JP6256171B2

JP6256171B2 - 点灯装置および照明器具

Info

Publication number: JP6256171B2
Application number: JP2014086655A
Authority: JP
Inventors: 丈裕野瀬; 福田　秀樹; 秀樹福田; 友一坂下; 義章石黒
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Electric Lighting Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Electric Lighting Corp
Priority date: 2014-04-18
Filing date: 2014-04-18
Publication date: 2018-01-10
Anticipated expiration: 2034-04-18
Also published as: JP2015207414A

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２０００−３５０４４２号公報に開示されているように、Ｈブリッジと呼ばれる回路を含むコンバータ回路を備えた点灯装置知られている。また、特開２０１１−１７６９１１号公報には、演算増幅器（オペアンプ）を用いる点灯装置が知られている。

特開２０００−３５０４４２号公報特開２０１１−１７６９１１号公報

本願発明者は、コンバータ回路においてコイル電流を上限値と下限値との間で往復的に増減するようにスイッチング素子を制御するいわゆるバンバン（Ｂａｎｇ−Ｂａｎｇ）制御を行う点灯装置を開発している。この場合に、コイル電流を上限値および下限値それぞれと比較するために演算増幅器（オペアンプ）が比較器として用いられる。演算増幅器にはオフセット電圧があるので、演算増幅器を用いた比較器には検出限界電圧（例えば１０ｍＶ程度）が存在する。この検出限界電圧があるので、バンバン制御において調光率を絞っていくことで上限目標値と下限目標値とが小さくなると、コイル電流を正確に制御することができなくなるという問題があった。

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、バンバン制御において調光率を絞ってもコイル電流を制御することの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、コイルおよびスイッチング素子を備えたコンバータ回路と、前記コイルに流れるコイル電流の値を検出する検出回路と、臨界モード動作を実施するように前記コイル電流に基づいて前記スイッチング素子の制御端子に供給する制御信号を生成する制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記検出回路で検出した前記コイル電流の検出値の正負を反転させた反転コイル電流値を生成し、前記コイル電流の目標電流を示しかつ脈流状に変化する脈流目標値を生成し、前記脈流目標値の正負を反転した反転脈流目標値を生成し、前記反転脈流目標値よりも高く定めた上限値を生成し、前記上限値と前記反転脈流目標値との間で前記反転コイル電流値が往復的に増減するように前記スイッチング素子をオンオフする。

本発明にかかる照明器具は、発光素子と、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、コイルおよびスイッチング素子を備えたコンバータ回路と、前記コイルに流れるコイル電流の値を検出する検出回路と、臨界モード動作を実施するように前記コイル電流に基づいて前記スイッチング素子の制御端子に供給する制御信号を生成する制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記検出回路で検出した前記コイル電流の検出値の正負を反転させた反転コイル電流値を生成し、前記コイル電流の目標電流を示しかつ脈流状に変化する脈流目標値を生成し、前記脈流目標値の正負を反転した反転脈流目標値を生成し、前記反転脈流目標値よりも高く定めた上限値を生成し、前記上限値と前記反転脈流目標値との間で前記反転コイル電流値が往復的に増減するように前記スイッチング素子をオンオフする。

本発明によれば、反転コイル電流値と反転脈流目標値を利用してバンバン制御を行うことで、調光率を絞ってもコイル電流を制御することができる。

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。実施の形態にかかる点灯装置および照明器具の動作を示す波形図である。

図１は、本発明の実施の形態にかかる点灯装置１０および照明器具１を示す回路図である。照明器具１は、ＬＥＤモジュール２および点灯装置１０を備えている。ＬＥＤモジュール２は、複数のＬＥＤ素子２ａを直列接続したものである。点灯装置１０は、出力端子Ｔ１、Ｔ２を介してＬＥＤモジュール２と接続し、交流電源４の交流電圧を直流電圧に変換し、ＬＥＤ素子２ａを点灯させる。ＬＥＤモジュール２は、少なくとも１つのＬＥＤ素子２ａを含むものであればよく、また複数のＬＥＤ素子２ａが並列あるいは直列と並列を組み合わせた形態に接続されたものであってもよく、ＬＥＤ素子２ａに代えて有機ＥＬ素子を用いてもよい。

点灯装置１０は、交流電源４と接続し交流電圧を整流する典型的にはダイオードブリッジである整流回路６と、整流回路６で全波整流された直流電流を受けるＨブリッジコンバータ回路１４を備えている。交流電源４と整流回路６との間には、電源スイッチ（図示せず）が介在している。

