JP6480954B2

JP6480954B2 - 電気負荷駆動装置

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Publication number: JP6480954B2
Application number: JP2016567544A
Authority: JP
Inventors: ユ，サン−ウ
Original assignee: ユ，サン−ウ
Priority date: 2014-08-20
Filing date: 2015-07-21
Publication date: 2019-03-13
Anticipated expiration: 2035-07-21
Also published as: EP3185653A1; US20170171923A1; WO2016013839A1; KR101547480B1; US10225894B2; RU2647881C1; EP3185653B1; CN106465517A; EP3185653A4; BR112016028763A2; JP2017516311A

Description

本発明は、ＬＥＤ(Light Emitting Diode)のような駆動装置に関するものであり、より詳細には、ＬＥＤ照明機器のためのＳＭＰＳ(Switching Mode Power Supply)方式のＬＥＤ駆動装置において電解コンデンサー保護回路(Failure Protection circuit for the Electrolytic Capacitor)を具備した電気負荷駆動装置に関するものである。

一般に、交流電源供給装置(AC Power Supply)には、スイチングモード電源供給(Switching Mode Power Supply:ＳＭＰＳ)方式と線形電源供給(Linear Power Supply)方式があるが、家電、コンピューター、通信機器など大部分の分野でＳＭＰＳ方式が主に使用されている。

最近にはＬＥＤ(Light Emitting Diode)照明の需要が急激に増えながらＳＭＰＳ装置を利用したＬＥＤ照明も広く開発されている。

ＬＥＤは、駆動電圧(Ｖｆ)が低くて駆動電流(Ｉｆ)を大きくしてこそ高出力の照明機器を作ることができるし、また、照明機器はフリッカー(Flicker)が少なければ良い照明になるので、出力端に容量が大きいコンデンサーを使わなければならない。

ところが、ＬＥＤは消費電力の１５％程度が光に変わって、残り８５％程度は熱に変わって周辺温度を急激に高めるようになる。

また、比較的小さな大きさの照明機器内にＬＥＤとＳＭＰＳのような電源回路を共に実装しなければならない制約があって、ＬＥＤと電源回路で発生される熱によって電源回路及びＬＥＤに不良が発生して、最近アメリカ、日本などでこれによる火事及び感電事故などでリコール(Recall)が続いている実情である。

また、前述した発熱によってＬＥＤの寿命は、略３５，０００時間であることに比べてＳＭＰＳの寿命は２０，０００時間もならない場合が多くて、アメリカエネルギー省(Department of Energy:ＤＯＥ)の２０１２年度報告書によるとアメリカ国内で販売されているＬＥＤ照明の略１/４程度が１，０００時間以内に故障するという問題点があり、このような故障は主にＳＭＰＳの電解コンデンサーで発生するものとして知られている。

前述した故障問題を解決するためにＳＭＰＳとＬＥＤがお互いに隔離されるように設計するか、または電解コンデンサーの代わりに固体コンデンサーを使用するなどの試みがあるが、このような方法の適用が難しい条件では明らかな改善がなされない問題点と値が高くて商用化に難しい点があった。

本発明は、前述した従来の問題点を解決するためのものであり、その目的はＬＥＤのような電気負荷の発熱による高温の環境でもＳＭＰＳの寿命を電気負荷（ＬＥＤ）の寿命以上に最大限ふやすことができる電気負荷駆動装置を提供することである。

前述した目的を達成するために本発明の一側面による電気負荷駆動装置は、ＳＭＰＳを含む電気負荷駆動装置において、前記ＳＭＰＳの出力経路上の電流を整流するための整流部と、該整流部から出力された電流を一定大きさで制限するための電流制限部と、及び前記電流制限部から出力された電流を平滑して負荷に電力を供給するための平滑部を含んで、前記電流制限部は前記整流部から入力された電流値が前記平滑部の最大許容リップル電流値を超えないように制限して前記平滑部の入力で提供することを特徴とすることができる。

本発明の他の側面によれば、前記整流部の出力端と前記電流制限部の入力端との間に具備されて前記電流制限部が遮断される場合前記整流部の出力がフローティングされることを防止するためのフローティング防止部をさらに含むことができる。

本発明のまた他の側面によれば、前記平滑部は電解コンデンサーを含んで、前記フローティング防止部は一端が前記整流部の出力端と前記電流制限部との間に連結されて他端が接地されたフィルムコンデンサーを含んで、前記電流制限部は前記整流部の出力端と前記平滑部の入力端との間に直列連結されることができる。

