WO2013136823A1

WO2013136823A1 - Ｌｅｄ点灯装置

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Publication number: WO2013136823A1
Application number: PCT/JP2013/050238
Authority: WO
Inventors: 寛久桑野; 孝佳永井; 友一坂下
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2013-01-09
Publication date: 2013-09-19
Also published as: JP5748901B2; CN104186026A; DE112013001483T5; US9516714B2; US20150035444A1; JPWO2013136823A1

Abstract

　ＬＥＤユニット（ＬＥＤａ１）に流れるＬＥＤ電流が定格電流範囲内となるように、スイッチ素子（Ｑａ１）をオンオフ制御する制御回路（２）を備え、ＬＥＤユニット（ＬＥＤａ１）の点灯時に、リアクトル（Ｌａ１）とＬＥＤユニット（ＬＥＤａ１）との直列接続の両端に印加される電圧が、スイッチ素子（Ｑａ１）がオン時に第１母線電圧Ｖ１に、スイッチ素子（Ｑａ２）がオフ時に第１母線電圧（Ｖ１）と第２母線電圧（Ｖ２）に基づいて定まる第１母線電圧（Ｖ１）より低い電圧になるようにする。

Description

ＬＥＤ点灯装置

　この発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）素子で構成された半導体光源を点灯させるためのＬＥＤ点灯装置に関するものである。

　半導体光源としてのＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）素子は車両用灯具、信号機および照明用灯具として広く用いられるようになっている。なお、このような用途に対しては、ＬＥＤ素子単体の発光量が小さいため、複数のＬＥＤ素子を同時に点灯させて必要な発光量を得ることが一般的となっている。
　従来のＬＥＤ点灯装置では、１個又は複数個のＬＥＤ素子を直列接続させて構成したＬＥＤユニットに、コンバータを直列接続し、更にＬＥＤユニットとコンバータで構成されたＬＥＤ回路ブロックの両端に、単一の直流電源を接続している。コンバータはスイッチ素子、ダイオード、リアクトルから構成されており、スイッチ素子をオンオフすることにより、ＬＥＤユニットに流れる電流を定電流制御して、ＬＥＤユニットを点灯させている。また、このＬＥＤ回路ブロックを直流電源に対して複数並列接続して、複数のＬＥＤ回路ブロックを単一の直流電源で動作させている（例えば特許文献１）。

特開２００６－１４７１８４号（図１）

　上記従来のＬＥＤ点灯装置では、ＬＥＤ回路ブロックを単一の定電圧源で動作させ、ダイオードのアノード側を定電圧源の基準電位に接続している。この場合、特に、ＬＥＤユニットを構成するＬＥＤ素子の直列接続数が増加すると、ＬＥＤ素子の順方向電圧降下の和であるＬＥＤ電圧が高くなり、ＬＥＤユニットを点灯させるために必要な電圧が高くなってしまう。その結果、コンバータを構成するスイッチ素子の耐圧が高くなり、更にリアクトル電流（＝ＬＥＤ電流）のリップルも大きくなり、回路規模の大型化やコストアップをもたらすといった問題があった。

　この発明は上記のような問題を解決するためになされたもので、ＬＥＤユニットを駆動する電圧が高くなった場合であっても、コンバータを構成するスイッチ素子の耐圧を引き下げることができると共に、リアクトル電流のリップルを小さくすることができ、小型かつ低コストなＬＥＤ点灯装置を提供することを目的としている。

　この発明に係るＬＥＤ点灯装置は、
　第１母線電圧を有する第１母線と、
上記第１母線電圧より低い第２母線電圧を有する第２母線と、
上記第１母線に接続される、スイッチ素子、リアクトル、及び１個または複数のＬＥＤ素子を直列接続したＬＥＤユニット、の直列接続体、並びに上記スイッチ素子と上記リアクトルの接続点と上記第２母線との間に接続したダイオード、で構成されるＬＥＤ回路ブロックと、
上記ＬＥＤユニットに流れるＬＥＤ電流が定格電流範囲内となるように、上記スイッチ素子をオンオフ制御する制御回路とを備え、
上記ＬＥＤユニットの点灯時に、上記リアクトルと上記ＬＥＤユニットとの直列接続の両端に印加される電圧が、上記スイッチ素子がオン時に上記第１母線電圧に、上記スイッチ素子がオフ時に上記第１母線電圧と上記第２母線電圧に基づいて定まる上記第１母線電圧より低い電圧になるようにする。

　この発明のＬＥＤ点灯装置によれば、ＬＥＤ回路ブロックに第１母線電圧と第２母線電圧を供給し、ＬＥＤユニット点灯時に、リアクトルとＬＥＤユニットとの直列接続の両端に印加される電圧が、スイッチ素子がオン時に第１母線電圧に、スイッチ素子がオフ時に第１母線電圧と第２母線電圧に基づいて定まる第１母線電圧より低い電圧になるようにしたので、従来よりも低耐圧のスイッチ素子が利用できるとともに、ＬＥＤ電流（＝リアクトル電流）の許容リップルを同等とすれば、リアクトルも小型化することができ、ＬＥＤ点灯装置の小型化と低コスト化が実現できる。

本発明の実施の形態１によるＬＥＤ点灯装置の回路構成を示す図である。本発明の実施の形態１によるＬＥＤ点灯装置の各部波形を示す図である。本発明の実施の形態１～６によるＬＥＤ点灯装置を構成するＬＥＤユニットの静特性を示す図である。本発明の参考例のＬＥＤ点灯装置の回路構成を示す図である。本発明の参考例のＬＥＤ点灯装置の各部波形を示す図である。本発明の実施の形態２によるＬＥＤ点灯装置の回路構成を示す図である。本発明の実施の形態２によるＬＥＤ点灯装置の各部波形を示す図である。本発明の実施の形態３によるＬＥＤ点灯装置の回路構成を示す図である。本発明の実施の形態４によるＬＥＤ点灯装置の回路構成を示す図である。本発明の実施の形態５によるＬＥＤ点灯装置の回路構成を示す図である。本発明の実施の形態６によるＬＥＤ点灯装置の回路構成を示す図である。本発明の実施の形態７によるＬＥＤ点灯装置の回路構成を示す図である。本発明の実施の形態７によるＬＥＤ点灯装置を構成するＬＥＤユニットの静特性を示す図である。

