JP7633601B2

JP7633601B2 - 電源装置および照明装置

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Publication number: JP7633601B2
Application number: JP2021117263A
Authority: JP
Inventors: 徹石北
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2021-07-15
Filing date: 2021-07-15
Publication date: 2025-02-20
Anticipated expiration: 2041-07-15
Also published as: JP2023013241A

Description

本発明の実施形態は、波高値制御をする電源装置および照明装置に関する。

従来、例えば照明装置に用いられる電源装置は、スイッチング素子のスイッチングにより入力電力を変換し、負荷である光源に供給する変換回路を備え、この変換回路の出力電流のピーク電流に応じてスイッチング素子のスイッチングのデューティ比を決定し、波高値制御することが知られている。

波高値制御する電源装置では、電源装置に接続される光源の種類などに応じて光源の電圧や電流が異なるため、光源に応じて適切な波高値制御ができることが望まれている。

特開２０２１－５７２５７号公報

本発明が解決しようとする課題は、負荷に応じた適切な波高値制御ができる電源装置および照明装置を提供することにある。

実施形態の電源装置は、変換回路と、制御部とを備える。変換回路は、スイッチング素子を有し、スイッチング素子のスイッチングにより入力電力を変換し、負荷に供給する。制御部は、負荷に応じて予め設定されているスイッチング素子のスイッチングの最大デューティ比と、変換回路の出力電流のピーク電流と、に応じて、スイッチング素子のスイッチングのデューティ比を決定し、波高値制御する。制御部は、変換回路の出力電流を検出し、変換回路の出力電流の検出値が予め設定されている目標値と一致するようにスイッチング素子のスイッチングのデューティ比を変更し、変換回路の出力電流の検出値が目標値と一致するスイッチング素子のスイッチングのデューティ比から、最大デューティ比を設定する。

実施形態の電源装置によれば、負荷に応じた適切な波高値制御ができる。

一実施形態を示す電源装置の回路図である。同上電源装置による負荷に応じたスイッチング素子のスイッチングの最大デューティ比を設定する設定処理を示すフローチャートである。同上電源装置の変換回路の出力電流の波形図である。

以下、一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１に負荷装置である照明装置１０を示す。照明装置１０は、例えば、舞台やスタジオでの照明に用いられ、通信可能に接続される上位機である調光操作卓などの制御装置１１により制御される。照明装置１０は、例えば、フルカラー照明に対応している。

照明装置１０は、負荷である光源１４を備える光源モジュール１５と、この光源モジュール１５を接続し、光源１４を点灯させる電源装置１６と、を備えている。

光源１４は、発光素子であるＬＥＤ１８を備えている。光源モジュール１５には、複数のＬＥＤ１８が用いられている。照明装置１０がフルカラー照明に対応している場合、少なくとも赤、緑、青の異なる光色のＬＥＤ１８が用いられる。ＬＥＤ１８は光色毎に電圧（順方向電圧）が異なり、さらに複数のＬＥＤ１８が用いられる光源１４である光源モジュール１５は光色毎に電圧や電流が異なっている。なお、光源１４は、ＬＥＤ１８に限らず、有機ＥＬなどの他の固体発光素子を用いてもよい。

異なる光色のＬＥＤ１８は、光色毎に、電源装置１６に接続されて個別に制御される。図１には１つの光色のＬＥＤ１８が１つの電源装置１６に接続されている場合を示すが、異なる光色のＬＥＤ１８に対して電源装置１６の一部を共用してもよい。

また、電源装置１６は、例えば、交流１００Ｖの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２０の一対の入力端が接続されている。整流回路２０は、商用交流電源ｅからの交流電力を直流電力に整流して出力する。整流回路２０の一対の出力端に、第１変換回路２１が接続されている。第１変換回路２１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２１は、整流回路２０から入力された直流電力の電圧を、その電圧よりも高い所定の第１直流定電圧に変換して出力する。

第１変換回路２１の出力側には、第２変換回路２２が接続されている。第２変換回路２２は、第１変換回路２１から入力された第１直流定電圧を、その第１直流定電圧よりも低い所定の第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２１と第２変換回路２２とにより、入力電力を変換して光源１４に供給する変換回路２３が構成されている。

第２変換回路２２は、第１変換回路２１の出力端間に接続されたスイッチング素子である第１スイッチング素子Ｑ１および帰還ダイオードＤの直列回路と、第１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。また、第１スイッチング素子Ｑ１の制御端子には、ドライバ回路ＤＲＶを介してマイコンによって構成される制御部２４が接続され、制御部２４から出力される第１ＰＷＭ信号Ｓ１により第１スイッチング素子Ｑ１がスイッチング駆動される。第１スイッチング素子Ｑ１は、第１ＰＷＭ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に流れる出力電流ＩＬの谷がゼロよりも大きくインダクタＬに出力電流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。

