JP5780718B2

JP5780718B2 - インバータ式電源装置及び照明器具

Info

Publication number: JP5780718B2
Application number: JP2010164753A
Authority: JP
Inventors: 悠一大島; 信介船山; 恵柏崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Electric Lighting Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Electric Lighting Corp
Priority date: 2010-07-22
Filing date: 2010-07-22
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2030-07-22
Also published as: JP2012029430A

Description

この発明は、電力用半導体素子の温度を検知して電力用半導体素子を保護する機能を有するインバータ式電源装置に関する。

従来より、例えば特許文献１のように電力用半導体素子の保護のために、設定された温度で接点の開閉動作を行うサーモスイッチを半導体近傍のヒートシンク上に設置し、設定温度を超えるとサーモスイッチの接点信号によりインバータ回路電流を遮断して、電力用半導体素子の過熱保護を行うものがある。実際にこの技術を用いて、ハロゲンランプの点灯制御回路では、サーマルプロテクタのような温度検知部品をインバータ回路のスイッチング素子近傍に配置し、スイッチング素子の発熱を検知してインバータ回路の発振を停止することで保護している。

特開昭６２−１４１９２２号公報

背景技術で述べたように、サーマルプロテクタのような温度検知部品を使用すると次のような課題がある。
（１）一般的にサーマルプロテクタのような温度検知部品は形状が大きいため、今日の小型化の要求に反する。
（２）発熱部品の温度を間接的に検出しているため、急激な温度上昇には追従出来ず、検知する前に故障する。

そこで、この発明は、電力用半導体素子の温度を検知して電力用半導体素子を保護する機能を有する電源装置において、簡易な構成で小型化を図ると共に、急激な温度上昇に追従可能な電源装置の提供を目的とする。

この発明のインバータ式電源装置は、
第一のスイッチング素子と第二のスイッチング素子との直列接続を有し、２つの前記スイッチング素子のスイッチングにより高周波電力を生成し、生成した前記高周波電力を光源に供給するインバータ回路と、
前記光源に供給する電流から前記第一のスイッチング素子及び前記第二のスイッチング素子に帰還する帰還電流を生成する電流帰還回路と、
高電位側の第一の抵抗と低電位側の第二の抵抗との直列接続からなる分圧部であって、前記第一の抵抗が前記電流帰還回路に接続され、分圧の対象となる対象電圧の分圧電圧を前記第一の抵抗と前記第二の抵抗との間に発生して出力すると共に、前記２つのスイッチング素子の発生する熱の吸熱による自身の温度上昇に伴って、前記分圧電圧が上昇する上昇特性と下降する下降特性とのいずれかの特性を有する分圧部と、
前記分圧部の出力する前記分圧電圧が所定の閾値に達すると、前記インバータ回路の起動電源と動作電源とを兼ねる電源回路に流れる電流を制限することによって前記インバータ回路の前記２つのスイッチング素子のスイッチング制御を開始して、前記インバータ回路の起動と停止とを繰り返すことで前記光源を明滅させる保護回路部と
を備えたことを特徴とする。

この発明の電源装置により、電力用半導体素子の温度を検知して電力用半導体素子を保護する機能を有するインバータ式電源装置において、簡易な構成で小型化を図ることができる。

実施の形態１における点灯装置１００の回路図。実施の形態１における第一の抵抗Ｒ１と第二の抵抗Ｒ２との抵抗値温度特性図。実施の形態１における第一の抵抗Ｒ１と第二の抵抗Ｒ２との別の抵抗値温度特性図。実施の形態１における点灯装置１００の保護動作の従来回路との相違を示す図。実施の形態１におけるスイッチング素子と温度検知部品との時間に対する温度上昇の関係を示す図。実施の形態３における点灯装置１００の回路図。図６における「矢印Ａ」、「矢印Ｂ」、「矢印Ｃ」で示す各箇所の電圧波形を示す図。実施の形態４における第一の抵抗Ｒ１、第二の抵抗Ｒ２とが逆特性の場合を示す図。実施の形態４における負荷電流に対する温度検知変化を示す図。

