【手続補正書】
【提出日】平成21年11月24日(2009.11.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２】
前記磁気エネルギー回生スイッチを、前記コンデンサと前記逆導通型半導体スイッチを並列に接続したものを、２組前記逆導通型半導体スイッチが逆直列となる向きに接続して構成されるハーフ・ブリッジ回路とし、前記制御手段は、２個の前記逆導通型半導体スイッチのうち、一方の前記逆導通型半導体スイッチがオンの時は他方の前記逆導通型半導体スイッチをオフにするように制御し、かつ前記オン・オフ動作を前記交流電源の電圧位相に同期して切り換え、さらに、前記リアクトル及びそれぞれの前記コンデンサとを含む共振回路の共振先鋭度が１より大きくなるように設定することを特徴とする請求項１に記載の交流／直流変換電源装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項５】
前記磁気エネルギー回生スイッチを、前記コンデンサと、第１の逆電流阻止型の半導体スイッチと、第２の前記逆電流阻止型の半導体スイッチを、前記第１の逆電流阻止型の半導体スイッチと前記第２の逆電流阻止型の半導体スイッチが逆並列となる向きに前記コンデンサに対してそれぞれ並列に接続して構成されるハーフ・ブリッジ回路とし、前記制御手段は、２個の前記逆電流阻止型の半導体スイッチのうち、一方の前記逆電流阻止型の半導体スイッチがオンの時は他方の前記逆電流阻止型の半導体スイッチをオフにするように制御し、かつ前記オン・オフ動作を前記交流電源の電圧位相に同期して切り換え、さらに前記リアクトル及び前記コンデンサとを含む共振回路の共振先鋭度が１より大きくなるように設定することを特徴とする請求項１に記載の交流／直流変換電源装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１６】
請求項１乃至１４のいずれかに記載の交流／直流変換電源装置の直流出力に、複数の発光ダイオードを直列に接続した直列ダイオードユニットを、複数ユニット並列に接続したことを特徴とする発光ダイオード駆動システム。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
従来のＰＷＭ・ＰＦＣ回路は、直流電圧の電圧を確保（一定に）して正弦波Ｖｐｗｍ（Ｖ）を発生させ、電源電圧Ｖｉｎ（Ｖ）との間に、リアクタンスＸ（Ω）を入れることにより、電力Ｐ（Ｗ）は、電圧位相差をδ（ｒａｄ）とすると、次式（１）で決定される。
Ｐ＝Ｖｉｎ＊Ｖｐｗｍ＊Ｓｉｎδ／Ｘ  ．．．（１）
上述の式（１）より、電圧位相差δ（ｒａｄ）が電力の方向を決める。正弦波Ｖｐｗｍの電圧位相は、電源電圧Ｖｉｎの位相よりδ（ｒａｄ）だけ遅れる。入力電流波形は正弦波のままで直流出力を得ることができるが、力率はδ（ｒａｄ）と直流電圧の影響を受けて変化する。動作点を選べば力率を略１にできる。しかしながら、直流側の電圧が一定であることを基本にしており、本発明に係る交流／直流変換電源装置と大きく異なる。整流用のスイッチング素子が、ハードスイッチング（電圧が印加された状態でスイッチング素子をオン・オフ）をする。ハードスイッチングは、スイッチング損失が大きくなる原因である。また、高調波電流が電源側に流れないようにフィルターが不可欠であることも欠点である。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
一方、新しい回路技術として、交流電源と誘導性負荷の間に直列に接続され、誘導性負荷に蓄積された磁気エネルギーを、コンデンサに電荷の形で静電エネルギーとして蓄積し、コンデンサの電荷を負荷に放電することで回生することのできる磁気エネルギー回生スイッチを用いた交流電源装置と呼ばれるものが、本発明者により出願され、既に公知となっている（特許文献１参照）。
磁気エネルギー回生スイッチを用いた交流電源装置は、交流端子が交流電源と誘導性負荷の間に直列に接続され、４個の半導体スイッチから構成されるブリッジ回路と、ブリッジ回路の直流端子間に接続され、誘導性負荷に蓄積された磁気エネルギーを電荷の形で静電エネルギーとして蓄積し、誘導性負荷に電荷を放電して回生するコンデンサと、制御手段とから構成される。半導体スイッチは、外部から与えられる信号によりオン・オフが制御できる阻止能力を持つ半導体素子（自己消弧形素子、オン・オフ制御素子、またはゲートターンオフデバイスと呼ばれる）と、順方向の電流に対しては常に導通するが、逆方向の電流に対しては阻止能力を持つ、すなわち整流作用を持つ半導体素子との組合せ回路、または、組合せ回路と等価の能力を持つ半導体素子が用いられる。例えば、スイッチング用のトランジスタとダイオードを、それらの順方向が逆向きとなるように並列に接続した回路や、寄生ダイオードが内蔵される金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）などがある。上述の特徴を持つ半導体スイッチを、逆導通型半導体スイッチと称し、また、半導体スイッチに外部から与えられる信号の入力端子をゲートと称し、以降の説明で適宜使用する。
