JP6292972B2 - 電源装置及びｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Description

本発明は電源装置及びそれを用いたＬＥＤ照明装置に関する。

特許文献１は、昇降圧コンバータに地絡対策を施した電源装置及びＬＥＤ駆動装置を開示する。開示による電源装置（同文献図３）においては、いわゆるＣＵＫ型昇降圧コンバータを基本構成として、当初の結合コンデンサとは別に追加の結合コンデンサが設けられる。また、他の電源装置（同文献図７）においては、いわゆるＺＥＴＡ型昇降圧コンバータを基本構成として、当初の結合コンデンサとは別に追加の結合コンデンサが設けられる。具体的には、ＣＵＫ型に基づく回路においては、直流電源の一方の極から他方の極に至る経路に、第１のインダクタ、当初の結合コンデンサ、第２のインダクタ、負荷回路、及び追加の結合コンデンサが順に接続され、スイッチング素子が第１のインダクタを介して直流電源に並列接続される。そして、当初の結合コンデンサと第２のインダクタの接続点と、負荷回路と追加の結合コンデンサの接続点との間にダイオードが接続され、そのアノードが当初の結合コンデンサ側に、カソードが追加の結合コンデンサ側に接続される。なお、ＺＥＴＡ型に基づく回路では、上記の第１のインダクタとスイッチング素子の配置が入れ替わり、ダイオードの極性が逆向きになる。この当初及び追加のコンデンサによって地絡時の負荷回路への電力供給が低減される。

特開２０１３−９９０７２号公報

しかし、特許文献１の構成には次のような問題がある。
第１に、ＣＵＫ型及びＺＥＴＡ型に基づく回路において、一次側と二次側の整流接続構成を形成するダイオードにおける電流負荷及びそれに起因する損失が大きいという問題がある。詳細を後述するように、このダイオードには当初及び追加の結合コンデンサの充電電流とＬＥＤ電流が同時に加算的に流れるため、その合計が定格ＬＥＤ電流を超え、ダイオードが過負荷となる可能性がある。

第２に、ＣＵＫ型及びＺＥＴＡ型に基づく回路において、無効電力が大きく、力率が低くなる可能性があるという問題がある。これも詳細を後述するように、同回路においては、当初及び追加の結合コンデンサを充電する電流はＬＥＤ電流に直接寄与しない。従って、この充電電流が無効電力となるため、力率が改善されにくい。

第３に、ＣＵＫ型コンバータの回路トポロジーに特有の問題として、入力側回路（直流電源及びスイッチング素子）の極性と出力側回路（ＬＥＤ）の極性とが逆転する。そのため、例えば、ＬＥＤ電流、ＬＥＤ電圧等といった負荷側の出力状態を検出してスイッチング素子を制御する場合の制御構成が複雑となるという問題がある。

そこで、本発明は、各種昇降圧コンバータを用いる電源装置において、結合用コンデンサによって地絡対策を施しつつも、一次側と二次側との整流接続構成の損失を低減し、無効電力を減少させて力率を改善し、かつ入力側と出力側の極性が同方向となる構成を提供することを課題とする。本発明はまた、このような電源装置を用いた低損失、高力率かつ簡素な制御構成のＬＥＤ照明装置を提供することを課題とする。

本発明の電源装置は、直流電源に並列接続される、第１のインダクタとスイッチング素子の直列回路からなる一次回路と、第１のインダクタの両端又はスイッチング素子の両端に各々接続された第１及び第２のコンデンサからなる結合回路と、負荷に直列接続される第２のインダクタを有する二次回路と、結合回路から二次回路に向かう電流を全波整流可能な整流接続回路を備える。

本発明の電源装置の第１の形態では、整流接続回路がダイオードブリッジからなり、第１のコンデンサがスイッチング素子の入力端子とダイオードブリッジの一方の入力端子との間に接続され、第２のコンデンサがスイッチング素子の出力端子とダイオードブリッジの他方の入力端子との間に接続され、二次回路がダイオードブリッジの出力端子間に接続される。

上記電源装置によると、ＣＵＫ型昇降圧コンバータに基づく回路において、一次側と二次側の整流接続構成としてダイオードブリッジを備える。この構成によると、負荷の電流が定格値を超えないという前提の下、ダイオードブリッジの各ダイオードに定格負荷電流を超える電流は流れない。したがって、整流接続構成における電流負荷及びそれに起因する損失が小さく、回路効率を向上することができる。また、第１及び第２のコンデンサの充電電流が負荷を通過するので、無効電力が減少し、力率が向上する。また更に、入力側（直流電源及びスイッチング素子）の極性と出力側（負荷）の極性が揃うので単一極性の制御回路を形成することができ、制御構成が簡素なものとなる。

また、上記第１の形態の変形としての電源装置では、整流接続回路が第１乃至第４のダイオードからなり、第１のダイオードのアノードと第３のダイオードのカソードが接続され、第２のダイオードのアノードと第４のダイオードのカソードが接続され、第１のコンデンサがスイッチング素子の入力端子と第１のダイオードのアノード及び第３のダイオードのカソードの接続点との間に接続され、第２のコンデンサがスイッチング素子の出力端子と第２のダイオードのアノード及び第４のダイオードのカソードの接続点との間に接続され、第２のダイオードのカソードと第４のダイオードのアノードが第２のインダクタ及び負荷を介して接続され、第１のダイオードのカソードと第３のダイオードのアノードが第２のインダクタをバイパスして負荷を介して接続される。この構成によると、上記第１の形態の電源装置において、更に、第１及び第２のコンデンサの充電電流において第２のインダクタがバイパスされるので効率的に第１及び第２のコンデンサが充電され得る。

本発明の電源装置の第２の形態では、整流接続回路がダイオードブリッジからなり、第１のコンデンサが第１のインダクタの一方の端子とダイオードブリッジの一方の入力端子との間に接続され、第２のコンデンサが第１のインダクタの他方の端子とダイオードブリッジの他方の入力端子との間に接続され、二次回路がダイオードブリッジの出力端子間に接続される。

