JP5896144B2

JP5896144B2 - 電源装置および照明装置

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Publication number: JP5896144B2
Application number: JP2012101531A
Authority: JP
Inventors: 岩井　直子; 直子岩井; 甲佐　清輝; 清輝甲佐; 徹石北; 貴勇小和田; 飛呂也菅; 陽介齋藤
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2032-04-26
Also published as: US20130285563A1; JP2013229234A; EP2658345A2; CN103378729A

Description

本発明の実施形態は、負荷に電力を供給する電源装置、およびこの電源装置を用いた照明装置に関する。

従来、例えば光源を負荷とする電源装置では、交流電源を整流回路で整流し、整流された電源電圧を電源電圧変換回路が有する変換用スイッチング素子のスイッチング動作により変換して光源に供給し、光源を点灯させている。また、整流された電源電圧を昇圧して電源電圧変換回路に出力する力率改善用スイッチング素子を有する力率改善回路を用いる場合もある。

このような電源装置では、光源の明るさを一定に保つために、電源電圧変換回路の変換用スイッチング素子で変換した電源電圧を検出して変換用スイッチング素子をフィードバック制御している。

また、複数の光源の回路を備え、これら複数の光源の回路毎に電源電圧変換回路を個別に設けた電源装置がある。この電源装置では、全体としての雑音強度を低くすることを目的とするものであるが、少なくとも１つの電源電圧変換回路の変換用スイッチング素子をスイッチング動作するスイッチング周波数をランダムに変化させている。

特開平５−８２２７５号公報

電源装置が複数のスイッチング素子を備え、これら複数のスイッチング素子が同じ基板に搭載されていると、グランドラインが共通であるため、各スイッチング素子のオン時およびオフ時に発生するノイズが基板上の全ての電気素子に影響を及ぼしやすい。

変換用スイッチング素子で変換した電源電圧を検出して変換用スイッチング素子をフィードバック制御している場合、各スイッチング素子のスイッチング周波数が同じであると、電源電圧を検出するときにノイズが重畳し、ノイズの影響を受けた電源電圧に基づいて変換用スイッチング素子をフィードバック制御することになり、適正なフィードバック制御ができず、光源の明るさにちらつきが発生する虞がある。

複数の変換用スイッチング素子のスイッチング周波数をランダムに変化させている電源装置があるが、それを構成するには回路が複雑になり、さらに、スイッチング周波数の変化に応じて光源の明るさが変化してしまう虞がある。しかも、力率改善回路を用いている場合には、力率改善用スイッチング素子が発生するノイズの影響を抑制することができない。

本発明が解決しようとする課題は、変換用スイッチング素子で変換した電源電圧を検出して変換用スイッチング素子をフィードバック制御するのに、複数のスイッチング素子のオンオフによるノイズの影響を低減し、負荷の出力を一定に保つことができる電源装置および照明装置を提供することである。

実施形態の電源装置は、整流回路、力率改善回路、電源電圧変換部および制御回路を備える。整流回路は、交流電源を整流する。力率改善回路は、整流回路で整流された電源電圧を昇圧する力率改善用スイッチング素子を有する。複数の出力部にそれぞれ負荷が接続される。電源電圧変換部は、力率改善回路と複数の出力部との間に設けられた複数の電源電圧変換回路を備える。各電源電圧変換回路は、力率改善回路から出力される電源電圧を変換して各負荷に供給する変換用スイッチング素子を有する。制御回路は、各変換用スイッチング素子で変換した電源電圧を検出し、各変換用スイッチング素子をフィードバック制御するとともに、力率改善用スイッチング素子および複数の変換用スイッチング素子を全て異なるスイッチング周波数でスイッチング制御する。

本発明によれば、力率改善用スイッチング素子および複数の変換用スイッチング素子を全て異なるスイッチング周波数でスイッチング制御するため、各変換用スイッチング素子で変換した電源電圧を検出して各変換用スイッチング素子をフィードバック制御するのに、各スイッチング素子のオンオフによって発生するノイズの影響を低減でき、負荷の出力を一定に保つことができる。