また、第２変換回路２２の出力端には、この出力端と並列に接続された第２スイッチング素子Ｑ２を備える調光回路２５が接続されているとともに、光源モジュール１５の入力端が接続されている。第２スイッチング素子Ｑ２は、光源モジュール１５の光源１４と並列に接続されている。第２スイッチング素子Ｑ２の制御端子には、制御部２４が接続され、制御装置１１から入力する調光信号に応じて制御部２４から出力される第２ＰＷＭ信号Ｓ２により第２スイッチング素子Ｑ２がスイッチング駆動される。

調光回路２５は、第２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２２の出力端間を短絡および開放することで、光源１４に流れる電流を制御する。すなわち、光源１４に流れる平均電流である負荷電流Ｉは、変換回路２３の出力電流ＩＬを第２スイッチング素子Ｑ２がスイッチングすることにより制御される。

また、第２変換回路２２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第２スイッチング素子Ｑ２との間に、出力電流ＩＬの検出用の抵抗Ｒが接続されている。

第２変換回路２２の抵抗Ｒと第２スイッチング素子Ｑ２との間に、制御部２４による波高値制御時に変換回路２３の出力電流ＩＬのピーク電流を検出する第１電流検出部２６と、制御部２４による第１スイッチング素子Ｑ１のスイッチングの最大デューティ比の設定時に変換回路２３の出力電流ＩＬを検出する第２電流検出部２７と、がそれぞれ接続されている。

第１電流検出部２６は、コンパレータである比較器２８を有し、この比較器２８の反転入力端子が第２変換回路２２の抵抗Ｒと第２スイッチング素子Ｑ２との間に接続され、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である閾値電流（ピーク電流値）Ｉｔｈが入力される。そして、比較器２８は、出力電流ＩＬと閾値電流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。比較器２８の出力端子は制御部２４に接続され、比較器２８での比較結果が信号（電圧信号）Ｓとして制御部２４に入力される。

第２電流検出部２７は、第１電流検出部２６とは異なり、第２変換回路２２の抵抗Ｒと光源１４との間に接続されている。第２電流検出部２７は、検出回路３０を含み、この検出回路３０により、光源１４に流れる変換回路２３の出力電流ＩＬを検出し、この出力電流ＩＬに対応する電圧信号である検出信号を制御部２４に出力する。

また、第２変換回路２２の出力端には、変換回路２３の出力電圧、つまり光源１４の電圧（負荷電圧）を検出する電圧検出部３１が接続されている。電圧検出部３１は、検出回路３０を含み、この検出回路３０により光源１４の電圧を検出し、この検出信号を制御部２４に出力する。

なお、検出回路３０は、第２電流検出部２７と電圧検出部３１とで兼用されるが、兼用せず、第２電流検出部２７と電圧検出部３１とで別々に設けてもよい。

そして、制御部２４は、変換回路２３に接続された光源１４に応じて、第１スイッチング素子Ｑ１のスイッチングの最大デューティ比（最大オンデューティ）を設定する機能を有している。制御部２４は、この最大デューティ比の設定時に、変換回路２３に接続された光源１４に対して出力電流ＩＬを実際に流した状態で、第２電流検出部２７により変換回路２３の出力電流ＩＬを検出し、変換回路２３の出力電流ＩＬの検出値と予め設定されている目標電流値である目標値とを比較し、変換回路２３の出力電流ＩＬの検出値が目標値と一致するように第１スイッチング素子Ｑ１のスイッチングのデューティ比を変更し、変換回路２３の出力電流ＩＬの検出値が目標値と一致する第１スイッチング素子Ｑ１のスイッチングのデューティ比から、最大デューティ比を設定し、記憶する。制御部２４は、制御プログラムや第１スイッチング素子Ｑ１のスイッチングの最大デューティ比を記憶する記憶部を有している。第１スイッチング素子Ｑ１のスイッチングの最大デューティ比の設定は、例えば工場出荷前の検査工程にて実行され、電源装置１６への最初の電源投入時に自動的に実行してもよいし、電源装置１６への電源投入後に制御部２４に所定の信号が入力されることで実行してもよい。また、目標値は、変換回路２３の出力電流のピーク電流の設定に応じて設定される。

