JP6235464B2

JP6235464B2 - 負荷、特にｌｅｄユニットを駆動する駆動装置及び駆動方法

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Publication number: JP6235464B2
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Inventors: エルフェリヒ，ラインホルト; ロペス，トニ
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Description

本発明は、負荷、特に１又は複数のＬＥＤを有するＬＥＤユニットを駆動する駆動装置及び対応する駆動方法に関する。さらに、本発明は、照明装置に更に関する。

後付けランプのようなオフライン用途のためのＬＥＤドライバの分野では、特に高効率、高出力密度、長寿命、高力率及び低コストに関連する要件に対応するための解決策が望まれる。実際には全ての既存の解決策は１又は他の要件を妥協しているが、提案の駆動回路は、現在の及び将来の主電源調整を順守したまま、主電源の形式をＬＥＤにより要求される形式に適正に調整する。力率を特定限度より上に維持すると同時に、知覚可能な光フリッカに関して最大値（望ましくはゼロ）を保証することが非常に重要である。

通常、本線周期（又は給電周期、つまり本線電圧又は供給電圧の周期）を通じて出力を一定に保ちながら高力率を得るために２つの直列接続電力段が用いられる。不連続伝導モードで動作するブーストコンバータを組み込むことにより、高力率（high power factor：ＨＰＦ）を可能にする単一の電力変換段を有するコンバータも知られている。これらのコンバータは、実際には２つの電力変換段を結合する。

小型蛍光灯のＨＰＦコンバータは、「High-Power-Factor Electronic Ballast with Constant DC-Link Voltage」、Ricardo de Oliveira Brioschi、Jose Luiz F. Vieira、IEEE Transactions on Power Electronics, vol.１３, no.６, １９９８に記載されている。ここで、半ブリッジユニットは、ブーストコンバータとＬＣ並列共振コンバータとにより共有され、ゼロ電圧スイッチ（ＺＶＳ）を得るために共振より上で動作される。ＺＶＳを更に支援するために、バス電圧は一定になるよう制御される。しかしながら、このようなＨＰＦコンバータは、通常、大容量バスキャパシタ及び出力整流器を必要とし、狭い供給電圧範囲及び負荷（駆動）電圧範囲しか有しない。

本発明の目的は、負荷、特に１又は複数のＬＥＤを有するＬＥＤユニットを駆動し、並びに特に高力率、実質的に一定の負荷、小型、高効率、長寿命及び低コストを達成する、駆動装置及び対応する駆動方法を提供することである。さらに、本発明の目的は、対応する照明装置を提供することである。

本発明の一態様によると、駆動装置が提供される。前記駆動装置は、−外部電源から整流供給電圧を受ける電力入力端子と、−負荷を駆動する駆動電圧及び／又は電流を供給する電力出力端子と、−高電圧ノードと低電圧ノードとの間に直列に結合される第１及び第２のスイッチ要素を有し、前記第１及び第２のスイッチ要素の間にスイッチノードを有する、半ブリッジユニットと、−前記電力入力端子と前記半ブリッジユニットとの間に結合される第１のインダクタを有するブースト入力フィルタユニットと、−前記半ブリッジユニットと電力出力端子との間に結合される第２のインダクタを有するバック出力フィルタユニットと、−エネルギ蓄積ユニットと、−前記スイッチ要素を制御する制御ユニットと、を有する。

本発明の別の態様によると、対応する駆動方法が提供される。

本発明の更に別の態様によると、照明装置が提供される。前記照明装置は、１又は複数の照明ユニット、特に１又は複数のＬＥＤを有するＬＥＤユニットを有する照明アセンブリと、前記照明アセンブリを駆動する、本発明により提供される駆動装置と、を有する。

本発明の好適な実施形態は、従属請求項で定められる。理解されるべきことに、請求される方法は、請求される装置の及び従属請求項に定められるのと同様の及び／又は同一の好適な実施形態を有する。

本発明は、オフライン同期ブーストコンバータを同期バックコンバータに統合するという着想に基づく。負荷（例えば、ＨＶＬＥＤユニット）は、電力出力端子に接続される。さらに、ＨＦフィルタキャパシタ（つまり、本線フィルタ）は、望ましくは電力入力端子に接続される。このように、本発明は、一定駆動電流及び０．９以上の力率の両方を提供する。

別個のキャパシタ電圧レベル（つまり、望ましくは以下で「バスキャパシタ」とも呼ばれるキャパシタである電力蓄積ユニットにかかる電圧のレベル）は、蓄積エネルギを最小化する。バック電流は、両方のスイッチ要素（望ましくは、トランジスタ、例えばＭＯＳＦＥＴであり、スイッチ要素は半ブリッジユニットを形成する）の無損失スイッチングのために供給される。これは、高周波数においても高効率を意味し、インダクタの小型化を可能にする。

知られているＨＰＦコンバータと比較して、バス電圧（つまり、エネルギ蓄積ユニットにかかる電圧）を、供給周期又は本線電圧周期中に（例えば２０〜８０％だけ）変化させ、同時に出力（駆動）電流を一定に保つことにより、大容量バスキャパシタは省略できる。さらに、ＬＣ段がステップダウンコンバータ段（つまりバックコンバータ）により置き換えられるので、出力整流器は省略される。さらに、狭い供給及び駆動電圧範囲は、回路の変形により及び専用半ブリッジ制御により克服できる。これは、ＵＳ本線用に及び欧州本線用に本発明を設計可能にし、同時に半ブリッジユニット及びエネルギ蓄積要素（例えば、蓄積キャパシタ）の電圧ストレスを標準的な限度内に保つことができる。

