JP7273356B2 - 点灯装置及び照明装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、ＰＷＭ信号によりスイッチングされるスイッチング素子のスイッチングにより入力電力を変換して負荷に供給する変換回路を有する点灯装置及びこれを備えた照明装置に関する。

従来、ダウンライト等の照明装置に用いられる点灯装置としては、交流入力電圧を直流定電圧に変換する力率改善回路（ＰＦＣ）等のＡＣ／ＤＣ変換回路と、ＰＷＭ信号によるスイッチング素子のスイッチング駆動によってＡＣ／ＤＣ変換回路からの電圧を降圧させた直流定電圧を光源に出力する降圧チョッパ回路等のＤＣ／ＤＣ変換回路と、を有している。ＤＣ／ＤＣ回路の出力電流は、例えばピーク電流値と基準となる閾値電流値とを比較する比較器（コンパレータ）を用いたピーク電流制御（カレントリミット制御）により制御される。この構成の場合、コンパレータの遅延やスイッチング素子のターンオフの遅延により、ＰＷＭ信号における最小のデューティ比が決まってしまうため、調光度が深くなったときに適切なデューティ比に設定できなくなるおそれがある。

特許第４９０１１０４号公報

本発明が解決しようとする課題は、調光度に拘らず安定して光源を点灯制御可能な点灯装置及びこれを備えた照明装置を提供することである。

実施形態の点灯装置は、一定周期で送信されるＰＷＭ信号のオン信号と、比較結果に応じて送信されるＰＷＭ信号のオフ信号と、によりスイッチング素子がスイッチングされることで出力電流を定電流とする点灯装置である。点灯装置は、変換回路と、比較器と、制御部と、を備える。変換回路は、スイッチング素子を備える。変換回路は、スイッチング素子のスイッチングにより入力電力を変換して光源に供給する。比較器は、変換回路の出力電流と所定の閾値電流とを比較する。制御部は、第１設定制御と、第２設定制御とを備える。第１設定制御は、比較器による比較結果に応じてＰＷＭ信号のオフタイミングを設定する。第２設定制御は、ＰＷＭ信号のオフタイミングを直接設定する。制御部は、光源の調光度が所定の調光度以下の領域で第２設定制御を実施する。

本発明によれば、調光度に拘らず安定して光源を点灯制御することが期待できる。

一実施形態を示す点灯装置を備える照明装置の回路図である。 同上点灯装置の変換回路の出力電流、比較器の出力、ＰＷＭ信号、及び、スイッチング素子のオンオフタイミングを示すタイミングチャートである。

以下、一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１において、10は照明装置である。照明装置10は、例えばダウンライト等が用いられる。照明装置10は、電源装置である点灯装置12と、照明負荷である例えばＬＥＤ等の光源13を備える光源モジュール14と、光源13の調光度を設定する調光器15と、を備えている。

点灯装置12は、例えば１００Ｖ等の交流入力電力を供給する外部電源である商用交流電源ｅに対し、図示しないフィルタ回路を介して整流回路21の一対の入力端が接続されている。整流回路21は、商用交流電源ｅを直流電源に整流して出力する。整流回路21の一対の出力端に、第１変換回路22が接続されている。第１変換回路22は、力率改善のための既知の力率改善回路であり、本実施形態では昇圧チョッパ回路である。第１変換回路22は、入力された電圧を所定の第１電圧、例えば１６０Ｖより高い第１直流定電圧に変換して出力するようになっている。

第１変換回路22の出力側には、第２変換回路23が接続されている。第２変換回路23は、本実施形態において、第１変換回路22から入力された第１直流定電圧を第１の電圧よりも低い所定の第２電圧、例えば４２Ｖより高い第２直流定電圧に変換して出力する降圧チョッパ回路である。第１変換回路22と第２変換回路23とにより、入力電力を変換して光源13に供給する変換回路24が構成されている。第２変換回路23は、第１変換回路22の出力端間に接続されたスイッチング素子Q1及び帰還ダイオードＤの直列回路と、スイッチング素子Q1と帰還ダイオードＤのカソードとの接続点に一端側が接続されたインダクタＬとを備えている。スイッチング素子Q1は、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、ガリウムオキサイド（Ｇａ₂Ｏ₃）等の、シリコン半導体以外の半導体からなる。そのため、スイッチング素子Q1は、シリコン半導体からなるスイッチング素子と比較して、スイッチング過渡期間における損失が少ない。また、スイッチング素子Q1の制御端子には、ドライバ回路DRVを介して制御部であるマイコン25が接続され、マイコン25から出力されるＰＷＭ信号S1によりスイッチング素子Q1がスイッチング駆動される。スイッチング素子Q1は、ＰＷＭ信号S1により所定の動作周波数、例えば１００ｋＨｚ以上の動作周波数でスイッチングされ、インダクタＬに流れる電流ILの谷がゼロよりも大きくインダクタＬに電流ILが連続的に流れる電流連続モードとなるように駆動される（図２）。このように、第２変換回路23は、スイッチング素子Q1を動作周波数１００ｋＨｚ以上でスイッチング駆動することで、出力電流である電流ILのリプルを低減することが可能となっている。