実施の形態１．
　以下、この発明の実施の形態１によるＬＥＤ点灯装置を図に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態１によるＬＥＤ点灯装置を示す回路構成図、図２はこの発明の実施の形態１のＬＥＤ点灯装置の各部の波形を示す図である。

　図１において、定電圧源１は、第１母線１００を通して第１母線電圧Ｖ１となる直流電圧を出力すると共に、第２母線２００を通して第２母線電圧Ｖ２となる直流電圧を出力し、ＬＥＤ素子の点灯に必要な電圧を供給する。ただし、第１母線電圧Ｖ１＞第２母線電圧Ｖ２＞０となる関係がある。定電圧源１を構成する回路としては、例えば、複数のＤＣ／ＤＣコンバータや、ＡＣ／ＤＣコンバータ等のスイッチングレギュレータを用いることができる。

　ＬＥＤ回路ブロック３ａ１は、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のスイッチ素子Ｑａ１、リアクトルＬａ１、１個又は複数個のＬＥＤ素子を直列に接続したＬＥＤユニットＬＥＤａ１、及びダイオードＤａ１を備えている。また、ＬＥＤ回路ブロック３ａ１と同じ構成のＬＥＤ回路ブロックが、ＬＥＤ回路ブロック３ａｎまでｎ個（ｎは１以上の自然数）、第１母線１００及び第２母線２００に対して並列に接続されている。

　次に、ＬＥＤ回路ブロック３ａ１の詳細な構成について説明する。定電圧源１の第１母線１００は、スイッチ素子Ｑａ１の第１端に接続されている。一方、スイッチ素子Ｑａ１の第２端には、ダイオードＤａ１のカソード端子と、リアクトルＬａ１の第１端が接続されている。ダイオードＤａ１のアノード端子は、第２母線２００に接続されている。リアクトルＬａ１の第２端は、１個または複数個のＬＥＤ素子の直列接続で構成されるＬＥＤユニットＬＥＤａ１のアノード側端子に接続されている。ＬＥＤユニットＬＥＤａ１のカソード側端子は定電圧源１の基準電位に接続されている。

　制御回路２は、各ＬＥＤユニット（ＬＥＤａ１～ＬＥＤａｎ）に流れる各ＬＥＤ電流Ｉ_ＬＥＤを検出し、各ＬＥＤ電流Ｉ_ＬＥＤが定格電流範囲となるように各スイッチ素子（Ｑａ１～Ｑａｎ）をオンオフ制御して、定電流制御を行う。ＬＥＤ電流Ｉ_ＬＥＤの検出は、例えば上記従来技術に開示しているように、ＬＥＤユニット（ＬＥＤａ１～ＬＥＤａｎ）と基準電位との間にシャント抵抗を挿入し、電流が流れる際にシャント抵抗で発生する電圧降下を検出することで実現することができる。なお、図１において、１１ａ１～１１ａｎは各ＬＥＤ電流の検出を示している。

　また、制御回路２は、第１母線電圧Ｖ１及び第２母線電圧Ｖ２を検出して、後述する条件となるように、第１母線電圧Ｖ１と第２母線電圧Ｖ２の電圧制御を行う。なお、図１において、１０１、２０１は第１母線電圧Ｖ１、第２母線電圧Ｖ２の検出を示し、２０は制御回路２による定電圧源１の電圧制御を示している。また、第１母線電圧Ｖ１及び第２母線電圧Ｖ２は、制御回路２で制御するのでなく後述する条件を満たすように予め定電圧源１で設定していても良い。

　次に、図２を用いて、この発明の実施の形態１によるＬＥＤ点灯装置の動作を説明する。はじめに、ＬＥＤ点灯装置の動作で使用する用語の説明をする。「ゲート信号」とは、スイッチ素子（Ｑａ１～Ｑａｎ）をオンオフさせるための信号で、制御回路２から各スイッチ素子（Ｑａ１～Ｑａｎ）に対して出力される。「ＬＥＤ電圧Ｖ_ＬＥＤ」とは、各ＬＥＤユニット（ＬＥＤａ１～ＬＥＤａｎ）に定格電流を流して点灯させたときに、各ＬＥＤユニット（ＬＥＤａ１～ＬＥＤａｎ）の両端に印加される電圧のことである。この「ＬＥＤ電圧Ｖ_ＬＥＤ」は、各ＬＥＤユニット（ＬＥＤａ１～ＬＥＤａｎ）を構成するＬＥＤ素子の順方向電圧降下の総和であり、順方向電圧降下にはＬＥＤ素子ごとのバラツキがある。そのため、ＬＥＤ電圧Ｖ_ＬＥＤもＬＥＤユニット毎のバラツキをもつ。「ＬＥＤ電圧のバラツキ幅」とは、使用しているＬＥＤユニット（ＬＥＤａ１～ＬＥＤａｎ）のうち、最大のＬＥＤ電圧Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍａｘ}と、最小のＬＥＤ電圧Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍｉｎ}の差分に相当する。

　また、図２には示していないが、ＬＥＤユニット（ＬＥＤａ１～ＬＥＤａｎ）が実質的に消灯とみなせる程度にまで電流が小さくなるＬＥＤ電圧をＶ_{ＬＥＤ＿ｆ}とする。Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍａｘ}、Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍｉｎ}、Ｖ_{ＬＥＤ＿ｆ}の関係をＬＥＤの静特性で示すと図３のようになる。

