JP6033092B2 - 電源装置、ｌｅｄ点灯装置およびバッテリ充電装置 - Google Patents

Description

この発明は、電源電圧を昇降圧する電源装置、ならびに当電源装置を用いたＬＥＤ点灯装置およびバッテリ充電装置に関するものである。

昨今の地球温暖化を助長する二酸化炭素の排出量を削減する風潮の中で、車載のテールランプおよびポジションランプ、さらには室内照明灯等の光源として、従来のタングステンフィラメントの電球に代替して、低電力のＬＥＤ（発光ダイオード、半導体光源）が普及してきた。当ＬＥＤは、長寿命であり、また一定の電流を供給する簡単な制御によって安定した明るさの光を発することができるため、一般照明用は言うに及ばず、車載用灯具の光源としても好適である。

他方、当二酸化炭素排出量が少ない電気自動車の需要が増加し、普及が加速している。当電気自動車には動力用バッテリを充電する充電装置が搭載される。

上記のような、ＬＥＤを点灯する点灯装置およびバッテリを充電する充電装置には、電力容量は異なるものの出力電力を任意に操作する電源装置が使用される。
一般的な電源装置には、コイルあるいはコンデンサとスイッチング素子とを使用するスイッチング電源が用いられる。コイルとスイッチング素子を使用するスイッチング電源の代表的な方式としては、出力電圧が電源電圧以上になるステップアップ電源（ブーストコンバータ、昇圧コンバータ）と、出力電圧が電源電圧以下になるステップダウン電源（バックコンバータ、降圧コンバータ）がある。同様に、コンデンサとスイッチング素子を使用するスイッチング電源の代表的な方式としては、出力電圧が電源電圧以上になるチャージポンプ式ステップアップ電源と、出力電圧が電源電圧以下になるステップダウン電源がある。

以下に、電源装置の構成を記載した特許文献１〜３を示す。
特許文献１に係る直並列接続切替型コンデンサ電力貯蔵装置は、ステップアップ電源とステップダウン電源を組み合わせた構成例である。なお、特許文献１に係る発明の本来の目的は、コンデンサに貯えた電力を効率よく放出するために、並列にして充電したコンデンサを、電力の放電によって電圧が低下したときには直列に切り替えて出力電圧を確保し、電力を効率よく放出するというものである。

また、特許文献２に係るチャージポンプ回路は、コンデンサを使用したチャージポンプ式のステップアップ電源の構成例である。

また、特許文献３に係る電源装置は、コンデンサを２個使用して、両コンデンサを直列に接続して充電し、並列にして放電する回路構成によって、電源電圧の１／２の電圧を出力する電源装置の構成例である。

特開平１０−１７４２８４号公報 特開２００４−２４８４５３号公報 特開２００２−３２５４３１号公報

上述したようなコイルあるいはコンデンサとスイッチング素子とを使用するスイッチング電源は、いずれも、出力する電圧が電源電圧より高いか低いかによって回路構成がまったく異なる。そのため、例えば８Ｖから１６Ｖまで変動する車載用バッテリを電源として、１２ＶのＬＥＤ点灯用の電圧を出力するＬＥＤ点灯装置においては、異なる回路構成を組み合わせた昇降圧コンバータを使用する必要がある。例えば、コイルとスイッチング素子を使用する上記特許文献１の電源装置は、電源電圧より低い電圧および電源電圧より高い電圧を出力するために、コイルを降圧チョッパ回路と昇圧チョッパ回路で共用することとし、降圧チョッパ回路用のスイッチング素子とその制御回路、および昇圧チョッパ回路用のスイッチング素子とその制御回路を備える構成にしていた。

また、例えば１００Ｖｒｍｓあるいは２００Ｖｒｍｓの交流電源を電源として、充電完了時には４００Ｖ程度ながら、放電後には２００Ｖ程度に低下する電気自動車の動力用バッテリを充電するバッテリ充電装置においても、上記と同様に電源電圧より低い電圧（電源２００Ｖｒｍｓのときに出力２００Ｖ）から、電源電圧より高い電圧（電源１００Ｖｒｍｓのときに出力４００Ｖ）を出力する回路構成が必要であった。

このように昇圧と降圧の構成を組み合わせることは、それぞれに対応する部品を同時に搭載することであり、自ずと電源装置が大型化し、費用が増大するという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、電源電圧より低い電圧から電源電圧より高い電圧に至る広範囲の電圧を出力できる、簡素な構成の電源装置、ならびに当電源装置を用いたＬＥＤ点灯装置およびバッテリ充電装置を提供することを目的とする。

この発明に係る電源装置は、スイッチング素子と、一方の端子を電源側に接続し、他方の端子をスイッチング素子に接続するコイルと、出力電流を生成する複数の整流ダイオードと、コイルとスイッチング素子の接続点に一方の端子を接続し、他方の端子を整流ダイオード側に接続するコンデンサと、スイッチング素子を操作する制御部とを備え、整流ダイオードは、スイッチング素子がオンするときとオフするときの双方で、コンデンサから出力電流を流すものであって、コイルの端子に発生する電源電圧より高い電圧をコンデンサで分圧し、コンデンサに流通する電流を整流ダイオードによって整流して出力するものである。

