JP2016063703A

JP2016063703A - 電源装置および照明装置

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Publication number: JP2016063703A
Application number: JP2014191800A
Authority: JP
Inventors: 松本　晋一郎; Shinichiro Matsumoto; 晋一郎松本; 宇佐美　朋和; Tomokazu Usami; 朋和宇佐美; 小西　達也; Tatsuya Konishi; 達也小西
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2014-09-19
Filing date: 2014-09-19
Publication date: 2016-04-25
Anticipated expiration: 2034-09-19
Also published as: JP6361876B2

Abstract

【課題】、昇圧チョッパ回路の入力電圧が高い、または、負荷が軽い場合の出力電圧の不所望な上昇または変動を抑制できる電源装置およびこれを備えた照明装置を提供する。【解決手段】昇圧チョッパ回路16は、スイッチング素子Q1、および、スイッチング素子Q1に流れる電流Ｉの増減に応じてスイッチング素子Q1をスイッチングさせるドライバ24を備える。電流検出部27は、昇圧チョッパ回路16のスイッチング素子Q1に流れる電流Ｉに比例する電流を検出してドライバ24に供給する。マイコン33は、昇圧チョッパ回路16の入力電圧Vinに比例する電圧が予め設定された所定の電圧値以上となったときと、光源12の調光信号が予め設定された所定の調光レベル以下となったときとの少なくともいずれかのときに信号を出力する。重畳手段31は、マイコン33から信号が出力されると電流検出部27により検出してドライバ24に供給される電流にオフセット電流を重畳する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、スイッチング素子のスイッチングにより直流電源部からの入力の力率を改善する昇圧チョッパ回路を有する電源装置およびこれを備えた照明装置に関する。

従来、半導体スイッチング素子を制御して力率改善する昇圧チョッパ回路では、入力電圧が高いとき、また、負荷が軽いときに、スイッチング素子のオン幅の絞り込み限界によりオン幅が絞り込めず、制御限界により出力電圧が上昇することがある。この点、例えば過電圧検出手段などを用い、過電圧を検出したときにスイッチング素子の発振を停止させて出力電圧の上昇を抑えることが考えられる。しかしながら、このような過電圧検出手段が検出する過電圧は、レギュレーション電圧をおよそ１０％程度増加させた値を閾値として設定されるのが通常であるため、軽負荷時に昇圧チョッパ回路の出力電圧が常時１０％増しで動作する状態は、負荷側回路や、昇圧チョッパ回路の出力電解コンデンサにとっては負荷が大きく、好ましくない。

米国特許第６９４６８１９号公報

本発明が解決しようとする課題は、昇圧チョッパ回路の入力電圧が高い、または、負荷が軽い場合の出力電圧の不所望な上昇または変動を抑制できる電源装置およびこれを備えた照明装置を提供することである。

実施形態の電源装置は、昇圧チョッパ回路と、降圧手段と、電流検出部と、信号出力手段と、重畳手段とを有する。昇圧チョッパ回路は、スイッチング素子、および、このスイッチング素子に流れる電流の増減に応じてこのスイッチング素子をスイッチングさせる制御手段を備え、スイッチング素子のスイッチングによって外部電源からの入力電圧を昇圧する。降圧手段は、昇圧チョッパ回路により昇圧された電圧を降圧して光源に供給する。電流検出部は、昇圧チョッパ回路のスイッチング素子に流れる電流に比例する電流を検出して制御手段に供給する。信号出力手段は、昇圧チョッパ回路の入力電圧に比例する電圧が予め設定された所定の電圧値以上となったときと、光源の調光信号が予め設定された所定の調光レベル以下となったときとの少なくともいずれかのときに信号を出力する。重畳手段は、信号出力手段から信号が出力されると電流検出部により検出して制御手段に供給される電流にオフセット電流を重畳する。

