JP6072488B2

JP6072488B2 - 点灯装置及び照明装置

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Publication number: JP6072488B2
Application number: JP2012219644A
Authority: JP
Inventors: 振一郎奥村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Electric Lighting Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Electric Lighting Corp
Priority date: 2012-10-01
Filing date: 2012-10-01
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2032-10-01
Also published as: JP2014072146A

Description

本発明は、点灯装置及び照明装置に関するものである。本発明は、特に、ＬＥＤ点灯装置に関するものである。

力率改善型コンバータを用いたＬＥＤ点灯装置がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−４０４００号公報

力率改善型コンバータを用いたＬＥＤ点灯装置では、力率を改善する（即ち、高周波電流を抑制する）ために負荷変動に対する応答性を下げなければならないが、応答性を下げると電源起動時のラッシュ電流により力率改善型コンバータの出力電圧が一瞬落ち込むため、ＬＥＤのチラつきが発生するという課題があった。

ここで、応答性とは力率改善型コンバータにフィードバックをかける頻度（即ち、周波数）のことである。フィードバックをかける周期が短いと、負荷が変動しても出力を略一定に保つことができる。一方、フィードバックをかける周期が長いと、前述したように、電源起動時の急激な電流増加により出力が低下してＬＥＤのチラつきが発生する可能性がある。

本発明は、例えば、光源の点灯時の力率を悪化させることなく、電源起動時の光源のチラつきを抑止することを目的とする。

本発明の一の態様に係る点灯装置は、
直流電力を供給する直流電源部と、
前記直流電源部から供給される直流電力の力率の改善と電圧の調整とをスイッチング動作により行って当該直流電力を出力する直流直流変換部と、
外部の光源と接続され、前記直流直流変換部から出力される直流電力を前記光源に供給して前記光源を点灯させる点灯部と、
前記直流直流変換部から出力される直流電力の電圧を所定の電圧と比較し、当該直流電力の電圧が前記所定の電圧よりも高いか低いかを示す電圧を出力するフィードバック回路と、前記フィードバック回路から出力される電圧に基づいて前記直流直流変換部のスイッチング動作を制御する制御回路と、前記フィードバック回路から出力される電圧の周波数特性を時定数に応じて補正する位相補正回路と、前記点灯部から供給される直流電力の電圧を検出し、検出電圧が前記光源の順方向電圧に達したとき又は検出電圧が前記光源の順方向電圧に達してから所定の時間が経過したときに、前記位相補正回路の時定数を変えることで、前記フィードバック回路から出力される電圧によって前記制御回路にフィードバックがかかる第１周期をより長い第２周期に切り替える位相補正切替回路とを有する制御部とを備える。

本発明の一の態様において、点灯装置の直流直流変換部は、直流電力の力率の改善と電圧の調整とをスイッチング動作により行って当該直流電力を出力する。点灯装置の制御部は、直流直流変換部から出力される直流電力の電圧を所定の電圧と比較し、当該直流電力の電圧が所定の電圧よりも高いか低いかを示す電圧を出力するフィードバック回路と、フィードバック回路から出力される電圧に基づいて直流直流変換部のスイッチング動作を制御する制御回路と、フィードバック回路から出力される電圧の周波数特性を時定数に応じて補正する位相補正回路と、点灯部から供給される直流電力の電圧を検出し、検出電圧が光源の順方向電圧に達したとき又は検出電圧が光源の順方向電圧に達してから所定の時間が経過したときに、位相補正回路の時定数を変えることで、フィードバック回路から出力される電圧によって制御回路にフィードバックがかかる第１周期をより長い第２周期に切り替える位相補正切替回路とを有する。このため、本発明の一の態様によれば、光源の点灯時の力率を悪化させることなく、電源起動時の光源のチラつきを抑止することが可能となる。

実施の形態１に係る照明装置の構成を示す回路図。実施の形態１を適用しない場合のＰＦＣ出力とＬＥＤ電流との関係を示すグラフ。実施の形態２に係る照明装置の構成を示す回路図。実施の形態３に係る照明装置の構成を示す回路図。

以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。なお、各実施の形態の説明において、「上」、「下」、「左」、「右」、「前」、「後」、「表」、「裏」といった方向は、説明の便宜上、そのように記しているだけであって、装置、器具、部品等の配置や向き等を限定するものではない。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る照明装置１０の構成を示す回路図である。

