JPWO2018087960A1 - 力率補償電源装置およびled照明装置 - Google Patents
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Abstract
Description
上記電源主回路部は、交流電源の交流電圧を全波整流する全波整流回路と、インダクタンス素子とスイッチング素子とを有し、上記全波整流回路によって得られた入力電圧を目標とする出力電圧に変換するコンバータと、上記スイッチング素子によるノイズ成分の上記交流電源への流出を抑制するための入力コンデンサを含んで構成される入力フィルタと、上記入力電圧を検出する入力電圧検出部と、上記出力電圧を検出する出力電圧検出部とを有し、
上記電源制御部は、上記出力電圧検出部で検出される信号に基づいて決定される上記スイッチング素子の基準オン時間に対して、上記入力電圧検出部で検出される信号から上記入力電圧の位相を検出し上記位相に基づいて生成した補正信号を乗算することにより補正した上記スイッチング素子のオン時間を用いて、上記スイッチング素子をオンおよびオフ制御することにより、上記出力電圧を所望の電圧に制御しつつ、上記交流電源からの入力電流を力率補償制御する、ことを特徴としている。
上記電源主回路部は、交流電源の交流電圧を全波整流する全波整流回路と、インダクタンス素子とスイッチング素子とを有し、上記全波整流回路によって得られた入力電流を目標とする出力電流に変換するコンバータと、上記スイッチング素子によるノイズ成分の上記交流電源への流出を抑制するための入力コンデンサを含んで構成される入力フィルタと、上記全波整流回路で得られる入力電圧を検出する入力電圧検出部と、上記出力電流を検出する出力電流検出部と、を有し、
上記電源制御部は、上記出力電流検出部で検出される信号に基づいて決定される上記スイッチング素子の基準オン時間に対して、上記入力電圧検出部で検出される信号から上記入力電圧の位相を検出し上記位相に基づいて生成した補正信号を乗算することにより補正した上記スイッチング素子のオン時間を用いて、上記スイッチング素子をオンおよびオフ制御することにより、上記出力電流を所望の電流に制御しつつ、上記交流電源からの入力電流を力率補償制御する、ものである。
図1はこの発明の実施の形態1における力率補償電源装置の構成を示すブロック図である。
電源主回路部2は、全波整流回路14、入力フィルタ21、DC/DCコンバータ(以下、単にコンバータという)4、および出力コンデンサ15を主体に構成されている。
全波整流回路14は、交流電源5から供給された交流入力電圧vacから全波整流電圧|vac|(以下、脈流電圧という)を得るためにダイオードブリッジで構成されている。
入力フィルタ21は、交流電源5への後述するスイッチング素子7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、入力コイル20と入力コンデンサ6、6aで構成されている。
コンバータ4は、全波整流回路14により全波整流された脈流電圧|vac|を目標とする直流化された出力電圧voに調整する。
出力コンデンサ15は、コンバータ4の出力電圧の脈動を平滑させて直流の出力電圧voを得るためのものである。
そして、この電源主回路部2の直流電力の出力側には負荷8が接続されている。
入力電圧検出部10は、脈流電圧|vac|の大きさを入力信号である入力電圧検出値vinsenとして検出するもので、ここでは図示しないが、例えば2つ以上の直列に接続された分圧抵抗からなる。
出力電圧制御部11は、入力電圧位相θ(=vinphase)が0、πのタイミング、すなわち、商用周波数が50Hz(周期20ms)の場合は全波整流後の脈流電圧|vac|の周波数である100Hz(周期10ms)の間隔で基準オン時間ton1を決定する。
なお、この場合、スレッショルド電圧iLthの調整はゼロ電流検出部16に含まれるコンデンサ容量や電圧レベルの比較に用いるコンパレータ等の素子遅延を事前に考慮して、臨界動作をするように調整することが好ましい。
図6(a)は、図5(a)に示すハイブリッドチョークコイルである入力コイル20の等価回路図である。
図6(b)は、図6(a)に示す入力コイル20と異なる構成の入力コイル20aの構成を示す回路図である。
図6(c)は、図6(a)に示す入力コイル20と異なる構成の入力コイル20bの構成を示す回路図である。
入力コイル20は、上記図6(a)の入力コイル20に示すハイブリッドチョークコイルに限らず、例えば、上記図6(b)の入力コイル20aに示すようにノーマルモードチョークコイルを用いてもよいし、または図6(c)の入力コイル20bに示すようにコモンモードチョークコイルを用いてもよい。