この発明に係るＬＥＤ点灯装置は、上述の電源装置を使用してＬＥＤを点灯するものである。

この発明に係るバッテリ充電装置は、上述の電源装置を使用してバッテリを充電するものである。

この発明によれば、コイルとスイッチング素子からなるステップアップ電源によって電源電圧を昇圧し、当昇圧した電圧をコンデンサと負荷とで２分することで、負荷に印加される出力電圧を当昇圧した電圧の略１／２に降下させるようにしたので、降圧用のスイッチング素子とその制御回路を追加することなく、電源電圧より低い電圧から電源電圧より高い電圧に至る広範囲の電圧を出力することができる電源装置を提供することができる。

この発明によれば、電源電圧より低い電圧から電源電圧より高い電圧に至る広範囲の電圧を出力することができる電源装置を使用するようにしたので、ＬＥＤの順方向電圧が、電源電圧より低い電圧から電源電圧より高い電圧に至る広範囲の電圧であっても点灯可能なＬＥＤ点灯装置を、簡素な構成で実現することができる。

この発明によれば、電源電圧より低い電圧から電源電圧より高い電圧に至る広範囲の電圧を出力することができる電源装置を使用するようにしたので、バッテリ電圧が、電源電圧より低い電圧から電源電圧より高い電圧に至る広範囲の電圧であっても充電可能なバッテリ充電装置を、簡素な構成で実現することができる。

この発明の実施の形態１に係る電源装置の構成を示す回路図である。 実施の形態１に係る電源装置の動作波形を示すグラフである。 実施の形態１に係る電源装置をＬＥＤ点灯装置に応用した構成例を示す回路図であり、出力側の整流ダイオードを備える場合を示す。 図３に示す電源装置のＬＥＤ端子電圧および流通電流の波形を示すグラフである。 実施の形態１に係る電源装置をＬＥＤ点灯装置に応用した構成例を示す回路図であり、ＬＥＤが整流作用を兼ねる場合を示す。 実施の形態１に係る電源装置をＬＥＤ点灯装置に応用した構成例を示す回路図であり、電流制限用コイルを備える場合を示す。 図６に示す電源装置のコンデンサ端子間電圧および流通電流の波形を示すグラフである。 この発明の実施の形態２に係る電源装置をＬＥＤ点灯装置に応用した構成例を示す回路図であり、絶縁式トランスを備える場合を示す。 実施の形態２に係る電源装置をバッテリ充電装置に応用した構成例を示す回路図であり、単巻式トランスを備える場合を示す。 実施の形態２に係る電源装置をバッテリ充電装置に応用した構成例を示す回路図であり、電流制限用コイルを備える場合を示す。 この発明の実施の形態３に係る電源装置をＬＥＤ点灯装置に応用した構成例を示す回路図であり、交流電源に接続する場合を示す。 実施の形態３に係る電源装置をＬＥＤ点灯装置に応用した構成例を示す回路図であり、交流電源に接続する場合を示す。 実施の形態３に係る電源装置をバッテリ充電装置に応用した構成例を示す回路図であり、交流電源に接続する場合を示す。 この発明の実施の形態４に係る電源装置をＬＥＤ点灯装置に応用した構成例を示す回路図であり、双方向スイッチング素子を使用する場合を示す。 実施の形態４に係る電源装置をＬＥＤ点灯装置に応用した構成例を示す回路図であり、双方向スイッチング素子を使用する場合を示す。 実施の形態４に係る電源装置の信号伝達回路の一例を示す回路図である。 実施の形態４に係る電源装置の信号伝達回路の別の例を示す回路図である。 実施の形態４に係る電源装置の信号伝達回路の別の例を示す回路図である。 実施の形態４に係る電源装置の信号伝達回路の別の例を示す回路図である。 実施の形態５に係る電源装置をバッテリ充電装置に応用した構成例を示す回路図であり、トランスの１次巻線の巻線比を切換える場合を示す。

実施の形態１．
図１に示す電源装置１０は、コイルＬ１とスイッチング素子ＳＷ１を使用するスイッチング式のステップアップ電源（ブーストコンバータ、昇圧コンバータ）を備え、コイルＬ１で昇圧したステップアップ電圧をコンデンサＣ１で分圧して降圧することによって、直流電源１の電源電圧を所定の電圧に変換するものである。

コイルＬ１の一方の端子は直流電源１に接続され、もう一方の端子はスイッチング素子ＳＷ１に接続されている。コイルＬ１とスイッチング素子ＳＷ１の接続点にはコンデンサＣ１の一方の端子が接続され、コンデンサＣ１のもう一方の端子は負荷２に接続されている。制御部１１は、電源電圧とシャント抵抗Ｒ１によって測定される電源電流とに基づいて、スイッチング素子ＳＷ１のオンオフ動作を制御する駆動信号を出力する。

この電源装置１０は、直流電源１の電源電圧を高めるコイルＬ１の出力端子に直列に接続したコンデンサＣ１を備え、本来電源電圧以上となるステップアップ電圧を、当コンデンサＣ１と接続する負荷２とで２分することで、負荷２に印加される電圧、つまり出力電圧をステップアップ電圧の１／２以下に降下させる。

図２に、本実施の形態１に係る電源装置１０の動作波形を示す。図２（ａ）はスイッチング素子ＳＷ１のオンオフ動作、図２（ｂ）はコイルＬ１に流れる電流、図２（ｃ）はスイッチング素子ＳＷ１のドレイン電流とドレイン端子電圧、図２（ｄ）はコンデンサＣ１に流れる電流と端子間電圧、図２（ｅ）は負荷２に流れる電流と端子電圧、図２（ｆ）はシャント抵抗Ｒ１に流れる電流（電源電流）の波形であり、各図とも横軸が時間を示す。