　次に、ＬＥＤ点灯装置の具体的動作について、順を追って説明する。
　この発明の実施の形態１によるＬＥＤ点灯装置は、ＬＥＤユニット（ＬＥＤａ１～ＬＥＤａｎ）点灯時に、第１母線電圧Ｖ１と、第２母線電圧Ｖ２と、ＬＥＤ電圧Ｖ_ＬＥＤが、
　Ｖ２＜Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍｉｎ}、かつ　Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍａｘ}＜Ｖ１　・・・（１）
の関係となるように、第１母線電圧Ｖ１、第２母線電圧Ｖ２、ＬＥＤ電圧Ｖ_ＬＥＤの範囲を設定することを特徴としている。このように設定することによって、ＬＥＤ点灯装置は下記に述べるように動作する。なお、各ＬＥＤ回路ブロック（３ａ１～３ａｎ）の動作は基本的に同じなので、ここではＬＥＤ回路ブロック３ａ１を例に説明する。

　まず、制御回路２がスイッチ素子Ｑａ１のゲート信号をオンすると、スイッチ素子Ｑａ１がオンし、定電圧源１からＬＥＤ回路ブロック３ａ１にエネルギーが供給される。その際、スイッチ素子Ｑａ１の両端電圧Ｖｓｗはゼロとなり、ダイオードＤａ１の両端にはＶ１－Ｖ２なる電圧が逆方向電圧として印加される。また、リアクトルＬａ１の両端にはＶ_Ｌｏｎ＝Ｖ１－Ｖ_ＬＥＤなる電圧が印加されて、ＬＥＤ電流（＝リアクトル電流）は徐々に増加する。そして、ＬＥＤユニットＬＥＤａ１の両端にはＬＥＤ電圧Ｖ_ＬＥＤが印加されて、ＬＥＤユニットＬＥＤａ１が点灯する。スイッチ素子Ｑａ１がオンしている期間中は、リアクトルＬａ１にエネルギーが蓄積される。リアクトルＬａ１に蓄積されたエネルギーは、スイッチ素子Ｑａ１がオフしている期間のＬＥＤ電流を定格電流範囲に維持するためのエネルギーとなる。

　ＬＥＤ電流が増加して定格電流の上限に到達すると、制御回路２はスイッチ素子Ｑａ１のゲート信号をオフし、スイッチ素子Ｑａ１はオフする。そうすると、スイッチ素子Ｑａ１の第１端には第１母線電圧Ｖ１が印加される一方、スイッチ素子Ｑａ１の第２端側はダイオードＤａ１がオンして、第２母線電圧Ｖ２が印加される。したがって、スイッチ素子Ｑａ１の両端電圧Ｖｓｗ＝Ｖ１－Ｖ２となる。また、リアクトルＬａ１の両端には、先ほどまでとは逆方向にＶ_Ｌｏｆｆ＝Ｖ_ＬＥＤ－Ｖ２なる電圧が印加される。つまり、リアクトルＬａ１両端にはスイッチ素子Ｑａ１のオンオフによってＶ_Ｌ＝Ｖ_Ｌｏｎ＋Ｖ_Ｌｏｆｆ＝Ｖ１－Ｖ２なる電圧が印加される。そして、ＬＥＤユニットＬＥＤａ１には引き続きＬＥＤ電流が流れるとともに、その両端にはＬＥＤ電圧Ｖ_ＬＥＤが印加され続け、ＬＥＤユニットＬＥＤａ１が点灯する。

　リアクトルＬａ１の蓄積エネルギーの減少に伴い、ＬＥＤ電流が減少して、定格電流の下限に到達すると、制御回路２は再びスイッチ素子Ｑａ１のゲート信号をオンして、スイッチ素子Ｑａ１をオンする。それ以降は上記説明した一連の動作の繰り返しとなり、ＬＥＤユニットＬＥＤａ１の両端には常にＬＥＤ電圧Ｖ_ＬＥＤが加わるとともに、定格電流範囲のＬＥＤ電流が流れ続け、ＬＥＤユニットＬＥＤａ１の点灯が維持される。その他のＬＥＤ回路ブロックに関しても同様の動作となる。

　次に、実施の形態１によるＬＥＤ点灯装置の作用効果について、図４及び図５に示す参考例であるＬＥＤ点灯装置と比較して説明する。図４は参考例によるＬＥＤ点灯装置を示す回路構成図、図５は図４の参考例のＬＥＤ点灯装置の各部の波形を示す図である。なお、図４及び図５において図１及び図２の構成要素と共通する機能を有するものについては、同じ記号、または添え字のみ変更して記している。

　参考例のＬＥＤ点灯装置の構成が、実施の形態１によるＬＥＤ点灯装置と相違する点は２点ある。１点目は参考例のＬＥＤ点灯装置の定電圧源４の出力電圧は第１母線電圧Ｖ１の一種類だけである点、２点目は参考例のＬＥＤ点灯装置のダイオード（Ｄｂ１～Ｄｂｎ）のアノード端子が、定電圧源４の基準電位に接続されている点である。制御回路５は、ＬＥＤユニットＬＥＤｂ１に流れるＬＥＤ電流を検出し、ＬＥＤ電流が定格電流範囲内となるようにスイッチ素子Ｑｂ１をオンオフ制御して、定電流制御を行う。このような参考例のＬＥＤ点灯装置において、上記のような定電流制御を行い、ＬＥＤユニット（ＬＥＤｂ１～ＬＥＤｂｎ）を点灯させると、各ＬＥＤユニット（ＬＥＤｂ１～ＬＥＤｂｎ）の両端電圧はＬＥＤ電圧Ｖ_ＬＥＤとなり、実施の形態１の場合と変わらないが、スイッチ素子（Ｑｂ１～Ｑｂｎ）両端、及びリアクトル（Ｌｂ１～Ｌｂｎ）両端には、第１母線電圧Ｖ１が印加されてしまう。
　これに対して上記説明したように、この発明の実施の形態１によるＬＥＤ点灯装置は、スイッチ素子（Ｑａ１～Ｑａｎ）、及びリアクトル（Ｌａ１～Ｌａｎ）の両端電圧を、参考例のＬＥＤ点灯装置よりも第２母線電圧Ｖ２の分だけ小さくすることができる。

