JP5831807B2

JP5831807B2 - 照明用電源および照明装置

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Publication number: JP5831807B2
Application number: JP2011246591A
Authority: JP
Inventors: 北村　紀之; 紀之北村; 大武　寛和; 寛和大武; 高橋　雄治; 雄治高橋
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2011-11-10
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2031-11-10
Also published as: CN103108439A; EP2592901A1; CN103108439B; JP2013105526A; US8884536B2; US20130119878A1

Description

本発明の実施形態は、照明用電源および照明装置に関する。

近年、照明装置において、照明光源は白熱電球や蛍光灯から省エネルギー・長寿命の光源、例えば発光ダイオード（Light-emitting diode：ＬＥＤ）への置き換えが進んでいる。また、例えば、ＥＬ（Electro-Luminescence）や有機発光ダイオード（Organic light-emitting diode：ＯＬＥＤ）など新たな照明光源も開発されている。これらの照明光源の光出力は流れる電流値に依存するため、照明を点灯させる場合は、定電流を供給する電源回路が必要になる。また、調光させる場合は、供給する電流を制御する。
２線式調光器は、トライアックがターンオンする位相を制御するように構成され、白熱電球の調光器として普及している。そのため、ＬＥＤなどの照明光源もこの調光器で調光できることが望ましい。高効率で省電力化・小型化に適した電源として、ＤＣ−ＤＣコンバータなどのスイッチング電源が知られている。

特開２０１１−１１９２３７号公報

しかし、この調光器は、負荷となる白熱電球のフィラメントと直列接続して全位相で調光器に必要な保持電流以上の電流が流れて動作するように構成されている。そのため、スイッチング電源を接続した場合は、負荷インピーダンスが変化して保持電流が流れない期間が発生し、誤動作する可能性がある。
本発明の実施形態は、調光器による出力電流の制御を安定化し、かつ消費電力を低減した照明用電源及び照明装置を提供することを目的とする。

実施形態の照明用電源は、整流回路と、平滑コンデンサと、波形成形回路と、ＤＣ−ＤＣコンバータと、を持つ。前記整流回路は、入力される交流電圧を整流する。前記波形成形回路は、前記整流回路と前記平滑コンデンサとの間に接続され、前記整流回路から出力される電圧が相対的に高いときオンの状態とオフの状態とを繰り返すスイッチング動作をし、前記整流回路から出力される電圧が相対的に低いときオンの状態を継続して前記整流回路に電流を流す。前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記平滑コンデンサに充電された電圧を変換する。また、前記波形成形回路は、前記平滑コンデンサに充電された電圧を供給されてオンの状態にバイアスされたノーマリオフ型の素子を有する。

本発明の実施形態によれば、調光器による出力電流の制御を安定化し、かつ消費電力を低減した照明用電源及び照明装置を提供することができる。

第１の実施形態に係る照明用電源を含む照明装置を例示する回路図である。調光器を例示する回路図である。整流回路の電圧ＶＲＥ及び電流ＩＲＥの波形図である。第２の実施形態に係る照明用電源を含む照明装置を例示する回路図である。

以下、実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

まず、第１の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態に係る照明用電源を含む照明装置を例示する回路図である。
図１に表したように、照明装置１は、照明負荷２と、照明負荷２に電力を供給する照明用電源３と、を備えている。

照明負荷２は、例えばＬＥＤなどの照明光源４を有し、照明用電源３から出力電圧ＶＯＵＴ、出力電流ＩＯＵＴを供給されて点灯する。また、照明負荷２は、出力電圧ＶＯＵＴ及び出力電流ＩＯＵＴの少なくともいずれかを変化させて調光することができる。なお、出力電圧ＶＯＵＴ、出力電流ＩＯＵＴの値は、照明光源に応じて規定される。