図１において、照明装置１０は、ＬＥＤ１１、ＬＥＤ点灯装置１２を備える。

ＬＥＤ１１は、例えば、１つの白色ＬＥＤ、あるいは、互いに直列に接続された複数の白色ＬＥＤからなる。ＬＥＤ１１は、光源の例であり、有機ＥＬ等、他の種類の光源に置き換えられても構わない。

ＬＥＤ点灯装置１２は、点灯装置の例であり、直流電源部２１、直流直流変換部２２、点灯部２３、制御部２４を備える。

直流電源部２１は、直流電力を直流直流変換部２２に供給する。本実施の形態において、直流電源部２１は、ブリッジ整流器３１（ダイオードブリッジ）からなる整流回路として構成されている。直流電源部２１は、商用電源１３から供給される交流電力をブリッジ整流器３１により全波整流し、脈流電力（即ち、直流電力）に変換して出力する。

直流直流変換部２２は、直流電源部２１から供給される直流電力の力率の改善と電圧の調整とをスイッチング動作により行って当該直流電力を点灯部２３に出力する。本実施の形態において、直流直流変換部２２は、インダクタ４１、ダイオード４２、平滑コンデンサ４３（電解コンデンサ）、スイッチング素子４４（ＭＯＳＦＥＴ）からなる昇圧コンバータとして構成されている。直流直流変換部２２は、直流電源部２１から供給される脈流電力の電流波形が当該脈流電力の電圧波形に近似したものとなるように（即ち、当該脈流電力の力率が１に近づくように）、スイッチング素子４４を交互にオンオフする。このように、直流直流変換部２２は、直流電源部２１から供給される脈流電力の力率を改善する。また、直流直流変換部２２は、スイッチング素子４４がオンのときに、直流電源部２１から流れ込む電流によりインダクタ４１にエネルギーを蓄積する。直流直流変換部２２は、スイッチング素子４４がオフのときに、インダクタ４１からエネルギーを放出し、このエネルギーにより発生する電流を、ダイオード４２を介して平滑コンデンサ４３に流し、平滑コンデンサ４３を充電する。そして、直流直流変換部２２は、直流電源部２１から供給される脈流電力のピーク電圧よりも電圧が高い直流電力を平滑コンデンサ４３から出力する。このように、直流直流変換部２２は、直流電源部２１から供給される直流電力を昇圧して出力する。

点灯部２３は、ＬＥＤ１１と接続され、直流直流変換部２２から出力される直流電力をＬＥＤ１１に供給してＬＥＤ１１を点灯させる。本実施の形態において、点灯部２３は、インダクタ５１、ダイオード５２、平滑コンデンサ５３（電解コンデンサ）、スイッチング素子５４（ＭＯＳＦＥＴ）からなる降圧コンバータ（バックコンバータ）として構成されている。点灯部２３は、スイッチング素子５４がオンのときに、直流直流変換部２２から流れ込む電流を平滑コンデンサ５３に流し、平滑コンデンサ５３を充電するとともに、直流直流変換部２２から流れ込む電流によりインダクタ５１にエネルギーを蓄積する。点灯部２３は、スイッチング素子５４がオフのときに、インダクタ５１からエネルギーを放出し、このエネルギーにより発生する電流を、ダイオード５２を介して平滑コンデンサ５３に流し、平滑コンデンサ５３を充電する。そして、点灯部２３は、直流直流変換部２２から供給される直流電力の電圧よりも電圧が低い直流電力を平滑コンデンサ５３から出力する。このように、点灯部２３は、直流直流変換部２２から供給される直流電力を降圧して出力する。

制御部２４は、ＬＥＤ１１が点灯する前は第１周期ごとに、ＬＥＤ１１が点灯した後は第１周期よりも長い第２周期ごとに、直流直流変換部２２から出力される直流電力の電圧を所定の電圧と比較し、比較結果に基づいて直流直流変換部２２のスイッチング動作を制御する。本実施の形態において、制御部２４は、フィードバック回路２５、昇圧コンバータ制御回路２６、位相補正回路２７、位相補正切替回路２８、降圧コンバータ制御用の制御ＩＣ２９を備える。

フィードバック回路２５は、直流直流変換部２２から出力される直流電圧を抵抗６１，６２により分圧し、分圧した電圧と基準電位６４とをコンパレータ６３により比較し、直流直流変換部２２の出力電圧が要求電圧（所定の電圧）よりも高いか低いかを示す電圧を出力する。

