JP5478762B1

JP5478762B1 - Ｌｅｄ点灯用電源装置

Info

Publication number: JP5478762B1
Application number: JP2013189740A
Authority: JP
Inventors: 正夫平井
Original assignee: サンエー電機株式会社
Priority date: 2013-09-12
Filing date: 2013-09-12
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2033-09-12
Also published as: JP2015056987A

Abstract

【課題】高耐圧なスイッチング素子を用いることなく、３５０Ｖ以上の交流入力電圧においてスイッチング素子の損傷を確実に回避でき、ＬＥＤを良好に点灯することができるＬＥＤ点灯用電源装置を提供する。
【解決手段】交流電源からの交流電圧が３５０Ｖ以上に設定され、電源回路９が、フライバックトランス４の一次側巻線４Ａの両端に接続され、同時にＯＮ−ＯＦＦする２つのスイッチング素子１０，１１と、コンデンサ８と電源回路９との間に設けられ、交流電源投入時にスイッチング素子１０，１１へ供給される電圧の上昇を抑制するための電圧抑制回路１２と、２つのスイッチング素子１０，１１のＯＦＦ時に２つのスイッチング素子１０，１１へ印加される電圧が耐電圧以下になるようにクランプするクランプ回路とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば高速道路や一般道路の路肩、あるいはトンネル内の壁に設置されて路面等を照らすＬＥＤ照明装置に電力を供給してＬＥＤを点灯するためのＬＥＤ点灯用電源装置に関する。

上記ＬＥＤ照明装置は、消費電力に有利で、しかも長寿命であることから、近年において従来から設置されているナトリウムランプ、水銀灯、蛍光灯等の照明装置に代えて用いられるようになってきている。

従来から、上記のようなＬＥＤ照明装置においては、１００Ｖ〜２６５Ｖまでの範囲の任意の交流入力電圧を直流電圧へ変換してＬＥＤを点灯するよう構成された電源装置が用いられている。

ところで、総延長の長いトンネルにおいては、照明やジェットファンの設置数が増加し、それに伴い消費電力が増加することになる。その結果、大きな電流がケーブルに流れることになる。この大電流を許容することができるように、ケーブル径を太くする必要がある。そこで、交流入力電圧を１００Ｖ〜２６５Ｖから３５０Ｖ以上に高めることによって、電流を減少させるようにしている。その結果、ケーブル径を細くでき軽量化を図ることができる。

上記のような３５０Ｖ以上の交流電圧にも対応することができる電源装置として、高効率で高力率な回路構成のものを用いることができる。一例として、フライバックトランスの一次側に、交流電源からの交流を整流する整流回路と、該整流回路の出力端子間にノイズ成分を除去すべく接続されるコンデンサと、該コンデンサの出力側に並列接続される２つのスイッチング素子を有する電源回路とを備えた電源装置が既に提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。後述するように、例えば４６０Ｖの交流電圧が入力されると、一方のスイッチング素子に加わる電圧が最大で６５０（Ｖ）となり、９００Ｖの耐圧を有する汎用のＦＥＴを用いて電源装置を実現することができる。

特開２００７−２６７５８１号公報特許第２５４８９８４号公報

しかしながら、電源装置では、ＡＣ３５０Ｖ以上が投入される交流電源投入時に、整流回路の出力端子間にノイズを除去すべく接続されたコンデンサで許容できないサージ電圧が発生する。このサージ電圧の発生に伴って、各スイッチング素子に印加される電圧が、スイッチング素子の耐圧（９００Ｖ）よりも遥かに高い電圧（例えば１２００Ｖ）に到達してしまうことがある。このようなスイッチング素子の耐圧よりも高い電圧が発生すると、上記特許文献１，２の回路に設けたコンデンサでは、スイッチング素子の耐圧を超えた分の電圧を良好に吸収することができない。なぜならば、特許文献１，２のコンデンサは、電源高調波電流の発生を抑制すべく小容量に設定されているからである。そのため、発生する高い電圧となったサージ電圧によって、前記コンデンサが瞬時に充電されてしまう。その結果、各スイッチング素子に印加される電圧が、耐圧（９００Ｖ）よりも遥かに高い電圧（例えば１２００Ｖ）に到達してしまう。その結果、２つのスイッチング素子を損傷してしまうことがあり、改善の余地があった。