照明用電源３は、交流電源７に接続され、交流電圧を位相制御して導通するタイミングを制御する調光器８、位相制御された交流電圧を整流する整流回路９、整流回路９に流れる電流波形を成形する波形成形回路１０、出力電圧ＶＯＵＴを生成するＤＣ−ＤＣコンバータ１１、平滑コンデンサ４０を有する。なお、交流電源７は、例えば商用電源である。

調光器８は、交流電源７に接続され、電源電圧ＶＩＮを供給する一対の電源ラインの一方に直列に挿入される。なお、調光器８は、電源電圧ＶＩＮを供給する一対の電源ラインに直列に挿入されてもよい。
図２は、調光器を例示する回路図である。
図２に表したように、調光器８は、２線式位相制御調光器である。
調光器８は、電源ラインに直列に挿入されたトライアック１２、トライアック１２と並列に接続された位相回路１３と、トライアック１２のゲートと位相回路１３との間に接続されたダイアック１４と、を有する。

トライアック１２は、通常オフの状態であり、ゲートにパルス信号が入力されるとオンする。トライアック１２は、交流の電源電圧ＶＩＮが正極性のときと負極性のときの双方向に電流を流すことができる。
位相回路１３は、可変抵抗１５とコンデンサ１６とで構成され、コンデンサ１６の両端に位相が遅延した電圧を生成する。また、可変抵抗１５の抵抗値を変化させると、時定数が変化し、遅延時間が変化する。

ダイアック１４は、位相回路１３のコンデンサに充電される電圧が一定値を超えるとパルス電圧を生成し、トライアック１２をオンさせる。
調光器８は、位相回路１３の時定数を変化させてダイアック１４がパルスを生成するタイミングを制御することにより、トライアック１２がオンするタイミングを調整することができる。調光器８は、調光度に応じて、導通するタイミングが変化する交流電圧ＶＣＴを出力する。

再度図１に戻ると、整流回路９は、調光器８により導通するタイミングが制御された交流電圧ＶＣＴを整流して、直流電圧（脈流電圧）ＶＲＥを出力する。整流回路９は、調光器８による調光度に応じて導通するタイミング、すなわち電圧が立上がる位相が変化する直流電圧ＶＲＥを出力する。整流回路９は、ダイオードブリッジで構成され、高電位端子９ａと低電位端子９ｂとの間に、直流電圧ＶＲＥを出力する。なお、整流回路９は、調光器８から入力される交流電圧を整流できればよく、他の構成でもよい。また、整流回路９の入力側には、ＤＣ−ＤＣコンバータで発生するノイズを低減するコンデンサが接続されている。

波形成形回路１０は、スイッチング素子１７、抵抗１８、ダイオード１９、２１、チョークコイル２０、チョークコイル２０と磁気結合した駆動巻き線３８、コンデンサ３９を有する。
スイッチング素子１７は、例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であり、例えば高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor：ＨＥＭＴ）であり、ノーマリオン形の素子である。スイッチング素子１７のドレインは、チョークコイル２０を介して、整流回路９の高電位端子９ａに接続され、スイッチング素子１７のソースは、抵抗１８を介して、整流回路９の低電位端子９ｂに接続される。スイッチング素子１７のゲートは、コンデンサ３９を介して、駆動巻き線３８の一端に接続される。駆動巻き線３８の他端は、整流回路９の低電位端子９ｂに接続される。

駆動巻き線３８は、チョークコイル２０に高電位端子９ａからスイッチング素子１７のドレインの方向に増加する電流が流れるとき、スイッチング素子１７のゲートにソースに対して正極性の電圧が供給される極性で接続される。また、スイッチング素子１７のゲートには、保護ダイオード１９が接続される。
また、ダイオード２１のアノードは、チョークコイル２０を介して、整流回路９の高電位端子９ａに接続され、ダイオード２１のカソードは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１及び平滑コンデンサ４０に接続される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１１は、平滑コンデンサ４０に充電された電圧を変換して出力電圧ＶＯＵＴを生成する。