昇圧コンバータ制御回路２６は、直流直流変換部２２のスイッチング素子４４のソース端子に流れる電流を抵抗７１により電圧Ｖ１に変換して制御ＩＣ７４に入力する。また、昇圧コンバータ制御回路２６は、直流電源部２１のブリッジ整流器３１から出力される脈流電圧を抵抗７２，７３で分圧し、分圧した電圧Ｖ２を制御ＩＣ７４に入力する。また、昇圧コンバータ制御回路２６は、フィードバック回路２５のコンパレータ６３から出力される電圧Ｖ３を制御ＩＣ７４に入力する。

制御ＩＣ７４は、電圧Ｖ１の波形（即ち、スイッチング素子４４のソース端子に流れる電流）が電圧Ｖ２の波形（即ち、全波整流波形）に近似するように、スイッチング素子４４のオンオフ（即ち、スイッチング素子４４のゲート端子への出力電圧）を制御する。これにより、直流直流変換部２２において直流電源部２１からの脈流電力の力率が改善される。

制御ＩＣ７４は、電圧Ｖ３に応じてスイッチング素子４４のオンオフ（即ち、スイッチング素子４４のゲート端子への出力電圧）を制御する。具体的には、制御ＩＣ７４は、電圧Ｖ３が閾値より高ければ（即ち、直流直流変換部２２の出力電圧が要求電圧よりも高ければ）、スイッチング素子４４をオンにしている期間の割合（オンデューティ）を大きくする。これにより、直流直流変換部２２から出力される直流電圧が下降する。一方、制御ＩＣ７４は、電圧Ｖ３が閾値より低ければ（即ち、直流直流変換部２２の出力電圧が要求電圧よりも低ければ）、スイッチング素子４４のオンデューティを小さくする。これにより、直流直流変換部２２から出力される直流電圧が上昇する。この動作が繰り返されることにより、直流直流変換部２２において直流電源部２１からの脈流電力が昇圧される。

位相補正回路２７は、フィードバック回路２５から出力される電圧Ｖ３の周波数特性をコンデンサ８１と抵抗８２とにより補正することで、負荷変動に対する直流直流変換部２２の応答性を設定する。つまり、コンデンサ８１の容量と抵抗８２の抵抗値とから定まる位相補正回路２７の時定数によって、フィードバック回路２５から昇圧コンバータ制御回路２６にフィードバックがかかる周期（第１周期）が決められる。本実施の形態では、後述するように、位相補正回路２７の時定数を変えることで、フィードバックがかかる周期を切り替えることができる。

位相補正切替回路２８は、点灯部２３からＬＥＤ１１に出力される電圧Ｖｏを抵抗９１，９２で分圧して電圧Ｖｏを検出する。位相補正切替回路２８は、電圧ＶｏがＬＥＤ１１のＶＦ（順方向電圧）未満であれば、トランジスタ９３をオフにし、電圧ＶｏがＬＥＤ１１のＶＦ以上であれば、トランジスタ９３をオンにする。トランジスタ９３がオンの場合、位相補正回路２７の抵抗８２とトランジスタ９３に直列に接続する抵抗９４とが位相補正回路２７のコンデンサ８１に並列に接続されるため、位相補正回路２７の時定数（コンデンサ８１の容量と抵抗８２，９４の合成抵抗値とから定まる）が大きくなる。これにより、フィードバック回路２５から昇圧コンバータ制御回路２６にフィードバックがかかる周期（第１周期）が、より長い周期（第２周期）へ切り替わる。

上記のように、本実施の形態では、制御部２４が、点灯部２３から供給される直流電力の電圧を検出し、検出電圧がＬＥＤ１１のＶＦに達したときに、第１周期から第２周期への切り替えを行う。

