(57)【要約】【課題】入力電流の波形がよく、力率が1、もしくは、わずかな進みを実現する交流／直流変換電源装置の提供および制御パルスの簡素化を図る。【解決手段】４つの逆導通の半導体スイッチとエネルギー蓄積コンデンサで構成される磁気エネルギー回生スイッチをリアクトルと交流電源に直列に接続して交流電圧に同期したスイッチのオン・オフをすることにより、電源周波数の共振を起こさせる。この共振電圧をダイオード整流回路により取り出せば、交流入力電圧より高い直流電圧を得て、入力電流は高調波が少なく力率が良くなる。【選択図】図１
2007174723.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
４個の逆導通型半導体スイッチにて構成されるブリッジ回路と前記ブリッジ回路の直流端子間に接続され、電流遮断時の磁気エネルギーを蓄積するコンデンサとから成る磁気エネルギー回生双方向電流スイッチと、リアクトルと、交流電源とを直列に接続し、さらに、前記ブリッジ回路の交流端子間に整流用ダイオードブリッジの入力側を接続し、前記ダイオードブリッジの整流出力側に平滑用コンデンサを接続した交流／直流変換電源装置において、
前記各逆導通型半導体スイッチのゲートに制御信号を与えて、各半導体スイッチのオン／オフ制御を行う制御手段とを具備し、該制御手段は、前記ブリッジ回路を構成する４個の逆導通型半導体スイッチのうち、対角線上に位置するペアの逆導通型半導体スイッチのオン／オフ動作をそれぞれ同時に行うように制御するとともに、２組あるペアのうち、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し、かつ、前記オン／オフ動作を前記交流電源の電圧に同期して切り換え、
さらに、前記リアクトル及び磁気エネルギーを蓄積するコンデンサとを含む共振回路のＱが１より大きくなるように設定することにより、前記交流電源電圧よりも高い共振電圧を発生させ、該共振電圧を前記ダイオードブリッジを介して取り出すことを特徴とする交流／直流変換電源装置。
【請求項２】
前記磁気エネルギー回生双方向電流スイッチを、２個の逆導通型半導体スイッチと１又は２個のコンデンサにて構成されるハーフ・ブリッジ回路で置換し、
前記制御手段は、前記２個の逆導通型半導体スイッチのうち、一方がオンの時は他方をオフにするように制御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。
【請求項３】
さらに変圧器を備え、前記磁気エネルギー回生双方向電流スイッチの交流端子を前記変圧器の１次側に接続し、前記変圧器の２次側を前記ダイオードブリッジの入力側に接続したことを特徴とする請求項１又は２に記載の交流／直流変換電源装置。
【請求項４】
前記ダイオードブリッジを、２個のダイオード及び２個の平滑用コンデンサで構成された両波倍電圧整流回路で置換したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の交流／直流変換電源装置。
【請求項５】
４個の逆導通型半導体スイッチにて構成されるブリッジ回路と前記ブリッジ回路の直流端子間に接続され、電流遮断時の磁気エネルギーを蓄積するコンデンサとから成る磁気エネルギー回生双方向電流スイッチと、リアクトルと、交流電源とを直列に接続し、さらに、前記ブリッジ回路の直流端子の正側にダイオードのアノードを接続し、該ダイオードのカソードと前記ブリッジ回路の直流端子の負側との間に平滑用コンデンサを接続した交流／直流変換電源装置において、
前記各逆導通型半導体スイッチのゲートに制御信号を与えて、各半導体スイッチのオン／オフ制御を行う制御手段とを具備し、該制御手段は、前記ブリッジ回路を構成する４個の逆導通型半導体スイッチのうち、対角線上に位置するペアの逆導通型半導体スイッチのオン／オフ動作をそれぞれ同時に行うように制御するとともに、２組あるペアのうち、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し、かつ、前記オン／オフ動作を前記交流電源の電圧に同期して切り換え、
さらに、前記リアクトル及び磁気エネルギーを蓄積するコンデンサとを含む共振回路のＱが１より大きくなるように設定することにより、前記交流電源電圧よりも高い共振電圧を発生させ、
前記平滑用コンデンサの両端子に直流負荷を接続することを特徴とする交流／直流変換電源装置。
【請求項６】
