JP2013030726A - 高効率交流駆動ｌｅｄモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】入力電圧の変動による電力／電流偏差および力率を大幅改善し、各国規格を遵守するのはもとより、制御損失を最小化してＬＥＤランプの電力効率を極大化させることができるようにした、高効率交流駆動ＬＥＤを提供する。
【解決手段】本発明の高効率交流駆動ＬＥＤモジュールは、商用電源電圧を整流する全波整流部と、直列にそれぞれ或いはグループ化配列されたＬＥＤ部と、直列接続されたＬＥＤを順次区間制御する瞬時電流制御部と、入力電圧の変動に対する入力電流と入力電力の変動を能動的に制御する入力電力補償部とがワンボードモジュール（ＡＳＩＣ）化或いはＩＣ化したことを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、高効率交流駆動ＬＥＤモジュールに係り、より詳しくは、商用電圧をブリッジダイオード(Bridge Diode)整流の後に適切な（最大商用電圧＊√２／Ｄｉｏｄｅ ＶＦ）多量の直列ＬＥＤチップ(chip)を順次区間制御し、電流を増加させながら駆動する方式であって、現存するＡＣ ＬＥＤの最も大きい問題点である、入力電圧の変動による電力／電流偏差および力率(Power Factor)を大幅改善することにより、各国規格（ＰＦ０．９以上）を遵守するのはもとより、制御損失を最小化してＬＥＤランプの電力効率（約９５％以上）を極大化させることができるようにした、高効率交流駆動ＬＥＤモジュールに関する。
ＬＥＤ(Luminescent Diode)は、電流駆動素子であって、定電流が安定的に供給されれば動作できる。
この種のＬＥＤのうち、小型ＬＥＤの場合は図１に示すような方式で制御できる。
例えば、図１はＬＥＤランプの制御方式の一つを示すものである。図１に示すような制御方式は、従来、直流電圧変換装置としてのＳＭＰＳと定電流ドライバーを用いてＬＥＤを点灯させているため、製造コストが高いという欠点がある。
特に、制御方式の問題点である、電解コンデンサ（Ｃ１、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５）による短い寿命（ＭＴＢＦ約１０，０００ＨＲ〜２０，０００ＨＲ）でＬＥＤ単品の寿命を１００％活用することができない寿命短縮問題、ＳＭＰＳスイッチング(Switching)方式による電磁波問題、組立構造による放熱問題、エネルギー変換による効率（約８０％）問題など多様な問題の改善が要求されている。
これを改善するために一部のＬＥＤ製造社で開発された図２のＡＣ ＬＥＤがあるが、過電圧（過電流）に敏感に反応するＬＥＤの源泉的な特性によって使用電圧範囲を１０Ｖ単位で区分して製造（販売）している実情である。
また、最も重要な問題として、ＬＥＤ単品の場合は力率規制（５Ｗ以下は０．８５以上）を満足させることができるが、これを用いて作ったＬＥＤランプ（Ｂｕｌｂ、Ｄｏｗｎ−ｌｉｇｈｔ、Ｔｕｂｅ、Ｆｌａｔ、Ｓｔｒｅｅｔなど）の場合はランプの入力電力を基準にすれば、図３のように力率（０．９以上）規制を満たしておらず各国のランプ規格認証を受けることができないという欠点がある。
また、受動素子（ブリッジダイオード、レジスタ）のみから構成されていて効率が悪く、入力電圧の変動に対する電流制御が能動的に行われないため、電圧変動範囲で入力電力および電流が急激に下降または上昇してＬＥＤランプの明るさが一定ではなく、急激に変化する。
これは各国規格を満たし難いうえ、熱によるＬＥＤ寿命や光速などが低下し、信頼性が著しく低下するおそれがあるという問題点を持っている。
