JP2011062043A - 力率改善回路及びこれを用いたｌｅｄ照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】力率を改善し、高調波規制対応が必要な電源を構成できる力率改善回路及びこれを用いたＬＥＤ照明器具。
【解決手段】交流電源ACと、交流電源の交流電圧を整流する整流回路RC1と、一次巻線P1と二次巻線S1と三次巻線P2とを有するトランスT1と、整流回路の出力両端に接続され、トランスの一次巻線とスイッチング素子Q1とかなる直列回路と、トランスの二次巻線に発生する電圧を整流平滑して得られた直流電圧を負荷に供給する整流平滑回路D1,C1と、整流平滑回路の直流電圧に基づき一定幅のオンパルス幅信号を生成し、このオンパルス幅信号によりスイッチング素子をオン／オフさせる制御回路10とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、力率改善回路及びこれを用いたＬＥＤ照明器具に関し、特に、力率を改善し且つノイズを抑制する技術に関する。

図９に従来の力率改善回路を備えた直流電源装置の回路図を示す（特許文献１）。図９に示す直流電源装置は、整流ブリッジ１０１の出力両端に通常接続される電解コンデンサからなる平滑コンデンサを削除したものである。図９において、交流電源ＡＣの交流電圧は、整流ブリッジ１０１で整流されて全波整流電圧に変換される。全波整流電圧は、スイッチング制御回路１０５によりスイッチングされて、直流電源出力回路１０６に所定の直流電圧が得られる。

スイッチング制御回路１０５は、一次巻線Ｎｐ、スイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ、１ＳＨＯＴと時定数を決める素子（Ｃｔ，Ｒｔ）で構成されている。抵抗Ｒｔを全波整流電圧ラインに接続することで、瞬時電圧が高い時にはコンデンサＣｔの充電が速くなり、パルス幅が減少する。瞬時電圧が低い時には逆にパルス幅が増加する。

図１０は一次巻線Ｎｐを流れる電流波形を示し、三角形の斜線部分の角度は電圧上昇に伴い大きくなるが、Ｔｏｎを電圧上昇に合わせて短くすることで、ピーク電流Ｉｐを一定値にし、出力電圧は周波数制御により安定化されている。

補助電源回路１０２は、ＩＣ電源回路１０４に直流電源を供給し、かつ、直流電源出力回路１０６の電圧をモニターする。補助電源回路１０２の出力にＰＵＴのゲートを制御させるための分圧抵抗を接続し、ＰＵＴ発振回路１０３は補助電源回路１０２の出力電圧を一定にするように発振周波数を変えて、スイッチング制御回路１０５の１ＳＨＯＴにトリガパルスを出力する。

特開２０００−３２７４８号公報

しかしながら、従来の直流電源装置では、スイッチング電流のピーク電流Ｉｐを平均化しているため、入力電流波形は台形波状の電流波形となり、力率は０．６程度となる。また、入力電流波形は台形波に近似しているため、電流の流れ始めと終わりは急峻な傾きとなる。このため、トランスから異音が発生したり、あるいは、力率が０．６程度になるため、ＡＣアダプタ、照明器具などの高調波規制対応が必要な電源を構成できないという問題があった。

本発明の課題は、力率を改善し、高調波規制対応が必要な電源を構成することができる力率改善回路及びこれを用いたＬＥＤ照明器具を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の力率改善回路は、交流電源と、前記交流電源の交流電圧を整流する整流回路と、一次巻線と二次巻線と三次巻線とを有するトランスと、前記整流回路の出力両端に接続され、前記トランスの一次巻線とスイッチング素子とかなる直列回路と、前記トランスの二次巻線に発生する電圧を整流平滑して得られた直流電圧を負荷に供給する整流平滑回路と、前記整流平滑回路の直流電圧に基づき一定幅のオンパルス幅信号を生成し、このオンパルス幅信号により前記スイッチング素子をオン／オフさせる制御回路とを備えることを特徴とする。