また、前記電源装置では、電源投入後に２つのスイッチング素子がＯＮからＯＦＦする際に、スイッチング素子の耐圧を超える高電圧が一方のスイッチング素子に印加される。これは、スイッチング素子がＯＮからＯＦＦすることによって、フライバックトランスのフライバック電圧にスパイク電圧が重畳されて、高電圧（例えば１２００Ｖ）となってしまうからである。この場合も、２つのスイッチング素子を損傷してしまうことがある。

因みに、上記回路に用いられる２つのスイッチング素子に、交流電源投入時及び交流電源投入後に印加される前記高電圧に耐え得る高耐圧なスイッチング素子を用いることが考えられるが、高耐圧なスイッチング素子は、特殊用途向けのみに市販されているため、非常に高価なものである。特に、トンネル内に多数の電源装置を設けなければならないＬＥＤ点灯用電源装置においては、実施し難いものであった。

本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、高耐圧なスイッチング素子を用いることなく、３５０Ｖ以上の交流入力電圧において交流電源投入時及び交流電源投入後に高電圧が印加された場合でも、スイッチング素子の損傷を確実に回避でき、ＬＥＤを良好に点灯することができるＬＥＤ点灯用電源装置を提供する。

本発明のＬＥＤ点灯用電源装置は、前述の課題解決のために、フライバックトランスの一次側に、交流電源からの交流を整流する整流回路と、該整流回路の出力端子間にノイズ成分を除去すべく接続されるコンデンサと、該コンデンサの出力側に接続される電源回路とを備え、前記フライバックトランスの二次側に、負荷であるＬＥＤ照明装置に電力を供給する二次側直流出力回路を備えたＬＥＤ点灯用電源装置であって、前記交流電源からの交流電圧が３５０Ｖ以上に設定され、前記電源回路が、フライバックトランスの一次側巻線の両端に接続され、同時にＯＮ−ＯＦＦする２つのスイッチング素子と、前記コンデンサと前記電源回路との間に設けられ、前記交流電源投入時に前記２つのスイッチング素子へ印加される電圧の上昇を抑制するための電圧抑制回路と、前記２つのスイッチング素子のＯＦＦ時に該２つのスイッチング素子へ印加される電圧が耐電圧以下になるようにクランプするクランプ回路と、を備え、前記クランプ回路は、前記電圧抑制回路に並列となるように接続された電圧抑制用のコンデンサと、該電圧抑制用のコンデンサに並列に接続され、該電圧抑制用のコンデンサに充電された電荷が放電されることを阻止するためのダイオードと、前記２つのスイッチング素子のＯＦＦ時に前記フライバックトランスの一次側巻線の両端がフローティングした状態において、マイナス端子側からプラス端子側へ電流を流すためのダイオードとを備えていることを特徴としている。

上記構成によれば、同時にＯＮ−ＯＦＦする２つのスイッチング素子を設けることによって、１つのスイッチング素子を設ける場合に比べて小さな耐圧のスイッチング素子を用いることができながらも、交流電源の投入時に発生するサージ電圧によって、スイッチング素子の両端の電圧が、スイッチング素子の耐圧よりも高くなることを電圧抑制回路で阻止することができる。よって、交流電源の投入時にサージ電圧が発生しても、スイッチング素子の耐圧を超える電圧に達することを、回避することができる。また、交流電源の投入時（過渡期）以外の時、つまり交流電源の投入後のスイッチング動作が安定動作状態である時において、スイッチング素子がＯＮからＯＦＦした時に、交流電源から供給される電源電圧にフライバックトランスのフライバック電圧にスパイク電圧が重畳された高電圧が発生する。この高電圧が一方のスイッチング素子に印加されてしまう。そこで、クランプ回路でクランプすることで、２つのスイッチング素子が損傷することを回避することができる。

