、前記ダイオードブリッジの直流出力電圧の波形に対して相似とするように、２個の前記スイッチング素子を交互にオンオフ駆動する制御回路とを備えることを特徴とする。

また、本発明の別の電源装置は、入力された交流電力を全波整流するダイオードブリッジと、出力コンデンサと、スナバコンデンサと、それぞれ前記ダイオードブリッジの直流出力を電源として前記出力コンデンサと前記スナバコンデンサとを充電する２個の充電回路と、各充電回路をそれぞれ制御する制御回路とを備え、前記各充電回路は、それぞれ、スイッチング素子と、一次巻線が前記スイッチング素子との直列回路として前記ダイオードブリッジの出力端間に接続されるとともに二次巻線が出力ダイオードを介して前記出力コンデンサに接続されたトランスと、前記トランスの一次巻線と前記スナバコンデンサとの直列回路として前記ダイオードブリッジの直流出力端間に接続されたダイオードとを有し、前記制御回路は、前記スナバコンデンサの両端電圧の波形を、前記ダイオードブリッジの直流出力電圧の波形に対して相似とするように、２個の前記スイッチング素子を交互にオンオフ駆動することを特徴とする。

上記の電源装置において、前記スナバコンデンサのキャパシタンスは前記出力コンデンサのキャパシタンスの１００分の１以下であることが望ましい。

また、本発明の照明装置は、上記いずれかの電源装置と、前記電源装置の出力電力により点灯される電気的光源とを備えることを特徴とする。

この照明装置において、前記電気的光源として固体発光素子を備えることが望ましい。

本発明によれば、トランスにより入出力間の絶縁が達成される。また、トランスの二次側の電圧の検出ではなく、ともにトランスの一次側であるダイオードブリッジの出力電圧とスナバコンデンサの両端電圧との比較により制御が行われるので、フォトカプラが不要となっている。

本発明の実施形態１を示す回路ブロック図である。同上における第１ダイオードに流れる電流Ｉｄ１と第２ダイオードに流れる電流Ｉｄ２とダイオードブリッジの出力電流Ｉｄｂとの時間変化を示す説明図である。同上におけるダイオードブリッジの直流出力電圧Ｖｄｂとダイオードブリッジへの入力電流Ｉｉｎとの時間変化を示す説明図である。本発明の実施形態２を示す回路ブロック図である。同上を用いた照明装置の一例を示す分解斜視図である。従来例を示す回路ブロック図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施形態１）
本実施形態の電源装置は、図１に示すように、ＬＣ型のローパスフィルタ２０を介して交流電源６から入力された交流電力を全波整流するダイオードブリッジ２１を備える。

また、本実施形態は、ダイオードブリッジ２１の直流出力端間に互いに直列に接続された２個の入力コンデンサＣ１，Ｃ２を備える。さらに、本実施形態は、ダイオードブリッジ２１の高電圧側の直流出力端にアノードが接続された第１ダイオードＤ１と、ダイオードブリッジ２１の低電圧側の直流出力端にカソードが接続された第２ダイオードＤ２と、第１ダイオードＤ１のカソードと第２ダイオードＤ２との間に互いに直列に接続された２個のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、入力コンデンサＣ１，Ｃ２の接続点とスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続点との間に一次巻線が接続されたトランスＴ１と、各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を交互にオンオフ駆動する制御回路３とを備える。各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、それぞれ寄生ダイオードを有する例えばＭＯＳＦＥＴからなり、寄生ダイオードの向きをダイオードブリッジ２１の直流出力の向きに対して逆向きとして接続されている。