本発明によると、ブースト統合同期バックコンバータ（boost integrated synchronous buck converter：BSB）の種々の基本構成があり、種々の負荷及び入力電圧範囲を処理できる好適な実施形態として提供される。それらの全ては、デューティサイクルのみ若しくは切替周波数を操作することにより、又はバーストモード動作によっても、全負荷範囲に渡り実質的にゼロ負荷電流まで制御できる。

供給電圧は、電源により供給される整流周期供給電圧であっても良い。例えば本線電圧供給からＡＣ本線電圧が入力電圧として電源（又は電力入力端子）に供給される場合、望ましくは、整流器ユニットは、供給されるＡＣ入力電圧、例えば本線電圧を（整流周期）供給電圧に整流するために（駆動装置の一部として又は電力入力端子に結合される外部ユニットとして）用いられる。このような整流器ユニットは、例えば、一般的に知られている半ブリッジ又は全ブリッジ整流器を有しても良い。したがって、供給電圧は、ＡＣ入力電圧のいずれかの極性と同じ極性を有する。

代替で、例えばこのような整流周期供給電圧が例えばどこかに設けられた整流器（前記の外部電源を表す）から既に電力入力端子で供給される場合、更なる要素は、又は一般的な要素（例えば増幅器のような）しか、供給される供給電圧を成形するために電力入力端子に結合されない。

駆動装置の種々の要素が結合される方法だけが主に異なる、提案の駆動装置の種々の実施形態がある。

ブースト入力フィルタユニットの出力側は、半ブリッジユニットの第１又は第２のスイッチ要素に結合され得る。望ましくは、自己安定化動作を保証するために、ブースト入力フィルタユニットの出力端子は、切り替えられ、つまり半ブリッジユニットに異なる方法で結合され、バック出力フィルタユニットの入力端子も切り替えられ、つまり半ブリッジユニットに異なる方法で結合される。

更なる実施形態によると、負荷（つまり、電力出力端子）又はエネルギ蓄積ユニット、例えばバスキャパシタは、バック出力フィルタユニットの出力端子又はブースト入力フィルタユニットの出力端子に接続される。別の実施形態では、エネルギ蓄積ユニットは、負荷に直列に結合される。

種々の実施形態は、異なる用途で、及び異なる電圧で用いるために提供され、特定の目的を達成するためである。最適な実施形態を選択するためにトレードオフが行われる場合が多い。

望ましくは、スイッチ要素は、半ブリッジユニット（スイッチユニットとも呼ばれる、又は半ブリッジと呼ばれる場合も多い）を一緒に形成する。しかし、一般的に、スイッチ要素は、例えばトランジスタ（例えばＭＯＳＦＥＴ）、又は他の被制御スイッチ手段を含む種々の方法で実装できる。

有利なことに、エネルギ蓄積ユニットは、充電キャパシタ、望ましくは単一のキャパシタを有する。

一実施形態では、第２の電力入力端子及び第２の電力出力端子は、基準電位、特にグランド電位に接続される。他の実施形態では、第１の電力入力端子及び第１の電力出力端子は直接接続され、一方、第２の電力入力端子及び第２の電力出力端子は直接接続されない。

望ましくは、前記制御ユニットは、前記エネルギ蓄積要素にかかる電圧を所定の閾より低く保つため及び／又は前記入力電流を成形するために、前記出力電流を一定に保つよう適応される。スイッチ要素のゼロ電圧スイッチングは、提案の駆動装置の設計（コンポーネント）により提供される。制御のタスクは、場合により基準電流（設定点）に従い出力電流を一定に保つこと、バス電圧（つまりエネルギ蓄積要素にかかる電圧）を予め設定された限度より低く保つこと及び／又は入力電流を成形することである。

本発明の上述の及び他の態様は、本願明細書に記載される実施形態から明らかであり、それらの実施形態を参照して教示される。以下の図面がある。
知られている２段駆動装置の概略ブロック図を示す。入力蓄積キャパシタを有する知られている単段駆動装置の概略ブロック図を示す。出力蓄積キャパシタを有する知られている単段駆動装置の概略ブロック図を示す。本発明による駆動装置の第１の構成の実施形態ａの概略ブロック図を示す。本発明による駆動装置の第１の構成の実施形態ｂの概略ブロック図を示す。本発明による駆動装置の第２の構成の実施形態ａの概略ブロック図を示す。本発明による駆動装置の第２の構成の実施形態ｂの概略ブロック図を示す。本発明による駆動装置の第２の構成の実施形態ｃの概略ブロック図を示す。本発明による駆動装置の第２の構成の実施形態ｄの概略ブロック図を示す。本発明による駆動装置の第３の構成の実施形態ａの概略ブロック図を示す。本発明による駆動装置の第３の構成の実施形態ｂの概略ブロック図を示す。提案の駆動装置の第１の構成の一実施形態における１低周波数周期中の電圧及び電流の図を示す。提案の駆動装置の第１の構成の一実施形態における１高周波数周期中の種々の電流の図を示す。提案の駆動装置の第２の構成の一実施形態における１低周波数周期中の電圧及び電流の図を示す。提案の駆動装置の第２の構成の一実施形態における１高周波数周期中の種々の電流の図を示す。提案の駆動装置の第３の構成の一実施形態における１低周波数周期中の電圧及び電流の図を示す。提案の駆動装置の第３の構成の一実施形態における１高周波数周期中の種々の電流の図を示す。本発明による駆動装置のブースト入力フィルタユニットの４つの変形を示す。本発明による駆動装置で用いるバック出力フィルタユニットの２つの変形を示す。本発明による駆動装置により駆動され得る負荷の２つの例示的な実施形態を示す。提案の駆動装置の制御ユニットの第１の実施形態を示す。半ブリッジユニットの第１のスイッチ要素の切り替え信号を示す。提案の駆動装置の制御ユニットの第２の実施形態を示す。