制御部１１から出力する駆動信号により、スイッチング素子ＳＷ１をオンしてコイルＬ１に電流を通電し（図１の破線矢印）、磁気エネルギを貯え、スイッチング素子ＳＷ１をオフして、貯えた磁気エネルギを放出する。このスイッチング素子ＳＷ１をオフしたときに、コイルＬ１には昇圧された電圧が発生し、コイルＬ１と直列に接続されたコンデンサＣ１に電荷を貯えながら、負荷２に正極性の電流を通電する（図１の一点鎖線矢印）。再びスイッチング素子ＳＷ１をオンしたときには、コイルＬ１に電流を通電し、磁気エネルギを貯えながら、同時にコンデンサＣ１に貯えた電荷を放出して、負荷２に負極性の電流を通電する（図１の二点鎖線矢印）。従って、負荷２へ出力する電流は極性が異なるものの、スイッチング素子ＳＷ１をオンするときとオフするときの双方において、負荷２に電力を出力できる。

なお、スイッチング素子ＳＷ１がオフするときに負荷２に印加される電圧（極性は正）は、スイッチング素子ＳＷ１のドレイン端子に発生する電圧からコンデンサＣ１の端子間電圧を差し引いた電圧である。スイッチング素子ＳＷ１がオンしたときに負荷２に印加される電圧（極性は負）は、コンデンサＣ１の端子間電圧である。
このとき、図２（ｅ）の負荷２の端子電圧の絶対値は、図２（ｃ）のスイッチング素子ＳＷ１のドレイン端子電圧の約１／２となる。つまり、コイルＬ１とスイッチング素子ＳＷ１とからなるステップアップ電源が出力するステップアップ電圧は、本来、直流電源１の電源電圧以上となるが、このステップアップ電圧をコンデンサＣ１と負荷２とによって２分することで、負荷２に印加される出力電圧をステップアップ電圧の１／２に降下させるので、直流電源１が出力電圧より低くなった場合だけでなく直流電源１が出力電圧より高くなった場合でも容易に任意の電圧値を出力することができる。このように、ステップアップ電源で昇圧した電圧を１／２にする構成によって、例えば、８Ｖから１６Ｖまで変動する車載用バッテリを直流電源１として使用した場合、いずれの電源電圧においても１２Ｖを出力することができる。

図３は、負荷２としてＬＥＤ２ａを使用する場合の電源装置１０の構成例を示す回路図である。図３の構成例では、コンデンサＣ１とＬＥＤ２ａの間に４個の整流ダイオードＤ１〜Ｄ４を接続して、コンデンサＣ１からＬＥＤ２ａに対して流れる正極性と負極性の電流を全波整流（あるいは両波整流）して直流にする。
このとき、図４に示すように、ＬＥＤ２ａの端子電圧は、図２（ｃ）に示したスイッチング素子ＳＷ１のドレイン端子電圧の約１／２となる。つまり、電源電圧より高い電圧しか出力できないステップアップ電源を、電源電圧より低い電圧、もしくは、電源電圧と同レベルの電圧が出力できる電源にすることができる。

また、コイルＬ１に流れる電流が臨界モードあるいは連続モード（図２（ｂ））になるように、制御部１１がスイッチング素子ＳＷ１をオンオフ動作させ、複数の整流ダイオードＤ１〜Ｄ４を使用してスイッチング素子ＳＷ１がオンするときとオフするときの双方でコンデンサＣ１から出力電流を流すため、入力電流および出力電流が概ね連続的に流れるようになる。従って、図４に示すような、リプルの少ない出力電圧あるいは出力電流が得られる。さらに、リプルが減少するので、電源と出力をフィルタするコンデンサ（不図示）の容量を低減でき、電源装置１０の小型化と低廉化が可能となる。

図５は、負荷２としてＬＥＤ２ａ，２ｂを使用する場合の電源装置１０の構成例を示す回路図である。ＬＥＤがダイオード特性を備えるため、図４に示した整流ダイオードＤ１〜Ｄ４を使用しない構成も可能である。そこで、図５の構成例では、ＬＥＤ２ａのアノード端子をコンデンサＣ１の出力端子に接続して正極性の電流を通電させ、反対に、ＬＥＤ２ｂのカソード端子をコンデンサＣ１の出力端子に接続して負極性の電流を通電させる。これにより出力電流を整流する整流ダイオードＤ１〜Ｄ４を省略でき、電源装置１０を簡素な構成にできる。

なお、ＬＥＤ２ａ，２ｂの一方、例えばＬＥＤ２ａに電流が通電しているときは、当ＬＥＤ２ａの端子間電圧は順方向電圧となっており、当順方向電圧が他方のＬＥＤ２ｂの逆方向耐電圧以下であれば、問題ない。一般的に、逆方向耐電圧（例えば、５〜６Ｖ）は、順方向電圧（例えば、２〜３Ｖ）より高い。

ちなみに、ＬＥＤ２ａおよびＬＥＤ２ｂそれぞれには、コンデンサＣ１に流れる正負いずれかの極性の電流が通電されるため、ＬＥＤ２ａとＬＥＤ２ｂが交互に点灯する。つまり、ＬＥＤ２ａ，２ｂが点滅することになる。しかしながら、一般的に、点滅周波数が２００Ｈｚ以上であれば、視覚的にちらつきとして認識されないため、点滅点灯は実用上問題ない。また、ＬＥＤ２ａおよびＬＥＤ２ｂそれぞれに通電される時間が概ね１／２となるため、通電電流を２倍にしても損失（発熱量）は同等である。従って、上記点滅点灯による発光量の低下を、通電電流の増加によって回避することができる。

