JP6760102B2 - 点灯装置および照明器具 - Google Patents

Description

本発明は、点灯装置および照明器具に関する。

特許文献１には、バックコンバータ回路を備えた点灯装置が開示されている。バックコンバータ回路では、入力電圧をスイッチング素子によって時間分割し、インダクタとコンデンサにより平滑化する。これにより、入力電圧は目標電圧に変換される。

特開２０１１−１５５７４７号公報

しかしながら、照明器具などの決められたスペースに点灯装置を収納する場合、点灯装置の小型化が必要となる場合がある。一般に、コイル、コンデンサなどの受動部品は、点灯装置において多くの面積を占める。このため、受動部品の小型化が必要となる場合がある。受動部品の小型化を実現する方法として、バックコンバータ回路のスイッチング周波数を高くすることが考えられる。しかし、スイッチング周波数の高周波化にスイッチング素子の性能が追いつかない事があった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、受動部品を小型化できる点灯装置および照明器具を得ることを目的とする。

本発明に係る点灯装置は、並列に接続された複数のスイッチング素子と、該複数のスイッチング素子と直列に接続されたインダクタと、出力端に並列に接続されたコンデンサと、を備えたバックコンバータ回路と、該複数のスイッチング素子を順次オンオフして光源の点灯を制御する制御装置と、を備え、該インダクタの２次巻き線は、該制御装置に接続され、該制御装置は、該複数のスイッチング素子の１つをオフした後に、該２次巻き線の出力電圧が減少から増加に転じると、次のスイッチング素子をオンする。

本発明に係る点灯装置では、複数のスイッチング素子を順番にオンオフする。このため、各々のスイッチング素子の動作周波数を低く維持しつつ、バックコンバータ回路の動作周波数を高くすることができる。従って、受動部品を小型化できる。

実施の形態１に係る照明器具の回路ブロック図である。 実施の形態１に係る点灯装置の動作を説明する図である。 共振を説明する図である。 コイル電流の周波数依存性を説明する図である。 スイッチングロスを説明する図である。

本発明の実施の形態に係る点灯装置および照明器具について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る照明器具１００の回路ブロック図である。本実施の形態に係る照明器具１００は、ＬＥＤモジュール１１を備える。ＬＥＤモジュール１１は、複数のＬＥＤ１１ａを備える。ＬＥＤ１１ａは光源である。複数のＬＥＤ１１ａは直列に接続される。ＬＥＤモジュール１１が備えるＬＥＤ１１ａの数は複数であれば良い。

照明器具１００は、点灯装置１２を備える。点灯装置１２の出力端にはＬＥＤモジュール１１が接続される。点灯装置１２はＬＥＤ１１ａを点灯させる。点灯装置１２は、直流電源２を備える。直流電源２は壁スイッチを介して交流電源７と接続される。交流電源７は外部電源である。直流電源２が備える整流回路８は、交流電源７と接続される。整流回路８の出力端子には、コンデンサ９が並列に接続される。コンデンサ９は、平滑コンデンサである。

コンデンサ９には、第１分圧回路が並列に接続される。第１分圧回路は直列に接続された抵抗３１および抵抗３２から構成される。コンデンサ９の両端に印加される電圧は抵抗３１、３２によって分圧され、制御装置４０に入力される。抵抗３１、３２は、整流回路８が整流した電圧を分圧する。抵抗３１、３２は、分圧した電圧の電圧波形を制御装置４０に出力する。制御装置４０は、第１分圧回路から入力された電圧波形をトレースする。制御装置４０がトレースする電圧波形は、第１スイッチング素子Ｑ１のオンオフを制御する際の制御情報として参照される。

整流回路８の高電位側には、インダクタ１０の一端が接続される。インダクタ１０の他端は、第１スイッチング素子Ｑ１の第１端子およびダイオード１４のアノードに接続される。第１スイッチング素子Ｑ１は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。また、第１スイッチング素子Ｑ１の第１端子はドレインである。