図１は、知られている２段駆動装置１０の実施形態を概略的に示す。この駆動装置１０は、整流ユニット１２、整流ユニット１２の出力に結合された第１段の前置調整ユニット１４、第１段の前置調整ユニット１４の出力に結合された第２段の変換ユニット１６、及び第１段の前置調整ユニット１４と第２段の変換ユニット１６との間のノード１５に結合された充電キャパシタ１８を有する。整流ユニット１２は、望ましくは、全波又は半波ブリッジ整流器として知られるような、例えば外部本線電圧電源２０から供給されるＡＣ入力電圧Ｖ２０を整流電圧Ｖ１２に整流する整流器を有する。負荷２２は、本実施形態では、第２段の変換ユニット１６の出力に結合される２つのＬＥＤ２３を有するＬＥＤユニットである。第２段の変換ユニット１６の出力信号、特にその駆動電圧Ｖ１６及び駆動電流Ｉ１６は、負荷２２を駆動するために用いられる。

第１段の前置調整ユニット１４は、整流電圧Ｖ１２を中間ＤＣ電圧Ｖ１４に事前に調整し、第２段の変換ユニット１６はこの中間ＤＣ電圧Ｖ１４を所望のＤＣ駆動電圧Ｖ１６に変換する。充電キャパシタ１８は、電荷を蓄積するために設けられる。つまり、充電キャパシタ１８は、中間ＤＣ電圧Ｖ１４から充電され、それにより、整流電圧Ｖ１２の低周波数信号をフィルタリングして、第２段の変換ユニット１６の実質的に一定の出力パワー、特に負荷２２を流れる一定駆動電流Ｉ１６を保証する。これらの要素１４、１６、１８は、一般的に知られており駆動装置１０で広く用いられているので、それらはここで詳細に記載されない。

一般に、駆動装置１０は、前述の高力率及び低フリッカの要求を満たすが、大きな空間要件と高いコストの両方を犠牲にしている。しかしながら、これらの犠牲は、特に改良用途において大幅に制限される。第１段の前置調整ユニット１４は、特に、低又は中程度の切替周波数で動作するスイッチモード電源（switched mode power supply：SMPS）、例えばブーストコンバータを有する場合に、関連する受動コンポーネントにより主に決定され得る。切替周波数を増大して、これらのフィルタリングコンポーネントの大きさを縮小しようとする試みは、ハードスイッチのSMPSにおいてエネルギ損失を急速に増大させるため大きな放熱板の必要を生じ得る。

図２Ａ、２Ｂに、知られている単段駆動装置３０ａ、３０ｂの実施形態の概略を示す。前述の駆動装置３０は、整流ユニット３２（図１に示した２段駆動装置１０の整流ユニット１２と同一であっても良い）と、整流ユニット３２の出力に結合される変換ユニット３４（例えば、図２Ｂに示す実施形態ではフライバックコンバータ又は図２Ａに示す実施形態ではバックコンバータ）と、を有する。さらに、図２Ａに示す実施形態では、充電キャパシタ３６ａ（低周波数入力蓄積キャパシタに対応する）は、整流ユニット３２と変換ユニット３４との間のノード３３に結合される。図２Ｂに示す実施形態では、充電キャパシタ３６Ｂ（低周波数出力蓄積キャパシタに対応する）は、変換ユニット３４と負荷２２との間のノード３５に結合される。整流ユニットは、例えば外部本線電圧供給（電源とも称される）２０から供給されるＡＣ入力電圧Ｖ２０を整流電圧Ｖ３２に整流する。整流電圧Ｖ３２は、負荷２２を駆動する所望のＤＣ駆動電圧Ｖ３４に変換される。

蓄積キャパシタ１８（図１）及び３６ａ、３６ｂ（図２Ａ、２Ｂ）は、主に、負荷への一定電流を可能にするために、整流電圧Ｖ１２の低周波数成分をフィルタリングして除去するために設けられる。したがって、このようなキャパシタは、特に負荷と並列に配置されるとき及び負荷がＬＥＤであるとき、大きい。

図１、２に示すような駆動装置は、例えば、RobertErickson and Michael Madigan, “Design of a simple high-power-factor rectifier based on the flyback converter”, IEEE Proceedings of the Applied Power Electronics Conferences and Expositions, １９９０, pp.７９２-８０１に記載されている。

これらの単段駆動装置３０ａ，ｂの大部分は、図１に例示的に示す２段駆動装置と比べて少ないハードウェアコンポーネント数を特徴とするが、一般に、ＡＣ入力電圧の低周波数コンポーネントをフィルタリングして除去しなければならない充電キャパシタの大きさに制限があるので、高力率及び低知覚可能フリッカを同時に提供できない。さらに、単段駆動装置は、知覚可能フリッカを軽減するために大容量蓄積キャパシタを使用するので、大きさ、寿命及び負荷（例えばランプ）の最大温度動作を大きく妥協する。

図３〜５は、本発明による駆動装置の３つの異なる基本構成の幾つかの実施形態を示す。これらの３つの構成（図３に示す構成１の実施形態、図４に示す構成２の実施形態、図５に示す構成３の実施形態）は、ピーク電圧及びＲＭＳ電流におけるコンポーネントのストレスの点と共に、それらの構成がサポートする入力及び出力電圧範囲の点で、異なる動作をする。３つの構成全ては、自己安定化動作を示し、以下に説明するように所定のバス電圧（つまり、電圧ｖｂｕｓ）で一定になるように、出力電流の制御を可能にする。ブーストインダクタ（つまり、ブースト入力フィルタユニット７１の第１のインダクタＬ１）は、不連続伝導モードで動作するよう設計される。さらに、ＺＶＳは、バックインダクタ（つまり、バック出力フィルタユニット７２の第２のインダクタＬ２）により決定される、スイッチ要素（つまり、半ブリッジユニットを形成するスイッチ要素６０、６１）の両遷移について可能である。