本発明によれば、昇圧チョッパ回路の入力電圧に比例する電圧が予め設定された所定の電圧値以上となったときと、光源の調光信号が予め設定された所定の調光レベル以下となったときとの少なくともいずれかのときには、信号出力手段から出力された信号により重畳手段が電流検出部から制御手段に供給される電流にオフセット電流を重畳するので、この電流が供給された制御手段がスイッチング素子の不規則な発振を抑制し、昇圧チョッパ回路の出力電圧の不所望な上昇または変動を抑制することが期待できる。

一実施形態の電源装置を示す回路図である。

以下、一実施形態の構成を、図面を参照して説明する。

図１において、10は照明装置であり、この照明装置10は、電源装置11と負荷としてのＬＥＤなどの発光素子である光源12とを備えている。

すなわち、電源装置11は、光源12を点灯させる点灯装置用のものであり、この電源装置11は、外部電源(交流電源部)である商用交流電源ｅに接続された電源部15と、この電源部15に直流電圧を出力する昇圧チョッパ回路16と、この昇圧チョッパ回路16に電気的に接続されて光源12に電力を供給する降圧手段である降圧チョッパ回路17とを有している。

電源部15は、図示しないノイズフィルタ回路と、このノイズフィルタ回路に接続された整流素子22および整流素子22からの出力を平滑する平滑素子である電解コンデンサなどの昇圧チョッパ回路16の入力コンデンサである平滑コンデンサC1とを備えている。

ノイズフィルタ回路は、例えばヒューズ、コンデンサ、コモンモードチョークおよびコンデンサによって構成された既知のラインフィルタである。

整流素子22は、ノイズフィルタ回路の出力側に接続されたブリッジダイオードなどの全波整流素子である。

昇圧チョッパ回路16は、電源部15からの出力電圧を所望の電圧に変換する電流臨界型の力率改善回路であり、交流正弦波または交流矩形波の交流電力を直流変換する。この昇圧チョッパ回路16は、電源部15に対して、昇圧用のトランス(チョッパチョーク)であるインダクタL1と逆阻止用のダイオードD1との直列回路が接続されているとともに、インダクタL1とダイオードD1のアノードとの接続点に、例えばＰチャネル型のＭＯＳＦＥＴなどの(昇圧チョッピング用)スイッチング素子Q1が接続され、出力側であるダイオードD1のカソード側に電解コンデンサなどの出力コンデンサである平滑コンデンサC2が接続され、かつ、スイッチング素子Q1をスイッチング制御する制御手段としての(昇圧チョッパ用)ドライバ24を備えている。

インダクタL1は、一次巻線L1aが整流素子22の出力側とダイオードD1のアノードとの間に接続されているとともに、二次巻線(補助巻線)L1bがドライバ24と接続されている。

スイッチング素子Q1は、ドレイン端子がインダクタL1(一次巻線L1a)とダイオードD1のアノードとの接続点に接続されているとともに、出力側であるソース端子が電流検出用の抵抗R1を介してグランド電位に接続されている。また、このスイッチング素子Q1の制御端子であるゲート端子は、ドライバ24と接続されている。

ドライバ24は、昇圧チョッパ回路16の入力電圧Vinを検出する入力電圧検出部25、昇圧チョッパ回路16の出力電圧Voutを検出する出力電圧検出部26、および、スイッチング素子Q1に流れる電流(ソース電流)Ｉを検出する電流検出部27と電気的に接続されている。そして、このドライバ24は、入力電圧検出部25により検出した昇圧チョッパ回路16の入力電圧Vin、出力電圧検出部26により検出した出力電圧Vout、インダクタL1に流れる電流、および、電流検出部27により検出した電流Ｉに基づいてスイッチング素子Q1を所定のスイッチング周波数でオンオフさせるとともに、そのスイッチング素子Q1のオン幅(デューティ)を制御する(オン時間およびオフ時間を設定する)制御ＩＣであり、少なくともスイッチング素子Q1に流れる電流Ｉが増加(減少)したときにスイッチング素子Q1のオン幅を増加(減少)させるようになっている。すなわち、このドライバ24は、電流Ｉの増減に応じてスイッチング素子Q1をスイッチングさせるようになっている。