第１スイッチング素子Ｑ１の第２端子は整流回路８の低電位側に接続される。第１スイッチング素子Ｑ１の第２端子はソースである。また、第１スイッチング素子Ｑ１の制御端子は制御装置４０と接続される。制御端子は第１端子と第２端子との間をスイッチングするための端子である。制御端子はゲートである。ダイオード１４のカソードにはコンデンサ１７の正極が接続される。コンデンサ１７は電解コンデンサである。コンデンサ１７の負極は、整流回路８の低電位側に接続される。

インダクタ１０、第１スイッチング素子Ｑ１、ダイオード１４およびコンデンサ１７は昇圧チョッパ回路を構成する。コンデンサ１７には第２分圧回路が並列に接続される。第２分圧回路は直列に接続された抵抗１５および抵抗１６から構成される。コンデンサ１７の両端に印加される電圧は抵抗１５、１６を用いて分圧され、制御装置４０に入力される。

抵抗１５、１６は、直流電源２の出力端に設けられる。抵抗１５、１６は、直流電源２の出力電圧を検出する。抵抗１６に印加される検出電圧は制御装置４０に入力される。制御装置４０はこの検出電圧に基づいて、直流電源２の出力電圧が一定になるように第１スイッチング素子Ｑ１をオンオフする。以上から、直流電源２が構成される。

点灯装置１２は、バックコンバータ回路３を備える。バックコンバータ回路３は直流電源２の出力に接続される。コンデンサ１７の正極は第２スイッチング素子Ｑ２の第１端子と接続される。第２スイッチング素子Ｑ２は、ＭＯＳＦＥＴである。第２スイッチング素子Ｑ２の第１端子はドレインである。第２スイッチング素子Ｑ２の第２端子にはダイオード２１のカソードが接続される。第２スイッチング素子Ｑ２の第２端子はソースである。第２スイッチング素子Ｑ２の制御端子は、制御装置４０と接続される。制御端子はゲートである。

ダイオード２１のアノードは、コンデンサ１７の負極に接続される。つまり、第２スイッチング素子Ｑ２とダイオード２１からなる直列回路が、コンデンサ１７と並列に接続される。

点灯装置１２は、第３スイッチング素子Ｑ３を備える。第３スイッチング素子Ｑ３は、第２スイッチング素子Ｑ２と同じＭＯＳＦＥＴである。第３スイッチング素子Ｑ３の第１端子は、第２スイッチング素子Ｑ２の第１端子に接続される。第３スイッチング素子Ｑ３の第２端子は、第２スイッチング素子Ｑ２の第２端子に接続される。第３スイッチング素子Ｑ３は、第２スイッチング素子Ｑ２と並列に接続される。第３スイッチング素子Ｑ３の制御端子は、制御装置４０と接続される。第２スイッチング素子Ｑ２と同様に、第３スイッチング素子Ｑ３において第１端子はドレインであり、第２端子はソースであり、制御端子はゲートである。

インダクタ２２、コンデンサ２３および検出抵抗２４がこの順に接続して、直列回路を形成する。この直列回路はダイオード２１に並列に接続される。インダクタ２２は、第２スイッチング素子Ｑ２および第３スイッチング素子Ｑ３と直列に接続される。インダクタ２２は２次巻き線２６を有する。インダクタ２２の２次巻き線２６の一端は、制御装置４０に接続される。インダクタ２２の２次巻き線２６の他端は、ダイオード２１のアノードと、検出抵抗２４との間に接続される。インダクタ２２はチョークコイルとして用いられる。

コンデンサ２３は、バックコンバータ回路３の出力端に並列に接続される。コンデンサ２３には第３分圧回路が並列に接続される。第３分圧回路は直列に接続された抵抗５１および抵抗５２によって構成される。コンデンサ２３の両端に印加される電圧は抵抗５１、５２を用いて分圧され、制御装置４０に入力される。

