JP7498060B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流入力電力を所望の直流出力電力に変換してＬＥＤ負荷に供給するスイッチング電源装置に関する。

入力電流と入力電圧の位相差をゼロとするように制御を行い、高力率を達成することが可能なＡＣ－ＤＣコンバータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、入力電流が入力電圧に対して進み位相となることに起因する力率の悪化を抑制するために、入力電圧の位相を検出し、位相に基づいて生成した補正信号により補正したオン時間を用いて、スイッチング素子をオンオフ制御する。

国際公開第２０１８／０８７９６０号

しかしながら、従来技術では、位相の検出及び補正信号の生成のための手段が非常に複雑である。従って、装置の構成が複雑になる、或いは演算性能の高い高価なマイコンが必要となってしまうという問題点があった。

本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、その課題を解決し、力率改善の制御を簡易な構成で実現することができるスイッチング電源装置を提供することにある。

本発明のスイッチング電源装置は、駆動信号によってオンオフ制御されるスイッチング素子と、前記スイッチング素子によるノイズ成分の流出を抑制するコンデンサ成分を含んで構成された入力フィルタと、を有し、交流入力電圧を直流出力電圧に変換してＬＥＤ負荷に供給するスイッチング電源装置であって、前記ＬＥＤ負荷に直列に接続された定電流制御回路と、前記ＬＥＤ負荷と前記定電流制御回路との接続点におけるフィードバック電圧に基づき前記駆動信号のオン時間を前記交流入力電圧の半周期毎に生成する駆動部と、前記交流入力電圧のボトムを検出し、ボトムを検出したタイミングでトリガ信号を出力するボトム検出部と、前記ボトム検出部から前記トリガ信号が入力されると、次の前記トリガ信号が入力されるまでの期間にかけて上昇する第１補正信号を生成する第１補正信号生成部と、を具備し、前記駆動部は、前記駆動信号の１周期毎に、生成した前記オン時間を前記第１補正信号の瞬時値に基づいて補正することで、前記駆動信号の前記オン時間を、前記交流入力電圧のボトム付近では短く、ボトムから前記交流入力電圧の半周期後にかけて長くなるように補正することを特徴とする。

本発明によれば、交流入力電力のボトムをトリガとして、交流入力電力の半周期後にかけて電圧上昇する第１補正信号の瞬時値を用いて駆動信号のオン時間を補正しているため、交流入力電力の位相をリアルタイムで検出する必要がなく、力率改善の制御を簡易な構成で実現することができるという効果を奏する。

本発明に係るスイッチング電源装置の実施の形態の構成を示す回路図である。 図１に示すスイッチング電源装置における各部の波形図である。 図１に示す第１補正信号生成部による第１補正信号の生成例を示す図である。

以下、図を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態において、同様の機能を示す構成には、同一の符号を付して適宜説明を省略する。

本実施の形態のスイッチング電源装置１は、直列接続されたｎ個のＬＥＤ素子（ＬＥＤ２１～ＬＥＤ２ｎ）からなるＬＥＤ負荷２を駆動する昇降圧型のコンバータであり、図１を参照すると、入力フィルタＬ／Ｆと、整流回路ＤＢと、入力コンデンサＣ１と、スイッチング素子Ｑ１と、リアクトルＬ１と、出力コンデンサＣ２と、回生ダイオードＤ１と、定電流制御回路３と、制御回路４とを備えている。

入力フィルタＬ／Ｆは、交流入力電源ＡＣへのスイッチング素子Ｑ１によるスイッチングで発生する伝導ノイズを抑制するためのものであり、コイル成分と、整流回路ＤＢの両出力端子間に接続された入力コンデンサＣ１を含むコンデンサ成分とで構成されている。

整流回路ＤＢは、周知のダイオードブリッジ回路であり、交流入力電源ＡＣに接続され、交流入力電力を一方向の脈流に整流する。

スイッチング素子Ｑ１は、制御回路４で生成された駆動信号（ＰＷＭ信号）により駆動されるＦＥＴ（Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の素子で構成される。本実施の形態では、スイッチング素子Ｑ１をＦＥＴとして説明する。