入力電圧検出部25は、電源部15(整流素子22)と昇圧チョッパ回路16(平滑コンデンサC1)との間に接続されている。この入力電圧検出部25は、複数の(入力電圧)検出抵抗R2，R3が直列に接続されて構成され、これら検出抵抗R2，R3の分圧によって昇圧チョッパ回路16の入力電圧Vinに対応(比例)する電圧を検出することで、昇圧チョッパ回路16の入力電圧Vin(電源部15の出力電圧)を検出するようになっている。そして、検出抵抗R2，R3の接続点(中点)がドライバ24と接続されている。

出力電圧検出部26は、昇圧チョッパ回路16(平滑コンデンサC2)と降圧チョッパ回路17との間に接続されている。この出力電圧検出部26は、複数の(出力電圧)検出抵抗R4，R5が直列に接続されて構成され、これら検出抵抗R4，R5の分圧によって昇圧チョッパ回路16の出力電圧Voutに対応(比例)する電圧を検出することで、昇圧チョッパ回路16の出力電圧Vout(降圧チョッパ回路17の入力電圧)を検出するようになっている。そして、検出抵抗R4，R5の接続点(中点)がドライバ24と接続されている。

電流検出部27は、抵抗R1に加えて、この抵抗R1とスイッチング素子Q1のソース端子との接続点とドライバ24との間に接続された検出素子である抵抗R6およびこの抵抗R6を接地するコンデンサC3を備えており、スイッチング素子Q1に流れる電流Ｉに比例する電流を電圧として検出するようになっている。また、この電流検出部27には、この電流検出部27により検出した電流に所定の直流を重畳する重畳手段31が接続されている。

この重畳手段31は、２つの(一方および他方の)スイッチング素子Q2，Q3を備えている。スイッチング素子Q2は、例えばＮＰＮ型のバイポーラトランジスタ、スイッチング素子Q3は、例えばＰＮＰ型のバイポーラトランジスタであり、スイッチング素子Q2のエミッタ端子が接地され、コレクタ端子がスイッチング素子Q3の制御端子であるベース端子と抵抗R7を介して接続され、制御端子であるベース端子が信号出力手段であるマイコン33と接続されている。したがって、スイッチング素子Q2は、マイコン33によりオンオフが制御され、スイッチング素子Q3は、スイッチング素子Q2によりオンオフが制御されている。また、スイッチング素子Q3のエミッタ端子がプルアップ抵抗R8を介して所定の電圧源VDと接続されているとともに、コレクタ端子が抵抗R6とドライバ24との接続点に接続されている。

そして、マイコン33は、調光信号受信手段35および入力電圧検出部25の検出抵抗R2，R3の接続点(中点)と接続され、かつ、接地されている。

ここで、調光信号受信手段35は、ＰＷＭ信号である調光信号が例えば手動などにより入力される信号源37に接続された整流素子38と、この整流素子38に接続されたフォトカプラ39と、このフォトカプラ39に接続されたプルアップ抵抗R9とを備えている。整流素子38は、ＰＷＭ信号である調光信号を整流してフォトカプラ39に供給する例えばブリッジダイオードなどの全波整流素子である。また、フォトカプラ39は、フォトダイオードPDとフォトトランジスタPTとを備え、整流素子38と接続されたフォトダイオードPDが、この整流素子38により整流された調光信号に対応して点灯される。また、フォトトランジスタPTは、フォトダイオードPDの発光に応じてオンオフが切り換えられるスイッチング素子であり、エミッタ端子が接地され、コレクタ端子がプルアップ抵抗R9を介して所定の電圧源Ｖと接続されているとともにマイコン33と接続されている。したがって、調光信号受信手段35は、調光信号がハイレベルのときにフォトトランジスタPTがオンされてローレベル信号を出力し、調光信号がローレベルのときにフォトトランジスタPTがオフされてハイレベル信号を出力するようになっている。

