(57)【要約】  スイッチング期間が最小スイッチング期間より減少した場合、コントローラはスイッチの電圧のリンギング期間だけスイッチング期間を増加させ、調節済み電流を維持するためにスイッチング期間の増加を補償するようにピーク電流を増加させ、またピーク電流が最大ピーク電流より増大した場合、コントローラはスイッチの電圧のリンギング期間だけスイッチング期間を減少させ、調節済み電流を維持するためにスイッチング期間の減少を補償するようにピーク電流を減少させるようにして、コントローラは、スイッチング電力変換器の調節済み電流を所望の電力レベルで維持するようにスイッチング電力変換器のスイッチング期間及びピーク電流を制御するために、スイッチング電力変換器のスイッチを活性化及び非活性化するための制御信号を生成するように構成される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング電力変換器及びコントローラを備える装置であって、
前記スイッチング電力変換器は、調節済み電流に適合して前記電力変換器に結合された負荷に前記電力変換器の入力からのエネルギーを伝達し、前記スイッチング電力変換器はスイッチ及びエネルギー蓄積デバイスを備え、調節済み電流は、前記スイッチング電力変換器のスイッチング期間と前記スイッチング期間中の前記エネルギー蓄積デバイスのピーク電流との関数であり、
前記コントローラは、前記調節済み電流を所望の電力レベルで維持するように前記スイッチング期間及び前記ピーク電流を制御するために、前記スイッチを活性化及び非活性化するための制御信号を生成するため、
前記スイッチング期間が最小スイッチング期間より減少した場合、前記コントローラは前記スイッチの電圧のリンギング期間だけ前記スイッチング期間を増加させ、前記調節済み電流を維持するために前記スイッチング期間の前記増加を補償するように前記ピーク電流を増加させ、更に、
前記ピーク電流が最大ピーク電流より増大した場合、前記コントローラは前記スイッチの前記電圧のリンギング期間だけ前記スイッチング期間を減少させ、前記調節済み電流を維持するために前記スイッチング期間の前記減少を補償するように前記ピーク電流を減少させる、
装置。
【請求項２】
前記コントローラは、前記スイッチング期間中、前記電圧のリンギング期間中の前記電圧の最小絶対値でスイッチする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記エネルギー蓄積デバイスはインダクタである、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記スイッチの前記リンギング期間は、前記インダクタのインダクタンス及び前記スイッチの寄生キャパシタンスによって定義される、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記電力変換器の前記入力に電気エネルギーを提供する調光器を更に備え、前記ピーク電流は前記調光器の導通期間に比例する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記スイッチング電力変換器は、バック変換器、バック−ブースト変換器、及びフライバック変換器のうちの１つを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
スイッチング電力変換器の調節済み電流を所望の電力レベルで維持するように、前記スイッチング電力変換器のスイッチング期間及びピーク電流を制御するために、前記スイッチング電力変換器のスイッチを活性化及び非活性化することを含む、方法であって、
前記スイッチング期間が最小スイッチング期間より減少した場合、前記スイッチの電圧のリンギング期間だけ前記スイッチング期間を増加させ、前記調節済み電流を維持するために前記スイッチング期間の前記増加を補償するように前記ピーク電流を増加させ、
前記ピーク電流が最大ピーク電流より増大した場合、前記スイッチの前記電圧のリンギング期間だけ前記スイッチング期間を減少させ、前記調節済み電流を維持するために前記スイッチング期間の前記減少を補償するように前記ピーク電流を減少させる、
方法。
【請求項８】
前記コントローラは、前記スイッチング期間中、前記電圧のリンギング期間中の前記電圧の最小絶対値でスイッチする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記エネルギー蓄積デバイスはインダクタである、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記スイッチの前記リンギング期間は、前記インダクタのインダクタンス及び前記スイッチの寄生キャパシタンスによって定義される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
調光器を用いて前記電力変換器の前記入力に電気エネルギーを提供することを更に含み、前記ピーク電流は前記調光器の導通期間に比例する、請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記スイッチング電力変換器は、バック変換器、バック−ブースト変換器、及びフライバック変換器のうちの１つを備える、請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本開示は、２０１４年４月１７日出願の米国仮特許出願第６１／９８０，７８９号及び２０１４年９月２４日出願の米国非仮特許出願第１４／４９５，５６４号の優先権を主張し、いずれもその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本開示は、一般にエレクトロニクスの分野に関し、より具体的にはスイッチング電力変換器におけるバレー・スイッチングのためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
