(57)【要約】【課題】  高い電力効率効率かつ低ノイズの点灯装置を提供することを目的とする。【解決手段】  主スイッチング素子、同期整流素子、コイル、コンデンサを備え、直流電源を変換して前記コンデンサと並列に接続される発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す）負荷に給電する電力変換回路と、前記主スイッチング素子と前記同期整流素子をオン・オフ制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記コイルに流れる電流が第１の設定値に達したときに前記主スイッチング素子をオフとし、所定の時間経過後に前記同期整流素子をオンとし、前記コイルに流れる電流の極性が前記第１の設定値の極性から反転したのちに前記同期整流素子をオフとし、所定の時間経過後に前記主スイッチング素子をオンとする【選択図】  図１
2014127376.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主スイッチング素子、同期整流素子、コイル、コンデンサを備え、直流電源を変換して前記コンデンサと並列に接続される発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す）負荷に給電する電力変換回路と、前記主スイッチング素子と前記同期整流素子をオン・オフ制御する制御回路とを備え、
前記制御回路は、
前記コイルに流れる電流が第１の設定値に達したときに前記主スイッチング素子をオフとし、所定の時間経過後に前記同期整流素子をオンとし、
前記コイルに流れる電流の極性が前記第１の設定値の極性から反転したのちに前記同期整流素子をオフとし、所定の時間経過後に前記主スイッチング素子をオンとする
ことを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
【請求項２】
請求項１に記載のＬＥＤ点灯装置において、
前記制御回路は、
前記コイルに流れる電流の極性が前記第１の設定値の極性から反転し第２の設定値に達したときに前記同期整流素子をオフにすることを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のＬＥＤ点灯装置において、
前記主スイッチング素子と前記同期整流素子と第１抵抗と第２抵抗がこの順に直列に接続され、
前記主スイッチング素子と前記同期整流素子と前記直流電源とは直列に接続されており、
前記コイルと前記コンデンサとは直列に接続されており、
前記コイルと前記コンデンサとは、前前記同期整流素子と前記第１抵抗と並列に接続されており、
前記ＬＥＤ負荷は前記コンデンサと並列に接続されており、
前記第１抵抗と前記第２抵抗は、前記コイルに流れる電流を検出する手段として用いることを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
【請求項４】
請求項１乃至２の何れか１項に記載のＬＥＤ点灯装置において、
前記直流電源は、交流電源を整流回路によって整流することで生成されることを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項に記載のＬＥＤ点灯装置において、
前記電力変換回路は、前記主スイッチング素子と前記同期整流素子とのうち少なくとも一方と並列に接続されるコンデンサを備えることを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
【請求項６】
直流電源と、該直流電源と接続される電力変換回路と、該電力変換回路と接続される光源と、からなり、
前記電力変換回路は、該直流電源と直列に接続される主スイッチング素子と、該主スイッチング素子と直列に接続される同期整流素子と、該同期整流素子と並列に接続されるコイルとコンデンサと、該コンデンサと並列に接続される光源と、前記主スイッチング素子と前記同期整流素子とのオン・オフを制御する制御回路と、を備え、