最近、ＡＣ ＬＥＤの力率問題を改善した交流駆動ＬＥＤドライバーが開発されたが、これも、ＬＥＤのＶＦ特性上、定電流制御器で相対的に効率を低下させることにより、定格電圧範囲の上位区間で能動素子の損失が大きく発生して効率を低下させる問題点を持っている。
本発明は、上述した従来の技術の問題点を解決するために創出されたもので、その第１目的は、従来のＳＭＰＳ定電流方式（エネルギー変換による効率問題）、ＡＣ ＬＥＤ（受動素子の使用による効率問題）、交流駆動ＬＥＤドライバー（定格電圧範囲の上位区間における能動素子の損失による効率問題）の問題点である効率を約９５％以上に改善させることにある。
本発明の第２目的は、ＳＭＰＳ定電流制御方式で必ず使用される電解コンデンサ(Electrolytic Capacitor)により半減している寿命（ＭＴＢＦ約１０，０００ＨＲ〜２０，０００ＨＲ）問題を改善してＬＥＤランプの寿命を増大（ＬＥＤ単品特性に準ずる）させることにある。
本発明の第３目的は、ＬＥＤ特性上持っているＡＣ ＬＥＤの低い力率（約０．８５）を改善してＬＥＤランプの力率を０．９５以上に満足させることにある。
本発明の第４目的は、ＳＭＰＳ高周波スイッチングで発生するＥＭＩ規制に対応するために挿入されるＥＭＩフィルターの大きさ、価格、ＥＭＩ対策などの問題を解決することにある。
本発明の第５目的は、ＡＣ ＬＥＤの入力電圧変動と入力電力および電流の急激な変動により発生するＬＥＤランプの不規則的な明るさが最大限均一に保たれるように改善することにある。
本発明の第６目的は、ＡＣ ＬＥＤの特性上明るさ（トライアック調光(Triac-Dimming)）制御区間が狭い限界があるが、さらに幅広く安定的に明るさ(Dimming)を制御し、且つ開始点を制御することにある。
本発明の第７目的は、複雑な回路およびインダクター(inductor)類などの受動部品により小型化および集積化が難しく、且つ製造自動化が難しくて生産性が低下するという問題を改善することにある。
本発明の第８目的は、ＬＥＤドライバーをＬＥＤランプの種類によって毎回設計しなければならない問題を標準化させて改善することにある。
本発明の第９目的は、内蔵されるＬＥＤドライバーによる複雑な構造的難しさにより放熱設計が容易ではない問題を解決することにある。
上記目的を解決するために、本発明は、商用電源電圧を整流する全波整流部と、直列にそれぞれ或いはグループ化配列されたＬＥＤ部と、直列接続されたＬＥＤを順次区間制御する瞬時電流制御部と、入力電圧の変動に対する入力電流と入力電力の変動を能動的に制御する入力電力補償部とがワンボードモジュール（ＡＳＩＣ）化或いはＩＣ化されたことを特徴とする、高効率交流駆動ＬＥＤモジュールを提供する。
この際、前記瞬時電流制御部は、次上位瞬時電流制御部のグランド(Ground)を次下位瞬時電流制御部のシャントレジスタ(Shunt-Resistor)に接続して順次区間制御することを特徴とする。
また、前記入力電力補償部は、入力電圧の変動に対する入力電流と電力の上昇を能動的に制御することを特徴とする。
また、前記ＬＥＤ部を除いた全波整流部、瞬時電流制御部、入力電力補償部のみをワンチップ(One-Chip)（パッケージ）化したことを特徴とする。
また、前記瞬時電流制御部の高効率化設計のために非反転増幅器を適用したことを特徴とする。
本発明によれば、次の効果を得ることができる。
１）直列ＬＥＤ或いはＬＥＤチップ区間瞬時電流順次制御方式による入力変動電圧の全区間高効率化（約９５％）が可能である。
２）電解コンデンサのない制御方式で長寿命（ＬＥＤ単品に準ずる寿命）が可能である。
３）直列ＬＥＤを順次制御し、電流を増加させながら駆動する方式で力率を大幅改善して各国規格（０．９以上）を満足する。