また、本発明のＬＥＤ点灯用電源装置は、前記２つのスイッチング素子が、ＦＥＴからなっていることが好ましい。

また、本発明のＬＥＤ点灯用電源装置は、前記電圧抑制回路が、前記コンデンサに並列となるように接続され、前記コンデンサよりも大きな静電容量を有する電圧抑制用コンデンサと、該電圧抑制用コンデンサに並列接続され、該電圧抑制用コンデンサに充電された電荷を放電する放電用抵抗と、前記電圧抑制用コンデンサに充電された電荷が正極側に放電されることを阻止するダイオードとを備える構成であってもよい。

上記構成にしておけば、交流電源投入に伴って、電圧抑制用コンデンサが充電を開始する。そして、充電が完了してからは、ダイオードによって、電荷の放出が阻止され、電源高調波電流の発生を抑制する。そして、交流電源からの交流電圧の供給がなくなったとき（電源をＯＦＦにしたとき）に、電圧抑制用コンデンサが放電用抵抗により電荷の放出が行われ、次回の交流電源投入時に、電圧抑制用コンデンサの充電を確実に開始することができる。

また、本発明のＬＥＤ点灯用電源装置は、前記電圧抑制回路が、前記コンデンサに並列となるように接続され、前記コンデンサよりも大きな静電容量を有する電圧抑制用コンデンサと、該電圧抑制用コンデンサに直列接続され、前記電圧抑制用コンデンサに充電された電荷を放電するための放電用抵抗と、該放電用抵抗に並列接続され、前記電圧抑制用コンデンサの正極側への放電を阻止するダイオードとを備えた構成であってもよい。

上記構成によれば、交流電源の投入に伴って、電圧抑制用コンデンサが充電を開始する。そして、充電が完了してからは、正極側への放電を阻止するダイオードによって、電荷の放出が阻止される。そして、交流電源からの交流電圧の供給がなくなったとき（例えば交流電源をＯＦＦしたとき）に、抵抗を介して正極側へ電荷の放出が行われ、次回の交流電源投入時に、電圧抑制用コンデンサの充電を確実に開始することができる。

本発明によれば、交流電源の投入時にスイッチング素子へ印加される電圧の上昇を抑制するための電圧抑制回路を備えることによって、高耐圧なスイッチング素子を用いることなく、３５０Ｖ以上の交流入力電圧において交流電源投入時及び交流電源投入後に高電圧が印加された場合でも、スイッチング素子の損傷を確実に回避でき、ＬＥＤを良好に点灯することができるＬＥＤ点灯用電源装置を提供することができる。

本発明のＬＥＤ点灯用電源装置を示す概略図である。（ａ），（ｂ），（ｃ）は電圧抑制回路の構成を示す構成図である。（ａ），（ｂ），（ｃ）はクランプ回路の構成を示す構成図である。

図１に、本発明のＬＥＤ点灯用電源装置１の概略図を示している。このＬＥＤ点灯用電源装置１は、例えば高速道路や一般道路の路肩、あるいはトンネル内の壁に設置されて路面等を照らすＬＥＤ照明装置に電力を供給してＬＥＤ照明装置に備えているＬＥＤ２を点灯するための装置である。

具体的には、ＬＥＤ点灯用電源装置１は、交流電源３からの交流を整流してトランス４の一次側巻線４Ａに出力するための電源部５と、トランス４の二次側巻線４Ｂに電気的に絶縁された状態で接続され、かつ、ＬＥＤ２へ直流電力を供給するための二次側直流出力回路６とを備えている。

交流電源３は、３５０Ｖ以上の任意の交流電圧値に設定され、例えば４６０Ｖ又は４１５Ｖの値に設定されている。

電源部５は、交流電源３からの交流を整流する整流回路７と、整流回路７の正負の出力端子間にノイズ成分を除去すべく接続されるノイズ除去用のコンデンサ８と、コンデンサ８の出力側に接続される電源回路９とを備えている。

