JP6237301B2

JP6237301B2 - 点灯装置および照明器具

Info

Publication number: JP6237301B2
Application number: JP2014023614A
Authority: JP
Inventors: 信一芝原; 信介船山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Electric Lighting Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Electric Lighting Corp
Priority date: 2014-02-10
Filing date: 2014-02-10
Publication date: 2017-11-29
Anticipated expiration: 2034-02-10
Also published as: JP2015153473A

Description

本発明は、点灯装置および照明器具に関する。

従来、例えば、特開２０１１−１５５７４８号公報に開示されているように、ハイサイドでスイッチング素子を駆動させるコンバータ回路を備えた点灯装置が知られている。ハイサイドでスイッチング素子を駆動させるためには、スイッチング素子に制御信号を入力する制御回路の電源を確保する必要がある。その電源供給方法の典型例の一つとしてブートストラップ電源方式が知られており、上記従来の技術においてもこれを利用している。具体的には、上記従来の技術では、ローサイドにもスイッチング素子を設けて、起動時にハイサイドスイッチング素子をオフとしローサイドスイッチング素子をオンとすることでブートストラップコンデンサへの充電経路を形成している。

特開２０１１−１５５７４８号公報

照明用の点灯装置には、発光モジュールの着脱時における安全性確保などのために、出力側の平滑コンデンサの電荷を放電するための抵抗が設けられることがある。本願発明者は、この抵抗に流れる電流に起因してブートストラップコンデンサの一端の電位が持ち上げられてしまうことでその充電が不十分になるという問題を見出した。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ブートストラップコンデンサの充電不足を抑制することができる点灯装置および照明器具を提供することを目的とする。

本発明にかかる点灯装置は、直流電源に第１端子が接続した第１スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子の第２端子に一端が接続したチョークコイルを有するバックコンバータ回路と、一端が前記チョークコイルの他端に接続した平滑コンデンサと、一端が前記平滑コンデンサの前記一端に接続し、前記平滑コンデンサの電荷を放電する抵抗と、制御電源と接続し、前記第１スイッチング素子の制御端子に制御信号を供給する制御回路と、一端が前記第２端子と接続し、前記制御回路に電源を供給するブートストラップコンデンサと、前記制御電源より高い電圧を出力し、前記ブートストラップコンデンサの他端と接続して前記ブートストラップコンデンサを充電する充電用電源と、前記平滑コンデンサの前記一端に接続する正極出力端子と、前記正極出力端子と前記第１スイッチング素子の前記第２端子との間に一端が接続され他端が前記充電用電源と接続した抵抗と、を備える。

本発明にかかる照明器具は、発光素子と前記発光素子と並列に接続した抵抗とを備えた発光モジュールと、前記発光モジュールと接続して前記発光素子を点灯させる点灯装置と、を備え、前記点灯装置は、直流電源に第１端子が接続した第１スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子の第２端子に一端が接続したチョークコイルを有するバックコンバータ回路と、一端が前記チョークコイルの他端に接続した平滑コンデンサと、一端が前記平滑コンデンサの前記一端に接続し、前記平滑コンデンサの電荷を放電する抵抗と、制御電源と接続し、前記第１スイッチング素子の制御端子に制御信号を供給する制御回路と、一端が前記第２端子と接続し、前記制御回路に電源を供給するブートストラップコンデンサと、前記制御電源より高い電圧を出力し、前記ブートストラップコンデンサの他端と接続して前記ブートストラップコンデンサを充電する充電用電源と、前記平滑コンデンサの前記一端に接続する正極出力端子と、前記正極出力端子と前記第１スイッチング素子の前記第２端子との間に一端が接続され他端が前記充電用電源と接続した抵抗と、を備える。

本発明によれば、平滑コンデンサに接続した放電用の抵抗により制御電源ではブートストラップコンデンサを十分に充電できない場合であっても充電用電源でブートストラップコンデンサを充電することができるので、ブートストラップコンデンサの充電不足を抑制することができる。