種類１（つまり、図３Ａ、４Ａ、５Ａに示す実施形態）の実施形態及び種類２の実施形態（図３Ｂ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、５Ｂ）に示す実施形態）では、全ての接続は、上端及び下端のスイッチ要素６０、６１に対して切り替えられる（toggle）。

図６〜１１に示す図は、図３、４、５に示す３つの構成を参照する。それら全ては、約０．９５の力率及び１０Ｗの負荷を示す。一実施形態では、負荷２２は、２以上のＬＥＤを有するＬＥＤストリングであり、出力（駆動）電流ｉｏは、ＬＥＤストリングを通るＤＣ成分ｉＬＥＤと並列ＨＦキャパシタ（ここでは図示しないが、図１４（Ｂ）でＣ＿ＨＦとして示される）を通るＨＦ電流との和を有する。例では、ＬＥＤ電流は、デューティサイクルを操作することにより一定に保たれる。

図３Ａは、本発明による駆動装置５０ａの第１の実施形態の概略を示す。駆動装置５０ａは、外部電力供給２０（例えば、本線電圧供給）から望ましくは整流器６２により整流された整流供給電圧ｖｍを受信する電力入力端子５１、５２を有する。駆動装置５０ａは、負荷２２を駆動する駆動電圧ｖｏ及び／又は駆動電流ｉｏを供給する電力出力端子５３、５４を更に有する。

半ブリッジユニット７０（スイッチユニット又は半ブリッジとも呼ばれる）は、高電圧ノード５７と低電圧ノード５８との間に直列に結合される第１のスイッチ要素６０及び第２のスイッチ要素６１を有する。第１及び第２のスイッチ要素６０、６１の間にはスイッチノード５９が形成される。第１のインダクタＬ１を有するブースト入力フィルタユニット７１は、電力入力端子５１、５２と半ブリッジユニット７０との間に結合される。第２のインダクタＬ２を有するバック出力フィルタユニット７２は、半ブリッジユニット７０と電力出力端子５３、５４との間に結合される。

ブースト入力フィルタユニット７１の入力端子５５ａ、５５ｂは、電力入力端子５１、５２に結合される。ブースト入力フィルタユニット７１の出力端子５５ｃ、５５ｄは、半ブリッジユニット７０のスイッチノード５９及び低電圧ノード５８に結合される。バック出力フィルタユニット７２の入力端子５６ａ、５６ｂは、半ブリッジユニット７０の低電圧ノード５８及びスイッチノード５９に結合される。バック出力フィルタユニット７２の出力端子５６ｃ、５６ｄは、望ましくは単一バスキャパシタＣ＿ｂｕｓであるエネルギ蓄積ユニット７３に結合される。

電力出力端子５３、５４の間には負荷２２が結合され、電力出力端子５３、５４は、半ブリッジユニット７０の高電圧ノード５７及び低電圧ノード５８に直接結合される。

最後に、制御ユニット６４（例えば、制御部、プロセッサ、又は適切に設計若しくはプログラミングされるコンピュータとして実装される）は、スイッチ要素６０、６１を制御するために設けられる。

図３Ｂは、本発明による駆動装置５０ｂの第２の実施形態の概略を示す。駆動装置５０ａの第１の実施形態と比較すると、ブースト入力フィルタユニット７１の出力端子５５ｃ、５５ｄは、半ブリッジユニット７０の高電圧ノード５７及びスイッチノード５９に結合される。さらに、バック出力フィルタユニット７２の入力端子５６ａ、５６ｂは、半ブリッジユニット７０のスイッチノード５９及び高電圧ノード５７に結合される。

図１２は、ブースト入力フィルタユニット７１の４つの実施形態を示す。第１及び第２の実施形態７１ａ、７１ｂでは、単一の第１のインダクタＬ１が設けられ、第１の入力端子５５ａから第１の出力端子５５ｃへの接続中、又は第２の入力端子５５ｂと第２の出力端子５５ｄとの間の接続中にある。第３及び第４の実施形態７１ｃ、７１ｄでは、ダイオードＤ１が第１のインダクタＬ１に直列に結合される。

図１３は、バック出力フィルタユニット７２の２つの実施形態を示す。第１の実施形態７２ａでは、第２のインダクタＬ２は、第１の入力端子５６ａから第１の出力端子５６ｃへの接続中に設けられる。一方、第２の実施形態７２ｂでは、第２のインダクタＬ２は、第２の入力端子５６ｂと第２の出力端子５６ｄとの間の接続中に設けられる。

図１２に示すブースト入力フィルタユニット７１の種々の実施形態及び図１３に示すバック出力フィルタユニット７２の種々の実施形態は、図３〜５に示すバック出力フィルタユニット７２のブースト入力フィルタユニット７１の個々の実施形態の代わりに、図３に示すような駆動装置の種々の実施形態の中に（及び図４、５に示す実施形態の中にも）結合できる。

図１４は、本発明による駆動装置に結合され得る負荷の２つの実施形態を示す。図１４（Ａ）は、単一のＬＥＤ２３を負荷２２ａとして示す。一方、図１４（Ｂ）は、ＨＦキャパシタＣ＿ＨＦに並列に結合される幾つかのＬＥＤ２３の直列結合により形成される負荷２２ｂを示す。負荷２２ｂでは、負荷電流ｉｏは、キャパシタ電流ｉＣ＿ＨＦとＬＥＤ電流ｉＬＥＤとに分けられる。

