JP5923751B2

JP5923751B2 - Ｌｅｄ点灯装置

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Inventors: 熊田　和宏; 和宏熊田
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Filing date: 2012-08-03
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Description

本発明は、ＬＥＤ点灯装置に関するものである。

従来、交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換して、発光ダイオード（ＬＥＤ）からなる光源に印加することで光源を点灯させるＬＥＤ点灯装置がある。また、電源投入時において、コンデンサに流れる突入電流を防止する突入電流防止回路を備えたＬＥＤ点灯装置もある（例えば、特許文献１参照）。

図５に、突入電流防止回路を備えた従来のＬＥＤ点灯装置の回路構成図を示す。この従来のＬＥＤ点灯装置は、入力フィルタ回路１０１，整流回路（ＤＢ）１０２，昇圧チョッパ回路１０３，降圧チョッパ回路１０４，電圧検出回路１０５，突入電流防止回路１０６を主構成とする。そして、このＬＥＤ点灯装置は、交流電源Ｅ１０１を入力電源として、複数の発光ダイオードからなる光源１０７を点灯させるものである。以下に、従来のＬＥＤ点灯装置の構成について説明する。

入力フィルタ回路１０１は、交流電源Ｅ１０１の出力端に接続されており、交流電源Ｅ１０１から入力される交流電圧Ｖａｃ２の雑音低減等を行い、後段の整流回路１０２に出力する。

整流回路（ＤＢ）１０２は、図示しない複数のダイオードからなるダイオードブリッジで構成されており、入力フィルタ回路１０１を介して入力される交流電圧Ｖａｃ２を全波整流して、後段の昇圧チョッパ回路１０３に出力する。

昇圧チョッパ回路１０３は、一次巻線Ｎ１１１，スイッチング素子Ｑ１３１，ダイオードＤ１３１，コンデンサＣ１３１で構成されている。整流回路１０２の出力端間に、チョークコイルとして機能する一次巻線Ｎ１１１とスイッチング素子Ｑ１３１の直列回路が接続されている。また、ダイオードＤ１３１と平滑用のコンデンサＣ１３１の直列回路が、スイッチング素子Ｑ１３１に並列接続されている。スイッチング素子Ｑ１３１はＭＯＳＦＥＴで構成されており、昇圧チョッパ回路制御部１３１によってオン・オフ制御される。

上記構成の昇圧チョッパ回路１０３は、スイッチング素子Ｑ１３１がオン・オフ制御されることで、整流回路１０２が出力する全波整流電圧を昇圧して所望の直流電圧Ｖｄｃ２をコンデンサＣ１３１の両端間に生成して、後段の降圧チョッパ回路１０４に出力する。さらに、昇圧チョッパ回路１０３は、力率改善回路としても機能し、入力電流歪を改善する。

降圧チョッパ回路１０４は、トランスＴ１４１の一次巻線Ｎ１２１，スイッチング素子Ｑ１４１，ダイオードＤ１４１，コンデンサＣ１４１で構成されている。平滑用のコンデンサＣ１４１と、チョークコイルとして機能する一次巻線Ｎ１２１と、スイッチング素子Ｑ１４１の直列回路が、コンデンサＣ１３１に並列接続されている。また、コンデンサＣ１４１と一次巻線Ｎ１２１の直列回路と並列に、電流回生用のダイオードＤ１４１が接続されている。スイッチング素子Ｑ１４１はＭＯＳＦＥＴで構成されており、降圧チョッパ回路制御部１４１によってオン・オフ制御される。また、コンデンサＣ１４１と並列に、光源１０７が接続されている。

上記構成の降圧チョッパ回路１０４は、スイッチング素子Ｑ１４１がオン・オフ制御されることで、昇圧チョッパ回路３が出力する直流電圧Ｖｄｃ２を降圧して光源１０７に印加する。これにより、光源１０７に直流電流が供給され、光源１０７を構成する発光ダイオードが点灯する。

電圧検出回路１０５は、比較器１５１，抵抗Ｒ１５１，抵抗Ｒ１５２，基準電圧生成部Ｅ１５１で構成されており、直流電圧Ｖｄｃ２を検出し、降圧チョッパ回路１０４が降圧動作を開始するタイミングを決定する。具体的には、コンデンサＣ１３１と並列に、抵抗Ｒ１５１，Ｒ１５２の直列回路が接続されている。そして、直流電圧Ｖｄｃ２を抵抗Ｒ１５１，Ｒ１５２で分圧した値が直流電圧Ｖｄｃ２の検出値として、比較器１５１の反転入力端子に入力される。また、比較器１５１の非反転入力端子には、基準電圧生成部Ｅ１５１が出力する基準電圧Ｖｒｅｆ２が入力される。この基準電圧Ｖｒｅｆ２は、直流電圧Ｖｄｃ２が所定の閾値電圧Ｖｔｈ２である場合における、抵抗Ｒ１５１，Ｒ１５２による分圧値（直流電圧Ｖｄｃ２の検出値）に設定されている。そして、比較器１５１は、直流電圧Ｖｄｃ２の検出値と基準電圧Ｖｒｅｆ２とを比較し、比較結果を降圧チョッパ回路制御部１４１に出力する。

すなわち、直流電圧Ｖｄｃ２が閾値電圧Ｖｔｈ２未満（直流電圧Ｖｄｃ２の検出値が基準電圧Ｖｒｅｆ２未満）である場合、比較器１５１の出力レベルはハイとなる。一方、直流電圧Ｖｄｃ２が閾値電圧Ｖｔｈ２以上（直流電圧Ｖｄｃ２の検出値が基準電圧Ｖｒｅｆ２以上）である場合、比較器１５１の出力レベルはローとなる。降圧チョッパ回路制御部１４１は、比較器１５１の出力レベルがローである場合、スイッチング素子Ｑ１４１のオン・オフ制御を実行し、比較器１５１の出力レベルがハイである場合、スイッチング素子Ｑ１４１のオン・オフ制御を停止する。