また、帰還ダイオードＤは、例えばシリコンカーバイド（ＳｉＣ）等の、シリコン半導体以外の半導体からなる。そのため、帰還ダイオードＤは、シリコン半導体よりも逆回復時間の温度変化が小さい。また、第２変換回路23の出力端には、この出力端と並列に接続されたスイッチング素子Q2を備えるスイッチ回路26が接続されているとともに、光源モジュール14の入力端が接続されている。スイッチング素子Q2の制御端子には、マイコン25が接続され、調光器15により設定された調光度に応じてマイコン25から出力されるＰＷＭ信号S2によりスイッチング素子Q2がスイッチング駆動される。スイッチング素子Q2は、スイッチング素子Q1よりも小さい動作周波数でスイッチングされる。また、スイッチ回路26は、スイッチング素子Q2のスイッチングにより第２変換回路23の出力端間を短絡及び開放することで、光源13を制御するＰＷＭ信号を生成する。すなわち、光源モジュール14の光源13に流れる平均電流である負荷電流Ｉは、変換回路24（第２変換回路23）の出力電流である電流ILがスイッチング素子Q2のスイッチングにより定電流制御される。さらに、第２変換回路23には、帰還ダイオードＤのアノードと一方の出力端であるスイッチング素子Q2との間に電流ILの検出用の抵抗Ｒが接続されている。また、第２変換回路23の出力端には、第２変換回路23の出力電圧、つまり変換回路24の出力電圧を検出する検出回路27が接続されている。

さらに、第２変換回路23の抵抗Ｒと光源13との間に、比較器28の反転入力端子が接続され、この比較器28の非反転入力端子に、基準電圧源29から所定の基準電圧が入力されている。このため、比較器28は、電流ILと所定の閾値電流Ithとの大小を、それぞれに対応する電圧に基づき比較するようになっている。比較器28の出力端子はマイコン25に接続され、比較器28での比較結果が信号（電圧信号）Ｓとしてマイコン25に入力されるようになっている。

そして、マイコン25は、比較器28の比較結果に応じて、すなわち比較器28から入力する信号（電圧信号）Ｓに基づいてＰＷＭ信号S1のデューティ比を設定するフィードバック制御である第１設定制御と、ＰＷＭ信号S1のデューティ比を直接設定する第２設定制御との少なくとも２つのモードが設定されている。マイコン25では、少なくとも光源13が予め設定された所定の調光度以下の深い調光時、すなわち負荷電流Ｉが所定以下のときに第２設定制御を行うように設定されている。

また、マイコン25は、検出回路27により変換回路24（第２変換回路23）の出力電圧を監視し、その出力電圧に応じて、変換回路24（第２変換回路23）の出力を低下または停止させる保護動作を行う。

次に、一実施形態の動作を説明する。

点灯装置12に商用交流電源ｅから電源が供給されると、変換回路24では、第１変換回路22が動作して交流入力電圧を第１直流定電圧に昇圧するとともに、第２変換回路23が動作して第１直流定電圧を第２直流定電圧に降圧する。このとき、第２変換回路23では、マイコン25からＰＷＭ信号S1がスイッチング素子Q1の制御端子に出力され、スイッチング素子Q1がＰＷＭ信号S1に応じてスイッチングされる。そして、スイッチ回路26では、マイコン25からＰＷＭ信号S2がスイッチング素子Q2の制御端子に出力され、スイッチング素子Q2がＰＷＭ信号S2に応じてスイッチングされ、第２変換回路23の出力端間が短絡及び開放されることで、調光器15により設定された調光度に応じて光源13に負荷電流Ｉが流れ、光源13が設定された調光度で点灯する。

第２変換回路23において、スイッチング素子Q1のオン状態では、スイッチング素子Q1からインダクタＬを介して第２変換回路23から電流IL1が出力されるとともに、インダクタＬにエネルギが蓄えられる。また、スイッチング素子Q2のオフ状態では、インダクタＬに電流IL1により蓄えられたエネルギが放出され、帰還ダイオードＤからインダクタＬを介して第２変換回路23から電流IL2が出力される。スイッチング素子Q1は、本実施形態において、１００ｋＨｚ以上の動作周波数でスイッチング駆動され、インダクタＬに対して、図２に示すように電流IL（IL＝IL1＋IL2）が連続的に流れる。マイコン25では、比較器28を介して電流ILのピーク値を監視しつつ、電流ILが定電流となるようにＰＷＭ信号S1のデューティ比、本実施形態ではオフタイミングが設定される。

光源13の調光度が相対的に大きい場合、スイッチング素子Q2を駆動するＰＷＭ信号S2のデューティ比は相対的に小さく設定され、負荷電流Ｉが相対的に大きくなることから、電流ILは、図２の実線に示すように谷が深く、調光度が小さくなるほど、負荷電流Ｉが相対的に小さくなることで、電流ILは、図２の二点鎖線に示すように谷が浅くなる。そのため、電流ILは、光源13の調光度が小さいほど早いタイミングでピーク値に達する。従って、比較器28では、光源13の調光度が小さいほど早いタイミングでピーク値が検出され、第２変換回路23のスイッチング素子Q1のＰＷＭ信号S1のデューティ比もマイコン25により小さく設定されることとなる。