ダイオードＤ１は、入力ＨＦフィルタキャパシタ（つまり、本線フィルタ）がブースト入力端子５５ａ、５５ｂに、つまり電力入力端子５１、５２の間に接続される場合に用いられる。ダイオードＤ１は、ＨＦフィルタキャパシタが整流器２０のＡＣ入力に接続される場合に、及び十分速い整流器が用いられる場合に、省略される。上記の制限（つまり、Ｄ１が省略される）を除き、ＨＦキャパシタは、３つの端子の各々に、つまり、電力入力端子５１、５２と、ブースト入力フィルタの出力端子５５ｃ、５５ｄと、バック出力フィルタの出力端子５６ｃ、５６ｄとに接続されても良い。

第１及び第２の実施形態によると、基本的に第１のインダクタＬ１及び２個のスイッチ要素６０、６１により形成されるブーストコンバータが、負荷２２に給電する。ブーストコンバータの電流ｉＬＥＤ（これは、図１４（Ａ）に示すような負荷の場合には出力電流ｉｏに対応する）は、本線周期を通じて一定に保たれる。なぜなら、本線入力電流ｉｍの一部が、基本的にスイッチ要素６０、６１及び第２のインダクタＬ２により形成され双方向コンバータとして動作するバックコンバータの端子に接続され負荷２２に低本線入力電圧で給電するバスキャパシタＣ＿ｂｕｓに供給されるからである。

図６、７は、図３に示す駆動装置５０ａの一実施形態の４０ｍＡ（のｉＬＥＤ）でＬＥＤストリング電圧ｖｏ＝２５０Ｖを有する第１の実施形態の１２０Ｖ、６０Ｈｚの用途（つまり、ｖｍ（ｒｍｓ）＝１２０Ｖ、ｆｍ＝６０Ｈｚ）の１本線周期中の信号図を示す。信号ｉＣ＿ｂｕｓは、ここでは図６のＬＦバスキャップ電流ｉＣ＿ｂｕｓは、本線周期中のバックコンバータの双方向動作を示し、バックコンバータが半ブリッジのオフ（図３）で、ここでは図７のＨＦインダクタ電流（＝バスキャップ電流）ｉＣ＿ｂｕｓで、つまり、スイッチ要素６０がオフに切り替えられスイッチ要素６１がオンに切り替えられる場合（信号ｉ６０、ｉ６１により示す）、どのようにＺＶＳをサポートするかを示す。図６、７に示す波形の例について、Ｐ＝１０Ｗ、ＰＦ＝０．９５、ｖｂｕｓ（ｍａｘ）＝１８５Ｖ、Ｃ＿ｂｕｓ＝４．７μＦの値を更に適用する。デューティサイクルはｄにより示される。

図４Ａは、本発明による駆動装置５０ｃの第３の実施形態の概略を示す。本実施形態は、ブースト入力フィルタユニット７１の出力端子５５ｃ、５５ｄが半ブリッジユニット７０の低電圧ノード５８及びスイッチノード５９に結合される点を除き、駆動装置５０ａの実施形態と実質的に同一である。バック出力フィルタユニット７２の入力端子５６ａ、５６ｂは、半ブリッジユニット７０のスイッチノード５９及び高電圧ノード５７に結合される。エネルギ蓄積ユニット７３は、半ブリッジユニット７０の高電圧ノード５７と低電圧ノード５８との間に結合される。さらに、電力出力端子５３、５４は、したがって負荷２２も、バック出力フィルタユニット７２の出力端子５６ｃ、５６ｄに直接結合される。

図４Ｂは、本発明による駆動装置５０ｄの第４の実施形態の概略を示す。駆動装置５０ｃの第３の実施形態と比較すると、本実施形態では、駆動装置５０ｂの実施形態と同様に、ブースト入力フィルタユニット７１の出力端子５５ｃ、５５ｄは、半ブリッジユニット７０の高電圧ノード５７及びスイッチノード５９に結合される。さらに、バック出力フィルタユニット７２の入力端子５６ａ、５６ｂは、半ブリッジユニット７０のスイッチノード５９及び低電圧ノード５８に結合される。

図４Ｃ、４Ｄは、駆動装置５０ｅ、５０ｆの第５及び第６の実施形態を示す。図４Ｃに示す実施形態は、図４Ｂに示す実施形態と同じであるが、追加ダイオードＤ１が第１のインダクタＬ１に直列に設けられている。図４Ｃに示す実施形態では、ダイオードＤ１及び第１のインダクタＬ１は、第１の入力端子５５ａと第１の出力端子５５ｃとの間の接続中に設けられる。

第３〜第６の実施形態によると、ブーストコンバータは、バスキャパシタＣ＿ｂｕｓに給電する。バックコンバータは負荷２２に給電する。自己安定化動作では、バックコンバータは、ブ―ストコンバータに対して反転される。再び、負荷電流ｉＬＥＤは、本線周期を通じて一定に保たれる。なぜなら、本線入力電流ｉｍの一部が、低本線入力電圧で負荷２２に給電するバスキャパシタＣ＿ｂｕｓに供給されるからである。

図８、９は、１００ｍＡで１００ＶのＬＥＤストリング電圧を有する第３の実施形態の２３０Ｖ、５０Ｈｚの用途（つまり、ｖｍ（ｒｍｓ）＝２３０Ｖ、ｆｍ＝５０Ｈｚ）の信号図を示す。信号ｉＣ＿ｂｕｓは、本線周期中のブーストコンバータの双方向動作を示し（図７）、再び、バックコンバータがオフでどのようにＺＶＳをサポートするかを示す（図８の信号ｉｏ）。図８、９に示す波形の例について、Ｐ＝１０Ｗ、ＰＦ＝０．９５、ｖｂｕｓ（ｍａｘ）＝４７５Ｖ、Ｃ＿ｂｕｓ＝１μＦの値を更に適用する。この構成は、最低ＲＭＳ電流を示す。