上記構成の電圧検出回路１０５が、降圧チョッパ回路１０４が動作開始するタイミングを決定することで、以下の問題を回避している。例えば、昇圧チョッパ回路１０３が昇圧動作を開始する前または、直流電圧Ｖｄｃ２が所望の電圧値まで昇圧されておらず、直流電圧Ｖｄｃ２と光源１０７の順方向電圧Ｖｆ２との電位差がほとんどない状態（Ｖｄｃ２≒Ｖｆ２）で、降圧チョッパ回路１０４が動作開始したとする。この場合、降圧チョッパ回路１０４の一次巻線Ｎ１２１に流れるチョーク電流の傾き（Ｖｄｃ２−Ｖｆ２）／Ｌが、ゼロまたは小さくなる（一次巻線Ｎ１２１のインダクタンスをＬとする）。降圧チョッパ回路制御部１４１が、一次巻線Ｎ１２１に流れるチョーク電流が閾値を上回ったタイミングでスイッチング素子Ｑ１４１をオンからオフに切り替える制御の場合、チョーク電流の立ち上がりが遅れ、スイッチング素子Ｑ１４１のオン期間が長くなる。スイッチング素子Ｑ１４１がオンした状態における光源１０７での消費電力は大きいため、昇圧チョッパ回路１０３が直流電圧Ｖｄｃ２を所望の電圧値まで昇圧できなくなる。そして、直流電圧Ｖｄｃ２＝順方向電圧Ｖｆ２の状態で維持され、スイッチング素子Ｑ１４１のオン状態が継続されるという問題が発生する。

このような状態を回避するために、閾値電圧Ｖｔｈ２を順方向電圧Ｖｆ２よりも十分に大きな値に設定しておく。そして、電圧検出回路１０５を用いて、まず昇圧チョッパ回路１０３のみ動作を開始させ、直流電圧Ｖｄｃ２が順方向電圧Ｖｆ２より十分大きくなってから、降圧チョッパ回路１０４の動作を開始させる。これにより、スイッチング素子Ｑ１４１のオン状態が継続されるという問題を解消することができる。

突入電流防止回路１０６は、サイリスタＱ１６１，サーミスタＰＴＨ１６１，抵抗Ｒ１６１，抵抗Ｒ１６２，コンデンサＣ１６１，ダイオードＤ１６１，トランスＴ１４１の二次巻線Ｎ１２２で構成されている。

サーミスタＰＴＨ１６１は、温度が上昇するにつれて抵抗値が大きくなる特性を有する素子（例えば、村田製作所製のポジスタ（登録商標））であり、整流回路１０２と昇圧チョッパ回路１０３とを接続する一対の電力供給経路のうち、正極側の電力供給経路に介挿されている。

サイリスタＱ１６１は、サーミスタＰＴＨ１６１に並列接続されており、ゲートに抵抗Ｒ１６１，Ｒ１６２とコンデンサＣ１６１からなる積分回路の出力が接続されている。

積分回路は、抵抗Ｒ１６１とコンデンサＣ１６１の直列回路と、コンデンサＣ１６１に並列接続された抵抗Ｒ１６２で構成されており、二次巻線Ｎ１２２に生じる誘導電圧Ｖｎ１２２を平滑化してサイリスタＱ１６１のゲートに印加する。二次巻線Ｎ１２２は、一端がサイリスタＱ１６１のカソードに接続され、他端が逆流防止用のダイオードＤ１６１を介して抵抗Ｒ１６１に接続されている。

二次巻線Ｎ１２２は、一次巻線Ｎ１２１に磁気結合されており、スイッチング素子Ｑ１４１がオン・オフ制御されることで、二次巻線Ｎ１２２に誘導電圧Ｖｎ１２２が発生する。具体的には、スイッチング素子Ｑ１４１のオン時において、一次巻線Ｎ１２１の両端電圧Ｖｎ１２１は、直流電圧Ｖｄｃ２から光源１０７の順方向電圧Ｖｆ２を引いた値（Ｖｄｃ２−Ｖｆ２）となる（一次巻線Ｎ１２１の他端側（スイッチング素子Ｑ１４１側）の電位を基準とする）。また、スイッチング素子Ｑ１４１のオフ時において、一次巻線Ｎ１２１には逆起電力が発生し、一次巻線Ｎ１２１の両端電圧Ｖｎ１２１は、ほぼ順方向電圧Ｖｆ２となる（一次巻線Ｎ１２１の一端側（光源１０７側）の電位を基準とする）。

一方、一次巻線Ｎ１２１と二次巻線Ｎ１２２の巻数比をｎ１２１：ｎ１２２とした場合、二次巻線Ｎ１２２に生じる誘導電圧Ｖｎ１２２は、Ｖｎ１２１×ｎ１２２／ｎ１２１となる。二次巻線Ｎ１２２の他端と抵抗Ｒ１６１との間にはダイオードＤ１６１が介挿されているため、スイッチング素子Ｑ１４１がオフ時に発生する誘導電圧Ｖｎ１２２のみ、積分回路を介してサイリスタＱ１６１に印加される。すなわち、サイリスタＱ１６１は、スイッチング素子Ｑ１４１がオン・オフ制御される通常点灯時において、二次巻線Ｎ１２２に生じる誘導電圧Ｖｎ１２２を駆動電源としてオンする。

次に、図６（ａ）〜（ｇ）に示すタイミングチャートを用いて、従来のＬＥＤ点灯装置の始動時の動作について説明する。なお、図６（ａ）は、昇圧チョッパ回路１０３が出力する直流電圧Ｖｄｃ２の波形図である。図６（ｂ）は、昇圧チョッパ回路制御部１３１および降圧チョッパ回路制御部１４１の動作電源である制御電源（図示なし）が出力する制御電源電圧Ｖｃｃ２の波形図である。図６（ｃ）は、スイッチング素子Ｑ１３１のゲート電圧の波形図である。図６（ｄ）は、比較器１５１の出力波形図である。図６（ｅ）は、スイッチング素子Ｑ１４１のゲート電圧の波形図である。図６（ｆ）は、トランスＴ１４１の二次巻線Ｎ１２２に生じる誘導電圧Ｖｎ１２２の波形図である（二次巻線Ｎ１２２の他端側（ダイオードＤ１６１側）の電位を基準とする）。図６（ｇ）は、サーミスタＰＴＨ１６１の両端電圧Ｖｐｔｈ２の波形図である。