多くの電子システムは、調光器とインターフェースするスイッチング電力変換器又は変成器などの回路を含む。インターフェース回路は、調光器によって設定される調光レベルに従って負荷に電力を送達する。例えば照明システムにおいて、調光器は照明システムに入力信号を提供する。入力信号は、ランプに送達される電力を照明システムに調節させ、したがって調光レベルに応じてランプの輝度を上昇又は低下させる、調光レベルを表す。多くの異なるタイプの調光器が存在する。一般に調光器は、交流電流（「ＡＣ」）入力信号の一部が除去又はゼロアウトされる、出力信号を生成する。例えばいくつかのアナログベース調光器は、交流電流用三極管（「トライアック（ｔｒｉａｃ）」）デバイスを利用して、交流電流供給電圧の各サイクルの位相角を変調する。この供給電圧の位相角の変調は、一般に供給電圧の「位相カット」とも呼ばれる。供給電圧の位相カットは、照明システムなどの負荷に供給される平均電力を減少させ、それによって負荷に提供されるエネルギーを制御する。
【０００４】
特定タイプのトライアック・ベースの位相カット調光器は、リーディング・エッジ調光器として知られている。リーディング・エッジ調光器は、ＡＣサイクルの始まりから位相をカットするため、位相カット角度中には調光器が「オフ」であり、その負荷に出力電圧は供給されず、位相カット角度後は「オン」になり、位相カットされた入力信号をその負荷に渡す。適切な動作を保証するために、負荷は、トライアックを開くのに必要な電流よりも上で突入電流を維持するのに十分な負荷電流をリーディング・エッジ調光器に提供しなければならない。調光器によって提供される電圧の急激な上昇及び調光器内のキャパシタの存在により、提供されなければならない電流は、通常、トライアック導通に必要な定常状態電流よりも大幅に高い。加えて定常状態動作では、負荷は、トライアックの早期切断を防ぐために必要な「保持電流」として知られる別の閾値よりも上の維持するための負荷電流を調光器に提供しなければならない。
【０００５】
図１は、トライアック・ベースのリーディング・エッジ調光器１０２及びランプ１４２を含む照明システム１００を示す。図２は、照明システム１００に関連付けられた例示の電圧及び電流グラフを示す。図１及び図２を参照すると、照明システム１００は電圧供給１０４からＡＣ供給電圧ＶＳＵＰＰＬＹを受け取る。電圧波形２００によって示される供給電圧ＶＳＵＰＰＬＹは、例えばアメリカ合衆国における公称６０Ｈｚ／１１０Ｖの線間電圧又は欧州における５０Ｈｚ／２２０Ｖの線間電圧である。トライアック１０６は電圧駆動スイッチとして働き、トライアック１０６のゲート端子１０８は、第１の端子１１０と第２の端子１１２との間の電流フローを制御する。ファイアリング閾値電圧値ＶＦより上のゲート端子１０８上のゲート電圧ＶＧは、トライアック１０６をＯＮにし、次いでキャパシタ１２１を短絡させることによって、出力電流ｉＤＩＭを生成するためにトライアック１０６及び調光器１０２を介して電流を流すことができる。
【０００６】
ランプ１４２に対する負荷抵抗を想定すると、電圧波形２０６によって示される調光器出力電圧ＶΦ＿ＤＩＭは、それぞれの時点ｔ０及びｔ２でのハーフ・サイクル２０２及び２０４の各々の開始から、ゲート電圧ＶＧがファイアリング閾値電圧値ＶＦに達するまで、ゼロ・ボルトである。調光器出力電圧ＶΦ＿ＤＩＭは、調光器１０２の出力電圧を表す。時間期間ＴＯＦＦの間、調光器１０２は、調光器出力電圧ＶΦ＿ＤＩＭが時間期間ｔＯＦＦの間ゼロ・ボルトを維持するように供給電圧ＶＳＵＰＰＬＹをチョップ又はカットする。時点ｔ１でゲート電圧ＶＧはファイアリング閾値電圧値ＶＦに達し、トライアック１０６は導通を開始する。トライアック１０６がＯＮになると、調光器電圧ＶΦ＿ＤＩＭは時間期間ｔＯＮの間、供給電圧ＶＳＵＰＰＬＹを追跡する。
【０００７】
トライアック１０６がＯＮになると、トライアック１０６を介する突入電流がトライアック１０６を開くのに必要な閾値電流より上で持続するために、トライアック１０６から引き出される電流ｉＤＩＭは付加電流ｉＡＴＴを超えなければならない。加えて、トライアック１０６がＯＮになると、トライアック１０６は、電流ｉＤＩＭが保持電流ｉＨＣより上で維持している限り、ゲート電圧ＶＧの値に関係なく電流ｉＤＩＭの導通を続行する。付加電流ｉＡＴＴ及び保持電流値ｉＨＣは、トライアック１０６の物理的特徴の関数である。電流ｉＤＩＭが保持電流値ｉＨＣを下回る、すなわちｉＤＩＭ＜ｉＨＣになると、ゲート電圧ＶＧが再度ファイアリング閾値ＶＦに達するまで、トライアック１０６はＯＦＦになる（すなわち導通を停止する）。多くの従来の適用例では、保持電流値ｉＨＣは一般に十分低いため、理想的には、ハーフ・サイクル２０２の終わり近くの時点ｔ２で供給電圧ＶＳＵＰＰＬＹがほぼゼロ・ボルトである時、電流ｉＤＩＭは保持電流値ｉＨＣを下回る。
【０００８】