前記制御手段が、前記ゲート制御信号の位相を交流電源の位相よりも進ませてゲートの制御を行うことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の交流／直流変換電源装置。
【請求項７】
請求項１乃至６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。
【請求項８】
前記発光ダイオードは赤色発光ダイオードであり、野菜又は植物の生育用光源として使用するものである請求項７に記載の発光ダイオード駆動システム。
【請求項９】
さらに光センサを設けるとともに、前記発光ダイオードの照度の変化を前記光センサで検知し、該検知した信号を前記制御手段にフィードバックすることにより、前記発光ダイオードの発光光度を所定の値に保つように前記共振電圧を制御することを特徴とする請求項８に記載の発光ダイオード駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、交流電力を直流に変換する交流／直流変換電源装置に関し、特に、多数の直列接続された発光ダイオード（LED）の駆動用直流電源として最適な、入力電流波形がきれいで力率が良く、かつPWM制御も行わないで、出力制御がPWM制御の場合と同じ程度に可能な交流／直流変換電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電と送電は交流が有利であり、交流が電力分野の主流であるが、末端では交流から直流に変換して電力を利用する分野が近年ますます広くなっている。その中に、将来大いに電力を利用するようになるだろうと思われる、発光ダイオード（LED）を太陽光の代わりに用いて光を照射して野菜などの植物を育成する植物工場、野菜工場が普及してきた。ここに将来、莫大な電力が農業に用いられることになると予想される。交流電力を直流に変換する際に、入力電流の力率が良く、高調波の少ない、そして、製作コストが安く、効率の良い電源装置が望まれる。
次に、発光ダイオードを多数駆動して植物を育成するための照明装置としている実例を説明する。
【０００３】
一般に、地上の植物には、太陽から紫外から赤外まで幅広い波長の光エネルギーが照射されている。しかしながら、植物はその全ての波長のエネルギーを利用している訳ではない。そのため、LEDを用いることで植物の生育に有効な特定の波長を選択して照射することが可能となっている。またLEDの特徴である省電力を生かして、他の照明ランプを用いた植物栽培に比べて、省電力・低コストでの植物栽培が可能となっている。２４時間赤い光を照射することで、通常２ヶ月半程度かかるレタスの成長を１ヶ月程度に縮めており、季節や天候に関係なく、毎日、一定量が出荷出来る。静岡県豊田町の農事組合法人サンフィールドが、世界で初めてLED野菜工場を稼働させている。生産量は125平方メートルの工場で３ヘクタールの畑に匹敵する。
【０００４】
栄養面でも一般のレタスに比べて、ビタミンA、C、Eの含有量が高く、ビタミンAについては露地物に比べ１４倍強もの効力を有していると言われている。
また、ハウス栽培のイチゴやトマトにLEDを照射すると糖度が増すという傾向があることも分かっている。
【０００５】
自然光を排除して完全管理下で育成でき、２４時間光照射できるので効率がよく、葉物野菜の代表であるレタスにおいては、すでに市場に出て好評である。野菜工場の生産経費の２８％が電力代である。将来、野菜類がすべて工場で作られる時代が来ると予想される。そのとき、LED駆動回路のコストと電力効率は、野菜生産経費に直接関連する大きな課題である。
【０００６】
従来、単独のLED場合、駆動は電流制限抵抗を直列接続して定電圧電源により行っている。電流制限抵抗の電力ロスは大きく、野菜工場では多数のLEDを直列接続して、ダイオードブリッジで整流し、直接電源に接続して変圧器のリアクタンス・ドロップを利用して、電流はタップ調整で行っている。
【０００７】
図２に従来の最も基礎的なLED駆動回路を示すが、電流波形は直列接続されたLEDのジャンクション電圧を超えたところで流れるのでパルス状の電流となっている。これは図２（ア）に示すコンデンサインプット型AC／DC変換回路と同じで、電流波形はパルス状で、基本波の位相は電圧と同相でよいが、波形率の問題で力率の悪い電流波形となっている。電流がパルス状でなく、サイン波形にするには、図２（イ）に示すようにリアクトルインプット型にしてもよい。これは、波形はきれいになるが、力率が悪く、直流電圧が低くなる。低い電圧ではLEDの直列接続数が大きく取れないことになる。