上記電源装置によると、ＺＥＴＡ型昇降圧コンバータに基づく回路において、一次側と二次側の整流接続構成としてダイオードブリッジを備える。この構成によると、負荷の電流が定格値を超えないという前提の下、ダイオードブリッジの各ダイオードに定格負荷電流を超える電流は流れない。したがって、整流接続構成おける電流負荷及びそれに起因する損失が低減され、回路効率を向上することができる。また、第１及び第２のコンデンサの充電電流が負荷を通過するので、無効電力が減少し、力率が向上する。また、ＺＥＴＡ型コンバータの本来的な構成上、入力側と出力側の極性が揃うので単一極性の制御回路を形成することができ、制御構成が簡素なものとなる。

また、上記第２の形態の変形としての電源装置では、整流接続回路が第１乃至第４のダイオードからなり、第１のダイオードのアノードと第３のダイオードのカソードが接続され、第２のダイオードのアノードと第４のダイオードのカソードが接続され、第１のコンデンサが第１のインダクタの一方の端子と第１のダイオードのアノード及び第３のダイオードのカソードの接続点との間に接続され、第２のコンデンサが第１のインダクタの他方の端子と第２のダイオードのアノード及び第４のダイオードのカソードの接続点との間に接続され、第１のダイオードのカソードと第３のダイオードのアノードが第２のインダクタ及び負荷を介して接続され、第２のダイオードのカソードと第４のダイオードのアノードが第２のインダクタをバイパスして負荷を介して接続される。この構成によると、上記第２の形態の電源装置において、更に、第１及び第２のコンデンサの充電電流において第２のインダクタがバイパスされるので効率的に第１及び第２のコンデンサが充電され得る。

上記各電源装置において、負荷に並列接続される第３のコンデンサが更に設けられる。これにより、上記各電源装置からの出力電流及び出力電圧のリップルが低減される。

本発明のＬＥＤ照明装置は、上記いずれかの電源装置と、負荷としてのＬＥＤを備える。これにより、上記電源装置を用いた低損失、高力率かつ簡素な制御構成のＬＥＤ照明装置を提供することが可能となる。

本発明の第１の実施形態による電源装置及びＬＥＤ照明装置を示す回路構成図である。 図１の電源装置の動作を説明する図である。 図１の電源装置の動作を説明する図である。 図１の電源装置の動作を説明する図である。 図１の電源装置の動作を説明する図である。 本発明の第１の実施形態の変形例による電源装置及びＬＥＤ照明装置を示す回路構成図である。 図３の電源装置の動作を説明する図である。 図３の電源装置の動作を説明する図である。 本発明の第２の実施形態による電源装置及びＬＥＤ照明装置を示す回路構成図である。 図５の電源装置の動作を説明する図である。 図５の電源装置の動作を説明する図である。 図５の電源装置の動作を説明する図である。 図５の電源装置の動作を説明する図である。 本発明の第２の実施形態の変形例による電源装置及びＬＥＤ照明装置を示す回路構成図である。 図７の電源装置の動作を説明する図である。 図７の電源装置の動作を説明する図である。 従来のＣＵＫ型コンバータに基づく電源装置を説明する図である。 従来のＣＵＫ型コンバータに基づく電源装置を説明する図である。 従来のＺＥＴＡ型コンバータに基づく電源装置を説明する図である。 従来のＺＥＴＡ型コンバータに基づく電源装置を説明する図である。

＜実施形態１＞
図１に本発明の第１の実施形態による電源装置１及びそれを用いたＬＥＤ照明装置６の回路構成図を示す。ＬＥＤ照明装置６は電源装置１及びＬＥＤ５（負荷Ｌ）を含む。バッテリ等の接地された直流電源Ｅからの直流電圧が電源装置１に入力され、電源装置１からの直流出力がＬＥＤ５に供給される。

電源装置１は、インダクタ１１、スイッチング素子１２、コンデンサ１３及び１４、ダイオードブリッジ１５、インダクタ１６、コンデンサ１７並びに制御回路１８を含み、ＣＵＫ型コンバータに基づく非絶縁型の昇降圧コンバータを構成する。ここで、インダクタ１１及びスイッチング素子１２が一次回路Ｐを構成し、結合用のコンデンサ１３及び１４が結合回路Ｃを構成し、ダイオードブリッジ１５が整流接続回路Ｒを構成し、インダクタ１６及びコンデンサ１７が二次回路Ｓを構成する。なお、以降の説明において、ＬＥＤ５に流れる電流は定格ＬＥＤ電流を超えることがないように適宜設定及び制御されるものとする。

一次回路Ｐにおいて、インダクタ１１が直流電源Ｅの正極に接続される。スイッチング素子１２はＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタからなるものであればよく、インダクタ１１を介して直流電源Ｅに並列接続される。なお、以降の説明において、各スイッチング素子の高電位側端子（ＭＯＳＦＥＴの場合はドレイン端子、バイポーラトランジスタの場合はコレクタ端子）を入力端子といい、低電位側端子（ＭＯＳＦＥＴの場合はソース端子、バイポーラトランジスタの場合はエミッタ端子）を出力端子というものとする。すなわち、図１においては、スイッチング素子１２の入力端子がインダクタ１１に接続され、出力端子が直流電源Ｅの負極に接続される。スイッチング素子１２は制御回路１８によってＰＷＭ駆動される。なお、図１においては、インダクタ１１は直流電源Ｅの正極に接続されるが、負極に接続されていてもよい。この場合、スイッチング素子１２の入力端子が直流電源Ｅの正極に接続され、出力端子がインダクタ１１に接続される。