まず、時間ｔ０において、図示しないスイッチがオンされ、交流電源Ｅ１０１からＬＥＤ点灯装置に電力供給が開始され、制御電源電圧Ｖｃｃ２が立ち上がる。このとき、制御電源電圧Ｖｃｃ２は、昇圧チョッパ回路制御部１３１および降圧チョッパ回路制御部１４１の動作可能電圧を下回っており、スイッチング素子Ｑ１３１，Ｑ１４１はオフ状態となる。そのため、二次巻線Ｎ１２２に誘導電圧Ｖｎ１２２が生じず、サイリスタＱ１６１がオフ状態となる。サイリスタＱ１６１がオフすることによって、昇圧チョッパ回路１０３の入力電流はサーミスタＰＴＨ１６１を介して供給されることとなり、サーミスタＰＴＨ１６１の両端間に電圧Ｖｐｔｈ２が発生する。すなわち、電源投入直後は、サイリスタＱ１６１をオフすることでサーミスタＰＴＨ１６１を介して入力電流が供給されるため、サーミスタＰＴＨ１６１の抵抗値が増加し、コンデンサＣ１３１を充電するために流れる突入電流が抑制される。

そして、時間ｔ１において、制御電源電圧Ｖｃｃ２が昇圧チョッパ回路制御部１３１の動作可能電圧に達し、昇圧チョッパ回路制御部１３１がスイッチング素子Ｑ１３１のオン・オフ制御を開始する。スイッチング素子Ｑ１３１がオン・オフ制御されることで、昇圧チョッパ回路１０３が昇圧動作を開始し、直流電圧Ｖｄｃ２が上昇すると共に、入力電流歪が改善される。

時間ｔ２において、直流電圧Ｖｄｃ２が閾値電圧Ｖｔｈ２以上となり、比較器１５１の出力レベルがハイからローに反転する。これにより、降圧チョッパ回路制御部１４１がスイッチング素子Ｑ１４１のオン・オフ制御を開始することで、降圧チョッパ回路１０４が降圧動作を開始、光源１０７が点灯する。また、スイッチング素子Ｑ１４１がオン・オフ制御されることで、二次巻線Ｎ１２２に誘導電圧Ｖｎ１２２が発生して、サイリスタＱ１６１がオンするため、サーミスタＰＴＨ１６１に流れる電流が低減し、光源１０７点灯時におけるサーミスタＰＴＨ１６１での消費電力を低減させることができる。

ここで、降圧チョッパ回路制御部１４１やスイッチング素子Ｑ１４１の故障により、スイッチング素子Ｑ１４１が常にオン状態となりドレイン−ソース間が常に短絡状態となる異常が発生したとする。この場合、スイッチング素子Ｑ１４１のオン・オフ制御が不能となり常にオン状態となるので、一次巻線Ｎ１２１および二次巻線Ｎ１２２の両端間には電位差が生じず、サイリスタＱ１６１がオフする。すなわち、スイッチング素子Ｑ１４１のドレイン−ソース間が短絡状態である場合、サイリスタＱ１６１がオフし、サーミスタＰＴＨ１６１を介して入力電流が供給されることとなる。サーミスタＰＴＨ１６１に電流が流れ続けると、サーミスタＰＴＨ１６１の温度が上昇し、サーミスタＰＴＨ１６１の抵抗値が大きく上昇する。例えば、サーミスタＰＴＨ１６１の温度が２５℃から１６０℃まで上昇すると、抵抗値は約１００倍程度に上昇する。

すなわち、昇圧チョッパ回路１０３の入力電流はサーミスタＰＴＨ１６１を介して供給されるので、サーミスタＰＴＨ１６１の抵抗値が上昇し、昇圧チョッパ回路１０３の入力電圧が低減して入力定格値を下回る。これにより、昇圧チョッパ回路１０３が昇圧動作を行うことができなくなり、光源１０７の順方向電圧Ｖｆ２以上の直流電圧Ｖｄｃ２を出力することができなくなる。したがって、光源１０７が不点または微小点灯となる。

このように、スイッチング素子Ｑ１４１のドレイン−ソース間が短絡状態であっても、光源１０７への過電力を防止することで異常発熱を抑制し、器具部材の溶融等を回避することができる。

特開２０１２−１３５０９５号公報

しかし、上述した従来のＬＥＤ点灯装置では、昇圧チョッパ回路１０３のみが動作している期間Ｔａ（時間ｔ１〜ｔ２）において、降圧チョッパ回路１０４が停止しているため、サイリスタＱ１６１がオフ状態となる。すなわち、降圧チョッパ回路１０４の動作開始前は、サーミスタＰＴＨ１６１に電流が流れて抵抗値が大きく上昇する。これによって、サーミスタＰＴＨ１６１の両端電圧Ｖｐｔｈ２も上昇し、サーミスタＰＴＨ１６１での消費電力が大きく増加する。さらに、サーミスタＰＴＨ１６１の両端電圧Ｖｐｔｈ２が上昇することで、昇圧チョッパ回路１０３の入力電圧が低下して定格入力値を下回り、昇圧チョッパ回路１０３が正常に昇圧動作を実行できないおそれがある。

そこで、上記問題を解消するために、図７に示すように、降圧チョッパ回路１０４のトランスＴ１４１の二次巻線Ｎ１２２および、昇圧チョッパ回路１０３のトランスＴ１３１の二次巻線Ｎ１１２に発生する誘導電圧をサイリスタＱ１６１の駆動電源とするＬＥＤ点灯装置がある。

二次巻線Ｎ１１２は、一端がダイオードＤ１６２を介して積分回路に接続され、他端が一次巻線Ｎ１１１に接続されており、スイッチング素子Ｑ１３１がオン・オフ制御されることで誘導電圧が発生し、サイリスタＱ１６１がオンする。したがって、昇圧チョッパ回路１０３が動作して、降圧チョッパ回路１０４が停止している期間Ｔａ（図６参照）においても、サイリスタＱ１６１がオンする。これにより、昇圧チョッパ回路１０３のみが動作している期間Ｔａにおいても、サーミスタＰＴＨ１６１による入力電圧の低減が抑制され、昇圧チョッパ回路１０３を確実に昇圧動作させることができる。

しかし、図７に示した従来のＬＥＤ点灯装置は、スイッチング素子Ｑ１４１のドレイン−ソース間が短絡状態となり、二次巻線Ｎ１２２に誘導電圧が発生しない状態であっても、スイッチング素子Ｑ１３１のオン・オフ制御が継続される。そのため、サイリスタＱ１６１は、二次巻線Ｎ１１２に発生する誘導電圧を駆動電源としてオンすることとなる。したがって、図７に示した従来のＬＥＤ点灯装置は、スイッチング素子Ｑ１４１のドレイン−ソース間が短絡状態となっても、サーミスタＰＴＨ１６１にほとんど電流が流れないため、光源１０７に過電力が供給されて異常発熱し、器具部材の溶融などが発生するおそれがある。

