JP2012029363A - 電源回路 - Google Patents

Abstract

【課題】高力率かつ高効率で小型からなるＬＥＤ照明ユニット用の電源回路を実現する。
【解決手段】全波整流を行うダイオードブリッジＤＢの出力端には、入力コンデンサＣｉが接続している。入力コンデンサＣｉには、全波整流された交流電圧を、一定電圧からなる直流電圧に平滑しない程度の小さなキャパシタンスのものを利用する。入力コンデンサＣｉの後段には、チョークコイルＬ、半導体スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２、ダイオードＤ１，Ｄ２からなる昇降圧回路が接続し、昇降圧回路の後段には平滑用の出力コンデンサＣｏが接続している。出力端には、電流検出部１１が接続し、出力電流値を検出する。制御部１０は、検出された出力電流値に基づいて、定電流制御するように、昇降圧回路の半導体スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２のオンオフ制御を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＬＥＤ照明モジュールに対して定電流で電源を供給する電源回路に関する。

従来、商用電源に接続し、ＬＥＤ照明モジュールに電力を供給する電源回路が、各種考案されている。例えば、特許文献１に記載の電源回路は、ダイオードブリッジからなる整流回路、平滑コンデンサ、ＤＣ−ＤＣコンバータ、出力コンデンサを備えた従来の一般的な電源回路である。

この電源回路では、商用電源からの交流電圧を整流回路で全波整流する。平滑コンデンサは、全波整流された交流電圧を平滑し、直流電圧を出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータは、直流化された入力電圧を電力変換して、所定の出力電圧を得る。

また、従来の電源回路として、特許文献２に示すようなＰＦＣコンバータがある。ＰＦＣコンバータでは、全波整流された脈波状の入力電圧を利用している。この際、入力電流は入力電圧と同じ脈波状に整形される。

特開２００５−１４２１３７号公報 特表２００８−５３７４５９号公報

特許文献１に記載のような平滑コンデンサは、大容量で高耐圧のコンデンサを用いなければならず、一般に電解コンデンサが用いられる。しかしながら、電解コンデンサはドライアップによる寿命の問題や、小型化、低背化ができないという問題が生じる。また、大容量のコンデンサを用いた場合、図１（Ａ）に示すように、入力電流波形がひずむ。図１（Ａ）は、従来の大容量の平滑コンデンサを用いた場合の入力電圧Ｖｉと入力電流Ｉｉの波形を示す図である。すなわち、入力電圧Ｖｉに対して、入力電流Ｉｉが「０」でない期間が短くなる。これにより、力率が大幅に低下してしまう。

また、特許文献２に記載のようなＰＦＣコンバータを用いた場合、出力コンデンサが大容量でなければ、図１（Ｂ）に示すように出力電流Ｉｏも脈波状になる。図１（Ｂ）は、従来のＰＦＣコンバータを用いた場合の入力電圧Ｖｉと出力電流Ｉｏ’の波形を示す図である。このように、出力電流Ｉｏ’の波形が、脈波状の場合、電源回路に接続されるＬＥＤ照明モジュールの定格電流に、出力電流Ｉｏ’のピーク値を近接するように出力電流値を設定する。このため、ＬＥＤ照明モジュールの定格電流に極近い電流が流れる期間が極短くなり、発光の効率が悪くなる。

したがって、本発明は、上述の各課題を鑑みて、高力率かつ高効率で小型からなるＬＥＤ照明ユニット用の電源回路を実現することにある。

この発明は、商用電源から供給される交流電圧を全波整流する整流回路と、少なくとも一個の半導体スイッチ素子を備え、当該半導体スイッチ素子をオンオフ制御することで、整流回路から出力される全波整流の電圧から直流電圧を出力するＡＣ−ＤＣコンバータ部と、該ＡＣ−ＤＣコンバータ部の出力端に直流点灯型のＬＥＤ照明モジュールが接続することで電源回路に流れる電流を検出する電流検出部と、を備えたＬＥＤ照明モジュール用の電源回路に関する。
この電源回路のＡＣ−ＤＣコンバータ部は、電流検出部で検出される電流値に基づいて、出力電流値が略一定となる定電流制御を半導体スイッチ素子に行う。