一実施形態を示す電源装置の回路図である。電源装置を用いた照明装置の斜視図である。電源装置の制御回路により各スイッチング素子を全て異なるスイッチング周波数でスイッチング制御する場合において、各スイッチング素子の出力電圧の波形図である。各変換用スイッチング素子のスイッチング周波数が同じでかつ位相も同じ場合において、各変換用スイッチング素子の出力電圧の波形図である。各変換用スイッチング素子のスイッチング周波数が同じでかつ位相が１８０°ずれている場合において、各変換用スイッチング素子の出力電圧の波形図である。

以下、一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１において、電源装置10は、商用交流電源である交流電源Ｅに接続され、複数の負荷回路に分割された複数の負荷としての光源であるＬＥＤ素子11a，11bに電力を供給し、各ＬＥＤ素子11a，11bを点灯させるものである。この電源装置10は、例えば、シーリングライト、ベースライトおよびダウンライトなどであって、複数の負荷回路であるＬＥＤ素子11a，11bを用いた照明装置に適用できる。

電源装置10は、交流電源Ｅに接続される共通の入力部12、各ＬＥＤ素子11a，11bが接続される複数の出力部13a，13b、入力部12に接続される共通のフィルタ回路14、このフィルタ回路14に接続される共通の整流回路15、この整流回路15の出力側に接続される共通の力率改善回路16、この力率改善回路16の出力側と各出力部13a，13bとの間に接続される複数の電源電圧変換回路17a，17bを有する電源電圧変換部17、力率改善回路16および電源電圧変換回路17a，17bを制御する制御回路18を具備している。

なお、本実施形態では、ＬＥＤ素子11a，11b、出力部13a，13b、電源電圧変換回路17a，17bをそれぞれ２組ずつ備えており、第１のＬＥＤ素子11aおよび第２のＬＥＤ素子11b、第１の出力部13aおよび第２の出力部13b、第１の電源電圧変換回路17aおよび第２の電源電圧変換回路17bとなっている。

そして、フィルタ回路14は、一対の入力部12に並列に接続されるコンデンサC1、インダクタL1およびコンデンサC2を有し、交流電源Ｅ側から入力する雑音成分および交流電源Ｅ側に出る雑音成分を低減する。

また、整流回路15は、全波整流器RECが用いられ、この全波整流器RECの入力端がフィルタ回路14の出力端に接続され、全波整流器RECの出力端に力率改善回路16の入力側が接続されている。

また、力率改善回路16は、整流回路15で整流された電源電圧を所定の電源電圧に昇圧する昇圧チョッパ回路で構成されている。全波整流器RECの出力端にチョッパチョークL2とＭＯＳＦＥＴなどの力率改善用スイッチング素子Q1と抵抗R1との直列回路が接続されている。力率改善用スイッチング素子Q1および抵抗R1の直列回路と並列にダイオードD1および平滑コンデンサC3の直列回路が接続されている。

また、各電源電圧変換回路17a，17bは、基本的な構成を共通としており、力率改善回路16で昇圧された電源電圧を所定の電源電圧に降圧して各ＬＥＤ素子11a，11bに出力する降圧チョッパ回路などのＤＣ−ＤＣコンバータで構成されている。各電源電圧変換回路17a，17bは、平滑コンデンサC3の両端に並列に接続されたダイオードD2，D3とＭＯＳＦＥＴなどの変換用スイッチング素子Q2，Q3と抵抗R2，R3との直列回路をそれぞれ備えている。さらに、ダイオードD2，D3と変換用スイッチング素子Q2，Q3のドレインとの間に入力端が接続されたインダクタL3，L4、およびインダクタL3，L4の出力端に接続されるとともに出力部13a，13bに並列に接続された平滑コンデンサC4，C5をそれぞれ備えている。