本実施の形態において、第１周期（トランジスタ９３がオフの場合における位相補正回路２７の時定数）は、５ミリ秒以下とする。つまり、ＬＥＤ１１が点灯する前は、位相補正回路２７が、フィードバック回路２５から出力される電圧Ｖ３の周波数特性を２００Ｈｚ以上に補正するものとする。周波数が２００Ｈｚよりも低くなると、図２に示すように、電源起動時の急激な電流増加により直流直流変換部２２の出力電圧（ＰＦＣ出力）が低下した場合に（例えば、ＬＥＤ１１のＶＦが２１０Ｖであるとして、ＰＦＣ出力が２００Ｖまで低下すると、ＬＥＤ１１の立ち消えが起こる）、次のフィードバックがかかって直流直流変換部２２の出力電圧が回復するまでに時間がかかるため、人間が認識できるほどのＬＥＤ１１のチラつきが発生するおそれがある。一方、周波数が２００Ｈｚ以上であれば、直流直流変換部２２の出力電圧が低下しても、次のフィードバックが即座にかかるため、人間が認識できるほどのＬＥＤ１１のチラつきの発生を防止することができる。周波数が高いほど効果が増すと考えられるが、周波数が１ｋＨｚ（１０００Ｈｚ）を超えると、回路が発振してしまうおそれがあるため、ＬＥＤ１１が点灯する前の周波数は約１ｋＨｚ（即ち、第１周期を約１ミリ秒）とすることが望ましい。

本実施の形態において、第２周期（トランジスタ９３がオンの場合における位相補正回路２７の時定数）は、１０ミリ秒以上とする。つまり、ＬＥＤ１１が点灯した後は、位相補正回路２７が、フィードバック回路２５から出力される電圧Ｖ３の周波数特性を１００Ｈｚ以下に補正するものとする。周波数が１００Ｈｚよりも高くなると、高周波電流が増加するため、ＬＥＤ１１の点灯時の力率が悪化する。一方、周波数が１００Ｈｚ以下であれば、高周波電流を抑制して力率の悪化を防止することができる。ＬＥＤ１１が点灯した後の周波数は商用電源１３の周波数と同程度、即ち、約５０Ｈｚ又は約６０Ｈｚ（即ち、第２周期を約１７ミリ秒又は約２０ミリ秒）とすることが望ましい。

制御ＩＣ２９は、点灯部２３からＬＥＤ１１に出力される電流を抵抗５５にかかる電圧Ｖ４によって検出し、電圧Ｖ４に応じて点灯部２３のスイッチング素子５４のオンオフ（即ち、スイッチング素子５４のゲート端子への出力電圧）を制御する。具体的には、制御ＩＣ２９は、電圧Ｖ４が要求電圧より高ければ、スイッチング素子５４のオンデューティを大きくする。これにより、点灯部２３から出力される直流電圧が下降する。一方、制御ＩＣ２９は、電圧Ｖ４が要求電圧より低ければ、スイッチング素子５４のオンデューティを小さくする。これにより、点灯部２３から出力される直流電圧が上昇する。この動作が繰り返されることにより、点灯部２３において直流直流変換部２２からの直流電力が降圧される。

なお、本実施の形態では、点灯部２３がバックコンバータとして構成されているが、点灯部２３は、フライバックコンバータ等、他の種類の降圧コンバータとして構成されてもよいし、昇圧コンバータとして構成されてもよい。

また、本実施の形態では、点灯部２３が直流直流変換部２２から出力される直流電力の電圧の調整をスイッチング動作により行って当該直流電力をＬＥＤ１１に供給しているが、点灯部２３は、直流直流変換部２２から出力される直流電力をそのままＬＥＤ１１に供給してもよい。つまり、点灯部２３は、直流直流変換部２２とＬＥＤ１１とを直結してもよい。

以上説明したように、本実施の形態に係るＬＥＤ点灯装置１２は、力率改善型コンバータ（直流直流変換部２２）と、力率改善型コンバータの出力をフィードバックするフィードバック回路２５と、フィードバック回路２５に接続された位相補正回路２７とを備え、ＬＥＤ１１の点灯前後で位相補正を切り替えることによって力率改善型コンバータの負荷変動に対する応答性を変化させる。

このように、ＬＥＤ１１の点灯前後で力率改善型コンバータの負荷変動に対する応答性を切り替え、ＬＥＤ１１の点灯までは応答性優先に、ＬＥＤ１１の点灯後は力率優先に位相補正を調整することで、ＬＥＤ１１の点灯時の力率を悪化させることなく、電源起動時のＬＥＤ１１のチラつきを抑止することができる。