　以上のように、この発明の実施の形態１によるＬＥＤ点灯装置は、ＬＥＤユニット（ＬＥＤａ１～ＬＥＤａｎ）点灯時に、第１母線電圧Ｖ１と、第２母線電圧Ｖ２と、ＬＥＤ電圧Ｖ_ＬＥＤが、
　Ｖ２＜Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍｉｎ}、かつ　Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍａｘ}＜Ｖ１　・・・（１）
の関係になるように、第１母線電圧Ｖ１、第２母線電圧Ｖ２、またはＬＥＤ電圧Ｖ_ＬＥＤの範囲を設定することにより、参考例を含めた従来装置のＬＥＤ点灯装置よりもスイッチ素子とリアクトルに印加される電圧を小さくすることができる。したがって、参考例を含めた従来装置よりも低耐圧のスイッチ素子が利用できるとともに、ＬＥＤ電流（＝リアクトル電流）の許容リップルを同等とすれば、リアクトルも小型化することができ、小型かつ低コストなＬＥＤ点灯装置を提供することができる。

　また、この発明の実施の形態１によるＬＥＤ点灯装置において、ＬＥＤユニット（ＬＥＤａ１～ＬＥＤａｎ）を消灯させたい場合は、スイッチ素子（Ｑａ１～Ｑａｎ）をオフし、更にＶ２≦Ｖ_{ＬＥＤ＿ｆ}となるように第２母線電圧Ｖ２を設定すればよい。

　さらに、制御回路２によるスイッチ素子（Ｑａ１～Ｑａｎ）のオンオフ制御は、上述のようにＬＥＤ電流に上限と下限を設け、上限と下限に達する毎にスイッチ素子（Ｑａ１～Ｑａｎ）をオンオフしてもよいし、ＬＥＤ電流の平均値が所定の電流になるようにスイッチ素子（Ｑａ１～Ｑａｎ）のデューティ（＝オン時間／オンオフ周期）を制御してもよい。また、ＬＥＤユニット（ＬＥＤａ１～ＬＥＤａｎ）毎に並列にキャパシタを挿入して、ＬＥＤユニット（ＬＥＤａ１～ＬＥＤａｎ）に流れる電流のリップルを低減するようにしてもよい。

実施の形態２．
　次に、この発明の実施の形態２によるＬＥＤ点灯装置を図に基づいて説明する。図６はこの発明の実施の形態２によるＬＥＤ点灯装置の回路構成を示す図である。図７はこの発明の実施の形態２によるＬＥＤ点灯装置の各部の波形を示す図である。

　図６のＬＥＤ点灯装置の回路構成において、実施の形態１（図１）の構成要素と共通する機能を有するものは、同じ記号、または添え字のみ変更して記している。実施の形態２では、ＬＥＤ回路ブロック（３ｃ１～３ｃｎ）を構成する素子の接続順とダイオード（Ｄｃ１～Ｄｃｎ）の極性が、実施の形態１の回路構成と異なる。それぞれのＬＥＤ回路ブロック（３ｃ１～３ｃｎ）の構成は同じなので、ＬＥＤ回路ブロック３ｃ１を例に、構成要素の接続を述べる。

　まず、実施の形態１と同様に、定電圧源１は、第１母線１００を通して第１母線電圧Ｖ１なる直流電圧を、第２母線電圧２００を通して第２母線電圧Ｖ２なる直流電圧を出力し、ＬＥＤ素子の点灯に必要な電圧を供給する。ただし、第１母線電圧Ｖ１＞第２母線電圧Ｖ２＞０となる関係がある。そして、第１母線１００は、ＬＥＤユニットＬＥＤｃ１のアノード側端子に接続されている。また、ＬＥＤユニットＬＥＤｃ１のカソード側端子は、リアクトルＬｃ１の第１端に接続され、リアクトルＬｃ１の第２端はスイッチ素子Ｑｃ１の第１端に接続されている。さらに、スイッチ素子Ｑｃ１の第２端は、定電圧源１の基準電位に接続されている。また、ダイオードＤｃ１のアノード端子はリアクトルＬｃ１とスイッチ素子Ｑｃ１の接続点に接続され、カソード端子は第２母線２００に接続されている。この第２母線２００は、電流の吸い込みを可能とする。

　制御回路６は、各ＬＥＤユニット（ＬＥＤｃ１～ＬＥＤｃｎ）に流れる各ＬＥＤ電流Ｉ_ＬＥＤを検出し、ＬＥＤ電流Ｉ_ＬＥＤが定格電流範囲となるように各スイッチ素子（Ｑｃ１～Ｑｃｎ）をオンオフ制御して、定電流制御を行う。ＬＥＤ電流の検出は、ＬＥＤユニット（ＬＥＤｃ１～ＬＥＤｃｎ）のアノード側、又はカソード側で電流検出を行い、例えば、高圧側での電流検出に対応したアンプなどを用いることができる。なお、図６において、１１ｃ１～１１ｃｎはＬＥＤ電流の検出を示している。

　また、制御回路２は、第１母線電圧Ｖ１及び第２母線電圧Ｖ２を検出して、後述する条件となるように、第１母線電圧Ｖ１と第２母線電圧Ｖ２の電圧制御を行う。なお、図６において、１０１、２０１は第１母線電圧Ｖ１、第２母線電圧Ｖ２の検出を示し、６０は制御回路６による定電圧源１の電圧制御を示している。また、第１母線電圧Ｖ１及び第２母線電圧Ｖ２は、制御回路２で制御するのでなく後述する条件を満たすように予め定電圧源１で設定していても良い。