整流回路ＤＢの正極出力端子と負極出力端子との間には、スイッチング素子Ｑ１とリアクトルＬ１とからなる直列回路が、入力フィルタＬ／Ｆの一部を構成する入力コンデンサＣ１と並列に接続されている。スイッチング素子Ｑ１は、ドレイン端子が整流回路ＤＢの正極出力端子に接続されていると共に、ソース端子がとリアクトルＬ１の一端に接続され、リアクトルＬ１の他端が整流回路ＤＢの負極出力端子に接続されている。これにより、スイッチング素子Ｑ１がオンのときに、リアクトルＬ１が充電される。

リアクトルＬ１には、出力コンデンサＣ２と回生ダイオードＤ１とからなる直列回路が並列に接続されている。出力コンデンサＣ２は、正電極がリアクトルＬ１の他端と整流回路ＤＢの負極出力端子との接続点が接続されていると共に、負電極が回生ダイオードＤ１のアノードに接続され、回生ダイオードＤ１のカソードがリアクトルＬ１の一端と整流回路ＤＢの正極出力端子との接続点に接続されている。これにより、スイッチング素子Ｑ１がオフのときに、リアクトルＬ１に蓄えられた電力が出力コンデンサＣ２に供給される。

出力コンデンサＣ２の両端間には、ＬＥＤ負荷２と定電流制御回路３とからなる直列回路が並列に接続されている。出力コンデンサＣ２の正電極がＬＥＤ負荷２を構成するＬＥＤ２１のアノードに接続され、ＬＥＤ負荷２を構成するＬＥＤ２ｎのカソードが定電流制御回路３を介して出力コンデンサＣ２の負電極に接続されている。これにより、出力コンデンサＣ２に蓄えられた電力がＬＥＤ負荷２に供給される。

定電流制御回路３は、インピーダンスを可変制御するフィードバック型定電流制御回路として機能し、ＭＯＳＦＥＴ等の可変インピーダンス素子Ｑ２と、検出抵抗Ｒｓと、を備えている。可変インピーダンス素子Ｑ２のドレイン端子は、ＬＥＤ負荷２を構成するＬＥＤ２ｎのカソード端子に接続され、ソース端子は検出抵抗Ｒｓを介して接地されている。検出抵抗Ｒｓは、ＬＥＤ負荷２に流れるＬＥＤ電流Ｉ_ＬＥＤを電圧信号に変換する。そして、可変インピーダンス素子Ｑ２は、ＬＥＤ電流Ｉ_ＬＥＤを電圧信号と基準電圧との誤差信号によってＬＥＤ電流Ｉ_ＬＥＤが基準値（基準電圧）になるように、ドレイン・ソース間の抵抗値を連続的に変化させる。ここで、可変インピーダンス素子Ｑ２が活性領域の動作となるようにフィードバック制御されている。

入力フィルタＬ／Ｆのコンデンサ成分によって、整流回路ＤＢの正極出力端子とスイッチング素子Ｑ１のドレイン端子との接続点における入力電流Ｉ_ＡＣと入力電圧Ｖ_ＡＣとは、図２に示すように、入力電流Ｉ_ＡＣは入力電圧Ｖ_ＡＣに対して進み位相となる。そこで、制御回路４は、スイッチング素子Ｑ１を駆動するＰＷＭ信号のオン時間を、入力電圧Ｖ_ＡＣのボトム付近では短く（オン幅が狭く）、ボトムから半周期後にかけて長く（オン幅が広く）なるように補正することで、入力電流Ｉ_ＡＣと入力電圧Ｖ_ＡＣとの位相差を解消させ、高力率を達成する。

制御回路４は、ボトム検出部４１と、第１補正信号生成部４２と、第２補正信号生成部４３と、駆動部Ｂ／Ｂ（Ｔｏｎ）４４とを備えている。なお、制御回路４は、全部がデジタル制御回路（ソフトウェアによって動作する回路も含む）でも良く、またその構成要素の一部がデジタル制御回路であっても良く、さらに、全部がアナログ制御回路であっても良い。