結合回路Ｃに関して、コンデンサ１３はスイッチング素子１２の入力端子に接続され、コンデンサ１４はスイッチング素子１２の出力端子に接続される。コンデンサ１３及び１４は、その直流カット機能によって出力側、すなわちＬＥＤ５等の地絡対策回路を構成する。例えば、電源装置１からＬＥＤ５への配線が偶発的に地絡（すなわち、直流電源Ｅの負極側の接地点と同電位）となってしまった場合でも、地絡箇所と直流電源Ｅまでコンデンサ１３及び１４が介在することにより、電源装置１内での急峻な電圧又は電流の変動が抑制される。このように、コンデンサ１３及び１４が直流電源ＥからＬＥＤ５までの経路に挿入されることにより、地絡対策が施され、電源装置１及びＬＥＤ照明装置６の信頼性が向上する。

整流接続回路Ｒであるダイオードブリッジ１５の入力端子にコンデンサ１３及び１４がそれぞれ接続され、出力端子間にインダクタ１６とＬＥＤ５の直列回路が接続される。より具体的には、ダイオードブリッジ１５はダイオード１５ａ、１５ｂ、１５ｃ及び１５ｄからなる。ダイオード１５ａのアノード及びダイオード１５ｃのカソードがコンデンサ１３に接続され、ダイオード１５ｂのアノード及びダイオード１５ｄのカソードがコンデンサ１４に接続される。ダイオード１５ａ及び１５ｂのカソードがインダクタ１６に接続され、ダイオード１５ｃ及び１５ｄのアノードがＬＥＤ５のカソード端に接続される。

二次回路Ｓにおいて、インダクタ１６がダイオードブリッジ１５の出力端間にＬＥＤ５を介して接続される。なお、図１においては、インダクタ１６は、ダイオードブリッジ１５の高電位出力端とＬＥＤ５のアノード端の間に接続されているが、ダイオードブリッジ１５の低電位出力端とＬＥＤ５のカソード端の間に接続されていてもよい。コンデンサ１７はＬＥＤ５に並列接続され、ＬＥＤ５への出力電圧及び出力電流におけるリップルを低減する。

このように、整流接続回路Ｒは、結合回路Ｃから二次回路Ｓに向かう電流を全波整流する（及び二次回路Ｓから結合回路Ｃに向かう電流を所定方向に整流する）ことが可能な態様で構成される。

ここで、比較のために、図９Ａ及び図９Ｂを用いて従来のＣＵＫ型コンバータに基づく電源装置３を説明する。図９Ａ及び図９Ｂに示すように、電源装置３は、インダクタ３１、スイッチング素子３２、コンデンサ３３及び３４、ダイオード３５、インダクタ３６、コンデンサ３７並びに制御回路３８を有する。図１に示す本実施形態の電源装置１と従来の電源装置３との相違は、一次側（一次回路及び結合回路）と二次側（二次回路）との接続構成において、電源装置１ではダイオードブリッジ１５が用いられるのに対して電源装置３ではダイオード３５が用いられる点にある。図９Ａはスイッチング素子３２がオンされたスイッチングオン期間の電流を示し、図９Ｂはスイッチング素子３２がオフされたスイッチングオフ期間の電流を示す。

図９Ａに示すように、スイッチングオン期間では、直流電源Ｅからの電流ｉ１１が、直流電源Ｅ→インダクタ３１→スイッチング素子３２→直流電源Ｅに流れ、インダクタ３１にエネルギーが蓄えられる。また、コンデンサ３３及び３４の電荷（前回のスイッチングオフ期間に充電されていた電荷）を電源として、コンデンサ３３→スイッチング素子３２コンデンサ３４→ＬＥＤ５→インダクタ３６→コンデンサ３３に電流ｉ１２が流れる。電流ｉ１２によってコンデンサ３３及び３４が放電される。

図９Ｂに示すように、スイッチングオフ期間においては、直流電源Ｅの電力及びインダクタ３１に蓄えられたエネルギーを電源として、電流ｉ１３がインダクタ３１→コンデンサ３３→ダイオード３５→コンデンサ３４→直流電源Ｅに流れる。電流ｉ１３によってコンデンサ３３及び３４が充電される。また、スイッチングオン期間においてインダクタ３６に蓄えられたエネルギーを電源として、インダクタ３６→ダイオード３５→ＬＥＤ５→インダクタ３６に電流ｉ１４が流れる。

ここで、電源装置３の構成には、前述したいくつかの問題点がある。まず、スイッチングオフ期間において、ダイオード３５には、コンデンサ３３及び３４の充電電流ｉ１３及びＬＥＤ５の電流ｉ１４が同時に加算的に流れる。したがって、ダイオード３５に定格ＬＥＤ電流を超える電流が流れることにより電流負荷が大きくなり、損失も大きくなる。また、スイッチングオフ期間において、コンデンサ３３及び３４の充電電流ｉ１３は、直流電源Ｅとコンデンサ３３及び３４との間の電力の伝送のみに関与し、ＬＥＤ５の点灯には寄与しない。したがって、充電電流ｉ１３は無効電力を発生させ、電源装置３の力率を低下させてしまう。また更に、回路のトポロジー上、入力側（直流電源Ｅ及びスイッチング素子３２）の極性と出力側（ＬＥＤ５）の極性が逆転する。これにより、例えば、制御回路３８がＬＥＤ電流、ＬＥＤ電圧等の出力検出に基づいてスイッチング素子３２を駆動する場合の制御構成が複雑になってしまう。

図２Ａ〜図２Ｄを用いて、本実施形態の電源装置１の動作を説明する。図２Ａ及び図２Ｂはスイッチング素子１２がオンされたスイッチングオン期間の電流を示し、図２Ｃ及び図２Ｄはスイッチング素子１２がオフされたスイッチングオフ期間の電流を示す。