本発明のＬＥＤ照明器具は、交流電源と、前記交流電源の交流電圧を整流する整流回路と、一次巻線と二次巻線と三次巻線とを有するトランスと、前記整流回路の出力両端に接続され、前記トランスの一次巻線とスイッチング素子とかなる直列回路と、前記トランスの二次巻線に発生する電圧を整流平滑して得られた直流電圧を負荷に供給する整流平滑回路と、前記負荷に流れる出力電流を検出する電流検出回路と、前記整流平滑回路の直流電圧に基づき一定幅のオンパルス幅信号を生成し、このオンパルス幅信号により前記スイッチング素子をオン／オフさせるとともに前記電流検出回路で検出された出力電流を一定値に制御する制御回路と、前記整流平滑回路の直流電圧を検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路及び前記制御回路に接続され、位相補償用抵抗と位相補償用コンデンサとを有する時定数回路とを有し、前記位相補償用抵抗と前記位相補償用コンデンサとの時定数が、前記交流電源の交流電圧の整流波形の周期の１／２倍以上の応答時間となるように設定され、前記制御回路は、前記トランスの三次巻線に発生する電圧に基づきゼロ電圧を検出するゼロ電圧検出回路と、前記ゼロ電圧検出回路で検出されたゼロ電圧により前記スイッチング素子をターンオンさせるための前記オンパルス幅信号を生成するパルス幅制御回路とを備えることを特徴とする。

本発明の力率改善回路によれば、全波整流波形の略１周期の入力電圧波形に関係なく、トランスの二次側からの直流電圧であるフィードバック信号に基づき生成された一定幅のオンパルス幅信号でスイッチング素子をオン/オフさせることにより、トランスの二次側の出力に電力を供給する。オンパルス幅信号は、オンパルス幅が一定であるので、入力電圧に応じて入力電流が流れる。従って、力率が大幅に改善される。

また、本発明のＬＥＤ照明器具によれば、力率が大幅に改善されるとともに、二次側のダイオードのリカバリ電流をなくしてノイズの発生を抑制でき、しかも出力電流を一定値に制御できるので、ＬＥＤを均一に点灯させることができる。

本発明の実施例１に係る力率改善回路の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１に係る力率改善回路内のゼロ電圧検出回路及びパルス幅制御回路の詳細を示す回路図である。 実施例１のパルス幅制御回路の動作波形を示す図である。 実施例１の力率改善回路においてＡＣ１００Ｖ入力時で５０％負荷及び１００％負荷時のスイッチング電流波形を示す図である。 実施例１の力率改善回路においてＡＣ１００Ｖ入力時の入力電圧と入力電流との波形を示す図である。 実施例１の力率改善回路において各電圧に対する力率と効率とを示す図である。 本発明の実施例２に係る力率改善回路の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例３に係る力率改善回路の構成を示すブロック図である。 従来の力率改善回路を備えた直流電源装置の構成を示すブロック図である。 図９に示す従来の直流電源装置の制御によるスイッチング時の電流波形図である

以下、本発明の実施の形態の力率改善回路のいくつかを図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１に係る力率改善回路の構成を示すブロック図である。図１において、交流電源ＡＣの両端にはコンデンサＣｏとリアクトルＬ１とが接続され、リアクトルＬ１の出力には交流電源ＡＣの交流電圧を整流する全波整流回路ＲＣ１の入力端が接続されている。

全波整流回路ＲＣ１の出力端には、トランスＴ１の一次巻線Ｐ１とＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子Ｑ１との直列回路が接続されている。

トランスＴ１は、フライバックトランスからなり、一次巻線Ｐ１と二次巻線Ｓ１と三次巻線Ｐ２とを有している。

トランスＴ１の二次巻線Ｓ１の両端には、ダイオードＤ１と平滑コンデンサＣ１との直列回路が接続されている。ダイオードＤ１と平滑コンデンサＣ１とは、整流平滑回路を構成し、トランスＴ１の二次巻線Ｓ１に発生する電圧を整流平滑して得られた直流電圧を図示しない負荷に供給する。