本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、昇圧チョッパ回路を確実に昇圧動作させると共に、降圧チョッパ回路のスイッチング素子の短絡時における光源への過電力供給を防止することができるＬＥＤ点灯装置を提供することにある。

本発明のＬＥＤ点灯装置は、第１のスイッチング素子および第１の一次巻線を有し、前記第１のスイッチング素子がオン・オフ制御されることで入力電圧を所望の直流電圧に昇圧する昇圧チョッパ回路と、前記第１のスイッチング素子をオン・オフ制御する昇圧チョッパ回路制御部と、前記昇圧チョッパ回路の出力電圧を検出する電圧検出回路と、第２のスイッチング素子および第２の一次巻線を有し、前記第２のスイッチング素子がオン・オフ制御されることで、前記昇圧チョッパ回路の出力電圧を降圧して、１乃至複数の発光素子からなる光源に印加する降圧チョッパ回路と、前記電圧検出回路の検出結果が閾値未満である場合、前記第２のスイッチング素子をオフ状態に維持し、前記電圧検出回路の検出結果が前記閾値以上である場合、前記第２のスイッチング素子をオン・オフ制御する降圧チョッパ回路制御部と、前記第１の一次巻線に磁気結合された第１の二次巻線および、前記第２の一次巻線に磁気結合された第２の二次巻線に生じる電圧を駆動電源とする第３のスイッチング素子および、当該第３のスイッチング素子に並列接続される限流素子を有し、前記昇圧チョッパ回路の入力電流経路に設けられる突入電流防止回路とを備え、前記突入電流防止回路は、前記電圧検出回路の検出結果が前記閾値未満である場合、前記第１の二次巻線に生じる電圧のみを前記第３のスイッチング素子の駆動電源に設定し、少なくとも前記電圧検出回路の検出結果が前記閾値以上である場合、前記第２の二次巻線に生じる電圧のみを前記第３のスイッチング素子の駆動電源に設定する駆動電源切り替え部を有することを特徴とする。

このＬＥＤ点灯装置において、前記駆動電源切り替え部は、前記電圧検出回路の検出結果が前記閾値以上となってから所定時間は、前記第１の二次巻線と前記第２の二次巻線との両方に生じる電圧を前記第３のスイッチング素子の駆動電源に設定し、前記電圧検出回路の検出結果が前記閾値以上となってから前記所定時間経過後は、前記第２の二次巻線に生じる電圧のみを前記第３のスイッチング素子の駆動電源に設定することが好ましい。

以上説明したように、本発明では、昇圧チョッパ回路のみが動作しているときは、第１の一次巻線に生じる電圧のみを第３のスイッチング素子の駆動電源に設定することで、限流素子による昇圧チョッパ回路の入力電圧の低減を抑制し、昇圧チョッパ回路を確実に昇圧動作させることができる。さらに、降圧チョッパ回路が動作開始後は、第２の一次巻線に生じる電圧のみを第３のスイッチング素子の駆動電源に設定することで、降圧チョッパ回路のスイッチング素子の短絡時における光源への過電力供給を防止することができるという効果がある。

本発明の実施形態１のＬＥＤ点灯装置の回路構成図である。（ａ）〜（ｈ）同上のタイミングチャートである。実施形態２のＬＥＤ点灯装置の回路構成図である。（ａ）〜（ｈ）同上のタイミングチャートである。従来のＬＥＤ点灯装置の回路構成図である。（ａ）〜（ｇ）同上のタイミングチャートである。従来のＬＥＤ点灯装置の回路構成図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（実施形態１）
本実施形態のＬＥＤ点灯装置の回路構成図を図１に示す。本実施形態のＬＥＤ点灯装置は、入力フィルタ回路１，整流回路（ＤＢ）２，昇圧チョッパ回路３，降圧チョッパ回路４，電圧検出回路５，突入電流防止回路６を主構成とする。そして、本実施形態のＬＥＤ点灯装置は、交流電源Ｅ１を入力電源として、複数の発光ダイオード（発光素子）からなる光源７を点灯させるものである。以下に、本実施形態のＬＥＤ点灯装置の構成について説明する。

入力フィルタ回路１は、交流電源Ｅ１の出力端に接続されており、交流電源Ｅ１から入力される交流電圧Ｖａｃ１の雑音低減等を行い、後段の整流回路２に出力する。

整流回路２は、図示しない複数のダイオードからなるダイオードブリッジで構成されており、入力フィルタ回路１を介して入力される交流電圧Ｖａｃ１を全波整流して、後段の昇圧チョッパ回路３に出力する。

昇圧チョッパ回路３は、トランスＴ３１の一次巻線Ｎ１１（第１の一次巻線），スイッチング素子Ｑ３１（第１のスイッチング素子），ダイオードＤ３１，コンデンサＣ３１で構成されている。整流回路２の出力端間に、チョークコイルとして機能する一次巻線Ｎ１１とスイッチング素子Ｑ３１の直列回路が接続されている。また、ダイオードＤ３１と平滑用のコンデンサＣ３１の直列回路が、スイッチング素子Ｑ３１に並列接続されている。スイッチング素子Ｑ３１はＭＯＳＦＥＴで構成されており、昇圧チョッパ回路制御部３１によってオン・オフ制御される。

上記構成の昇圧チョッパ回路３は、スイッチング素子Ｑ３１がオン・オフ制御されることで、整流回路２が出力する全波整流電圧（入力電圧）を昇圧した所望の直流電圧Ｖｄｃ１（例えば４００Ｖ）をコンデンサＣ３１の両端間に生成して、後段の降圧チョッパ回路４に出力する。さらに、昇圧チョッパ回路３は、力率改善回路としても機能し、スイッチング素子Ｑ３１がオン・オフ制御されることで入力電流歪を改善する。

