JP5936532B2 - 直流昇圧回路 - Google Patents

Description

本発明は、直流昇圧回路に関する。

例えば、停電などの非常時に、電池から直流昇圧回路を用いて複数のＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を点灯させる誘導灯装置において、ＬＥＤの輝度ムラを抑える目的から、ＬＥＤを直列接続して定電流駆動で点灯させるのが一般的である（例えば、特許文献１参照）。なお、複数のＬＥＤを並列に接続する場合は、個別のＬＥＤの輝度ムラを抑制するためにＬＥＤと直列に定電流回路が挿入されるが、ＬＥＤの並列数に比例した定電流回路が必要となり、回路規模が増大し、また回路ロスが増加するので、上述のようにＬＥＤを直列接続するのが一般的である。

特開２００２−２４６１９０号公報（段落番号００２９及び図１）

従来の直流昇圧回路は以上のように構成され、交流電源が停電した非常時に誘導灯を点灯させるために、低い電池の電圧を、直列接続された複数のＬＥＤを点灯することが可能な高電圧に昇圧しなければならない。例えば、電池２本（放電終止電圧約２．０Ｖ）により６個の直列接続されたＬＥＤ（順方向電圧Ｖｆ＝約４Ｖ）を点灯する場合、ＬＥＤを駆動する直流昇圧回路は入力電圧の２Ｖを約２６Ｖ（４Ｖ×６個＋定電流回路の電圧降下約２Ｖ）まで、約１３倍昇圧する必要がある。

ところが、直流昇圧回路の電源として低い電池電圧を用いて制御する場合、直流昇圧回路の昇圧スイッチング素子例えばＦＥＴ（電界効果形トランジスタ）を十分に低オン抵抗状態で駆動できないため、直流昇圧回路の回路損失の増加を招くという問題点があった。また、回路損失の増加を避けるために、ＬＥＤを所定時間（例えば２０分）点灯するための容量は電池２本で足りるにもかかわらず、電池３本以上を直列接続する必要が生じ、誘導灯装置の大型化、高価格化を招くことになる。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、低い電池電圧から高効率かつ高昇圧比にて昇圧可能な直流昇圧回路を得ることを目的とする。

この発明に係る直流昇圧回路においては、スイッチング回路と、エネルギー蓄積回路と、定電流制御用抵抗と、制御回路とを有するものであって、
上記スイッチング回路は電池に接続されるものであってインダクタンスを有するインダクタンス素子と開閉信号が入力される制御端子を有する電圧駆動型のスイッチング素子とが直列に接続されたものであり、
上記エネルギー蓄積回路は、一方向導通素子とコンデンサとが直列に接続されたものであり、
上記エネルギー蓄積回路は、上記スイッチング素子に並列に接続され、
上記コンデンサの一端に上記定電流制御用抵抗が接続され、負荷が上記定電流制御用抵抗を介して上記コンデンサに並列に接続されるものであり、
上記制御回路は、上記インダクタンス素子及び上記一方向導通素子を介さないで上記電池から電力の供給を受けて起動可能にされ、起動後は上記スイッチング素子を十分に低オン抵抗状態で駆動するために出力電圧を所定の範囲に調整するレギュレータ回路を介して上記コンデンサから電力の供給を受け上記スイッチング素子の上記制御端子に上記出力電圧に基づく所定の電圧の開閉信号を与えることにより上記スイッチング素子を開閉制御して上記インダクタンス素子に流れる上記電池の電流を断続することにより上記コンデンサを上記電池の電圧よりも高い電圧に充電するものである。

この発明に係る直流昇圧回路は、スイッチング回路と、エネルギー蓄積回路と、定電流制御用抵抗と、制御回路とを有するものであって、
上記スイッチング回路は電池に接続されるものであってインダクタンスを有するインダクタンス素子と開閉信号が入力される制御端子を有する電圧駆動型のスイッチング素子とが直列に接続されたものであり、
上記エネルギー蓄積回路は、一方向導通素子とコンデンサとが直列に接続されたものであり、
上記エネルギー蓄積回路は、上記スイッチング素子に並列に接続され、
上記コンデンサの一端に上記定電流制御用抵抗が接続され、負荷が上記定電流制御用抵抗を介して上記コンデンサに並列に接続されるものであり、
上記制御回路は、上記インダクタンス素子及び上記一方向導通素子を介さないで上記電池から電力の供給を受けて起動可能にされ、起動後は上記スイッチング素子を十分に低オン抵抗状態で駆動するために出力電圧を所定の範囲に調整するレギュレータ回路を介して上記コンデンサから電力の供給を受け上記スイッチング素子の上記制御端子に上記出力電圧に基づく所定の電圧の開閉信号を与えることにより上記スイッチング素子を開閉制御して上記インダクタンス素子に流れる上記電池の電流を断続することにより上記コンデンサを上記電池の電圧よりも高い電圧に充電するものであるので、
電池の電圧が低くてもかつ電池の電圧が低下しても起動が可能であり、さらに電池の電圧が低くてもスイッチング素子の制御端子に与える電圧を最適化してスイッチング素子のオン抵抗を低減して回路損失を小さくでき、高効率にかつ低い電圧を高昇圧比で昇圧できる直流昇圧回路を実現できる。

