JP7314063B2 - 電力変換器を供給するための装置及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、電力変換器に関する。本発明は、更に、前記電力変換器と、第１負荷と、第２負荷とを有するシステムに関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、一種の固体光源として使用される。白熱灯又は蛍光灯などの従来の照明と比較して、その利点は、コンパクトさ、高い効率、良好な色、様々な色及び可変色などである。ＬＥＤは、屋内照明、装飾照明、屋外照明において広く使用される。

ＬＥＤの効率は向上し続けており、このことは、動作モード中の照明デバイスの効率が向上させている。しかしながら、今日では、ＬＥＤを含む照明デバイスの待機電力に更なる要求が課されている。待機中はＬＥＤはオフにされることから、照明デバイスのエネルギ消費は、主に、待機時に存在する負荷及び電力変換器に依存する。このような待機負荷は、例えば、照明デバイスが待機モードから復帰することが可能であることを確認するための、無線通信構成要素、マイクロコントローラ又は他の構成要素であり得る。待機負荷の効率を改善するために、既に多くの努力がなされている。

US 2010/0054007は、待機モードにおける電力が低い電源装置を開示している。前記装置は、入力電圧を増倍するよう構成される電圧増倍器であって、増倍された電圧が出力される第１端子、及び第１端子の電圧よりも低い電圧が出力される第２端子を含む電圧増倍器と、電圧増倍器の第１端子の電圧を受け取るよう構成される主スイッチモード電源（ＳＭＰＳ）と、電圧増倍器の第２端子の電圧を受け取るよう構成される待機ＳＭＰＳとを含む。

本発明の目的は、待機モード中の電力消費が低減しており、従って、前記待機モード中の効率が向上している変換器及び対応する照明デバイスを提供することである。

本発明の第１態様によれば、
－ ＡＣ入力信号を整流するための整流器回路と、
－ 第１コンデンサを充電するために前記第１コンデンサと直列に結合される第１単方向デバイスであって、前記第１単方向デバイス及び前記第１コンデンサが、前記整流器回路の出力と並列に配設される第１単方向デバイスと、
－ 第２コンデンサを充電するために前記第２コンデンサと直列に結合される第２単方向デバイスであって、前記第２単方向デバイス及び前記第２コンデンサが、前記整流器回路の出力と並列に配設される第２単方向デバイスと、
－ 第１電力変換器に第１電力及び第１平均電圧を供給するための第１出力であって、前記第１コンデンサと前記第１単方向デバイスとの間の第１ノードに結合される第１出力と、
－ 第２電力変換器に第２電力及び第２平均電圧を供給するための第２出力であって、前記第２コンデンサと前記第２単方向デバイスとの間の第２ノードに結合される第２出力とを有するＡＣ入力電力変換器であって、
前記第１コンデンサが第１値を有し、前記第２コンデンサが第２値を有し、
前記第１コンデンサの前記第１値、及び前記第２コンデンサの前記第２値が、
前記第１電力が前記第２電力よりも小さいときには、前記第１平均電圧が前記第２平均電圧よりも大きく、
前記第１電力が前記第２電力よりも大きいときには、前記第１平均電圧が前記第２平均電圧よりも小さいように、選択されるＡＣ入力電力変換器が提供される。

換言すれば、前記ＡＣ入力電力変換器は、２つのモードで動作するよう構成され、前記第２コンデンサの前記第２値は、
－ 第１モードにおいては、前記第１出力への第１電力が、前記第２出力における第２電力より小さく、前記第１出力における電圧の（二乗平均平方根などの）平均が、前記第２出力における電圧の（二乗平均平方根などの）平均よりも大きく、
－ 第２モードにおいては、前記第１出力への第１電力が、前記第２出力への第２電力より大きく、前記第１出力における電圧の（二乗平均平方根などの）平均が、前記第２出力における電圧の（二乗平均平方根などの）平均よりも小さいように、選択される。

前記第１出力の電圧と前記第２出力の電圧とを分離することによって、前記第２出力における電圧は、前記第２出力における電圧が前記第１入力における電圧に追従する場合に比べて、より低い平均値を持ち得る。前記第１モードにおいては、前記第２出力におけるより低い平均電圧が、前記第２出力においてより効率的な電力変換を実施することを可能にする。

或る実施形態においては、前記第１出力に電力が供給されないときには、前記ＡＣ入力変換器は待機モードにあり、前記第１出力に動作電力が供給されるときには、前記ＡＣ入力変換器は通常動作モードにある。