平滑コンデンサＣ１の両端には、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３との直列回路が接続され、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３との接続点には誤差増幅器ＯＰ１の反転入力端子が接続されている。オペアンプＯＰ１の非反転入力端子には基準電源Ｒｅｆ１が接続されている。誤差増幅器ＯＰ１の出力端子と平滑コンデンサＣ１の一端との間には抵抗Ｒ１とフォトカプラＰＣ１のフォトダイオードとダイオードＤ２との直列回路が接続されている。誤差増幅器ＯＰ１は、平滑コンデンサＣ１の出力電圧を抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３とで分圧した分圧電圧と基準電源Ｒｅｆ１の電圧との差電圧を増幅して出力する。この差電圧に応じてフォトカプラＰＣ１に電流が流れて、パルス幅制御回路１２によりパルスのオン幅が制御される。

誤差増幅器ＯＰ１、基準電源Ｒｅｆ１、抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ３は、出力電圧検出回路を構成する。

制御回路１０は、フォトカプラＰＣ１からの電圧（フィードバック信号）に基づき一定幅のオンパルス幅信号を生成し、このオンパルス幅信号によりスイッチング素子Ｑ１をオン／オフさせる。

制御回路１０は、トランスＴ１の三次巻線Ｐ２に発生する電圧に基づきゼロ電圧を検出するゼロ電圧検出回路１１と、ゼロ電圧検出回路１１で検出されたゼロ電圧によりスイッチング素子Ｑ１をターンオンさせるためのオンパルス幅信号を生成するパルス幅制御回路１２と、パルス幅制御回路１２からのオンパルス幅信号に基づきスイッチング素子Ｑ１をオン／オフさせるための駆動信号を生成するドライブ制御回路１３とを備えている。

図２は本発明の実施例１に係る力率改善回路内のゼロ電圧検出回路及びパルス幅制御回路の詳細を示す回路図である。図２において、ゼロ電圧検出回路１１は、コンパレータＣＰ１、基準電源Ｖｒｏ、ワンショット回路１１１を有している。コンパレータＣＰ１は、基準電源Ｖｒｏの電圧とトランスＴ１の三次巻線Ｐ２に発生した電圧とを比較し、トランスＴ１の三次巻線Ｐ２に発生した電圧がゼロ電圧となったときにＨレベルを出力する。

ワンショット回路１１１は、コンパレータＣＰ１からＨレベルを入力したときに負のワンショットパルスを生成し、この負のワンショットパルスをパルス幅制御回路１２内のコンデンサＣｓに出力する。

パルス幅制御回路１２は、電流源Ｉ１、電流源Ｉ２、コンパレータＣＰ２、コンデンサＣｓで構成されている。コンパレータＣＰ２の非反転入力端子とグランドとの間には、フォトカプラＰＣ１のフォトトランジスタと位相補償用抵抗Ｒｆと位相補償用コンデンサＣｆとの並列回路が接続され、コンパレータＣＰ２の非反転入力端子には電流源Ｉ２が接続されている。

コンパレータＣＰ２の反転入力端子には電流源Ｉ１とコンデンサＣｓの一端とが接続され、コンデンサＣｓの他端はグランドに接続されている。コンデンサＣｓの一端はワンショット回路１１１の出力に接続されている。コンパレータＣＰ２の出力はドライブ制御回路１３に接続されている。

なお、位相補償用抵抗Ｒｆと位相補償用コンデンサＣｆとは、時定数回路を構成し、位相補償用抵抗Ｒｆと位相補償用コンデンサＣｆとの時定数が、交流電源ＡＣの交流電圧の整流波形の周期の１／２倍以上の応答時間となるように設定されている。即ち、フォトカプラＰＣ１のコレクタ−エミッタ間電圧が、交流電圧の全波整流波形の周期以内に大きく変動しないように（即ち、略一定となるように）前記時定数を選定する。

次に、制御回路１０の動作を説明する。まず、パルス幅制御回路１２のコンデンサＣｓに定電流源Ｉ１から所定の電流が流れ、コンデンサＣｓが充電される。また、位相補償用コンデンサＣｆと位相補償用抵抗ＲｆとフォトカプラＰＣ１との並列回路に定電流源Ｉ２から所定の電流が流れ、位相補償用コンデンサＣｆが充電される。