本発明のまた他の側面によれば、前記電流制限部は前記整流部の出力端にお互いに並列で連結された一つ以上の電流制限部を含んで、前記平滑部は前記一つ以上の電流制限部にそれぞれ連結された一つ以上の平滑部を含んで、前記負荷は前記一つ以上の平滑部にそれぞれ並列で連結された一つ以上の負荷を含むことができる。

本発明によれば、比較的小さな大きさの照明機器内にＬＥＤとＳＭＰＳのような電源回路を共に実装しても高温によるＬＥＤ及び電源部部品らの熱特性変化による電解コンデンサーのリップル電流爆走を防止してＳＭＰＳの寿命をＬＥＤ寿命以上である５万〜１０万時間以上にふやすことができるし、これによってＳＭＰＳに電解コンデンサーを使用する電気負荷照明機器の信頼性を向上する効果がある。

一般なブースト(Boost)方式のＳＭＰＳを示した回路図である。一般なバック(Buck)方式のＳＭＰＳを示した回路図である。本発明の一実施例による電気負荷駆動装置の回路図である。本発明の他の実施例による電気負荷駆動装置の回路図である。本発明のまた他の実施例による電気負荷駆動装置の回路図である。本発明のまた他の実施例による電気負荷駆動装置の回路図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例に対して具体的に説明する。各図面の構成要素らに参照符号を付加するにおいて、同一な構成要素らに対してはたとえ他の図面上に表示されても可能な限り同一な符号を有するようにする。また、本発明の実施例に対する説明時に関連される公知構成または機能に対する具体的な説明が本発明の要旨を濁ごすことがあると判断される場合には、その詳細な説明は省略する。

既存のＳＭＰＳの代表的なトポロジー(Topology)は、ブースト(Boost)方式のＳＭＰＳとバック(Buck)方式のＳＭＰＳがある。

図１は、一般なブースト(Boost)方式のＳＭＰＳを示した回路図であり、同図面に示されたように、電波ブリッジ整流器１０、インダクターＬ１１、スイッチＳＷ１１、ダイオードＤ１１、及びコンデンサーＣ１１を含むことができる。

スイッチＳＷ１１がオン(ＯＮ)になれば、電流が整流器１０、インダクターＬ１１、スイッチＳＷ１１、整流器１０の順序で流れてインダクターＬ１１にエネルギーが蓄積されて、スイッチＳＷ１１がオフ(ＯＦＦ)になれば、インダクターＬ１１に貯蔵されたエネルギーが放出されて整流ダイオードＤ１１、コンデンサーＣ１１、及びスイッチＳＷ１１順序で流れるが、この放出されるエネルギーは初めて入力された電流とは反対の極性を有するようになる。このように電流を流してから切ってしまえば、流した反対方向に電流が流れる現象を逆起電力であると言って、この逆起電力が発生しながら短い瞬間であるが、電圧が上がるようになるが、コイルに起こる自己誘導という現象によってこの現象がかなり長い間に維持される。

このように作られた出力電圧は出力されて負荷１に供給されるが、この時必要な成分の電流だけ抜け出すためにダイオードＤ１１で整流を経って、コンデンサーＣ１１を経って平滑された後出力される。

前述したようにスイッチＳＷ１１を周期的にオン/オフさせてパルス模様の直流電圧を作って負荷１に供給する。

図２は、一般なバック(Buck)方式のＳＭＰＳを示した回路図であり、同図面に示されたように、電波ブリッジ整流器２０、スイッチＳＷ２１、ダイオードＤ２１、インダクターＬ２１、ダイオードＤ２２、及びコンデンサーＣ２１を含むことができる。

スイッチＳＷ２１がオンされると、インダクターＬ２１で電流が流れてエネルギーが蓄積されてダイオードＤ２２を通じて整流されてコンデンサーＣ２１と負荷１を通じて電流が増加しながら流れるようになる。

スイッチＳＷ２１がオフされればダイオードＤ２１は、インダクターＬ２１に蓄積されたエネルギーであるインダクター電流がダイオードＤ２２で整流されてコンデンサーＣ２１と負荷１を通じて流れるように通路を作ってくれて、インダクター電流はスイッチＳＷ２１が再びオンになるまで減少する。

このようにスイッチＳＷ２１を周期的にオン/オフさせてパルス模様の直流電圧を作って負荷１に供給する。

図１、２で負荷１に電力を供給するためにはスイチングによってインダクターを通過した電力を保存するために電解コンデンサーＣ１１、Ｃ２１を使用するが、電解コンデンサーＣ１１、Ｃ２１は外部温度、印加電圧、リップル電流、充放電パターン、突入電流、及び非正常電圧などのような六つの条件によって寿命短縮及び故障が発生することがある。