実施の形態１．
図１〜図５を参照して実施の形態１の点灯装置１００（インバータ式電源装置）を説明する。
図１は、実施の形態１における点灯装置１００の回路図である。

図１のように、点灯装置１００は、商用電源を全波整流する整流回路ａと、整流回路ａによって全波整流された直流電圧を交流電圧に変換し、負荷である光源ｇに高周波電力を供給するインバータ回路ｅと、インバータ回路ｅに動作電源を供給する制御電源回路ｂと、インバータ回路ｅによって高周波交流電圧に変換された電圧を供給して光源ｇ（ランプという場合もある）を点灯させる点灯回路ｆと、点灯回路ｆから得られる電流を帰還する電流帰還回路ｄと、矢印Ｃ点の電圧（対象電圧）を分圧して分圧電圧Ｖｏｕｔとして出力する過負荷検出回路ｃ−１と、過負荷検出回路ｃ−１の出力する分圧電圧Ｖｏｕｔの値に応じてインバータ回路ｅの発振を制御する過負荷保護回路ｃ−２（保護回路部）とを備えている。インバータ回路ｅは、点灯回路ｆから得られる電流を帰還する電流帰還回路ｄによって駆動する自励式ハーフブリッジ方式である。

（過負荷件検出回路ｃ−１）
インバータ回路ｅの低電圧側スイッチング素子Ｑ２と電流帰還回路ｄとが接続する箇所（矢印Ｃの位置）に、高電位側の第一の抵抗Ｒ１と低電位側の第二の抵抗Ｒ２との直列接続からなる過負荷検出回路ｃ−１（分圧部）を接続する。第一の抵抗Ｒ１と第二の抵抗Ｒ２との少なくともいずれかは、温度変化により抵抗値が変化する特性である。この温度変化はインバータ回路ｅの直列接続されたスイッチング素子Ｑ１（第一のスイッチング素子）と、スイッチング素子Ｑ２（第二のスイッチング素子）との発熱によるものである。一般的に第一の抵抗Ｒ１と第二の抵抗Ｒ２とはチップ部品で構成することができ、基板の小型化が可能となる。そして、チップ部品としての過負荷検出回路ｃ−１は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の熱を吸熱するように、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の十分近くに配置することが前提である。

図１の点灯装置１００において、高電圧側スイッチング素子Ｑ１及び低電圧側スイッチング素子Ｑ２は、負荷である光源ｇが短絡に近い状態になると、光源ｇの通常点灯時よりも大きい電流が流れ、発熱する。

（第一の抵抗Ｒ１が負特性）
図２は、第一の抵抗Ｒ１と第二の抵抗Ｒ２との温度変化に対する抵抗値の変化を示す図である。例えば、前述した過負荷検出回路ｃ−１で、第一の抵抗Ｒ１が図２のよう負特性の場合について、以下説明する。高電圧側スイッチング素子Ｑ１及び低電圧側スイッチング素子Ｑ２の発熱があると、図２により、温度上昇に伴って、第二の抵抗Ｒ２の抵抗値は一定のまま第一の抵抗Ｒ１の抵抗値が減少する。このため、次の（式１）に基づき、第一の抵抗Ｒ１と第二の抵抗Ｒ２との間に発生する分圧電圧Ｖｏｕｔは高くなる。
Ｖｏｕｔ＝｛Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）｝Ｖｃ
＝｛１／｛（Ｒ１／Ｒ２）＋１｝｝Ｖｃ（式１）
ここで、Ｖｃは分圧の対象となる矢印Ｃ点の電圧である。

（第二の抵抗Ｒ２が正特性の場合）
図３は、第二の抵抗Ｒ２が正特性の場合を示す。次に、第二の抵抗Ｒ２が、図３のように正特性の場合を説明する。高電圧側スイッチング素子Ｑ１及び低電圧側スイッチング素子Ｑ２の発熱があると、図３により、温度上昇に伴って、第一の抵抗Ｒ１の抵抗値は一定のまま第二の抵抗Ｒ２の抵抗値が増加する。このため、上記（式１）に基づき、分圧電圧Ｖｏｕｔは、やはり高くなる。