　次に、図７を用いて、この発明の実施の形態２によるＬＥＤ点灯装置の具体的動作について、順を追って説明する。
　この発明の実施の形態２によるＬＥＤ点灯装置は、ＬＥＤユニット（ＬＥＤｃ１～ＬＥＤｃｎ）点灯時に、第１母線電圧Ｖ１と、第２母線電圧Ｖ２と、前述したＬＥＤ電圧Ｖ_ＬＥＤが、
　Ｖ１－Ｖ２＜Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍｉｎ}　かつ　Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍａｘ}＜Ｖ１　・・・（２）
の関係となるように、第１母線電圧Ｖ１、第２母線電圧Ｖ２、またはＬＥＤ電圧Ｖ_ＬＥＤの範囲を設定することを特徴としている。このように設定することによって、ＬＥＤ点灯装置は下記に述べるように動作する。なお、各ＬＥＤ回路ブロック（３ｃ１～３ｃｎ）の動作は基本的に同じなので、ここではＬＥＤ回路ブロック３ｃ１を例に説明する。

　まず、制御回路６がスイッチ素子Ｑｃ１のゲート信号をオンすると、スイッチ素子Ｑｃ１がオンし、定電圧源１からＬＥＤ回路ブロック３ｃ１にエネルギーが供給される。その際、スイッチ素子Ｑｃ１の両端電圧Ｖｓｗはゼロとなり、ダイオードＤｃ１の両端には第２母線電圧Ｖ２が逆電圧として印加される。また、リアクトルＬｃ１の両端にはＶ_Ｌｏｎ＝Ｖ１－Ｖ_ＬＥＤなる電圧が印加されて、ＬＥＤ電流（＝リアクトル電流）は徐々に増加する。そして、ＬＥＤユニットＬＥＤｃ１にはＬＥＤ電圧Ｖ_ＬＥＤが印加されて、ＬＥＤユニットＬＥＤｃ１が点灯する。スイッチ素子Ｑｃ１がオンしている期間中は、リアクトルＬｃ１にエネルギーが蓄積される。リアクトルＬｃ１に蓄積されたエネルギーはスイッチ素子Ｑｃ１がオフしている期間のＬＥＤ電流を定格電流範囲に維持するためのエネルギー源となる。

　ＬＥＤ電流が増加して定格電流の上限に到達すると、制御回路６はスイッチ素子Ｑｃ１のゲート信号をオフし、スイッチ素子Ｑｃ１はオフする。そうすると、スイッチ素子Ｑｃ１の両端電圧Ｖｓｗは第２母線電圧Ｖ２となる。また、リアクトルＬｃ１の両端には、先ほどまでと逆方向にＶ_Ｌｏｆｆ＝Ｖ_ＬＥＤ－（Ｖ１－Ｖ２）なる電圧が印加される。つまり、リアクトルＬｃ１両端にはスイッチ素子Ｑｃ１のオンオフによってＶ_Ｌ＝Ｖ_Ｌｏｎ＋Ｖ_Ｌｏｆｆ＝Ｖ２なる電圧が印加される。そして、ＬＥＤユニットＬＥＤｃ１には引き続きＬＥＤ電流が流れるとともに、その両端にはＬＥＤ電圧Ｖ_ＬＥＤが印加され続け、ＬＥＤユニットＬＥＤｃ１が点灯する。さらに、このときの電流経路は破線矢印Ｐとなり、定電圧源１にエネルギーを回生する。

　リアクトルＬｃ１の蓄積エネルギーの減少に伴い、ＬＥＤ電流が減少して、定格電流の下限に到達すると、制御回路６は再びスイッチ素子Ｑｃ１のゲート信号をオンして、スイッチ素子Ｑｃ１をオンする。以降は上記説明した一連の動作の繰り返しとなり、ＬＥＤユニットＬＥＤｃ１の両端には常にＬＥＤ電圧Ｖ_ＬＥＤが加わるとともに、定格電流範囲のＬＥＤ電流が流れ続け、ＬＥＤユニットＬＥＤｃ１の点灯が持続される。その他のＬＥＤ回路ブロックに関しても同様の動作となる。

　以上のように、この発明の実施の形態２によるＬＥＤ点灯装置は、ＬＥＤユニット（ＬＥＤｃ１～ＬＥＤｃｎ）点灯時に、第１母線電圧Ｖ１と、第２母線電圧Ｖ２と、ＬＥＤ電圧Ｖ_ＬＥＤが、
　Ｖ１－Ｖ２＜Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍｉｎ}　かつ　Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍａｘ}＜Ｖ１　・・・（２）
の関係になるように、第１母線電圧Ｖ１、第２母線電圧Ｖ２、またはＬＥＤ電圧Ｖ_ＬＥＤの範囲を設定することにより、図４及び図５で説明した参考例のＬＥＤ点灯装置よりもスイッチ素子とリアクトルに印加される電圧を第２母線電圧Ｖ２（＜Ｖ１）まで小さくすることができる。したがって、図４及び図５の参考例を含めた従来装置よりも低耐圧のスイッチ素子が利用できるとともに、ＬＥＤ電流（＝リアクトル電流）の許容リップルを同等とすれば、リアクトルも小型化することができ、小型かつ低コストなＬＥＤ点灯装置を提供できる。また、スイッチ素子（Ｑｃ１～Ｑｃｎ）がオフしている期間は、エネルギーが回生されるので、従来よりも高効率なＬＥＤ点灯装置を提供することができる。

　また、実施の形態２によるＬＥＤ点灯装置において、ＬＥＤユニット（ＬＥＤｃ１～ＬＥＤｃｎ）を消灯させたい場合は、スイッチ素子（Ｑｃ１～Ｑｃｎ）をオフし、さらに、Ｖ１－Ｖ２≦Ｖ_{ＬＥＤ＿ｆ}となるように第１母線電圧Ｖ１、または第２母線電圧Ｖ２を設定すればよい。