この構成では、脈状電圧をＡＣ−ＤＣコンバータ部に入力して、略一定の電流値となる出力電流を得る。したがって、出力電流値をＬＥＤ照明モジュールの定格電流に対して低い側で極近い値に設定すれば、当該電流値の出力電流をＬＥＤ照明モジュールに連続的に供給することができる。これにより、ＬＥＤ照明モジュールを効率的に点灯させることができる。
また、脈状電圧をそのまま利用できることで、入力コンデンサの容量を小さくでき、電解コンデンサを用いる必要がなくなる。これにより、電源回路を小型にすることができる。
また、脈状電圧からなる入力電圧と入力電流とが略同相となるので、導通角が大きくなり、力率が高くなる。

また、この発明の電源回路のＡＣ−ＤＣコンバータ部は、全波整流回路との接続端である入力端に、全波整流された電圧信号の波形を略そのままでＡＣ−ＤＣコンバータ部へ入力させる容量からなる入力コンデンサと、昇降圧コンバータと、該昇降圧コンバータの出力端に接続され、昇降圧コンバータのインダクタ電流のスイッチングリップルを除去する出力コンデンサと、を備える。

この構成では、電源回路の具体的な構成例として、昇降圧コンバータの場合を示している。

また、この発明の電源回路のＡＣ−ＤＣコンバータ部は、全波整流回路との接続端である入力端に、全波整流された電圧信号の波形を略そのままでＡＣ−ＤＣコンバータ部へ入力させる容量からなる入力コンデンサと、降圧コンバータと、該降圧コンバータの出力端に接続され、降圧コンバータのインダクタ電流のスイッチングリップルを除去する出力コンデンサと、を備える。

この構成では、電源回路の具体的な構成例として、降圧コンバータの場合を示している。

また、この発明の電源回路のＡＣ−ＤＣコンバータ部は、全波整流回路との接続端である入力端に、全波整流された電圧信号の波形を略そのままでＡＣ−ＤＣコンバータ部へ入力させる容量からなる入力コンデンサと、昇圧コンバータと、該昇圧コンバータの出力端に接続され、昇圧コンバータのインダクタ電流のスイッチングリップルを除去する出力コンデンサと、を備える。

この構成では、電源回路の具体的な構成例として、昇圧コンバータの場合を示している。

また、この発明の電源回路では、入力コンデンサおよび出力コンデンサが、積層セラミックコンデンサからなる。

上述のように、入力コンデンサは小容量化が可能であり、積層セラミックコンデンサが利用できる。これにより、電源回路を小型化できる。また、出力コンデンサも、ＬＥＤ照明モジュールの輝度変化や定格に応じて、極力小容量化が可能であるので、積層セラミックコンデンサが利用できる。これにより、電源回路をさらに小型化できる。

また、この発明の電源回路のＡＣ−ＤＣコンバータ部は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）を備え、該ＤＳＰによって、電流値に基づく半導体スイッチ素子の制御を行う。

この構成では、半導体スイッチ素子のスイッチ制御の具体的な構成例を示している。そして、ＤＳＰを用いることで、上述のような全波整流された脈状電圧の入力電圧から、直流の出力電圧を、定電流制御しながら生成する処理を、簡素かつ小型の回路構成で実現できる。

この発明によれば、高力率かつ高効率で小型からなるＬＥＤ照明ユニット用の電源回路を実現することができる。

従来の大容量の平滑コンデンサを用いた場合の入力電圧Ｖｉと入力電流Ｉｉの波形を示す図、および、従来のＰＦＣコンバータを用いた場合の入力電圧Ｖｉと出力電流Ｉｏの波形を示す図である。 本発明の実施形態の電源回路を含むＬＥＤ照明装置の概略構成を示す回路図である。 本実施形態の電源回路の入力電圧Ｖｉの波形、入力電流Ｉｉの波形、および出力電流Ｉｏの波形を示す図である。 １個の半導体スイッチ素子Ｑ１１を用いた電源回路の回路構成図である。 フライバックトランスを用いた電源回路の回路構成図である。