並列に接続された抵抗器１１６及びキャパシタ１１８と直列に存在する可変抵抗器１１４はタイミング回路１１５を形成し、ゲート電圧ＶＧがファイアリング閾値ＶＦに達する時点ｔ１を制御する。可変抵抗器１１４の抵抗が増加すると時間ＴＯＦＦは増加し、可変抵抗器１１４の抵抗が減少すると時間ＴＯＦＦは減少する。可変抵抗器１１４の抵抗値は、ランプ１４２の調光値を効果的に設定する。ダイアック１１９は、トライアック１０６のゲート端子１０８内への電流フローを提供する。調光器１０２は、調光器出力電圧ＶΦ＿ＤＩＭを平坦にするためのインダクタ・チョーク１２０も含む。トライアック・ベースの調光器１０２は、電磁干渉を低減させるためにトライアック１０６及びインダクタ・チョーク１２０の両端間に接続されたキャパシタ１２１も含む。
【０００９】
理想的には、調光器出力電圧ＶΦ＿ＤＩＭの位相角を変調することで、供給電圧ＶＳＵＰＰＬＹの各ハーフ・サイクルについて効果的にランプ１４２を時間期間ＴＯＦＦ中はＯＦＦにし、時間期間ＴＯＮ中はＯＮにする。したがって理想的には、調光器１０２は調光器出力電圧ＶΦ＿ＤＩＭに従ってランプ１４２に供給される平均エネルギーを効果的に制御する。
【００１０】
別の特定タイプの位相カット調光器はトレーリング・エッジ調光器として知られている。トレーリング・エッジ調光器は、ＡＣサイクルの終わりから位相をカットするため、位相カット角度中には調光器が「オフ」であり、その負荷に出力電圧は供給されないが、位相カット角度の前は「オン」であり、理想的にはその入力電圧に比例する波形をその負荷に渡すことになる。
【００１１】
図３は、トレーリング・エッジ、位相カット調光器３０２、及びランプ３４２を含む照明システム３００を示す。図４は、照明システム３００に関連付けられた例示の電圧及び電流グラフを示す。図３及び図４を参照すると、照明システム３００は電圧供給３０４からＡＣ供給電圧ＶＳＵＰＰＬＹを受け取る。電圧波形４００によって示される供給電圧ＶＳＵＰＰＬＹは、例えばアメリカ合衆国における公称６０Ｈｚ／１１０Ｖの線間電圧又は欧州における５０Ｈｚ／２２０Ｖの線間電圧である。トレーリング・エッジ調光器３０２は、供給電圧ＶＳＵＰＰＬＹの各ハーフ・サイクルの、トレーリング・エッジ４０２及び４０４などのトレーリング・エッジを位相カットする。供給電圧ＶＳＵＰＰＬＹの各ハーフ・サイクルは、供給電圧ＶＳＵＰＰＬＹの１８０度であるため、トレーリング・エッジ調光器３０２は、０度より大きく１８０度より小さい角度で供給電圧ＶＳＵＰＰＬＹを位相カットする。ランプ３４２への位相カットされた入力電圧ＶΦ＿ＤＩＭは、ランプ３４２に送達される電力を照明システム３００に調整させ、調光レベルに応じてランプ３４２の輝度を上昇又は低下させる、調光レベルを表す。
【００１２】
調光器３０２は、スイッチ３１２のデューティ・サイクルを制御するために調光器制御信号ＤＣＳを生成するタイマ・コントローラ３１０を含む。スイッチ３１２のデューティ・サイクルは、調光器制御信号ＤＣＳの各サイクルについて調光器制御信号の期間（例えば時点ｔ３〜ｔ０）によって分割されるパルス幅（例えば時点ｔ１〜ｔ０）である。タイマ・コントローラ３１０は、所望の調光レベルをスイッチ３１２のデューティ・サイクルに変換する。調光器制御信号ＤＣＳのデューティ・サイクルは、調光レベルが低い（すなわちランプ３４２の輝度が高い）と減少し、調光レベルが高いと増加する。調光器制御信号ＤＣＳのパルス（例えばパルス４０６及びパルス４０８）中、スイッチ３１２は導通し（すなわち「オン」であり）、調光器３０２は低抵抗状態に入る。調光器３０２が低抵抗状態の場合、スイッチ３１２の抵抗は例えば１０オームより低いか又は同等である。スイッチ３１２が低抵抗状態の間、位相カットされた入力電圧ＶΦ＿ＤＩＭは入力供給電圧ＶＳＵＰＰＬＹを追跡し、調光器３０２は調光器電流ｉＤＩＭをランプ３４２に伝達する。
【００１３】
タイマ・コントローラ３１０が調光器制御信号ＤＣＳのパルス４０６を終了させる時、調光器制御信号ＤＣＳはスイッチ３１２をオフにし、これによって調光器３０２は高抵抗状態に入る（すなわちオフになる）。調光器３０２が高抵抗状態の場合、スイッチ３１２の抵抗は例えば１キロオームより大きい。調光器３０２は、調光器制御信号ＤＣＳの各パルス中に供給電圧ＶＳＵＰＰＬＹを充電するキャパシタ３１４を含む。調光器３０２の高抵抗状態及び低抵抗状態の双方において、キャパシタ３１４はスイッチ３１２の両端間に接続されたままである。スイッチ３１２がオフになり、調光器３０２が高抵抗状態に入ると、キャパシタ３１４の両端間の電圧ＶＣは上昇する（例えば時点ｔ１からｔ２の間及び時点ｔ４からｔ５の間）。上昇率は、キャパシタ３１４のキャパシタンスＣの量とランプ３４２の入力インピーダンスとの関数である。ランプ３４２の有効入力抵抗が十分に低い場合、十分に高い値の調光器電流ｉＤＩＭによる位相カットが可能であり、調光器制御信号ＤＣＳの次のパルスの前に入力電圧ＶΦ＿ＤＩＭはゼロ交差（例えば時点ｔ２及びｔ５）へと減衰する。
【００１４】
いくつかの照明適用例において、調光器はランプに直接結合されない。例えばランプが低電力ランプ（例えばハロゲン又は発光ダイオード（ＬＥＤ）ランプ）を備える適用例では、ＡＣ入力電圧をランプに送達されることになる直流電流（ＤＣ）電圧に変換するために、スイッチング電力変換器が調光器とランプとの間にインターフェースされる。図５は、当分野で知られているように、ブリッジ整流器５３４と、ＬＥＤ５３２を備える低電力ランプに送達するためのＤＣ電圧にＡＣ電圧入力を変換するための電力変換器５３６とを備える、ランプ・アセンブリ５４２を含む照明システム５００を示す。図５に示されるように、照明システム５００は電圧供給５０４、調光器５０２、及びランプ・アセンブリ５４２を含む。電圧供給５０４は、例えばアメリカ合衆国における公称６０Ｈｚ／１１０Ｖの線間電圧又は欧州における５０Ｈｚ／２２０Ｖの線間電圧である、供給電圧ＶＳＵＰＰＬＹを生成する。
【００１５】