前記制御回路は、前記コイルに流れる電流が第１の設定値に達したときに前記主スイッチング素子をオフに制御し、所定の時間経過後に前記同期整流素子をオンに制御し、前記コイルに流れる電流の極性が反転し第２の設定値に達したときに前記同期整流素子をオフに制御し、所望の時間経過後に前記主スイッチング素子をオンに制御する点灯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、点灯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（以下、ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅと記す）などの光源（負荷）を駆動する点灯装置において、電力変換効率の向上が重要な課題である。電力変換効率の向上を実現するために、降圧チョッパや昇降圧チョッパやフライバックコンバータなどのスイッチング方式の電力変換回路を用いた点灯装置が利用されているが、更なる電力変換効率の向上が望まれている。
【０００３】
更なる電力変換効率の向上のために、特許文献１には、同期整流を適用しない場合を含めて電力変換回路がスイッチング動作のために本来備えている主スイッチング素子と、同期整流を適用する場合に還流ダイオードからの置き換えとして用いられるスイッチング素子である同期整流素子と、を備え、同期整流を適用する点灯装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１５１９１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の点灯装置では、同期整流素子をターンオフさせ、デッドタイムを経て主スイッチング素子をターンオンさせる場合に、各スイッチング素子が電極間に持つ寄生容量（コンデンサ）の充放電が発生する。この充放電において、主スイッチング素子にスパイク状の電流が流れ、ターンオン損失とノイズの発生要因となる恐れがある。特に、特許文献１のように同期整流を適用する場合、同期整流素子には導通時の抵抗（オン抵抗）の小さいものを用いるため、電極間の寄生容量が大きく、上記の充放電に伴うスパイク状の電流も大きくなる恐れがある。
【０００６】
本発明では、高い電力変換効率かつ低ノイズの点灯装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、主スイッチング素子、同期整流素子、コイル、コンデンサを備え、直流電源を変換して前記コンデンサと並列に接続される発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す）負荷に給電する電力変換回路と、前記主スイッチング素子と前記同期整流素子をオン・オフ制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記コイルに流れる電流が第１の設定値に達したときに前記主スイッチング素子をオフとし、所定の時間経過後に前記同期整流素子をオンとし、前記コイルに流れる電流の極性が前記第１の設定値の極性から反転したのちに前記同期整流素子をオフとし、所定の時間経過後に前記主スイッチング素子をオンとする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、高い電力効率効率かつ低ノイズの点灯装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の点灯装置の基本構成図である。
【図２】本発明の点灯装置の動作波形を示す図である。
【図３】電流検出手段と制御回路の具体例を示す図である。
【図４】制御回路の別例を示す図である。
【図５】電力変換回路の別例を示す図である。
【図６】交流電源を利用する場合の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
【００１１】
図１は、本発明の点灯装置の基本構成図である。点灯装置は、破線内に示した電力変換回路１０１によって、直流電源１００の電圧を変換してＬＥＤ負荷１０２に給電する。直流電源１００は、商用電源を整流回路によって整流したものを利用してもよいし、外部に接続される直流電源装置を利用してもよい。ＬＥＤ負荷１０２は、ＬＥＤの個数や接続形態は問わない。また、ＬＥＤ負荷１０２には、保護用素子などを内蔵したＬＥＤモジュールを含んでもよい。
【００１２】
図１では、電力変換回路１０１の主回路を、主スイッチング素子１０３、同期整流素子１０４、コイル１０５、コンデンサ１０６、電流検出手段１０７を用いた降圧チョッパとして構成している。なお、電力変換回路１０１の主回路は、昇降圧チョッパやフライバックコンバータなど、他種の回路を用いてもよい。なお、図１では主スイッチング素子１０３と同期整流素子１０４の例としてＭＯＳＦＥＴを示したが、バイポーラトランジスタやＩＧＢＴなど、他種のスイッチング素子でもよい。１０８と１０９は、それぞれ主スイッチング素子１０３と同期整流素子１０４の寄生容量（コンデンサ）である。ただし、当該箇所に別途コンデンサを接続してもよい。