コンデンサＣｓは、定電流源Ｉ１に流れる電流により充電されて、コンデンサＣｓの電圧Ｖｃｓは、時間に比例して直線的に上昇する。

コンパレータＣＰ２は、図３（ａ）に示すように、コンデンサＣｓの電圧Ｖｃｓと位相補償用コンデンサＣｆの電圧Ｖｃｆ（フォトカプラＰＣ１のコレクタ−エミッタ間電圧）とを比較し、位相補償用コンデンサＣｆの電圧ＶｃｆがコンデンサＣｓの電圧Ｖｃｓ以下の期間に、オンパルス幅信号（ＣＰ２出力）を生成し、ドライブ制御回路１３にＨレベルを出力する。

なお、フォトカプラＰＣ１のコレクタ−エミッタ間電圧は、トランスＴ１の二次側からのフィードバック信号により変化し、図１に示す例では、トランスＴ１の二次側の出力電圧が上昇すると、フォトカプラＰＣ１のコレクタ−エミッタ電圧、即ちコンデンサＣｆの両端電圧Ｖｃｆが図３（ａ）に示す値から図３（ｂ）に示す値に上昇する。このため、オンパルス幅信号（ＣＰ２出力）のオンパルス幅が広がる。

コンデンサＣｓの電圧Ｖｃｓが上昇して、フォトカプラＰＣ１のコレクタ−エミッタ電圧を超えると、コンパレータＣＰ２の出力はＬレベルとなる。このため、ドライブ制御回路１３の出力もＬレベルとなり、スイッチング素子Ｑ１はオフする。

このとき、トランスＴ１の一次巻線Ｐ１に蓄えられるエネルギーは、二次巻線Ｓ１及びダイオードＤ１を介して平滑コンデンサＣ１及び負荷に出力される。トランスＴ１の一次巻線Ｐ１に蓄えられたエネルギーの放出が完了すると、トランスＴ１の巻線電圧は低下し、リンキングを開始する。このため、このため、電圧の極性が反転してゼロ電圧に変化する。

ゼロ電圧検出回路１１のコンパレータＣＰ１は、トランスＴ１の三次巻線Ｐ２の電圧を基準電源の電圧Ｖro（ゼロ電圧より僅かに大きい電圧）と比較し、三次巻線Ｐ２の電圧がゼロ電圧になつた時にワンショット回路１１１にＨレベルを出力する。ワンショット回路１１１は、入力されたＨレベルに基づき１パルスのＬレベルをコンデンサＣｓの一端に出力する。このため、コンデンサＣｓの電荷は放電するので、パルス幅制御回路１２は、Ｈレベルのオンパルス幅信号をドライブ制御回路１３に出力する。

ドライブ制御回路１３は、オンパルス幅信号に基づきスイッチング素子Ｑ１をオンさせる。

なお、フォトカプラＰＣ１のコレクタ−エミッタ間電圧は、入力電圧の全波整流波形の周期以内に大きく変動しないように、位相補償用抵抗Ｒｆと位相補償用コンデンサＣｆとの時定数が選定されている。具体的には、位相補償用抵抗Ｒｆと位相補償用コンデンサＣｆとの時定数が入力電圧の全波整流波形の周期の１／２倍以上の応答時間に選定されている。このため、パルス信号のオンパルス幅が一定になる。

即ち、全波整流波形の略１周期の入力電圧波形に関係なく、トランスＴ１の二次側からの直流電圧であるフィードバック信号に基づき生成された一定幅のオンパルス幅信号でスイッチング素子Ｑ１をオン/オフさせることにより、トランスＴ１の二次側の出力に電力を供給する。オンパルス幅信号は、オンパルス幅が一定であるので、入力電圧に応じて入力電流が流れるので、力率が大幅に改善される。

図４（ａ）は交流電源の電圧が１００Ｖで５０％負荷時における交流入力電圧Ｖinと入力電流Ｉdとを示し、図４（ｂ）は交流電源の電圧が１００Ｖで１００％負荷時における交流入力電圧Ｖinと入力電流Ｉdとを示している。図４（ａ）（ｂ）からも、オンパルス幅が一定であるので、正弦波状の入力電圧Ｖｉｎに応じて正弦波状のスイッチング電流からなる入力電流Ｉｄが流れており、力率が大幅に改善される。