図５Ａは、本発明による駆動装置５０ｇの第７の実施形態の概略を示す。本実施形態は、エネルギ蓄積ユニット７３が負荷２２に直列に、つまり半ブリッジユニット７０の電力出力端子５４と低電圧端子５８との間に結合される点を除き、駆動装置５０ｃの実施形態と実質的に同一である。

図５Ｂは、本発明による駆動装置５０ｈの第８の実施形態の概略を示す。駆動装置５０ｇの第７の実施形態と比較すると、本実施形態では、負荷２２及びエネルギ蓄積ユニット７３が交換される。つまり、負荷２２は、半ブリッジユニット７０の電力出力端子５４と低電圧端子５８との間に結合され、エネルギ蓄積ユニット７３は、半ブリッジユニット７０の高電圧端子５７と電力出力端子５３との間に結合される。

第７及び第８の実施形態の特定の実装では、バスキャパシタＣ＿ｂｕｓ及びＬＥＤストリング２２はスタックされる。自己安定化動作では、ＬＥＤストリング２２は、ブーストコンバータが接続されるのとは反対のスイッチ要素に接続される。再び、負荷電流ｉＬＥＤは、本線周期を通じて一定に保たれる。なぜなら、本線入力電力の一部が、低本線入力電圧で負荷に給電するバスキャパシタに供給されるからである。

図１０、１１は、１００ｍＡで１００ＶのＬＥＤストリング電圧を有する第７の実施形態の２３０Ｖ、５０Ｈｚの用途（つまり、ｖｍ（ｒｍｓ）＝２３０Ｖ、ｆｍ＝５０Ｈｚ）の信号図を示す。信号ｉＣ＿ｂｕｓは、本線周期中のブーストコンバータの双方向動作を示し（図１０）、再び、バックコンバータ１１が半ブリッジのオフでどのようにＺＶＳをサポートするかを示す（図７の信号ｉｏ）。図１０、１１に示す波形の例について、ｖｏ＝１００Ｖ、Ｐ＝１０Ｗ、ＰＦ＝０．９４、ｖｂｕｓ（ｍａｘ）＝３８０Ｖ、Ｃ＿ｂｕｓ＝１μＦの値を更に適用する。

次に、本発明による制御方法及び装置を説明する。図１５は、制御ユニット６４’の第１の実施形態を示す駆動装置５０ｉの別の実施形態を示す（駆動装置の他の部分は単一のブロック５０’により図示される）。ＬＥＤ電流ｉＬＥＤ（これは、出力電流ｉｏのＤＣ成分である；図１４（Ｂ）を参照）が測定され、比較要素６４ａで（予め設定される又は可変の）基準電流ｉＬＥＤ＿ｒｅｆと比較される。制御誤差ｅｒｒ＿ｉは、制御ブロック６４ｂ（ＰＩにより示す）で処理される。制御ブロック６４ｂは、操作変数としてデューティサイクルｄを生じる。予め設定される切替周波数ｆｓと共に、２つのスイッチ要素６０、６１の制御信号Ｓ６０、Ｓ６１を表すゲート駆動信号は、（ゲート）駆動ブロック６４ｃで形成される。

図１６は、スイッチ要素６０（のゲート）のタイミング図を示す。

デューティサイクルは、基本的に、通常バックコンバータで生成されるような制御誤差に関連する。駆動装置５０ｄの実施形態に関して、正の制御誤差ｅｒｒ＿ｉ（非常に小さい電流）はｄを増大させ、逆も同様である。

自己安定化動作は、バック出力フィルタユニットの端子に対するブースト入力フィルタユニットの配置により達成される。例えば、入力から出力より多い平均電力が引き出される場合、バス電圧は増大し、その結果、ｄを減少させる制御が生じ、一方で入力電力を減少させる。

同じ方法で、他の実施形態も動作する。ここで、デューティサイクルの意味は切り替えられる。つまり、デューティサイクルは、駆動装置５０ａ、５０ｃ、５０ｇの実施形態に対して、駆動装置５０ｂ、５０ｄ、５０ｆ、５０ｈの実施形態では１−ｄにより置き換えられる。バス電圧及び本線電流（ＰＦ）のような他の動作特性は、通常、明示的に制御されない。それらは、設計及び動作の選択及び許容範囲から生じる。

更なる実施形態では、最大バス電圧も、制御により、特に切替周波数も操作することにより明示的に制御される。出力電流を制御するためにｄが操作されている間、ｆｓは、（例えば、高本線電圧又は高出力電圧の結果として）バス電圧の増大に応答して増大する。或いは、Ｔ＿ｏｎとＴ＿ｏｆｆを別個に制御することも可能だが、これは同様の切替パターンを生じる。

基準信号ｉＬＥＤ＿ｒｅｆが可変であり且つその定格最大値の遙か下に低減される場合に、高すぎるバス電圧を回避するため（つまり、ブーストを超えることを回避するため）、更なる実施形態では、制御はバーストモードに入り、つまりｆｓより低いバースト周波数ｆｓ＿ｂｒｓｔ（例えば、１０乃至１０００回）でコンバータを周期的にオフに切り替える。さらに、及びバス電圧制御のための周波数変調に代えて、ｆｓは、ＰＦを向上させるため又は特定種類の壁プラグ調光器に良好に準拠するために、入力電流を整形するために用いることができる。

図１７は、制御ユニット６４’’の第２の実施形態を含む駆動装置５０ｊの更に別の実施形態を示す。図１５に示す実施形態と比較すると、制御ユニット６４’’は、第２の制御ブロック６４ｄ（ＰＩにより示す）を追加で有し、（ゲート）駆動ブロック６４ｃに供給される操作変数として切替周波数ｆｓ及びｆｓ＿ｂｒｓｔを生じる。第２の制御ブロック６４ｄは、入力として基準電流ｉＬＥＤ＿ｒｅｆ、バス電圧ｖＣ＿ｂｕｓ、入力電流ｉｍ、入力電圧ｖｍ、及び最大バス電圧ｖＣ＿ｂｕｓ＿ｍａｘを受信する。