【００１３】
主スイッチング素子１０３と同期整流素子１０４とは直列に接続されている。コイル１０５とコンデンサ１０６とは直列に接続されている。同期整流素子１０４と、コイル１０５とコンデンサ１０６と、は並列に接続されている。コンデンサ１０６とＬＥＤ負荷１０２とは並列に接続されている。電流検出手段１０７はコイル１０５とコンデンサ１０６との間に設けられており、コイル１０５に流れる電流を検出する。
【００１４】
図１の一点鎖線内には降圧チョッパの制御回路１１０を示している。制御回路１１０は、電流制御手段１１１と、反転検出手段１１２と、駆動回路１１３と、から構成される。電流制御手段１１１は、電流検出手段１０７によって検出されるコイル１０５に流れる電流（コイル電流）の最大値を制御するための信号を駆動回路１１３に出力する。反転検出手段１１２は、電流検出手段１０７によって検出されるコイル電流の極性が反転したことを検出し、検出に応じた信号を駆動回路１１３に出力する。これらの具体例については後述するが、後述の図２に示す動作波形を実現できれば詳細な構成については問わない。駆動回路１１３は、電流制御手段１１１と反転検出手段１１２が出力する信号をもとに主スイッチング素子１０３と同期整流素子１０４をオン・オフさせる駆動を行う。
【００１５】
つまり、制御回路１１０は、電流検出手段によって検出されるコイル電流に応じて主スイッチング素子１０３と同期整流素子１０４とをオン・オフ制御する。
【００１６】
図２は、本発明の点灯装置の動作波形である。図２の記号として、ＳＷ１とＳＷ２はそれぞれ主スイッチング素子１０３と同期整流素子１０４のオン・オフ状態、ＩＬはコイル１０５に流れる電流（コイル電流）、Ｉｄ１は主スイッチング素子１０３のドレイン電流（ボディダイオードや寄生容量に流れる電流も含む）、Ｖｄｓ１は主スイッチング素子１０３のドレイン−ソース電圧である。ＩＬ、Ｉｄ１、Ｖｄｓ１の極性として、図１に示した矢印の向きを正とする。
【００１７】
主スイッチング素子１０３がオン（ＳＷ１がＯＮ）のとき、直流電源１００（の正極側）から、主スイッチング素子１０３、コイル１０５、コンデンサ１０６とＬＥＤ負荷１０２の並列体、直流電源１００（の負極側）の経路で電流が流れる。図１から分かるように、電流検出手段１０７もこの電流の経路上に存在するが、説明の都合上除いた。これについては、以下の説明でも同様である。図２のＩＬとＩｄ１から分かるように、この電流は時間に対して線形に増大する。また、ＩＬとＩｄ１はほぼ等しくなる。主スイッチング素子１０３がオンであるため、Ｖｄｓ１はほぼゼロである。
【００１８】
電流制御手段１１１により、ＩＬが第１の設定値（図２のＩｍａｘ）に達したときに、主スイッチング素子１０３をオフ（ＳＷ１をＯＦＦ）にして、さらに所定の時間（デッドタイム、図２のｔｄ）が経過した後で同期整流素子１０４をオン（ＳＷ２をＯＮ）にする。これにより、コイル１０５に蓄えられていたエネルギーによって、コイル１０５、コンデンサ１０６とＬＥＤ負荷１０２の並列体、同期整流素子１０４、コイル１０５の経路に環流電流１が流れ始める。
【００１９】
なお、主スイッチング素子１０３をオフ（ＳＷ１をＯＦＦ）にして、環流電流１が流れ始めたときに、Ｖｄｓ１は直流電源１００とほぼ同じ電圧まで増大する。このとき、直流電源１００が主スイッチング素子１０３の寄生容量１０８を充電する。一方、同期整流素子１０４の寄生容量１０９に蓄えられていた電荷は放電され、同期整流素子１０４のドレイン−ソース電圧（Ｖｄｓ２）はほぼゼロになる。なお、この放電は、環流電流１が寄生容量１０９の電荷を引き抜くことによってなされる。デッドタイム（ｔｄ）期間中にこの充放電が完了すれば、同期整流素子１０４のターンオンはゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）となり、損失はほとんど発生しない。なお、同期整流素子１０４として、寄生容量１０９の静電容量が大きい素子を選定すれば、Ｖｄｓ１が増大する傾きを抑え、主スイッチング素子１０３のターンオフ損失およびノイズを低減できる。
【００２０】