さらに、本実施形態は、トランスＴ１を介して伝送された電力により充電され、両端が出力端として発光ダイオード４などの負荷に接続される出力コンデンサＣ３を備える。出力コンデンサＣ３は例えば電解コンデンサからなる。トランスＴ１の二次巻線にはタップが設けられており、タップに出力コンデンサＣ３の一端が接続されている。さらに、本実施形態は、それぞれアノードがトランスＴ１の二次巻線の一端ずつに接続された２個の出力ダイオードＤ３，Ｄ４を備え、各出力ダイオードＤ３，Ｄ４のカソードはそれぞれ出力コンデンサＣ３の他端に接続されている。そして、出力コンデンサＣ３において、トランスＴ１の二次巻線のタップに接続された上記一端が低電圧側の出力端となり、各出力ダイオードＤ３，Ｄ４のカソードに接続された上記他端が高電圧側の出力端となる。

本実施形態において、出力コンデンサＣ３の両端間には、負荷として固体発光素子の一種である発光ダイオード４が接続されている。ダイオードブリッジ２１の出力電圧の実効値から発光ダイオード４に適した電圧への降圧は、トランスＴ１の巻数比により達成されている。なお、発光ダイオード４に代えて例えば有機ＥＬ（図示せず）を接続してもよい。上記のように電気的光源として発光ダイオード４や有機ＥＬのような固体発光素子を用いれば、電気的光源として白熱灯や放電灯を用いる場合に比べて光束当りの消費電力を低減することができる。

制御回路３は、ダイオードブリッジ２１に入力される交流電力の周波数よりも充分に高い周波数で、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を交互にオンオフ駆動する。この結果、第１ダイオードＤ１に流れる電流Ｉｄ１と、第２ダイオードＤ２に流れる電流Ｉｄ２と、ダイオードブリッジ２１への入力電流（すなわちダイオードブリッジ２１からの出力電流）Ｉｄｂとはそれぞれ図２に示すような波形となる。ダイオードブリッジ２１への入力電流のうち、高周波の成分はローパスフィルタ２０の作用により減衰される。また、図３に示すように、ダイオードブリッジ２１への入力電流Ｉｉｎの包絡線の形状は、正負両側についてそれぞれダイオードブリッジ２１の直流出力（脈流出力）の電圧（以下、「整流電圧」と呼ぶ。）Ｖｄｂの波形と同様の正弦波状となる。

さらに、本実施形態は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の直列回路に並列に接続されたスナバコンデンサＣ４を備える。スナバコンデンサＣ４はスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオンオフ駆動時に発生するパルスを抑制するものであり、スナバコンデンサＣ４のキャパシタンスは出力コンデンサＣ３のキャパシタンスの１００分の１以下でよい。スナバコンデンサＣ４としてフィルムコンデンサを用いる場合には、スナバコンデンサＣ４として電解コンデンサを用いる場合に比べて小型化が可能である。

また、制御回路３は、スナバコンデンサＣ４の両端電圧（以下、「スナバ電圧」と呼ぶ。）Ｖｓｎの波形を、整流電圧Ｖｄｂの波形と相似にするように、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオンオフの周波数を随時変化させる。言い換えると、制御回路３は、スナバ電圧Ｖｓｎを、整流電圧Ｖｄｂの定数倍とするようにフィードバック制御する。

具体的には、制御回路３は、オペアンプＯＰ１と、オペアンプＯＰ１の出力電圧に応じた周波数の出力を生成する電圧制御発振回路３１と、電圧制御発振回路３１の出力をオンデューティ５０％の適宜電圧の矩形波に整形する矩形波生成回路３２とを有する。矩形波生成回路３２の出力は、低電圧側のスイッチング素子Ｑ２のゲートに直接入力されるとともに、否定回路３３を介して高電圧側のスイッチング素子Ｑ１のゲートに入力されている。これにより、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は電圧制御発振回路３１の出力の周波数で交互にオンオフ駆動される。

また、制御回路３において、オペアンプＯＰ１は、反転入力端子と出力端子とがコンデンサＣｆｂを介して接続されることで積分回路を構成している。さらに、オペアンプＯＰ１において、非反転入力端子には整流電圧Ｖｄｂが抵抗Ｒａ，Ｒｂにより分圧された電圧が抵抗Ｒｅを介して入力され、反転入力端子にはスナバ電圧Ｖｓｎが抵抗Ｒｃ，Ｒｄにより分圧された電圧が抵抗Ｒｆを介して入力されている。