　さらに、制御回路６によるスイッチ素子（Ｑｃ１～Ｑｃｎ）の制御は、上述のようにＬＥＤ電流に上限と下限を設け、上限と下限に達する毎にスイッチ素子（Ｑｃ１～Ｑｃｎ）をオンオフしてもよいし、ＬＥＤ電流の平均値が所定の電流になるようにスイッチ素子（Ｑｃ１～Ｑｃｎ）のデューティ（＝オン時間／オンオフ周期）を制御してもよい。また、ＬＥＤユニット（ＬＥＤｃ１～ＬＥＤｃｎ）毎に並列にキャパシタを挿入して、ＬＥＤユニット（ＬＥＤｃ１～ＬＥＤｃｎ）に流れる電流のリップルを低減するようにしてもよい。

実施の形態３．
　次に、この発明の実施の形態３によるＬＥＤ点灯装置を図に基づいて説明する。図８はこの発明の実施の形態３によるＬＥＤ点灯装置の回路構成図である。図８において、実施の形態１（図１）の構成要素と共通する機能を有するものは、同じ記号、または添え字のみ変更して記している。

　実施の形態３によるＬＥＤ点灯装置は車載用途を想定したものであり、定電圧源７と、実施の形態１で説明したＬＥＤ回路ブロック（３ａ１～３ａｎ）と、制御回路１１で構成されている。これらの基本構成は、実施の形態１によるＬＥＤ点灯装置と同じであり、実施の形態１の定電圧源１を具体的に示したものが定電圧源７である。また、実施の形態１の制御回路２の機能に定電圧源７を構成するコンバータの制御機能を追加したものが制御回路１１である。従って、実施の形態３によるＬＥＤ点灯装置のＬＥＤユニット（ＬＥＤａ１～ＬＥＤａｎ）を点灯、消灯するための電圧条件、および動作時の各部の波形は実施の形態１によるＬＥＤ点灯装置と同じである。よって、それらの動作説明は省略し、定電圧源７の構成と制御回路１１の機能について述べる。

　この発明の実施の形態３におけるＬＥＤ点灯装置は車載用途を想定しているため、バッテリ８が出力するバッテリ電圧ＶＢから、実施の形態１のＬＥＤ点灯装置で説明した
　Ｖ２＜Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍｉｎ}、かつ　Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍａｘ}＜Ｖ１　・・・（１）
の電圧の関係にある第１母線電圧Ｖ１と、第２母線電圧Ｖ２を生成しなければならない。
　ここで、ＬＥＤユニット（ＬＥＤａ１～ＬＥＤａｎ）を構成するＬＥＤ素子の直列接続数が多く、バッテリ電圧ＶＢ＜ＬＥＤ電圧Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍａｘ}となると、ＬＥＤユニット（ＬＥＤａ１～ＬＥＤａｎ）を点灯することができない。そこで、バッテリ８の出力側に第１のコンバータ１０を設け、バッテリ電圧ＶＢを昇圧し、Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍａｘ}よりも高い第１母線電圧Ｖ１を提供する。バッテリ電圧ＶＢがＬＥＤ電圧Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍａｘ}よりも高い場合は、第１のコンバータ１０は降圧動作を行うか、あるいは第１のコンバータ１０自体を省略してもよい。また、第２母線電圧Ｖ２は、ダイオード（Ｄａ１～Ｄａｎ）のアノード端子とバッテリ８の出力端子の間に設けた第２のコンバータ９により生成する。ここでの第２のコンバータ９は、バッテリ電圧ＶＢ側を入力とし、第２母線２００側に電流の流れ出しを可能とする。

　制御回路１１は、第１母線電圧Ｖ１と第２母線電圧Ｖ２の電圧を検出し、それらの電圧が、実施の形態１の電圧条件となるように、第１のコンバータ１０と、第２のコンバータ９の制御を行う。なお、図８において、１１Ａは制御回路１１による第１のコンバータ１０の電圧制御、１１Ｂは制御回路１１による第２のコンバータ９の電圧制御を示している。また、制御回路１１は、実施の形態１で説明したＬＥＤ電流の定電流制御も行う。なお、第１母線電圧Ｖ１および第２母線電圧Ｖ２の電圧検出手段は、例えば、それぞれの出力端子と基準電圧の間に分圧抵抗を接続して用いることができる。また、第１のコンバータ１０と第２のコンバータ９は、例えば、スイッチングレギュレータ等を用いることができる。

　以上のように、この発明の実施の形態３によれば、定電圧源は、バッテリと、第１のコンバータ及び第２のコンバータを有し、制御回路は、第１のコンバータの出力が第１母線電圧Ｖ１に、第２のコンバータの出力が第２母線電圧Ｖ２になるように制御しているので、特に車載用途等で、実施の形態１のＬＥＤ点灯装置と同様の効果を得ることができる。

実施の形態４．
　次に、この発明の実施の形態４によるＬＥＤ点灯装置を図に基づいて説明する。図９はこの発明の実施の形態４によるＬＥＤ点灯装置の回路構成図である。図９において、上記実施の形態における構成要素と共通する機能を有するものは、同じ記号、または添え字のみ変更して記している。

　実施の形態４によるＬＥＤ点灯装置は車載用途を想定したものであり、定電圧源７と、実施の形態２で説明したＬＥＤ回路ブロック（３ｃ１～３ｃｎ）と、制御回路１２で構成されている。これらの基本構成は、実施の形態２によるＬＥＤ点灯装置と同じであり、実施の形態２の定電圧源１を具体的に示したものが定電圧源７である。また、実施の形態２の制御回路６の機能に定電圧源７を構成するコンバータの制御機能を追加したものが制御回路１２である。従って、実施の形態４によるＬＥＤ点灯装置のＬＥＤユニット（ＬＥＤｃ１～ＬＥＤｃｎ）を点灯、消灯するための電圧条件、および動作時の各部の波形は実施の形態２によるＬＥＤ点灯装置と同じである。よって、それらの動作説明は省略し、定電圧源７と制御回路１２の機能について述べる。