検出抵抗２４は、ＬＥＤ１１ａを流れるＬＥＤ電流の検出に用いられる。検出抵抗２４には、ＬＥＤ電流に対応した検出電圧が印加される。検出電圧は、制御装置４０に入力される。また、制御装置４０には２次巻き線２６で検出したボトム電圧が入力される。制御装置４０はボトム電圧と、検出抵抗２４によって検出した検出電圧に基づいて、ＬＥＤ電流が一定になるように、第２スイッチング素子Ｑ２および第３スイッチング素子Ｑ３をオンオフする。

第３分圧回路は、点灯装置１２の出力端に設けられている。第３分圧回路は、ＬＥＤモジュール１１に印加される電圧の検出に用いられる。抵抗５２に印加される検出電圧は制御装置４０に入力される。制御装置４０は、この検出電圧に基づいて、ＬＥＤモジュール１１の接続有無および電圧異常を検出する。以上からバックコンバータ回路３が構成される。

制御装置４０は、ＬＥＤ１１ａの点灯を制御する。制御装置４０には、デジタル電源用制御装置であるマイコンを使用する。また、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）等の演算装置を使用しても良い。また、点灯装置１２は制御電源生成回路１１０を備える。制御電源生成回路１１０は、コンデンサ１７の正極に接続される。制御電源生成回路１１０は、直流電源２にて整流および昇圧された出力電圧をもとに、制御装置４０用の電源を生成して出力する。制御装置４０の電源は、制御電源生成回路１１０から供給される。

制御装置４０は、２つの制御回路４１、４２、記憶部４３、Ａ／Ｄ変換回路４４および処理装置４５を備える。２つの制御回路４１、４２、記憶部４３、Ａ／Ｄ変換回路４４および処理装置４５は、内部バスを介して互いに接続されている。制御回路４１は、第１スイッチング素子Ｑ１にＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号を出力する。制御回路４２は、第２スイッチング素子Ｑ２および第３スイッチング素子Ｑ３にＰＷＭ信号を出力する。ＰＷＭ信号は、第１スイッチング素子Ｑ１、第２スイッチング素子Ｑ２および第３スイッチング素子Ｑ３をスイッチングする。

記憶部４３は、例えば不揮発性メモリを備える。記憶部４３は、処理装置４５で実行される演算プログラムおよび演算に用いられる各種データを記憶している。記憶部４３は、外部からデータの書き込みおよび読み出しが行われるように設けられる。処理装置４５は、第１スイッチング素子Ｑ１、第２スイッチング素子Ｑ２および第３スイッチング素子Ｑ３のスイッチング制御におけるオン時間などを算出する。

第１分圧回路、第２分圧回路、第３分圧回路、２次巻き線２６および検出抵抗２４からの検出電圧は制御装置４０に入力される。Ａ／Ｄ変換回路４４は、これらの検出電圧をデジタル値に変換する。処理装置４５は、このデジタル値を用いて演算処理を実行する。記憶部４３には、予め設定された目標電圧が記憶されている。制御装置４０は、直流電源２の出力電圧が目標電圧に一致するように、第１スイッチング素子Ｑ１のオン時間を調整することで定電圧制御を行っている。

照明器具１００は、調光器２８および調光信号インターフェイス（Ｉ／Ｆ）回路４を備える。制御装置４０には、調光信号Ｉ／Ｆ回路４を介して調光器２８からの調光指令値が入力される。制御装置４０は、ＬＥＤ電流と、調光指令値に基づいて決定される目標電流とが一致するように、検出抵抗２４で検知したＬＥＤ電流に基づいて第２スイッチング素子Ｑ２および第３スイッチング素子Ｑ３のオン時間を調整する。

点灯装置１２は受信部１０１を備える。受信部１０１は、リモコン２０からの無線信号を受信する。受信部１０１は制御装置４０に接続される。無線信号は、受信部１０１を介して制御装置４０に入力される。無線信号は、調光指令値などの情報を含む。また、制御装置４０は、受信部１０１を介してリモコン２０に無線信号を送信する。