本発明の実施の形態にかかる点灯装置および照明器具を示す回路図である。本発明の実施の形態にかかる点灯装置の一部を部分的に抽出した回路図である。

図１は、本発明の実施の形態にかかる点灯装置１およびこれを備えた照明器具１０を示す回路図である。照明器具１０は、点灯装置１および発光モジュール２を備えている。発光モジュール２は、少なくとも１つのＬＥＤ素子２ａおよびこれと並列接続した抵抗ＲＬを備えており、典型的には直管型ＬＥＤでよく採用される構成である。点灯装置１は、正極出力端子５ａおよび負極出力端子５ｂを介して発光モジュール２と接続し、ＬＥＤ素子２ａを点灯させる。本実施の形態におけるＬＥＤ素子２ａに代えて有機ＥＬ素子を用いてもよい。

点灯装置１は、コンデンサＣ１と接続するバックコンバータ回路４を備えている。バックコンバータ回路４は、いわゆる非絶縁型の降圧コンバータである。コンデンサＣ１は、直流電源ＶＰＦＣにより充電される。直流電源ＶＰＦＣからは、図示しない商用交流電源から同じく図示しない整流回路（或いはこれに加えて力率改善回路）を介して生成された直流電圧が供給される。バックコンバータ回路４は、直流電源ＶＰＦＣに第１端子（例えばドレイン）が接続したスイッチング素子Ｑ１と、スイッチング素子Ｑ１の第２端子（例えばソース）に一端が接続したチョークコイルＬ１を有する。スイッチング素子Ｑ１はｎチャネルＭＯＳＦＥＴでありハイサイド駆動される。スイッチング素子Ｑ１の第２端子にはダイオードＤ２のカソードが接続している。ダイオードＤ２のアノードは接地されている。平滑コンデンサＣ４は、その一端がチョークコイルＬ１に接続し、その他端が抵抗Ｒ６に接続している。つまり、チョークコイルＬ１、平滑コンデンサＣ４および抵抗Ｒ６の直列回路が設けられており、この直列回路がダイオードＤ２に対して並列に接続している。抵抗Ｒ６は、発光モジュール２に流れるＬＥＤ電流を検出するためのものである。スイッチング素子Ｑ１の制御端子（例えばゲート）および第２端子は、抵抗Ｒ２を介して接続されている。点灯装置１は、高耐圧集積回路である制御回路３を備えている。制御回路３は、制御電源Ｖｃｃ１と接続し、スイッチング素子Ｑ１の制御端子に抵抗Ｒ１を介して接続して制御信号を供給する。ＬＥＤ電流を検出するための抵抗Ｒ６で検出した電圧が制御回路３に入力され、制御回路３はこの検出電圧に基づいて、ＬＥＤ素子２ａに流れる電流が一定電流になるようにバックコンバータ回路４のスイッチング素子Ｑ１をオンオフする。

点灯装置１は、平滑コンデンサＣ４に蓄積された電荷を放電するための抵抗Ｒ５を備えている。抵抗Ｒ５は抵抗Ｒ５１および抵抗Ｒ５２が直列接続された分圧回路であり後述の発光モジュール接続判定の際に利用可能であるが、便宜上、これらの抵抗Ｒ５１，Ｒ５２を１つの抵抗Ｒ５とも称する。抵抗Ｒ５の一端は平滑コンデンサＣ４の一端（すなわち正極端子）と接続し、抵抗Ｒ５の他端は接地される。平滑コンデンサＣ４の電荷を抵抗Ｒ５により放電できるので、発光モジュール２の着脱の際における安全性が確保される。抵抗Ｒ５１、Ｒ５２で分圧された電圧は、制御回路３に入力されている。なお、本発明において後述する発光モジュール接続判定を省略する場合には、この抵抗Ｒ５は一本の抵抗素子からなるものであってもよい。