ボトム検出部４１は、入力電圧Ｖ_ＡＣのボトムを検出し、ボトムを検出したタイミングでトリガ信号（trigger）を第１補正信号生成部４２に出力する。本実施の形態では、ボトム検出部４１は、入力電圧Ｖ_ＡＣと０Ｖ付近に設定された基準電圧Ｖ_ｒｅｆとを比較し、入力電圧Ｖ_ＡＣが基準電圧Ｖ_ｒｅｆ以上でＨｉレベルを出力し、入力電圧Ｖ_ＡＣが基準電圧Ｖ_ｒｅｆ未満でＬｏｗレベルを出力する比較器で構成されている。この場合、比較器の出力がＬｏｗレベルからＨｉレベルに立ち上がるタイミングかトリガ信号となる。なお、入力電圧Ｖ_ＡＣのボトムは、交流入力電圧から検出することもできる。

第１補正信号生成部４２は、ボトム検出部４１からトリガ信号が入力されると、図３（ａ）に示すように、交流入力電力の半周期の期間、すなわち次のトリガ信号が入力されるまでの期間にかけて電圧上昇する第１補正信号Ｖ_ｓａｗを生成し、生成した第１補正信号Ｖ_ｓａｗを駆動部４４に出力する。なお、第１補正信号Ｖ_ｓａｗは、入力電圧Ｖ_ＡＣのボトムから半周期後にかけて電圧レベルが上がるものであれば良く、図３（ａ）に示す鋸波や三角波に限らず、図３（ｂ）に示すように、入力電圧Ｖ_ＡＣの半周期よりも周期の長い正弦波や、図３（ｃ）に示すように、上限電圧が設定された台形波を用いることができる。

第２補正信号生成部４３は、ＬＥＤ負荷２と定電流制御回路３との接続点のフィードバック電圧Ｖ_ＦＢから電圧リプル成分を抽出して、抽出した電圧リプル成分を第２補正信号Ｖ_ｄとして駆動部４４に出力する。すなわち、出力コンデンサＣ２における出力電圧Ｖ_ＯＵＴには、図２に示すように、電圧リプルが含まれている。そのため、フィードバック電圧Ｖ_ＦＢにも定電流制御回路３によって同様の電圧リプルが現れ、第２補正信号生成部４３は、この電圧リプルを抽出し、図２に示すような第２補正信号Ｖ_ｄを生成して駆動部４４に出力する。なお、出力電圧Ｖ_ＯＵＴから電圧リプルを抽出することもできるが、出力電圧Ｖ_ＯＵＴよりも低電圧のフィードバック電圧Ｖ_ＦＢの方が電圧リプルを容易に抽出することができる。

駆動部４４は、フィードバック電圧Ｖ_ＦＢ（例えば、フィードバック電圧Ｖ_ＦＢの平均又は最小値）が一定となるように、スイッチング素子Ｑ１のオン時間Ｔｏｎを生成する。すなわち、駆動部４４は、入力電圧Ｖ_ＡＣの半周期におけるフィードバック電圧Ｖ_ＦＢの平均又は最小値が予め設定された目標電圧になるオン時間Ｔｏｎを生成し、生成したオン時間Ｔｏｎは、入力電圧Ｖ_ＡＣの半周期に渡って一定となる。なお、駆動部４４は、出力電圧Ｖ_ＯＵＴが一定となるように、スイッチング素子Ｑ１のオン時間Ｔｏｎを生成しても良い。

また、駆動部４４は、ＰＷＭ信号の一周期毎に、第１補正信号Ｖ_ｓａｗと第２補正信号Ｖ_ｄとを用いた以下に示す数式１によってオン時間Ｔｏｎを補正した補正オン時間Ｔｏｎ’を生成し、生成した補正オン時間Ｔｏｎ’に基づきスイッチング素子Ｑ１を駆動する。