【０００８】
PWM（Pulse  Width  Modulation）コンバータや、PAM（Pulse  Amplitude  Modulation）制御とも呼ばれているPWM・PFC（Power  Factor  Correction）回路を用いることで、電流波形をサイン波にする方法はよく知られている。図３にPWMコンバータ回路（ア）とPWM・PFC回路（イ）を示す。
【０００９】
PWMコンバータ回路は、DCの電圧を確保してサイン波Vpwmを発生させ、電源電圧Vinとの間に、リアクタンスXを入れることにより、電力の流れは
P＝Vin＊Vpwm＊sinδ／X
の式で支配され、電圧位相差δが電力の方向を決める。PWMサイン波は位相が電源位相よりδだけ遅れている。入力電流波形は基本波のままに直流出力を得ることができるが、力率はδと直流電圧の影響を受けて変化するが、動作点を選べば力率を１にできる。直流側の電圧が一定であることを基本にしているのが本発明と大きく異なり、ハードなスイッチオン・オフによるスイッチング損失が大きくなる原因である。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。
【００１０】
PWM・PFC回路は、電流波形のフィードバック制御を直流側で行うリアクトルインプット型の交流直流変換回路の一種と言う事ができる。また、このPWM型はコイル電流を遮断することで、直流電圧を交流入力電圧より高くすることができるため、この回路を用いて、LEDを多数直列接続することができて都合が良い。また、出力電流・電圧の調整が容易、かつ連続的可能であることも良い。しかし、PWM制御の高速ゲートオン・オフ制御が必要で高調波の発生、ハードなスイッチオン・オフによるスイッチング損失があるのが問題になる。入力電流の力率は１以外では大きく電流波形は乱れるため、力率１以外の電流制御はできない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
交流／直流変換電源装置では、電力損失をより少なく、入力電流に高調波が少なく、力率がよりよいことが重要なことは言うまでも無い。また、装置の部品数が少なくシンプルであることは故障確率を少なくするために重要である。従来の方法の課題を列挙する。
【００１２】
図２の方法は電流波形の力率が悪いために交流側電力伝送損失が大きい。力率が0．7と力率1の電流とでは配電線のジュール発熱が２倍違う。配電線のジュール損は、１アンペア当たり電線100mで5Vになり、5Wの損失になる計算である。力率が良くなければならない。
【００１３】
図３のPWM制御に伴う高調波電流の発生は、多くの高調波問題を起こす可能性があり、その対処を行わねばならないため、フィルター回路などが必要になる。また、高速（数10kHz）の半導体スイッチのオン・オフのスイッチングに伴う損失が導通損と同じ程度の大きさになる。
【００１４】
LEDはダイオードの性質をもつので、並列接続による電流分流は温度の影響などで困難であるので直列接続駆動が好ましい。植物工場では、数百個のLEDを直列駆動するために交流100Vより大きな直流高電圧が必要になる。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これを使わない駆動が効率の点で好ましい。
【００１５】
本発明の目的は、多数の直列LEDの駆動用直流電源として、入力電流波形がきれいで力率が良く、かつスイッチング損失や高調波を発生するPWM制御も行わないで、出力制御がPWM制御の場合と同じ程度に可能な交流／直流変換電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、交流／直流変換電源装置に関し、本発明の上記目的は、４個の逆導通型半導体スイッチにて構成されるブリッジ回路と前記ブリッジ回路の直流端子間に接続され、電流遮断時の磁気エネルギーを蓄積するコンデンサとから成る磁気エネルギー回生双方向電流スイッチと、リアクトルと、交流電源とを直列に接続し、さらに、前記ブリッジ回路の交流端子間に整流用ダイオードブリッジの入力側を接続し、前記ダイオードブリッジの整流出力側に平滑用コンデンサを接続した交流／直流変換電源装置において、