次に、照明用電源３の動作について説明する。
調光器８は、上記のとおり、調光度に応じて導通するタイミング、すなわち電圧が立上がる位相が変化する交流電圧ＶＣＴを出力する。交流電圧ＶＣＴは、調光度が１００％のとき位相０度で立上がり、ほぼ入力される電源電圧ＶＩＮと同一となる。また、交流電圧ＶＣＴは、調光度が１００％から減少すると立上がる位相が遅れ、調光度０％のとき１８０度遅れ、すなわち、ほぼ０Ｖになる。なお、調光度は、出力電流ＩＯＵＴの最大電流値に対する比率であり、交流電圧ＶＣＴが立上がる位相とは、比例しない。

整流回路９は、調光器８から出力される交流電圧ＶＣＴを整流した直流電圧（脈流電圧）ＶＲＥを出力する。したがって、整流回路９から出力される直流電圧ＶＲＥは、時間とともに値が変化し、平均値が調光度に応じて変化する電圧である。

図３は、整流回路の電圧ＶＲＥ及び電流ＩＲＥの波形図である。
図３に表したように、整流回路９は、調光器８により位相制御されており、電源７の交流電圧ＶＩＮのゼロクロスから、例えば期間Ｔ１だけ遅れて立上がる電圧ＶＲＥ（図３の破線）を出力する。また、整流回路９の電流ＩＲＥ（図３の実線）は、そのままチョークコイル２０を流れる。

波形成形回路１０に入力される直流電圧ＶＲＥの瞬時値が相対的に低いとき（図３の期間Ｔ１、Ｔ３）、チョークコイル２０を流れる電流ＩＲＥの値は小さく、抵抗１８に流れる電流も小さく、チョークコイル２０と磁気接合した駆動巻き線３８に誘起される電圧は低い。その結果、駆動巻き線３８から誘起電圧をゲートに供給されるスイッチング素子１７はオンの状態を継続する。スイッチング素子１７は、チョークコイル２０、整流回路９を介して、調光器８から直流電流を流す。なお、このときの電流値は、調光器８の位相回路１３を流れる電流、すなわち保持電流よりも大きく設定される。

また、波形成形回路１０に入力される直流電圧ＶＲＥの瞬時値が相対的に高いとき（図３の期間Ｔ２）、チョークコイル２０を流れる電流ＩＲＥが増加し、抵抗１８に流れる電流が増加し、スイッチング素子１７のソース電位が上昇する。スイッチング素子１７のゲート・ソース間に閾値電圧を越える負電圧が発生する。その結果、スイッチング素子１７がオフし、チョークコイル２０を流れていた電流ＩＲＥは、ダイオード２１を介して、平滑コンデンサ４０を充電する。このとき、チョークコイル２０を流れる電流ＩＲＥが減少していく。そして、チョークコイル２０を流れる電流ＩＲＥがゼロになると、スイッチング素子１７はオンする。その結果、チョークコイル２０を流れる電流が増加する状態に戻り、以下、同様の動作を繰り返す。スイッチング素子１７は、オンの状態とオフの状態とを繰り返すスイッチング動作をして発振する。

したがって、スイッチング素子１７は、チョークコイル２０、整流回路９を介して、調光器８から発振電流を流し、また、ダイオード２１を介して、平滑コンデンサ４０を充電する。なお、スイッチング素子１７は、ノーマリオン形の素子であり、駆動巻き線３８に誘起される電圧が低くなると、オンする。そのため、チョークコイル２０には、連続して電流ＩＲＥが流れる。その結果、整流回路９を介して、調光器８に電流を連続して流すことができる。

なお、交流電圧ＶＩＮの半周期の時間、すなわちゼロクロス間の時間Ｔに対して、期間Ｔ１、Ｔ２は、調光器８の調光度により変化する。

次に、本実施形態の効果について説明する。
このように、本実施形態においては、整流回路の電圧の瞬時値が相対的に低いとき、波形成形回路のスイッチング素子がオンの状態を継続して直流電流を流す。その結果、調光器が導通していない期間においても、調光器の位相回路に保持電流を流すことができ、調光器による出力電流の制御を安定化することができる。