図２Ａに示すように、スイッチングオン期間において、一次側では、直流電源Ｅからの電流ｉ１が、直流電源Ｅ→インダクタ１１→スイッチング素子１２→直流電源Ｅに流れ、インダクタ１１にエネルギーが蓄えられる。また、二次側では、コンデンサ１３及び１４の電荷（前回のスイッチングオフ期間に充電されていた電荷）を電源として、コンデンサ１３→スイッチング素子１２→コンデンサ１４→ダイオード１５ｂ→インダクタ１６→ＬＥＤ５→ダイオード１５ｃ→コンデンサ１３に電流ｉ２が流れる。電流ｉ２によってコンデンサ１３及び１４が放電される。

図２Ｂに示すように、スイッチングオン期間においてコンデンサ１３及び１４の電荷が尽きると、二次側では、インダクタ１６に蓄えられたエネルギーを電源として、インダクタ１６→ＬＥＤ５→ダイオード１５ｃ及び１５ｄ→ダイオード１５ａ及び１５ｂ→インダクタ１６に電流ｉ３が流れる。一次側の電流ｉ１は維持される。なお、コンデンサ１３及び１４の容量が比較的大きい場合、又はスイッチングオン期間が比較的短い場合には、図２Ｂに示す状態は存在しない。この場合には、図２Ａに示す状態の直後に図２Ｃに示す状態が続くことになる。

図２Ｃに示すように、スイッチングオフ期間において、直流電源Ｅの電力及びインダクタ１１に蓄えられたエネルギーを電源として、電流ｉ４が、直流電源Ｅ→インダクタ１１→コンデンサ１３→ダイオード１５ａ→インダクタ１６→ＬＥＤ５→ダイオード１５ｄ→コンデンサ１４→直流電源Ｅに流れる。電流ｉ４によってコンデンサ１３及び１４が充電される。

図２Ｄに示すように、スイッチングオフ期間においてコンデンサ１３及び１４の充電が終了すると、二次側において、インダクタ１６に蓄えられたエネルギーを電源として、インダクタ１６→ＬＥＤ５→ダイオード１５ｃ及び１５ｄ→ダイオード１５ａ及び１５ｂ→インダクタ１６に電流ｉ３が流れる。この際、電流ｉ３に起因してダイオード１５ａ、１５ｂ、１５ｃ及び１５ｄが等しく導通（オン）した場合、ダイオード１５ｃのカソードとダイオード１５ｄのカソードが同電位となる。そのため、一次側にコンデンサ１３及び１４に充電経路が形成され、インダクタ１１に蓄えられていたエネルギーによって、インダクタ１１→コンデンサ１３→ダイオード１５ｃ→ダイオード１５ｄ→コンデンサ１４→直流電源Ｅ→インダクタ１１、あるいは、インダクタ１１→コンデンサ１３→ダイオード１５ａ→ダイオード１５ｂ→コンデンサ１４→直流電源Ｅ→インダクタ１１のように流れ得る。その後、動作は図２Ａに示す状態に続く。なお、コンデンサ１３及び１４の容量が比較的大きい場合、又はスイッチングオフ期間が比較的短い場合には、図２Ｄに示す状態は存在しない。この場合には、図２Ｃに示す状態の直後に図２Ａに示す状態が続くことになる。なお、インダクタ１１及び１６並びにコンデンサ１３及び１４の定数によっては、図２Ｂの次に図２Ｄの状態を経て図２Ｃの状態が起こり、その後図２Ａの状態に戻る場合もある。

以上のように、本実施形態の電源装置１は、一次側（一次回路Ｐ及び結合回路Ｃ）と二次側（二次回路Ｓ）の整流接続構成として、一次側から二次側に向かう電流を全波整流可能なダイオードブリッジ１５（整流接続回路Ｒ）を備える。これにより、以下の有利な効果を得ることができる。

（１）低損失化
上記構成においては、ＬＥＤ電流とコンデンサ１３及び１４の充電電流が１つのダイオードに同時に加算的に流れることがない。言い換えると、ダイオードブリッジ１５の各ダイオードには定格ＬＥＤ電流を超える電流は流れない。したがって、電源装置１においては、従来の電源装置３と比べて、一次側と二次側の間の整流接続構成における電流負荷及びそれに起因する損失が小さく、回路効率を向上することができる。

（２）力率向上
また、電源装置１では、コンデンサ１３及び１４の充電電流ｉ４がＬＥＤ５を通過してその点灯に寄与する（図２Ｃ参照）。言い換えると、電源装置１においては、ＬＥＤ５の点灯に寄与しない電流はスイッチングオン期間におけるインダクタ１１及びスイッチング素子１２に流れる電流ｉ１のみとなるので、従来の電源装置３に比べて無効電力が減少し、力率が向上する。

（３）制御構成の簡素化
また更に、電源装置１では、入力側（直流電源Ｅ及びスイッチング素子１２）の極性と出力側（ＬＥＤ５）の極性を揃えることができる。したがって、（コンデンサ１４があるために入力側と出力側とは同じ基準電位とはならないものの）電源装置１において単一極性の制御回路を形成することができ、制御構成が簡素なものとなる。

（４）電源装置の小型化
また更に、インダクタ１６及びコンデンサ１７の負担軽減により電源装置の小型化が可能となる。電源装置１では、図２Ｃに示すように直流電源Ｅ及びインダクタ１１を介してＬＥＤ５に直接給電するモードがあるため、ＬＥＤ電流の給電においてインダクタ１６及びコンデンサ１７によるエネルギーの授受に依存する度合いは、従来の電源装置３に比べて小さい。これにより、インダクタ１６のインダクタンスはインダクタ３６のインダクタンスよりも小さくて済む。また、コンデンサ１７におけるリップル電流はコンデンサ３７におけるリップル電流よりも小さくなるので、コンデンサ１７はコンデンサ３７よりも小型なもので済む。したがって、電源装置の小型化及び損失低減が可能となる。