図２は、実施の形態１に係る点灯装置１２の動作を説明する図である。次に、第２スイッチング素子Ｑ２と第３スイッチング素子Ｑ３のスイッチングのタイミングについて説明する。図２において、Ｉ２２は、インダクタ２２を流れるコイル電流を示す。Ｑ２Ｉｄは、第２スイッチング素子Ｑ２の第１端子を流れる電流を示す。Ｑ３Ｉｄは、第３スイッチング素子Ｑ３の第１端子を流れる電流を示す。

また、Ｖｄｓは、第２スイッチング素子Ｑ２および第３スイッチング素子Ｑ３の第１端子と第２端子との間に印加される電圧を示す。Ｑ２Ｖｇｓは、第２スイッチング素子Ｑ２の制御端子と第２端子との間に印加される電圧を示す。Ｑ３Ｖｇｓは、第３スイッチング素子Ｑ３の制御端子と第２端子との間に印加される電圧を示す。

まず、電圧Ｑ２Ｖｇｓをオンする。これにより、第２スイッチング素子Ｑ２がオンする。この結果、電圧Ｖｄｓが低下し、インダクタ２２にコイル電流Ｉ２２が流れる。制御装置４０によって決められたオン時間の間、第２スイッチング素子Ｑ２がオンした状態が維持される。オン時間が経過すると、電圧Ｑ２Ｖｇｓがオフされる。これにより、第２スイッチング素子Ｑ２がオフする。この結果、電圧Ｖｄｓが上昇し、コイル電流Ｉ２２が低下する。

コイル電流Ｉ２２は時間の経過とともに低下する。コイル電流Ｉ２２がゼロに到達すると、電圧Ｖｄｓは共振を始める。制御装置４０は電圧Ｖｄｓの共振のボトムを検出すると、電圧Ｑ３Ｖｇｓをオンする。共振のボトムは、共振状態において電圧Ｖｄｓが最小の状態である。この結果、第３スイッチング素子Ｑ３がオンする。

これにより、電圧Ｖｄｓが低下し、コイル電流Ｉ２２が流れる。制御装置４０によって決められたオン時間の間、第３スイッチング素子Ｑ３がオンした状態が維持される。オン時間が経過すると、電圧Ｑ３Ｖｇｓがオフされる。これにより、第３スイッチング素子Ｑ３がオフする。この結果、電圧Ｖｄｓが上昇し、コイル電流Ｉ２２が低下する。コイル電流Ｉ２２がゼロに到達すると、電圧Ｖｄｓは共振を始める。制御装置４０は電圧Ｖｄｓの共振のボトムを検出すると、電圧Ｑ２Ｖｇｓをオンする。これにより、第２スイッチング素子Ｑ２がオンする。

図３は、共振を説明する図である。コイル電流Ｉ２２がゼロの状態において、電圧Ｖｄｓは共振する。点線６２は、電圧Ｖｄｓの共振の波形を示す。制御装置４０は、インダクタ２２の２次巻き線２６の出力電圧または出力電流の変化を監視している。制御装置４０は、共振状態において２次巻き線２６の出力電圧が最小となると、共振のボトム６１であると判断する。つまり、制御装置４０は、共振状態において２次巻き線２６の出力電圧が減少から増加に転じると、共振のボトム６１であると判断する。これにより、共振状態における電圧Ｖｄｓの最小値である共振のボトム６１が検出される。

以上の動作を繰り返すことにより、第２スイッチング素子Ｑ２と第３スイッチング素子Ｑ３が交互にオンする。このため、第２スイッチング素子Ｑ２および第３スイッチング素子Ｑ３はインダクタ２２およびコンデンサ２３の動作周波数の半分の周波数で動作する。従って、インダクタ２２およびコンデンサ２３の動作周波数を、第２スイッチング素子Ｑ２および第３スイッチング素子Ｑ３の各々のスイッチング周波数よりも高く設定できる。ここで、インダクタ２２およびコンデンサ２３の動作周波数は、インダクタ２２およびコンデンサ２３を流れる電流の周波数を示す。