Ｈブリッジコンバータ回路１４は、スイッチング素子Ｑ１と、ダイオードＤ１と、コイルＬ１と、ダイオードＤ２と、スイッチング素子Ｑ２を備え、これらがＨブリッジ型に接続されたものである。なお、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の具体的な構造は特に限定しないが、一例としてＭＯＳＦＥＴを用いてもよい。スイッチング素子Ｑ１の第１端子（ＭＯＳＦＥＴの場合は例えばドレイン）は、整流回路６の高電圧側出力端子に接続している。スイッチング素子Ｑ１の第２端子（ＭＯＳＦＥＴの場合は例えばソース）は、ダイオードＤ１のカソードと接続している。ダイオードＤ１のアノードは、整流回路６の低電圧側出力端子に接続している。コイルＬ１の一端は、スイッチング素子Ｑ１の第２端子（ＭＯＳＦＥＴの場合は例えばソース）とダイオードＤ１のカソードとの接続点に接続している。コイルＬ１の他端は、ダイオードＤ２のアノードとスイッチング素子Ｑ２の第１端子（ＭＯＳＦＥＴの場合は例えばドレイン）との間の接続点に接続している。スイッチング素子Ｑ２の第２端子（ＭＯＳＦＥＴの場合は例えばソース）は抵抗Ｒ３の一端に接続し、抵抗Ｒ３の他端は整流回路６の低電圧側出力端子と接続している。ダイオードＤ２のカソードは、コンデンサＣ２の一端に接続している。ダイオードＤ１のアノードにはコイルＬ１の電流検出用の抵抗Ｒ３の一端が接続し、抵抗Ｒ３の他端はスイッチング素子Ｑ２のソースに接続している。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の制御端子（ＭＯＳＦＥＴの場合は例えばゲート）に駆動回路２１からの駆動信号が供給されることでスイッチングが実現される。駆動回路２１は、マイコン２２からスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオンオフをそれぞれ指示する制御信号を受けて、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２それぞれの駆動信号を生成する。Ｈブリッジコンバータ回路１４は、降圧モード、昇圧モード、および昇降圧モードという３つのモードで駆動することができる。降圧モードは、スイッチング素子Ｑ１をオンオフし、かつスイッチング素子Ｑ２をオフに維持することで実現される。昇圧モードは、スイッチング素子Ｑ１をオンに維持し、かつスイッチング素子Ｑ２をオンオフすることで実現される。昇降圧モードは、スイッチング素子Ｑ１およびスイッチング素子Ｑ２の両方をオンオフすることで実現される。

Ｈブリッジコンバータ回路１４の出力側には、電解コンデンサであるコンデンサＣ２が設けられている。コンデンサＣ２の他端は抵抗Ｒ３を介して整流回路６の低電圧側出力端子と接続している。コンデンサＣ２に対して並列に、ＬＥＤモジュール２が接続している。なお、ＬＥＤモジュール２とコンデンサＣ２との間の接続点に電流検知抵抗を直列に挿入し、電流検知抵抗の電圧に基づいてＬＥＤ電流を検出してもよい。また、コンデンサＣ２と並列に複数の抵抗からなる分圧回路を設けてもよく、この分圧回路で電圧検知を行ってもよく、分圧回路で分圧した電圧が検知電圧としてマイコン２２に入力されてもよい。

点灯装置１０は、コイルＬ１に流れるコイル電流ＩＬの値を検出する抵抗Ｒ３と、制御回路２０と、を備えている。制御回路２０は、マイコン２２で臨界モード動作を実施するように抵抗Ｒ３で検出されたコイル電流ＩＬに基づいてスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の制御端子に供給する制御信号を生成し、この制御信号を受けた駆動回路２１がスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の制御端子に駆動信号を与える。この機能を実現するための本実施の形態にかかる具体的な回路として、制御回路２０は、マイコン２２と、第１反転重畳回路３０と、第２反転重畳回路４０と、比較器２４、２５を備えている。マイコン２２は、脈流目標値ＶＰを生成するためのパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）である信号ＳＰＷＭを出力するものであり、臨界モード動作のピーク電流検出およびデジタル制御を実施する。