（過負荷保護回路ｃ−２の動作）
図２又は図３の場合において、過負荷保護回路ｃ−２は、過負荷検出回路ｃ−１から分圧電圧Ｖｏｕｔを入力する。過負荷保護回路ｃ−２は、分圧電圧Ｖｏｕｔが予め定める閾値を超えると、制御電源回路ｂの電流を制限して、インバータ回路ｅの発振（スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチング）を抑制し、保護動作する（発振、あるいは停止）。過負荷保護回路ｃ−２の構成例は、後述する図６に示した。図６において、分圧電圧Ｖｏｕｔが閾値を超えるとＩＣ１が保護動作を開始する。

（負荷電流増大の場合）
また、このような負荷電流が大きくなる場合、電流帰還回路ｄから低電圧側スイッチング素子Ｑ２に流れる電流も増加する。この帰還電流の増加により電流帰還回路ｄと低電圧側スイッチング素子Ｑ２が接続する箇所（矢印Ｃで示す箇所）の電圧（分圧対象電圧）が上がり、分圧電圧Ｖｏｕｔはより高くなる。

図４は、従来回路との相違を示す図である。横軸は負荷電流であり、縦軸は温度である。図４のように、通常点灯時の負荷電流が１．０Ａの場合、従来回路と過負荷保護回路ｃ−２とは、いずれも１２５℃で検出温度に達するとする。しかし、例えば、異常時に負荷電流が通常点灯時の倍の２．０Ａであると仮定すると、過負荷保護回路ｃ−２は、電流増加分の１Ａが反映され、例えば１００℃を検出温度と判定する。一方、従来回路は温度のみを検出するに過ぎないので、従来回路の検出温度は１２５℃であり、過負荷保護回路ｃ−２の検出温度の方が２５℃低い。

図５は、スイッチング素子と温度検知部品との時間に対する温度上昇の関係を示す図である。つまり、図５のように、高電圧側スイッチング素子Ｑ１及び低電圧側スイッチング素子Ｑ２の温度上昇時間と温度検知部品である過負荷検出回路ｃ−１との温度上昇時間の差を、負荷電流の異常時（分圧対象電圧の増大時）のみ下げることに相当する。従って、検出温度までの追従時間を考慮して、分圧電圧Ｖｏｕｔを設定することが可能となることを示す。

このことから、図１の点灯装置１００は、過負荷検出回路ｃ−１及び過負荷保護回路ｃ−２を備えたので、サーマルプロテクタ等の温度検知部品を使用した回路の課題である基板形状の小型化や、急激な温度上昇による故障の防止を解決することが出来る。

なお、以上の実施の形態１では、矢印Ｃで示すＣ点の電圧（分圧対象電圧）の分圧電圧Ｖｏｕｔは、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の発生する熱の吸熱による第一の抵抗Ｒ１及び第二の抵抗Ｒ２の温度上昇に伴って分圧電圧Ｖｏｕｔが上昇する上昇特性の場合を説明した。しかし、これに限らず、分圧対象電圧の変動が過負荷保護回路ｃ−２の有する閾値に影響を値えない場合であれば、分圧電圧Ｖｏｕｔ出力を、第一の抵抗Ｒ１及び第二の抵抗Ｒ２の温度上昇に伴って下降する下降特性としても構わない。この場合、過負荷保護回路ｃ−２は、分圧電圧Ｖｏｕｔが閾値を下回った場合に、保護動作を開始する。なお、負荷電流増大の場合も含めて閾値判定する場合は負荷電流増大は分圧対象電圧の増大としてあらわれるので、上昇特性を採用する。

実施の形態２．
図１に示す制御電源回路ｂは、インバータ回路ｅの起動電源を兼ねるものである。そこで、実施の形態２の過負荷保護回路ｃ−２は、過負荷検出回路ｃ−１の分圧電圧Ｖｏｕｔが検出温度（つまり閾値電圧）に達すると、インバータ回路ｅに対して停止と起動とを繰り返すことで発振を抑制してもよい。この発振の抑制によりランプは明滅を繰り返し、エンドユーザーにランプの異常状態を知らせることが可能となる。