ここで、マイコン25では、光源13の調光度が予め設定された所定の調光度より大きい（調光が浅い）ときに、第１設定制御を実施する。第１設定制御において、マイコン25から出力されるＰＷＭ信号S1のオフタイミングは、比較器28により電流ILに対応する電圧と閾値電流Ithに対応する基準電圧とを比較した結果として、電流ILに対応する電圧が基準電圧より大きいとき、すなわち電流ILが閾値電流Ithを超えたタイミングに設定される。

また、光源13の調光度が所定の調光度以下（深い調光）となると、比較器28の遅延T1やスイッチング素子Q1のターンオンの遅延T2の影響が無視できなくなり、ＰＷＭ信号S1のデューティ比を、比較器28の遅延T1やスイッチング素子Q1のターンオンの遅延T2に応じて決まる所定の最小デューティ比以下のデューティ比に絞り込むことが困難になる。なお、図面において、遅延T1，T2は、説明をより明確にするために誇張して示している。

そこで、マイコン25では、光源13の調光度が予め設定された所定の調光度以下のときに、第２設定制御を実施する。第２設定制御において、マイコン25から出力されるＰＷＭ信号S1のオフタイミングは、マイコン25により直接設定される。マイコン25では、調光器15により設定された調光度に基づいてＰＷＭ信号S1のオフタイミングを直接設定する。

なお、調光度が予め設定された所定の調光度以下のときには、マイコン25は第２設定制御のみを実施してもよいし、第１設定制御と第２設定制御とを並列動作させて、これらのいずれか小さい方のデューティ比、すなわち早いほうのオフタイミングにＰＷＭ信号S1を設定してもよい。

また、マイコン25は、検出回路27により検出された出力電圧が所定の電圧閾値を超えたとき、保護動作を行う。

以上説明した一実施形態によれば、マイコン25に、比較器28による比較結果に応じてＰＷＭ信号S1のデューティ比を設定する第１設定制御と、ＰＷＭ信号S1のデューティ比を直接設定する第２設定制御とが設定され、少なくとも光源13の調光度が所定の調光度以下の領域で第２設定制御を行うため、比較器28の遅延T1やスイッチング素子Q1のターンオンの遅延T2に起因するデューティ比の絞り込み限界に拘らず、深い調光領域においても適切なデューティ比に設定可能となる。このため、調光度に拘らず安定して光源13を点灯制御することができる。

マイコン25が、光源13の調光度が所定の調光度より大きいか否かに応じて第１設定制御と第２設定制御とを切り換える場合には、第１設定制御と第２設定制御とのいずれかを選択的に実施すればよく、制御を簡素化できる。

また、マイコン25が、光源13の調光度が所定の調光度より大きい領域では第１設定制御を行い、光源13の調光度が所定の調光度以下の領域では第１設定制御と第２設定制御とを並列で行ってこれら制御のうちＰＷＭ信号S1のデューティ比が小さいほうに設定する場合には、第１設定制御と第２設定制御との切り換わり時の光源13の点灯制御を円滑にできる。

なお、上記一実施形態において、変換回路24は、昇圧チョッパ回路である第１変換回路22と、降圧チョッパ回路である第２変換回路23とからなる構成としたが、これに限られるものではなく、スイッチング素子のスイッチングにより電力を変換する複数の昇圧または降圧回路を備える構成としてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

10 照明装置
12 点灯装置
13 光源
24 変換回路
25 制御部であるマイコン
28 比較器
Q1 スイッチング素子
S1 ＰＷＭ信号

Claims (4)

1. 一定周期で送信されるＰＷＭ信号のオン信号と、比較結果に応じて送信される前記ＰＷＭ信号のオフ信号と、によりスイッチング素子がスイッチングされることで出力電流を定電流とする点灯装置であって、
   前記スイッチング素子を備え、該スイッチング素子のスイッチングにより入力電力を変換して光源に供給する変換回路と；
   前記変換回路の出力電流と所定の閾値電流とを比較する比較器と；
   前記比較器による比較結果に応じて前記ＰＷＭ信号のオフタイミングを設定する第１設定制御と、前記ＰＷＭ信号のオフタイミングを直接設定する第２設定制御と、を備え、前記光源の調光度が所定の調光度以下の領域で前記第２設定制御を実施する制御部と；
   を具備することを特徴とする点灯装置。
2. 前記制御部は、前記光源の調光度が前記所定の調光度より大きいか否かに応じて前記第１設定制御と前記第２設定制御とを切り換える
   ことを特徴とする請求項１記載の点灯装置。
3. 前記制御部は、前記光源の調光度が前記所定の調光度より大きい領域では前記第１設定制御を行い、前記光源の調光度が前記所定の調光度以下の領域では前記第１設定制御と前記第２設定制御とのうちＰＷＭ信号のオフタイミングが早いほうに設定する
   ことを特徴とする請求項１記載の点灯装置。
4. 光源と；
   請求項１ないし３いずれか一記載の点灯装置と；
   を具備することを特徴とする照明装置。

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