実施の形態２．
本実施の形態について、主に実施の形態１との差異を説明する。

図３は、本実施の形態に係る照明装置１０の構成を示す回路図である。

図３において、位相補正切替回路２８以外の構成は、図１に示した実施の形態１のものと同様である。

位相補正切替回路２８は、電圧ＶｏがＬＥＤ１１のＶＦ以上になったとき、すぐにトランジスタ９３をオンにするのではなく、コンデンサ９５の容量によって定まる遅延時間が経過した後にトランジスタ９３をオンにする。

上記のように、本実施の形態では、制御部２４が、点灯部２３から供給される直流電力の電圧を検出し、検出電圧がＬＥＤ１１のＶＦに達してから所定の時間が経過したときに、第１周期から第２周期への切り替えを行う。これにより、応答性優先から力率優先への切り替えのタイミングを、確実にＬＥＤ１１の点灯後とすることができる。

なお、点灯部２３がバックコンバータとして構成される代わりに、直流直流変換部２２とＬＥＤ１１とを直結する場合には、特に、本実施の形態を適用することが望ましい。

実施の形態３．
本実施の形態について、主に実施の形態１との差異を説明する。

図４は、本実施の形態に係る照明装置１０の構成を示す回路図である。

図４において、位相補正切替回路２８以外の構成は、図１に示した実施の形態１のものと同様である。

通常、トランジスタ９３のオン電圧（例えば、０．６Ｖ）は、ＬＥＤ１１のＶＦ（例えば、２００Ｖ）と比べると、かなり低い。そのため、電圧Ｖｏのリップルによりトランジスタ９３がオンになってしまうおそれがある。

本実施の形態では、位相補正切替回路２８の抵抗９１，９２の接続点とトランジスタ９３のベース端子との間にツェナーダイオード９６が接続されている。これにより、実質的にトランジスタ９３のオン電圧を上げることができ、ノイズによりトランジスタ９３がオンになる事態を回避することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、これらの実施の形態のうち、２つ以上を組み合わせて実施しても構わない。あるいは、これらの実施の形態のうち、１つを部分的に実施しても構わない。あるいは、これらの実施の形態のうち、２つ以上を部分的に組み合わせて実施しても構わない。なお、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。

１０照明装置、１１ＬＥＤ、１２ＬＥＤ点灯装置、１３商用電源、２１直流電源部、２２直流直流変換部、２３点灯部、２４制御部、２５フィードバック回路、２６昇圧コンバータ制御回路、２７位相補正回路、２８位相補正切替回路、２９，７４制御ＩＣ、３１ブリッジ整流器、４１，５１インダクタ、４２，５２ダイオード、４３，５３平滑コンデンサ、４４，５４スイッチング素子、５５，６１，６２，７１，７２，７３，８２，９１，９２，９４抵抗、６３コンパレータ、６４基準電位、８１，９５コンデンサ、９３トランジスタ、９６ツェナーダイオード。

Claims

直流電力を供給する直流電源部と、
前記直流電源部から供給される直流電力の力率の改善と電圧の調整とをスイッチング動作により行って当該直流電力を出力する直流直流変換部と、
外部の光源と接続され、前記直流直流変換部から出力される直流電力を前記光源に供給して前記光源を点灯させる点灯部と、
前記直流直流変換部から出力される直流電力の電圧を所定の電圧と比較し、当該直流電力の電圧が前記所定の電圧よりも高いか低いかを示す電圧を出力するフィードバック回路と、前記フィードバック回路から出力される電圧に基づいて前記直流直流変換部のスイッチング動作を制御する制御回路と、前記フィードバック回路から出力される電圧の周波数特性を時定数に応じて補正する位相補正回路と、前記点灯部から供給される直流電力の電圧を検出し、検出電圧が前記光源の順方向電圧に達したとき又は検出電圧が前記光源の順方向電圧に達してから所定の時間が経過したときに、前記位相補正回路の時定数を変えることで、前記フィードバック回路から出力される電圧によって前記制御回路にフィードバックがかかる第１周期をより長い第２周期に切り替える位相補正切替回路とを有する制御部と
を備える点灯装置。
前記第１周期が５ミリ秒以下であり、前記第２周期が１０ミリ秒以上である請求項１に記載の点灯装置。
前記第１周期が約１ミリ秒である請求項２に記載の点灯装置。
前記第２周期が約１７ミリ秒又は約２０ミリ秒である請求項２又は３に記載の点灯装置。
請求項１から４のいずれか１項に記載の点灯装置と、
前記点灯装置の点灯部と接続された光源と
を備える照明装置。