本発明の第１の実施形態に係る非絶縁型の電源回路について、図を参照して説明する。図２は、本発明の実施形態の電源回路を含むＬＥＤ照明装置の概略構成を示す回路図である。図３は、本実施形態の電源回路の入力電圧Ｖｉの波形、入力電流Ｉｉの波形、および出力電流Ｉｏの波形を示す図である。

本実施形態の電源回路は、第１，第２の半導体スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２を備えた昇降圧型で非絶縁型のスイッチング電源回路である。電源回路は、商用電源２００に接続する一対の入力端子からなる入力端Ｐｉｎを備える。

電源回路の入力端Ｐｉｎには、全波整流回路であるダイオードブリッジＤＢが接続されている。ダイオードブリッジＤＢの後段には、昇降圧コンバータが接続されている。

昇降圧コンバータは、入力コンデンサＣｉ、チョークコイルＬ、第１の半導体スイッチ素子Ｑ１、第２の半導体スイッチ素子Ｑ２、第１ダイオード素子Ｄ１、第２ダイオード素子Ｄ２を、出力コンデンサＣｏを備える。

入力コンデンサＣｉは、ダイオードブリッジＤＢの一対の出力端に接続されている。入力コンデンサＣｉは、極小さなキャパシタンスのコンデンサであり、ダイオードブリッジＤＢから出力される全波整流を平滑するほどのキャパシタンスを有さないものである。したがって、ダイオードブリッジＤＢの後段に接続される、昇降圧コンバータには、図３の破線に示すように、脈波状の波形からなる入力電圧Ｖｉが与えられる。

このように、入力電圧Ｖｉの波形が、正弦波の負値領域を正値側に反転した脈波状の波形であり、入力コンデンサＣｉのキャパシタンスが極小さいため、入力電流Ｉｉの波形は、図３の一点鎖線に示すような波形となる。すなわち、入力電流Ｉｉの波形は、入力電圧Ｖｉが所定レベル以上である期間では、Ｐｉ（入力電力：一定）＝Ｖｉ＊Ｉｉから得られる、入力電圧Ｖｉを反転した波形となる。一方、入力電圧Ｖｉが所定レベル未満となる期間では、理論的には、入力電流Ｉｉは理想的には無限大に向かって増加する特性になってしまうため、入力電圧値に応じて入力電流Ｉｉも低くなるように電流値を制限する制御を行う。すなわち、入力電圧値が「０」に近づく程、入力電流Ｉｉも「０」に近づくように制御する。これにより、インダクタの飽和防止や、電流の引き込みの防止による効率改善を実現できる。さらには、入力電流に高調波成分が含まれて実効電流が増大することによる力率低下を防止でき、力率改善を実現できる。

また、本実施形態の構成を用いることで、入力電圧Ｖｉと入力電流Ｉｉとが同位相となり、導通角が広くなるので、力率を高くすることができる。

また、入力コンデンサＣｉのキャパシタンスを極小さくすることで、電解コンデンサを用いる必要が無く、例えば、小型の積層セラミックコンデンサを用いることができる。これにより、電解コンデンサを用いる従来の電源回路よりも、小型化、高寿命化、低背化が可能になる。

入力コンデンサＣｉの両端子間（ダイオードブリッジＤＢの出力端子）には、第１の半導体スイッチ素子Ｑ１と第１ダイオードＤ１との直列回路が接続している。この際、第１の半導体スイッチ素子Ｑ１のドレインが、入力コンデンサＣｉの一方端子（ダイオードブリッジＤＢの一方の出力端子）に接続している。第１の半導体スイッチ素子Ｑ１のソースと第１ダイオードＤ１のカソードとが接続している。第１ダイオードＤ１のアノードが昇降圧コンバータとしての他方の入力端子（ダイオードブリッジＤＢの一方の他方端子）に接続している。

第１ダイオードＤ１には、チョークコイルＬと第２の半導体スイッチ素子Ｑ２との直列回路が並列接続している。この際、チョークコイルＬの一方端がダイオードＤ１のカソードに接続し、チョークコイルＬの他方端が第２の半導体スイッチ素子Ｑ２のドレインに接続している。第２の半導体スイッチ素子Ｑ２のソースが第１ダイオードＤ１のアノードに接続している。