図４は、コイル電流Ｉ２２の周波数依存性を説明する図である。図４において、Ｉ０およびＱＩｄは、比較例に係るバックコンバータ回路の電流波形を示す。比較例に係るバックコンバータ回路はスイッチング素子Ｑを１つのみ備える。Ｉ０は比較例に係るバックコンバータ回路においてインダクタ２２を流れるコイル電流を示す。また、ＱＩｄは比較例に係るバックコンバータ回路において、スイッチング素子Ｑの第１端子を流れる電流を示す。図４において、Ｉ２２、Ｑ２ＩｄおよびＱ３Ｉｄは、本実施の形態に係るバックコンバータ回路３の電流波形である。

比較例に係るバックコンバータ回路の動作周波数は、本実施の形態に係るバックコンバータ回路３の動作周波数の半分であるものとする。つまり、比較例に係るインダクタ２２の動作周波数は、本実施の形態に係るインダクタ２２の動作周波数の半分であるものとする。また、比較例に係るバックコンバータ回路と、本実施の形態に係るバックコンバータ回路３は、単位時間にＬＥＤモジュール１１に流す電流量が同じであるものとする。

比較例に係るバックコンバータ回路と、本実施の形態に係るバックコンバータ回路３とでは、単位時間当たりにインダクタ２２を流れる電流量が等しい。このため、コイル電流Ｉ０の１周期あたりの面積をＳ０、コイル電流Ｉ２２の１周期あたりの面積をＳ１またはＳ２としたとき、Ｓ０＝Ｓ１＋Ｓ２となる。また、コイル電流Ｉ０とコイル電流Ｉ２２のピーク電流は等しくなる。このとき、図４に示すように、コイル電流Ｉ０よりもコイル電流Ｉ２２の傾きが大きくなる。つまり、コイル電流Ｉ０よりもコイル電流Ｉ２２のほうが、単位時間当たりの変化量が大きくなる。

以上から、単位時間にＬＥＤモジュール１１に流す電流量が同じ場合、インダクタ２２を高速で動作させるほど、コイル電流Ｉ２２の単位時間当たりの変化量が大きくなる。一般に、インダクタ２２を流れる電流の単位時間当たりの変化量が大きいほど、インダクタ２２のインダクタンス値Ｌを小さくできる。このため、インダクタ２２のコアおよび巻き線仕様を小さくでき、インダクタ２２を小型化できる。ここで、巻き線仕様は、例えば、巻き線の太さまたは巻き数である。以上から、インダクタ２２を高速で動作させることでインダクタ２２を小型化できる。

また、一般に、動作周波数を大きくすると、リップル成分を抑制できる。このため、動作周波数を大きくすると、コンデンサ２３として低容量のコンデンサを用いることができる。従って、動作周波数を大きくすることで、コンデンサ２３を小型化できる。

以上から、動作周波数が大きい程、受動部品を小さくできる。本実施の形態では、第２スイッチング素子Ｑ２および第３スイッチング素子Ｑ３の各々のスイッチング周波数を低く維持した状態で、インダクタ２２およびコンデンサ２３の動作周波数を高くできる。つまり、第２スイッチング素子Ｑ２および第３スイッチング素子Ｑ３のスイッチング性能の定格を満たしつつ、受動部品を小型化できる。従って、点灯装置１２を小型化できる。

また、本実施の形態によれば、第２スイッチング素子Ｑ２および第３スイッチング素子Ｑ３が受け持つ負担を軽減できる。第２スイッチング素子Ｑ２および第３スイッチング素子Ｑ３が受け持つ負担とは、例えば、第２スイッチング素子Ｑ２および第３スイッチング素子Ｑ３が高速でスイッチングする際に生じる内部電力ロスである。内部電力ロスはスイッチングロスとも呼ばれる。