降圧チョッパ回路４は、トランスＴ４１の一次巻線Ｎ２１（第２の一次巻線），スイッチング素子Ｑ４１（第２のスイッチング素子），ダイオードＤ４１，コンデンサＣ４１で構成されている。平滑用のコンデンサＣ４１とチョークコイルとして機能する一次巻線Ｎ２１とスイッチング素子Ｑ４１との直列回路が、コンデンサＣ３１に並列接続されている。また、コンデンサＣ４１と一次巻線Ｎ２１の直列回路と並列に、電流回生用のダイオードＤ４１が接続されている。スイッチング素子Ｑ４１はＭＯＳＦＥＴで構成されており、降圧チョッパ回路制御部４１によってオン・オフ制御される。また、コンデンサＣ４１と並列に、光源７が接続されている。

上記構成の降圧チョッパ回路４は、スイッチング素子Ｑ４１がオン・オフ制御されることで、昇圧チョッパ回路３が出力する直流電圧Ｖｄｃ１を降圧して光源７に印加する。これにより、光源７に所望の直流電流が供給され、光源７を構成する発光ダイオード（ＬＥＤ）が点灯する。なお、本実施形態では、光源７は複数の発光ダイオードで構成されているが、単数の発光ダイオードで構成されていてもよい。

電圧検出回路５は、比較器５１，抵抗Ｒ５１，抵抗Ｒ５２，基準電圧生成部Ｅ５１で構成されており、直流電圧Ｖｄｃ１を検出し、降圧チョッパ回路４が降圧動作を開始するタイミングを決定する。具体的には、コンデンサＣ３１と並列に、抵抗Ｒ５１，Ｒ５２の直列回路が接続されている。そして、直流電圧Ｖｄｃ１を抵抗Ｒ５１，Ｒ５２で分圧した値が直流電圧Ｖｄｃ１の検出値として、比較器５１の反転入力端子に入力される。また、比較器５１の非反転入力端子には、基準電圧生成部Ｅ５１が出力する基準電圧Ｖｒｅｆ１が入力される。この基準電圧Ｖｒｅｆ１は、直流電圧Ｖｄｃ１が所定の閾値電圧Ｖｔｈ１である場合における、抵抗Ｒ５１，Ｒ５２による分圧値（直流電圧Ｖｄｃ１の検出値）に設定されている。そして、比較器５１は、直流電圧Ｖｄｃ１の検出値と基準電圧Ｖｒｅｆ１とを比較し、比較結果を降圧チョッパ回路制御部４１に出力する。

すなわち、直流電圧Ｖｄｃ１が閾値電圧Ｖｔｈ１未満（直流電圧Ｖｄｃ１の検出値が基準電圧Ｖｒｅｆ１未満）である場合、比較器５１の出力レベルはハイとなる。一方、直流電圧Ｖｄｃ１が閾値電圧Ｖｔｈ１以上（直流電圧Ｖｄｃ１の検出値が基準電圧Ｖｒｅｆ１以上）である場合、比較器５１の出力レベルはローとなる。降圧チョッパ回路制御部４１は、比較器５１の出力レベルがローである場合、スイッチング素子Ｑ４１のオン・オフ制御を実行し、比較器５１の出力レベルがハイである場合、スイッチング素子Ｑ４１のオン・オフ制御を停止する。

閾値電圧Ｖｔｈ１は、光源７の順方向電圧Ｖｆ１よりも十分高い値に設定されている。したがって、本実施形態では、昇圧チョッパ回路３が昇圧動作を開始して、直流電圧Ｖｄｃ１が光源７の順方向電圧Ｖｆ１よりも十分高く昇圧されてから降圧チョッパ回路４が降圧動作を開始する。昇圧チョッパ回路３が昇圧動作を開始してから、降圧チョッパ回路４が降圧動作を開始することで、昇圧チョッパ回路３が正常に昇圧動作を行うことができる（背景技術参照）。

突入電流防止回路６は、サイリスタＱ６１，サーミスタＰＴＨ６１，抵抗Ｒ６１，抵抗Ｒ６２，コンデンサＣ６１，ダイオードＤ６１，ダイオードＤ６２，スイッチＱ６２，トランスＴ３１の二次巻線Ｎ１２，トランスＴ４１の二次巻線Ｎ２２で構成されている。本実施形態の突入電流防止回路６は、交流電源Ｅ１から電源供給開始直後におけるコンデンサＣ３１を充電するために流れる突入電流および、スイッチング素子Ｑ４１の短絡時における光源７への過電力供給を防止するものである。

サーミスタＰＴＨ６１（限流素子）は、温度が上昇するにつれて抵抗値が大きくなる特性を有する素子（例えば、村田製作所製のポジスタ（登録商標））であり、整流回路２と昇圧チョッパ回路３とを接続する一対の電力供給経路のうち、負極側の電力供給経路に介挿されている。

サイリスタＱ６１（第３のスイッチング素子）は、サーミスタＰＴＨ６１に並列接続されている。具体的には、サイリスタＱ６１は、アノードがコンデンサＣ３１の負極に接続にされ、カソードが整流回路２の負極側の出力に接続され、ゲートが、抵抗Ｒ６１，Ｒ６２とコンデンサＣ６１からなる積分回路の出力に接続されている。そして、サイリスタＱ６１は、二次巻線Ｎ１２，Ｎ２２に生じる誘導電圧Ｖｎ１２，Ｖｎ２２を駆動電源として動作する。

積分回路は、抵抗Ｒ６１とコンデンサＣ６１の直列回路と、コンデンサＣ６１に並列接続された抵抗Ｒ６２で構成される。そして、積分回路は、二次巻線Ｎ１２，Ｎ２２に生じる誘導電圧Ｖｎ１２，Ｖｎ２２が入力され、誘導電圧Ｖｎ１２，Ｖｎ２２を平滑化してサイリスタＱ６１に出力する。

二次巻線Ｎ２２（第２の二次巻線）は、一端が整流回路２の負極側の出力に接続され、他端が逆流防止用のダイオードＤ６１を介して抵抗Ｒ６１の一端に接続されている。二次巻線Ｎ２２は、一次巻線Ｎ２１に磁気結合されており、スイッチング素子Ｑ４１がオン・オフ制御されることで、誘導電圧Ｖｎ２１が発生する。具体的には、スイッチング素子Ｑ４１のオン時において、一次巻線Ｎ２１の両端電圧Ｖｎ２１は、直流電圧Ｖｄｃ１から光源７の順方向電圧Ｖｆ１を引いた値（Ｖｄｃ１−Ｖｆ１）となる（一次巻線Ｎ２１の他端側（スイッチング素子Ｑ４１側）の電位を基準とする）。また、スイッチング素子Ｑ４１のオフ時は、一次巻線Ｎ２１には逆起電力が発生し、一次巻線Ｎ２１の両端電圧Ｖｎ２１は、ほぼ順方向電圧Ｖｆ１となる（一次巻線Ｎ２１の一端側（光源７側）の電位を基準とする）。