図６は、コンデンサＣ１の電荷を放出する放電経路（二点鎖線で示す）に、電流制限用コイルＬ２を挿入した場合の電源装置１０の構成例を示す回路図である。また、図７に、電流制限用コイルＬ２を使用しない場合のコンデンサＣ１に流れる電流（実線）と端子間電圧（破線）、電流制限用コイルＬ２を使用した場合のコンデンサＣ１に流れる電流（一点鎖線）と端子間電圧（二点鎖線）の波形を示す。図７に示すように、電流制限用コイルＬ２を挿入することにより、突入（サージ）電流が軽減できるため、スイッチング素子ＳＷ１に過剰な負担をかけることが無く、ノイズの発生も抑制される。
ちなみに、コンデンサＣ１に電荷を貯える充電経路（一点鎖線で示す）には、ステップアップ用のコイルＬ１が挿入されているために、突入電流が流れることは無い。

以上のように、電源装置１０は、コイルＬ１とスイッチング素子ＳＷ１によってステップアップされた電圧を、コンデンサＣ１とＬＥＤ２ａ（またはＬＥＤ２ａ，２ｂ）とによって２分する一方で、当コンデンサＣ１の出力端子から出力される正負両極性に変化する略矩形波状の交流波形を、複数の整流ダイオードＤ１〜Ｄ４（またはＬＥＤ２ａ，２ｂ）によって正負共に一方向に揃え、直流電流として出力する。つまり、コイルＬ１とスイッチング素子ＳＷ１で昇圧された電圧を１／２にして、スイッチング素子ＳＷ１で分断された電流を補間して連続的な電流を出力する。
ステップアップ電源にコンデンサＣ１と複数の整流ダイオードＤ１〜Ｄ４を追加する構成に関しては、先立って説明した特許文献１〜３のいずれにも記載されていない。

次に、制御部１１を説明する。
制御部１１は、スイッチング素子ＳＷ１のオンオフ動作の周期を一定にしてオンオフ時間の比率（Ｄｕｔｙ）を変化させるＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御、オンまたはオフ時間を一定にしてオンオフ動作の周期を変化させるＰＦＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御、あるいは周期とＤｕｔｙの双方を変化させる制御等を行うことにより、負荷２に出力する電流あるいは電圧を、任意の電流値あるいは電圧値にする。

なお、図１の構成において、出力電流の絶対値の平均値が、シャント抵抗Ｒ１によって測定される電源電流と同等であることに着目すれば、この電源装置１０を、例えば、定電流でＬＥＤを点灯するＬＥＤ点灯装置に応用することができる。つまり、制御部１１において、電源電圧とシャント抵抗Ｒ１に流れる電源電流とから、ＬＥＤ２ａまたはＬＥＤ２ｂに流れる電流が推定できるため、ＬＥＤ点灯装置用の定電流電源として使用する電源装置１０においては、シャント抵抗Ｒ１によって検出される電流が所定の定電流となるように、制御部１１がスイッチング素子ＳＷ１のオンオフ動作を制御すれば充分であり、直流電源１のような安定した電圧の電源を使用する場合は、ＬＥＤ２ａ，２ｂに流れる電流をあえて制御部１１にフィードバックする必要はない。
即ち、ＬＥＤ２ａ，２ｂの点灯電位が、直流電源１の接地電位に対して、矩形波状に変動することが問題にならないため、簡素な構成のＬＥＤ点灯装置を構成できる。

もちろん、ＬＥＤ２ａ，２ｂに流れる電流を制御部１１にフィードバックしてスイッチング素子ＳＷ１を操作してもよい。
また、ＬＥＤ２ａ，２ｂは、発光ダイオードに限定されるものではなく、半導体による光源を総称するものであって、レーザダイオード、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）等を含む。
また、図示例ではスイッチング素子ＳＷ１にＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を使用しているが、トランジスタおよびＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等を使用してもよい。

以上より、実施の形態１によれば、電源装置１０は、コイルＬ１と当コイルＬ１に電流を流すスイッチング素子ＳＷ１とを使用するステップアップ電源と、出力電流を生成する複数の整流ダイオードＤ１〜Ｄ４と、コイルＬ１とスイッチング素子ＳＷ１の接続点に一方の端子を接続し、他方の端子を整流ダイオードＤ１〜Ｄ４側に接続するコンデンサＣ１と、スイッチング素子ＳＷ１を操作する制御部１１とを備え、コイルＬ１の端子に発生する電圧をコンデンサＣ１で分圧し、コンデンサＣ１に流通する正負両極性の電流を整流ダイオードＤ１〜Ｄ４で整流して出力するように構成した。このため、ステップアップ電源に対して降圧用のスイッチング素子とその制御回路を追加することなく、電源電圧より低い電圧から電源電圧より高い電圧に至る広範囲の電圧を出力することができる電源装置１０を提供することができる。また、電源用および出力用のフィルタコンデンサの容量を減らしても、出力電流、出力電圧、および電源電流に重畳するリプルを抑制することができる。従って、簡素な構成の電源装置１０が実現できる。

また、実施の形態１によれば、電源装置１０を使用してＬＥＤ２ａを点灯するＬＥＤ点灯装置を構成するようにしたので、ＬＥＤ２ａの順方向電圧が電源電圧より低い電圧から電源電圧より高い電圧に至る広範囲の電圧であっても点灯が可能なＬＥＤ点灯装置を、簡素な構成で実現できる。