また、制御回路18は、例えばＩＣで構成されており、各スイッチング素子Q1，Q2，Q3のゲートに接続され、各スイッチング素子Q1，Q2，Q3のスイッチング動作を制御する。さらに、制御回路18は、変換用スイッチング素子Q2，Q3のソースと抵抗R2，R3との接続点から変換用スイッチング素子Q2，Q3で変換された電源電圧を検出し、各変換用スイッチング素子Q2，Q3をフィードバック制御する。

そして、制御回路18は、力率改善用スイッチング素子Q1および複数の変換用スイッチング素子Q2，Q3のそれぞれのスイッチング周波数を一定とするが、力率改善用スイッチング素子Q1および複数の変換用スイッチング素子Q2，Q3を全て異なるスイッチング周波数としてスイッチング制御する。

さらに、制御回路18は、変換用スイッチング素子Q2，Q3で変換した電源電圧を検出するときに電源電圧にノイズが重畳されている場合には検出した電源電圧を無効とする処理を行う。電源電圧にノイズが重畳されているか否かは、例えば、検出した電源電圧が予め設定されている閾値を超えた場合にノイズが重畳されていると判定することができる。

また、制御回路18には、外部に配置される調光器25からの調光信号が調光制御部26を通じて入力される。そして、制御回路18は、調光信号に基づいて変換用スイッチング素子Q2，Q3をＰＷＭ制御し、変換用スイッチング素子Q2，Q3のオンとオフとの比率を制御することにより、ＬＥＤ素子11a，11bに流れる電流を制御してＬＥＤ素子11a，11bが発光する明るさを調整するように構成されている。

次に、図２には、電源装置10を備えた照明装置30を示す。この照明装置30は、シーリングライトであり、円盤状の器具本体31、およびこの器具本体31の下面全体を覆うグローブ32を備えている。器具本体31の下面には、ＬＥＤ素子11a，11bを有するＬＥＤモジュール、ＬＥＤ素子11a，11bが発生する光の配光を制御する反射体、およびこの反射体内に収納される電源装置10などが配置されている。

次に、電源装置10の動作を説明する。

交流電源Ｅが投入されると、フィルタ回路14を通じて全波整流器RECで整流された電源電圧が力率改善回路16に入力される。

力率改善回路16では、制御回路18により力率改善用スイッチング素子Q1が予め設定されたスイッチング周波数でオンオフする。これにより、全波整流器RECで整流された電源電圧が所定の電源電圧に昇圧される。さらに、昇圧された電源電圧が平滑コンデンサC3で平滑され、各電源電圧変換回路17a，17bに供給される。

各電源電圧変換回路17a，17bでは、制御回路18により各変換用スイッチング素子Q2，Q3がそれぞれ予め設定されたスイッチング周波数でオンオフする。これにより、各電源電圧変換回路17a，17bに供給された電源電圧が所定の電源電圧に降圧され、この降圧された電源電圧が各ＬＥＤ素子11a，11bに供給され、各ＬＥＤ素子11a，11bが点灯する。

制御回路18は、各変換用スイッチング素子Q2，Q3で変換した電源電圧（以下、出力電圧と呼ぶ）を検出し、各ＬＥＤ素子11a，11bに供給する出力電圧が一定になるように、各変換用スイッチング素子Q2，Q3をフィードバック制御する。

そして、制御回路18は、力率改善用スイッチング素子Q1および複数の変換用スイッチング素子Q2，Q3のそれぞれのスイッチング周波数を一定としているが、力率改善用スイッチング素子Q1および複数の変換用スイッチング素子Q2，Q3を全て異なるスイッチング周波数でスイッチング制御する。

図３には、電源装置10の制御回路18により各スイッチング素子Q1，Q2，Q3を全て異なるスイッチング周波数でスイッチング制御する場合において、各スイッチング素子Q1，Q2，Q3の出力電圧の波形図を示す。力率改善用スイッチング素子Q1の出力電圧（抵抗R1の電圧）をＶ_R1、変換用スイッチング素子Q2の出力電圧（抵抗R2の電圧）をＶ_R2、変換用スイッチング素子Q3の出力電圧（抵抗R3の電圧）をＶ_R3とする。なお、図３には、始動時に、各出力電圧の最初の電圧波形が同時に立ち上がった後、各スイッチング周波数に応じて電圧波形の位相がずれている状態を示している。