このように、本実施形態によると、ＣＵＫ型昇降圧コンバータに基づく電源装置１において、結合用コンデンサによって地絡対策を施しつつも、一次側と二次側の整流接続構成の損失を低減し、無効電力を減少させて力率を改善し、かつ簡素な制御構成を提供することが可能となる。また、このような電源装置１を用いた低損失、高力率、簡素な制御構成かつ小型化可能なＬＥＤ照明装置６が実現される。

＜実施形態１の変形例＞
上記の電源装置１では、コンデンサ１３及び１４の充電電流の経路がインダクタ１６を経由する構成を示したが、変形例として、コンデンサ１３及び１４の充電電流の経路がインダクタ１６をバイパスする構成を示す。なお、以降において、上記実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。

図３に本変形例の電源装置１´の回路構成を示す。電源装置１´は、インダクタ１１、スイッチング素子１２、コンデンサ１３及び１４、ダイオード１５ａ〜１５ｄ、インダクタ１６、コンデンサ１７並びに制御回路１８を含む。なお、ダイオード１５ａ〜１５ｄが整流接続部Ｒを構成する。本変形例の電源装置１´と上記実施形態の電源装置１とは、ダイオード１５ａ、ダイオード１５ｄ、インダクタ１６及びＬＥＤ５の接続のみが異なる。具体的には、本変形例のダイオード１５ａのカソードとダイオード１５ｄのアノードは、インダクタ１６をバイパスしてＬＥＤ５を介して接続される。

図３に示すように、ダイオード１５ａのカソードがＬＥＤ５のアノード端に接続され、ダイオード１５ｂのカソードがインダクタ１６を介してＬＥＤ５のアノード端に接続され、ダイオード１５ｃ及び１５ｄのアノードがＬＥＤ５のカソード端に接続される。なお、インダクタ１６がＬＥＤ５のカソード端とダイオード１５ｃのアノードの間に接続される構成としてもよい。この場合、ダイオード１５ｄのアノードがＬＥＤ５のカソード端に接続され、ダイオード１５ａ及び１５ｂのカソードがＬＥＤ５のアノード端に接続される。

図４Ａ及び図４Ｂを用いて、本変形例の電源装置１´の動作を説明する。図４Ａはスイッチング素子１２がオンされたスイッチングオン期間の電流を示し、図４Ｂはスイッチング素子１２がオフされたスイッチングオフ期間の電流を示す。なお、本変形例においては、図２Ｂ及び図２Ｄに対応する期間はないものとして（すなわち、そのような回路定数及びＰＷＭ制御の設定であるものとして）説明する。

図４Ａに示すように、スイッチングオン期間において、一次側では、直流電源Ｅからの電流ｉ１が、直流電源Ｅ→インダクタ１１→スイッチング素子１２→直流電源Ｅに流れ、インダクタ１１にエネルギーが蓄えられる。また、二次側では、コンデンサ１３及び１４の電荷（前回のスイッチングオフ期間に充電されていた電荷）を電源として、コンデンサ１３→スイッチング素子１２→コンデンサ１４→ダイオード１５ｂ→インダクタ１６→ＬＥＤ５→ダイオード１５ｃ→コンデンサ１３に電流ｉ２が流れる。電流ｉ２によってコンデンサ１３及び１４が放電される。

図４Ｂに示すように、スイッチングオフ期間において、直流電源Ｅの電力及びインダクタ１１に蓄えられたエネルギーを電源として、直流電源Ｅ→インダクタ１１→コンデンサ１３→ダイオード１５ａ→ＬＥＤ５→ダイオード１５ｄ→コンデンサ１４→直流電源Ｅに電流ｉ４が流れる。電流ｉ４によってコンデンサ１３及び１４が充電される。また、スイッチングオン期間にインダクタ１６に蓄えられたエネルギーを電源として、インダクタ１６→ＬＥＤ５→ダイオード１５ｄ→ダイオード１５ｂ→インダクタ１６に電流ｉ３が流れる。なお、ダイオード１５ｄにおいて、電流ｉ３及びｉ４が合流するが、この合計電流がＬＥＤ電流となるので、ＬＥＤ電流が定格値以下に制御されることにより、ダイオード１５ｄには定格ＬＥＤ電流を超える電流は流れない。

以上のように、本変形例の電源装置１´は、一次側と二次側の整流接続構成として、一次側から二次側に向かう電流を全波整流可能なダイオード１５ａ乃至１５ｄを備え、結合用コンデンサ１３及び１４の充電経路にインダクタ１６が介在しない。これにより、本変形例の電源装置１´においても、上記実施形態と同様に（１）低損失化、（２）力率向上（３）制御構成の簡素化、及び（４）小型化の有利な効果を得ることができるとともに、より効率的にコンデンサ１３及び１４を充電することが可能となる。

＜実施形態２＞
上記第１の実施形態ではＣＵＫ型昇降圧コンバータに基づいて構成された電源装置を示したが、本実施形態ではＺＥＴＡ型昇降圧コンバータに基づいて構成された電源装置を示す。図５に本実施形態の電源装置２及びそれを用いたＬＥＤ照明装置６の回路構成図を示す。ＬＥＤ照明装置６は電源装置２及びＬＥＤ５を含む。

電源装置２は、インダクタ２１、スイッチング素子２２、コンデンサ２３及び２４、ダイオードブリッジ２５、インダクタ２６、コンデンサ２７並びに制御回路２８を含み、ＺＥＴＡ型コンバータに基づく非絶縁型の昇降圧コンバータを構成する。なお、インダクタ２１及びスイッチング素子２２が一次回路Ｐを構成し、結合用のコンデンサ２３及び２４が結合回路Ｃを構成し、ダイオードブリッジ２５が整流接続回路Ｒを構成し、インダクタ２６及びコンデンサ２７が二次回路Ｓを構成する。