調光器５０２は、照明システム５００の他の要素への調光信号を生成するための任意のシステム、デバイス、又は装置を備え、調光信号はランプに送達される電力を照明システム５００に調整させる調光レベルを表し、調光レベルに応じてＬＥＤ５３２の輝度は上昇又は低下する。したがって調光器５０２は、図１に示されるものと同様のリーディング・エッジ調光器、図３に示されるものと同様のトレーリング・エッジ調光器、又は任意の他の好適な調光器を含む。
【００１６】
ランプ・アセンブリ５４２は、（例えば調光器５０２によって送達される）電気エネルギーを（例えばＬＥＤ５３２で）光子エネルギーに変換するための任意のシステム、デバイス、又は装置を備える。例えばランプ・アセンブリ５４２は、ＬＥＤ５３２を備えるランプを伴う多面反射体波形率（例えばＭＲ１６波形率）を備える。図５に示されるように、ランプ・アセンブリ５４２はブリッジ整流器５３４、電力変換器５３６、及びスイッチ状態コントローラ５１２を含む。
【００１７】
ブリッジ整流器５３４は、当分野で知られるように、交流電力電圧信号ＶΦ＿ＤＩＭ全体を単一極性のみを有する整流電圧信号ＶＲＥＣに変換するための任意の好適な電気又は電子デバイスを備える。
【００１８】
電力変換器５３６は、入力電圧（例えばＶＲＥＣ）を異なる出力電圧（例えばＶＯＵＴ）に変換するように構成された任意のシステム、デバイス、又は装置を備え、変換は制御信号（例えば、スイッチ状態コントローラ５１２から伝送されるパルス−幅変調制御信号）に基づく。したがって電力変換器５３６は、ブースト変換器、バック変換器、ブースト−バック変換器、又は他の好適な電力変換器を備える。
【００１９】
ＬＥＤ５３２は、ＬＥＤ５３２の両端間の電圧ＶＯＵＴに基づく量で光子エネルギーを放出するように構成された、１つ以上の発光ダイオードを備える。
【００２０】
スイッチ状態コントローラ５１２は、電力変換器５３６の入力に存在する電圧ＶＲＥＣの１つ以上の特徴を決定し、こうした電圧ＶＲＥＣの１つ以上の特徴に基づいて、電力変換器５３６によって引き出される電流ｉＲＥＣの量を制御するように構成された、任意のシステム、デバイス、又は装置を備える。
【００２１】
いくつかの実施形態において、電力変換器５３６は、図６に示されるようにバック変換器５３６Ａなどのスイッチング電力変換器を備える。図６に示されるように、バック・タイプの電力変換器５３６Ａは、制御信号ＣＳに応答して、整流された時変入力電圧ＶＲＥＣからインダクタ６１０を介したキャパシタ６０６へのエネルギーの伝達を調節するように動作する、スイッチ６０８を備える。電力変換器５３６Ａは、キャパシタ６０６からインダクタ６１０内への逆電流フローを防止するダイオード６１１も含む。インダクタ６１０を介して伝達されるエネルギーは、キャパシタ６０６によって蓄積される。キャパシタ６０６は、電流をＬＥＤ５３２に提供しながら、ほぼ一定の電圧ＶＯＵＴ（例えば入力電圧ＶＲＥＣのピークよりも低い）を維持するのに十分なキャパシタンスを有する。
【００２２】
動作中、インダクタ電流ｉＬは経時的に変化し、ピーク入力電流はスイッチ６０８の「オン・タイム」に比例し、キャパシタ６０６に伝達されるエネルギーは「オン・タイム」の２乗に比例する。図６に示されるように、いくつかの実装において、スイッチ６０８はｎチャネルの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を備え、制御信号ＣＳは、制御信号ＣＳが高の時にスイッチ６０８を導通させるパルス−幅変調（ＰＷＭ）制御信号である。したがってこうした実装において、スイッチ６０８の「オン・タイム」は制御信号ＣＳのパルス幅によって決定され、ＶＲＥＣからキャパシタ６０６に伝達されるエネルギーは制御信号ＣＳのパルス幅の２乗に比例する。
【００２３】
制御信号ＣＳはスイッチ状態コントローラ５１２によって生成され、スイッチング電力変換器５３６Ａに所望のエネルギー量を、キャパシタ６０６へ、したがってＬＥＤ５３２へ伝達させることが目的である。所望のエネルギー量は、ＬＥＤ５３２の電圧及び電流要件に依存する。１に近い力率補正を提供するために、スイッチ状態コントローラ５１２は一般に入力電流ｉＲＥＣを制御しようとするため、入力電流ｉＲＥＣはキャパシタ電圧ＶＯＵＴを一定に保持しながら入力電圧ＶＲＥＣを追跡することになる。したがって入力電流ｉＲＥＣ及びピーク・インダクタ電流ｉＬは、各々調光器５０２の導通期間（例えば調光器５０２がオンであり電流を導通している時間期間）に比例する。
【００２４】
スイッチ６０８がＦＥＴで実施される実装において、１つの既知の問題は、インダクタ６１０内の入力電流が消磁された後、ＦＥＴの固有のキャパシタンスがインダクタ６１０と望ましくなく共振することである。こうした共振を最小限にし、付随するスイッチング損失を低減させるための既知の技法が、時に「バレー・スイッチング」と呼ばれ、この技法で制御信号ＣＳは、スイッチ６０８のドレイン−ソース間電圧ＶＤＳがその最小値に達した時、スイッチ６０８をオンにするように制御される。
【００２５】