４）商用電圧および周波数をそのまま能動改善するので電磁波が非常に低いため、最小限のフィルター構成のみが要求されるから、製造コストを低めることができる。
５）入力電圧の変動およびＬＥＤ特性に対する消費電力および電流を能動的に制御して安定的なＬＥＤランプの明るさを保つことができる。
６）白熱電球のように明るさ（トライアック調光）の制御に適して広い区間を制御することができ、調光(Dimming)の開始点を制御することができる。
７）小型化および直接化した回路構成と低い制御損失によるワンボードモジュール(One-Board Module)（ＡＳＩＣ）化が可能である。
８）ＬＥＤモジュールを並列にして使用するとき、充分なランプ容量の拡張性が確保される。
９）組立構造が単純になって伝熱面積を充分に確保することができるため、放熱設計が非常に容易である。
従来のＳＭＰＳ方式（電解コンデンサの使用）のＬＥＤドライバー回路図である。 従来のＡＣ ＬＥＤの内部構成および駆動回路図である。 従来のＡＣ ＬＥＤ駆動時の入力端電圧、電流の位相差を示す波形図である。 本発明に係る高効率交流駆動ＬＥＤモジュールの代表的な回路図である。 本発明に係る高効率交流駆動ＬＥＤモジュールの制御例を示すブロック図である。 本発明の高効率交流駆動ＬＥＤモジュールの入力端電圧、電流波形図である。 本発明の高効率交流駆動ＬＥＤモジュールの入力電圧変動による入力電流変化波形図である。 （ａ）〜（ｅ）は図４の時間による動作別電流ループを示す例示図である。 瞬時電流制御部に適用する電流増幅器（非反転増幅器の活用例）の例示的な回路図である。 本発明に係る集積化部品（Ｃｏｎｔｒｏｌ ＩＣ）を適用した高効率交流駆動ＬＥＤモジュール（ＡＳＩＣ）の予想製品図である。
以下に添付図面を参照しながら、本発明に係る好適な実施例をより詳細に説明する。
図４は本発明に係る高効率交流駆動ＬＥＤモジュールの構成を概略的に示すブロック回路図、図５は本発明に係る高効率交流駆動ＬＥＤモジュールの制御例を示すブロック図である。
図４および図５に示すように、全波整流部１００は、商用電源電圧を全波整流して直列ＬＥＤ部２００に供給する。
前記直列ＬＥＤ部２００は、効率および力率の最適化によってそれぞれ或いはグループ化配列される。グループ化配列の際に、瞬時電流制御部３００は各グループ当たり１つずつのみ適用される。
全波整流部を介しての電圧がそれぞれ或いはグループ化配列されたＬＥＤの臨界電圧に達すると、連結されたＬＥＤ ＴＡＢ＃を介して瞬時電流制御部３００へ電流が流れ始める。
全波整流電圧が上昇して次上位ＬＥＤの臨界電圧に達すると、ＬＥＤ ＴＡＢ＃を介して次上位瞬時電流制御部４００に電流が流れ始める。
また、次上位瞬時電流制御部４００の電流上昇分だけ次下位瞬時電流制御部３００の電流は減少し、設定値以上の電流が流れると、自動遮断される。
このような動作は、全波整流電圧の最大値に到達するまで順次繰返し適用される。
最大値に到達した全波整流電圧が下降してそれぞれ或いはグループ化配列された最上位ＬＥＤの臨界電圧以下に下降すると、連結されたＬＥＤ ＴＡＢ＃に電流が流れなくなる。
このような動作は、全波整流電圧の最小値（０Ｖ）に到達するまで順次繰返し適用される。
すなわち、前記瞬時電流制御部３００、４００は全波整流電圧に応じて下記のとおり順次制御される。
例えば、図５に示すように、ＬＥＤグループが４つから構成されたと仮定すると、ＬＥＤ Ｇｒｏｕｐ１制御部ＯＮ→ＬＥＤ Ｇｒｏｕｐ２制御部ＯＮ＋ＬＥＤ Ｇｒｏｕｐ１制御部ＯＦＦ→ＬＥＤ Ｇｒｏｕｐ３制御部ＯＮ＋ＬＥＤ Ｇｒｏｕｐ２制御部ＯＦＦ→ＬＥＤ Ｇｒｏｕｐ４制御部ＯＮ＋ＬＥＤ Ｇｒｏｕｐ３制御部ＯＦＦ→ＬＥＤ Ｇｒｏｕｐ３制御部ＯＮ→ＬＥＤ Ｇｒｏｕｐ４制御部ＯＦＦ→ＬＥＤ Ｇｒｏｕｐ２制御部ＯＮ＋ＬＥＤ Ｇｒｏｕｐ３制御部ＯＦＦ→ＬＥＤ Ｇｒｏｕｐ１制御部ＯＮ＋ＬＥＤ Ｇｒｏｕｐ２制御部ＯＦＦ→ＬＥＤ Ｇｒｏｕｐ１制御部ＯＦＦのように、前記瞬時電流制御部３００、４００は、必要区間で前記直列ＬＥＤ部を順次区間制御することにより、効率、力率およびＴＨＤ(Total Harmonic Distortion、全高調波ひずみ)を改善することができる。