第１反転重畳回路３０は、抵抗Ｒ１４を介してマイコン２２からのパルス幅変調信号ＳＰＷＭから脈流目標値ＶＰを生成し、脈流目標値ＶＰの正負を反転させ、かつ直流電圧Ｖ１を重畳することで反転脈流目標値ＶＰＩＮＶを出力する。この機能を実現する具体的な回路として、第１反転重畳回路３０は、第１演算増幅器ＯＰ１と、コンデンサＣ１１と、抵抗Ｒ１１、Ｒ１２，Ｒ１３を備えている。抵抗Ｒ１３、Ｒ１４は、増幅用の抵抗である。第１演算増幅器ＯＰ１は、第１反転入力端子、第１非反転入力端子、および第１出力端子を備えている。第１演算増幅器ＯＰ１は、第１反転入力端子にパルス幅変調信号ＳＰＷＭを受け、第１非反転入力端子に抵抗Ｒ１１，Ｒ１２で分圧することで生成した直流電圧を受ける。コンデンサＣ１１は、一端が第１演算増幅器ＯＰ１の第１出力端子と接続し、他端が第１反転入力端子に接続している。抵抗Ｒ１３は、コンデンサＣ１１と並列に接続している。

第２反転重畳回路４０は、抵抗Ｒ２４を介して抵抗Ｒ３からのコイル電流ＩＬの検出値を受け、この検出値の正負を反転させ、かつ直流電圧Ｖ１を重畳することで反転コイル電流値ＶＬＩＮＶを出力する。この機能を実現するための本実施の形態にかかる具体的な回路として、第２反転重畳回路４０は、第２演算増幅器ＯＰ２と、抵抗Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ２３を備えている。抵抗Ｒ２３、Ｒ２４は増幅用の抵抗である。第２演算増幅器ＯＰ２は、第２反転入力端子、第２非反転入力端子、および第２出力端子を備えている。第２演算増幅器ＯＰ２は、第２反転入力端子にコイル電流ＩＬの検出値を受け、第２非反転入力端子に抵抗Ｒ２１，Ｒ２２で分圧することで生成した直流電圧を受ける。抵抗Ｒ２３は、一端が第２演算増幅器ＯＰ２の第２出力端子と接続し、他端が第２反転入力端子に接続している。第１反転重畳回路３０とは異なり、第２反転重畳回路４０では第２出力端子と第２反転入力端子との間にコンデンサが設けられていない。比較器２４は、反転脈流目標値ＶＰＩＮＶと反転コイル電流値ＶＬＩＮＶを比較する。比較器２５は、反転コイル電流値ＶＬＩＮＶと上限目標値（ＤＣ）を比較する。

照明器具１には、調光率を指定するための調光器５０が接続される。調光器５０からマイコン２２に調光信号が伝達される。調光率が低く指定されると、図２（ｂ）で模式的に示すように矢印方向に脈流目標値ＶＰの振幅が小さくなるようにマイコン２２で調光制御が行われ、反転脈流目標値ＶＰＩＮＶ図２（ｃ）に示す紙面上方向きの矢印のように全体的に持ち上がる。調光についての技術は既に多くの技術が公知であり新規な事項ではないので、説明は省略する。

図２は、実施の形態にかかる点灯装置１０および照明器具１の動作を示す波形図であり、以下この波形図を用いて制御回路２０の動作を説明する。交流電源４から入力される交流電圧を整流回路６で全波整流し、全波整流された脈流電圧Ｖｉｎをマイコン２２にて検出する。検出した電圧レベルに応じて、マイコン２２はパルス幅変調信号ＳＰＷＭを出力する。図２（ａ）にパルス幅変調信号ＳＰＷＭを示す。図２（ｂ）に示す脈流目標値ＶＰは、コイル電流ＩＬの目標電流を示しかつ脈流状に変化する。パルス幅変調信号ＳＰＷＭのＤｕｔｙを制御し、抵抗Ｒ１３とコンデンサＣ１１の回路定数により、入力交流電圧と周期が等しい全波に変換したものである。図２（ｃ）に示す反転脈流目標値ＶＰＩＮＶは、脈流目標値ＶＰの正負を反転したものである。全波に変換された電圧レベルを第１演算増幅器ＯＰ１で反転および直流重畳することで決定された基準値である。図２（ｄ）に示す反転コイル電流値ＶＬＩＮＶは、抵抗Ｒ３からのコイル電流ＩＬの検出値の正負を反転させたものである。コイルＬ１の電流を検知し、第２演算増幅器ＯＰ２で同様に反転および直流重畳を行ったものである。マイコン２２から出力するパルス幅変調信号ＳＰＷＭは、交流電源４の全波整流の電圧レベルとＬＥＤモジュール２の双方から決定されてもよい。