ノイズ除去用のコンデンサ８としては、電源高調波電流に影響を与えることがないように大きな容量のコンデンサを用いることができない。このため、電源高調波電流に影響を与えない程度の容量を有するコンデンサを用いている。コンデンサ８の容量は、例えば１μＦ未満の任意の容量に設定される。

電源回路９は、トランス４の一次側巻線４Ａの両端に接続され、同時にＯＮ−ＯＦＦする２つのスイッチング素子１０，１１と、コンデンサ８と電源回路９との間に設けられ、交流電源の投入時にスイッチング素子１０，１１へ印加される電圧の上昇を抑制するための電圧抑制回路１２とを備えている。

２つのスイッチング素子は、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）から構成されている。ＦＥＴを用いることによって、ＢＪＴ（バイポーラトランジスタ）に比べて電力効率の点で有利になるが、ＢＪＴ（バイポーラトランジスタ）であってもよい。また、高耐圧で大電流に適しているＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）をスイッチング素子として用いることもできる。また、前述のように２つのスイッチング素子１０，１１は、同時にＯＮし、ＯＮしてから所定時間後に同時にＯＦＦするように制御部（図示せず）により制御されている。

電圧抑制回路１２が、図２（ａ）に示すように、コンデンサ８に並列となるように接続され、コンデンサ８よりも大きな静電容量（例えば、２．２μＦ）を有する電圧抑制用コンデンサ１３と、電圧抑制用コンデンサ１３に並列接続され、電圧抑制用コンデンサ１３に充電された電荷を放電する放電用抵抗１４と、電圧抑制用コンデンサ１３に充電された電荷が正極側へ放電されることを阻止するためのダイオード１５とを備えている。

トランス４は、フライバックトランスから構成され、２個のスイッチング素子１０，１１が共にＯＮしている期間は、トランス４の一次側巻線４Ａに鋸歯状の電流を流して一次側巻線４Ａにエネルギーを蓄積する。そして、ＯＮ状態の２個のスイッチング素子１０，１１がＯＦＦになると、一次側巻線４Ａに蓄積されたエネルギーを二次側巻線４Ｂに電流として流し、直流電力を二次側直流出力回路６へ供給する。これら２個のスイッチング素子１０，１１のＯＮ時間とＯＦＦ時間との比率であるデューティ比を調整することによって、二次側に出力される出力電流を必要な値に安定させることができ、かつ、電源装置の入力電流が入力電圧と同相の正弦波電流が流れるようにすることができる。

二次側直流出力回路６は、電流の向きを制御する整流ダイオード１６と、整流された直流電流を平滑化するための平滑用の電解コンデンサ１７とを備えている。

また、一次側に設けた電源回路９には、交流電源投入後において、２つのスイッチング素子１０，１１への供給電圧が耐電圧以下になるようにクランプするクランプ回路１８を更に備えている。

クランプ回路１８は、図３（ａ）に示すように、構成されている。具体的には、電圧抑制回路１２に並列となるように接続された電圧抑制用の第２コンデンサ１９と、第２コンデンサ１９に並列接続され、第２コンデンサ１９に充電された電荷を放電する放電用の第２抵抗２０と、第２コンデンサ１９に充電された電荷が放電されることを阻止するための２個のダイオード２１，２２とを備えている。第２コンデンサ１９に充電された電荷は、交流電源３からの交流電圧が断たれたときに（電源をＯＦＦにしたときに）、放電される。従って、交流電源の投入後のスイッチング動作が安定動作状態である時において、スイッチング素子１０，１１がＯＮからＯＦＦした時に、フライバックトランスのフライバック電圧にスパイク電圧が重畳された高電圧が発生したとしても、この高電圧をクランプ回路１８にてクランプすることによって、２つのスイッチング素子１０，１１が損傷することを回避することができる。また、２つのスイッチング素子１０，１１を設けることによって、１つのスイッチング素子を設ける場合に比べて、小さな耐圧のスイッチング素子を用いることができる。