また、前記瞬時電流制御部３００、４００のグループ化配列状態に応じて電流波形が変わり、グループを細分化すると、効率、力率およびＴＨＤをよりさらに改善することができる。
それだけでなく、次下位グループ瞬時電流制御部３００のＱ２電力損失を防止するために、次上位瞬時電流制御部４００のグランド(Ground)７００を次下位瞬時電流制御部３００のＲ４シャントレジスタ(Shunt-Resistor)６００上にのせて接続する。
ＬＥＤ部から発生した熱によって前記瞬時電流制御部３００、４００のＱ３、Ｑ５の電流増幅率（ｈｆｅ）が増加してＱ２、Ｑ４の電流を減少させることにより、入力電流と入力電力が減少する結果をもたらす。
これを補償するために、前記瞬時電流制御部３００、４００のＱ３、Ｑ５ Ｂ−Ｅ端にＮＴＣサーミスタ(Thermistor)を近接するように連結させた。
すなわち、ＬＥＤ部から発生した熱だけＮＴＣサーミスタの抵抗値が小さくなり、これにより並列接続された前記瞬時電流制御部３００、４００のＲ４、Ｒ６の合成抵抗値も小さくなってＱ２、Ｑ４の電流を増加させる。
ＬＥＤ部から発生した熱によってＱ３、Ｑ５の電流増幅率（ｈｆｅ）が増加してＱ２、Ｑ４の電流が減少した分だけＮＴＣサーミスタによってＱ２、Ｑ４の電流を増加させることにより、全体的な入力電流と入力電力の変動範囲を最小化させることができる。
一方、入力電力補償部５００は、入力電圧の変動による瞬時電流制御部３００のＱ２能動制御のために適用され、全ての瞬時電流制御部に適用されるのではなく、開始する幾つかの瞬時電流制御部にのみ適用される。
この場合、次上位瞬時電流制御部４００からは入力電力補償部５００回路のＲ１、Ｒ２、Ｃ１が削除され、Ｑ１部品のみ適用され、前記入力電力補償部５００のＱ１ゲート８００地点から次上位瞬時電流制御部に並列に連結される。
また、Ｑ１能動制御によって瞬時電流制御部３００のＱ２を制御することにより、入力電圧の変動による入力電力と入力電流の変動範囲を最小化させる。
この際、前記入力電力補償部５００も、ＬＥＤから発生した熱によってＱ１のＶＧＳしきい電圧レベル(Threshold Voltage level)が減少し、設定された動作制御区間以上でＱ１が動作することにより、入力電流が減少する結果をもたらす。
これを補償するために、前記入力電力補償部５００のＱ１ Ｇ−Ｓ間に連結されたＲ２に直列にＮＴＣサーミスタを連結させた。
すなわち、ＬＥＤ部から発生した熱だけＮＴＣサーミスタの抵抗値が小さくなり、これによりＱ１ Ｇ−Ｓ電位が低くなってＱ１動作を補償する。
このような本発明に係る高効率交流駆動ＬＥＤモジュールは、従来のＡＣ ＬＥＤに比べてサンプル試料をテストした結果、電圧変動範囲で入力電力および電流の変動範囲が小さく示されたが、これをまとめると、下記表１のとおりである。
Figure 2013030726
図６は本発明に係る高効率交流駆動ＬＥＤモジュールの入力端電圧／電流を示す波形を示す。
図６において、Ｐ１は前記入力電力補償部５００の適用による入力電流が変化する区間である。
また、図７より、入力電圧の上昇に比例して入力電流波形が変化することを確認することができる。
次に、図８の（ａ）〜（ｅ）を参照して瞬時電流制御部の動作について詳細に説明する。
図８の（ａ）ｔ０→ｔ１では全波整流電圧が上昇してＬＥＤ１の臨界電圧に達する。