図２のＩＬから分かるように、この環流電流１は時間に対して線形に減少する。同期整流を適用し、同期整流素子１０４として低オン抵抗の素子を適用することで、同期整流素子１０４の導通損失を低減できる。
【００２１】
特許文献１に記載のように降圧チョッパの制御方式として一般的である電流臨界モードでは、ＩＬがゼロになった時点で同期整流素子１０４をオフにして、主スイッチング素子１０３をオンにする。しかし、本発明では、ＩＬがゼロになった後も同期整流素子１０４のオン（ＳＷ２がＯＮ）を維持する。これによって、図２のようにＩＬが負になる、すなわち、極性（向き）が反転し、コンデンサ１０６、コイル１０５、同期整流素子１０４、コンデンサ１０６の経路に電流が流れる。
【００２２】
反転検出手段１１２により、ＩＬの極性が第１の設定値（Ｉｍａｘ）の極性から反転したことや、第２の設定値（図２のＩｍｉｎ）に達したこと、を検出したのちに、駆動回路１１３は、同期整流素子１０４をオフ（ＳＷ２をＯＦＦ）にする。さらに駆動回路１１３は、同期整流素子１０４をオフ（ＳＷ２をＯＦＦ）にしてからデッドタイム（図２のｔｄ）が経過した後で主スイッチング素子１０３をオン（ＳＷ１をＯＮ）にする。このデッドタイム（ｔｄ）期間では、コイル１０５に蓄えられていたエネルギーによって、コイル１０５、主スイッチング素子１０３（正確には寄生容量１０８）、直流電源１００、コンデンサ１０６、コイル１０５の経路に電流が流れる。この電流が寄生容量１０８に蓄えられた電荷を放電し、Ｖｄｓ1は減少する。Ｉｍｉｎやｔｄなどの設定が適切であれば、図２のようにデッドタイム期間中にＶｄｓ１がほぼゼロまで減少する。なお、Ｖｄｓ１がゼロになった後は、主スイッチング素子１０３のボディダイオードに電流が流れる。寄生容量１０８の充放電が完了し、Ｖｄｓ１がゼロまで減少した後で主スイッチング素子１０３をターンオンすれば主スイッチング素子１０３のターンオンはゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）となり、損失はほとんど発生しない。
【００２３】
従来の電流臨界モードでは、寄生容量１０８の充放電が完了しないうちに、すなわち、Ｖｄｓ１がゼロまで減少しないうちに主スイッチング素子１０３がターンオンすることになる。このとき、充放電を完結させるために必要な電流が主スイッチング素子１０３に流れるため、主スイッチング素子１０３において損失が発生する。また、この電流はスパイク状に流れるため、ノイズを発生させる。特に同期整流を適用する場合、寄生容量の静電容量が大きいため、充放電には必要な電流も大きくなる。したがって、本発明のようにコイル１０５のエネルギーを利用して充放電を完了させてから主スイッチング素子１０３をターンオンする制御は、装置の高効率化と低ノイズ化に有効である。
【００２４】
本発明の制御を利用したとしても、例えばＩｍｉｎの絶対値が小さく、コイル１０５に十分なエネルギーが蓄積されていなかった場合など、Ｖｄｓ１がゼロまで減少しないうちに主スイッチング素子１０３がターンオンする状況が考えられる。しかし、この場合も、従来方式に比べればＶｄｓ1が低い状態で主スイッチング素子１０３がターンオンするため、従来方式に比べ、損失及びノイズは抑えられる。
【００２５】
図３は、図１における主回路の電流検出手段１０７と、制御回路１１０における電流制御手段１１１と反転検出手段１１２の具体例を示したものである。電流検出手段１０７は、２個の抵抗である第１抵抗１１４と第２抵抗１１５から構成される。主スイッチング素子１０３がオン（ＳＷ１がＯＮ）のとき、ＩＬの経路は、直流電源１００（の正極側）、主スイッチング素子１０３、コイル１０５、コンデンサ１０６とＬＥＤ負荷１０２の並列体、第１抵抗１１４、直流電源１００（の負極側）となるため、第１抵抗１１４の電圧としてＩＬを検出できる。同期整流素子１０４がオン（ＳＷ２がＯＮ）のとき、電流経路については記載を省略するが、第２抵抗１１５の電圧としてＩＬを検出できる。もちろん、電流検出手段１０７を実現する単純な方式として、コイル１０５と直列に抵抗を接続し、この抵抗の電位差で以てＩＬを検出してもよい。
【００２６】
電流制御手段１１１は、第１抵抗１１４によって検出したＩＬと第１設定値Ｉｍａｘをコンパレータ１１６によって比較する。ＩＬがＩｍａｘより大きくなった瞬間において、コンパレータ１１６の出力はＬレベルからＨレベルに変化するため、後段の制御ロジック１１７によって立ち上がりを検出し、主スイッチング素子１０３をターンオフさせるための信号を駆動回路１１３に出力すればよい。