この発明の実施の形態１である直流昇圧回路を備えた誘導灯装置の構成を示す構成図である。 この発明の実施の形態２である直流昇圧回路を備えた誘導灯装置の構成を示す構成図である。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１である直流昇圧回路を備えた誘導灯装置の構成を示す構成図である。図１において、直流昇圧回路１００は、入力端子Ｐ１，Ｎ１及び出力端子Ｐ２，Ｎ２を有し、入力端子Ｐ１，Ｎ１にインダクタンス素子としての昇圧コイル１とスイッチング素子としてのＦＥＴ２とのスイッチング回路としての直列回路が接続されている。ＦＥＴ２は、この実施の形態においてはＭＯＳ ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いており、ドレインが昇圧コイル１にソースが入力端子Ｎ１に接続されるとともに、制御端子であるゲートが後述の制御回路６に接続されている。

コンデンサとしての平滑コンデンサ４は、一方の端子Ｃｐが一方向導通素子としての整流ダイオード３を介して昇圧コイル１のＦＥＴ２側に接続されるとともに、他方の端子Ｃｎが入力端子Ｎ１に接続されている。なお、整流ダイオード３と平滑コンデンサ４との直列回路が、この発明におけるエネルギー蓄積回路である。

平滑コンデンサ４の一方の端子Ｃｐは出力端子Ｐ２に、他方の端子Ｃｎは定電流制御用抵抗５を介して出力端子Ｎ２に接続されている。制御回路６には、平滑コンデンサ４の一方の端子Ｃｐ及び出力端子Ｎ２からレギュレータ回路７を経由して、その動作のための電力が供給される。制御回路６の端子ＰＷＭからパルス幅変調制御を行う開閉制御信号ＳｇがＦＥＴ２のゲートに印加される。入力端子Ｐ１，Ｎ１には電池２個が直列に接続されたバッテリ５１が接続され、出力端子Ｐ２，Ｎ２には、直列接続された６個のＬＥＤにて構成されたＬＥＤランプ５２が接続されて、誘導灯装置が構成されている。

上記のような直流昇圧回路１００において、バッテリ５１の端子電圧から、昇圧コイル１、整流ダイオード３、及びレギュレータ回路７の電圧降下を引いた電圧が、制御回路６の端子Ｖｃｃに供給されることになり、その電圧が、ＦＥＴ２の最小ゲート電圧以上であれば、問題なく起動することができる。バッテリ５１の電圧がＦＥＴ２の最小ゲート電圧より十分に高い電圧である場合、例えばスイッチング素子の最小ゲート電圧が１．８Ｖであってバッテリ５１の電圧が３．０Ｖ以上確保されている場合、問題なく起動することができる。

直流昇圧回路１００の起動後は、出力端子Ｐ２，Ｎ２間の電圧すなわち直流昇圧回路１００の出力電圧が、レギュレータ回路７を経由して制御回路６の端子Ｖｃｃ及び端子Ｆ／Ｂに供給され、出力電圧が所定値になるように端子ＰＭＷから開閉制御信号Ｓｇが出力される。直流昇圧回路１００の出力電圧が、制御回路６あるいはＦＥＴ２のゲートの耐電圧限界値を超えると制御回路６やＦＥＴ２が破壊するおそれがあるため、平滑コンデンサ４と制御回路６の間にレギュレータ回路７を挿入して所定電圧以上の電圧が制御回路６へ供給されないようして過電圧から保護している。

また、ＦＥＴ２のゲート印加電圧の最適化は、ＦＥＴ２のオン抵抗による抵抗損失を低減することとなる。レギュレータ回路７における調整電圧の範囲は、例えば、最小ゲート電圧が１．８ＶのＦＥＴを用いた場合、最小ゲート電圧の３〜５倍の５〜１０Ｖ程度とするのが望ましい。ここで、昇圧コイル１へ印加される印加電圧は、バッテリ５１の電圧からＦＥＴ２のオン抵抗による電圧降下を差し引いた値であるが、ＦＥＴ２の最小ゲート電圧よりも充分に高い電圧をそのゲートに供給することにより、ＦＥＴ２のオン抵抗を小さくすることができ、電池の電圧がより低い場合であっても昇圧コイル１へ印加する電圧を確保できる。