即ち、入力コンデンサ6、6aによる、入力電流iacと、交流入力電圧Vacとの位相差Φに応じた上記補正電流波形と、上記位相差Φを零とした上記理想電流波形とを用いて、上記補正電流波形から上記理想電流波形を除算したものが補正量Kphaseである。
したがって、交流入力電流iacを交流入力電圧vacと同位相の場合、すなわち力率が「1」の場合には、補正量Kphase=1となる。
なお、入力電圧位相θ(=vinphase)は上述した(2)式から求められる。
=(√2・iac・sin(θ−Φ))/(√2・iac・sinθ)
=sin(θ−Φ)/sinθ (8)
この発明の実施の形態2は、上記実施の形態1に対して入力電圧位相θ(=vinphase)に応じた補正量Kphaseの決定方法が異なる。すなわち、実施の形態1では、入力電圧検出値vinsenから得られる入力電圧位相θ(=vinphase)を利用して、(8)式に基づいて補正量Kphaseを決定した。しかし、この補正量Kphaseを決定するための(8)式は、sin演算や除算を含んでおり、マイコン等のCPUで(8)式を実現するのは困難である。
なお、以降の説明では、入力コンデンサ6、6aの影響を考慮して、交流入力電流iacが交流入力電圧vacに対して進相である場合(すなわち、図9(a)の状態)を前提として記述する。
(i)傾きAを「正」の値に設定する。
(ii)交流入力電圧vacに対する交流入力電流iacの位相差Φが大きいほど、入力電圧位相θの変化に対する補正量Kphaseの変化を大きく、すなわち、傾きAを「大きく」設定する。
(iii)切片Bの決め方として、図11により、入力電圧位相θが90度のときに補正量Kphaseが「1」となるように切片Bを設定する。すなわち、B=1−A×(90度)となるように切片Bを決定する。
(7)式で使用する各定数を、交流入力電圧vac=200V(50Hz:脈流電圧の周波数は100Hz)、出力電圧vo=400V、負荷R=2938Ω(電力54.45W)、入力フィルタ21の入力コイル20のリアクトルL=7mH、入力フィルタ21の入力コンデンサ6、6aの合成容量C=0.42uFを基準として、電源主回路部2の負荷8への出力電力Po、交流入力電圧vac、交流入力電圧周波数fをそれぞれパラメータとして、それらを変化させたときの、交流入力電圧vacに対する交流入力電流iacの位相差Φの算出結果を図12に示す。
この発明を適用しない参考例のシミュレーション結果を図13に、実施の形態2のシミュレーション結果を図14に、実施の形態1のシミュレーション結果を図15に示す。ここに、図13、図14、図15共に、上段が入力電圧位相θに応じた補正量Kphaseを、下段は交流入力電圧vacと交流入力電流iacの波形をそれぞれ示している。
この発明を適用しない参考例のシミュレーション結果を図16に、実施の形態2のシミュレーション結果を図17に、実施の形態1のシミュレーション結果を図18に示す。図16、図17、図18共に、上段が入力電圧位相θに応じた補正量Kphaseを、下段は交流入力電圧vacと交流入力電流iacの波形をそれぞれ示している。
図22はこの実施の形態3におけるLED照明装置の構成を示すブロック図であり、図1と対応する構成部分には同一の符号を付す。
Claims (14)
- 電源主回路部と、上記電源主回路部を制御する電源制御部とを備え、
上記電源主回路部は、交流電源の交流電圧を全波整流する全波整流回路と、インダクタンス素子およびスイッチング素子を有する、上記全波整流回路によって得られた入力電圧を目標とする出力電圧に変換するコンバータと、上記スイッチング素子によるノイズ成分の上記交流電源への流出を抑制するための入力コンデンサを含んで構成される入力フィルタと、上記入力電圧を検出する入力電圧検出部と、上記出力電圧を検出する出力電圧検出部と、を有し、
上記電源制御部は、上記出力電圧検出部で検出される出力電圧に基づいて決定される上記スイッチング素子の基準オン時間を、上記入力電圧から検出される上記入力電圧の位相に基づいて生成した補正信号により補正して、上記スイッチング素子のオン時間を得るものであり、補正した上記スイッチング素子のオン時間を用いて、上記スイッチング素子をオンおよびオフ制御する、
力率補償電源装置。 - 上記電源制御部は、
上記入力電圧検出部で検出される入力信号から上記入力電圧の位相を検出し、上記基準オン時間に対して、上記入力電圧の位相に基づいて生成した上記補正信号を乗算することにより上記スイッチング素子のオン時間を得るものであり、
補正した上記スイッチング素子のオン時間を用いて、上記スイッチング素子をオンおよびオフ制御することにより、上記出力電圧を所望の電圧に制御しつつ、上記交流電源からの入力電流を力率補償制御する、