前記各逆導通型半導体スイッチのゲートに制御信号を与えて、各半導体スイッチのオン／オフ制御を行う制御手段とを具備し、該制御手段は、前記ブリッジ回路を構成する４個の逆導通型半導体スイッチのうち、対角線上に位置するペアの逆導通型半導体スイッチのオン／オフ動作をそれぞれ同時に行うように制御するとともに、２組あるペアのうち、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し、かつ、前記オン／オフ動作を前記交流電源の電圧に同期して切り換え、さらに、前記リアクトル及び磁気エネルギーを蓄積するコンデンサとを含む共振回路のＱが１より大きくなるように設定することにより、前記交流電源電圧よりも高い共振電圧を発生させ、該共振電圧を前記ダイオードブリッジを介して取り出すことによって達成される。
【００１７】
また、本発明の上記目的は、前記磁気エネルギー回生双方向電流スイッチを、２個の逆導通型半導体スイッチと１又は２個のコンデンサにて構成されるハーフ・ブリッジ回路で置換し、前記制御手段は、前記２個の逆導通型半導体スイッチのうち、一方がオンの時は他方をオフにするように制御することにより、効果的に達成される。
【００１８】
さらに、本発明の上記目的は、前記交流／直流変換電源装置がさらに変圧器を備え、前記磁気エネルギー回生双方向電流スイッチの交流端子を前記変圧器の１次側に接続し、前記変圧器の２次側を前記ダイオードブリッジの入力側に接続することにより、効果的に達成される。
【００１９】
またさらに、本発明の上記目的は、前記ダイオードブリッジを、２個のダイオード及び２個の平滑用コンデンサで構成された両波倍電圧整流回路で置換することによって、より効果的に達成される。
【００２０】
本発明は、交流／直流変換電源装置に関し、本発明の上記目的は、４個の逆導通型半導体スイッチにて構成されるブリッジ回路と前記ブリッジ回路の直流端子間に接続され、電流遮断時の磁気エネルギーを蓄積するコンデンサとから成る磁気エネルギー回生双方向電流スイッチと、リアクトルと、交流電源とを直列に接続し、さらに、前記ブリッジ回路の直流端子の正側にダイオードのアノードを接続し、該ダイオードのカソードと前記ブリッジ回路の直流端子の負側との間に平滑用コンデンサを接続した交流／直流変換電源装置において、
前記各逆導通型半導体スイッチのゲートに制御信号を与えて、各半導体スイッチのオン／オフ制御を行う制御手段とを具備し、該制御手段は、前記ブリッジ回路を構成する４個の逆導通型半導体スイッチのうち、対角線上に位置するペアの逆導通型半導体スイッチのオン／オフ動作をそれぞれ同時に行うように制御するとともに、２組あるペアのうち、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し、かつ、前記オン／オフ動作を前記交流電源の電圧に同期して切り換え、さらに、前記リアクトル及び磁気エネルギーを蓄積するコンデンサとを含む共振回路のＱが１より大きくなるように設定することにより、前記交流電源電圧よりも高い共振電圧を発生させ、前記平滑用コンデンサの両端子に直流負荷を接続することによっても達成される。
【００２１】
本発明は、野菜や植物の生育用の人工光を供給するための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することによって達成される。
【００２２】
また、本発明の上記目的は、前記発光ダイオードを赤色発光ダイオードにすることによって効果的に達成される。
【００２３】
さらに光センサを設けるとともに、前記発光ダイオードの照度の変化を前記光センサで検知し、該検知した信号を前記制御手段にフィードバックすることにより、前記発光ダイオードの発光光度を所定の値に保つように前記共振電圧を制御することによって、さらに効果的に達成される。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、交流から直流に変換する際に、交流入力電流の高調波が少なく、かつ力率の良い、さらにゲートのオン・オフ位相の進み制御で直流出力を制御でき、電流力率を進みにしながら、出力制御できる変換器を提供することができる。
オン・オフ回数を最小限で、ゲート制御回路が簡単になり、ゼロ電圧ゼロ電流スイッチにもなっているのでスイッチによる損失が減少している。本発明は、交流電源から直流を得る際、交流周波数に同期スイッチングで共振を起こさせ磁気エネルギー回生スイッチ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。