次に図７を参照すると、当分野で知られているように、バレー・スイッチングの概念を示すタイミング図が示されている。バレー・スイッチングがない場合、スイッチ状態コントローラ５１２は特定の調光器制御設定についてターゲット・スイッチング期間ＴＴを維持するように動作する。期間ＴＴは間隔Ｔ１、Ｔ２、及びＴ３の合計に等しく、ここでＴ１は、スイッチ６０８が活性化され、電流を導通する時間間隔であり、Ｔ２は、スイッチ６０８が非活性化され、インダクタ６１０が消磁される間電流ｉＬが流れる時間間隔であり、Ｔ３は、バレー間隔と呼ばれる、電流ｉＬが流れない時間間隔である。しかしながらバレー・スイッチングを実装している場合、ドレイン−ソース間電圧ＶＤＳのバレーは、ターゲット・スイッチング期間ＴＴの前又は後に発生する。したがってバレー・スイッチングを実装するために、スイッチ状態コントローラ５１２は、ターゲット・スイッチング期間ＴＴの終わりより前又は後にスイッチ６０８を活性化するように制御信号ＣＳをアサートし、誤差ＴＴｅｒｒによって所望のスイッチング期間を修正して、実際のスイッチング期間ＴＴ’を得るためにスイッチング期間を短縮又は延長する。したがって従来のバレー・スイッチング技法は、ＬＥＤ５３２に供給される平均電力が意図する量よりも減少するか又は追加されることにつながる。したがって、スイッチング期間が特定のバレーまで量子化される場合、バレー・スイッチングを実行しながら、負荷に対する一定の電圧調節を維持することが課題である。別の課題は、所望の出力調節を維持しながら、調光器の位相角レンジ全体を通じてバレー・スイッチングを維持することである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
本開示の教示に従い、スイッチング電力変換器のバレー・スイッチングにおける電力効率に関連付けられたある欠点及び問題を低減又は除去することができる。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本開示の実施形態に従い、装置はスイッチング電力変換器及びコントローラを含む。スイッチング電力変換器は、調節済み電流に適合して電力変換器に結合された負荷に電力変換器の入力からのエネルギーを伝達するように構成され、スイッチング電力変換器はスイッチ及びエネルギー蓄積デバイスを備え、調節済み電流は、スイッチング電力変換器のスイッチング期間とスイッチング期間中のエネルギー蓄積デバイスのピーク電流との関数である。スイッチング期間が最小スイッチング期間より減少した場合、コントローラはスイッチの電圧のリンギング期間だけスイッチング期間を増加させ、調節済み電流を維持するためにスイッチング期間の増加を補償するようにピーク電流を増加させることになり、またピーク電流が最大ピーク電流より増大した場合、コントローラはスイッチの電圧のリンギング期間だけスイッチング期間を減少させ、調節済み電流を維持するためにスイッチング期間の減少を補償するようにピーク電流を減少させるように、コントローラは、調節済み電流を所望の電力レベルで維持するようにスイッチング期間及びピーク電流を制御するために、スイッチを活性化及び非活性化するための制御信号を生成するように構成される。
【００２８】
本開示のこれら及び他の実施形態に従い、方法は、スイッチング電力変換器の調節済み電流を所望の電力レベルで維持するように、スイッチング電力変換器のスイッチング期間及びピーク電流を制御するために、スイッチング電力変換器のスイッチを活性化及び非活性化することを含むため、スイッチング期間が最小スイッチング期間より減少した場合、スイッチの電圧のリンギング期間だけスイッチング期間を増加させ、調節済み電流を維持するためにスイッチング期間の増加を補償するようにピーク電流を増加させ、またピーク電流が最大ピーク電流より増大した場合、スイッチの電圧のリンギング期間だけスイッチング期間を減少させ、調節済み電流を維持するためにスイッチング期間の減少を補償するようにピーク電流を減少させる。
【００２９】
当業者であれば、本明細書に含まれる図面、説明、及び特許請求の範囲から本開示の技術的利点が容易に明らかになるであろう。実施形態の目的及び利点は、少なくとも特許請求の範囲内で具体的に指摘された要素、特徴、及び組み合わせによって実現及び達成される。
【００３０】
前述の一般的な説明及び以下の詳細な説明は例示的及び説明的であり、本開示に示される特許請求の範囲を制限するものではないことを理解されよう。
【００３１】
添付の図面と共に以下の説明を参照することによって、本実施形態及びその利点をより完全に理解することが可能であり、図面内で同じ番号は同じ機能を示している。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】当分野で知られているように、トライアック・ベースのリーディング・エッジ調光器を含む照明システムを示す図である。
【図２】当分野で知られているように、図１に示される照明システムに関連付けられた例示の電圧及び電流グラフを示す図である。
【図３】当分野で知られているように、位相カット・トレーリング・エッジ調光器を含む照明システムを示す図である。
【図４】当分野で知られているように、図３に示される照明システムに関連付けられた例示の電圧及び電流グラフを示す図である。
【図５】当分野で知られているように、電力変換器を含む例示の照明システムを示す図である。
【図６】当分野で知られているように、図５の照明システムで使用するための例示のスイッチング電力変換器を示す図である。
【図７】当分野で知られているように、図６に示されるスイッチング電力変換器に関連付けられた例示の電圧及び電流グラフを示す図である。
【図８】本開示の実施形態に従った、電力変換器を含む例示の照明システムを示す図である。
【図９】本開示の実施形態に従った、調光器位相角が減少する場合の調光器位相角に対する、ピーク・インダクタ電流、スイッチング周波数、負荷電流、及びオフセット電流のプロファイルをプロットする、例示のグラフを示す図である。