第２の半導体スイッチ素子Ｑ２には、第２ダイオードＤ２と平滑用の出力コンデンサＣｏとの直列回路が並列接続している。第２ダイオードＤ２のアノードが第２の半導体スイッチ素子Ｑ２のドレインに接続している。出力コンデンサＣｏは、正電極がダイオードＤ２側となるように接続している。出力コンデンサＣｏの両端が、電源回路としての出力端Ｐｏｕｔとなる。当該出力端Ｐｏｕｔの一対の出力端子間に、ＬＥＤ照明モジュールからなる負荷１００が接続される。

また、電源回路は、制御部１０、電流検出部１１を備える。電流検出部１１は、出力端子Ｐｏｕｔを構成するいずれか一方の出力端子と出力コンデンサＣｏの一方端との間に直列接続されている。具体的に、図２の例であればグランドライン側の出力端子と出力コンデンサＣｏの端子との間に直列接続されている。電流検出部１１は、既知の直流電流を検出する回路構成からなり、負荷１００に流れる電流である出力電流値を検出し、制御部１０へ出力する。

制御部１０は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等によって実現される。制御部１０は、電流検出部１１からの出力電流値と、商用電源２００の電圧仕様に基づく入力電圧に応じた目標電流値とを用いて、ＬＥＤ照明モジュールである負荷１００に一定電流を与えるように、スイッチング制御信号を生成する。スイッチング制御信号とは、第１の半導体スイッチ素子Ｑ１をオンオフ制御する信号と、第２の半導体スイッチ素子Ｑ２をオンオフ制御する信号とからなる。制御部１０は、スイッチング制御信号を、第１の半導体スイッチ素子Ｑ１および第２の半導体スイッチ素子Ｑ２へ与える。この際、制御部１０は、目標電流値と出力電流値との差に基づいて、昇圧モード、降圧モード、昇降圧モードのいずれかの動作モードにより、スイッチング制御信号を生成する。昇圧モードとは、入力電圧Ｖｉが出力電圧よりも所定閾値以上に低い場合に実行される制御モードであり、第１の半導体スイッチ素子Ｑ１を常時オン制御し、第２の半導体スイッチ素子Ｑ２を所定のオンデューティでオンオフ制御する。降圧モードとは、入力電圧Ｖｉが出力電圧よりも所定閾値以上に高い場合に実行される制御モードであり、第２の半導体スイッチ素子Ｑ２を常時オフ制御し、第１の半導体スイッチ素子Ｑ１を所定のオンデューティでオンオフ制御する。昇降圧モードとは、入力電圧Ｖｉと出力電圧との差分の絶対値が所定閾値の範囲内となる場合に実行される制御モードであり、第１、第２の半導体スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２をそれぞれ所定のオンデューティでオンオフ制御する。

このような制御モードを組み合わせることで、本実施形態の昇降圧コンバータでは、出力端子Ｐｏｕｔに、図３の実線に示すような、連続的に略一定の所定電流値からなる、出力電流Ｉｏが出力される。なお、制御部１０をＤＳＰとすることで、脈波状の入力電圧を用いて、入力電圧と出力電圧の差から複数の制御モードを切り替えてスイッチングする制御を容易且つ簡素な回路構成で実現できる。

このように、出力電流Ｉｏが略一定の電流値となることで、ＬＥＤ照明モジュールの定格電流に極近く低い電流値を目標電流値に設定することができる。そして、このように目標電流値を設定することで、ＬＥＤ照明モジュールの定格電流に近い電流値が、ＬＥＤ照明モジュールへ定常的に供給される。これにより、ＬＥＤ照明モジュールの発光効率を、従来の構成よりも大幅に改善することができる。