図１及び図２に示した二つの回路の例のように、既存のＳＭＰＳは出力電圧をチェックしてそのチェック結果によってスイッチＳＷ１１、ＳＷ２１のオン/オフスイチングを調節して出力電圧を一定に調節してくれる。

ところが、ＬＥＤ負荷１の場合温度が１度上がれば、駆動電圧(Ｖｆ)が２ｍＶ〜５ｍＶ程度落ちるようになって、したがって、印加電圧がその程度上がったものになってＬＥＤ負荷１に流れる電流が増加するようになる。通常的に印加電圧が１０％程度増加すればＬＥＤ負荷１に流れる電流は５０〜１００％増加する。

ＬＥＤ電球のような場合は、内部温度が略８５度まで上がるが、これは常温２５度でより略６０度が高くなるものであり、これによって熱爆走が発生して設計以上の電流を消耗するようになって、電解コンデンサーＣ１１、Ｃ２１でのリップル電流も許容値以上に発生するために、電解コンデンサーＣ１１、Ｃ２１の故障原因になる。

よって、本発明の実施例ではＬＥＤのような電気負荷の熱爆走による電解コンデンサーのリップル電流爆走を防止するために図３乃至図５のような回路を提案する。

図３は、本発明の一実施例による電気負荷駆動装置の回路図であり、図１のブースト方式のＳＭＰＳに適用された回路図である。

図３の回路は、同図面に示されたように、図１のブースト方式のＳＭＰＳ回路で出力経路上の電流を整流するための整流部としてのダイオードＤ１１の出力端と平滑部としての電解コンデンサーＣ１１の入力端との間に電流制限部３０をさらに具備して、また整流部としてのダイオードＤ１１の出力端と電流制限部３０の入力端との間にフローティング防止及び臨時エネルギー貯蔵部(以下、フローティング防止部と略称する)４０としてのコンデンサーＣ１２をさらに具備したことを特徴とする。

コンデンサーＣ１２は、電流制限部３０が遮断される場合ダイオードＤ１１の出力がフローティングされることを防止しながらエネルギーを臨時保存するためのものであり、一端がダイオードＤ１１の出力端と電流制限部３０の入力端との間に連結されて他端が接地されているし、本実施例でコンデンサーＣ１２はフィルムコンデンサーを使用することが望ましいが、これに限定されないでリップルカレント許容値が非常に大きくて電解コンデンサーの短所を補うことができるフィルムコンデンサーまたは空間の制約が大きい場合などにはセラミックスコンデンサーなどを使用することができる。

図３の実施例で電流制限部３０は、整流部としてのダイオードＤ１１から出力された電流を一定大きさで制限して平滑部としての電解コンデンサーＣ１１の入力で提供するためのものであり、このような電流制限部３０はダイオードＤ１１から入力された電流値が電解コンデンサーＣ１１の最大許容リップル電流値を越さないように制限して電解コンデンサーＣ１１の入力で提供する。

図３の実施例で電流制限部３０は、出力電流が電解コンデンサーＣ１１の最大許容リップル電流値を越さないように動作する可変抵抗を含んで構成することができるし、負荷１は電気負荷としてＬＥＤであるものを含むことができる。

また図３の実施例で単純に電流制限部３０さえ追加すれば電流制限部３０の回路が遮断される場合整流ダイオードＤ１１の出力がフローティングされてスイッチＳＷ１１のオン/オフスイチングに必要なフィードバック機能が非正常的に動作されて故障が発生する。したがって、これを防止するために整流ダイオードＤ１１の出力端と電流制限部３０の入力端との間にフィルムコンデンサーＣ１２を挿入して非正常的な動作を防止することができる。

図４は、本発明の他の実施例による電気負荷駆動装置の回路図であり、図２のバック方式のＳＭＰＳに適用された回路図である。

図４の回路は、同図面に示されたように、図２のバック方式のＳＭＰＳ回路で出力経路上の電流を整流するための整流部としてのダイオードＤ２２の出力と平滑部としての電解コンデンサーＣ２１の入力との間に電流制限部３０をさらに具備して、また整流部としてのダイオードＤ２２の出力端と電流制限部３０の入力端との間にフローティング防止部４０としてのコンデンサーＣ２２をさらに具備したことを特徴とする。

図４の回路でコンデンサーＣ２２は、電流制限部３０が遮断される場合ダイオードＤ２２の出力がフローティングされることを防止しながらエネルギーを臨時保存するためのものであり、このようなコンデンサーＣ２２は一端がダイオードＤ２２の出力端と電流制限部３０の入力端との間に連結されて他端が接地されているし、本実施例でフローティング防止部４０としてのコンデンサーＣ２２はフィルムコンデンサーを使用することが望ましいが、これに限定されないでセラミックスコンデンサーなど他の種類のコンデンサーを使用することができる。