【図１０】本開示の実施形態に従った、調光器位相角が増加する場合の調光器位相角に対する、ピーク・インダクタ電流、スイッチング周波数、負荷電流、及びオフセット電流のプロファイルをプロットする、例示のグラフを示す図である。
【図１１】本開示の実施形態に従った、図８の照明システムにおいて負荷電流を調節するためのアルゴリズムを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図８は、本開示の実施形態に従った、改良されたバレー・スイッチング技法を用いる照明システム８００を示す。図８に示されるように、照明システム８００は電圧供給８０４、調光器８０２、及びランプ・アセンブリ８４２を含む。電圧供給８０４は、供給電圧ＶＳＵＰＰＬＹ、すなわち例えばアメリカ合衆国における公称６０Ｈｚ／１１０Ｖの線間電圧又は欧州における５０Ｈｚ／２２０Ｖの線間電圧を生成する。
【００３４】
調光器８０２は、照明システム８００の他の要素への調光信号を生成するための任意のシステム、デバイス、又は装置を備え、調光信号は、ランプに送達される電力を照明システム８００に調整させる調光レベルを表し、調光レベルに応じてＬＥＤ８３２の輝度は上昇又は低下する。したがって調光器８０２は、図１に示されるものと同様のリーディング・エッジ調光器、図３に示されるものと同様のトレーリング・エッジ調光器、又は任意の他の好適な調光器を含む。
【００３５】
ランプ・アセンブリ８４２は、（例えば調光器８０２によって送達される）電気エネルギーを（例えばＬＥＤ８３２で）光子エネルギーに変換するための任意のシステム、デバイス、又は装置を備える。例えばランプ・アセンブリ８４２は、ＬＥＤ８３２を備えるランプを伴う多面反射体波形率（例えばＭＲ１６波形率）を備える。図８に示されるように、ランプ・アセンブリ８４２はブリッジ整流器８３４、電力変換器８３６、及びスイッチ状態コントローラ８１２を含む。
【００３６】
ブリッジ整流器８３４は、当分野で知られるように、交流電力電圧信号ＶΦ＿ＤＩＭ全体を単一極性のみを有する整流電圧信号ＶＲＥＣに変換するための任意の好適な電気又は電子デバイスを備える。
【００３７】
電力変換器８３６は、入力電圧（例えばＶＲＥＣ）を異なる出力電圧（例えばＶＯＵＴ）に変換するように構成された任意のシステム、デバイス、又は装置を備え、変換は制御信号（例えば、スイッチ状態コントローラ８１２から伝送されるパルス−幅変調制御信号）に基づく。電力変換器８３６は図８ではバック変換器として示されているが、電力変換器８３６は、ブースト変換器、バック変換器、ブースト−バック変換器、又は他の好適な電力変換器を備えてもよい。図８に示されるように、バック・タイプの実装において、電力変換器８３６は、スイッチ状態コントローラ８１２から受信する制御信号ＣＳ（例えばパルス−幅変調制御信号）に応答して、整流された時変入力電圧ＶＲＥＣからインダクタ８１０を介したキャパシタ８０６へのエネルギーの伝達を調節するように動作する、スイッチ８０８（例えばｎタイプの電界効果トランジスタ）を備える。電力変換器８３６は、キャパシタ８０６からインダクタ８１０内への逆電流フローを防止するダイオード８１１も含む。インダクタ８１０を介して伝達されるエネルギーは、キャパシタ８０６によって蓄積される。キャパシタ８０６は、電流をＬＥＤ８３２に提供しながら、ほぼ一定の電圧ＶＯＵＴ（例えば入力電圧ＶＲＥＣのピークよりも低い）を維持するのに十分なキャパシタンスを有する。
【００３８】
ＬＥＤ８３２は、ＬＥＤ８３２の両端間の電圧ＶＯＵＴに基づく量で光子エネルギーを放出するように構成された、１つ以上の発光ダイオードを備える。
【００３９】
スイッチ状態コントローラ８１２は、電力変換器８３６の入力に存在する電圧ＶＲＥＣの１つ以上の特徴を決定し、こうした電圧ＶＲＥＣの１つ以上の特徴に基づいて、電力変換器８３６によって引き出される電流ｉＲＥＣの量を制御するように構成された、任意のシステム、デバイス、又は装置を備える。スイッチ状態コントローラ８１２の機能を、以下でより詳細に説明する。
【００４０】
動作中、スイッチ状態コントローラ８１２は制御信号ＣＳを生成し、スイッチング電力変換器８３６に所望のエネルギー量を、キャパシタ８０６へ、したがってＬＥＤ８３２へ伝達させることが目的である。したがって、インダクタ電流ｉＬは経時的に変化し、ピーク入力電流はスイッチ８０８の「オン・タイム」に比例し、キャパシタ８０６に伝達されるエネルギーは「オン・タイム」の２乗に比例する。所望のエネルギー量は、ＬＥＤ８３２の電圧及び電流要件に依存する。１に近い力率補正を提供するために、スイッチ状態コントローラ８１２は一般に入力電流ｉＲＥＣを制御しようとするため、入力電流ｉＲＥＣはキャパシタ電圧ＶＯＵＴを一定に保持しながら入力電圧ＶＲＥＣを追跡することになる。したがって入力電流ｉＲＥＣ及びピーク・インダクタ電流ｉＬは、各々調光器８０２の導通期間（例えば調光器８０２がオンであり電流を導通している時間期間）に比例する。
【００４１】
調節済みＬＥＤ電流は、負荷に直接送られるインダクタ電流の平均である。バック変換器の場合、こうしたＬＥＤ電流ｉＯＵＴは以下によって得られる。
ＩＯＵＴ＝ｄｉｍ*Ｉｆｕｌｌｓｃａｌｅ＝０．５*Ｉｐｋ*（ＴＴｃｒｉｔ／ＴＴ’）
上式で、ｄｉｍは１に正規化された調光器位相角であり（例えば０から１の間の値を有し）、ＩｆｕｌｌｓｃａｌｅはＬＥＤ８３２に対するフルスケール出力電流であり、Ｉｐｋはインダクタ電流ｉＬのピーク値であり、ＴＴｃｒｉｔは臨界導通スイッチング期間（例えば図７の間隔Ｔ１及びＴ２）であり、ＴＴ’は実際の全スイッチング期間（例えば図７の間隔Ｔ１、Ｔ２、及びＴ３）である。
【００４２】