（ブートストラップ回路）
点灯装置１は、コンデンサＣ２を備えている。コンデンサＣ２は、制御回路３に接続しスイッチング素子Ｑ１のハイサイド駆動を安定的に行うための電源となるブートストラップコンデンサである。コンデンサＣ２の一端は、制御回路３に接続するとともに、スイッチング素子Ｑ１の第２端子とも接続している。コンデンサＣ２の他端は好ましくは高耐圧のダイオードＤ２１のカソードと接続している。コンデンサＣ２の他端とダイオードＤ２１のカソードとの接続点にはダイオードＤ１のカソードが接続しており、ダイオードＤ１のアノードは抵抗Ｒ４を介して例えば１５Ｖ〜２０Ｖ程度の制御電源電圧を出力する制御電源Ｖｃｃ１と接続している。一端が制御電源Ｖｃｃ１に接続し他端が接地されたコンデンサＣ３が、コンデンサＣ２の充電用、または制御電源Ｖｃｃ１の安定用に設けられている。

点灯装置１は、スイッチング素子Ｑ２をオン（つまり導通）とすることでダイオードＤ２１を介してコンデンサＣ２を充電する充電用電源Ｖｄｚ５を備えている。充電用電源Ｖｄｚ５は、直流電源ＶＰＦＣから電源生成回路によって生成されたものであり、制御電源Ｖｃｃ１より高い電圧（一例としては約３８Ｖ）を出力する。この電源生成回路は、典型的には、図示しないが、一端が直流電源ＶＰＦＣに接続し他端から電圧を出力する抵抗、およびこの抵抗の他端にアノードが接続し他端が接地されたツェナーダイオードからなる回路でもよい。充電用電源Ｖｄｚ５は、抵抗Ｒ３を介してスイッチング素子Ｑ１の第２端子と接続している。スイッチング素子Ｑ２をオンとすることで、充電用電源Ｖｄｚ５→スイッチング素子Ｑ２→ダイオードＤ２１→コンデンサＣ２→スイッチング素子Ｑ１の第２端子（具体的にはソース）→チョークコイルＬ１→抵抗Ｒ５→接地電位という「充電経路」が形成され、これを図１に破線矢印で示している。

点灯装置１は、コンデンサＣ２と同じく制御回路３に並列接続するツェナーダイオードＤｚ２６を備えている。ツェナーダイオードＤｚ２６のアノードがコンデンサＣ２の一端に接続し、ツェナーダイオードＤｚ２６のカソードがコンデンサＣ２の他端に接続している。充電用電源Ｖｄｚ５は制御電源Ｖｃｃ１よりも高い電圧であるのに対し、制御回路３の端子間電圧に制限があることも多い。そこで、ツェナーダイオードＤｚ２６により、制御回路３の端子間に過大な電圧がかかるのを保護することができる。

（Ｖｄｚ５を用いた発光モジュール接続判定）
点灯装置１は、充電用電源Ｖｄｚ５とスイッチング素子Ｑ１の第２端子との間に直列に挿入された抵抗Ｒ３を備えている。抵抗Ｒ３は、具体的には、正極出力端子５ａとスイッチング素子Ｑ１の第２端子（例えばソース）との間に一端が接続され、他端が充電用電源Ｖｄｚ５と接続している。点灯装置１に発光モジュール２が接続されていない状態でバックコンバータ回路４が駆動することを防止したいので、点灯装置１は発光モジュール２が接続されているか否かを検出する機能を備えている。具体的には、発光モジュール２が接続されると抵抗ＲＬの両端が正極出力端子５ａおよび負極出力端子５ｂに接続することで、抵抗Ｒ５に対して抵抗ＲＬが並列に取り付けられると、抵抗Ｒ５１、Ｒ５２で分圧された電圧が低下する。一方、発光モジュール２が取り外されると、抵抗Ｒ５１、Ｒ５２で分圧された電圧が上昇する。そこで、制御回路３は、抵抗Ｒ５１、Ｒ５２で分圧された電圧が予め定めた所定値以下か否かを判定することで、正極出力端子５ａおよび負極出力端子５ｂに負荷つまり発光モジュール２が接続されたか否かを検出する。さらに本実施の形態では、この発光モジュール接続判定のために、充電用電源Ｖｄｚ５が抵抗Ｒ３、チョークコイルＬ１を介して抵抗Ｒ５の一端に電圧を印加する。これにより、充電用電源Ｖｄｚ５を発光モジュール接続判定のための電源としても併用することができる。

