JP7067396B2

JP7067396B2 - 電源装置及び照明装置

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Publication number: JP7067396B2
Application number: JP2018185009A
Authority: JP
Inventors: 徹石北
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2022-05-16
Anticipated expiration: 2038-09-28
Also published as: JP2020057452A

Description

本発明の実施形態は、入力電力を変換して負荷に供給する変換回路を有する電源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電源装置としては、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、ＡＣ／ＤＣ変換回路からの電圧を降圧させた直流定電圧を照明負荷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。このような電源装置において、照明負荷の開放や短絡等の故障が生じることでＤＣ／ＤＣ変換回路からの出力電圧が増加した場合等に、その出力電圧と所定の電圧閾値とを比較し、出力電圧が所定の電圧閾値を所定時間以上連続的に超えると、ＤＣ／ＤＣ変換回路からの出力を停止させる保護動作を行うものがある。

保護動作をさせるための電圧閾値としては、定格出力電圧を僅かに超える程度に設定する場合、例えば入力電圧の変動等により出力電圧が短時間オーバーシュートすると、誤って保護動作が実施されるおそれがある。一方、保護動作が開始するまでの所定時間を長めに設定する場合、回路動作や回路方式によっては、過剰電圧が発生したときに安全に保護させることができない。

特許第４９０１１０４号公報

本発明が解決しようとする課題は、保護動作の誤動作を抑制しつつ、過大な出力電圧に対して適切に保護動作できる電源装置及びこれを備えた照明装置を提供することである。

実施形態の電源装置は、変換回路と、検出回路と、制御部と、を備える。変換回路は、入力電力を変換して負荷に供給する。検出回路は、変換回路の出力電圧を検出する。制御部は、複数の電圧閾値と、該電圧閾値に応じて設定される複数の動作時間と、を備える。制御部は、検出回路により検出された出力電圧が電圧閾値を動作時間以上連続的に超えたときに保護動作を行う。また、動作時間は、定格出力電圧からの差が大きい電圧閾値に対応するものほど小さい。

本発明によれば、保護動作の誤動作を抑制しつつ、過大な出力電圧に対して適切に保護動作することが期待できる。

第１の実施形態を示す電源装置を備えた照明装置の回路図である。同上電源装置の変換回路の出力電流を示すグラフである。同上電源装置の変換回路の出力電圧の時間変化と制御部による保護動作とのタイミングの一例を示すグラフである。第２の実施形態を示す電源装置を備えた照明装置の一部の回路図である。

以下、第１の実施形態を、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、例えば比較器28により電流ILのピーク値を監視し、その監視結果に応じて、すなわち比較器28から入力する信号（電圧信号）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を行う。

また、マイコン25は、例えば光源モジュール14の点灯装置12からの外れ、すなわち光源13の開放や、光源13の故障による短絡等の、負荷異常が生じたときに保護動作を行うようになっている。本実施形態において、マイコン25には、複数の電圧閾値と、これら電圧閾値に応じた複数の動作時間とが設定される。そして、マイコン25は、検出回路27により検出された出力電圧が負荷異常により大きくなった場合に、その出力電圧が電圧閾値をそれに対応する動作時間以上連続的に超えたときに、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。

本実施形態において、電圧閾値及び動作時間は２つずつ設定されている。すなわち、本実施形態においては、図３に示すように、互いに異なる値に設定された電圧閾値である第１電圧閾値Vth1及び第２電圧閾値Vth2と、それぞれの電圧閾値に対応する動作時間である第１動作時間T1及び第２動作時間T2とが設定されている。本実施形態において、第１及び第２電圧閾値Vth1，Vth2は、それぞれ定常状態、すなわち定格出力電圧Ｖよりも大きい値である。また、第２電圧閾値Vth2は、第１電圧閾値Vth1よりも大きく設定されている。すなわち、第２電圧閾値Vth2は、第１電圧閾値Vth1よりも、定常状態、すなわち定格出力電圧Ｖからの差が大きい閾値である。これら第１及び第２電圧閾値Vth1，Vth2は、予め設定された固定値でもよいし、第２電圧閾値Vth2については、可変設定されてもよい。この場合、第２電圧閾値Vth2に対応する第２動作時間T2は、第２電圧閾値Vth2の大きさに応じて可変設定されてもよい。例えば、第２動作時間T2は、定格出力電圧Ｖと第２電圧閾値Vth2との差が大きいほど小さく設定されていてもよい。第２動作時間T2を可変設定する場合には、例えば図示しないメモリ等に予め記憶された数式等により求められてもよいし、メモリ等に記憶されたテーブルに基づき設定されてもよい。また、各動作時間T1，T2は、検出回路27により検出された出力電圧の変化量が大きいほど小さく設定されてもよい。例えば、出力電圧が、定格出力電圧Ｖから第１電圧閾値Vth1を超えて第２電圧閾値Vth2となるように連続的に上昇した場合に、第１電圧閾値Vth1となったタイミングTM1から第２電圧閾値Vth2となったタイミングTM2までの時間差ΔＴを第１動作時間T1から引いた時間以下の時間となるように第２動作時間T2を設定することで、出力電圧の急峻な上昇に対しても保護動作を確実に実施可能とすることができる。例えば、定格出力電圧Ｖが１２０Ｖに対して、第１電圧閾値Vth1が１４０Ｖ、第２電圧閾値Vth2が２００Ｖ等と設定され、第１動作時間T1が１００ｍｓｅｃ、第２動作時間T2が４０ｍｓｅｃに設定される。