各スイッチング素子Q1，Q2，Q3のオン時およびオフ時にノイズが発生した場合、複数のスイッチング素子Q1，Q2，Q3が同じ基板に搭載されていると、グランドラインが共通であるため、ノイズが基板上の全ての電源電圧に重畳する。

図４に示すように、仮に、変換用スイッチング素子Q2，Q3のスイッチング周波数が同じでかつ位相も同じであった場合を考えると、例えば変換用スイッチング素子Q2の出力電圧Ｖ_R2の立ち上がりおよびピークを検出するときに、変換用スイッチング素子Q3のオン時およびオフ時に発生したノイズｎが重畳し、ノイズｎの影響を受けた出力電圧Ｖ_R2に基づいて変換用スイッチング素子Q2をフィードバック制御することになり、適正なフィードバック制御ができず、ＬＥＤ素子11aの明るさにちらつきが発生する虞がある。同様に、変換用スイッチング素子Q3の出力電圧Ｖ_R3の立ち上がりおよびピークを検出するときに、変換用スイッチング素子Q2のオン時およびオフ時に発生したノイズが影響することになる。

また、図５に示すように、変換用スイッチング素子Q2，Q3のスイッチング周波数が同じでかつ位相が１８０°ずれている場合を考えると、例えば変換用スイッチング素子Q2の出力電圧Ｖ_R2の立ち上がりおよびピークを検出するときに、変換用スイッチング素子Q3のオフ時およびオン時に発生したノイズｎが重畳し、ノイズｎの影響を受けた出力電圧Ｖ_R2に基づいて変換用スイッチング素子Q2をフィードバック制御することになり、適正なフィードバック制御ができず、ＬＥＤ素子11aの明るさにちらつきが発生する虞がある。同様に、変換用スイッチング素子Q3の出力電圧Ｖ_R3の立ち上がりおよびピークを検出するときに、変換用スイッチング素子Q2のオン時およびオフ時に発生したノイズが影響することになる。

さらに、力率改善用スイッチング素子Q1と変換用スイッチング素子Q2，Q3とのスイッチング周波数が同じである場合にも、変換用スイッチング素子Q2，Q3の出力電圧Ｖ_R2およびＶ_R3を検出するときに、力率改善用スイッチング素子Q1のオン時およびオフ時に発生したノイズが影響することになる。

それに対して、本実施形態では、図３に示すように、力率改善用スイッチング素子Q1および複数の変換用スイッチング素子Q2，Q3を全て異なるスイッチング周波数でスイッチング制御している。そのため、例えば変換用スイッチング素子Q2の出力電圧Ｖ_R2の立ち上がりおよびピークを検出するときに、力率改善用スイッチング素子Q1や変換用スイッチング素子Q3のオフ時およびオン時に発生したノイズｎが重畳しにくくなり、ノイズｎの影響を受けていない出力電圧Ｖ_R2に基づいて変換用スイッチング素子Q2をフィードバック制御することができ、適正なフィードバック制御ができ、ＬＥＤ素子11aの明るさを一定に保つことができる。同様に、変換用スイッチング素子Q3の出力電圧Ｖ_R3の立ち上がりおよびピークを検出するときに、変換用スイッチング素子Q2のオン時およびオフ時に発生したノイズが影響するのを低減できる。

また、力率改善用スイッチング素子Q1および複数の変換用スイッチング素子Q2，Q3を全て異なるスイッチング周波数でスイッチング制御していても、各スイッチング素子Q1，Q2，Q3のオンオフのタイミングが一致し、変換用スイッチング素子Q2，Q3の出力電圧を検出するときにノイズが影響することがある。