すなわち、制御回路３は、スナバ電圧Ｖｓｎが整流電圧Ｖｄｂに対して低いほど、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオンオフの周波数（以下、「動作周波数」と呼ぶ。）を低くする。

本発明者の実験によれば、上記制御により、スナバ電圧Ｖｓｎの波形は整流電圧Ｖｄｂの波形と相似となり、出力コンデンサＣ３の両端電圧は略一定に維持された。

上記構成によれば、トランスＴ１により入出力間の絶縁が達成され、また、トランスＴ１の巻数比により、出力電圧を交流電源６からの入力電圧の実効値（以下、「実効入力電圧」と呼ぶ。）よりも低くすることができる。さらに、トランスＴ１の一次巻線に電流が流れると各入力コンデンサＣ１，Ｃ２の両端電圧がそれぞれ変化し、これに伴ってダイオードブリッジＤＢから電流が連続的に入力されるから、入力電流歪が改善される。

ここで、制御回路３が出力コンデンサＣ３の両端電圧を検出してこれを一定に維持するようにフィードバック制御を行う場合、トランスＴ１の一次側と二次側との間で絶縁性を確保するために、制御回路３と出力コンデンサＣ３との間にフォトカプラを挿入する必要がある。これに対し、本実施形態では、出力コンデンサＣ３の両端電圧の検出が行われていないので、フォトカプラが不要となっている。

なお、上記のように動作周波数を変更する代わりに、又は上記のような動作周波数の変更に加えて、一方のスイッチング素子Ｑ１のオン状態の継続時間の長さと他方のスイッチング素子Ｑ２のオン状態の継続時間の長さとの比率の変更により上記のフィードバック制御を実現してもよい。このような制御回路３は周知技術で実現可能であるので、詳細な図示並びに説明は省略する。

（実施形態２）
本実施形態は、図４に示すように、ローパスフィルタ２０を介して交流電源６から入力された交流電力を全波整流するダイオードブリッジ２１と、出力コンデンサＣ３と、スナバコンデンサＣ４とを備える。出力コンデンサＣ３の両端は負荷が接続される出力端となっており、本実施形態では実施形態１と同様に発光ダイオード４が接続されている。なお、発光ダイオード４に代えて有機ＥＬを接続してもよい。

さらに、本実施形態は、それぞれダイオードブリッジ２１の直流出力を電源として出力コンデンサＣ３とスナバコンデンサＣ４とを充電する２個の充電回路を備える。

各充電回路は、それぞれ、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４と、一次巻線がスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４との直列回路としてダイオードブリッジ２１の出力端間に接続されるとともに二次巻線が出力ダイオードＤ５，Ｄ６を介して出力コンデンサＣ３に接続されたトランスＴ２，Ｔ３と、トランスＴ２，Ｔ３の一次巻線とスナバコンデンサＣ４との直列回路としてダイオードブリッジ２１の直流出力端間に接続されたダイオードＤ７，Ｄ８とを有する。上記の各ダイオードＤ７，Ｄ８は、それぞれ、アノードがトランスＴ２，Ｔ３の一次巻線に接続され、カソードがスナバコンデンサＣ４に接続されている。

制御回路３は、実施形態１の制御回路３と同様の構成を有し、交流電源６から入力される交流電力の周波数に対して充分に高い周波数で、上記のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４を交互にオンオフする。すなわち、制御回路３は、スナバ電圧Ｖｓｎが整流電圧Ｖｄｂに対して低いほど、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４のオンオフの周波数（以下、「動作周波数」と呼ぶ。）を低くする。