図５は、スイッチングロスを説明する図である。図５において、スイッチング素子の第１端子を流れる電流をＩｄとする。また、スイッチング素子の第１端子と第２端子との間に印加される電圧をＶｄｓとする。スイッチング素子がオフされると、電流Ｉｄが低下する一方で電圧Ｖｄｓが上昇する。電流Ｉｄと電圧Ｖｄｓが重なる部分６３の面積がスイッチングロスに相当する。

スイッチング素子によって個体差はあるが、一般に、スイッチング素子を高速でスイッチングさせるほど、電流Ｉｄと電圧Ｖｄｓが重なる部分６３の面積は大きくなる。特に、スイッチング素子の応答速度の限界値の近傍では、電流Ｉｄと電圧Ｖｄｓが重なる部分６３の面積が大きくなることが多い。

これに対し、本実施の形態では、第２スイッチング素子Ｑ２および第３スイッチング素子Ｑ３の各々のスイッチング周波数を、バックコンバータ回路３の動作周波数の半分にできる。このため、動作周波数が同じでありスイッチング素子を１つのみ備えるバックコンバータ回路と比較すると、本実施の形態に係るバックコンバータ回路３では、電流Ｉｄと電圧Ｖｄｓが重なる部分６３の面積を小さくできる。従って、バックコンバータ回路３の動作周波数を高く設定しつつ、スイッチングロスを抑制できる。ここで、バックコンバータ回路３の動作周波数は、インダクタ２２を流れる電流の周波数を示す。

また、本実施の形態では、第２スイッチング素子Ｑ２と第３スイッチング素子Ｑ３を交互にオンオフする。このため、スイッチング素子を１つのみ備える場合と比較して、第２スイッチング素子Ｑ２と第３スイッチング素子Ｑ３の各々において、オン時間に対するオフ時間の比率を長くできる。つまり、第２スイッチング素子Ｑ２と第３スイッチング素子Ｑ３の各々において、電流Ｉｄを流す期間を短くできる。従って、電流Ｉｄが流れることによって生ずる内部発熱を抑制できる。

本実施の形態に係る点灯装置１２は、直流電源２とバックコンバータ回路３を備える２コンバータ方式である。この変形例として、点灯装置１２は、直流電源２を備えなくても良い。点灯装置１２は、バックコンバータ回路３のみを備える１コンバータ方式でも良い。

また、本実施の形態では、バックコンバータ回路３は２個のスイッチング素子Ｑ２、Ｑ３を備える。バックコンバータ回路３が備えるスイッチング素子の数は２個に限らず、複数であれば良い。この場合、バックコンバータ回路３は、並列に接続された複数のスイッチング素子を備える。また制御装置４０は、複数のスイッチング素子を順次オンオフする。並列に接続された３個以上のスイッチング素子を、制御装置４０が順番にオンオフすることで、さらに各々のスイッチング素子が受け持つ負担を低減できる。

なお、各実施の形態で説明した技術的特徴は適宜に組み合わせて用いてもよい。

１００ 照明器具、１２ 点灯装置、Ｑ２ 第２スイッチング素子、Ｑ３ 第３スイッチング素子、３ バックコンバータ回路、４０ 制御装置、２２ インダクタ、２３ コンデンサ、２６ ２次巻き線、１１ａ ＬＥＤ

Claims (3)

1. 並列に接続された複数のスイッチング素子と、前記複数のスイッチング素子と直列に接続されたインダクタと、出力端に並列に接続されたコンデンサと、を備えたバックコンバータ回路と、
   前記複数のスイッチング素子を順次オンオフして光源の点灯を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記インダクタの２次巻き線は、前記制御装置に接続され、
   前記制御装置は、前記複数のスイッチング素子の１つをオフした後に、前記２次巻き線の出力電圧が減少から増加に転じると、次のスイッチング素子をオンすることを特徴とする点灯装置。
2. 前記制御装置は、前記光源を流れる電流が一定となるように、前記複数のスイッチング素子をオンオフすることを特徴とする請求項１に記載の点灯装置。
3. 請求項１または２に記載の点灯装置と、
   前記光源と、
   を備えることを特徴とする照明器具。

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