請求項1に記載の力率補償電源装置。 - 上記電源制御部は、上記入力電圧の位相に基づいて、
上記入力コンデンサによる、上記交流電源からの入力電流と上記入力電圧との位相差に応じた補正電流波形と、上記位相差を零とした理想電流波形と、を用いて、上記補正電流波形から上記理想電流波形を除算したものを上記補正信号とする、
請求項1または請求項2に記載の力率補償電源装置。 - 上記電源制御部は、上記入力電圧の位相に応じて直線状に変化する鋸波状の関数、および上記入力電圧の位相に応じてピークに対して左右に傾斜した三角波状の関数、の一方から上記補正信号を生成する、
請求項1または請求項2に記載の力率補償電源装置。 - 上記電源制御部は、上記入力電圧の位相が90度のときに上記補正信号の値が「1」となるように上記関数を決定する、
請求項4に記載の力率補償電源装置。 - 上記電源制御部は、上記補正信号が鋸波状の関数である場合には、上記入力電圧の位相情報が90度より小さいときには上記補正信号が「1」よりも小さく、90度より大きいときに上記補正信号が「1」よりも大きくなるように関数を決定する、
請求項5に記載の力率補償電源装置。 - 上記電源制御部は、上記電源主回路部の出力電力が小さい場合に上記鋸波状の関数の傾き、および上記三角波状の関数の傾き、の一方を大きく設定する、
請求項4または請求項5に記載の力率補償電源装置。 - 上記電源制御部は、上記入力電圧が大きい場合に上記鋸波状の関数の傾き、および上記三角波状の関数の傾き、の一方を大きく設定する、
請求項4または請求項5に記載の力率補償電源装置。 - 上記電源制御部は、上記入力電圧の周波数が大きい場合に上記鋸波状の関数の傾き、および上記三角波状の関数の傾き、の一方を大きく設定する、
請求項4または請求項5に記載の力率補償電源装置。 - 上記電源制御部は、上記補正信号に対して、上限と下限のリミッタを設定する、
請求項3から請求項9のいずれか1項に記載の力率補償電源装置。 - 電源主回路部と、上記電源主回路部を制御する電源制御部とを備え、上記電源主回路部の出力側にはLEDモジュールが接続され、
上記電源主回路部は、交流電源の交流電圧を全波整流する全波整流回路と、インダクタンス素子およびスイッチング素子を有する、上記全波整流回路によって得られた入力電流を目標とする出力電流に変換するコンバータと、上記スイッチング素子によるノイズ成分の上記交流電源への流出を抑制するための入力コンデンサを含んで構成される入力フィルタと、上記全波整流回路で得られる入力電圧を検出する入力電圧検出部と、上記出力電流を検出する出力電流検出部と、を有し、
上記電源制御部は、上記出力電流検出部で検出される出力電流に基づいて決定される上記スイッチング素子の基準オン時間を、上記入力電圧から検出される上記入力電圧の位相に基づいて生成した補正信号により補正して、上記スイッチング素子のオン時間を得るものであり、補正した上記スイッチング素子のオン時間を用いて、上記スイッチング素子をオンおよびオフ制御する、
LED照明装置。 - 上記電源制御部は、
上記入力電圧検出部で検出される入力信号から上記入力電圧の位相を検出し、上記基準オン時間に対して、上記入力電圧の位相に基づいて生成した上記補正信号を乗算することにより上記スイッチング素子のオン時間を得るものであり、
補正した上記スイッチング素子のオン時間を用いて、上記スイッチング素子をオンおよびオフ制御することにより、上記出力電流を所望の電流に制御しつつ、上記交流電源からの入力電流を力率補償制御する、
請求項11に記載のLED照明装置。 - 請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の力率補償電源装置を備えるとともに、上記電源主回路部の出力側にはLEDモジュールが接続され、かつ、上記コンバータと上記LEDモジュールとの間には上記LEDモジュールに流れる電流を目標とする電流に調整するLED電流調整回路が設けられている、
LED照明装置。 - 上記電源制御部は、上記入力電圧の位相に応じて直線状に変化する鋸波状の関数、および上記入力電圧の位相に応じてピークに対して左右に傾斜した三角波状の関数、の一方から上記補正信号を生成する場合において、上記LEDモジュールに流れる電流の指令値である調光信号が大きい場合に上記鋸波状の関数の傾き、および上記三角波状の関数の傾き、の一方を大きく設定する、
請求項11から請求項13のいずれか1項に記載のLED照明装置。
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