制御手段は、ブリッジ回路の４個の逆導通型半導体スイッチのうち、隣り合わない接続位置（“対角線上”または、“たすきがけ”の位置と呼ばれる）にある２個の逆導通型半導体スイッチを一組のペアとし、一方のペアのそれぞれの逆導通型半導体スイッチを構成する阻止能力を持つ半導体素子を同時にオン・オフ（以下、スイッチングと称す。また、逆導通型半導体スイッチを構成する阻止能力を持つ半導体素子をオン・オフの状態にすることを、逆導通型半導体スイッチをオン・オフにすると称する）し、他方のペアのそれぞれの逆導通型半導体スイッチを、一方のペアに与えたオン・オフのスイッチングのタイミングと逆位相になるタイミングでスイッチング（一方のペアがオンのときは、他方のペアがオフとなるように制御）する。また、オンの状態とオフの状態を保つ時間の比率は等しい。逆導通型半導体スイッチのオン・オフの状態を決める電気信号を制御信号といい、制御信号の位相を、交流電源の電圧位相に同期させ、かつ制御信号の位相を交流電源の電圧位相から進み（時間的に制御信号の位相の変化が先となる状態）となる制御を行う。制御信号の位相と交流電源の電圧位相との位相差を、誘導性負荷の制御の目的・範囲に応じて変化させることで、誘導性負荷に供給する交流電力を制御することができるのが特徴である。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
ＬＥＤはダイオードの性質をもつので、並列に接続による電流分流は、温度の影響などで制御が困難であるため、直列に接続して駆動するのが好ましい。また、数百個単位の多数のＬＥＤを直列に接続して駆動するには、入力の交流電圧の実効値が１００Vｒｍｓより大きな高圧の直流が必要になる。入力に変圧器を用いると変圧器の鉄損や巻き線損失が増えるので、変圧器を使わない駆動が効率の点で好ましい。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
また、本発明の上記目的は、前記磁気エネルギー回生スイッチを、前記コンデンサと前記逆導通型半導体スイッチを並列に接続したものを、２組前記逆導通型半導体スイッチが逆直列となる向きに接続して構成されるハーフ・ブリッジ回路とし、前記制御手段は、２個の前記逆導通型半導体スイッチのうち、一方の前記逆導通型半導体スイッチがオンの時は他方の前記逆導通型半導体スイッチをオフにするように制御し、かつ前記オン・オフ動作を前記交流電源の電圧位相に同期して切り換え、さらに、前記リアクトル及びそれぞれの前記コンデンサとを含む共振回路の共振先鋭度が１より大きくなるように設定することにより、効果的に達成される。
さらに、本発明の上記目的は、前記磁気エネルギー回生スイッチを、前記コンデンサと、２個の前記逆導通型半導体スイッチを逆直列に接続した回路とを、並列に接続して構成されるハーフ・ブリッジ回路とし、前記制御手段は、２個の前記逆導通型半導体スイッチのうち、一方の前記逆導通型半導体スイッチがオンの時は他方の前記逆導通型半導体スイッチをオフにするように制御し、かつ前記オン・オフ動作を前記交流電源の電圧位相に同期して切り換え、さらに前記リアクトル及び前記コンデンサとを含む共振回路の共振先鋭度が１より大きくなるように設定することにより、効果的に達成される。
さらに、本発明の上記目的は、前記逆導通型半導体スイッチとして逆導通型ＧＴＯサイリスタを使用することにより、効果的に達成される。
さらに、本発明の上記目的は、前記磁気エネルギー回生スイッチを、前記コンデンサと、第１の逆電流阻止型の半導体スイッチと、第２の前記逆電流阻止型の半導体スイッチを、前記第１の逆電流阻止型の半導体スイッチと前記第２の逆電流阻止型の半導体スイッチが逆並列となる向きに前記コンデンサに対してそれぞれ並列に接続して構成されるハーフ・ブリッジ回路とし、前記制御手段は、２個の前記逆電流阻止型の半導体スイッチのうち、一方の前記逆電流阻止型の半導体スイッチがオンの時は他方の前記逆電流阻止型の半導体スイッチをオフにするように制御し、かつ前記オン・オフ動作を前記交流電源の電圧位相に同期して切り換え、さらに前記リアクトル及び前記コンデンサとを含む共振回路の共振先鋭度が１より大きくなるように設定することにより、効果的に達成される。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