本発明によると、駆動装置及び対応する方法は、オフライン同期ブーストコンバータが同期バックコンバータに統合されることにより提案される。２つの端子は負荷、例えばＨＶＬＥＤ負荷に、及び一定ＬＥＤ電流と０．９以上の力率の両方を与えるエネルギ蓄積ユニット、例えば本線フィルタキャパシタに接続される。別個のキャパシタ電圧レベルは、蓄積されるエネルギを最小化する。バックコンバータ電流は、無損失半ブリッジスイッチングを与える。これは、小型化インダクタにおいても高効率を意味する。

種々の負荷及び一般的本線を含む入力電圧範囲を処理できるブースト統合同期バックコンバータ（boost integrated synchronous buck converter：BSB）の少なくとも３つの有利な構成がある。それらの全ては、デューティサイクルのみ若しくは切替周波数を操作することにより、又はバーストによっても、広い負荷範囲に渡り制御できる。
駆動装置の実施形態５０ａ、５０ｂは、ピーク供給電圧より高い負荷（ＬＥＤストリング）電圧に、例えば１２０Ｖ本線供給及び２５０ＶＬＥＤストリングに主に適する。駆動装置の実施形態５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｆは、ピーク供給電圧より低い負荷（ＬＥＤストリング）電圧に、例えば１２０Ｖ又は２３０Ｖ本線及び１０〜１５０ＶＬＥＤストリング電圧に主に適する。これらの実施形態は、フィルタ及び半ブリッジユニット内の低い二乗平均平方根（ｒｍｓ）電流を示す。実施形態５０ｇ、５０ｈは、実施形態５０ｃ−５０ｆのような用途に主に適する。これらの実施形態は、フィルタ及び半ブリッジユニット内のいくらか増大したｒｍｓ電流においてバスキャパシタにかかる電圧ストレスの軽減を示す。

第１の種類（つまり、実施形態５０ａ、５０ｃ、５０ｇ）の実施形態の利点は、供給電圧がグランドを基準とし、ｖｍ及びｉｍの測定を少し容易にすることである。第２の種類（つまり、実施形態５０ｂ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｆ、５０ｈ）の実施形態の利点は、負荷がグランドを基準とし、電流ｉｏの測定を助けること、及び可能な放熱板の隔離を簡単にすることである。

好適な実施形態では、単一のＺＶＳ半ブリッジコンバータ及び２個のチョーク（つまり、ブースト及びバックコンバータ）が設けられる。スイッチノードは、ブーストインダクタを介して整流本線に接続されることが望ましい。（バック及びブーストコンバータの）２つの端子は、負荷及び本線（バス）キャパシタ又はそれらのスタックに接続される。キャパシタが給電されると、バックコンバータは、ブーストコンバータと同じスイッチを介して接続される。ＬＥＤが給電されると、接続は変更される。ＬＥＤ電流のみが又はＬＥＤ電流とバス電圧の両方が一定になるよう（例えば、デューティサイクルにより）制御され、周波数の操作も生じさせる。

本発明は、望ましくは、消費者及び「生産者且つ消費者（prosumer）」（職業消費者）用ドライバで、特にＬＥＤドライバとして、２Ｗより上で、適用され、例えば照明器具に統合され又はＨＶＬＥＤの外部に配置される。更なる用途は、緩和ＴＨＤ要件（例えば２０％）及びＨＶＬＥＤストリング負荷を有する非本線独立型プロ用ドライバである。

本発明は図面及び上述の説明で詳細に説明されたが、このような図面及び説明は説明及び例であり、本発明を限定するものではない。本発明は開示された実施形態に限定されない。開示された実施形態の他の変形は、図面、詳細な説明、及び請求項を読むことにより、当業者に理解され請求項に記載された発明を実施する際に実施されうる。

留意すべき点は、用語「有する（comprising）」は他の要素又は段階を排除しないこと、及び単数を表す語（a、an）は複数を排除しないことである。単一の要素又は他のユニットが、請求の範囲に記載された幾つかのアイテムの機能を満たしても良い。特定の量が相互に異なる従属請求項に記載されるという事実は、これらの量の組合せが有利に用いることが出来ないことを示すものではない。

