JP5910814B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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本発明の実施形態は、負荷に電力を供給する電力変換装置に関する。
従来、負荷として例えばＬＥＤ素子に電力を供給する電力変換装置では、交流電源電圧を直流電圧に変換し、この直流電圧を一定の周波数でオンオフ動作するスイッチング素子を有する出力変換回路により所定の出力電圧に変換してＬＥＤ素子に供給し、ＬＥＤ素子を点灯させている。
このような電力変換装置では、ＬＥＤ素子に出力する出力電流を検出し、検出された出力電流に応じて出力変換回路のスイッチング素子のオン時間を可変し、ＬＥＤ素子に一定の出力電流を供給するように制御している。
特開２００３−５９６７６号公報
例えばＬＥＤ素子の数が異なる複数種類の負荷に対して電力変換装置を共用する場合、ある数のＬＥＤ素子を用いる負荷を基準とすると、ＬＥＤ素子の数が少なくなるほど出力変換回路が出力する出力電圧は小さくてよいため、スイッチング素子のオン時間を短くするように制御することになる。しかしながら、スイッチング素子は、オン時間が短くなるほど、スイッチング素子での電力損失が増加する特性を有しているため、電力変換効率が低下する問題がある。
本発明が解決しようとする課題は、負荷に出力する出力電圧の値にかかわらず、高い電力変換効率を維持できる電力変換装置を提供することである。
実施形態の電力変換装置は、直流変換回路、出力変換回路および制御回路を具備している。直流変換回路は、外部電源電圧を直流電圧に変換する。出力変換回路は、直流変換回路で変換された直流電圧を負荷に応じた出力電圧に変換して負荷に供給するスイッチング素子を有する。制御回路は、直流変換回路から出力する直流電圧と出力変換回路から出力する出力電圧との差が一定になるように直流変換回路から出力する直流電圧を可変制御することで、負荷に応じた出力変換回路から出力する出力電圧の値にかかわらずスイッチング素子のオン時間が一定になるように制御する。
本発明によれば、負荷に応じた出力変換回路から出力する出力電圧の値にかかわらずスイッチング素子のオン時間が一定になるように制御するため、常に電力損失が少ない状態でスイッチング素子をスイッチング動作させることができ、高い電力変換効率を維持することが期待できる。
第１の実施形態を示す電力変換装置の回路図である。 同上電力変換装置の直流変換回路および出力変換回路の回路図である。 同上電力変換装置の直流変換回路が出力する直流電圧VDCと出力変換回路が出力する出力電圧V0との関係を示し、(a)は表、(b)はグラフである。 同上出力変換回路のスイッチング素子の動作を示し、(a)はスイッチング素子の１周期におけるオン時間を説明する波形図、(b)はスイッチング素子の１周期におけるオン時間の変化を説明する波形図である。 同上出力変換回路のスイッチング素子の電力損失を示し、(a)は負荷が高負荷でスイッチング素子のオン時間が長い場合の電力損失を示す特性図、(b)は負荷が低負荷でスイッチング素子のオン時間が短い場合の電力損失を示す特性図である。 第２の実施形態を示す電力変換装置の直流変換回路が出力する直流電圧VDCと出力変換回路が出力する出力電圧V0との関係を示し、(a)は表、(b)はグラフである。
以下、第１の実施形態を、図１ないし図５を参照して説明する。
図１に示すように、電力変換装置10は、外部電源電圧としての交流電源Ｅを入力し、負荷11に応じた所定の出力電圧に変換して負荷11に供給するものである。また、電力変換装置10は、設置環境などによって異なる１００Ｖ〜２４２Ｖの範囲の交流電源Ｅの入力に対応する電圧フリータイプに構成されている。
さらに、電力変換装置10は、例えば、広告灯などの照明装置において、負荷11としての複数のＬＥＤ素子に所定の点灯電力を供給し、複数のＬＥＤ素子を点灯させるのに用いられる。この広告灯などの照明装置では、広告灯の種類毎に用いるＬＥＤ素子の数が異なり、必要とする点灯電力も異なることが多いが、電力変換装置10については共用される。
そして、電力変換装置10は、交流電源Ｅを直流電圧に変換して出力する直流変換回路12、この直流変換回路12から出力する直流電圧を負荷11に応じた出力電圧に変換して負荷11に供給する出力変換回路13、この出力変換回路13から出力する出力電圧を検出する検出部14、および検出部14による出力電圧の検出に基づいて直流変換回路12および出力変換回路13を制御する制御回路15を備えている。