ところで、２個のスイッチング素子１０，１１が共にＯＦＦしているときに、トランス４の一次側巻線４Ａの両端がフローティングした状態、つまり一方（図３（ａ）の上側）のスイッチング素子１０とトランス４の一次側巻線４Ａとの間の電位が、グランド電位以下になることがある。これを回避するために、マイナス端子側からプラス端子側へ電流を流すためのダイオード２３をクランプ回路１８に更に備えている。

上記のように構成されたＬＥＤ点灯用電源装置１の動作を説明する。交流電源３が投入されると、交流電源３からの交流電流が整流回路７で整流される。整流された電圧のノイズ成分がコンデンサ８で除去され、コンデンサ８に並列に接続されたスイッチング素子１０，１１が同時にＯＮする。これにより、トランス４の一次側巻線４Ａへのエネルギーの蓄積を開始する。ところで、交流電源３の投入時にサージ電圧が発生すると、トランス４の両端に加わる電圧が、設定されている電圧よりも遥かに高い高電圧（スイッチング素子の耐圧を超える電圧）に達することになるが、本発明では、電圧抑制回路１２により設定されている電圧を超えることを阻止することができる。このように設定されている電圧を超えることを電圧抑制回路１２の図２（ａ）コンデンサ１３で阻止することによって、スイッチング素子１０，１１が損傷することがなく、トランス４の二次側直流出力回路６へ良好な電力供給を行うことができる。前記一次側巻線４Ａのエネルギー量が設定量になった時点でスイッチング素子１０，１１を同時にＯＦＦする。これによって、一次側巻線４Ａに蓄えられたエネルギーをトランス４の二次側巻線４Ｂに電流として流す。この電流によってＬＥＤ２を点灯させることができる。交流電源３の投入時以外、つまり投入後において、スイッチング素子１０，１１をＯＮからＯＦＦした時に、フライバックトランスのフライバック電圧にスパイク電圧が重畳された高電圧が発生したとしても、この高電圧をクランプ回路１８にてクランプすることによって、２つのスイッチング素子１０，１１への供給電圧が耐電圧以下にすることができ、スイッチング素子１０，１１へ耐電圧を超える電圧が加わることがない。これにより、スイッチング素子１０，１１が損傷することがなく、トランス４の二次側直流出力回路６へ良好な電力供給を行うことができる。

尚、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

前記実施形態の電圧抑制回路１２を、図２（ｂ）又は図２（ｃ）に示すように構成してもよい。図２（ｂ）の電圧抑制回路１２は、コンデンサ８に並列となるように接続され、コンデンサ８よりも大きな静電容量を有する電圧抑制用コンデンサ２４と、電圧抑制用コンデンサ２４に直列接続され、電圧抑制用コンデンサ２４に充電された電荷を放電するための放電用抵抗２５と、この放電用抵抗２５に並列接続され、電圧抑制用コンデンサ２４の静電容量が正極側へ放電されるのを阻止するダイオード２６とを備えている。放電用抵抗２５の抵抗値は、電源高調波電流の発生を抑制出来る程度の抵抗値に設定されている。従って、交流電源投入時に、スイッチング素子１０，１１の両端に加わるノイズ電圧を電圧抑制用コンデンサ２４で阻止することができ、スイッチング素子１０，１１の駆動を良好に行うことができる。また、図２（ｃ）の電圧抑制回路１２は、スイッチング素子１０，１１を駆動する電源電圧が設定電圧を超えたときにのみ所定時間ＯＮするスイッチ２７と、このスイッチ２７のＯＮによって電圧を下げるための電圧降下用の抵抗２８とを備えている。

また、前記実施形態で示したクランプ回路１８を、図３（ｂ）又は図３（ｃ）に示すように構成してもよい。図３（ｂ）のクランプ回路１８は、電圧抑制回路１２に並列となるように接続された電圧抑制用の第２コンデンサ２９と、第２コンデンサ２９に直列に接続され、第２コンデンサ２９を充電するための充電電流を制限するための第２電流制限抵抗３０とを備えている。図３（ｂ）においても、図３（ａ）に示したマイナス端子側からプラス端子側へ電流を流すためのダイオード２３を備えている。図３（ｃ）のクランプ回路１８は、トランス４の一次側巻線４Ａと、一次側巻線４Ａの端部に直列に接続されるコンデンサ３１とからなる直列ＬＣ共振回路から構成されている。図３（ｃ）においても、図３（ａ）に示したマイナス端子側からプラス端子側へ電流を流すためのダイオード２３を備えている。また、クランプ回路１８としては、図３（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すもの以外の構成であってもよい。