そして、マイコン33は、調光信号受信手段35により信号源37から受信された調光信号が予め設定された所定の調光レベル以下、すなわち光源12を予め設定された所定の調光深度以上で調光することを指示する調光信号を調光信号受信手段35により受信してその調光信号に対応した信号が調光信号受信手段35(フォトカプラ39)から入力された場合と、入力電圧検出部25により検出した入力電圧Vinに比例する電圧が予め設定された所定の電圧以上である場合との少なくともいずれかの場合に、スイッチング素子Q2のベース端子にハイレベル信号を出力してこのスイッチング素子Q2をオンさせるようになっている。

降圧チョッパ回路17は、平滑コンデンサC2の両端に、Ｐチャネル型のＭＯＳＦＥＴなどの(降圧チョッピング用)スイッチング素子Q4とダイオードD2との直列回路が接続されている。さらに、ダイオードD2のカソードにインダクタL2が接続され、ダイオードD2のアノードが接地され、このダイオードD2に並列に光源12が接続されている。そして、スイッチング素子Q4の制御端子であるゲート端子は、このスイッチング素子Q4のオン時間およびオフ時間を設定する降圧制御手段としての制御ＩＣである(降圧チョッパ用)ドライバ41と接続されている。このドライバ41は、スイッチング素子Q4を所定のスイッチング周波数でオンオフさせるとともに、例えば調光信号受信手段35により受信した調光信号に応じてスイッチング素子Q4のオン幅(デューティ)を制御する(オン時間およびオフ時間を設定する)ことで、光源12に所定の定電流が流れるように制御している。

次に、上記一実施形態の動作を説明する。

電源装置11を起動すると、商用交流電源ｅが整流素子22で整流され平滑コンデンサC1により平滑されて昇圧チョッパ回路16に入力される。昇圧チョッパ回路16では、ドライバ24によりスイッチング素子Q1がスイッチング動作され、整流素子22および平滑コンデンサC1で整流平滑された電源電圧を所定の電源電圧に昇圧し、平滑コンデンサC2により平滑された電圧を降圧チョッパ回路17に供給する。そして、この降圧チョッパ回路17では、ドライバ41によりスイッチング素子Q4がスイッチング動作されて昇圧チョッパ回路16の出力電圧Voutを所定の電圧に降圧し、光源12に供給することで光源12が点灯する。

ドライバ24では、インダクタL1の二次巻線L1bに誘起された一次巻線L1aの誘起電圧に比例した電圧がインダクタL1に蓄えられた全エネルギーの吐き出しにより降下し始めるタイミングを検出することで、インダクタL1に流れる電流Ｉの臨界点を電流検出部27により検出し、インダクタL1の電流Ｉがゼロになったことを検出すると、スイッチング素子Q1をオン状態にすることにより、昇圧チョッパ回路16の出力電圧Voutが目標値に近づくようにフィードバック制御する。

また、ドライバ41では、例えば調光信号受信手段35により信号源37から受信された調光信号に応じて、スイッチング素子Q4のオン時間およびオフ時間(デューティ)を設定することで、光源12に流れる定電流が目標値に近づくようにフィードバック制御して光源12を調光する。

ここで、電源電圧(入力電圧Vin)が高く、光源12の調光レベルが所定以下(調光深度が所定以上)、あるいは軽負荷の場合、スイッチング素子Q1に流れる電流Ｉが所定値以下に減少する、すなわちスイッチング素子Q1の最小オン幅以下が必要となる制御範囲となることで、ドライバ24によるスイッチング素子Q1のスイッチングが不規則になり、昇圧チョッパ回路16の出力電圧Voutが不所望に上昇または変動する。そこで、本実施形態では、入力電圧検出部25により検出した昇圧チョッパ回路16の入力電圧Vinに比例する電圧が予め設定された所定の電圧以上となる(昇圧チョッパ回路16の入力電圧Vinが予め設定された所定の電圧(例えば２４２Ｖ)以上となる)と、マイコン33からハイレベル信号が重畳手段31のスイッチング素子Q2のベース端子に出力されてこのスイッチング素子Q2がオンし、このスイッチング素子Q2のオンによりスイッチング素子Q3がオンされて電圧源VDからの直流電圧が電流検出部27とドライバ24(抵抗R6)との接続点に印加、すなわち重畳手段31により電流検出部27で検出した電流(スイッチング素子Q1に流れる電流Ｉ(電流Ｉに比例した電流))に直流のオフセット電流が重畳されるので、この電流が供給されたドライバ24がスイッチング素子Q1の不規則な発振を抑制し、より広い電源位相において最小オン幅で規則正しく、または略規則正しくスイッチング制御するため、昇圧チョッパ回路16の出力電圧Voutが不所望に上昇または変動することを抑制できる。