本発明は、発光ダイオード駆動システムに関し、本発明の上記目的は、前記交流／直流変換装置の直流出力に、複数の発光ダイオードを直列に接続した直列ダイオードユニットを、複数ユニット並列に接続することによって達成される。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
本発明に係る交流／直流変換電源装置によれば、交流から直流に変換する際に、交流の入力電流の高調波が少なく、かつ力率が良く、さらに逆導通型半導体スイッチ、または逆電流阻止型の半導体スイッチのゲートに与える制御信号の位相を、進みに制御することで直流出力を制御でき、電流力率を進みにしながら、出力制御ができる変換電源装置を提供することができる。
逆導通型半導体スイッチ、または逆電流阻止型の半導体スイッチのオン・オフの回数を必要最小限の回数で、逆導通型半導体スイッチ、または逆電流阻止型の半導体スイッチのゲートを駆動する制御回路が簡単になり、逆導通型半導体スイッチ、または逆電流阻止型の半導体スイッチは、略ゼロ電圧、略ゼロ電流でスイッチングをしているので、逆導通型半導体スイッチ、または逆電流阻止型の半導体スイッチでのスイッチングによる損失が減少する。
また、本発明に係る交流／直流変換電源装置は、交流電源から直流出力を得る際に、交流電源の電源周波数に同期したスイッチング動作をすることで、リアクトルとコンデンサで共振を起こさせ、磁気エネルギー回生スイッチの交流端子両端、または直流端子両端の共振電圧を、直流に変換する多くの分野に応用できるものである。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
また、本発明に係る交流／直流変換電源装置は、リアクトル２とコンデンサ１５の直列共振で得られた高圧の交流を直流に変換する際に、高い直流電圧が得られる。例えば、図５（１）に示す倍電圧整流構成のダイオード整流回路５を具備（両波倍電圧整流回路２０を具備）してもよい。
また、図８に示す本発明に係る交流／直流変換電源装置の別の態様の様に、直流電流を磁気エネルギー回生スイッチ１のコンデンサ１５からダイオード１３を介して直流出力を取り出すこともできる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
本発明に係る交流／直流変換電源装置は、交流から直流に変換する変換電源装置において、交流電源３からの入力波形が基本波に近く、力率が略１に近い。また、電力を減少させる制御により、入力電流を進み位相にもできるので、力率改善も行うことができる。また、ＰＷＭ制御のような高速なスイッチングを不要、または最小限とし、逆導通型半導体スイッチ、または逆電流阻止型の半導体スイッチでのスイッチング損失が小さい。さらに、交流電源３の電圧よりも高い電圧の直流電流が得ることができる。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
図９は、図１に示す回路ブロック図において、以下の回路定数を用いたときの実験結果を示している。より詳しくは、図９は、定常状態と始動時のそれぞれの場合の、交流電源３での電流（交流入力電流と表記）、直流出力電流、コンデンサ１５の両端電圧（コンデンサ電圧と表記）、制御信号（ゲート信号と表記）、交流電源３の電圧（交流入力電圧と表記）を示している。
１．リアクトル２：  約７００ｍＨ、電気抵抗は１７Ω、
２．コンデンサ１５：  ５マイクロＦ、
３．逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至ＳＷ４：  定格電圧５００Ｖ、定格電流１０Ａ、オン抵抗１Ωの寄生ダイオードが内蔵されたＭＯＳＦＥＴ、
４．直流負荷８：  順方向電圧が２Ｖ程度の赤色ＬＥＤを１００個直列に接続したもの。
また、図１に示す回路ブロック図において、制御手段４は、４個の逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至ＳＷ４で構成されるブリッジ回路の“たすきがけ”の位置にある逆導通型半導体スイッチのペア（ＳＷ１，ＳＷ２）と、（ＳＷ３，ＳＷ４）を、ペア間で交互にオン・オフさせる制御信号を、交流電源３の電圧の正負（電圧位相）に同期して、交流電源３の半サイクルの時間だけ連続して発生させる。この制御信号は、電圧位相よりも任意の位相角度分だけを進ませることができるようにしている。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