調光器８０２の所与の位相角について出力電流を調節するために、コントローラ８１２はピーク・インダクタ電流Ｉｐｋ及び実際のスイッチング期間ＴＴ’をスケーリングする。ピーク・インダクタ電流は以下のように得られる。
Ｉｐｋ＝（Ｉｆｕｌｌｓｃａｌｅ／Ｄｉｍｆｕｌｌｓｃａｌｅ）*ｄｉｍ＋Ｉｐｋ−ｏｆｆｓｅｔ
上式で、Ｄｉｍｆｕｌｌｓｃａｌｅはｄｉｍのフルスケール値であり（いくつかのケースでは１であり）、Ｉｐｋ−ｏｆｆｓｅｔは、正確な負荷調節を提供するためにバレーに量子化される実際のスイッチング期間ＴＴ’の効果をオフセットするように、ターゲット・スイッチング期間ＴＴ中の所望の平均電流Ｉｏｕｔと実際のスイッチング期間ＴＴ’中のＩｏｕｔの実際の電流との間の差異を考慮に入れる電流誤差項である。
【００４３】
したがってコントローラ８１２は、ピーク・インダクタ電流Ｉｐｋを調光器位相角ｄｉｍと線形にスケーリングさせ、臨界導通スイッチング期間ＴＴｃｒｉｔも調光器位相角ｄｉｍと線形に変化させる。結果として実際のスイッチング期間ＴＴ’も、固定バレー間隔Ｔ３について調光器位相角ｄｉｍと線形にスケーリングする。したがって負荷調節を達成するために、ピーク・インダクタ電流Ｉｐｋをスケーリングしながら、実際のスイッチング期間ＴＴ’を固定バレー間隔Ｔ３に量子化することができる。
【００４４】
例えば調光器位相角ｄｉｍが減少する場合、コントローラ８１２はピーク電流Ｉｐｋを調光器位相角ｄｉｍと線形にスケールダウンさせる。実際のスイッチング期間ＴＴ’は固定バレー間隔Ｔ３についてｄｉｍと線形にスケールダウンするため、実際のスイッチング期間ＴＴ’を、既存のバレー数を１つ増加させるための基準である最小スイッチング期間ＴＴｍｉｎ（又は最大スイッチング周波数値）まで減少させることが可能である。これを行う場合、実際のスイッチング期間ＴＴ’はドレイン−ソース間電圧ＶＤＳのインダクタ寄生キャパシタ（ＬＣ）リンギング期間を１つ増加させ、次に負荷電流ｉＯＵＴを減少させる。コントローラ８１２は、一定の出力電流調節を維持するためにピーク・インダクタ電流Ｉｐｋを増加させることによって、この過渡的効果を補償する。最小スイッチング期間に再度一致して次のバレーを探索するようコントローラ８１２に命じるまで、調光器位相角ｄｉｍの関数と同じ線形ピーク電流プロファイルが新しいピーク・インダクタ電流Ｉｐｋで実施される。図９は、調光器位相角ｄｉｍに対する、ピーク・インダクタ電流Ｉｐｋ、スイッチング周波数（例えば１／ＴＴ’）、負荷電流ｉｏｕｔ、及び電流誤差Ｉｐｋ−ｏｆｆｓｅｔのプロファイルをプロットする、例示のグラフを示す。図９で、Ｎは、バレー・スイッチングが発生する（例えば実際のスイッチング期間ＴＴ’が終了し、新しい期間が開始する）ＬＣリンギング・バレーを表す。
【００４５】
別の例として、調光器位相角ｄｉｍが増加する場合、コントローラ８１２はピーク電流Ｉｐｋを調光器位相角ｄｉｍと線形にスケールアップさせるため、スイッチング期間ＴＴ’は固定バレー間隔Ｔ３についてｄｉｍと線形にスケールアップする。これを行う場合、バレー数を１つ減少させるための基準になる最大インダクタ・ピーク電流限界までピーク電流Ｉｐｋを増加させることが可能である。したがって、基準に達すると、実際のスイッチング期間ＴＴ’はドレイン−ソース間電圧ＶＤＳのＬＣリンギング期間を１つ減少させ、次に負荷電流ｉＯＵＴを増加させる。コントローラ８１２は、一定の出力電流調節を維持するためにピーク・インダクタ電流Ｉｐｋを減少させることによって、この過渡的効果を補償する。最大インダクタ・ピーク電流限界に再度一致して次のバレーを探索するようコントローラ８１２に命じるまで、調光器位相角ｄｉｍの関数と同じ線形ピーク電流プロファイルが新しいピーク・インダクタ電流Ｉｐｋで実施される。図１０は、調光器位相角ｄｉｍに対する、ピーク・インダクタ電流Ｉｐｋ、スイッチング周波数（例えば１／ＴＴ’）、負荷電流ｉｏｕｔ、及び電流誤差Ｉｐｋ−ｏｆｆｓｅｔのプロファイルをプロットする、例示のグラフを示す。図１０で、Ｎは、バレー・スイッチングが発生する（例えば実際のスイッチング期間ＴＴ’が終了し、新しい期間が開始する）ＬＣリンギング・バレーを表す。
【００４６】
図１１は、本開示の実施形態に従った、図８の照明システムにおいて負荷電流を調節するための方法１１００のブロック図を示す。方法１１００はコントローラ８１２によって実装される。図１１に示されるように、コントローラ８１２は、負荷電流ｉｏｕｔを調節するためのフィードバック・ループ１１０２、及びいずれのＬＣリンギング・バレーをスイッチするかを決定するためのバレー・スイッチング・ブロック１１０４を実装する。フィードバック・ループ１１０２は、ターゲット・ピーク・インダクタ電流を生成するために乗算器１１０６によって共に乗算される調光器位相角ｄｉｍ及びフルスケール出力電流Ｉｆｕｌｌｓｃａｌｅと、コンバイナ１１０８によってターゲット・ピーク・インダクタ電流から減算される電流誤差Ｉｐｋ−ｏｆｆｓｅｔとに基づいて、ピーク・インダクタ電流Ｉｐｋを調節することによって、負荷電流ｉｏｕｔを調節する。電流誤差Ｉｐｋ−ｏｆｆｓｅｔは、（バレー・スイッチング制御ブロック１１０４によって決定される）実際のスイッチング期間ＴＴ’とターゲット・スイッチング期間ＴＴとの差異に等しいコンバイナ１１１０によって生成されるスイッチング期間誤差ＴＴｅｒｒを、積分器１１１２を用いて積分すること、及び、積分されたスイッチング期間誤差を対応する電流誤差Ｉｐｋ−ｏｆｆｓｅｔに効果的に変換する、ゲインＫを有するゲイン・ブロック１１１４によって、積分されたスイッチング期間誤差を乗算すること、によって計算される。
【００４７】