さらに、制御部２４は、光源１４に応じて予め設定されて記憶されている最大デューティ比と、第１電流検出部２６の比較器２８の比較結果である変換回路２３の出力電流ＩＬのピーク電流と、に応じて、第１スイッチング素子Ｑ１のスイッチングのデューティ比を決定し、このデューティ比の第１ＰＷＭ信号Ｓ１を第１スイッチング素子Ｑ１に出力し、波高値制御を実行する機能を有している。

さらに、制御部２４は、制御装置１１から入力される調光信号に応じて、第２ＰＷＭ信号Ｓ２のデューティ比を決定し、このデューティ比の第２ＰＷＭ信号Ｓ２を第２スイッチング素子Ｑ２に出力し、光源１４に流れる電流を制御する調光制御を実行する機能を有している。

さらに、制御部２４は、電圧検出部３１の検出回路３０により変換回路２３の出力電圧を監視し、その出力電圧に応じて、変換回路２３の出力を低下または停止させる保護動作を実行する機能を有している。

なお、異なる光色のＬＥＤ１８に対して電源装置１６の一部を共用する場合には、第１変換回路２１の出力端の接点３２に、異なる光色のＬＥＤ１８毎に光色別の電源回路部（第２変換回路２２、調光回路２５、および制御部２４などを含む）が並列に接続され、光色別の電源回路部に異なる光色のＬＥＤ１８がそれぞれ接続されて個別に制御される。

次に、本実施形態の動作を説明する。

まず、照明装置１０の動作を説明すると、電源装置１６に商用交流電源ｅから電力が供給されると、変換回路２３では、第１変換回路２１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２２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。

第２変換回路２２では、制御部２４からの第１ＰＷＭ信号Ｓ１が第１スイッチング素子Ｑ１の制御端子に入力され、第１スイッチング素子Ｑ１が第１ＰＷＭ信号Ｓ１に応じてスイッチングされる。第１スイッチング素子Ｑ１のオン状態では、第１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２２から出力電流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、第１スイッチング素子Ｑ１のオフ状態では、インダクタＬに出力電流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２２から出力電流ＩＬ２が出力される。そして、第１スイッチング素子Ｑ１のスイッチングにより、インダクタＬに対して出力電流ＩＬ（ＩＬ＝ＩＬ１＋ＩＬ２）が連続的に流れる。

制御部２４では、光源１４に応じて予め設定されている最大デューティ比と、第１電流検出部２６の比較器２８の比較結果である変換回路２３の出力電流ＩＬのピーク電流と、に応じて、第１スイッチング素子Ｑ１のスイッチングのデューティ比を決定し、このデューティ比の第１ＰＷＭ信号Ｓ１を第１スイッチング素子Ｑ１に出力し、第２変換回路２２を波高値制御する。

さらに、制御部２４では、制御装置１１から入力される調光信号に応じて、第２ＰＷＭ信号Ｓ２のデューティ比を決定し、このデューティ比の第２ＰＷＭ信号Ｓ２を調光回路２５の第２スイッチング素子Ｑ２に出力する。調光回路２５では、第２スイッチング素子Ｑ２を第２ＰＷＭ信号Ｓ２に応じてスイッチングする。第２スイッチング素子Ｑ２のスイッチングによって第２変換回路２２の出力端間が短絡および開放されることで、制御装置１１から入力される調光信号に応じて光源１４に負荷電流Ｉが流れ、光源１４が設定された調光度で点灯する。

さらに、制御部２４では、電圧検出部３１の検出回路３０により変換回路２３の出力電圧を監視し、その出力電圧に応じて、変換回路２３の出力を低下または停止させる保護動作を実行する。

次に、制御部２４により、変換回路２３に接続された光源１４に応じて、第１スイッチング素子Ｑ１のスイッチングの最大デューティ比を設定する設定処理について、図２のフローチャートを参照して説明する。

この最大デューティ比の設定処理は、例えば工場出荷前の検査工程において、電源装置１６への最初の電源投入時に自動的に実行し、または電源装置１６への電源投入後に制御部２４に所定の信号が入力されることで実行する。

制御部２４は、変換回路２３の出力電流ＩＬの目標値を設定する（ステップＳ１）。この目標値は、波高値制御を実行する変換回路２３の出力電流のピーク電流の設定に応じて設定される。