また、実施の形態１によれば、負荷であるＬＥＤ２ａ，２ｂが、電源装置１０の整流ダイオードＤ１〜Ｄ４を兼用する構成にしたので、出力電流整流用のダイオードを使用しない、簡素な構成のＬＥＤ点灯装置が実現できる。

なお、上記実施の形態１では電源装置１０の負荷としてＬＥＤを接続する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、電源装置１０の負荷としてバッテリを接続し、当バッテリを充電するバッテリ充電装置を構成してもよい。

実施の形態２．
本実施の形態２は、トランスを設けて、任意の電圧を出力する構成にするもので、図８は、絶縁式トランスを使用した場合の電源装置１０の構成例を示す回路図である。なお、図８において図１〜図７と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。また、この例では、電源装置１０の出力側に負荷となるＬＥＤ２ａ，２ｂを接続して、電源装置１０をＬＥＤ点灯装置として使用している。

図８においては、コンデンサＣ１の出力側に絶縁式トランス２１を設けて、任意の電圧を出力する構成にする。この絶縁式トランス２１の１次巻線にコンデンサＣ１の出力端子を接続し、２次巻線に整流作用を兼ねたＬＥＤ２ａ，２ｂを接続している。コイルＬ１の端子に発生するステップアップ電圧がコンデンサＣ１と絶縁式トランス２１の１次巻線とによって分圧される。

この絶縁式トランス２１は、１次巻線と２次巻線の巻数比によって、出力電圧を調整するために使用する。つまり、巻数比が下式（１）となる絶縁式トランス２１を使用すれば、負荷であるＬＥＤ２ａ，２ｂに供給する出力電圧を任意に設定することができる。
〔出力電圧（即ち、２次巻線電圧）×巻数比〕≧〔（電源電圧）／２〕 （１）

なお、当絶縁式トランス２１は、単純に電圧変換を行うもので、コアに磁気エネルギを貯える必要が無く、コンデンサＣ１の挿入によって直流電流が重畳されることも無いため、適切な電流容量の巻線が巻回できるサイズであれば充分である。従って小型のコアが使用でき、電源装置１０の小型化が可能である。

また、絶縁式トランス２１を使用した場合、１次巻線と２次巻線が独立しているので、２次側の電位を任意に設定することができ、制御部１１において出力電流あるいは出力電圧のフィードバック制御もしくは他の機器への連係が容易になる。また、１次側と２次側を絶縁することで、感電し難い電源装置１０を実現できる。

なお、図８において、接続するＬＥＤをＬＥＤ２ａだけにして、図３に示したような複数の整流ダイオードＤ１〜Ｄ４を使用して絶縁式トランス２１の出力を整流した電流を通電してもよい。また、図６のように当整流ダイオードＤ１〜Ｄ４に加えて、電流制限用コイルＬ２を付加してもよい。

また、絶縁式トランス２１に代えて、例えば単巻式トランス２２を使用してもよい。
図９に、１次巻線と２次巻線の一部を共用した単巻式トランス２２を使用した場合の電源装置１０の構成例を示す。当構成例においてはコンデンサＣ１に接続される端子から接地側端子に巻回される１次巻線と、接地側端子から整流ダイオードＤ５およびＤ６に接続される端子に巻回される２巻の２次巻線を備える単巻式トランス２２を使用する。当単巻式トランス２２の接地側端子から整流ダイオードＤ５に接続される端子に巻回される２次巻線は１次巻線の一部を共用するものであり、絶縁式トランス２１を使用する場合に比べてトランスの構成を簡素にすることができる。また、１次側と２次側の電位を共通にすることで、制御部１１において出力電流あるいは出力電圧のフィードバック制御が容易になる。当フィードバック制御により、任意の電圧を出力する電源装置１０を容易に実現できる。

図９の構成例では、負荷としてバッテリ２ｃを接続し、単巻式トランス２２の２巻の２次巻線の出力を整流ダイオードＤ５，Ｄ６でそれぞれ整流し、平滑用コンデンサＣ２で平滑した後、バッテリ２ｃへ供給している。平滑用コンデンサＣ２を挿入することにより、出力電流および出力電圧に重畳するリプルを抑制できる。

図１０は、コンデンサＣ１の放電経路に相当する経路に電流制限用コイルＬ２を挿入した場合の電源装置１０の構成例を示す回路図である。単巻式トランス２２（あるいは絶縁式トランス２１）を使用した電源装置１０においても、電流制限用コイルＬ２を挿入することにより、突入電流が軽減でき、ノイズの発生を抑制できる。

以上より、実施の形態２によれば、電源装置１０は、コンデンサＣ１の出力端子に１次巻線を接続し、整流ダイオード（例えば、図９のＤ５，Ｄ６、図１０のＤ１，Ｄ２、および図１５のＤ１〜Ｄ４）に２次巻線を接続するトランス（例えば、絶縁式トランス２１、単巻式トランス２２）を備え、コイルＬ１の端子に発生する電圧をコンデンサＣ１で分圧してトランスの１次巻線に印加し、当トランスを介してコンデンサＣ１に流通する正負両極性の電流を整流ダイオード（例えば、図９のＤ５，Ｄ６、図１０のＤ１，Ｄ２、および図１５のＤ１〜Ｄ４）で整流して出力するように構成した。このため、トランスを使用することで、任意の電圧が出力できる電源装置１０を実現できる。