　この発明の実施の形態４におけるＬＥＤ点灯装置は車載用途を想定しているため、バッテリ８が出力するバッテリ電圧ＶＢから、実施の形態２のＬＥＤ点灯装置で説明した
　Ｖ１－Ｖ２＜Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍｉｎ}　かつ　Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍａｘ}＜Ｖ１　・・・（２）
の電圧の関係にある第１母線電圧Ｖ１と、第２母線電圧Ｖ２を生成しなければならない。
　ここで、ＬＥＤユニット（ＬＥＤｃ１～ＬＥＤｃｎ）を構成するＬＥＤ素子の直列接続数が多く、バッテリ電圧ＶＢ＜ＬＥＤ電圧Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍａｘ}となると、ＬＥＤユニット（ＬＥＤｃ１～ＬＥＤｃｎ）を点灯することができない。そこで、バッテリ８の出力側に第１のコンバータ１０を設け、バッテリ電圧ＶＢを昇圧し、Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍａｘ}よりも高い第１母線電圧Ｖ１を提供する。バッテリ電圧ＶＢがＬＥＤ電圧Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍａｘ}よりも高い場合は、第１のコンバータ１０は降圧動作を行うか、あるいは第１のコンバータ１０自体を省略してもよい。また、第２母線電圧Ｖ２は、ダイオード（Ｄｃ１～Ｄｃｎ）のカソード端子とバッテリ８の出力端子の間に設けた第２のコンバータ９により生成する。また、ここでの第２のコンバータ９は、第２母線２００側を入力、バッテリ電圧ＶＢを出力として、第２母線２００側からの電流の吸い込みを可能とする。

　以上のように、この発明の実施の形態４によるＬＥＤ点灯装置は、定電圧源として、バッテリと、バッテリの出力端子に接続された第１のコンバータ及び第２のコンバータを有し、制御回路は、第１のコンバータの出力が第１母線電圧Ｖ１に、第２のコンバータの出力が第２母線電圧Ｖ２になるように制御しているので、特に車載用途等で、実施の形態２のＬＥＤ点灯装置と同様の効果を得ることができる。

実施の形態５．
　次に、この発明の実施の形態５によるＬＥＤ点灯装置を図に基づいて説明する。図１０はこの発明の実施の形態５によるＬＥＤ点灯装置の回路構成図である。図１０に示す実施の形態５の回路構成は、図８に示す実施の形態３のＬＥＤ点灯装置から、第２のコンバータ９を省略したものであり、制御回路１４は、第１母線電圧Ｖ１の制御と定電流制御のみを行う。図１０の回路動作については実施の形態３と同じなので、説明を省略する。

　この発明の実施の形態５によるＬＥＤ点灯装置は、第２母線電圧Ｖ２がバッテリ電圧ＶＢに固定されるため、実施の形態３によるＬＥＤ点灯装置ほど構成素子の低耐圧化効果は得られない。しかし、第２のコンバータ９を省略し、制御回路１４から第２のコンバータ９の制御機能をなくしたことにより、実施の形態３よりも回路の小型化と制御回路の簡略化が実現できる。

実施の形態６．
　次に、この発明の実施の形態６によるＬＥＤ点灯装置を図に基づいて説明する。図１１はこの発明の実施の形態６によるＬＥＤ点灯装置の回路構成図である。図１１に示す実施の形態６の回路構成は、図９に示す実施の形態４のＬＥＤ点灯装置から、第２のコンバータ９を省略したものであり、それに伴い、制御回路１６は、第１母線電圧Ｖ１の制御と定電流制御のみを行う。図１１の回路動作については実施の形態４と同じなので、説明を省略する。

　この発明の実施の形態６によるＬＥＤ点灯装置は、第２母線電圧Ｖ２がバッテリ電圧ＶＢに固定されるため、実施の形態４によるＬＥＤ点灯装置ほど構成素子の低耐圧化効果は得られない。しかし、第２のコンバータ９を省略し、制御回路１４から第２のコンバータ９の制御機能をなくしたことにより、実施の形態４よりも回路の小型化と制御回路の簡略化ができる。

実施の形態７．
　次に、この発明の実施の形態７によるＬＥＤ点灯装置を図に基づいて説明する。図１２はこの発明の実施の形態７によるＬＥＤ点灯装置の回路構成図である。図１２に示す実施の形態７の回路構成は、図１に示す実施の形態１のＬＥＤ点灯装置においてＬＥＤ回路ブロックが複数個並列配置されているのではなくＬＥＤ回路ブロック３ａ１が１個のみ配置されている。実施の形態７によるＬＥＤ点灯装置の動作は、基本的に実施の形態１によるＬＥＤ点灯装置の動作と同様であるので詳細な説明は省略する。ただし、図１３に示すＬＥＤユニットの静特性図のように、ＬＥＤユニットが複数個でなく１個のため、ＬＥＤ電圧はバラツキを持たず、ＬＥＤ電圧はＬＥＤユニット（ＬＥＤａ１）の電圧Ｖ_ＬＥＤのみとなる。そのため、ＬＥＤ点灯時の第１母線電圧Ｖ１と、第２母線電圧Ｖ２と、ＬＥＤ電圧Ｖ_ＬＥＤは、
上記式（１）において、Ｖ_ＬＥＤ＝Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍｉｎ}＝Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍａｘ}として、
　Ｖ２＜Ｖ_ＬＥＤ＜Ｖ１　・・・（３）
の関係になるように設定する。