また、前記実施形態では、交流電源３の交流電圧が４６０Ｖと４１５Ｖの場合を示しているが、３５０Ｖ以上であれば、どのような電圧値に設定してもよいが、コストの安い汎用のＦＥＴを用いることを考慮するのであれば、３５０Ｖ〜５００Ｖ以下の範囲の任意の値に設定することが好ましい。

１…ＬＥＤ点灯用電源装置、２…ＬＥＤ、３…交流電源、４…トランス、４Ａ…一次側巻線、４Ｂ…二次側巻線、５…電源部、６…二次側直流出力回路、７…整流回路、８…コンデンサ、９…電源回路、１０，１１…スイッチング素子、１２…電圧抑制回路、１３…電圧抑制用コンデンサ、１４…放電用抵抗、１５…ダイオード、１６…整流ダイオード、１７…電解コンデンサ、１８…クランプ回路、１９…コンデンサ、２０…抵抗、２１，２２，２３…ダイオード、２４…電圧抑制用コンデンサ、２５…放電用抵抗、２６…ダイオード、２７…スイッチ、２８…抵抗、２９…コンデンサ、３０…電流制限抵抗、３１…コンデンサ

Claims

フライバックトランスの一次側に、交流電源からの交流を整流する整流回路と、該整流回路の出力端子間にノイズ成分を除去すべく接続されるコンデンサと、該コンデンサの出力側に接続される電源回路とを備え、前記フライバックトランスの二次側に、負荷であるＬＥＤ照明装置に電力を供給する二次側直流出力回路を備えたＬＥＤ点灯用電源装置であって、
前記交流電源からの交流電圧が３５０Ｖ以上に設定され、前記電源回路が、フライバックトランスの一次側巻線の両端に接続され、同時にＯＮ−ＯＦＦする２つのスイッチング素子と、前記コンデンサと前記電源回路との間に設けられ、前記交流電源投入時に前記２つのスイッチング素子へ印加される電圧の上昇を抑制するための電圧抑制回路と、前記２つのスイッチング素子のＯＦＦ時に該２つのスイッチング素子へ印加される電圧が耐電圧以下になるようにクランプするクランプ回路と、を備え、
前記クランプ回路は、前記電圧抑制回路に並列となるように接続された電圧抑制用のコンデンサと、該電圧抑制用のコンデンサに並列に接続され、該電圧抑制用のコンデンサに充電された電荷が放電されることを阻止するためのダイオードと、前記２つのスイッチング素子のＯＦＦ時に前記フライバックトランスの一次側巻線の両端がフローティングした状態において、マイナス端子側からプラス端子側へ電流を流すためのダイオードとを備えていることを特徴とするＬＥＤ点灯用電源装置。
前記２つのスイッチング素子が、ＦＥＴからなることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ点灯用電源装置。
前記電圧抑制回路が、前記コンデンサに並列となるように接続され、前記コンデンサよりも大きな静電容量を有する電圧抑制用コンデンサと、該電圧抑制用コンデンサに並列接続され、該電圧抑制用コンデンサに充電された電荷を放電する放電用抵抗と、前記電圧抑制用コンデンサに充電された電荷が正極側に放電されることを阻止するダイオードとを備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のＬＥＤ点灯用電源装置。
前記電圧抑制回路が、前記コンデンサに並列となるように接続され、前記コンデンサよりも大きな静電容量を有する電圧抑制用コンデンサと、該電圧抑制用コンデンサに直列接続され、該電圧抑制用コンデンサに充電された電荷を放電するための放電用抵抗と、該放電用抵抗に並列接続され、前記電圧抑制用コンデンサの正極側への放電を阻止するダイオードとを備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のＬＥＤ点灯用電源装置。