本実施の形態にかかるバンバン（Ｂａｎｇ−Ｂａｎｇ）制御の内容を説明する。ここでは一例として昇圧モード時の動作を説明する。昇圧モードではスイッチング素子Ｑ１はオンに維持され、スイッチング素子Ｑ２がオンオフされる。本実施の形態にかかるバンバン制御では、上限値と下限値との間を反転コイル電流値ＶＬＩＮＶが往復的に増減するように、マイコン２２はスイッチング素子Ｑ２をオンオフする。本実施の形態は、直流電圧Ｖ１が上限値に相当し、反転脈流目標値ＶＰＩＮＶが下限値に相当している。直流電圧Ｖ１は、反転脈流目標値ＶＰＩＮＶよりも高く定められている。スイッチング素子Ｑ２がオンとなることでコイル電流ＩＬが増大し、反転コイル電流値ＶＬＩＮＶが減少すると、反転コイル電流値ＶＬＩＮＶは下限値に達する。このときスイッチング素子Ｑ２はオフとされる。その後コイル電流ＩＬは減少し、反転コイル電流値ＶＬＩＮＶが増大していき、反転コイル電流値ＶＬＩＮＶは上限値に達する。このとき、スイッチング素子Ｑ２が再びオンとなる。

制御回路２０（より具体的には比較器２４およびマイコン２２）は、直流電圧Ｖ１と反転脈流目標値ＶＰＩＮＶとの間で反転コイル電流値ＶＬＩＮＶが往復的に増減することを繰り返すようにスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をオンオフする。このとき反転コイル電流値ＶＬＩＮＶはいわゆる臨界モードでの動作となる。ここでは一例として昇圧モードの動作を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、降圧モードおよび昇降圧モードにおいてもいずれのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をオンオフするかの違いを除いては上記と同様に制御を行えばよい。

以上説明したように、本実施の形態にかかる点灯装置１０および照明器具１によれば、反転コイル電流値ＶＬＩＮＶと反転脈流目標値ＶＰＩＮＶを利用してバンバン制御を行うことで、調光率を絞ってもコイル電流ＩＬを制御することができる。すなわち、上述した反転および直流重畳を行うことで、調光率を低くしていったときでも互いに比較される電圧値（つまり反転コイル電流値ＶＬＩＮＶおよび反転脈流目標値ＶＰＩＮＶの電圧レベル）それぞれが大きな値となる。このため、これらの信号を比較器２４で正確に比較できるようになり、低い調光率での調光が可能となる。反転脈流目標値ＶＰＩＮＶの最小値が比較器２４のオフセット電圧Ｖｏｆｓ以上の大きさとなるように反転脈流目標値ＶＰＩＮＶに直流電圧Ｖ１を重畳することが好ましく、調光率が小さくなるほど反転脈流目標値ＶＰＩＮＶと直流電圧Ｖ１との差を小さくすることが好ましい。調光率が低減されると図２（ｂ）で模式的に示すように矢印方向に脈流目標値ＶＰの振幅が小さくなり、これに応じて図２（ｄ）に矢印で示すように反転脈流目標値ＶＰＩＮＶと直流電圧Ｖ１との間の差が全体的に小さくなる。つまりオフセット電圧Ｖｏｆｓに対するマージンＶｍｇが拡大していく。従って、調光率を絞っていってもオフセット電圧に起因する検出限界電圧の影響を避けることができる。

なお、本実施の形態ではＨブリッジコンバータ回路１４を用いたが、本発明はこれに限られない。Ｈブリッジコンバータ回路１４の代替として用いるコンバータ回路は、ワンコンバータ回路方式で臨界モード動作を実施するものであればよい。具体的には、コイルおよびスイッチング素子を備え、スイッチング素子を臨界モード動作させ、臨界モード動作のピーク電流検出およびデジタル制御を実施するものである。臨界モード動作では、スイッチング素子のオン期間にコイル（インダクタンス要素）に蓄積されたエネルギーがスイッチング素子のオフ期間に放出され、そのエネルギー放出が完了したタイミングでスイッチング素子を再度オンさせる。非絶縁回路、あるいは例えばフライバックコンバータ等の絶縁回路であって一次側でフィードバック制御を実施している回路では、目標電流が脈流となる。ここでいうワンコンバータ回路方式とは、交流直流変換の回数あるいは昇圧降圧の回数が１回であるものを指し、典型的には実施の形態で述べたＨブリッジコンバータ回路は「商用電圧→直流電圧（昇圧または降圧）」という１回の電圧変換を行うものであり、ここでいうワンコンバータ回路方式に含まれる。他に、ＰＦＣ制御フライバックコンバータも「商用電圧→直流電圧（降圧）」であるためここでいうワンコンバータ回路方式に含まれる。