　また、図６に示す実施の形態２のＬＥＤ点灯装置においてＬＥＤ回路ブロック３ｃ１が１個のみ配置されている場合も同様に考えることができ、ＬＥＤ点灯時の第１母線電圧Ｖ１と、第２母線電圧Ｖ２と、ＬＥＤ電圧Ｖ_ＬＥＤを、
上記式（２）において、Ｖ_ＬＥＤ＝Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍｉｎ}＝Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍａｘ}として、
　Ｖ１－Ｖ２＜Ｖ_ＬＥＤ＜Ｖ１　・・・（３）
の関係になるように設定する。
　その他の実施の形態３～６においても上記と同様に考えることができる。

　なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

Claims

第１母線電圧を有する第１母線と、
上記第１母線電圧より低い第２母線電圧を有する第２母線と、
上記第１母線に接続される、スイッチ素子、リアクトル、及び１個または複数のＬＥＤ素子を直列接続したＬＥＤユニット、の直列接続体、並びに上記スイッチ素子と上記リアクトルの接続点と上記第２母線との間に接続したダイオード、で構成されるＬＥＤ回路ブロックと、
上記ＬＥＤユニットに流れるＬＥＤ電流が定格電流範囲内となるように、上記スイッチ素子をオンオフ制御する制御回路とを備え、
上記ＬＥＤユニットの点灯時に、上記リアクトルと上記ＬＥＤユニットとの直列接続の両端に印加される電圧が、上記スイッチ素子がオン時に上記第１母線電圧、上記スイッチ素子がオフ時に上記第１母線電圧と上記第２母線電圧に基づいて定まる上記第１母線電圧より低い電圧になるようにするＬＥＤ点灯装置。
上記第１母線及び上記第２母線に対して上記ＬＥＤ回路ブロックが複数個並列接続され、上記各ＬＥＤ回路ブロックは、上記第１母線に、上記スイッチ素子、上記リアクトル、及び上記ＬＥＤユニットの順番で直列に接続するとともに、上記ダイオードはアノード側を上記第２母線に接続し、カソード側を上記スイッチ素子と上記リアクトルの接続点に接続した構成である請求項１に記載のＬＥＤ点灯装置。
上記各ＬＥＤユニットの点灯時は、上記第１母線電圧Ｖ１と、上記第２母線電圧Ｖ２と、上記各ＬＥＤユニットに印加されるＬＥＤ電圧のうち最も高い電圧Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍａｘ}及び最も低い電圧Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍｉｎ}との関係が、
　Ｖ２＜Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍｉｎ}　かつ　Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍａｘ}＜Ｖ１　・・・（１）
となるように上記第１母線電圧Ｖ１、上記第２母線電圧Ｖ２を設定する請求項２に記載のＬＥＤ点灯装置。
上記各ＬＥＤユニットの消灯時は、上記各スイッチ素子をオフし、かつ上記第２母線電圧Ｖ２と、上記各ＬＥＤユニットが実質的に消灯とみなせる程度にまで電流が小さくなるときのＬＥＤ電圧Ｖ_{ＬＥＤ＿ｆ}との関係が、
　Ｖ２≦Ｖ_{ＬＥＤ＿ｆ}
となるように、上記第２母線電圧Ｖ２を設定する請求項２又は請求項３に記載のＬＥＤ点灯装置。
上記第１母線及び上記第２母線に対して上記ＬＥＤ回路ブロックが複数個並列接続され、上記各ＬＥＤ回路ブロックは、上記第１母線に、上記ＬＥＤユニット、上記リアクトル、及び上記スイッチ素子の順番で直列に接続するとともに、上記ダイオードはカソード側を上記第２母線に接続し、アノード側を上記スイッチ素子と上記リアクトルの接続点に接続した構成である請求項１に記載のＬＥＤ点灯装置。
上記各ＬＥＤユニットの点灯時は、上記第１母線電圧Ｖ１と、上記第２母線電圧Ｖ２と、上記各ＬＥＤユニットに印加されるＬＥＤ電圧のうち最も高い電圧Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍａｘ}及び最も低い電圧Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍｉｎ}との関係が、
　Ｖ１－Ｖ２＜Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍｉｎ}　かつ　Ｖ_{ＬＥＤ＿ｍａｘ}＜Ｖ１　・・・（２）
となるように上記第１母線電圧Ｖ１、上記第２母線電圧Ｖ２を設定する請求項５に記載のＬＥＤ点灯装置。
上記各ＬＥＤユニットの消灯時は、上記各スイッチ素子をオフし、かつ上記第１母線電圧Ｖ１と、上記第２母線電圧Ｖ２と、上記各ＬＥＤユニットが実質的に消灯とみなせる程度にまで電流が小さくなるときのＬＥＤ電圧Ｖ_{ＬＥＤ＿ｆ}との関係が、
　Ｖ１－Ｖ２≦Ｖ_{ＬＥＤ＿ｆ}
となるように、上記第１母線電圧Ｖ１、上記第２母線電圧Ｖ２を設定する請求項５又は請求項６に記載のＬＥＤ点灯装置。
上記第１母線及び上記第２母線は定電圧源に接続されており、上記制御回路は、上記第１母線電圧又は上記第２母線電圧を上記設定値になるように上記定電圧源の上記第１母線電圧又は上記第２母線電圧を制御する請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のＬＥＤ点灯装置。
バッテリの出力端子にそれぞれ接続された第１のコンバータと第２のコンバータを備え、上記第１のコンバータは上記第１母線に接続され、上記第２のコンバータは上記第２母線に接続され、上記制御回路は、上記第１のコンバータの出力が上記第１母線電圧に、上記第２のコンバータの出力が上記第２母線電圧になるように制御する請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のＬＥＤ点灯装置。
バッテリの出力端子に接続された第１のコンバータを備え、上記第１のコンバータは上記第１母線に接続され、上記バッテリの出力電圧が上記第２母線電圧となり、上記制御回路は、上記第１のコンバータの出力が上記第１母線電圧になるように制御する請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のＬＥＤ点灯装置。