また、本実施形態においては、整流回路の電圧の瞬時値が相対的に高いとき、波形成形回路のスイッチング素子がオンの状態とオフの状態とを繰り返すスイッチング動作をする。その結果、オンの状態を継続することによる電力消費を抑制して、消費電力を低減することができる。

また、本実施形態においては、整流回路の電圧の瞬時値が相対的に低いとき、スイッチング素子はオンの状態とオフの状態とを繰り返すスイッチング動作をせずに、オンの状態を継続する。その結果、電圧が低くなるとスイッチング周波数が高くなり、スイッチング損失が増加して電力効率が低下する問題がない。また、スイッチング周波数に最大値を設けてスイッチング損失を制限した場合のように、電流が流れない休止期間が発生しないため、調光器による出力電流の制御を安定化することができる。

また、本実施形態においては、波形成形回路は、入力される電圧が相対的に高いときオンの状態とオフの状態とを繰り返すスイッチング動作をして発振し、発振電流を流す。その結果、電源から入力される電流波形の平均値が交流電圧波形に近づき、力率が改善される。
さらにまた、本実施形態においては、波形成形回路は、自励式のため回路構成が簡単であり、小型化が可能である。

なお、本実施形態においては、波形成形回路が、ノーマリオン形の素子を有する構成について説明したが、ノーマリオフ形の素子を有する構成も可能である。

図５は、第２の実施形態に係る照明用電源を含む照明装置を例示する回路図である。
図５に表したように、第２の実施形態は、第１の実施形態と比較して、波形成形回路１０の構成が異なっている。すなわち、照明用電源３ａは、調光器８、整流回路９、波形成形回路１０ａ、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１を有している。調光器８、整流回路９及びＤＣ−ＤＣコンバータ１１については、第１の実施形態と同様である。また、照明装置１ａは、照明負荷２と照明用電源３ａとを備えている。照明負荷２については、第１の実施形態と同様である。

波形成形回路１０ａは、第１の実施形態における波形成形回路１０と比較して、スイッチング素子１７がノーマリオフ形の素子である点と、バイアス回路の構成が異なっている。すなわち、波形成形回路１０ａは、スイッチング素子１７ａ、抵抗１８、チョークコイル２０、ダイオード２１、バイアス抵抗３２、チョークコイル２０と磁気結合した駆動巻き線３８、コンデンサ３９、ツェナーダイオード４１を有する。

スイッチング素子１７ａは、例えばＦＥＴであり、ノーマリオフ形の素子である。スイッチング素子１７ａのドレインは、チョークコイル２０を介して、整流回路９の高電位端子９ａに接続され、スイッチング素子１７ａのソースは、抵抗１８を介して、整流回路９の低電位端子９ｂに接続される。スイッチング素子１７ａのゲートは、コンデンサ３９を介して、駆動巻き線３８の一端に接続される。駆動巻き線３８の他端は、整流回路９の低電位端子９ｂに接続される。

駆動巻き線３８は、チョークコイル２０に高電位端子９ａからスイッチング素子１７のドレインの方向に増加する電流が流れるとき、スイッチング素子１７のゲートにソースに対して正極性の電圧が供給される極性で接続される。
また、ダイオード２１のアノードは、チョークコイル２０を介して、整流回路９の高電位端子９ａに接続され、ダイオード２１のカソードは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１及び平滑コンデンサ４０に接続される。

また、バイアス抵抗３２は、ダイオード２１のカソードとスイッチング素子１７ａのゲートとの間に接続され、ツェナーダイオード４１は、スイッチング素子１７のゲートと整流回路９の低電位端子９ｂとの間に接続される。スイッチング素子１７ａは、バイアス抵抗３２とツェナーダイオード４１とにより、駆動巻き線３８に電圧が誘起されていないときオンするようにバイアスされる。
したがって、波形成形回路１０ａの動作及び効果については、ノーマリオン形の素子を用いた第１の実施形態における波形成形回路１０と同様である。