本発明に係る交流／直流変換電源装置の好適な実施例である発光ダイオード駆動システムでは、図１の直流負荷８として、順方向電圧が２Ｖ程度のＬＥＤを、多数直列に接続している。ここでは、１００個の赤色ＬＥＤを直列に接続している。ＬＥＤの順方向電圧の合計が、交流電源３の電圧のピーク電圧（最大尖頭電圧）を超えないようにしてあるのは、磁気エネルギー回生スイッチ１の動作を止めた場合、磁気エネルギー回生スイッチ１の交流端子間（ＡＣ１，ＡＣ２）の電圧が、ＬＥＤの順方向電圧の合計を超えないために、電流が止まるようにしているからである。磁気エネルギー回生スイッチ１の動作で、ＬＥＤの点灯・消灯をするスイッチになる。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５２】
図８は、本発明に係る交流／直流変換電源装置の実施例６である。より詳しくは、図８は、磁気エネルギー回生スイッチ１を構成するコンデンサ１５の両端（ブリッジ回路の直流端子間（ＤＣＰ，ＤＣＮ））から直流電力を取り出す態様であり、単相でＰＷＭコンバータを実現している。なお、図８では、磁気エネルギー回生スイッチ１を制御する制御手段４の図示を省略している。コンデンサ１５の静電容量を小さくして、磁気エネルギーを電荷の形で静電エネルギーとして蓄積すると、コンデンサ１５の両端電圧が上昇し、コンデンサ１５の両端電圧が直流回路（ダイオード１３、平滑コンデンサ６、直流負荷８で構成される回路）電圧より大きくなったところで、ダイオード１３が導通して直流回路に電流が流れ、逆にコンデンサ１５の両端電圧が直流回路電圧以下では非導通となる。略ゼロ電圧、略ゼロ電流のスイッチングが実現できる。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５３】
図８の回路を３台、三相交流（の各相と中性点間）に接続すれば、三相電力のＰＷＭ・ＰＦＣ回路で、略ゼロ電圧、略ゼロ電流のソフトスイッチングのコンバータが可能となる。しかしながら、図３（ア）に示した従来の三相のＰＷＭコンバータ回路では、平滑コンデンサ６の直流電圧が略ゼロになることが無い。相間で直流電力がその他の相に回るからである。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５６】
上述の実施例１乃至実施例６では、逆導通型半導体スイッチ、または逆電流阻止型の半導体スイッチのオン・オフの回数を、交流電源３の１サイクル（１周期）の時間に１回として最小限にしている例を述べたが、従来のＰＷＭ制御を行っても、本発明に係る交流／直流変換電源装置の効果は十分に発揮されるものである。すなわち、上述の６つの実施例はどれも、略ゼロ電圧、略ゼロ電流で、逆導通型半導体スイッチ、または逆電流阻止型の半導体スイッチをスイッチングすることを実現しているために、図３（イ）で示した従来のＰＷＭ・ＰＦＣ回路での制御のハードスイッチングよりは損失が小さいからである。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６２】
【図１】本発明に係る交流／直流変換電源装置の代表的な構成例を示す図である。
【図２】従来の交流／直流変換回路の例を示す図である。（ア）はコンデンサインプット型、（イ）はリアクトルインプット型を示す図である。
【図３】従来の正弦波入力のＰＷＭ化した交流／直流変換回路を示す図である。（ア）は三相のＰＷＭコンバータ、（イ）はＰＷＭ・ＰＦＣ回路である。
【図４】制御手段の実施例（ゲート信号発生回路）の一例を示す図である。
【図５】（１）は、ダイオード整流回路に代わりに両波倍電圧整流回路にして、さらに高圧にする交流／直流変換回路である。（２）（Ａ）、乃至（Ｃ）は、ハーフ・ブリッジ化した磁気エネルギー回生スイッチの図である。
【図６】ハーフ・ブリッジ化した磁気エネルギー回生スイッチを用い、直流を両波倍電圧整流回路で得る場合の図である。
【図７】磁気エネルギー回生スイッチとダイオード整流回路間を変圧器で結合して降圧または昇圧する交流／直流変換電源装置の図である。
【図８】ダイオード整流回路を介さずに、直接磁気エネルギー回生スイッチのコンデンサからダイオードで結合して直流電流を取り出す態様を示す図である。電流センサを具備し、電流をＰＷＭ制御してフィードバック制御することを示す図である。
【図９】図１のシミュレーションの波形を示す図である。
【図１０】本発明に係る交流／直流変換電源装置を用いた発光ダイオード駆動システムを示す図である。
【図１１】図１の図において、制御信号の位相、直流出力電流、交流電源で測定した力率を示す図である。