図５に実施例１の力率改善回路においてＡＣ１００Ｖ入力時の入力電圧と入力電流との波形を示す。図６に実施例１の力率改善回路において各電圧に対する力率と効率とを示す。オンパルス幅の一定制御を行うことにより、図６に示すように、力率がＡＣ１００Ｖで０．９９、ＡＣ２４０Ｖで０．９３５となり、０．９以上の力率を実現できる。

また、ゼロ電圧検出回路１１により三次巻線Ｐ２の電圧がゼロ電圧であることを検出して、スイッチング素子Ｑ１をターンオンさせるので、二次側のダイオードＤ１のリカバリ電流をなくしてノイズの発生を抑制することができる。

また、本願発明を、一般的な力率改善回路（ＰＦＣ）とＤＣ−ＤＣコンバータとを組み合わせた電源と比較した場合、ＰＦＣと入力平滑コンデンサ（全波整流回路ＲＣ１の出力に接続される平滑コンデンサ）がなくなるので、部品を大幅に削減できる。

図７は本発明の実施例２に係る力率改善回路の構成を示すブロック図である。図７に示す実施例２の力率改善回路は、図１に示す実施例１の力率改善回路にさらに、出力定電流回路２０、ダイオードＤ３を追加したものである。出力定電流回路２０は、電流検出回路に対応し、抵抗Ｒ４、誤差増幅器ＯＰ３、基準電源Ｒｅｆ２を有する。コンデンサＣ１の両端には例えばＬＥＤなどの負荷ＲＬが接続されている。

ダイオードＤ３は、フォトカプラＰＣ１のフォトダイオードと誤差増幅器ＯＰ３の出力端子との間に接続されている。抵抗Ｒ４は、トランスＴ１の二次巻線Ｓ１の一端と負荷ＲＬの一端との間に接続されている。

誤差増幅器ＯＰ３は、負荷ＲＬを介して抵抗Ｒ４に流れる電流により生ずる電圧と基準電源Ｒｅｆ２の電圧との差電圧を増幅し、増幅された差電圧をダイオードＤ３及びフォトカプラＰＣ１を介してパルス幅制御回路１２に伝達する。

パルス幅制御回路１２は、比較出力に基づいてオンパルス幅を制御する。即ち、パルス幅制御回路１２は、負荷ＲＬを介して抵抗Ｒ４に流れる電流により生ずる電圧が基準電源Ｒｅｆ２の電圧となるようにオンパルス幅を制御する。つまり、オンパルス幅を制御することにより、出力電流を一定値にすることができる。

なお、この力率改善回路は、負荷がＬＥＤでこのＬＥＤを点灯するＬＥＤ照明器具に利用できる。この場合、出力電流を一定値に制御できるので、ＬＥＤを均一に点灯させることができる。

図８は本発明の実施例３に係る力率改善回路の構成を示すブロック図である。図８に示す実施例３の力率改善回路は、１次側電圧検出回路３０をトランスＴ１の一次側の三次巻線Ｐ２に接続し、トランスＴ１の二次側回路を簡略化したものである。

１次側電圧検出回路３０は、以下のように構成される。トランスＴ１の三次巻線Ｐ２の両端にはダイオードＤ２とコンデンサＣ２との直列回路が接続されている。ダイオードＤ２とコンデンサＣ２との接続点には抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３との直列回路が接続されている。

誤差増幅器ＯＰ１は、基準電源Ｒｅｆ１の電圧を、コンデンサＣ２の両端に発生した直流電圧を抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３とで分圧した電圧との差電圧を増幅し、増幅された差電圧をパルス幅制御回路１２に出力する。パルス幅制御回路１２は、オンパルス幅を制御することによりスイッチング素子Ｑ１をオン／オフさせて出力電圧を一定値にすることができる。