換言すれば、前記第１モードは、前記第１出力に電力が供給されない待機モードにあり、前記第２モードは、前記第１出力に動作電力が供給される通常動作モードである。

待機モードにおける前記電力変換器の電力消費の大部分は、前記第２出力によって引き出される。待機電力消費効率を改善するためには、前記第２出力における平均電圧が下げられる必要がある。これは、前記第２コンデンサのコンデンサ値を変更することによって達成され得る。

或る実施形態においては、前記第２コンデンサは、前記第１コンデンサよりも値が小さい。

通常、好ましくは前記電力変換器の力率が高いことから、前記第１コンデンサは値が既に小さい。前記第２コンデンサは値が更に小さいので、前記第１モードにおいては、このコンデンサにわたる電圧はより大きな振れ（swing）を持ち、前記第２コンデンサにわたる平均電圧の低下をもたらす可能性が高い。

別の実施形態においては、前記電力変換器における前記単方向デバイスは、ダイオードを含む、又はダイオードである。

これは、単方向デバイスの容易な実施をもたらす。単方向デバイスの他の例は、単方向デバイスの役割を果たすよう構成されるＭＯＳＦＥＴ及びサイリスタである。

他の実施形態においては、前記電力変換器は、前記第１電力変換器を制御するよう構成されるコントローラを更に有し、前記コントローラは、前記第２電力を受け取るために前記第２電力変換器に結合される。

このコントローラは、前記ＡＣ入力電力変換器がオフにされているときに、常に、幾らかの電力を消費する。例えば、前記コントローラが無線信号を受信するよう構成される場合、前記コントローラは、前記ＡＣ入力電力変換器が待機モードにあるときでも、前記信号を受信することができる必要がある。補助電力とも呼ばれる第２出力電力は、前記ＡＣ入力電力変換器が、通常動作モードにあるとき、及び待機モードにあるときに、供給される。前記通常動作モードにおいては、この出力電力は、前記第１出力において必要とされる電力に比べて相対的に低い。

他の実施形態においては、
－ 請求項１乃至５のいずれか一項に記載のＡＣ電力変換器と、
－ 前記第１出力に結合される第１電力変換器と、
－ 前記第２出力に結合される第２電力変換器とを有するシステムが提供される。

このシステムは、前記第２電力変換器に供給される平均電圧レベルが低減されることから、前記第２電力変換器のための改善された待機電力を有する。前記第１出力における電圧と、前記第２出力における電圧とが、分離されていることから、前記第１出力における平均電圧と、前記第２出力における平均電圧とが、異なり得る。従来技術の電力変換器においては、前記第１出力における電圧と、前記第２出力における電圧とが、結合されている。それ故、前記第２出力における電圧は、前記第１出力の電圧に追従する。それ故、待機モードにおいては、前記電力変換器が相対的に小さい電力を消費することから、前記第２出力における平均電圧は、前記入力電圧のピーク入力電圧レベルに近くなる。

第１出力電圧と第２出力電圧とが分離される場合、前記第２出力におけるコンデンサは、前記第２出力における電圧がリップルを含み、より低い平均電圧をもたらすように、選ばれ得る。待機中、前記第１出力はほとんど電力を引き出さないことから、電力消費の大部分は前記第２出力におけるものである。次いで、前記第２出力においてより低い平均電圧を有することは、前記第２出力におけるより効率的な電力変換をもたらす。

他の実施形態においては、前記システムは、前記第１負荷が、ＬＥＤ負荷を駆動するための他の電力変換器を含み、前記第２負荷が、最初に言及した電力変換器の制御回路を駆動するための補助電力変換器を含むように構成される。

ここで、添付図面を参照して、本発明の例を詳細に説明する。
本発明による変換器の例を示す。 第１モード中の第１出力及び第２出力における電圧の波形を示す。 第２モード中の第１出力及び第２出力における電圧の波形を示す。