【００２５】
風力発電のように周波数が変化する発電機などに磁気エネルギー回生スイッチを並列に接続して発電機の周波数と同期してゲート制御を行い、可変コンデンサとして共振させると、フェランチ現象を起こして電圧が上昇する。この電圧を直流変換して利用すれば、さらに大きな直流出力を取り出すことが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
４つの逆導通半導体スイッチとエネルギー蓄積コンデンサで構成される磁気エネルギー回生スイッチは、リアクトルと組み合わせて、交流電圧に同期したスイッチのオン・オフにより共振コンデンサの役目をする。従来回路の図２（イ）のリアクトルインプット型と図３（ア）のPWMコンバータの良いところを取り入れて、図３（イ）の悪いところを除いた方法を提案する。
【００２７】
上記目的を達成するために、本装置は、図１に示す４つの逆導通半導体スイッチとエネルギー蓄積コンデンサで構成される磁気エネルギー回生スイッチ１をリアクトル２と、交流電源３に直列に接続している。スイッチのゲート制御手段４を有して、交流電圧に同期したスイッチのオン・オフにより、並列共振が起こることになり、電源電圧より高い方形波状の高電圧が発生するが、この共振電圧をダイオード整流回路５を介して、取り出せば、交流入力電圧よりも高い電圧の直流が発生するこれらの構成を具備することを特徴とする。
【００２８】
本発明に係る交流／直流変換電源装置では、半導体スイッチは１サイクルの間に１回のスイッチングしか行われないので高調波が発生しない。
【００２９】
また、この装置では、基本は周波数の共振を起こさせているので入力電流は波形がサイン波状であり、さらに電流力率が1になるようにスイッチングの位相を制御する手段と出力電流電圧を位相で制御する手段を具備して、出力を入力電圧の変化にかかわらず一定にする制御を行う手段とを、具備していることを特徴とする。
【００３０】
本発明によれば、直列のリアクトル、並列にコンデンサが接続されているので、スイッチのオン・オフ時に、ゼロ電圧でのオフ、ゼロ電流でのオンがなされている。スイッチのオン・オフ回数が少ない上にさらにスイッチング損失を低減する変換システムを構築することができる。
【００３１】
また、本発明によれば、並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、たとえば倍電圧整流のようなダイオード整流設備を具備することを特徴とする。また、直流電流を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ブリッジを介して直流出力を取り出す装置を具備することも特徴である。
【００３２】
この発明によれば、交流から直流に変換する設備において、交流電源からの入力波形が基本波に近く、力率が１に近く、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。PWM制御による高速オン・オフ・スイッチングを行わないので半導体の損失が小さい。交流電圧よりも高い電圧の直流電流が得られる。
【００３３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
（実施形態１）
図１は、この発明の中心をなす磁気エネルギー回生スイッチを用いた並列共振AC／DC変換電源装置の一実施例である。本装置は図１に示す４つの逆導通半導体スイッチとエネルギー蓄積コンデンサで構成される磁気エネルギー回生スイッチ１とリアクトル２と、交流電源３とが直列に接続されている。
【００３４】
逆導通半導体スイッチのゲートのオン・オフを制御する制御手段４を有して、交流電圧に同期したスイッチのオン・オフにより、直列抵抗がリアクタンスより小さい場合に並列共振が起こることになる。電源電圧より方形波状の高電圧が発生するが、この共振電圧を磁気エネルギー回生スイッチ１のAC端子からダイオード整流回路５を介して、取り出せば、高電圧の直流が発生する。
【００３５】
実施例では、使用したリアクトル２は約700mH、電気抵抗は１７Ωである。磁気エネルギー回生スイッチ１のコンデンサは5μF、４つのP−MOSFETは、2SK2186（500V−10Aオン抵抗1Ω）である。４つのP−MOSFETの“たすきがけ”に交互にオン・オフ信号を電源電圧の正負に合わせて半サイクルの間連続して発生させる制御手段４がある。このオン・オフ信号は電圧波形よりも任意の位相分だけを進ませて出せるようになっている。