図２に示すように、直流変換回路12は、交流電源Ｅを整流する整流回路18と、整流された電源電圧を昇圧するとともに直流電圧に変換する昇圧チョッパ19とを備えている。
整流回路18には全波整流器RECが用いられ、この全波整流器RECの入力端が交流電源Ｅに接続され、出力端が昇圧チョッパ19に接続されている。
昇圧チョッパ19は、全波整流器RECの出力端間に接続されたインダクタL1および例えば電界効果トランジスタなどのスイッチング素子Q1の直列回路と、スイッチング素子Q1と並列に接続された逆流防止用のダイオードD1および平滑用の電解コンデンサC1の直流回路とを有している。そして、制御回路15の制御によってスイッチング素子Q1が所定の周波数およびオン時間（オンデューティ）でオンオフ動作することにより、電解コンデンサC1の両端間に昇圧された所定の直流電圧が発生する。こうして、昇圧チョッパ19は、１００Ｖ〜２４２Ｖの範囲の交流電源Ｅを例えば４２０Ｖなどの所定の直流電圧に昇圧して出力変換回路13に出力する。
出力変換回路13は、降圧チョッパ21で構成され、電解コンデンサC1の両端間に接続された例えば電界効果トランジスタなどのスイッチング素子Q2およびダイオードD2の直列回路を有している。ダイオードD2のカソードと負荷11との間にインダクタL2が接続されている。そして、制御回路15の制御によってスイッチング素子Q2が所定の周波数およびオン時間（オンデューティ）でオンオフ動作することにより、負荷11に供給するために降圧された所定の出力電圧が発生する。
負荷11は、出力変換回路13の出力端間に直列に接続された複数のＬＥＤ素子11aである。
また、図１に示すように、制御回路15は、負荷11に応じた出力変換回路13から出力する出力電圧の値にかかわらず、スイッチング素子Q2のオン時間が一定になるように制御する。
本実施形態では、検出部14によって検出された出力変換回路13から出力する出力電圧に応じて、スイッチング素子Q2のオン時間が一定になるように、直流変換回路12から出力する直流電圧を可変制御する。
具体的には、図３に示すように、直流変換回路12から出力する直流電圧VDCと出力変換回路13から出力する出力電圧V0との差が常に一定になるように、直流変換回路12のスイッチング素子Q1を制御し、直流変換回路12から出力する直流電圧VDCを可変する。
このように、直流電圧VDC−出力電圧V0＝一定となるように、直流変換回路12から出力する直流電圧VDCを可変制御することにより、ＬＥＤ素子11aの数の違いによって出力変換回路13から出力する出力電圧V0の値が違っても、出力変換回路13のスイッチング素子Q2のオン時間を一定にすることができる。
次に、電力変換装置10の動作を説明する。
交流電源Ｅを投入すると、直流変換回路12では、交流電源Ｅを全波整流器RECで整流し、制御回路15の制御により昇圧チョッパ19のスイッチング素子Q1を所定の周波数およびオン時間でオンオフ動作し、全波整流器RECで整流された電源電圧をチョッピングして所定の直流電圧に昇圧し、出力変換回路13に出力する。
出力変換回路13では、制御回路15の制御により降圧チョッパ21のスイッチング素子Q2を所定の周波数およびオン時間でオンオフ動作し、直流変換回路12から出力する直流電圧をチョッピングして負荷11を動作させるための所定の出力電圧（直流電圧）に降圧し、負荷11に出力する。これにより、負荷11であるＬＥＤ素子11aが点灯する。
制御回路15は、検出部14によって検出される出力変換回路13から出力する出力電圧に基づき、直流変換回路12のスイッチング素子Q1および出力変換回路13のスイッチング素子Q2のオンオフ動作を制御する。
また、上述したように、電力変換装置10は、負荷11として複数のＬＥＤ素子11aを用いる広告灯などの照明装置に用いられ、しかも、ＬＥＤ素子11aの数が異なる照明装置に共用される。
ここで、図４(a)には、出力変換回路13のスイッチング素子Q2をオンオフ動作する１周期Ｔにおけるオン時間（ton）を示す。そして、図４(b)に示すように、直流変換回路12から出力する直流電圧VDC、およびＬＥＤ素子11aに流れる電流（2・I0）がそれぞれ一定である場合、ＬＥＤ素子11aの数が少なくなって軽負荷となるほど、スイッチング素子Q2の１周期Ｔにおけるオン時間（ton）を、図４(b)のton3からton2、ton1というように短くすることになる。