ここで、より具体的に、出力コンデンサＣｏのキャパシタンスについて、説明する。出力コンデンサＣｏは、出力電流Ｉｏが、図３の実線に示すように、入力電流Ｉｉのゼロクロス付近を除いて略一定の電流値となるような程度のキャパシタンスを有する。例えば、出力コンデンサＣｏのキャパシタンスの下限としては、キャパシタンスの不足による出力電流Ｉｏの一時低下で生じるＬＥＤ照明モジュールのチラツキが予め設定した許容範囲内であるように、設定するとよい。または、出力電流Ｉｏの一時低下で生じる出力電圧Ｖｏの瞬時的な増加が、ＬＥＤ照明モジュールの定格範囲内に入るように、設定するとよい。また、出力コンデンサＣｏのキャパシタンスは、インダクタ電流に重畳されるスイッチングリップル成分を除去できる程度のものであればよい。これにより、電解コンデンサと比較して低い容量となる積層セラミックコンデンサを、出力コンデンサＣｏに用いることができる。この結果、ＬＥＤ照明装置としての特性を実質的に劣化させることなく、出力コンデンサＣｏを小型化することができる。

以上のように、本実施形態に示す電源回路の構成を用いることで、高力率、高発光効率で、小型、低背、長寿命のＬＥＤ照明モジュールを実現することができる。

なお、上述の実施形態では、２個の半導体スイッチ素子を用いた非反転型で非絶縁の電源回路を例に示したが、図４に示すような１個の半導体スイッチ素子を用いた反転型で非絶縁の電源回路に対しても、上述の構成を適用することができる。図４は、１個の半導体スイッチ素子Ｑ１１を用いた電源回路の回路構成図である。

この電源回路は、ダイオードブリッジＤＢの一対の出力端子間に、チョークコイルＬと半導体スイッチ素子Ｑ１１との直列回路が接続されている。この際、半導体スイッチ素子Ｑ１１は、ドレインがチョークコイルＬに接続し、ソースがダイオードブリッジＤＢの一方の出力端子に接続している。

チョークコイルＬには、出力コンデンサＣｏとダイオードＤ１１との直列回路が並列接続されている。この際、ダイオードＤ１１は、アノードがチョークコイルＬに接続し、カソードが出力コンデンサＣｏに接続している。出力コンデンサＣｏは、正電極がダイオードＤ１１側となるように接続している。

出力コンデンサＣｏの両端が、電源回路の出力端Ｐｏｕｔとなり、当該出力端ＰｏｕｔにＬＥＤ照明モジュールからなる負荷１００が接続している。この際、ＬＥＤ照明モジュールは、アノードが出力コンデンサＣｏの正電極側となるように、接続している。

出力端子と出力コンデンサＣｏとの間には、電流検出部１１が接続している。電流検出部１１で検出された出力電流は、制御部１０に与えられる。制御部１０は、検出された出力電流値と目標電流値とに基づいて、定電流制御するようにスイッチング制御信号を生成し、半導体スイッチ素子Ｑ１１へ与える。

また、本実施形態の構成は、図５に示すようなフライバックトランスを用いた絶縁型の電源回路にも適用できる。図５はフライバックトランスを用いた電源回路の回路構成図である。

この電源回路は、ダイオードブリッジＤＢの一対の出力端子間に、フライバックトランスＴの一次側コイルと半導体スイッチ素子Ｑ１２との直列回路が接続されている。この際、半導体スイッチ素子Ｑ１２は、ドレインがフライバックトランスＴの一次側コイルに接続し、ソースがダイオードブリッジＤＢの一方の出力端子に接続している。

フライバックトランスＴの２次側コイルの両端には、ダイオードＤ１２と出力コンデンサＣｏとの直列回路が接続している。この際、ダイオードＤ１２は、アノードがフライバックトランスＴの二次側コイルに接続し、カソードが出力コンデンサＣｏに接続している。出力コンデンサＣｏは、正電極がダイオードＤ１２側となるように接続している。

出力コンデンサＣｏの両端が、電源回路の出力端Ｐｏｕｔとなり、当該出力端ＰｏｕｔにＬＥＤ照明モジュールからなる負荷１００が接続している。この際、ＬＥＤ照明モジュールは、アノードが出力コンデンサＣｏの正電極側となるように、接続している。

出力端子と出力コンデンサＣｏとの間には、電流検出部１１が接続している。電流検出部１１で検出された出力電流は、制御部１０に与えられる。制御部１０は、検出された出力電流値と目標電流値とに基づいて、定電流制御するようにスイッチング制御信号を生成し、半導体スイッチ素子Ｑ１２へ与える。