【００３６】
位相進みは、CRの遅延回路とオペアンプを1台用いただけの簡単な構成である。図４にゲート制御手段４の実施例の回路を示す。たとえば、ゲートオン・オフ信号を90度進ませるには、90度遅らせる制御を行ってから、信号極性を反転させればよいので、CR遅延回路の２段で0度から140度程度までの遅延により、信号を逆転させ、40度から、180度までの進み信号を発生させている。ここに、入力電流や出力電流、電圧を計測し位相の制御にフィードバック制御することは可能である。
【００３７】
P−MOSFETのゲート信号は、光起電力で直接オンにできるフォトボルと呼ばれるフォトカプラ（TLP590B）を使用している。動作遅延は50ヘルツに対して、十分早ければよいので、フォトボルの0．2mS程度の遅れは、問題にならない。これも、PWM制御法を用いないことの利点である。もちろん、本制御回路に高速なパルス制御発生回路を用いてスイッチング損失を増加しない範囲で部分的最小限のPWM制御を加味することは効果的である。
【００３８】
このように構成されたこの発明の動作について、説明する。
電源の電圧位相に同期してオン・オフする磁気エネルギー回生スイッチ１が、電源電圧の位相に対して90度進めたオン・オフは、90度進んだ電圧を発生するので進みのリアクタンス電圧を発生していることになる。インダクタンスと直列接続しているとインダクタンスの電圧と逆位相電圧となり、直列共振状態になる。
【００３９】
直列共振の定常状態では、両方のリアクタンス電圧は相殺され、電流は、電源電圧に対する直列抵抗で決まる値になる。これは、力率が１の状態でもあり、この力率改善効果は先行する特許となっている。ここで、抵抗がリアクタンスの内部抵抗だけであった場合を考えると、電流は回路のQ倍になることになり、コイル、スイッチの両端電圧は電源電圧のQ倍になる。ここでQ(Quality  factor)はリアクタンスを抵抗で割った値を意味する。
Q＝ωL／R    共振時の電流＝Ｉ＝入力電圧／直列抵抗＝Vin／R
リアクタンス電圧Vc＝VI＝ωL＊Ｉ＝ωL＊Vin／R＝Q＊Vin＝入力電圧のQ倍
【００４０】
磁気エネルギー回生スイッチ１は、電源周期にあわせて、オン・オフする電圧源であるから磁気エネルギー回生スイッチ１の蓄積コンデンサCの容量にはよらない。短時間、電圧を保持することが必要であるが、この電圧は回路から力率１状態になるように自動的に充電されるので、充電回路などは不要である（参考文献  日本電気学会雑誌論文誌D  2005年4月号）。
【００４１】
また、蓄積コンデンサCが毎サイクルごとにコンデンサの電圧がゼロになる場合、すなわち、インダクタンスＬとCの共振周波数が電源周波数より高い場合であるが、その場合、スイッチはゼロ電流、ゼロ電圧スイッチングが実現できており、さらにスイッチング損失が減ることになる。
【００４２】
リアクタンスの電圧、スイッチの電圧が逆位相で、電源のQ倍にまでなるのでその電圧をダイオードブリッジで整流して直流を得ているのが図１の回路である。電源電圧より大きいのでジャンクション電圧が2V程度のLEDを多数直列接続して駆動できる。ここでは100個の赤色LEDを直列にしている。
【００４３】
ジャンクション電圧の合計が電源電圧のピーク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の動作を止めた場合、スイッチの両端電圧がジャンクション電圧を超えないために電流が止まることを期待しているからである。これにより磁気エネルギー回生スイッチの動作がそのままLEDのスイッチになる。
【００４４】
磁気エネルギー回生スイッチの両端電圧がコンデンサ電圧を超えるとダイオードブリッジが導通して平滑コンデンサを充電するので、コンデンサ容量が十分大きければLEDには、直流電流が流れる。LEDの代わりに一般のコンデンサインプット型の直流負荷でも同様である。
【００４５】
直流出力の調整は、スイッチングの位相を最適の位相の状態からずらすことで可能である。特にスイッチング位相を進めることによって、交流入力の電流位相が進められる。その様子を図１１に示している。
【００４６】
入力電流波形を図９に示すが、波形はほぼサイン波状であり、蛍光灯の電流波形より高調波の少ない波形であると言える。