なお、コンデンサＣ２、抵抗Ｒ２，Ｒ３による時定数は、入力電圧の全波整流波形の周期の１／２倍以上の応答時間に選定されている。

本発明は、ＬＥＤ照明器具又はＡＣアダプタ又は充電器などの電源装置に適用可能である。

ＡＣ 交流電源
ＲＣ１ 全波整流回路
１０ 制御回路
１１ ゼロ電圧検出回路
１２ パルス幅制御回路
１３ ドライブ制御回路
２０ 出力定電流回路
３０ １次側電圧検出回路
１１１ ワンショット回路
Ｑ１ スイッチング素子
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３ ダイオード
Ｃ０，Ｃ１，Ｃ２，Ｃｓ コンデンサ
Ｃｆ 位相補償用コンデンサ
Ｒｆ 位相補償用抵抗
Ｌ１ リアクトル
Ｔ１ トランス
Ｐ１ 一次巻線
Ｓ１ 二次巻線
Ｐ２ 三次巻線
ＯＰ１〜ＯＰ３ 誤差増幅器
ＣＰ１．ＣＰ２ コンパレータ
Ｉ１，Ｉ２ 定電流源
ＰＣ１ フォトカプラ

Claims (4)

1. 交流電源と、
   前記交流電源の交流電圧を整流する整流回路と、
   一次巻線と二次巻線と三次巻線とを有するトランスと、
   前記整流回路の出力両端に接続され、前記トランスの一次巻線とスイッチング素子とかなる直列回路と、
   前記トランスの二次巻線に発生する電圧を整流平滑して得られた直流電圧を負荷に供給する整流平滑回路と、
   前記整流平滑回路の直流電圧に基づき一定幅のオンパルス幅信号を生成し、このオンパルス幅信号により前記スイッチング素子をオン／オフさせる制御回路と、
   を備えることを特徴とする力率改善回路。
2. 前記整流平滑回路の直流電圧を検出する電圧検出回路と、
   前記電圧検出回路及び前記制御回路に接続され、位相補償用抵抗と位相補償用コンデンサとを有する時定数回路とを有し、
   前記位相補償用抵抗と前記位相補償用コンデンサとの時定数が、前記交流電源の交流電圧の整流波形の周期の１／２倍以上の応答時間となるように設定されていることを特徴とする請求項１記載の力率改善回路。
3. 前記制御回路は、
   前記トランスの三次巻線に発生する電圧に基づきゼロ電圧を検出するゼロ電圧検出回路と、
   前記ゼロ電圧検出回路で検出されたゼロ電圧により前記スイッチング素子をターンオンさせるための前記オンパルス幅信号を生成するパルス幅制御回路と、
   を備えることを特徴とする請求項２記載の力率改善回路。
4. 交流電源と、
   前記交流電源の交流電圧を整流する整流回路と、
   一次巻線と二次巻線と三次巻線とを有するトランスと、
   前記整流回路の出力両端に接続され、前記トランスの一次巻線とスイッチング素子とかなる直列回路と、
   前記トランスの二次巻線に発生する電圧を整流平滑して得られた直流電圧を負荷に供給する整流平滑回路と、
   前記負荷に流れる出力電流を検出する電流検出回路と、
   前記整流平滑回路の直流電圧に基づき一定幅のオンパルス幅信号を生成し、このオンパルス幅信号により前記スイッチング素子をオン／オフさせるとともに前記電流検出回路で検出された出力電流を一定値に制御する制御回路と、
   前記整流平滑回路の直流電圧を検出する電圧検出回路と、
   前記電圧検出回路及び前記制御回路に接続され、位相補償用抵抗と位相補償用コンデンサとを有する時定数回路とを有し、
   前記位相補償用抵抗と前記位相補償用コンデンサとの時定数が、前記交流電源の交流電圧の整流波形の周期の１／２倍以上の応答時間となるように設定され、
   前記制御回路は、
   前記トランスの三次巻線に発生する電圧に基づきゼロ電圧を検出するゼロ電圧検出回路と、
   前記ゼロ電圧検出回路で検出されたゼロ電圧により前記スイッチング素子をターンオンさせるための前記オンパルス幅信号を生成するパルス幅制御回路と、
   を備えることを特徴とするＬＥＤ照明器具。

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