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。

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Q1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のデューティ比が設定される。

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て、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。

また、マイコン25は、検出回路27により検出された電圧が電圧閾値を連続的に超えたとき、保護動作を行う。本実施形態では、この保護動作にあたり、複数の電圧閾値を設定するとともに、それらに応じて設定される動作時間を、定格出力電圧からの差が大きい電圧閾値に対応するものほど小さくする。本実施形態では、第１及び第２電圧閾値Vth1，Vth2を設定するとともに、それらに応じて設定される第１及び第２動作時間T1，T2のうち、定格出力電圧からの差が大きい第２動作時間T2を第１動作時間T1より小さくする。そのため、定格出力電圧を僅かに超える程度に出力電圧が短時間オーバーシュートした場合等、通常動作中に誤って保護動作が実施されることを抑制しつつ、出力電圧が過大になった場合には、短時間で保護動作を発動させ、適切に保護動作できる。

特に、本実施形態では、降圧チョッパ回路である第２変換回路23の出力端間にスイッチ回路26のスイッチング素子Q2が接続されているため、負荷異常時にスイッチング素子Q2がスイッチングされることで出力電圧が上昇する昇圧回路が構成され、負荷異常時に急峻な出力電圧の上昇が生じる場合がある。そのため、本実施形態のように、複数の電圧閾値を設定するとともに、それらに応じて設定される動作時間を、定格出力電圧からの差が大きい電圧閾値に対応するものほど小さくすることで、負荷異常時に昇圧回路が出力側に形成される点灯装置12の回路構成であっても、適切な保護動作が可能になる。

電圧閾値及び動作時間を、それぞれ予め設定された固定値とする場合には、マイコン25をより簡素な構成とし、電圧閾値や動作時間等の演算負荷を軽くできる。

定格出力電圧からの差が最も小さい電圧閾値（本実施形態では第１電圧閾値Vth1）を除く電圧閾値（本実施形態では第２電圧閾値Vth2）を可変設定し、この電圧閾値（本実施形態では第２動作時間T2）を電圧閾値（本実施形態では第２電圧閾値Vth2）に応じて可変設定する場合には、出力電圧の変化に応じてマイコン25に精度よく保護動作を実施させることができる。

また、動作時間を、検出回路27により検出された出力電圧の変化量が大きいほど小さく設定する場合には、出力電圧が急峻に変化するほど早期に保護動作を実施でき、点灯装置12及び照明装置10を確実に保護できる。

なお、上記第１の実施形態では、第２変換回路23がハイサイド降圧型の回路としたが、図４に一部を示す第２の実施形態のように、第２変換回路23がローサイド降圧型の回路であってもよい。この場合、第２電圧閾値Vth2は第１電圧閾値Vth1よりも小さく設定されるものの、定格出力電圧との差は第２電圧閾値Vth2のほうが第１電圧閾値Vth1よりも大きいため、上記第１の実施形態と同様に、第２動作時間T2を第１動作時間T1よりも小さく設定することで、同様の作用効果を奏することができる。

また、上記各実施形態において、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、その他の昇圧または降圧回路等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 電源装置である点灯装置
13 負荷である光源
24 変換回路
25 制御部であるマイコン
27 検出回路
T1 動作時間である第１動作時間
T2 動作時間である第２動作時間
Ｖ定格出力電圧
Vth1 電圧閾値である第１閾値
Vth2 電圧閾値である第２閾値

Claims

入力電力を変換して負荷に供給する変換回路と；
前記変換回路の出力電圧を検出する検出回路と；
複数の電圧閾値と、該電圧閾値に応じて設定される複数の動作時間と、を備え、前記検出回路により検出された出力電圧が前記電圧閾値を前記動作時間以上連続的に超えたときに保護動作を行うとともに、前記動作時間が、定格出力電圧からの差が大きい前記電圧閾値に対応するものほど小さい制御部と；
を具備することを特徴とする電源装置。
前記電圧閾値及び前記動作時間は、それぞれ予め設定された固定値である
ことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
定格出力電圧からの差が最も小さい前記電圧閾値を除く前記電圧閾値は、可変設定され、
該電圧閾値に応じた前記動作時間は、該電圧閾値に応じて可変設定される
ことを特徴とする請求項１または２記載の電源装置。
前記動作時間は、前記検出回路により検出された出力電圧の変化量が大きいほど小さく設定される
ことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
前記負荷である光源と；
請求項１ないし４いずれか一記載の電源装置と；
を具備することを特徴とする照明装置。