一方、一次巻線Ｎ２１と二次巻線Ｎ２２の巻数比をｎ２１：ｎ２２とした場合、二次巻線Ｎ２２の両端間に生じる誘導電圧Ｖｎ２２は、Ｖｎ２１×ｎ２２／ｎ２１となる。二次巻線Ｎ２２の他端と抵抗Ｒ６１との間にはダイオードＤ１６１が介挿されているため、スイッチング素子Ｑ４１がオフ時に発生する誘導電圧Ｖｎ２２のみ、積分回路に入力される。そして、積分回路は、入力された誘導電圧Ｖｎ２２を平滑化して、サイリスタＱ６１のゲートに出力する。

また、二次巻線Ｎ２１（第１の二次巻線）は、一端がスイッチＱ６２（駆動電源切り替え部）を介して整流回路２の負極側の出力に接続され、他端が逆流防止用のダイオードＤ６２を介して抵抗Ｒ６１の一端に接続されている。二次巻線Ｎ１２は、一次巻線Ｎ１１に磁気結合されており、スイッチング素子Ｑ３１がオン・オフ制御されることで、誘導電圧Ｖｎ１２が発生する。そして、スイッチＱ６２がオンしている場合、二次巻線Ｎ１２に生じる誘導電圧Ｖｎ１２が積分回路に入力され、積分回路によって平滑化されてサイリスタＱ６１のゲートに出力される。

スイッチＱ６２は、制御端子が比較器５１の出力に接続されており、比較器５１の出力レベルがハイの場合にオンし、比較器５１の出力レベルがローの場合にオフするように構成されている。したがって、直流電圧Ｖｄｃ１が閾値電圧Ｖｔｈ１未満であり、比較器５１の出力レベルがハイの場合、スイッチＱ６２がオンし、二次巻線Ｎ１２に生じる誘導電圧Ｖｎ１２が積分回路に入力される。一方、直流電圧Ｖｄｃ１が閾値電圧Ｖｔｈ１以上であり、比較器５１の出力レベルがローの場合、スイッチＱ６２がオフするので、二次巻線Ｎ１２から積分回路への出力が遮断される。

このように、スイッチＱ６２は、オンまたはオフすることで、サイリスタＱ６１の駆動電源を切り替えている。直流電圧Ｖｄｃ１が閾値電圧Ｖｔｈ１未満である場合、スイッチＱ６２がオンし、さらに降圧チョッパ回路４は降圧動作を開始していないので、二次巻線Ｎ１２に生じる誘導電圧Ｖｎ１２のみがサイリスタＱ６１の駆動電源に設定される。一方、直流電圧Ｖｄｃ１が閾値電圧以上である場合、スイッチＱ６２がオフし、さらに降圧チョッパ回路４が降圧動作を開始しているので、二次巻線Ｎ２２に生じる誘導電圧Ｖｎ２２のみがサイリスタＱ６２の駆動電源に設定される。

次に、図２（ａ）〜（ｈ）に示すタイミングチャートを用いて、本実施形態のＬＥＤ点灯装置の始動時の動作について説明する。なお、図２（ａ）は、昇圧チョッパ回路３が出力する直流電圧Ｖｄｃ１の波形図である。図２（ｂ）は、昇圧チョッパ回路制御部３１および降圧チョッパ回路制御部４１の動作電源である制御電源（図示なし）が出力する制御電源電圧Ｖｃｃ１の波形図である。図２（ｃ）は、スイッチング素子Ｑ３１のゲート電圧の波形図である。図２（ｄ）は、サイリスタＱ６１の駆動電源に設定される、二次巻線Ｎ１２に生じる誘導電圧Ｖｎ１２の波形図である（二次巻線Ｎ１２の他端側（ダイオードＤ６２側）の電位を基準とする）。図２（ｅ）は、比較器５１の出力波形図である。図２（ｆ）は、スイッチング素子Ｑ４１のゲート電圧の波形図である。図２（ｇ）は、二次巻線Ｎ２２に生じる誘導電圧Ｖｎ２２の波形図である（二次巻線Ｎ２２の他端側（ダイオードＤ６１側）の電位を基準とする）。図２（ｈ）は、サーミスタＰＴＨ６１の両端電圧Ｖｐｔｈ１の波形図である。

まず、時間ｔ０において、図示しないスイッチがオンされ、交流電源Ｅ１からＬＥＤ点灯装置に電力供給が開始され、制御電源電圧Ｖｃｃ１が立ち上がる。このとき、制御電源電圧Ｖｃｃ１は、昇圧チョッパ回路制御部３１および降圧チョッパ回路制御部４１の動作可能電圧を下回っており、スイッチング素子Ｑ３１，Ｑ４１はオフ状態となる。そのため、二次巻線Ｎ１２，Ｎ２２に誘導電圧Ｖｎ２１，Ｖｎ２２が生じず、サイリスタＱ６１がオフ状態となる。サイリスタＱ６１がオフすることによって、昇圧チョッパ回路３の入力電流はサーミスタＰＴＨ６１を介して供給されることとなり、サーミスタＰＴＨ６１の両端間に電圧Ｖｐｔｈ１が発生する。すなわち、電源投入直後は、サイリスタＱ６１をオフすることでサーミスタＰＴＨ６１を介して入力電流が供給されるため、サーミスタＰＴＨ６１の抵抗値が増加し、コンデンサＣ３１を充電するために流れる突入電流が抑制される。

そして、時間ｔ１において、制御電源電圧Ｖｃｃ１が昇圧チョッパ回路制御部３１の動作可能電圧に達し、昇圧チョッパ回路制御部３１がスイッチング素子Ｑ３１のオン・オフ制御を開始することで、昇圧チョッパ回路３が昇圧動作を開始する。これにより、直流電圧Ｖｄｃ１が上昇すると共に、入力電流歪が改善される。