一次回路Ｐにおいて、インダクタ２１は、直流電源Ｅにスイッチング素子２２を介して並列接続される。スイッチング素子２２はＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタからなるものであればよく、その入力端子が直流電源Ｅの正極に接続され、出力端子がインダクタ２１に接続され、制御回路２８によって駆動される。なお、図５においては、スイッチング素子２２が直流電源Ｅの正極側に接続される構成を示すが、負極側に接続される構成としてもよい。この場合、スイッチング素子２２の出力端子が直流電源Ｅの負極に接続され、入力端子がインダクタ２１に接続される。

結合回路Ｃに関して、コンデンサ２３はインダクタ２１の一方の端子に接続され、コンデンサ２４はインダクタ２１の他方の端子に接続される。第１の実施形態のコンデンサ１３及び１４と同様に、コンデンサ２３及び２４は、その直流カット機能によって出力側、すなわちＬＥＤ５等の地絡対策回路を構成する。

ダイオードブリッジ２５以降の二次側の構成は第１の実施形態の構成と同様である。すなわち、整流接続回路Ｒ及び二次回路Ｓにおいて、ダイオードブリッジ２５の入力端子がコンデンサ２３及び２４にそれぞれ接続されるとともに出力端子間にインダクタ２６とＬＥＤ５の直列回路が接続され、コンデンサ１７がＬＥＤ５に並列接続される。

ここで、比較のために、図１０Ａ及び図１０Ｂを用いて従来のＺＥＴＡ型コンバータに基づく電源装置４を説明する。図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、電源装置４は、インダクタ４１、スイッチング素子４２、コンデンサ４３及び４４、ダイオード４５、インダクタ４６、コンデンサ４７並びに制御回路４８を有する。図５に示す本実施形態の電源装置２と従来の電源装置４との相違は、一次側と二次側の接続構成において、電源装置２ではダイオードブリッジ２５が用いられるのに対して電源装置３ではダイオード４５が用いられる点にある。図１０Ａはスイッチング素子４２がオンされたスイッチングオン期間の電流を示し、図１０Ｂはスイッチング素子４２がオフされたスイッチングオフ期間の電流を示す。

図１０Ａに示すように、スイッチングオン期間では、直流電源Ｅからの電流ｉ１５が、直流電源Ｅ→スイッチング素子４２→インダクタ４１→直流電源Ｅに流れ、インダクタ４１にエネルギーが蓄えられる。また、電流ｉ１６が、直流電源Ｅ→スイッチング素子４２→コンデンサ４３→インダクタ４６→ＬＥＤ５→コンデンサ４４→直流電源Ｅに流れる。電流ｉ１６によってコンデンサ４３及び４４が放電される。

図１０Ｂに示すように、スイッチングオフ期間においては、インダクタ４１に蓄えられたエネルギーを電源として、電流ｉ１７がインダクタ４１→コンデンサ４４→ダイオード４５→コンデンサ４３→インダクタ４１に流れる。電流ｉ１７によってコンデンサ４３及び４４が充電される。また、スイッチングオン期間にインダクタ４６に蓄えられたエネルギーを電源として、電流ｉ１８がインダクタ４６→ＬＥＤ５→ダイオード４５→インダクタ４６に流れる。

ここで、電源装置４の構成には、前述したいくつかの問題点がある。スイッチングオフ期間において、ダイオード４５に、コンデンサ４３及び４４の充電電流ｉ１７及びＬＥＤ５の電流ｉ１８が同時に加算的に流れる。したがって、ダイオード４５に定格ＬＥＤ電流を超える電流が流れることにより電流負荷が大きくなり、損失も大きくなる。また、コンデンサ４３及び４４を充電するための電流（電流ｉ１５及びｉ１７）は、ＬＥＤ５を経由することはないため、無効電力を発生させ、電源装置４の力率を低下させてしまう。

図６Ａ〜図６Ｄを用いて、本実施形態の電源装置２の動作を説明する。図６Ａ及び図６Ｂはスイッチング素子２２がオンされたスイッチングオン期間の電流を示し、図６Ｃ及び図６Ｄはスイッチング素子２２がオフされたスイッチングオフ期間の電流を示す。

図６Ａに示すように、スイッチングオン期間において、一次側では、直流電源Ｅからの電流ｉ５が、直流電源Ｅ→スイッチング素子２２→インダクタ２１→直流電源Ｅに流れ、インダクタ２１にエネルギーが蓄えられる。また、二次側に関して、直流電源Ｅ並びにコンデンサ２３及び２４の電荷（前回のスイッチングオフ期間に充電されていた電荷）を電源として、直流電源Ｅ→スイッチング素子２２→コンデンサ２３→ダイオード２５ａ→インダクタ２６→ＬＥＤ５→ダイオード２５ｄ→コンデンサ２４→直流電源Ｅに電流ｉ６が流れる。電流ｉ６によってコンデンサ２３及び２４が放電される。

図６Ｂに示すように、スイッチングオン期間においてコンデンサ２３及び２４の電荷が尽きると、二次側では、インダクタ２６に蓄えられたエネルギーを電源として、インダクタ２６→ＬＥＤ５→ダイオード２５ｃ及び２５ｄ→ダイオード２５ａ及び２５ｂ→インダクタ２６に電流ｉ７が流れる。一次側の電流ｉ５は維持される。なお、コンデンサ２３及び２４の容量が比較的大きい場合、又はスイッチングオン期間が比較的短い場合には、図６Ｂに示す状態は存在しない。この場合には、図６Ａに示す状態の直後に図６Ｃに示す状態が続くことになる。

図６Ｃに示すように、スイッチングオフ期間において、インダクタ２１（及び２６）に蓄えられたエネルギーを電源として、インダクタ２１→コンデンサ２４→ダイオード２５ｂ→インダクタ２６→ＬＥＤ５→ダイオード２５ｃ→コンデンサ２３→インダクタ２１に電流ｉ８が流れる。電流ｉ８によってコンデンサ２３及び２４が充電される。