制御部２４は、オンデューティの割合が最小または比較的少ないデューティ比で、変換回路２３の第１スイッチング素子Ｑ１のスイッチングを開始させる（ステップＳ２）。

このとき、調光回路２５の第２スイッチング素子Ｑ２はオフ状態に維持されるため、変換回路２３の出力電流ＩＬが全て光源１４に流れる。

変換回路２３から光源１４に流れる出力電流ＩＬを第２電流検出部２７で検出する（ステップＳ３）。

制御部２４は、第２電流検出部２７で検出される変換回路２３の出力電流ＩＬを取得し、変換回路２３の出力電流ＩＬの検出値と予め設定されている目標値とを比較し、一致するか判断する（ステップＳ４）。

制御部２４は、検出値が目標値と一致しないと判断すると、検出値が目標値と一致するように、オンデューティの割合をアップしたデューティ比に変更し（ステップＳ５）、このデューティ比で第１スイッチング素子Ｑ１をスイッチングさせる。

制御部２４は、検出値が目標値と一致したと判断すると、一致したデューティ比を、第１スイッチング素子Ｑ１のスイッチングの最大デューティ比に設定し、制御部２４の記憶部に記憶する（ステップＳ６）。

このように、電源装置１６では、光源１４に応じて予め設定されている最大デューティ比と、変換回路２３の出力電流ＩＬのピーク電流と、に応じて、第１スイッチング素子Ｑ１のスイッチングのデューティ比を決定し、波高値制御することにより、光源１４に応じた適切な波高値制御ができる。

さらに、電源装置１６では、変換回路２３に接続された光源１４に実際に電流を流し、光源１４の電圧特性に応じて、変換回路２３の第１スイッチング素子Ｑ１のスイッチングの最大デューティ比を設定することにより、異なる電圧特性の光源１４であっても、適切な波高値制御ができる。

光源１４であるＬＥＤは、チップ毎に電圧特性が異なり、さらに同じＬＥＤ品種でもチップ毎に電圧はばらつくため、モジュールにした際の電圧特性はばらばらになる。第２変換回路２２である降圧チョッパ回路においては、入力電圧と出力電圧（＝ＬＥＤ電圧）の比でスイッチングのデューティが決定されるため、ＬＥＤ電圧に合わせたデューティの決定が必要となる。特に固定周波数スイッチングによるピーク電流制御を行う回路においては、比較器２８であるコンパレータによるピーク電流の検出にノイズの影響でばらつきが出た際に、降圧チョッパ回路の出力電流の波形が乱れて、電流リップルが大きくなるなどの不具合が発生することがある。特にオンデューティが５０％を超える場合は、ピーク電流の検出のばらつきで本来のデューティより小さくなった場合に次の周期で補う動作となり、デューティが大きくなる周期と小さくなる周期が交互になるような動作になりやすい。ここで、図３に変換回路２３（降圧チョッパ回路）の出力電流の波形図に示し、実線で示す波形Ａは理想の出力電流波形であり、破線で示す波形Ｂは上述のようにピーク電流の検出にばらつきが出た場合の出力電流波形であり、一点鎖線で示す波形Ｃは本実施形態のようにＬＥＤに応じて最大デューティ比を設定して調整した場合の出力電流波形である。そのため、ＬＥＤに合わせた最大デューティを設定することで、波形が乱れるような場合にも、適切なデューティ範囲で動作させることで動作が安定し、電流リップルが大きくなるなどの不具合を抑制することが可能になる。

そして、フルカラーの照明装置１０の場合、光色毎に光源１４の電圧特性が異なっているが、光色毎の光源１４の電圧特性に応じて、変換回路２３の第１スイッチング素子Ｑ１のスイッチングの最大デューティ比を適切に設定できるため、各光色の光源１４毎に適切な波高値制御ができる。そのため、電源装置１６を各光色の光源１４に対して共通化することができる。

また、変換回路２３の出力電流のピーク電流を検出する第１電流検出部２６とは異なる第２電流検出部２７を備えるため、光源１４に流れる変換回路２３の出力電流ＩＬを第２電流検出部２７で検出でき、最大デューティ比を設定することが可能となる。

また、変換回路２３の出力電流ＩＬのピーク電流の設定は変更可能であるため、この設定の変更に応じて目標値を変更し、変更された目標値に応じた最大デューティ比を設定することにより、変換回路２３の出力電流ＩＬのピーク電流の設定の変更に対応して適切な波高値制御ができる。