実施の形態３．
図６、図７を参照して実施の形態３を説明する。実施の形態３は、点灯装置１００が、さらに、過電流検出部ｈ−１及び過電流保護回路ｈ−２を備えた構成である。過電流検出部ｈ−１は図６に示すように、過電流検出用抵抗Ｒ６によって構成する。
図６は、実施の形態３における点灯装置１００の回路図である。
図７は、図６における「矢印Ａ」、「矢印Ｂ」、「矢印Ｃ」で示す各箇所の電圧波形を示す図である。
（ａ）は「矢印Ａ」の示すＡ点の電圧波形である。
（ｂ）は「矢印Ｂ」の示すＢ点の電圧波形である。
（ｃ）は「矢印Ｃ」の示すＣ点の電圧波形である。

実施の形態１、２の過負荷検出回路ｃ−１及び過負荷保護回路ｃ−２は、インバータ回路ｅに流れる「所定の電流」で温度が上昇する構成である。これに対して、実施の形態３の点灯装置１００は、さらに、前記「所定の電流」よりも大きい電流を検出する過電流検出部ｈ−１と、過電流検出部ｈ−１の検出結果に基づき動作する過電流保護回路ｈ−２とを備える。ここで、前記「所定の電流」とは、例えば３Ａである。光源ｇとして定格７５Ｗのハロゲンランプを用いた場合、この定格に対して２倍（１５０Ｗ）の負荷となるときの電流である。

過電流保護回路ｈ−２は、過負荷保護回路ｃ−２よりも応答速度を速めることで、ランプ短絡時のような所定電流以上の過電流を検出してインバータ回路ｅの発振を抑制する。

このように、過電流検出部ｈ−１（インバータ電流検出部）は、インバータ回路ｅに流れるインバータ電流を検出する。過電流保護回路ｈ−２（過電流保護回路部）は、検出されたインバータ電流が所定の大きさを超える場合にはインバータ回路ｅのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング制御を開始する。例えばスイッチング制御として、過電流保護回路ｈ−２はスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチングを停止する。

実施の形態４．
上記実施の形態１〜３の過負荷検出回路ｃ−１における第一の抵抗Ｒ１と第二の抵抗Ｒ２とは、温度により抵抗値が変化する素子である。この際、第一の抵抗Ｒ１の温度特性と第二の抵抗Ｒ２との温度特性を逆特性にすることで、検出温度の正常時と異常時との差を大きく設定し、温度検出精度を上げることが出来る。

図８は、第一の抵抗Ｒ１と、第二の抵抗Ｒ２とが逆特性の場合を示す図である。例えば、図８のように第一の抵抗Ｒ１を負特性、第二の抵抗Ｒ２を正特性とする場合、スイッチング素子Ｑ１及びスイッチング素子Ｑ２が発熱すると、上記（式１）に従って、その発熱により第一の抵抗Ｒ１と第二の抵抗Ｒ２の抵抗値が変化し、上記（式１）のとおり、第一の抵抗Ｒ１と第二の抵抗Ｒ２との間に発生する分圧電圧Ｖｏｕｔが急激に増加する。実施の形態１と同様に、過負荷保護回路ｃ−２は、分圧電圧Ｖｏｕｔが予め定める閾値を超えると、制御電源回路ｂの電流を制限してインバータ回路ｅの発振を抑制する。

図９は、負荷電流に対する温度検知変化を示す図である。波線は、第一の抵抗Ｒ１と、第二の抵抗Ｒ２との一方のみが、温度変化に対して抵抗値が変化する（温度検知部品）を示し、実線は第一の抵抗Ｒ１と、第二の抵抗Ｒ２との両方が温度変化に対して抵抗値の変化する場合である。この急激な電圧変化による発振の抑制は、図９のように、第一の抵抗Ｒ１又は第二の抵抗Ｒ２が温度検知部品である時と比べて、正常状態と異常状態との温度差が大きくなる。よって、正常状態での誤動作の防止と異常状態での早めの発振の抑制とが可能になる。