また、光源12の調光レベルが所定以下(調光深度が所定以上)、すなわち光源12を調光するための調光信号が調光レベル以下を指示する信号である場合にも、同様に昇圧チョッパ回路16の出力電圧Voutが不所望に上昇または変動しやすくなるため、この調光信号を調光信号受信手段35により受信した場合にはマイコン33からハイレベル信号が重畳手段31のスイッチング素子Q2のベース端子に出力されてこのスイッチング素子Q2がオンし、このスイッチング素子Q2のオンによりスイッチング素子Q3がオンされて電圧源VDからの直流電圧が電流検出部27とドライバ24(抵抗R6)との接続点に印加、すなわち重畳手段31により電流検出部27で検出した電流(スイッチング素子Q1に流れる電流Ｉ(電流Ｉに比例した電流))に直流のオフセット電流が重畳されるので、この電流が供給されたドライバ24がスイッチング素子Q1の不規則な発振を抑制し、より広い電源位相において最小オン幅で規則正しく、または略規則正しくスイッチング制御するため、昇圧チョッパ回路16の出力電圧Voutが不所望に上昇または変動することを抑制できる。

出力電圧Voutが所定の出力電圧に制御されると、マイコン33からスイッチング素子Q2のベース端子にローレベル信号が出力されてスイッチング素子Q2，Q3はオフし、重畳手段31によるオフセット電流の重畳が停止される。

なお、上記一実施形態において、マイコン33は、入力電圧検出部25により検出した昇圧チョッパ回路16の入力電圧Vinに比例するが予め設定された所定の電圧以上で、かつ、調光信号受信手段35により受信した調光信号が調光レベル以下を指示する信号である場合に、マイコン33からハイレベル信号を重畳手段31のスイッチング素子Q2のベース端子に出力するようにしてもよい。

また、昇圧チョッパ回路16としては、電流臨界型以外でも、電流連続型、あるいは電流不連続型などでもよい。

さらに、電源装置11が、負荷電圧が異なる複数の光源12に対応する場合には、昇圧チョッパ回路16の出力電圧Voutが不所望に上昇または変動することをより効果的に抑制できる。

本発明の一実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

10 照明装置
11 電源装置
12 光源
16 昇圧チョッパ回路
17 降圧手段である降圧チョッパ回路
24 制御手段としてのドライバ
27 電流検出部
31 重畳手段
33 信号出力手段であるマイコン
Ｉ電流
Q1 スイッチング素子

Claims

スイッチング素子、および、このスイッチング素子に流れる電流の増減に応じてこのスイッチング素子をスイッチングさせる制御手段を備え、スイッチング素子のスイッチングによって外部電源からの入力電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路と；
この昇圧チョッパ回路により昇圧された電圧を降圧して光源に供給する降圧手段と；
昇圧チョッパ回路のスイッチング素子に流れる電流に比例する電流を検出して制御手段に供給する電流検出部と；
昇圧チョッパ回路の入力電圧に比例する電圧が予め設定された所定の電圧値以上となったときと、光源の調光信号が予め設定された所定の調光レベル以下となったときとの少なくともいずれかのときに信号を出力する信号出力手段と；
この信号出力手段から信号が出力されると電流検出部により検出して制御手段に供給される電流にオフセット電流を重畳する重畳手段と；
を具備していることを特徴とする電源装置。
光源と；
この光源に給電する請求項１記載の電源装置と；
を具備していることを特徴とする照明装置。