また、実施の形態２によれば、１次巻線と２次巻線が独立している絶縁式トランス２１を使用した場合には、２次側の電位を任意に設定することができ、フィードバック制御もしくは他の機器への連係が容易になる。また、トランスの１次側と２次側を絶縁することで、感電し難い電源装置１０を実現できる。

また、実施の形態２によれば、１次巻線と２次巻線の一部が共用されている単巻式トランス２２を使用した場合には、簡易な構成のトランスを使用して電源装置１０を実現できる。また、トランスの１次側と２次側の電位を共通にすることで、フィードバック制御が容易になる。

また、実施の形態２によれば、電源装置１０を使用してバッテリ２ｃを充電するバッテリ充電装置を構成するようにしたので、バッテリ電圧が電源電圧より低い電圧から電源電圧より高い電圧に至る広範囲の電圧であっても充電が可能なバッテリ充電装置を、簡素な構成で実現できる。
あるいは、実施の形態２の電源装置１０を使用してＬＥＤ２ａ，２ｂを点灯するＬＥＤ点灯装置を構成してもよく、この場合には、ＬＥＤ２ａの順方向電圧が電源電圧より低い電圧から電源電圧より高い電圧に至る広範囲の電圧であっても点灯が可能なＬＥＤ点灯装置を、簡素な構成で実現できる。

実施の形態３．
図１１は、本実施の形態３に係る電源装置１０の構成を示す回路図である。なお、図１１において図１〜図１０と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。また、この例では、電源装置１０の出力側に負荷となるＬＥＤ２ａを接続して、電源装置１０をＬＥＤ点灯装置として使用している。

本実施の形態３では、電源装置１０の電源として交流電源１ａを使用するために、この交流電源１ａとコイルＬ１の間に、交流の電源電流を整流して直流にする整流ダイオードＤ７〜Ｄ１０を挿入している。この構成において、コイルＬ１とスイッチング素子ＳＷ１とからなるステップアップ電源はＰＦＣ（Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）（力率改善回路）としても作用する。

また、図１２および図１３に示すように、交流電源１ａを使用する電源装置１０において、上記実施の形態２と同様にコンデンサＣ１の出力側に絶縁式トランス２１（あるいは単巻式トランス２２）を設けて、任意の電圧を出力する構成にすることも可能である。図１３の構成例では、整流ダイオードＤ５，Ｄ６とバッテリ２ｃとの間に平滑用コンデンサＣ２を挿入して、出力電流および出力電圧に重畳するリプルを抑制している。

以上より、実施の形態３によれば、電源装置１０は、交流電源１ａとコイルＬ１の間に挿入され、交流電源１ａからの電流を整流してコイルＬ１へ出力する整流回路（例えば、整流ダイオードＤ７〜Ｄ１０）を備えるように構成した。このため、コイルＬ１とスイッチング素子ＳＷ１とからなるステップアップ電源に対して、降圧用のスイッチング素子とその制御回路を追加することなく、交流電源電圧より低い電圧から交流電源電圧より高い電圧に至る広範囲の電圧を出力することができる電源装置１０を提供することができる。また、交流電源１ａを使用する場合でも、上記実施の形態１の直流電源１を使用する場合と同様、電源および出力をフィルタするコンデンサ（平滑用コンデンサＣ２）の容量を減らしても、出力電流、出力電圧、および電源電流に重畳するリプルを抑制することができる。従って、簡素な構成で、力率が高い、交流を電源とする電源装置１０が実現できる。
さらに、この電源装置１０を使用して、交流を電源とするＬＥＤ点灯装置およびバッテリ充電装置を実現できる。

実施の形態４．
図１４は、本実施の形態４に係る電源装置１０の構成を示す回路図である。なお、図１４において図１〜図１３と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。また、この例では、電源装置１０の出力側に負荷となるＬＥＤ２ａを接続して、電源装置１０をＬＥＤ点灯装置として使用している。

本実施の形態４では、電源装置１０の電源として交流電源１ａを使用するために、コイルＬ１に電流を流すスイッチング素子ＳＷ１として双方向スイッチング素子を用いている。双方向スイッチング素子は、例えば図１６〜図１９のスイッチング素子ＳＷ１のように直列に接続した２個のスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２によって構成される双方向対応のスイッチング素子で、制御部１１の出力する駆動信号に従って同時にオンオフ動作する。スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２によって構成される一式の双方向スイッチング素子を使用することにより、正逆双方向ともに電流を流し、また止めることができる。従って、上記実施の形態２の図１１〜図１３に示した電源用の整流ダイオードＤ７〜Ｄ１０を使用せずに、交流電源１ａを電源とする電源装置１０を構成可能となる。

また、図１５に示すように、交流電源１ａを使用する電源装置１０において、上記実施の形態３と同様にコンデンサＣ１の出力側に絶縁式トランス２１（あるいは単巻式トランス２２）を設けた場合でも、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２によって構成される一式の双方向スイッチング素子を使用することにより、電源側の整流ダイオードＤ７〜Ｄ１０を削減可能である。

なお、制御部１１が、絶縁した信号伝達回路を経由して、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２を駆動する構成にすることが好都合であり、以下に図１６〜図１９に、本実施の形態４に係る電源装置１０の信号伝達回路の構成例を示す。なお、制御部１１は駆動信号の伝達に関わる部分のみを図示している。

図１６に示す制御部１１において、パルストランス３１の１次側には当パルストランス３１を制御するスイッチング素子ＳＷ２が接続されている。また、パルストランス３１の２次巻線の高電位側にスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２の各ゲート端子が接続され、低電位側にスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２の各ソース端子が接続されている。