図５(a)には負荷11が高負荷でスイッチング素子Q2のオン時間が長い場合のスイッチング素子Q2の電力損失を示し、図５(b)には負荷11が低負荷でスイッチング素子Q2のオン時間が短い場合の電力損失を示し、それぞれに図示する斜線部が電力損失となる。図５から分かるように、スイッチング素子Q2のオン時間が短くなるほど、斜線部の面積が増加し、変換損失が増加しており、電力変換効率が低下する。
このようなスイッチング素子Q2の特性から、負荷11に応じて出力変換回路13から出力する出力電圧の値にかかわらず、スイッチング素子Q2のオン時間は電力損失が少ない状態に一定に保ち、高い電力効率を維持することが好ましい。
本実施形態では、制御回路15により、検出部14によって検出された出力変換回路13から出力する出力電圧に応じて、スイッチング素子Q2のオン時間が一定になるように、直流変換回路12が出力する直流電圧を可変制御する。
具体的には、図３に示すように、直流電圧VDC−出力電圧V0＝一定となるように、直流変換回路12から出力する直流電圧VDCを可変制御することにより、ＬＥＤ素子11aの数の違いによって出力変換回路13から出力する出力電圧V0の値が違っても、常に電力損失が少ない状態でスイッチング素子Q2をスイッチング動作させるように、スイッチング素子Q2のオン時間を一定にすることができる。
この場合、基準となる負荷状態での出力電圧V0の値および直流電圧VDCの値を基準値とし、この基準値を制御回路15が有する記憶部に記憶しておく。例えば、出力電圧V0＝１００Ｖ、直流電圧VDC＝４００Ｖを基準値とする。そして、制御回路15は、検出部14によって検出される出力電圧V0を基準値と比較し、違う場合には直流電圧VDC−出力電圧V0＝一定となるように直流電圧VDCを求め、直流変換回路12のスイッチング素子Q1を制御して直流変換回路12から出力する直流電圧VDCを可変する。
そして、基準となる負荷状態より低負荷の負荷11と電力変換装置10を組み合わせた場合（ＬＥＤ素子11aの数が少ない照明装置に電力変換装置10を組み合わせた場合）、負荷11が低負荷となって、例えば、出力変換回路13の出力電圧V0＝６０Ｖとなるとする。この場合、制御回路15は、検出部14によって検出する出力変換回路13から出力する出力電圧V0＝６０Ｖとなるため、直流変換回路12が出力する直流電圧VDCを３６０Ｖに制御する。
なお、図３(a)に示すように、出力電圧V0の値と、この出力電圧V0の値に対してスイッチング素子Q2のオン時間を一定にすることが可能な直流電圧VDCの値とを対応付けて、制御回路15が有する記憶部のテーブルに予め記憶しておくことにより、制御回路15は、記憶部のテーブルを参照し、検出部14によって検出された出力電圧V0に応じて直流電圧VDCを制御するようにしてもよい。
このように、制御回路15により、検出部14によって検出された出力電圧V0に応じてスイッチング素子Q2のオン時間が一定になるように直流変換回路12から出力する直流電圧を可変制御するため、負荷11に応じた出力変換回路13から出力する出力電圧V0の値にかかわらず、常に電力損失が少ない状態でスイッチング素子Q2をスイッチング動作させることができ、高い電力変換効率を維持することができる。
さらに、制御回路15により、直流変換回路12から出力する直流電圧VDCと出力変換回路13から出力する出力電圧V0との差が一定になるように直流変換回路12ら出力する直流電圧VDCを可変制御するため、負荷11に応じた出力変換回路13から出力する出力電圧V0の値にかかわらず、スイッチング素子Q2のオン時間を一定にすることが実現できる。
次に、図６に第２の実施形態を示す。なお、第１の実施形態と同じ構成については、同じ符号を用いてその説明を省略する。
第１の実施形態では、制御回路15により、検出部14によって検出された出力電圧に応じて、スイッチング素子Q2のオン時間が一定になるように、直流変換回路12から出力する直流電圧を可変制御したが、それに代えて、第２の実施形態では、検出部14によって検出された出力電圧に応じて、スイッチング素子Q2のオン時間が一定になるように、スイッチング素子Q2の周波数を制御する。
具体的には、制御回路15により、基準となる負荷状態での出力電圧と検出部14によって検出された出力電圧とを比較し、スイッチング素子Q2の周波数を可変制御する。
この場合、基準となる負荷状態での出力電圧V0の値および周波数ｆの値を基準値とし、この基準値を制御回路15が有する記憶部に記憶しておく。例えば、基準となる負荷状態での基準値が、出力電圧V0＝１００Ｖ、周波数ｆ＝５５ｋＨｚ、出力電圧V0/直流電圧VDC＝０．２５であったとする。そして、制御回路15は、基準となる負荷状態での出力電圧と検出部14によって検出された出力電圧との差の割合をΔV0、基準となる負荷状態でのスイッチング素子Q2の周波数をｆとしたとき、可変制御するスイッチング素子Q2の周波数をfsw＝ΔV0・ｆの式で求め、スイッチング素子Q2の周波数fswを制御する。