なお、本発明はこれに限られず、充電用電源Ｖｄｚ５を発光モジュール接続判定のための電源として用いなくとも良い。その場合には、例えばスイッチング素子Ｑ１のドレインソース間に並列に抵抗を接続して、直流電源ＶＰＦＣから発光モジュール接続判定のための電源を取り出せばよい。

（ブートストラップコンデンサ充電と発光モジュール接続判定の切替回路）
点灯装置１は、充電用電源Ｖｄｚ５とコンデンサＣ２の間の電気的接続を導通と遮断とで切り替えるスイッチング素子Ｑ２を備えている。なお本実施の形態ではスイッチング素子Ｑ２はｐチャネルＭＯＳＦＥＴとしており、スイッチング素子Ｑ２の制御端子（例えばゲート）と第２端子（例えばソース）とを接続する抵抗Ｒ２０も設けられている。スイッチング素子Ｑ２の第１端子（例えばドレイン）は、ダイオードＤ２１のアノードに接続している。スイッチング素子Ｑ２の制御端子は、スイッチング素子Ｑ３の第２端子（例えばコレクタ）に接続している。なお、本実施の形態ではスイッチング素子Ｑ３はｎｐｎバイポーラトランジスタであり、そのベースには抵抗Ｒ３１、Ｒ３２の接続点が接続され、そのエミッタは接地されている。抵抗Ｒ３１、Ｒ３２の直列回路の一端はトリガ電源Ｖｔｒｇと接続し、その直列回路の他端は接地されている。

トリガ電源Ｖｔｒｇは、バックコンバータ回路４の起動前における一定期間ハイとなるトリガ信号を発する。なおトリガ信号を発する制御は特に限定しないが、点灯装置１のスイッチ（図示せず）がオンとされたときにこのトリガ信号を発するように制御回路３あるいは他の制御回路がトリガ電源Ｖｔｒｇを制御してもよい。このトリガ信号により、点灯装置１のスイッチオンの後実際にバックコンバータ回路４の起動（すなわちスイッチング素子Ｑ１のスイッチング動作開始）前に、スイッチング素子Ｑ２がオフ（つまり遮断）となる期間が設けられる。このようにすることで、点灯装置１は、バックコンバータ回路４の起動前にスイッチング素子Ｑ２を遮断とした状態で、前述した発光モジュール接続判定を行う。その後、予め定めた期間の経過後に（好ましくは発光モジュール接続判定完了後に）、トリガ信号はローとなり、スイッチング素子Ｑ２がオンとなることで、コンデンサＣ２の充電が開始される。なお、好ましくは、発光モジュール接続判定の結果、発光モジュール２が未接続である場合には、バックコンバータ回路４は起動せずスイッチング素子Ｑ２のオフが維持されてコンデンサＣ２も充電されないようにしてもよい。

以上説明したように、本実施の形態では、発光モジュール接続判定時には、スイッチング素子Ｑ２をオフとすることでブートストラップコンデンサ（つまりコンデンサＣ２）と充電用電源Ｖｄｚ５とを遮断することができる。仮に、発光モジュール接続判定時にこの遮断を行わないと、コンデンサＣ２を含む充電経路（図１の破線矢印）が形成されてその充電経路を流れる電流が抵抗Ｒ５、ＲＬ側に合算されてしまう。本実施の形態ではそのような電流の合算を避けることができるので、発光モジュール接続判定の精度悪化を抑制することができる。