図１６の制御部１１において、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２を駆動する駆動信号（オンオフ信号）がスイッチング素子ＳＷ２に入力され、パルストランス３１を介してスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２それぞれに絶縁された状態で伝達され、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２が同じタイミングでオンオフ動作を行う。

図１７に示す制御部１１において、フォトカプラ３２の発光側には当フォトカプラ３２を制御するスイッチング素子ＳＷ２が接続されている。フォトカプラ３２の受光側には、ゲート駆動部３３を介してスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２の各ゲート端子が接続されている。スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２の各ソース端子は、絶縁電源３４の低電位側に接続されている。絶縁電源３４は、トランス３５、整流ダイオードＤ１１および平滑用コンデンサＣ３３から構成され、スイッチング素子ＳＷ３の制御に応じて、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２の駆動電源を生成してゲート駆動部３３へ供給する。

図１７の制御部１１において、電源用矩形波信号により駆動するスイッチング素子ＳＷ３が絶縁電源３４を制御して、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２の駆動電源をゲート駆動部３３へ供給する。また、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２の動作を制御する駆動信号（オンオフ信号）がスイッチング素子ＳＷ２に入力され、フォトカプラ３２およびゲート駆動部３３を介してスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２それぞれに絶縁された状態で伝達され、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２が同じタイミングでオンオフ動作を行う。
なお、上記においては、１個の双方向スイッチング素子を動作させることを前提にしているため、当１個の双方向スイッチング素子を構成するスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２を同じタイミングで動作する方式を記載したが、電源電流の通電動作と遮断動作ができる構成であれば、必ずしも両者が同じタイミングで動作する必要は無く、例えば電流が内部の寄生ダイオードに流れる側のスイッチング素子を連続的にオンし、他方をオンオフ動作させても全体的には同様な動作となり、同様な効果が得られる。

図１６および図１７では、一式の双方向スイッチング素子を構成するスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２の互いのソース端子を接続したが、これに限定されるものではなく、図１８および図１９に示すように、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２の互いのドレイン端子を接続してもよい。なお、図１８および図１９のように互いのドレイン端子を接続した場合、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２の各ゲート端子に電位の異なる駆動信号を入力する必要があるため、パルストランス３１に２次巻線を２個設けたり（図１８）、あるいは絶縁電源３４を２個にしてそれぞれの電源でフォトカプラ３２が動作するようにしている（図１９）。

なお、パルストランス３１およびフォトカプラ３２の他にも、例えば磁気結合による信号伝達手段（磁気アイソレータ）等を使用して絶縁された信号伝達回路を構成してもよい。
また、図１６〜図１９ではスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２，ＳＷ３にＦＥＴを使用しているが、トランジスタおよびＩＧＢＴ等を使用してもよく、さらに、個々ばらばらの素子でも、複数個をまとめた素子でも構わない。

以上より、実施の形態４によれば、コイルＬ１に電流を流すスイッチング素子ＳＷ１として、双方向スイッチング素子（例えば、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２によって構成される一式の双方向対応のスイッチング素子）を使用する構成にしたので、電源側の整流ダイオードＤ７〜Ｄ１０を使用しないため、さらに簡素な構成の、交流を電源とする電源装置１０が実現できる。

実施の形態５．
図２０は、本実施の形態５に係る電源装置１０の構成を示す回路図である。なお、図２０において図１〜図１９と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。また、この構成例では、電源装置１０の出力側に負荷となるバッテリ２ｃを接続して、電源装置１０をバッテリ充電装置として使用している。

本実施の形態５では、絶縁式トランス２１の１次巻線を複数の巻線によって構成し、それぞれの巻線を選択的にコンデンサＣ１と接続する複数の切換え用スイッチング素子ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１，ＳＷ３２を設ける。直列に接続された切換え用スイッチング素子ＳＷ２１，ＳＷ２２が一式の双方向スイッチング素子を構成し、同様に、直列に接続された切換え用スイッチング素子ＳＷ３１，ＳＷ３２が一式の双方向スイッチング素子を構成する。

本実施の形態５の制御部１１は、切換え用スイッチング素子ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１，ＳＷ３２をオンオフ動作させる切換信号を出力する機能を備える。この制御部１１は、切換信号によって切換え用スイッチング素子ＳＷ２１，ＳＷ２２をオン、切換え用スイッチング素子ＳＷ３１，ＳＷ３２をオフに操作して、巻線端子ａ−ｃ間にコンデンサＣ１の電圧を印加する。また、切換信号によって切換え用スイッチング素子ＳＷ２１，ＳＷ２２をオフ、切換え用スイッチング素子ＳＷ３１，ＳＷ３２をオンに操作して、巻線端子ｂ−ｃ間にコンデンサＣ１に電圧を印加する。このとき、印加される電圧が上式（１）の関係に近い巻数比となるように、１次巻線の巻線端子ａあるいはｂを選択してコンデンサＣ１に接続する。図２０の構成例では、１次巻線として、電源電圧が高いときは巻線端子ａ−ｃ間を使用し、電源電圧が低いときは巻線端子ｂ−ｃ間を使用する。

なお、本実施の形態５において、効率がもっとも高いのは、コンデンサＣ１の端子間電圧が電源電圧の１／２のときであり、高効率な電源装置１０を実現するためには、１次巻線に印加される電圧が常に電源電圧の１／２に近い電圧となる巻数比の巻線端子に切換えることが好ましい。