【００４７】
（実施形態２）
図５（１）は本発明の交流／直流変換用のダイオードブリッジの代わりに両波整流回路にして、さらに高圧にする交流／直流変換回路である。図５（２）の（A），（B），（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回路図である。
ハーフ・ブリッジ形状は、すでに先行する特許として出願している。これは、他のバリエーションがあり、それぞれ利点がある。（A）は直流の電解コンデンサが使用できるが損失が大きい。（B）は交流用の損失の小さいコンデンサを使う場合には良いがコンデンサ形状が電解コンデンサより大きい。半導体スイッチのスイッチは逆導通のGTOサイリスタなどが使用できる。（C）はさらに逆電流阻止型のスイッチを用いた場合、回路図のような結線で導通損を半減できるという利点がある。なお、磁気エネルギー回生スイッチを制御する制御手段は図示を省略している。
【００４８】
図６に示すのが、この本発明の発展形である。この回路の特徴は以下のようである。
1）交流／直流変換用ダイオードブリッジの代わりに両波整流回路にすることにより、さらに高電圧にすることができ、同じ直流電圧であれば、スイッチの素子耐圧、コンデンサ耐圧などは半分にできるなど利点が多い。
2）磁気エネルギー回生スイッチをハーフ・ブリッジ形状にした。図６では図５（２）(a)のタイプを採用したものになっている。なお、磁気エネルギー回生スイッチを制御する制御手段は図示を省略している。
【００４９】
（実施形態３）
図７に示すのが、さらにこの本発明の発展形である。本発明の共振する磁気エネルギー回生スイッチには、交流電圧が交流端子両端に発生するので、変圧器により、降圧することにより直流出力は低電圧大電流にすることが出来る。このとき、変圧器の漏れインダクタンスも含めて力率改善することが出来る。なお、磁気エネルギー回生スイッチを制御する制御手段は図示を省略している。
【００５０】
従来のPFC・コンバータでは、昇圧のみで、降圧直流を得ることはできなかったが、磁気エネルギー回生スイッチの交流側に接続することで変圧器が利用でき、降圧または昇圧して直流化でき、応用範囲が格段に広がる。
【００５１】
（実施形態４）
磁気エネルギー回生スイッチのコンデンサ容量を十分大きくすれば、ほぼ一定の直流電圧を保持することが可能になるが、そこから直流電力を取り出す場合は、よく知られている図３に示した回路の三相のPFC・AC／DC変換回路と同じに単相のPFCコンバータと同じになるが、三相では直流電圧がゼロになることが無い。それは相間で直流電力がその他の相に回るからである。
【００５２】
単相でPWMコンバータを実現した図８のように、エネルギー蓄積コンデンサCを小さくすれば、磁気エネルギーを蓄積した結果、電圧が上昇し、コンデンサ電圧は直流回路電圧より大きくなったところでダイオードが導通して直流回路に流れ、コンデンサ電圧が直流回路電圧以下では非導通となるので、ゼロ電圧ゼロ電流スイッチングが実現できる。これを３台、三相交流につなげば、三相電力のPWM・PFC回路でゼロ電圧ゼロ電流スイッチングのコンバータが可能となる。
【００５３】
図８の回路は、部品数が少なくなる利点はある。その反対に負荷に流れる電流が、すべて磁気エネルギー回生スイッチに流れて好ましくない。図７までの発明では、磁気エネルギー回生スイッチに流れる電流と直流側に流れる電流とが分かれるので、コスト利点のあるダイオードに電流が流れる分だけ経済的であることを提案している。
【００５４】
図８の回路はさらに電流センサで電流を計測して電流リファレンスに合わせてPWM制御する図３（イ）のPAMコンバータの方法を、磁気エネルギー回生スイッチを用いてAC側でスイッチした形にすることもできる。PFCが重要になる場合は有効である。これまでの本発明はすべてソフトなスイッチングが特徴である。なお、磁気エネルギー回生スイッチを制御する制御手段は図示を省略している。
【００５５】
ここでは、スイッチのオン・オフ回数を1周期に１回を最小限にしている例を述べたが、従来のようにPWM制御を行っても本発明の効果は十分に発揮されるものである。すなわち、前記４つの実施例はどれも、ゼロ電圧、ゼロ電流でのスイッチングを実現しているので、従来の方法である図３のPWM・PFC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。
【００５６】