図４の実施例で電流制限部３０は、整流部としてのダイオードＤ２２から出力された電流を一定大きさで制限して平滑部としての電解コンデンサーＣ２１の入力で提供するためのものであり、このような電流制限部３０は整流ダイオードＤ２２から入力された電流値が電解コンデンサーＣ２１の最大許容リップル電流値を越さないように制限して電解コンデンサーＣ２１の入力で提供する。

図４の実施例で電流制限部３０は、出力電流が電解コンデンサーＣ２１の最大許容リップル電流値を越さないように動作する可変抵抗を含んで構成することができるし、負荷１は電気負荷としてＬＥＤであることを含むことができる。

また図４の実施例で単純に電流制限部３０さえ追加すれば、電流制限部３０の回路が遮断される場合整流ダイオードＤ２２の出力がフローティングされて、スイッチＳＷ２１のオン/オフスイチングに必要なフィードバック機能が非正常的に動作されて故障が発生する。したがって、これを防止するために整流ダイオードＤ２２の出力端と電流制限部３０の入力端との間にフィルムコンデンサーＣ２２を挿入して非正常的な動作を防止することができる。

図５は、本発明のまた他の実施例による電気負荷駆動装置の回路図であり、フライバック方式のＳＭＰＳに適用された回路図である。

図５の回路で電波ブリッジ整流器５０、トランスフォーマーＴ５１、スイッチＳＷ５１、整流ダイオードＤ５１、及び平滑コンデンサーＣ５１の構成は既存の一般なフライバック方式のＳＭＰＳの構成と同一であるので、詳しい説明は省略する。

図５の実施例による電気負荷駆動装置は、同図面に示されたように、前述した既存の一般なフライバック方式のＳＭＰＳ回路で出力経路上の電流を整流するための整流部としてのダイオードＤ５１の出力と平滑部としての電解コンデンサーＣ５１の入力の間に電流制限部３０をさらに具備して、また整流部としてのダイオードＤ５１の出力端と電流制限部３０の入力端との間にフローティング防止部４０としてのコンデンサーＣ５２をさらに具備したことを特徴とする。

図５の回路でコンデンサーＣ５２は、電流制限部３０が遮断される場合ダイオードＤ５１の出力がフローティングされることを防止しながらエネルギーを臨時保存するためのものであり、このようなコンデンサーＣ５２は一端がダイオードＤ５１の出力端と電流制限部３０の入力端との間に連結されて他端が接地されているし、本実施例でフローティング防止部としてのコンデンサーＣ５２はフィルムコンデンサーを使用することが望ましいが、これに限定されないでセラミックスコンデンサーなど他の種類のコンデンサーを使用することができる。

図５の実施例で電流制限部３０は、整流部としてのダイオードＤ５１から出力された電流を一定大きさで制限して平滑部としての電解コンデンサーＣ５１の入力で提供するためのものであり、このような電流制限部３０は整流ダイオードＤ５１から入力された電流値が電解コンデンサーＣ５１の最大許容リップル電流値を越さないように制限して電解コンデンサーＣ５１の入力で提供する。

図５の実施例で電流制限部３０は、出力電流が電解コンデンサーＣ５１の最大許容リップル電流値が越さないように動作する可変抵抗を含んで構成することができるし、負荷１は電気負荷としてＬＥＤであることを含むことができる。

また、図５の実施例で単純に電流制限部３０さえ追加すれば電流制限部３０の回路が遮断される場合整流ダイオードＤ５１の出力がフローティングされて、スイッチＳＷ５１のオン/オフスイチングに必要なフィードバック機能が非正常的に動作されて故障が発生する。したがって、これを防止するために整流ダイオードＤ５１の出力端と電流制限部３０の入力端との間にフィルムコンデンサーＣ５２を挿入して非正常的な動作を防止することができる。

通常的に図３〜図５に具備されたコンデンサーＣ１１、Ｃ２１、Ｃ５１のような電解コンデンサーは大きさが小さくて安値な反面に許容リップル電流値が小さくて高温での寿命が短い。例えば、三和コンデンサーで製造される電解コンデンサーの場合は４５０Ｖ、２２ｕＦ、攝氏１０５度、１００００Ｈｒの場合許容リップル電流が２８０ｍＡ程度である。