図２は、点灯装置１の一部を部分的に抽出した回路図である。ブートストラップ電源方式としてよく用いられているように、ハイサイド駆動させるスイッチング素子Ｑ１に対して制御回路３が安定的に制御信号（つまりゲート駆動信号）を供給するためにはブートストラップコンデンサであるコンデンサＣ２を充電して制御回路３の電源とする必要がある。コンデンサＣ２の充電はバックコンバータ回路４の起動時に行われる。点灯装置１は平滑コンデンサＣ４の放電用に抵抗Ｒ５を備えており、また発光モジュール２はＬＥＤ素子２ａに並列接続する抵抗ＲＬを備えている。この抵抗Ｒ５、ＲＬの並列回路を便宜上、図２では抵抗Ｒｘと記載している。制御回路３の内部には制御回路３が消費する消費電流に相当する定電流源Ｉｃｃが含まれており、その定電流源Ｉｃｃの電流が抵抗Ｒｘに流れ込むことで、図２の電位Ｖｘが持ち上がる。仮に制御電源Ｖｃｃ１のみでコンデンサＣ２を充電しようとすると（図２の電流Ｉ１）、電位Ｖｘが持ち上がった分だけコンデンサＣ２の充電が抑制されてしまう。抵抗Ｒ５、ＲＬは数百ｋΩという大きさを有することが典型的なので、抵抗Ｒｘもこれに応じてある程度大きくならざるを得ない。抵抗Ｒｘが大きければ、定電流源Ｉｃｃの電流が例えば数十μＡ程度の僅かなものであっても、電位ＶｘはブートストラップコンデンサであるコンデンサＣ２の必要な充電を行うにあたって無視できない大きさとなる。この点、本実施の形態では制御電源Ｖｃｃ１より高電圧の充電用電源Ｖｄｚ５を別途設けたので、電流Ｉ２によりコンデンサＣ２を十分に充電することができる。なお、図２の電流Ｉ３は発光モジュール接続判定の際に流れる電流を記載したものである。

以上説明したように、点灯装置１によれば、平滑コンデンサＣ４に接続した残留電荷放電用の抵抗Ｒ５により制御電源Ｖｃｃ１ではコンデンサＣ２を十分に充電できない場合であっても、別途設けた高電圧の充電用電源Ｖｄｚ５で確実にコンデンサＣ２を充電することができる。充電用電源Ｖｄｚ５でコンデンサＣ２を充電することができるので、より簡素化された回路でブートストラップコンデンサ（つまりコンデンサＣ２）の充電を行うことができる。

なお、上記の説明では抵抗ＲＬを含む抵抗Ｒｘによる充電不足問題を説明したが、仮に抵抗ＲＬを備えない発光モジュールを点灯装置１に接続した場合であっても抵抗Ｒ５による充電不足問題が生じうるので、本発明は抵抗ＲＬの有無にかかわらずその効果を発揮することができる。なお、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３は本発明においては必ずしも必須構成ではなく、発光モジュール接続判定の精度悪化を抑制するための好ましい改良形態である。従って、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３を省略しても良い。

なお、本実施の形態にかかる点灯装置１では充電用電源Ｖｄｚ５を用いてブートストラップコンデンサ（コンデンサＣ２）の充電不足を抑制している。これに対して、例えば特開２０１１−１５５７４８号公報のようなローサイドスイッチング素子を設けてブートストラップコンデンサの充電のために起動時にこれをオンとする技術はある。このような従来技術と比較すると、本実施の形態にかかる点灯装置１では、ブートストラップコンデンサ充電のためにスイッチング素子の個数が増加したり起動時の制御が複雑化したりという問題を抑制することもできる。