力率とともに波形も重要な場合も考えられるので、そのときは必要なだけオン・オフ回数をふやしてPWM化するのも当然考えられる。これは部分PWM、固定パルス制御として、すでに知られている技術を導入することができる。
【００５７】
（実施形態５）
野菜工場では電力代がコストの約３０％を占めることはすでに述べたが、LED照明と駆動回路の製作費も大きなコストになる。そこで単純で故障の無いLED駆動回路が望まれている。
【００５８】
図１０は、野菜工場用にこれまでの発明を利用して、初期製作コストが低減できる設計例を示す。磁気エネルギー回生スイッチはハーフ・ブリッジ方式を採用してスイッチ数を半減にし、充電用コンデンサは電解コンデンサを利用する図５（2）(a)のを採用する。野菜工場ではLED500個を1ユニットとし、全体で4000個を点灯させている。
【００５９】
電解コンデンサはスイッチより低コストで、小型であるからコンデンサの容量を大きくして共振条件に近くすると、スイッチなしでも直流電圧は得られる。
大多数のユニットでは逆導通型半導体スイッチは、すべてオフ状態にして、コンデンサのみで共振条件を得ておく。一部のユニットは、夜間など電源電圧が上昇した場合、フリッカなどの変動を除去したい場合、LEDの明るさを制御して駆動する場合にこの半導体スイッチを動作させる。このようにユニット毎に設計や使い分けを分ける方法を提案する。
【００６０】
この方法は、ACリアクトルと平滑用コンデンサ、ダイオードブリッジの最小限の機器で直流高圧を得ているところが特徴で、変圧器など定常的な鉄損が無いので高効率である。
【００６１】
LEDは100個直列にして、それを５並列にして、500個を１ユニットとしているが、それぞれの直列に色の異なるLEDを1つ以上混ぜておくことで、並列分流の様子が人間の目にも確認できる。一色で構成すると人間の目に厳しいので他の色を混ぜておくが、また、その色の違いを光センサ１４で検出して、照度のフィードバック制御に利用するとよい。光センサ１４には、色フィルターをつける。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】この発明の交流／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。コンデンサインプット型とリアクトルインプット型を示す。
【図３】従来のサイン波入力のPWM化した交流／直流変換回路である。（ア）は三相PWMコンバータ、（イ）はブーストPWM（PAM）コンバータである。
【図４】ゲート信号発生回路の一例を示す図である。
【図５】本発明の交流直流変換用のブリッジの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），（B），（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回路図である。
【図６】磁気エネルギー回生スイッチをハーフ・ブリッジ化し、直流を倍電圧整流にした場合の回路図である。
【図７】本発明の交流／直流変換用のブリッジの代わりに変圧器を介して降圧または昇圧する交流／直流変換回路である。
【図８】本発明のダイオードブリッジを介さずに直接磁気エネルギー回生スイッチのエネルギー蓄積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している。電流センサを具備して電流を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】シミュレーションの波形を示す図である。
【図１０】野菜工場用に、最も簡単で、効率的に多数のLEDを駆動する方法について説明する回路図である。
【図１１】スイッチング位相を進めることによって、交流入力の電流位相が進められることを示した図である。
【符号の説明】
【００６３】
１  磁気エネルギー回生双方向電流スイッチ
２  リアクトル
３  交流電源
４  制御手段
５  ダイオード整流回路
６  平滑コンデンサ
７  直列ダイオードユニット
８  直流負荷
９  遅延調節用可変抵抗器
１０  オペアンプ
１１  インバータ
１２  変圧器
１３  ダイオード
１４  光センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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