このような場合、制御回路18では、変換用スイッチング素子Q2，Q3の出力電圧を検出するときに出力電圧にノイズが重畳されている場合には検出した出力電圧を無効とする処理を行う。例えば、検出した出力電圧が予め設定されている閾値を超えた場合にノイズが重畳されていると判定し、検出した出力電圧に基づくフィードバック制御を行わず、前回のフィードバック制御を継続し、次にノイズの影響がない出力電圧を検出したときにその出力電圧に基づいてフィードバック制御を行う。これにより、ＬＥＤ素子11a，11bの明るさにちらつきが発生するのを防止できる。

また、調光器25を操作することにより、調光器25からの調光信号が調光制御部26を通じて制御回路18に入力される。制御回路18では、入力された調光信号に基づいて、変換用スイッチング素子Q2，Q3に出力するＰＷＭ信号のオンとオフとの比率を制御する。これにより、ＬＥＤ素子11a，11bを調光する。

この場合、例えば、図４に示すように、変換用スイッチング素子Q2，Q3のスイッチング周波数が異なる場合でも、各ＰＷＭ信号のオンとオフとの比率は同じとなる。これにより、変換用スイッチング素子Q2，Q3のスイッチング周波数に関係なく、ＬＥＤ素子11a，11bを調光制御できる。

このように、本実施形態の電源装置10によれば、力率改善用スイッチング素子Q1および複数の変換用スイッチング素子Q2，Q3を全て異なるスイッチング周波数でスイッチング制御するため、各変換用スイッチング素子Q2，Q3で変換した電源電圧を検出して各変換用スイッチング素子Q2，Q3をフィードバック制御するのに、各スイッチング素子Q1，Q2，Q3のオンオフによって発生するノイズの影響を低減でき、ＬＥＤ素子11a，11bの出力を一定に保つことができる。そのため、ＬＥＤ素子11a，11bの明るさがちらつくのを防止できる。

また、変換用スイッチング素子Q2，Q3の出力電圧を検出するときに出力電圧にノイズが重畳されている場合には検出した出力電圧を無効とする処理を行うため、ＬＥＤ素子11a，11bの明るさがちらつくのを防止できる。

なお、本実施形態では、ＬＥＤ素子11a，11b、出力部13a，13b、電源電圧変換回路17a，17bを２組ずつに分けたが、それらを３組以上に分けてもよい。

また、負荷としては、ＬＥＤ素子11a，11bに限らず、ＥＬ素子などの他の光源でもよく、光源以外の電気機器でもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。

10 電源装置
11a，11b 負荷としての光源であるＬＥＤ素子
13a，13b 出力部
15 整流回路
16 力率改善回路
17 電源電圧変換部
17a，17b 電源電圧変換回路
18 制御回路
30 照明装置
Ｅ交流電源
Q1 力率改善用スイッチング素子
Q2，Q3 変換用スイッチング素子

Claims

交流電源を整流する整流回路と；
整流回路で整流された電源電圧を昇圧する力率改善用スイッチング素子を有する力率改善回路と；
負荷がそれぞれ接続される複数の出力部と；
力率改善回路と複数の出力部との間に設けられた複数の電源電圧変換回路を備え、各電源電圧変換回路が力率改善回路から出力される電源電圧を変換して各負荷に供給する変換用スイッチング素子を有する電源電圧変換部と；
各変換用スイッチング素子で変換した電源電圧を検出し、各変換用スイッチング素子をフィードバック制御するとともに、力率改善用スイッチング素子および複数の変換用スイッチング素子を全て異なるスイッチング周波数でスイッチング制御する制御回路と；
を具備していることを特徴とする電源装置。
制御回路は、各変換用スイッチング素子で変換した電源電圧を検出するときに電源電圧にノイズが重畳されている場合には検出した電源電圧を無効とする
ことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
請求項１記載の電源装置と；
電源装置の負荷としての光源と；
を具備していることを特徴とする照明装置。