上述した点灯装置１におけるコンデンサＣ２の充電に関する計算結果を下記に示す。
Ｖｃｃ１＝Ｒ４×Ｉ１＋Ｒｘ（Ｉ１＋Ｉ３）＋Ｖｆｄ１＋Ｖｃ２
Ｖｄｚ５＝Ｒ３×Ｉ３＋Ｒｘ（Ｉ１＋Ｉ３）
Ｉ１＝Ｉｃｃ
Ｒｘ＝１／（１／Ｒ５＋１／ＲＬ）
Ｉ３＝（Ｖｄｚ５−Ｒｘ×Ｉ１）／（Ｒ３＋Ｒｘ）
Ｖｃ２＝Ｖｃｃ１−（Ｒ４＋Ｒｘ）×Ｉ１−Ｖｆｄ１−Ｒｘ×（Ｖｄｚ５−Ｒｘ×Ｉ１）／（Ｒ３＋Ｒｘ）
ここで、Ｖｆｄ１はダイオードＤ１の順方向電圧であり、Ｖｃ２はコンデンサＣ２の電圧である。上記の電圧Ｖｃ２の値が、ブートストラップコンデンサであるコンデンサＣ２に充電すべき電圧（つまり制御回路３の駆動に必要な電圧）よりも高い値になるように、上記数式内の各素子の抵抗値などを決定すればよい。

１点灯装置、２発光モジュール、２ａＬＥＤ素子、３制御回路、４バックコンバータ回路、５ａ正極出力端子、５ｂ負極出力端子、１０照明器具、Ｃ２コンデンサ（ブートストラップコンデンサ）、Ｃ４平滑コンデンサ、Ｖｃｃ１制御電源、Ｖｄｚ５充電用電源、ＶＰＦＣ直流電源

Claims

直流電源に第１端子が接続した第１スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子の第２端子に一端が接続したチョークコイルを有するバックコンバータ回路と、
一端が前記チョークコイルの他端に接続した平滑コンデンサと、
一端が前記平滑コンデンサの前記一端に接続し、前記平滑コンデンサの電荷を放電する抵抗と、
制御電源と接続し、前記第１スイッチング素子の制御端子に制御信号を供給する制御回路と、
一端が前記第２端子と接続し、前記制御回路に電源を供給するブートストラップコンデンサと、
前記制御電源より高い電圧を出力し、前記ブートストラップコンデンサの他端と接続して前記ブートストラップコンデンサを充電する充電用電源と、
前記平滑コンデンサの前記一端に接続する正極出力端子と、
前記正極出力端子と前記第１スイッチング素子の前記第２端子との間に一端が接続され他端が前記充電用電源と接続した抵抗と、
を備える点灯装置。
前記充電用電源と前記ブートストラップコンデンサの間の電気的接続を導通と遮断とで切り替える第２スイッチング素子を備える請求項１に記載の点灯装置。
前記平滑コンデンサの他端に接続する負極出力端子を更に備え、
前記バックコンバータ回路の起動前に前記第２スイッチング素子を遮断とした状態で、前記正極出力端子および前記負極出力端子に負荷が接続されたか否かを検知する請求項２に記載の点灯装置。
前記ブートストラップコンデンサと並列接続したツェナーダイオードを備える請求項１〜３のいずれか１項に記載の点灯装置。
発光素子と前記発光素子と並列に接続した抵抗とを備えた発光モジュールと、
前記発光モジュールと接続して前記発光素子を点灯させる点灯装置と、
を備え、
前記点灯装置は、
直流電源に第１端子が接続した第１スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子の第２端子に一端が接続したチョークコイルを有するバックコンバータ回路と、
一端が前記チョークコイルの他端に接続した平滑コンデンサと、
一端が前記平滑コンデンサの前記一端に接続し、前記平滑コンデンサの電荷を放電する抵抗と、
制御電源と接続し、前記第１スイッチング素子の制御端子に制御信号を供給する制御回路と、
一端が前記第２端子と接続し、前記制御回路に電源を供給するブートストラップコンデンサと、
前記制御電源より高い電圧を出力し、前記ブートストラップコンデンサの他端と接続して前記ブートストラップコンデンサを充電する充電用電源と、
前記平滑コンデンサの前記一端に接続する正極出力端子と、
前記正極出力端子と前記第１スイッチング素子の前記第２端子との間に一端が接続され他端が前記充電用電源と接続した抵抗と、
を備える照明器具。