Ｔｏｎ’=Ｔｏｎ＋Ａ×Ｖ_ｄ＋Ｂ×Ｖ_ｓａｗ－offset（数式１）

なお、数式１において、Ｖ_ｓａｗ及びＶ_ｄは、第１補正信号Ｖ_ｓａｗ及び第２補正信号Ｖ_ｄのそれぞれの瞬時値であり、係数Ｂは、Ｂ＞０に設定されている。従って、補正オン時間Ｔｏｎ’は、入力電圧Ｖ_ＡＣのボトム付近では短く、ボトムから半周期後にかけて長くなるように補正されることになる。そして、第１補正信号Ｖ_ｓａｗと第２補正信号Ｖ_ｄとは、ともに遅れ位相の信号であり、係数Ａ、Ｂと、offsetとを適宜調整することにより、入力電流Ｉ_ＡＣと入力電圧Ｖ_ＡＣとの位相差を小さくすることができ、簡易な構成により力率を改善することができる。なお、係数Ａ、Ｂは、Ａ≧０、Ｂ＞０の関係であれば良く、つまり、第１補正信号Ｖ_ｓａｗのみを用いて補正オン時間Ｔｏｎ’を生成しても良い。

また、数式１の係数Ａ、Ｂと、offsetとは、負荷の大小に応じて変更するようにしても良い。この場合、負荷が小さいほど、係数Ａ、Ｂとoffsetとを大きい値に変更する。これにより、負荷の大小に応じて、入力電流Ｉ_ＡＣと入力電圧Ｖ_ＡＣとの位相差を小さくすることができ、簡易な構成により力率を改善することができる。

さらに、数式１の係数Ａ、Ｂと、offsetとは、入力電圧Ｖ_ＡＣの大小に応じて変更するようにしても良い。この場合、入力電圧Ｖ_ＡＣが大きいほど、係数Ａ、Ｂとoffsetとを大きい値に変更する。これにより、入力電圧Ｖ_ＡＣの大小に応じて、入力電流Ｉ_ＡＣと入力電圧Ｖ_ＡＣとの位相差を小さくすることができ、簡易な構成により力率を改善することができる。

以上説明したように、本実施の形態は、駆動信号であるＰＷＭ信号によってオンオフ制御されるスイッチング素子Ｑ１と、スイッチング素子Ｑ１によるノイズ成分の流出を抑制するコンデンサ成分を含んで構成された入力フィルタＬ／Ｆとを有し、交流入力電力を直流出力電力に変換してＬＥＤ負荷２に供給するスイッチング電源装置１であって、ＬＥＤ負荷２に直列に接続された定電流制御回路３と、ＬＥＤ負荷２と定電流制御回路３との接続点におけるフィードバック電圧Ｖ_ＦＢに基づきＰＷＭ信号のオン時間Ｔｏｎを入力電圧Ｖ_ＡＣの半周期毎に生成する駆動部４４と、交流入力電力のボトムをトリガとして、交流入力電力の半周期後にかけて電圧上昇する第１補正信号Ｖ_ＳＡＷを生成する第１補正信号生成部４２と、を具備し、駆動部４４は、ＰＷＭ信号の１周期毎に、生成したオン時間Ｔｏｎを第１補正信号Ｖ_ＳＡＷの瞬時値に基づいて補正オン時間Ｔｏｎ’に補正することで、ＰＷＭ信号の補正オン時間Ｔｏｎ’を、交流入力電力のボトム付近では短く、ボトムから交流入力電力の半周期後にかけて長くなるように補正する。
この構成により、交流入力電力のボトムをトリガとして、交流入力電力の半周期後にかけて電圧上昇する第１補正信号Ｖ_ｓａｗの瞬時値を用いてＰＷＭ信号のオン時間Ｔｏｎを補正オン時間Ｔｏｎ’に補正しているため、交流入力電力の位相をリアルタイムで検出する必要がなく、入力電流Ｉ_ＡＣと入力電圧Ｖ_ＡＣとの位相差を小さくすることができ、力率改善の制御を簡易な構成で実現することができる。

さらに、本実施形態において、フィードバック電圧Ｖ_ＦＢに含まれる電圧リプルを抽出した第２補正信号Ｖ_ｄを生成する第２補正信号生成部４３を具備し、駆動部４４は、ＰＷＭ信号の１周期毎に、生成したオン時間Ｔｏｎを第２補正信号Ｖ_ｄの瞬時値に基づいて補正する。
この構成により、第１補正信号Ｖ_ｓａｗとと共に遅れ位相の信号である第２補正信号Ｖ_ｄを用いて生成したオン時間Ｔｏｎを補正できるため、入力電流Ｉ_ＡＣと入力電圧Ｖ_ＡＣとの位相差を小さくすることができ、力率改善の制御を簡易な構成で実現することができる。