そして、基準となる負荷状態より低負荷の負荷11と電力変換装置10を組み合わせた場合（ＬＥＤ素子11aの数が少ない照明装置に電力変換装置10を組み合わせた場合）、負荷11が低負荷となって、例えば、出力変換回路13の出力電圧V0＝６０Ｖとなるとする。この場合、制御回路15は、検出部14によって検出された出力電圧V0＝６０Ｖで、ΔV0＝０．６％となるため、周波数fsw＝０．６・５５＝３３となり、スイッチング素子Q2の周波数fswを３３ｋＨｚに制御する。これにより、基準となる負荷状態の場合より、スイッチング素子Q2の周波数fswが小さくなるため、スイッチング素子Q2のオン時間が基準となる負荷状態の場合の同じ時間となり、スイッチング素子Q2のオン時間が一定に保たれる。
なお、図６(a)に示すように、出力電圧V0の値と、この出力電圧V0の値に対してスイッチング素子Q2のオン時間を一定にすることが可能な周波数fswの値とを対応付けて、制御回路15が有する記憶部のテーブルに予め記憶しておくことにより、制御回路15は、記憶部のテーブルを参照し、検出部14によって検出された出力電圧V0に応じて周波数fswを決定するようにしてもよい。
このように、制御回路15により、検出部14によって検出された出力電圧V0に応じてスイッチング素子Q2のオン時間が一定になるようにスイッチング素子Q2の周波数を可変制御するため、負荷11に応じた出力変換回路13から出力する出力電圧V0の値にかかわらず、常に電力損失が少ない状態でスイッチング素子Q2をスイッチング動作させることができ、高い電力変換効率を維持することができる。
さらに、制御回路15により、基準となる出力電圧V0と検出部14によって検出された出力電圧V0とを比較してスイッチング素子Q2の周波数を可変制御するため、負荷11に応じた出力変換回路13から出力する出力電圧V0の値にかかわらず、スイッチング素子Q2のオン時間を一定にすることが実現できる。
以上の各実施形態の電力変換装置10によれば、負荷11に応じた出力変換回路13から出力する出力電圧V0の値にかかわらずスイッチング素子Q2のオン時間が一定になるように制御するため、常に電力損失が少ない状態でスイッチング素子Q2をスイッチング動作させることができ、高い電力変換効率を維持することができる。そのため、必要とする電力が異なる負荷11に対して電力変換装置10を共用できる。
なお、外部電源電圧は、交流電源に限らず、直流電源でもよい。外部電源電圧が直流電源の場合、直流変換回路12は、入力電圧を異なる電圧の直流電圧に変換する。
また、電力変換装置10によって電力を供給する負荷11は、ＬＥＤ素子11aに限らず、ＥＬ素子などの他の光源でもよく、あるいはその他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 電力変換装置
11 負荷
11a ＬＥＤ素子
12 直流変換回路
13 出力変換回路
14 検出部
15 制御回路
Q2 スイッチング素子

Claims (3)

  1. 外部電源電圧を直流電圧に変換する直流変換回路と；
    直流変換回路で変換された直流電圧を負荷に応じた出力電圧に変換して負荷に供給するスイッチング素子を有する出力変換回路と；
    直流変換回路から出力する直流電圧と出力変換回路から出力する出力電圧との差が一定になるように直流変換回路から出力する直流電圧を可変制御することで、負荷に応じた出力変換回路から出力する出力電圧の値にかかわらずスイッチング素子のオン時間が一定になるように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力変換装置。
  2. 出力変換回路から負荷に出力する出力電圧を検出する検出部を具備し、
    制御回路は、検出部によって検出された出力電圧に応じてスイッチング素子のオン時間が一定になるように直流変換回路から出力する直流電圧を可変制御する
    ことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
  3. 負荷は、ＬＥＤ素子である
    ことを特徴とする請求項１または２記載の電力変換装置。
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