ＡＣ入力電力変換器は、それらの定格動作負荷において最適化された電力効率を持つよう設計されている。電力が主負荷に流れることを防止することにより、主負荷が存在しないとき、例えば、ユーザが、負荷がアクティブであることを必要としないとき、幾つかの待機負荷は依然としてアクティブであり得る。例えば照明アプリケーションにおいては、ホスト又は任意の他の通信デバイスとの無線通信が依然として存在し得る。待機負荷の別の例は、主負荷に電力を供給するために信号を待つマイクロコントローラであり得る。待機負荷の電力消費は、主負荷の電力消費よりも著しく小さい。例として、電力消費は、ミリワットのオーダである場合があり、主負荷の電力消費は、ワットの範囲内である場合がある。それ故、待機動作中、電力変換器は、その最適領域において動作しておらず、それ故、電力変換器の電力消費は、相対的に高くなり得る。

図１は、本発明によって提案されているようなＡＣ入力電力変換器の例を示している。整流器Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５及びＤ６は、入力端子Ｌ及びＮを介してＡＣ電圧源に接続される。整流器の出力は、第１単方向デバイスＤ１及び第２単方向デバイスＤ２に結合される。第１単方向デバイスＤ１は、第１コンデンサＣ１に結合され、第２単方向デバイスＤ２は、第２コンデンサＣ２に結合される。第１出力Ｏｕｔ１は、第１単方向デバイスＤ１と第１コンデンサＣ１との間のノードにおいて結合される。第２出力Ｏｕｔ２は、第２単方向デバイスＤ２と第２コンデンサＣ２との間のノードにおいて結合される。第１負荷１は、第１出力１に結合されてもよく、第２負荷２は、第２出力２に結合されてもよい。

図１によれば、待機モード中のＡＣ入力電力変換器の電力消費に関する改善は、第１負荷１における第１電力変換器とも呼ばれる主電源の隣に、第２負荷２における第２電力変換器とも呼ばれる補助電源を導入することによって、なされる。この補助電源は、第２出力において待機負荷に電力を供給するために最適化される。それ故、ＡＣ入力電力変換器が待機モードになるときには、補助電源が待機負荷に電力を供給し、それ故、補助電源の待機中の全体的な効率は向上する。

コンデンサＣ２の静電容量値をうまく選択することによって、補助電源の効率の更なる向上がなされ得る。通常、コンデンサＣ２の値は、コンデンサＣ２にわたる電圧変動が最小化されるように選ばれる。コンデンサＣ２にわたる電圧がより大きな変動を有するようなコンデンサＣ２のより小さな値が選ばれる場合、平均電圧はより低くなる。補助電源の電圧変換の効率は、平均入力電圧対平均出力電圧の比に依存する。平均入力電圧が低くされているので、補助電源の効率は高められる。

ＡＣ入力電力変換器は、更に、第１出力を介して第１負荷１に第１電力を供給する。第１負荷１は、入力コンデンサＣ１に結合される他の電力変換器を有してもよい。コンデンサＣ１及び他の電力変換器には、整流ブリッジＤ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６、及びダイオードＤ１を介して第１電力が供給される。待機中は、ＬＥＤ負荷が電力を全く必要としないことから、コンデンサＣ１は他の電力変換器によって放電されない。ダイオードＤ１は、コンデンサＣ２へのコンデンサＣ１の放電が防止されるように配設される。

通常動作モード中にコンデンサＣ２からＣ１に電力が流れるのを防止するために、ダイオードＤ２が導入され得る。この状況においては、補助電源２及びコンデンサＣ２は、主電源によって整流ブリッジＤ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６及びダイオードＤ２を介して供給される。

ＡＣ入力電力変換器は、第１電力変換器を制御するよう構成されるコントローラを更に含み得る。その場合、コントローラは、電力の供給が第２出力を介してコントローラに提供され得るように、第２出力に結合される。その場合、コントローラは、ＡＣ入力電力変換器が動作モードにあるとき及び待機モードにあるときの両方で、電力を供給される。コントローラは、照明設定コマンドを受信するよう構成され得る。これらの信号は、有線又は無線通信回線を介して供給され得る。

ＡＣ入力電力変換器は、発光デバイスにおいて使用され得る。この発光デバイスは、無線信号を介して制御され得る。発光デバイスは、ＡＣ入力電力変換器と、第１電力変換器と、第２電力変換器とを含み得る。第１電力変換器は、ＡＣ入力電力変換器の第１出力に結合される。第１電力変換器は、ＬＥＤ負荷を駆動するよう構成され得る。ＡＣ入力電力変換器の動作モード中、電力は第１電力変換器に供給される。ＡＣ入力電力変換器の待機モード中、第１電力変換器に電力は供給されず、ＬＥＤ負荷の非発光をもたらす。第２電力変換器は、補助負荷を駆動するよう構成され得る。補助負荷は、例えば、コントローラであり得る。ＡＣ入力電力変換器の通常動作モード中と待機モード中との両方で、第２電力変換器に電力が供給される。