対照的に図３〜図５に具備されたコンデンサーＣ１２、Ｃ２２、Ｃ５２のようなフィルムコンデンサーは、許容リップル電流が非常に大きくて高温特性も良好で正格での寿命も略１０万時間乃至３５万時間で非常に長くて、また外部電圧スパークで損傷になる場合にもきずを埋めるセルフ-ヒーリング(Self-Healing)機能がある。例えば、Ｖｉｓｈａｙ社で製造されるＶ-７３５Ｐ電解コンデンサーの場合は、１〜３０ｕＦ、攝氏１０５度の場合許容リップル電流が３０ａ程度である。

しかし、フィルムコンデンサーは、その嵩が電解コンデンサーと比べて非常に大きくて値段が高くてＬＥＤ電球及び照明のように大きさが小さいか、または価格条件に制限がある場合に使用されることができなかったが、本発明の実施例では図３〜図５の回路のように出力側平滑のためには電解コンデンサーＣ１１、Ｃ２１、Ｃ５１を基本に使って、電流制限部３０の遮断時整流ダイオードＤ１１、Ｄ２２、Ｄ５１のフローティングを防止するためには既存の１/１０乃至１/２０程度に嵩を減らした小型のフィルムコンデンサーを使用することで照明機器の小さな大きさ条件を満足しながらＬＥＤ駆動のための電源回路の寿命が略５万時間乃至１０万時間以上維持されるようにした。

図６は、本発明のまた他の実施例による電気負荷駆動装置の回路図であり、図３〜図５で複数の負荷ＬＥＤをストリング(String)で設置する場合の例を示したものであり、同図面に示されたように、図３〜図５の電流制限部３０が整流部としての整流ダイオードＤ１１、Ｄ２２、Ｄ５１の出力端にお互いに並列で連結された一つ以上の電流制限部３０ａ〜３０nを含んで構成されて、図３〜図５の平滑部としての電解コンデンサーＣ１１、Ｃ２１、Ｃ５１は一つ以上の電流制限部３０ａ〜３０nにそれぞれ連結された一つ以上の平滑部Ｃ１１ａ〜Ｃ１１n、Ｃ２１ａ〜Ｃ２１n、Ｃ５１ａ〜Ｃ５１nを含んで構成されて、図３〜図５の負荷１は一つ以上の平滑部Ｃ１１ａ〜Ｃ１１n、Ｃ２１ａ〜Ｃ２１n、Ｃ５１ａ〜Ｃ５１nにそれぞれ並列で連結された一つ以上の負荷１ａ〜１nを含んで構成されることができる。

以上で説明したように本発明によれば、比較的小さな大きさの照明機器内に電気負荷としてのＬＥＤとＳＭＰＳのような電源回路を共に実装しても高温によるＬＥＤ及び電源部部品らの熱特性変化による電解コンデンサーのリップル電流爆走を防止してＳＭＰＳの寿命をＬＥＤ寿命以上である５万〜１０万時間以上にふやすことができるし、これによってＳＭＰＳに電解コンデンサーを使用するＬＥＤのような電気負荷の照明機器の信頼性を向上する効果がある。

Claims

ＳＭＰＳを含む電気負荷駆動装置において、
前記ＳＭＰＳの出力経路上の電流を整流するための整流部と、
前記整流部から出力された電流を一定大きさ以下で制限するためのものであり、可変抵抗を含むものから構成される電流制限部と、
前記電流制限部から出力された電流を平滑して負荷に電力を供給するための平滑部と、及び
前記整流部の出力端と前記電流制限部の入力端との間に具備されて前記電流制限部が遮断される場合前記整流部の出力がフローティングされることを防止するためのフローティング防止部を含んで、
前記平滑部は電解コンデンサーを含んで、前記フローティング防止部はフィルムコンデンサーを含んで、
前記電流制限部は前記整流部の出力端と前記平滑部の入力端との間に直列連結されて、前記フィルムコンデンサーは一端が前記整流部の出力端と前記電流制限部の入力端との間の共通連結端に連結されて他端が接地されて前記電解コンデンサーと並列連結されて、
前記電流制限部は前記整流部から入力された電流値が前記電解コンデンサーの最大許容リップル電流値を越さないように制限して前記平滑部の前記電解コンデンサーの入力に提供することを特徴とする電気負荷駆動装置。
前記電流制限部は、前記整流部の出力端にお互いに並列で連結された一つ以上の電流制限部を含んで、前記平滑部は前記した一つ以上の電流制限部にそれぞれ連結された一つ以上の平滑部を含んで、前記負荷は前記一つ以上の平滑部にそれぞれ連結された一つ以上の負荷を含むことを特徴とする請求項１に記載の電気負荷駆動装置。
前記負荷はＬＥＤであることを特徴とする請求項１に記載の電気負荷駆動装置。