図８の（ｂ）ｔ１→ｔ２では、ＬＥＤ ＴＡＢ１から瞬時電流制御部３００のＲ３を介して電流が流れ、これにより電圧が徐々に上昇して、Ｑ２のＶｇｓに電圧が印加されると、Ｑ２のドレイン(Drain)電流が設定値まで上昇する。
図８の（ｃ）ｔ２→ｔ３では、瞬時電流制御部３００のＲ４シャントレジスタとＱ３を介して設定された電流が一定に保たれる。この際、全波整流電圧が上昇してＬＥＤ２の臨界電圧に達する。
図８の（ｄ）ｔ３→ｔ４では、ＬＥＤ ＴＡＢ２から次上位瞬時電流制御部４００のＲ５を介して電流が流れ、これにより電圧が徐々に上昇して、Ｑ４のＶｇｓに電圧が印加されると、Ｑ４のドレイン電流が設定値まで上昇する。
これと同時に、瞬時電流制御部４００の電流は、グランド７００に連結された次下位瞬時電流制御部３００のＲ４シャントレジスタ６００を介して流れ始めるにつれて、次上位瞬時電流制御部４００の電流が増加する分だけ次下位瞬時電流制御部３００の電流は減少し、設定値以上になると、Ｑ２はＱ３によってＯＦＦされる。
図８の（ｅ）ｔ４→ｔ５では、次上位瞬時電流制御部４００のＲ６シャントレジスタとＱ５を介して設定された電流が一定に保たれる。この際、全波整流電圧が上昇してＬＥＤ３の臨界電圧に達する。
このようにＬＥＤまたはＬＥＤグループが入力電圧最大値（Ｖｒｍｓ＊√２）まで反復動作し、入力電圧最大値（Ｖｒｍｓ＊√２）以後からは前記の逆順に反復動作する。
また、Ｒ４シャントレジスタの損失(loss)を減らして効率を極大化する方法によって、必要に応じて図９のような増幅器を適用することができる。
図９は非反転増幅器を用いた例であって、前記瞬時電流制御部３００のＱ３のベース端に適用することができる。
それだけでなく、本発明は図１０のような形態に集積化して製品化してもよい。
上述した本発明は好適な実施例および添付図面によって限定されるものではなく、特許請求の範囲によって限定されるものである。本発明の技術的思想を逸脱することなく様々な置換、変形および変更を加え得るのは、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者には明白である。
１００ 全波整流部
２００ 直列ＬＥＤ部
３００、４００ 瞬時電流制御部
５００ 入力電力補償部
６００ 次下位瞬時電流制御部のシャントレジスタ
７００ 次上位瞬時電流制御部のグランド
８００ 次上位瞬時電流制御部のシャントレジスタ

Claims (5)

  1. 商用電源電圧を整流する全波整流部と、
    直列にそれぞれ或いはグループ化配列されたＬＥＤ部と、
    直列接続されたＬＥＤを順次区間制御する瞬時電流制御部と、
    入力電圧の変動に対する入力電流と入力電力の変動を能動的に制御する入力電力補償部とがワンボードモジュール（ＡＳＩＣ）化或いはＩＣ化されたことを特徴とする、高効率交流駆動ＬＥＤモジュール。
  2. 前記瞬時電流制御部が次上位瞬時電流制御部のグランド(Ground)を次下位瞬時電流制御部のシャントレジスタ(Shunt-Resistor)に接続して順次区間制御することを特徴とする、請求項１に記載の高効率交流駆動ＬＥＤモジュール。
  3. 前記入力電力補償部が入力電圧の変動に対する入力電流と電力の上昇を能動的に制御することを特徴とする、請求項１に記載の高効率交流駆動ＬＥＤモジュール。
  4. 前記ＬＥＤ部を除いた全波整流部、瞬時電流制御部、入力電力補償部のみをワンチップ（パッケージ）化したことを特徴とする、請求項１に記載の高効率交流駆動ＬＥＤモジュール。
  5. 前記瞬時電流制御部の高効率化設計のために非反転増幅器を適用したことを特徴とする、請求項１に記載の高効率交流駆動ＬＥＤモジュール。
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