【００２７】
反転検出手段１１２についてもほぼ同様であり、第２抵抗１１５によって検出したＩＬ（の絶対値）と第２設定値Ｉｍｉｎ（の絶対値）をコンパレータ１１８によって比較する。ＩＬがＩｍｉｎより小さくなった瞬間において、コンパレータ１１８の出力はＬレベルからＨレベルに変化するため、後段の制御ロジック１１９によって立ち上がりを検出し、同期整流素子１０４をターンオフさせるための信号を駆動回路１１３に出力すればよい。
【００２８】
図３のように電流検出手段１０７と制御回路１１０を構成することで、制御回路１１０のグランドを直流電源１１０の負極側に一致させることができ、結果として制御回路１１０の構成が簡単になる。
【００２９】
図４は、制御回路１１０の別例である。図３と比べて、電流制御手段１１１の構成は同様であるが、反転検出手段１１２の構成とＩＬの反転を検出する原理が異なる。図２の動作波形の説明にて、同期整流素子１０４がオンした後にＩＬが減少していく過程に着目する。このときＩＬが減少する傾きは、コイル１０５の自己インダクタンス、直流電源１００の電圧、ＬＥＤ負荷１０２の電圧から計算できる。すなわち、同期整流素子１０４がオン（ＳＷ２がＯＮ）になってから、ＩＬが反転して所望の第２設定値へと減少するまでに必要な時間も、これらのパラメータから計算できる。図４の反転検出手段１１２は、ＳＷ２オン時間制御手段１２０を備え、ＩＬが反転するまでに必要な同期整流素子１０４のオン時間を得るための信号を駆動回路１１３に出力する。図４のように反転検出手段１１２を構成することで、図３における抵抗１１５は不要となり、点灯装置の構成が簡単になる。なお、同様の考え方に基づき、電流制御手段１１１が主スイッチング素子１０３のオン時間を制御するように構成してもよい。制御回路１１０の実現方法として、市販されているＬＥＤ用の制御ＩＣを用いる方法、コンパレータなどのディスクリート部品を組み合わせて構成する方法、マイコンやデジタル・シグナル・プロセッサを利用してソフトウェア実装する方法などがある。  図５は、電力変換回路１０１の別例であり、主スイッチング素子１０３を直流電源１００の負極側（ローサイド）に、同期整流素子１０４を直流電源１００の正極側（ハイサイド）にそれぞれ接続する方式である。このとき、コイル１０５やＬＥＤ負荷１０２などはハイサイドに接続される。なお、動作波形は図２と同様である。  主スイッチング素子１０３の寄生容量１０８、または、同期整流素子１０４の寄生容量１０９と並列にコンデンサを接続してもよい。これによって、主スイッチング素子１０３がオフ（ＳＷ１がＯＦＦ）になったときのＶｄｓ１の増大が緩やかになり、ターンオフ損失とノイズ低減に有効である。
【００３０】
図６は、図１に示した点灯装置について、直流電源１００として交流電源１２１の電圧を整流回路１２２で整流したものを利用する構成である。整流回路１２２として、例えばダイオードブリッジを利用すればよい。なお、図６に示した構成要素の他にも、ヒューズ、入力フィルタ用のコイルやコンデンサなどを追加してもよい。
【００３１】
本実施例において、光源（負荷）としてＬＥＤ負荷を用いたがこの限りでない。例えば、有機ＥＬなどの光源を負荷として用いた場合でも同様の効果を奏することが可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１００  直流電源
１０１  電力変換回路
１０２  ＬＥＤ負荷
１０３  主スイッチング素子
１０４  同期整流素子
１０５  コイル
１０６  コンデンサ
１０７  電流検出手段
１０８  主スイッチング素子の寄生容量
１０９  同期整流素子の寄生容量
１１０  制御回路
１１１  電流制御手段
１１２  反転検出手段
１１３  駆動回路
１１４  抵抗（１１５同様）
１１６  コンパレータ（１１８も同様）
１１７  制御ロジック（１１９も同様）
１２０  ＳＷ２オン時間制御手段
１２１  交流電源
１２２  整流回路
【図１】
2014127376.tif 000003
【図２】
2014127376.tif 000004
【図３】
2014127376.tif 000005
【図４】
2014127376.tif 000006
【図５】
2014127376.tif 000007
【図６】
2014127376.tif 000008