以上のように、この実施の形態によれば、スイッチング素子のオン抵抗を低減して回路損失を小さくでき、高効率にかつ低い電圧を高昇圧比で昇圧できる直流昇圧回路を実現できる。また、この直流昇圧回路をＬＥＤランプを点灯する誘導灯装置に用いれば、電力損失が小さく、小型で安価な誘導灯装置を得ることができる。
なお、この実施の形態においては、制御回路６へ出力端子Ｐ２，Ｎ２間の電圧を供給するものを示したが、定電流制御用抵抗５を介さないで平滑コンデンサ４の充電電圧を直接供給するようにしてもよい。

実施の形態２．
図２は、実施の形態２である直流昇圧回路を備えた誘導灯装置の構成を示す構成図である。直流昇圧回路２００は、入力逆流防止ダイオード１８と、レギュレータ回路７を経由する出力逆流防止ダイオード１９の２つのカソードが共通にされて制御回路６の電源端子Ｖｃｃに接続され、バッテリ５１の電圧が昇圧コイル１及び整流ダイオード３を介さないで直接制御回路６に供給可能とされるとともに、平滑コンデンサ４の電圧も供給されるように構成されている。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。

この実施の形態においては、直流昇圧回路２００の起動時は、バッテリ５１の電圧を昇圧コイル１及び整流ダイオード３を介さないで、入力逆流防止ダイオード１８を経由して制御回路６に直接供給する。これにより、実施の形態１のように起動時に昇圧コイル１及び整流ダイオード３における電圧降下の影響を受けないので、バッテリ５１の電圧が低下して実施の形態１の直流昇圧回路１００では起動不能となる場合でも、起動可能である。起動後は平滑コンデンサ４から昇圧された電圧の供給を受け、ＦＥＴ２のオン抵抗が十分に低くなるように、ゲートへ印加する電圧を最適な値に制御する。

これにより、低損失でかつ低い電圧から高昇圧比で昇圧できる直流昇圧回路が得ることができる。また、入力逆流防止ダイオード１８と出力逆流防止ダイオード１９のカソードを付き合わせて接続することにより、起動後は制御回路６に電力を供給する電源がバッテリ５１からの直接供給から昇圧された平滑コンデンサ４からの供給に自動的に切り替わる。もちろん、平滑コンデンサ４と出力逆流防止ダイオード１９の間にレギュレータ回路７を設けることで、直流昇圧回路の出力電圧が高い場合であっても、制御回路６へ供給される電圧が制御回路６の耐圧を超えないように調整され、過電圧が防止される。

なお、上記実施の形態では、スイッチング素子としてＦＥＴを示したが、これに限られるものではなく他の電圧駆動型のスイッチング素子であっても同様の効果を奏する。また、負荷はＬＥＤランプに限らず他の負荷であってもよい。

１ 昇圧コイル、２ ＦＥＴ、３ 整流ダイオード、４ 平滑コンデンサ、
５ 定電流制御用抵抗、６ 制御回路、７ レギュレータ回路、
１８ 入力逆流防止ダイオード、１９ 出力逆流防止ダイオード、５１ バッテリ、
５２ ＬＥＤランプ。

Claims (2)

1. スイッチング回路と、エネルギー蓄積回路と、定電流制御用抵抗と、制御回路とを有するものであって、
   上記スイッチング回路は電池に接続されるものであってインダクタンスを有するインダクタンス素子と開閉信号が入力される制御端子を有する電圧駆動型のスイッチング素子とが直列に接続されたものであり、
   上記エネルギー蓄積回路は、一方向導通素子とコンデンサとが直列に接続されたものであり、
   上記エネルギー蓄積回路は、上記スイッチング素子に並列に接続され、
   上記コンデンサの一端に上記定電流制御用抵抗が接続され、負荷が上記定電流制御用抵抗を介して上記コンデンサに並列に接続されるものであり、
   上記制御回路は、上記インダクタンス素子及び上記一方向導通素子を介さないで上記電池から電力の供給を受けて起動可能にされ、起動後は上記スイッチング素子を十分に低オン抵抗状態で駆動するために出力電圧を所定の範囲に調整するレギュレータ回路を介して上記コンデンサから電力の供給を受け上記スイッチング素子の上記制御端子に上記出力電圧に基づく所定の電圧の開閉信号を与えることにより上記スイッチング素子を開閉制御して上記インダクタンス素子に流れる上記電池の電流を断続することにより上記コンデンサを上記電池の電圧よりも高い電圧に充電するものである、
   直流昇圧回路。
2. 上記スイッチング素子は、電界効果形トランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の直流昇圧回路。

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