また、上述の説明では、昇降圧コンバータを例に説明したが、昇圧コンバータや、降圧コンバータにも、上述の構成を適用することができる。

なお、昇圧コンバータを用いる場合には、入力電圧が出力電圧よりも高い時には、コンバータ動作に関わらず、負荷であるＬＥＤ照明モジュールへ高い電流が流れて、ＬＥＤ照明モジュールが破壊されてしまう可能性がある。この場合には、使用し得る入力電圧の上限に基づいて、当該上限の入力電圧であっても、ＬＥＤの順方向電圧が入力電圧を上回るように、ＬＥＤ照明モジュールを設計すればよい。

また、降圧コンバータを用いる場合には、入力電圧が出力電圧よりも低い時には、電流を流すことができなくなる。この場合には、導通角が広くなるように、ＬＥＤの順方向電圧を低めに設定すればよい。

１０−制御部、１１−電流検出部、１００−負荷、２００−商用電源、Ｃｉ−入力コンデンサ、Ｃｏ−出力コンデンサ、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ１１，Ｄ１２−ダイオード、Ｌ−チョークコイル、Ｐｉｎ−入力ポート、Ｐｏｕｔ−出力ポート、Ｑ１−第１の半導体スイッチ素子、Ｑ２−第２の半導体スイッチ素子，Ｑ１１，Ｑ１２−半導体スイッチ素子

Claims (6)

1. 商用電源から供給される交流電圧を全波整流する整流回路と、
   少なくとも一個の半導体スイッチ素子を備え、当該半導体スイッチ素子をオンオフ制御することで、前記整流回路から出力される全波整流の電圧から直流電圧を出力するＡＣ−ＤＣコンバータ部と、
   該ＡＣ−ＤＣコンバータ部の出力端に直流点灯型のＬＥＤ照明モジュールが接続することで電源回路に流れる電流を検出する電流検出部と、を備えたＬＥＤ照明モジュール用の電源回路であって、
   前記ＡＣ−ＤＣコンバータ部は、前記電流検出部で検出される電流値に基づいて、出力電流値が略一定となる定電流制御を、前記半導体スイッチ素子に行う、電源回路。
2. 請求項１に記載の電源回路であって、
   前記ＡＣ−ＤＣコンバータ部は、
   前記全波整流回路との接続端である入力端に、全波整流された電圧信号の波形を略そのままで前記ＡＣ−ＤＣコンバータ部へ入力させる容量からなる入力コンデンサと、
   昇降圧コンバータと、
   該昇降圧コンバータの出力端に接続され、前記昇降圧コンバータのインダクタ電流のスイッチングリップルを除去する出力コンデンサと、
   を備える、電源回路。
3. 請求項１に記載の電源回路であって、
   前記ＡＣ−ＤＣコンバータ部は、
   前記全波整流回路との接続端である入力端に、全波整流された電圧信号の波形を略そのままで前記ＡＣ−ＤＣコンバータ部へ入力させる容量からなる入力コンデンサと、
   降圧コンバータと、
   該降圧コンバータの出力端に接続され、前記降圧コンバータのインダクタ電流のスイッチングリップルを除去する出力コンデンサと、
   を備える、電源回路。
4. 請求項１に記載の電源回路であって、
   前記ＡＣ−ＤＣコンバータ部は、
   前記全波整流回路との接続端である入力端に、全波整流された電圧信号の波形を略そのままで前記ＡＣ−ＤＣコンバータ部へ入力させる容量からなる入力コンデンサと、
   昇圧コンバータと、
   該昇圧コンバータの出力端に接続され、前記昇圧コンバータのインダクタ電流のスイッチングリップルを除去する出力コンデンサと、
   を備える、電源回路。
5. 請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の電源回路であって、
   前記入力コンデンサおよび前記出力コンデンサは、積層セラミックコンデンサからなる、電源回路。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の電源回路であって、
   前記ＡＣ−ＤＣコンバータ部は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）を備え、
   該ＤＳＰによって、前記電流値に基づく前記半導体スイッチ素子の制御を行う、電源回路。

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