このとき、スイッチング素子Ｑ３１がオン・オフ制御されることで、二次巻線Ｎ１２に誘導電圧Ｖｎ１２が発生する。さらに、直流電圧Ｖｄｃ１が閾値電圧Ｖｔｈ１未満であるため、比較器５１の出力レベルがハイとなるのでスイッチＱ６２がオンし、誘導電圧Ｖｎ１２が積分回路に入力される。すなわち、直流電圧Ｖｄｃ１が閾値電圧Ｖｔｈ１以上となるまでの期間Ｔａ（時間ｔ１〜ｔ２）において、誘導電圧Ｖｎ１２のみがサイリスタＱ６１の駆動電源に設定され、サイリスタＱ６１がオンする。サイリスタＱ６１がオンすることによって、サーミスタＰＴＨ６１に流れる電流が低減するので、サーミスタＰＴＨ６１による消費電力が低減する。さらに、サーミスタＰＴＨ６１による昇圧チョッパ回路３の入力電圧の低減が抑制され、昇圧チョッパ回路３が正常に昇圧動作を行うことができ、直流電圧Ｖｄｃ１を所望の電圧値（例えば４００Ｖ）まで昇圧することができる。

そして、時間ｔ２において、直流電圧Ｖｄｃ１が閾値電圧Ｖｔｈ１以上となり、比較器５１の出力レベルがローに反転する。これにより、降圧チョッパ回路制御部４１がスイッチング素子Ｑ４１のオン・オフ制御を開始することで、降圧チョッパ回路４が降圧動作を開始し、光源７が点灯する。このとき、スイッチＱ６２がオンからオフに切り替わることによって、二次巻線Ｎ１２からサイリスタＱ６１への電源供給が遮断される。しかし、スイッチング素子Ｑ４１のオン・オフ制御が開始されるため、二次巻線Ｎ２２に生じる誘導電圧Ｖｎ２２によってサイリスタＱ６１のオン状態が継続される。

すなわち、光源７の点灯時において、サイリスタＱ６１の駆動電源は、二次巻線Ｎ２２に生じる誘導電圧Ｖｎ２２のみに設定される。そのため、スイッチング素子Ｑ４１のドレイン−ソース間が短絡状態となった場合は、二次巻線Ｎ２２に誘導電圧Ｖｎ２２が生じなくなるので、サイリスタＱ６１がオフする。サイリスタＱ６１がオフすることによって、サーミスタＰＴＨ６１を介して入力電流が供給され、サーミスタＰＴＨ６１の抵抗値が上昇することによって、昇圧チョッパ回路３の入力電圧が低減して定格入力値を下回る。昇圧チョッパ回路３の入力電圧が低減することによって、昇圧チョッパ回路３が正常に昇圧動作を行うことができず、直流電圧Ｖｄｃ１を光源７の順方向電圧Ｖｆ１以上に昇圧することができなくなる。これにより、光源７が消灯または微小点灯状態となり、光源７への過電力供給が抑制され、器具周辺部材の温度上昇を防止することができる。

このように、本実施形態では、始動時において、降圧チョッパ回路４が動作を開始する前後で、サイリスタＱ６１の駆動電源を切り替えている。

昇圧チョッパ回路３のみが動作する期間Ｔａは、昇圧チョッパ回路３を構成する一次巻線Ｎ１１に磁気結合された二次巻線Ｎ１２に生じる誘導電圧Ｖｎ１２のみを、サイリスタＱ６１の駆動電源に設定している。これにより、昇圧チョッパ回路３が昇圧動作を開始すると、サイリスタＱ６１がオンされるので、サーミスタＰＴＨ６１による消費電力の大幅な増加を抑制することができる。さらに、サーミスタＰＴＨ６１による昇圧チョッパ回路３の入力電圧の低減も抑制されるので、昇圧チョッパ回路３の入力電圧が入力定格値を下回ることを防止し、確実に直流電圧Ｖｄｃ１を所望の値まで昇圧することができる。

そして、降圧チョッパ回路４が動作を開始すると、降圧チョッパ回路４を構成する一次巻線Ｎ２１に磁気結合された二次巻線Ｎ２２に生じる誘導電圧Ｖｎ２２のみを、サイリスタＱ６１の駆動電源に設定している。これにより、降圧チョッパ回路４を構成するスイッチング素子Ｑ４１のドレイン−ソース間の短絡時には、サイリスタＱ６１がオフする。サイリスタＱ６１がオフすることによって、昇圧チョッパ回路３の入力電圧が低減して定格入力値を下回り、昇圧チョッパ回路３が正常に昇圧動作を行うことができなくなる。昇圧チョッパ回路３が正常に昇圧動作を行うことができず直流電圧Ｖｄｃ１が低減し、光源７への過電力供給が抑制され、器具周辺部材の温度上昇を防止することができる。

（実施形態２）
本実施形態のＬＥＤ点灯装置の回路構成図を図３に示す。本実施形態のＬＥＤ点灯装置は、比較器５１とスイッチング素子Ｑ６２との間にタイマ回路６１が介挿されていることが特徴であり、他の構成は、実施形態１のＬＥＤ点灯装置と同様の構成であるので、同一符号を付して説明は省略する。

タイマ回路６１は、比較器５１の出力端子と、スイッチング素子Ｑ６２の制御端子との間に介挿されている。タイマ回路６１は、比較器５１の出力レベルがハイからローに反転するタイミングを、所定期間Ｔｂ遅延させてスイッチング素子Ｑ６２に伝達するものである。すなわち、スイッチＱ６２は、直流電圧Ｖｄｃ１が閾値電圧Ｖｔｈ１以上となり、降圧チョッパ回路４が降圧動作を開始してから、所定期間Ｔｂ経過後にオンからオフに切り替わる。

次に、図４（ａ）〜（ｈ）に示すタイミングチャートを用いて、本実施形態のＬＥＤ点灯装置の始動時の動作について説明する。なお、図４（ａ）は、昇圧チョッパ回路３が出力する直流電圧Ｖｄｃ１の波形図である。図４（ｂ）は、昇圧チョッパ回路制御部３１および降圧チョッパ回路制御部４１の動作電源である制御電源（図示なし）が出力する制御電源電圧Ｖｃｃ１の波形図である。図４（ｃ）は、スイッチング素子Ｑ３１のゲート電圧の波形図である。図４（ｄ）は、サイリスタＱ６１の駆動電源に設定される、二次巻線Ｎ１２に生じる誘導電圧Ｖｎ１２の波形図である（二次巻線Ｎ１２の他端側（ダイオードＤ６２側）の電位を基準とする）。図４（ｅ）は、比較機５１の出力波形図である。図４（ｆ）は、スイッチング素子Ｑ４１のゲート電圧の波形図である。図４（ｇ）は、二次巻線Ｎ２２に生じる誘導電圧Ｖｎ２２の波形図である（二次巻線Ｎ２２の他端側（ダイオードＤ６１側）の電位を基準とする）。図４（ｈ）は、サーミスタＰＴＨ６１の両端電圧Ｖｐｔｈ１の波形図である。