請求項中のいかなる参照符号も請求の範囲又は本発明の範囲を制限するものと考えられるべきではない。

Claims

負荷を駆動する駆動装置であって、
前記駆動装置は、
外部電源から整流供給電圧を受ける電力入力端子と、
負荷を駆動する駆動電圧及び／又は駆動電流を供給する電力出力端子と、
高電圧ノードと低電圧ノードとの間に直列に結合される第１及び第２のスイッチ要素を有し、前記第１及び第２のスイッチ要素の間にスイッチノードを有する、半ブリッジユニットと、
第１のインダクタを有するブースト入力フィルタユニットと、
第２のインダクタを有するバック出力フィルタユニットと、
エネルギ蓄積ユニットと、
前記スイッチ要素を制御する制御ユニットと、
を有し、
前記電力入力端子は、前記半ブリッジユニットの前記高電圧ノード及び前記低電圧ノードのいずれか一方と、前記半ブリッジユニットの前記スイッチノードとに結合され、
前記半ブリッジユニットの前記高電圧ノード又は前記スイッチノードに接続されている前記電力入力端子のうち１つは、前記第１のインダクタを介して、前記高電圧ノード又は前記スイッチノードに接続されており、
前記電力出力端子は、前記半ブリッジユニットの前記高電圧ノード及び前記低電圧ノードに結合され、
前記エネルギ蓄積ユニットは、前記半ブリッジユニットの前記スイッチノードと、前記半ブリッジユニットの前記高電圧ノード及び前記低電圧ノードのいずれか一方とに結合されると共に、前記半ブリッジユニットの前記スイッチノードに対し、前記第２のインダクタを介して結合される、駆動装置。
負荷を駆動する駆動装置であって、
前記駆動装置は、
外部から整流供給電圧を受ける電力入力端子と、
負荷を駆動する駆動電圧及び／又は駆動電流を供給する電力出力端子と、
高電圧ノードと低電圧ノードとの間に直列に結合される第１及び第２のスイッチ要素を有し、前記第１及び第２のスイッチ要素の間にスイッチノードを有する、半ブリッジユニットと、
第１のインダクタを有するブースト入力フィルタユニットと、
第２のインダクタを有するバック出力フィルタユニットと、
エネルギ蓄積ユニットと、
前記スイッチ要素を制御する制御ユニットと、
を有し、
前記電力入力端子は、前記半ブリッジユニットの前記高電圧ノード及び前記低電圧ノードのいずれか一方と、前記半ブリッジユニットの前記スイッチノードとに結合されると共に、前記半ブリッジユニットの前記スイッチノードに対し、前記第１のインダクタを介して結合され、
前記電力出力端子及び前記エネルギ蓄積ユニットのいずれか一方は、前記半ブリッジユニットの前記高電圧ノードと前記スイッチノードとに結合され、
前記電力出力端子及び前記エネルギ蓄積ユニットのいずれか他方は、前記半ブリッジユニットの前記低電圧ノードと前記スイッチノードとに結合され、
前記電力出力端子及び前記エネルギ蓄積ユニットは、前記第２のインダクタを介して前記半ブリッジユニットの前記スイッチノードに結合される、駆動装置。
前記ブースト入力フィルタユニットの出力端子は、前記半ブリッジユニットの前記スイッチノード及び前記低電圧ノードに結合される、請求項１又は２に記載の駆動装置。
前記バック出力フィルタユニットの入力端子は、前記半ブリッジユニットの前記高電圧ノード及び前記スイッチノードに結合される、請求項３に記載の駆動装置。
前記ブースト入力フィルタユニットの出力端子は、前記半ブリッジユニットの前記高電圧ノード及び前記スイッチノードに結合される、請求項１又は２に記載の駆動装置。
前記バック出力フィルタユニットの入力端子は、前記半ブリッジユニットの前記スイッチノード及び前記低電圧ノードに結合される、請求項５に記載の駆動装置。
前記エネルギ蓄積ユニットは、前記半ブリッジユニットの前記高電圧ノード又は前記低電圧ノードと前記バック出力フィルタユニットのいずれかの出力端子との間に結合される、請求項２に記載の駆動装置。
負荷を駆動する駆動装置であって、
前記駆動装置は、
外部電源から整流供給電圧を受ける電力入力端子と、
負荷を駆動する駆動電圧及び／又は駆動電流を供給する電力出力端子と、
高電圧ノードと低電圧ノードとの間に直列に結合される第１及び第２のスイッチ要素を有し、前記第１及び第２のスイッチ要素の間にスイッチノードを有する、半ブリッジユニットと、
第１のインダクタを有するブースト入力フィルタユニットと、
第２のインダクタを有するバック出力フィルタユニットと、
エネルギ蓄積ユニットと、
前記スイッチ要素を制御する制御ユニットと、
を有し、
前記電力入力端子は、前記半ブリッジユニットの前記高電圧ノード及び前記低電圧ノードのいずれか一方と、前記半ブリッジユニットの前記スイッチノードとに結合され、
前記半ブリッジユニットの前記高電圧ノード又は前記スイッチノードに接続されている前記電力入力端子のうち１つは、前記第１のインダクタを介して、前記高電圧ノード又は前記スイッチノードに接続されており、
前記電力出力端子及び前記エネルギ蓄積ユニットのいずれか一方は、前記半ブリッジユニットの前記高電圧ノード及び前記低電圧ノードに結合され、
前記電力出力端子及び前記エネルギ蓄積ユニットのいずれか他方は、前記半ブリッジユニットの前記スイッチノードと、前記半ブリッジユニットの前記高電圧ノード及び前記低電圧ノードのいずれか一方とに結合されると共に、前記半ブリッジユニットの前記スイッチノードに対し、前記第２のインダクタを介して結合され、
前記エネルギ蓄積ユニットは、前記半ブリッジユニットの前記高電圧ノード又は前記低電圧ノードと前記バック出力フィルタユニットのいずれかの出力端子との間に結合される、駆動装置。
前記電力出力端子は、前記半ブリッジユニットの前記高電圧ノード又は前記低電圧ノードと前記バック出力フィルタユニットのいずれかの出力端子とに結合される、請求項７又は８に記載の駆動装置。
ＡＣ本線電圧を周期的な前記整流供給電圧に整流する整流ユニット、
を更に有する、請求項１又は２に記載の駆動装置。
前記ブースト入力フィルタユニットは、前記第１のインダクタと直列にダイオードを有する、請求項１又は２に記載の駆動装置。
前記制御ユニットは、前記エネルギ蓄積ユニットにかかる電圧を所定の閾より低く保つため及び／又は入力電流を成形するために、出力電流を一定に保つ、請求項１又は２に記載の駆動装置。
１又は複数の照明ユニットを有する照明アセンブリと、
前記照明アセンブリを駆動する、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の駆動装置と、
を有する照明装置。
前記負荷が１又は複数のＬＥＤを有するＬＥＤユニットである、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の駆動装置。
前記照明ユニットが１又は複数のＬＥＤを有するＬＥＤユニットである、請求項１３に記載の照明装置。