コントローラ８１２は、調光器位相角ｄｉｍ及びピーク・インダクタ電流Ｉｐｋに基づいて、ターゲット・スイッチング期間ＴＴを決定する。例えばマルチプレクサ１１２２は、スイッチング電力変換器８３６のトポロジに基づいて、間隔Ｔ２又は臨界導通期間ＴＴｃｒｉｔのうちの１つを出力する。例えばスイッチング電力変換器８３６のトポロジがバック変換器の場合、図８に示されるように、マルチプレクサ１１２２は臨界導通期間ＴＴｃｒｉｔの間隔を出力する。他方で、スイッチング電力変換器８３６がフライバック・トポロジを採用する場合、マルチプレクサ１１２２は間隔Ｔ２を出力する。マルチプレクサ１１２２によって出力される値は、乗算器１１１６でピーク・インダクタ電流Ｉｐｋによって、及び乗算器１１１８で調光器位相角ｄｉｍの逆数によって乗算され、中間結果を生成する。次いでこの中間結果の値はブロック１１２０で定数ＧＴＴによって乗算され、ターゲット・スイッチング期間ＴＴを生成する。定数ＧＴＴは、バレー間隔Ｔ３を選択する際にユーザ又は回路設計者にプログラム可能性を提供する定数である。例えばバック・トポロジの場合、ＧＴＴはＴＴ／（Ｔ１＋Ｔ２）に等しい。
【００４８】
バレー・スイッチング制御ブロック１１０４において、比較器１１２４は実際のスイッチング期間ＴＴ’と最小スイッチング期間ＴＴｍｉｎとを比較し、比較を示す信号を生成する。同様に比較器１１２６は、ピーク・インダクタ電流Ｉｐｋと最大ピーク・インダクタ電流Ｉｐｋ−ｍａｘとを比較し、比較を示す信号を生成する。比較器１１２６によって生成される信号は、ゲイン・ブロック１１２８によって−１と乗算される。したがって実際のスイッチング期間ＴＴ’が最小スイッチング期間ＴＴｍｉｎよりも短い場合、アキュムレータ１１３０は１だけ増分し、ピーク・インダクタ電流Ｉｐｋが最大ピーク・インダクタ電流Ｉｐｋ−ｍａｘを超える場合、スイッチングが発生するはずであるリンギング・バレーＮを決定するために、１だけ減分する。値Ｎは、ゲイン・ブロック１１３２によってドレイン−ソース間電圧ＶＤＳのＬＣリンギング期間と乗算され、結果がコンバイナ１１３４によって間隔Ｔ１及びＴ２に加算され、実際のスイッチング期間ＴＴ’を生成する。次いでコントローラ８１２は、スイッチング電力変換器８３６を、バレー・スイッチング制御ブロック１１０４によって計算された実際のスイッチング期間ＴＴ’で、フィードバック・ループ１１０２によって計算されたピーク・インダクタ電流Ｉｐｋで動作させるために、適切な制御信号ＣＳを生成する。
【００４９】
したがって、バレー間でのスイッチングの移行時に、閉じたフィードバック・ループ１１０２は、（例えば積分器１１１２の帯域幅によって制限される）数スイッチング・サイクルの制御信号ＣＳ内で負荷調節を維持するために、ピーク・インダクタ電流Ｉｐｋを適切に増加又は減少させる。
【００５０】
本明細書で示される方法及びシステムの利点の中でも、調光器位相角に基づいてインダクタ電流プロファイルのみが定義される単純かつロバストな制御方式を提供することが有利である。加えて、これらの方法及びシステムに従い、フィードバック・ループ１１０２によって実施される補償は、負荷調節を維持するために数スイッチング・サイクル内でピーク・インダクタ電流Ｉｐｋを増加又は減少させることによって、即時に行動を取ることができるため、コントローラ８１２がスイッチングによってバレーを変更させる時に、出力電流ｉＯＵＴ内に最小限の過渡フリッカしか観察されない。更にこれらの方法及びシステムによって採用される手法は、既存の手法に比べてスイッチ８０８の電力散逸の削減につながる。
【００５１】
本明細書で使用される場合、２つ又はそれ以上の要素が互いに「結合される」ものと言及される時、こうした用語は、間接的に又は直接接続されているかどうか、介在要素が存在するか否かにかかわらず、こうした２つ又はそれ以上の要素が電子的に通信していることを示す。
【００５２】
本開示は、当業者であれば理解されるように、本明細書における例示の実施形態に対するすべての変更、置換、変形、代替、及び修正を包含する。同様に適切な場合、添付の特許請求の範囲は、当業者であれば理解されるように、本明細書における例示の実施形態に対するすべての変更、置換、変形、改変、及び修正を包含する。更に、特定の機能を実行するように適合、配置、実行可能化、構成、イネーブル、動作可能化、又は作動されている装置又はシステム或いは装置又はシステムの構成要素に対する、特許請求の範囲における言及は、それ又はその特定の機能が活性化、オン、又はロック解除されているか否かに関わらず、その装置、システム、又は構成要素がそのように適合、配置、実行可能化、構成、イネーブル、動作可能化、又は作動されている限り、その装置、システム、又は構成要素を包含する。
【００５３】
本明細書に示されるすべての例示及び条件付き言い回しは、発明者が当技術分野を前進させるために寄与している本開示及び概念を読者が理解するのを助けるための教育的目的が意図されており、こうした具体的に示される例示及び条件に限定されないものと解釈される。本開示の実施形態を詳細に説明してきたが、本開示の趣旨及び範囲を逸脱することなく、本明細に対する様々な変更、置換、及び改変が実行可能であることを理解されたい。
【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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【国際調査報告】
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