なお、時間ｔ２以前の動作は、実施形態１と同様であるので説明を省略する。

時間ｔ２において、直流電圧Ｖｄｃ１が閾値電圧Ｖｔｈ１以上となり、比較器５１の出力レベルがローに反転する。これにより、降圧チョッパ回路制御部４１がスイッチング素子Ｑ４１のオン・オフ制御を開始することで、降圧チョッパ回路４が降圧動作を開始し、光源７が点灯する。また、このとき、タイマ回路６１によって、比較器５１からスイッチング素子Ｑ６２に伝達される信号が遅延されるので、スイッチング素子Ｑ６２は、直流電圧Ｖｄｃ１が閾値電圧Ｖｔｈ１以上となってから所定期間Ｔｂ、オン状態を保持した後にオフする。すなわち、期間Ｔｂ中において、二次巻線Ｎ１２に生じる誘導電圧Ｖｎ１２と、二次巻線Ｎ２２に生じる誘導電圧Ｖｎ２２との両方がサイリスタＱ６１の駆動電源に設定されることとなる。

例えば、降圧チョッパ回路４が動作開始直後に、誘導電圧Ｖｎ２２のみをサイリスタＱ６１の駆動電源に設定した場合、積分回路によってサイリスタＱ６１に印加される電圧の立ち上がりが遅れ、サイリスタＱ６１がオフする期間が発生するおそれがある。しかし、本実施形態では、降圧チョッパ回路４が動作開始してから期間Ｔｂは、二次巻線Ｎ１２に生じる誘導電圧Ｖｎ１２をサイリスタＱ６１の駆動電源に設定した状態を維持する。この期間Ｔｂ中に、二次巻線Ｎ２２からサイリスタＱ６１に印加される電圧を立ち上がらせることができるので、サイリスタＱ６１の駆動電源の切り替え時に、サイリスタＱ６１がオフすることを防止することができる。

そして、期間Ｔｂ経過後は、二次巻線Ｎ２２に生じる誘導電圧Ｖｎ２２のみをサイリスタＱ６１の駆動電源に設定することで、スイッチング素子Ｑ４１の短絡時における光源７への過電力供給を抑制し、器具周辺部材の温度上昇を防止することができる。

なお、期間Ｔｂ中は、二次巻線Ｎ１２に生じる誘導電圧Ｖｎ１２がサイリスタＱ６１の駆動電源に設定されているため、スイッチング素子Ｑ４１のドレイン−ソース間の短絡による光源７への過電力供給を防止することができない。しかし、期間Ｔｂを長くても数秒程度に設定することで、期間Ｔｂ中にスイッチング素子Ｑ４１が短絡したとしても、光源７の発熱による器具部材の温度上昇を抑制することができる。

１入力フィルタ回路
２整流回路
３昇圧チョッパ回路
３１昇圧チョッパ回路制御部
４降圧チョッパ回路
４１降圧チョッパ回路制御部
５電圧検出回路
５１比較器
６突入電流防止回路
７光源
ＰＴＨ６１サーミスタ（限流素子）
Ｑ３１スイッチング素子（第１のスイッチング素子）
Ｑ４１スイッチング素子（第２のスイッチング素子）
Ｑ６１サイリスタ（第３のスイッチング素子）
Ｑ６２スイッチ（駆動電源切り替え部）
Ｎ１１一次巻線（第１の一次巻線）
Ｎ１２二次巻線（第１の二次巻線）
Ｎ２１一次巻線（第２の一次巻線）
Ｎ２２二次巻線（第２の二次巻線）

Claims

第１のスイッチング素子および第１の一次巻線を有し、前記第１のスイッチング素子がオン・オフ制御されることで入力電圧を所望の直流電圧に昇圧する昇圧チョッパ回路と、
前記第１のスイッチング素子をオン・オフ制御する昇圧チョッパ回路制御部と、
前記昇圧チョッパ回路の出力電圧を検出する電圧検出回路と、
第２のスイッチング素子および第２の一次巻線を有し、前記第２のスイッチング素子がオン・オフ制御されることで、前記昇圧チョッパ回路の出力電圧を降圧して、１乃至複数の発光素子からなる光源に印加する降圧チョッパ回路と、
前記電圧検出回路の検出結果が閾値未満である場合、前記第２のスイッチング素子をオフ状態に維持し、前記電圧検出回路の検出結果が前記閾値以上である場合、前記第２のスイッチング素子をオン・オフ制御する降圧チョッパ回路制御部と、
前記第１の一次巻線に磁気結合された第１の二次巻線および、前記第２の一次巻線に磁気結合された第２の二次巻線に生じる電圧を駆動電源とする第３のスイッチング素子および、当該第３のスイッチング素子に並列接続される限流素子を有し、前記昇圧チョッパ回路の入力電流経路に設けられる突入電流防止回路とを備え、
前記突入電流防止回路は、前記電圧検出回路の検出結果が前記閾値未満である場合、前記第１の二次巻線に生じる電圧のみを前記第３のスイッチング素子の駆動電源に設定し、少なくとも前記電圧検出回路の検出結果が前記閾値以上である場合、前記第２の二次巻線に生じる電圧のみを前記第３のスイッチング素子の駆動電源に設定する駆動電源切り替え部を有することを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
前記駆動電源切り替え部は、前記電圧検出回路の検出結果が前記閾値以上となってから所定時間は、前記第１の二次巻線と前記第２の二次巻線との両方に生じる電圧を前記第３のスイッチング素子の駆動電源に設定し、前記電圧検出回路の検出結果が前記閾値以上となってから前記所定時間経過後は、前記第２の二次巻線に生じる電圧のみを前記第３のスイッチング素子の駆動電源に設定することを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ点灯装置。