図６Ｄに示すように、スイッチングオフ期間においてコンデンサ２３及び２４の充電が終了すると、一次側に電流は流れず、二次側において、インダクタ２６に蓄えられたエネルギーを電源として、インダクタ２６→ＬＥＤ５→ダイオード２５ｃ及び２５ｄ→ダイオード２５ａ及び２５ｂ→インダクタ２６に電流ｉ７が流れる。この際、電流ｉ７に起因してダイオード２５ａ、２５ｂ、２５ｃ及び２５ｄが等しく導通（オン）した場合、ダイオード２５ｃのカソードとダイオード２５ｄのカソードが同電位となる。そのため、一次側にコンデンサ２３及び２４に充電経路が形成され、インダクタ２１に蓄えられていたエネルギーによって、インダクタ２１→コンデンサ２３→ダイオード２５ｃ→ダイオード２５ｄ→コンデンサ２４→インダクタ２１、あるいは、インダクタ２１→コンデンサ２３→ダイオード２５ａ→ダイオード２５ｂ→コンデンサ２４→インダクタ２１のように流れ得る。その後、動作は図６Ａに示す状態に続く。なお、コンデンサ２３及び２４の容量が比較的大きい場合、又はスイッチングオフ期間が比較的短い場合には、図６Ｄに示す状態は存在しない。この場合には、図６Ｃに示す状態の直後に図６Ａに示す状態が続くことになる。

以上のように、本実施形態の電源装置２は、一次側（一次回路Ｐ及び結合回路Ｃ）と二次側（二次回路Ｓ）の整流接続構成として、一次側から二次側に向かう電流を全波整流可能なダイオードブリッジ２５（整流接続回路Ｒ）を備える。これにより、第１の実施形態に関して説明した（１）低損失化の有利な効果が得られる。すなわち、１つのダイオードにＬＥＤ電流及びコンデンサ２３及び２４の充電電流が同時に加算的に流れることがなく、ダイオードブリッジ２５の各ダイオードには定格ＬＥＤ電流を超える電流は流れない。したがって、電源装置２においては、従来の電源装置４と比べて、一次側と二次側を接続する整流構成における電流負荷及びそれに起因する損失が小さく、回路効率を向上することができる。

また、第１の実施形態に関して説明した（２）力率向上の有利な効果も得られる。すなわち、コンデンサ２３及び２４の充電電流ｉ８がＬＥＤ５を通過してその点灯に寄与する（図６Ｃ参照）。言い換えると、電源装置２においては、ＬＥＤ５の点灯に寄与しない電流はスイッチングオン期間におけるスイッチング素子２２及びインダクタ２１に流れる電流ｉ５のみとなるので、従来の電源装置３に比べて無効電力が減少し、力率が向上する。なお、上記（３）制御構成の簡素化の効果はＺＥＴＡ型コンバータの本来的な構成から得られる。

このように、本実施形態によると、ＺＥＴＡ型昇降圧コンバータに基づく電源装置２において、結合用コンデンサによって地絡対策を施しつつも、一次側と二次側の整流接続構成の損失を低減するとともに無効電力を減少させて力率を改善することが可能となる。また、このような電源装置２を用いた低損失、高力率かつ簡素な制御構成のＬＥＤ照明装置６が実現される。

＜実施形態２の変形例＞
上記の電源装置２では、コンデンサ２３及び２４の充電電流の経路がインダクタ２６を経由する構成を示したが、変形例として、コンデンサ２３及び２４の充電電流の経路がインダクタ２６をバイパスする構成を示す。なお、以降において、上記実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。

図７に本変形例の電源装置２´の回路構成を示す。電源装置２´は、インダクタ２１、スイッチング素子２２、コンデンサ２３及び２４、ダイオード２５ａ〜２５ｄ、インダクタ２６、コンデンサ２７並びに制御回路２８を含む。なお、ダイオード２５ａ〜２５ｄが整流接続回路Ｒを構成する。本変形例の電源装置２´と上記実施形態の電源装置２とは、ダイオード２５ｂ、ダイオード２５ｃ、インダクタ２６及びＬＥＤ５の接続のみが異なる。具体的には、本変形例のダイオード２５ｂのカソードとダイオード２５ｃのアノードは、インダクタ２６をバイパスしてＬＥＤ５を介して接続される。

図７に示すように、ダイオード２５ａのカソードがインダクタ２６を介してＬＥＤ５のアノード端の間に接続され、ダイオード２５ｂのカソードがＬＥＤ５のアノード端に接続され、ダイオード２５ｃ及び２５ｄのアノードがＬＥＤ５のカソード端に接続される。なお、インダクタ２６がＬＥＤ５のカソード端とダイオード２５ｄのアノードの間に接続される構成としてもよい。この場合、ダイオード２５ｃのアノードがＬＥＤ５のカソード端に接続され、ダイオード２５ａ及び２５ｂのカソードがＬＥＤ５のアノード端に接続される。

図８Ａ及び図８Ｂを用いて、本変形例の電源装置２´の動作を説明する。図８Ａはスイッチング素子２２がオンされたスイッチングオン期間の電流を示し、図８Ｂはスイッチング素子２２がオフされたスイッチングオフ期間の電流を示す。なお、本変形例においては、図６Ｂ及び図６Ｄに対応する期間はないものとして（すなわち、そのような回路定数及びＰＷＭ制御の設定であるものとして）説明する。

図８Ａに示すように、スイッチングオン期間において、一次側では、直流電源Ｅからの電流ｉ５が、直流電源Ｅ→スイッチング素子２２→インダクタ２１→直流電源Ｅに流れ、インダクタ２１にエネルギーが蓄えられる。また、二次側に関して、直流電源Ｅ並びにコンデンサ２３及び２４の電荷（前回のスイッチングオフ期間に充電されていた電荷）を電源として、直流電源Ｅ→スイッチング素子２２→コンデンサ２３→ダイオード２５ａ→インダクタ２６→ＬＥＤ５→ダイオード２５ｄ→コンデンサ２４→直流電源Ｅに電流ｉ６が流れる。電流ｉ６によってコンデンサ２３及び２４が放電される。