以上、具体例を参照しつつ実施形態について説明したが、それらに限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、照明用電源及び照明装置は、調光器８を含まない構成としてもよい。図１及び図５においては、整流回路９は、接続部４３ａを介して調光器８に接続され、接続部４３ｂを介して交流電源７に接続される。しかし、接続部４３ａ、４３ｂを交流電源７に接続して、調光器８を含まない構成とすることも可能である。また、調光器８を別体として設け、接続部４３ａ、４３ｂの構造を、調光器８を含む場合の調光器８の交流電源の入力部の構造と同一にすることもできる。この場合、照明用電源及び照明装置を、調光器８を介してまたは介さないで、交流電源７に接続することができる。

また、波形成形回路の構成は、図１及び図４に表したものに限定されない。例えば、整流回路９の前段に２つの波形成形回路を設けて、半波ごとに交互に動作する構成とすることもできる。

また、出力素子５ａ、５ｂ及び定電流素子６ａ、６ｂはＧａＮ系ＨＥＭＴには限定されない。例えば、半導体基板に炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）やダイヤモンドのようなワイドバンドギャップを有する半導体（ワイドバンドギャップ半導体）を用いて形成した半導体素子でもよい。ここで、ワイドバンドギャップ半導体とは、バンドギャップが約１．４ｅＶのヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）よりもバンドギャップの広い半導体をいう。例えば、バンドギャップが１．５ｅＶ以上の半導体、リン化ガリウム（ＧａＰ、バンドギャップ約２．３ｅＶ）、窒化ガリウム（ＧａＮ、バンドギャップ約３．４ｅＶ）、ダイアモンド（Ｃ、バンドギャップ約５．２７ｅＶ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ、バンドギャップ約５．９ｅＶ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などが含まれる。このようなワイドバンドギャップ半導体素子は、耐圧を等しくする場合、シリコン半導体素子よりも小さくできるために寄生容量が小さく、高速動作が可能なため、スイッチング周期を短くすることができ、巻線部品やコンデンサなどの小形化が可能となる。

また、照明光源４はＬＥＤに限らず、ＯＬＥＤなどでもよく、照明負荷２には、複数個の照明光源４が直列又は並列に接続されていてもよい。

本発明のいくつかの実施形態および実施例を説明したが、これらの実施形態または実施例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態または実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態または実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１、１ａ…照明装置、２…照明負荷、３、３ａ…照明用電源、４…照明光源、７…交流電源、８…調光器、９…整流回路、９ａ…高電位端子、９ｂ…低電位端子、１０、１０ａ…波形成形回路、１１…ＤＣ−ＤＣコンバータ、１２…トライアック、１３…位相回路、１４…ダイアック、１５…可変抵抗、１６、３９…コンデンサ、１７、１７ａ…スイッチング素子、１８…抵抗、１９、２１…ダイオード、２０…チョークコイル、３０…高電位出力端子、３１…低電位出力端子、３２…バイアス抵抗、３８…駆動巻き線、４０…平滑コンデンサ、４１…ツェナーダイオード、４３ａ、４３ｂ…接続部

Claims

入力される交流電圧を整流する整流回路と、
平滑コンデンサと、
前記整流回路と前記平滑コンデンサとの間に接続され、前記整流回路から出力される電圧が相対的に高いときオンの状態とオフの状態とを繰り返すスイッチング動作をし、前記整流回路から出力される電圧が相対的に低いときオンの状態を継続して前記整流回路に電流を流す波形成形回路と、
前記平滑コンデンサに充電された電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータと、
を備え、
前記波形成形回路は、前記平滑コンデンサに充電された電圧を供給されてオンの状態にバイアスされたノーマリオフ型の素子を有する照明用電源。
交流電圧を導通させるタイミングを制御して調光する調光器をさらに備えた請求項１記載の照明用電源。
照明負荷と、
前記照明負荷に電力を供給する請求項１または２に記載の照明用電源と、
を備えた照明装置。