上記構成によれば、トランスＴ１により入出力間の絶縁が達成される。

また、トランスＴ１の巻数比により、出力電圧を実効入力電圧よりも低くすることができる。

さらに、上記の充電回路を１個のみ備える場合に比べ、ダイオードブリッジＤＢからの入力電流がより連続的となるから、入力電流歪が改善される。

また、実施形態１と同じく、出力コンデンサＣ３の両端電圧が検出されていないからフォトカプラが不要である。

なお、上記のように動作周波数を変更する代わりに、又は上記のような動作周波数の変更に加えて、各スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４のオンデューティの変更（つまり、両方のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４がオフされる期間の長さの変更）により上記のフィードバック制御を実現してもよい。このような制御回路３は周知技術で実現可能であるので、詳細な図示並びに説明は省略する。

実施形態１や実施形態２の電源装置は、例えば図５に示すような照明装置７に用いることができる。図５の照明装置７は、電源装置の各回路部品をそれぞれ収納及び保持したケース７０と、矢印Ａ１で示すように収納されたケース７０を保持するとともに発光ダイオード４を保持する器具本体７１とを有する。上記のような照明装置７は周知技術で実現可能であるので、詳細な図示並びに説明は省略する。

３制御回路
４発光ダイオード（電気的光源、固体発光素子）
７照明装置
２１ダイオードブリッジ
Ｃ１，Ｃ２入力コンデンサ
Ｃ３出力コンデンサ
Ｃ４スナバコンデンサ
Ｄ３〜Ｄ６出力ダイオード
Ｄ７，Ｄ８ダイオード
Ｑ１〜Ｑ４スイッチング素子
Ｔ１〜Ｔ３トランス

Claims

入力された交流電力を全波整流するダイオードブリッジと、
前記ダイオードブリッジの直流出力端間に接続された２個の入力コンデンサの直列回路と、
前記ダイオードブリッジの直流出力端間に接続された２個のスイッチング素子の直列回路と、
前記入力コンデンサ間の接続点と前記スイッチング素子間の接続点との間に接続された一次巻線とタップを有する二次巻線とを有するトランスと、
それぞれアノードが前記二次巻線の一端ずつに接続された２個の出力ダイオードと、
各前記出力ダイオードのカソードに一端が接続されるとともに他端が前記二次巻線のタップに接続された出力コンデンサと、
前記２個のスイッチング素子の直列回路に並列に接続されたスナバコンデンサと、
前記スナバコンデンサの両端電圧の波形を、前記ダイオードブリッジの直流出力電圧の波形に対して相似とするように、２個の前記スイッチング素子を交互にオンオフ駆動する制御回路とを備えることを特徴とする電源装置。
入力された交流電力を全波整流するダイオードブリッジと、
出力コンデンサと、
スナバコンデンサと、
それぞれ前記ダイオードブリッジの直流出力を電源として前記出力コンデンサと前記スナバコンデンサとを充電する２個の充電回路と、各充電回路をそれぞれ制御する制御回路とを備え、
前記各充電回路は、それぞれ、スイッチング素子と、一次巻線が前記スイッチング素子との直列回路として前記ダイオードブリッジの出力端間に接続されるとともに二次巻線が出力ダイオードを介して前記出力コンデンサに接続されたトランスと、前記トランスの一次巻線と前記スナバコンデンサとの直列回路として前記ダイオードブリッジの直流出力端間に接続されたダイオードとを有し、
前記制御回路は、前記スナバコンデンサの両端電圧の波形を、前記ダイオードブリッジの直流出力電圧の波形に対して相似とするように、２個の前記スイッチング素子を交互にオンオフ駆動することを特徴とする電源装置。
前記スナバコンデンサのキャパシタンスは前記出力コンデンサのキャパシタンスの１００分の１以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電源装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源装置と、前記電源装置の出力電力により点灯される電気的光源とを備えることを特徴とする照明装置。
前記電気的光源として固体発光素子を備えることを特徴とする請求項４記載の照明装置。