図２においては、ＡＣ入力電力変換器が第１モードにあるときの第１出力電圧及び第２出力電圧の波形の例が示されている。第１モードは、第１出力において電力が引き出されない待機モードであり得る。第１出力における平均電圧Ｖｏｕｔ１は、第２出力における平均電圧Ｖｏｕｔ２よりも大きい平均値を有することが観察され得る。第２出力における電力消費は、第２モードにおける電力消費と同じであり得る。

図３においては、ＡＣ入力電力変換器が第２モードにあるときの出力電圧の波形の例が示されている。第２モードは、第１出力において大きな電力が引き出される通常動作モードであり得る。第１出力における平均電圧Ｖｏｕｔ１は、第２出力における平均電圧Ｖｏｕｔ２よりも小さいことが観察され得る。

コンデンサＣ２の実際の値は、ＡＣ入力変換器の実際の実施に依存し、２つの異なる動作モードにおいて第１出力及び第２出力において引き出される電力によって影響を及ぼされる。

図１においては、全波整流器Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６が示されている。しかしながら、あらゆるタイプの電圧整流が実施され得る。別の例は、主電源サイクルの半分のみが整流され、残りの半分がブロックされる半波整流器であり得る。

上記のようなダイオードは、全て、単方向デバイスとして動作するよう構成又は制御されるＭＯＳＦＥＴ及びサイリスタのような他のタイプの単方向デバイスに置き換えられ得る単方向デバイスであることに留意されたい。

Claims (6)

1. 通常動作モードと、待機モードとを有するＡＣ入力電力変換器であり、
   ＡＣ入力信号を整流するための整流器回路と、
   第１コンデンサを充電するために前記第１コンデンサと直列に結合される第１単方向デバイスであって、前記第１単方向デバイス及び前記第１コンデンサが、前記整流器回路の出力と並列に配設される第１単方向デバイスと、
   第２コンデンサを充電するために前記第２コンデンサと直列に結合される第２単方向デバイスであって、前記第２単方向デバイス及び前記第２コンデンサが、前記整流器回路の出力と並列に配設される第２単方向デバイスと、
   第１電力変換器に第１電力及び第１平均電圧を供給するための第１出力であって、前記第１コンデンサと前記第１単方向デバイスとの間の第１ノードに結合される第１出力と、
   第２電力変換器に第２電力及び第２平均電圧を供給するための第２出力であって、前記第２コンデンサと前記第２単方向デバイスとの間の第２ノードに結合される第２出力とを有するＡＣ入力電力変換器であって、
   前記第１コンデンサが第１値を有し、前記第２コンデンサが第２値を有し、
   前記第１コンデンサの前記第１値、及び前記第２コンデンサの前記第２値が、
   前記第１電力が前記第２電力よりも小さいときには、前記第１平均電圧が前記第２平均電圧よりも大きく、
   前記第１電力が前記第２電力よりも大きいときには、前記第１平均電圧が前記第２平均電圧よりも小さいように、選択され、
   前記通常動作モードにおいて、前記第１電力変換器に前記第１電力及び前記第１平均電圧が供給され、前記待機モードにおいて、前記第２電力変換器に前記第２電力及び前記第２平均電圧が供給されるＡＣ入力電力変換器。
2. 前記第１出力に電力が供給されないときには、前記ＡＣ入力電力変換器が待機モードにあり、前記第１出力に動作電力が供給されるときには、前記ＡＣ入力電力変換器が通常動作モードにある請求項１に記載のＡＣ入力電力変換器。
3. 前記第２値が、前記第１値よりも小さい請求項１乃至２のいずれか一項に記載のＡＣ入力電力変換器。
4. 前記第１単方向デバイス及び前記第２単方向デバイスの両方がダイオードを含む請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＡＣ入力電力変換器。
5. 前記ＡＣ入力電力変換器が、前記第１電力変換器を制御するよう構成されるコントローラを更に有し、前記コントローラが、前記第２電力を受け取るために前記第２電力変換器に結合される請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＡＣ入力電力変換器。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載のＡＣ入力電力変換器と、
   前記第１出力に結合される第１電力変換器と、
   前記第２出力に結合される第２電力変換器とを有するシステム。

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