図８Ｂに示すように、スイッチングオフ期間において、スイッチングオフ期間において、インダクタ２１に蓄えられたエネルギーを電源として、インダクタ２１→コンデンサ２４→ダイオード２５ｂ→ＬＥＤ５→ダイオード２５ｃ→コンデンサ２３→インダクタ２１に電流ｉ８が流れる。電流ｉ８によってコンデンサ２３及び２４が充電される。

以上のように、本変形例の電源装置２´は、一次側と二次側の整流接続構成として、一次側から二次側に向かう電流を全波整流可能なダイオード２５ａ乃至２５ｄを備え、結合用コンデンサ２３及び２４の充電経路にインダクタ２６が介在しない。これにより、上記実施形態と同様に（１）低損失化、（２）力率向上及び（３）制御構成の簡素化の有利な効果を得ることができるとともに、より効率的にコンデンサ２３及び２４を充電することが可能となる。

以上に本発明の好適な実施形態を示したが、本発明は、種々の態様に変形可能である。例えば、上記各実施形態及び変形例においては、電源装置１及び２の負荷ＬとしてＬＥＤ５を示したが、負荷ＬはＬＥＤ以外のインピーダンス素子又は回路であってもよい。例えば、負荷Ｌは抵抗負荷であってもよいし、電源装置１又は２からの直流出力を利用して負荷を駆動する別途の回路であってもよい。

１、１´、２、２´ 電源装置
５ ＬＥＤ
６ ＬＥＤ照明装置
１１、２１ インダクタ（第１のインダクタ）
１２、２２ スイッチング素子
１３、２３ コンデンサ（第１のコンデンサ）
１４、２４ コンデンサ（第２のコンデンサ）
１５、２５ ダイオードブリッジ
１５ａ、２５ａ ダイオード（第１のダイオード）
１５ｂ、２５ｂ ダイオード（第２のダイオード）
１５ｃ、２５ｃ ダイオード（第３のダイオード）
１５ｄ、２５ｄ ダイオード（第４のダイオード）
１６、２６ インダクタ（第２のインダクタ）
１７、２７ コンデンサ（第３のコンデンサ）
Ｐ 一次回路
Ｃ 結合回路
Ｒ 整流接続回路
Ｓ 二次回路
Ｌ 負荷

Claims (7)

1. 電源装置であって、
   直流電源に並列接続される、第１のインダクタとスイッチング素子の直列回路からなる一次回路と、
   前記第１のインダクタの両端又は前記スイッチング素子の両端に各々接続された第１及び第２のコンデンサからなる結合回路と、
   負荷に直列接続される第２のインダクタを有する二次回路と、
   前記結合回路から前記二次回路への出力を全波整流可能な整流接続回路と
   を備えた電源装置。
2. 請求項１に記載の電源装置において、前記整流接続回路がダイオードブリッジからなり、
   前記第１のコンデンサが前記スイッチング素子の入力端子と前記ダイオードブリッジの一方の入力端子との間に接続され、
   前記第２のコンデンサが前記スイッチング素子の出力端子と前記ダイオードブリッジの他方の入力端子との間に接続され、
   前記二次回路が前記ダイオードブリッジの出力端子間に接続された電源装置。
3. 請求項１に記載の電源装置において、前記整流接続回路が第１乃至第４のダイオードからなり、
   前記第１のダイオードのアノードと前記第３のダイオードのカソードが接続され、
   前記第２のダイオードのアノードと前記第４のダイオードのカソードが接続され、
   前記第１のコンデンサが前記スイッチング素子の入力端子と前記第１のダイオードのアノード及び前記第３のダイオードのカソードの接続点との間に接続され、
   前記第２のコンデンサが前記スイッチング素子の出力端子と前記第２のダイオードのアノード及び前記第４のダイオードのカソードの接続点との間に接続され、
   前記第２のダイオードのカソードと前記第４のダイオードのアノードが前記第２のインダクタ及び前記負荷を介して接続され、
   前記第１のダイオードのカソードと前記第３のダイオードのアノードが前記第２のインダクタをバイパスして前記負荷を介して接続される、電源装置。
4. 請求項１に記載の電源装置において、前記整流接続回路がダイオードブリッジからなり、
   前記第１のコンデンサが前記第１のインダクタの一方の端子と前記ダイオードブリッジの一方の入力端子との間に接続され、
   前記第２のコンデンサが前記第１のインダクタの他方の端子と前記ダイオードブリッジの他方の入力端子との間に接続され、
   前記二次回路が前記ダイオードブリッジの出力端子間に接続された電源装置。
5. 請求項１に記載の電源装置において、前記整流接続回路が第１乃至第４のダイオードからなり、
   前記第１のダイオードのアノードと前記第３のダイオードのカソードが接続され、
   前記第２のダイオードのアノードと前記第４のダイオードのカソードが接続され、
   前記第１のコンデンサが前記第１のインダクタの一方の端子と前記第１のダイオードのアノード及び前記第３のダイオードのカソードの接続点との間に接続され、
   前記第２のコンデンサが前記第１のインダクタの他方の端子と前記第２のダイオードのアノード及び前記第４のダイオードのカソードの接続点との間に接続され、
   前記第１のダイオードのカソードと前記第３のダイオードのアノードが前記第２のインダクタ及び前記負荷を介して接続され、
   前記第２のダイオードのカソードと前記第４のダイオードのアノードが前記第２のインダクタをバイパスして前記負荷を介して接続される、電源装置。
6. 前記負荷に並列接続される第３のコンデンサを更に備えた請求項１から５のいずれか一項に記載の電源装置。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の電源装置と、前記負荷としてのＬＥＤとを備えたＬＥＤ照明装置。

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