なお、制御部２４では、光源１４に応じて最大デューティ比を予め設定し、記憶するのに代えて、光源１４の最大定格電圧を予め設定し、記憶していてもよい。

この場合、制御部２４は、予め設定されている光源１４の最大定格電圧に応じた第１スイッチング素子Ｑ１のスイッチングの最大デューティ比と、変換回路２３の出力電流のピーク電流と、に応じて、第１スイッチング素子Ｑ１のスイッチングのデューティ比を決定し、波高値制御する。このとき、変換回路２３の降圧チョッパ回路である第２変換回路２２に対する入力電圧と光源１４の最大定格電圧とから降圧率が求まるため、この降圧率に応じて第１スイッチング素子Ｑ１のスイッチングの最大デューティ比が求められる。

さらに、制御部２４は、光源１４の最大定格電圧の設定時に、変換回路２３の出力電流を検出し、変換回路２３の出力電流の検出値が予め設定されている目標値と一致するように第１スイッチング素子Ｑ１のスイッチングのデューティ比を変更し、変換回路２３の出力電流の検出値が目標値と一致する際の電圧検出部３１で検出される光源１４の電圧から、光源１４の最大定格電圧を設定する。

このように、光源１４の最大定格電圧を予め設定し、記憶した場合にも、異なる電圧特性の光源１４に対し、適切な波高値制御ができる。

また、最大デューティ比の記憶は、制御部２４の記憶部に記憶することに限らず、照明装置１０が制御装置１１に接続された際に、最大デューティ比の情報を制御装置１１に受け渡し、制御装置１１に記憶するようにしてもよい。この場合、照明装置１０の起動時に、制御装置１１から記憶されている最大デューティ比の情報を照明装置１０に送信すればよい。

また、電源装置１６は、波高値制御を実行する変換回路２３を備えていれば、調光回路２５を備えない構成でもよい。

また、変換回路２３に接続される負荷は、光源１４に限らず、変換回路２３の波高値制御によって変換される電力にて動作する負荷であればよい。

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
１４負荷である光源
１６電源装置
２３変換回路
２４制御部
２６第１電流検出部
２７第２電流検出部
３１電圧検出部
Ｑ１スイッチング素子である第１スイッチング素子

Claims

スイッチング素子を有し、前記スイッチング素子のスイッチングにより入力電力を変換し、負荷に供給する変換回路と；
前記負荷に応じて予め設定されている前記スイッチング素子のスイッチングの最大デューティ比と、前記変換回路の出力電流のピーク電流と、に応じて、前記スイッチング素子のスイッチングのデューティ比を決定し、波高値制御する制御部と；
を備え、
前記制御部は、前記変換回路の出力電流を検出し、前記変換回路の出力電流の検出値が予め設定されている目標値と一致するように前記スイッチング素子のスイッチングのデューティ比を変更し、前記変換回路の出力電流の検出値が前記目標値と一致する前記スイッチング素子のスイッチングのデューティ比から、前記最大デューティ比を設定する
ことを特徴とする電源装置。
前記変換回路の出力電流のピーク電流を検出する第１電流検出部と；
前記第１電流検出部とは異なり、前記変換回路の出力電流を検出する第２電流検出部と；
をさらに備え、
前記制御部は、
前記波高値制御時に、前記第１電流検出部で検出される前記変換回路の出力電流のピーク電流を取得して波高値制御し、
前記最大デューティ比の設定時に、前記第２電流検出部で検出される前記変換回路の出力電流を取得して前記最大デューティ比を設定する
ことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
前記制御部は、前記変換回路の出力電流のピーク電流の設定が変更可能とし、前記変換回路の出力電流のピーク電流の設定変更に応じて、前記目標値を変更し、変更された目標値に応じた前記最大デューティ比を設定する
ことを特徴とする請求項１または２記載の電源装置。
スイッチング素子を有し、前記スイッチング素子のスイッチングにより入力電力を変換し、負荷に供給する変換回路と；
予め設定されている前記負荷の最大定格電圧に応じた前記スイッチング素子のスイッチングの最大デューティ比と、前記変換回路の出力電流のピーク電流と、に応じて、前記スイッチング素子のスイッチングのデューティ比を決定し、波高値制御する制御部と；
を備えることを特徴とする電源装置。
前記負荷の電圧を検出する電圧検出部をさらに備え、
前記制御部は、前記変換回路の出力電流を検出し、前記変換回路の出力電流の検出値が予め設定されている目標値と一致するように前記スイッチング素子のスイッチングのデューティ比を変更し、前記変換回路の出力電流の検出値が前記目標値と一致する際の前記電圧検出部で検出される前記負荷の電圧から、前記負荷の最大定格電圧を設定する
ことを特徴とする請求項４記載の電源装置。
負荷である光源と；
請求項１ないし５いずれか一記載の電源装置と；
を備えることを特徴とする照明装置。