例えば、電源装置１０を図２０のようなバッテリ充電装置に応用したときに、制御部１１は、実効値が異なる交流電源１ａ（例えば、１００Ｖｒｍｓあるいは２００Ｖｒｍｓ）の電源電圧に対応して巻数比を切換えたり、正弦波状に刻々と変化する交流の電源電圧に対応して巻数比を切換えたり、さらには、図２０ではフィードバック経路を図示していないが、コンデンサＣ１の充電と放電によって変化する出力電圧に対応して巻線比を切換えてもよい。なお、１次巻線を構成する巻線の数は、図２０の例に限定されるものではなく、さらに多くの巻線を使用して１次巻線を構成し、各巻線端子間の接続を多数のスイッチング素子により切換えることによって、出力電圧を細かく制御してもよい。

また例えば、図８または図９に示したような直流電源１を接続する電源装置１０において、絶縁式トランス２１または単巻式トランス２２の１次巻線を複数の巻線によって構成すると共に、巻線比を切換えるスイッチング素子を追加してもよい。この場合にも、制御部１１が異なる電源電圧の直流電源１に対応して巻線比を切換えることにより、高効率な電源装置１０を実現することができる。

なお、図２０では、交流電源１ａに対応するために、コイルＬ１およびコンデンサＣ１に電流を流す双方向対応のスイッチング素子としてスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２を使用する構成を示したが、当双方向対応のスイッチング素子を使用せずに、電源用の整流回路（例えば、図１１に示す整流ダイオードＤ７〜Ｄ１０）と単一方向のスイッチング素子（例えば、図１１に示すスイッチング素子ＳＷ１）を備える構成にしても構わない。

以上より、実施の形態５によれば、トランス（例えば、絶縁式トランス２１、単巻式トランス２２）は、１次巻線が複数の巻線から構成されるものであって、電源装置１０は、当該複数の１次巻線を選択的にコンデンサＣ１に接続する切換え用スイッチング素子（ＳＷ２１，ＳＷ２２およびＳＷ３１，ＳＷ３２によって構成される双方向スイッチング素子）を備えるように構成した。このため、電源電圧および出力電圧に対応して、絶縁式トランス２１または単巻式トランス２２の巻線比を切換えることができ、広範囲の電源電圧から、広範囲の出力電圧を高効率で出力できる電源装置１０を実現できる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 直流電源、１ａ 交流電源、２ 負荷、２ａ，２ｂ ＬＥＤ、２ｃ バッテリ、１０ 電源装置、１０ａ ＬＥＤ点灯装置、１０ｂ バッテリ充電装置、１１ 制御部、２１ 絶縁式トランス、２２ 単巻式トランス、３１ パルストランス、３２ フォトカプラ、３３ ゲート駆動部、３４ 絶縁電源、３５ トランス、Ｃ１ コンデンサ、Ｃ２，Ｃ３ 平滑用コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ１１ 整流ダイオード、Ｌ１ コイル、Ｌ２ 電流制限用コイル、Ｒ１ シャント抵抗、ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３ スイッチング素子、ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１，ＳＷ３２ 双方向スイッチング素子を構成するスイッチング素子。

Claims (10)

1. コイルと当コイルに電流を流すスイッチング素子とを使用するスイッチング式の電源装置であって、
   前記スイッチング素子と、
   一方の端子を電源側に接続し、他方の端子を前記スイッチング素子に接続する前記コイルと、
   出力電流を生成する複数の整流ダイオードと、
   前記コイルと前記スイッチング素子の接続点に一方の端子を接続し、他方の端子を前記整流ダイオード側に接続するコンデンサと、
   前記スイッチング素子を操作する制御部とを備え、
   前記整流ダイオードは、
   前記スイッチング素子がオンするときとオフするときの双方で、前記コンデンサから出力電流を流すものであって、
   前記コイルの端子に発生する電源電圧より高い電圧を前記コンデンサで分圧し、前記コンデンサに流通する電流を前記整流ダイオードによって整流して出力することを特徴とする電源装置。
2. 前記コンデンサの出力側端子に１次巻線を接続し、前記整流ダイオードに２次巻線を接続するトランスを備え、
   前記コイルの端子に発生する電圧を前記コンデンサで分圧して前記トランスの１次巻線に印加し、前記トランスを介して前記コンデンサに流通する電流を前記整流ダイオードによって整流して出力することを特徴とする請求項１記載の電源装置。
3. 前記トランスは、前記１次巻線と前記２次巻線が独立している絶縁トランスであることを特徴とする請求項２記載の電源装置。
4. 前記トランスは、前記１次巻線と前記２次巻線の一部が共用されている単巻トランスであることを特徴とする請求項２記載の電源装置。
5. 前記電源と前記コイルの間に挿入され、前記電源からの電流を整流して前記コイルへ出力する整流回路を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の電源装置。
6. 前記スイッチング素子は、双方向スイッチング素子、あるいは双方向対応のスイッチング素子であることを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の電源装置。
7. 前記トランスは、前記１次巻線が複数の巻線から構成されるものであって、
   前記複数の１次巻線を選択的に前記コンデンサに接続する複数のスイッチング素子を備えることを特徴とする請求項２から請求項４のうちのいずれか１項記載の電源装置。
8. 請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載の電源装置を使用してＬＥＤ（発光ダイオード）を点灯するＬＥＤ点灯装置。
9. 前記電源装置の出力電流を生成する複数の整流ダイオードは、前記ＬＥＤが兼用することを特徴とする請求項８記載のＬＥＤ点灯装置。
10. 請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載の電源装置を使用してバッテリを充電するバッテリ充電装置。

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