１照明器具、２ＬＥＤモジュール、２ａＬＥＤ素子、４交流電源、６整流回路、１０点灯装置、１４Ｈブリッジコンバータ回路、２０制御回路、２１駆動回路、２２マイコン、２４、２５比較器、３０第１反転重畳回路、４０第２反転重畳回路、５０調光器、Ｌ１コイル、ＯＰ１第１演算増幅器、ＯＰ２第２演算増幅器、Ｑ１，Ｑ２スイッチング素子

Claims

コイルおよびスイッチング素子を備えたコンバータ回路と、
前記コイルに流れるコイル電流の値を検出する検出回路と、
臨界モード動作を実施するように前記コイル電流に基づいて前記スイッチング素子の制御端子に供給する制御信号を生成する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、
前記検出回路で検出した前記コイル電流の検出値の正負を反転させた反転コイル電流値を生成し、
前記コイル電流の目標電流を示しかつ脈流状に変化する脈流目標値の正負を反転した反転脈流目標値を生成し、
前記反転脈流目標値よりも高く定めた上限値を生成し、
前記上限値と前記反転脈流目標値との間で前記反転コイル電流値が往復的に増減するように前記スイッチング素子をオンオフする点灯装置。
前記反転脈流目標値と前記反転コイル電流値を比較する比較器を備え、
前記反転脈流目標値の最小値が前記比較器のオフセット電圧以上の大きさとなるように前記反転脈流目標値に直流電圧を重畳する請求項１に記載の点灯装置。
調光率を指定するための調光器を備え、
前記調光率が小さくなるほど前記反転脈流目標値と前記直流電圧との差を小さくする請求項２に記載の点灯装置。
前記制御回路は、
前記脈流目標値を生成するためのパルス幅変調信号を出力する制御集積回路と、
前記パルス幅変調信号から生成した前記反転脈流目標値に直流電圧を重畳して出力する第１反転重畳回路と、
前記検出回路から前記コイル電流の検出値を受け、前記検出値の正負を反転させかつ前記直流電圧を重畳することで反転コイル電流値を出力する第２反転重畳回路と、
を含み、前記反転脈流目標値と前記反転コイル電流値を比較する請求項１に記載の点灯装置。
前記第１反転重畳回路は、
第１反転入力端子、第１非反転入力端子、および第１出力端子を備え前記第１反転入力端子にパルス幅変調信号を受け前記第１非反転入力端子に直流電圧を受ける第１演算増幅器と、
一端が前記第１出力端子と接続し他端が前記第１反転入力端子に接続したコンデンサと、
を含む請求項４に記載の点灯装置。
前記第２反転重畳回路は、
第２反転入力端子、第２非反転入力端子、および第２出力端子を備え前記第２反転入力端子に前記コイル電流の検出値を受け前記第２非反転入力端子に直流電圧を受ける第２演算増幅器を含み、
前記第２出力端子と前記第２反転入力端子との間に直列接続したコンデンサを備えない請求項５に記載の点灯装置。
発光素子と、
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、
コイルおよびスイッチング素子を備えたコンバータ回路と、
前記コイルに流れるコイル電流の値を検出する検出回路と、
臨界モード動作を実施するように前記コイル電流に基づいて前記スイッチング素子の制御端子に供給する制御信号を生成する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、
前記検出回路で検出した前記コイル電流の検出値の正負を反転させた反転コイル電流値を生成し、
前記コイル電流の目標電流を示しかつ脈流状に変化する脈流目標値を生成し、前記脈流目標値の正負を反転した反転脈流目標値を生成し、
前記反転脈流目標値よりも高く定めた上限値を生成し、
前記上限値と前記反転脈流目標値との間で前記反転コイル電流値が往復的に増減するように前記スイッチング素子をオンオフする照明器具。