さらに、本実施形態において、駆動部４４は、生成したオン時間Ｔｏｎに第１補正信号Ｖ_ＳＡＷの瞬時値に０を上回る係数Ａを乗算した値を加算することで補正オン時間Ｔｏｎ‘に補正し、係数Ａは、負荷の大小もしくは入力電圧Ｖ_ＡＣの大小に応じて変更される。
この構成により、負荷の大小もしくは入力電圧Ｖ_ＡＣの大小に応じて、入力電流Ｉ_ＡＣと入力電圧Ｖ_ＡＣとの位相差を小さくすることができ、簡易な構成により力率を改善することができる。

以上、実施形態をもとに本発明を説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせ等にいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１ スイッチング電源装置
２ ＬＥＤ負荷
３ 定電流制御回路
４ 制御回路
４１ ボトム検出部
４２ 第１補正信号生成部
４３ 第２補正信号生成部
４４ 駆動部
２１～２ｎ ＬＥＤ
Ｃ１ 入力コンデンサ
Ｃ２ 出力コンデンサ
Ｄ１ 回生ダイオード
Ｌ１ リアクトル

Claims (3)

1. 駆動信号によってオンオフ制御されるスイッチング素子と、前記スイッチング素子によるノイズ成分の流出を抑制するコンデンサ成分を含んで構成された入力フィルタと、を有し、交流入力電圧を直流出力電圧に変換してＬＥＤ負荷に供給するスイッチング電源装置であって、
   前記ＬＥＤ負荷に直列に接続された定電流制御回路と、
   前記ＬＥＤ負荷と前記定電流制御回路との接続点におけるフィードバック電圧に基づき前記駆動信号のオン時間を前記交流入力電圧の半周期毎に生成する駆動部と、
   前記交流入力電圧のボトムを検出し、ボトムを検出したタイミングでトリガ信号を出力するボトム検出部と、
   前記ボトム検出部から前記トリガ信号が入力されると、次の前記トリガ信号が入力されるまでの期間にかけて上昇する第１補正信号を生成する第１補正信号生成部と、を具備し、
   前記駆動部は、前記駆動信号の１周期毎に、生成した前記オン時間を前記第１補正信号の瞬時値に基づいて補正することで、前記駆動信号の前記オン時間を、前記交流入力電圧のボトム付近では短く、ボトムから前記交流入力電圧の半周期後にかけて長くなるように補正することを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 駆動信号によってオンオフ制御されるスイッチング素子と、前記スイッチング素子によるノイズ成分の流出を抑制するコンデンサ成分を含んで構成された入力フィルタと、を有し、交流入力電圧を直流出力電圧に変換してＬＥＤ負荷に供給するスイッチング電源装置であって、
   前記ＬＥＤ負荷に直列に接続された定電流制御回路と、
   前記ＬＥＤ負荷と前記定電流制御回路との接続点におけるフィードバック電圧に基づき前記駆動信号のオン時間を前記交流入力電圧の半周期毎に生成する駆動部と、
   前記交流入力電圧のボトムをトリガとして、前記交流入力電圧の半周期後にかけて電圧上昇する第１補正信号を生成する第１補正信号生成部と、
   前記フィードバック電圧に含まれる電圧リプルを抽出した第２補正信号を生成する第２補正信号生成部と、を具備し、
   前記駆動部は、前記駆動信号の１周期毎に、生成した前記オン時間を前記第１補正信号の瞬時値に基づいて補正することで、前記駆動信号の前記オン時間を、前記交流入力電圧のボトム付近では短く、ボトムから前記交流入力電圧の半周期後にかけて長くなるように補正すると共に、前記駆動信号の１周期毎に、生成した前記オン時間を前記第２補正信号の瞬時値に基づいて補正することを特徴とするスイッチング電源装置。
3. 前記駆動部は、生成した前記オン時間に前記第１補正信号の瞬時値に０を上回る係数を乗算した値を加算することで補正し、
   前記係数は、負荷の大小もしくは前記交流入力電圧の大小に応じて変更されることを特徴とする請求項２に記載のスイッチング電源装置。

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