なお、実施の形態１の最後の部分で述べたように、過負荷検出回路ｃ−１は下降特性でも構わない。上記では、過負荷検出回路ｃ−１が上昇特性の場合を説明した。すなわち、図８に示すように、第一の抵抗Ｒ１は温度上昇に伴って抵抗値が次第に下降する特性を有し、第二の抵抗Ｒ２は温度上昇に伴って抵抗値が次第に上昇する特性を有する場合を説明した。これに限らず分圧電圧Ｖｏｕｔの特性は、下降特性でもよい。下降特性の場合、第一の抵抗Ｒ１は温度上昇に伴って抵抗値が次第に上昇する特性を有し、第二の抵抗Ｒ２は温度上昇に伴って抵抗値が次第に下降する特性となる。

以上の実施の形態１〜４では、点灯装置を説明したが、上記点灯装置を備えた照明器具の実施の形態とすることももちろん可能である。

１００点灯装置、ａ整流回路、ｂ制御電源回路、ｃ−１過負荷検出回路、ｃ−２過負荷保護回路、ｄ電流帰還回路、ｅインバータ回路、ｆ点灯回路、ｇ光源、ｈ−１過電流検出部、ｈ−２過電流保護回路。

Claims

第一のスイッチング素子と第二のスイッチング素子との直列接続を有し、２つの前記スイッチング素子のスイッチングにより高周波電力を生成し、生成した前記高周波電力を光源に供給するインバータ回路と、
前記光源に供給する電流から前記第一のスイッチング素子及び前記第二のスイッチング素子に帰還する帰還電流を生成する電流帰還回路と、
高電位側の第一の抵抗と低電位側の第二の抵抗との直列接続からなる分圧部であって、前記第一の抵抗が前記電流帰還回路に接続され、分圧の対象となる対象電圧の分圧電圧を前記第一の抵抗と前記第二の抵抗との間に発生して出力すると共に、前記２つのスイッチング素子の発生する熱の吸熱による自身の温度上昇に伴って、前記分圧電圧が上昇する上昇特性と下降する下降特性とのいずれかの特性を有する分圧部と、
前記分圧部の出力する前記分圧電圧が所定の閾値に達すると、前記インバータ回路の起動電源と動作電源とを兼ねる電源回路に流れる電流を制限することによって前記インバータ回路の前記２つのスイッチング素子のスイッチング制御を開始して、前記インバータ回路の起動と停止とを繰り返すことで前記光源を明滅させる保護回路部と
を備え、
前記分圧部の出力する前記分圧電圧は、
前記第一のスイッチング素子及び前記第二のスイッチング素子が前記所定の閾値に対応する温度である検出温度に先になった場合に前記第一の抵抗及び前記第二の抵抗が前記検出温度になるまでの追従時間を考慮して設定されることを特徴とするインバータ式電源装置。
前記分圧部は、
前記上昇特性の場合には、
前記第一の抵抗は前記温度上昇に伴って抵抗値が次第に下降する特性を有し、前記第二の抵抗は前記温度上昇に伴って抵抗値が次第に上昇する特性を有し、
前記下降特性の場合には、
前記第一の抵抗は前記温度上昇に伴って抵抗値が次第に上昇する特性を有し、前記第二の抵抗は前記温度上昇に伴って抵抗値が次第に下降する特性を有することを特徴とする請求項１記載のインバータ式電源装置。
前記分圧部は、
前記上昇特性を有し、
前記分圧の対象となる前記対象電圧は、
前記光源に流れる負荷電流の上昇に伴って上昇することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のインバータ式電源装置。
前記インバータ式電源装置は、さらに、
前記インバータ回路に流れるインバータ電流を検出するインバータ電流検出部と、
検出された前記インバータ電流が所定の大きさを超える場合には前記インバータ回路の前記２つのスイッチング素子のスイッチング制御を開始する過電流保護回路部と
を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のインバータ式電源装置。
前記過電流保護回路部は、
応答速度が、前記保護回路部の応答速度よりも速いことを特徴とする請求項４記載のインバータ式電源装置。
請求項１〜５のいずれかに記載のインバータ式電源装置を備えたことを特徴とする照明器具。