JP2015503193A - 高電圧ｌｅｄコンポーネントを含む固体照明装置のための駆動回路及び関連方法 - Google Patents

Abstract

固体照明装置のための駆動回路が、交流（ＡＣ）入力電圧信号を整流して整流入力信号を生成するように構成された全波整流器と、この整流入力信号を受け取り、これに応答して直流（ＤＣ）出力電圧信号を生成し、この出力電圧信号を固体光源に供給するように構成されたブースト変換回路と、ブースト変換回路に結合されて、ブースト変換回路を定電力モードで動作させるように構成されたブースト制御回路とを含む。【選択図】図１

Description

〔関連出願との相互参照〕
本出願は、２０１１年１１月２２日に出願された「高電圧ＬＥＤコンポーネントを含む固体照明装置のための駆動回路及び関連方法（ＤＲＩＶＩＮＧ ＣＩＲＣＵＩＴＳ ＦＯＲ ＳＯＬＩＤ−ＳＴＡＴＥ ＬＩＧＨＴＩＮＧ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＷＩＴＨ ＨＩＧＨ ＶＯＬＴＡＧＥ ＬＥＤ ＣＯＭＰＯＮＥＮＴＳ ＡＮＤ ＲＥＬＡＴＥＤ ＭＥＴＨＯＤＳ）」という名称の米国仮特許出願第６１／５６２，６１６号の利益及びこれに対する優先権を主張し、この仮特許出願の開示はその全体が引用により本明細書に組み入れられる。

本出願は、照明装置及び照明方法に関し、具体的には、固体照明装置のための駆動回路及び方法に関する。

数多くの照明用途に、固体照明アレイが使用されている。例えば、建築照明及び／又はアクセント照明における直接照明源として、例えば固体発光素子のアレイを含む固体照明パネルが使用されている。固体発光素子は、例えば１又はそれ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）を含むパッケージ化された発光素子を含むことができ、ＬＥＤは、ｐ−ｎ接合部を形成する半導体層を含むことができる無機ＬＥＤ、及び／又は有機発光層を含むことができる有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）を含むことができる。通常、固体発光素子は、発光層又は発光領域における電子キャリアすなわち電子と正孔との再結合を通じて光を生成する。固体発光素子は、例えば、１又はそれ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）を含むパッケージ化された発光素子を含むことができる。

Ｃｒｅｅ社は、照明にＬＥＤを使用するＬＲ−６及びＣＲ−６などの様々な凹型ダウンライトを製造している。固体照明パネルは、一般にポータブル電子装置で使用されるＬＣＤディスプレイ画面などの小型液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）画面、及びＬＣＤテレビディスプレイなどのさらに大型のディスプレイのバックライトとしても使用される。

米国仮特許出願第６１／５６２，６１６号明細書 米国特許出願公開第１３／２０７，２０４号明細書 米国特許出願公開第１３／１５２，７７２号明細書 米国特許第７，２１３，９４０号明細書 米国特許出願公開第２００８／０３０９２２５号明細書 米国特許出願公開第１３／１９０，０９４号明細書 米国特許出願公開第１３／４６２，３８８号明細書

固体照明源を提供する試みには、整流ＡＣ波形を用いてＬＥＤ、或いは一連の又は一群のＬＥＤを駆動するものがある。しかしながら、ＬＥＤは、オン作動のために最小限の順電圧しか必要としないので、整流ＡＣ波形の一部でしかオン作動しない場合があり、これにより目に見えるちらつきが生じ、システムの力率の好ましくない低下が生じ、及び／又はシステム内の抵抗損失が増加することがある。

また、ＡＣ駆動固体光源を提供する試みには、ＬＥＤの半分がＡＣ波形の各半周期で駆動されるようにＬＥＤを逆並列構成で配置したものもある。しかしながら、この方法では、同じ光束を生み出すために、整流ＡＣ信号を使用する場合の２倍の数のＬＥＤが必要になる。

いくつかの実施形態による固体照明装置のための駆動回路は、交流（ＡＣ）入力電圧信号を整流して整流入力信号を生成するように構成された全波整流器と、この整流入力信号を受け取り、これに応答して電力を送出し、直流（ＤＣ）出力電圧信号を生成し、この出力電圧信号を整流入力信号のピーク電圧よりも高い電圧で固体光源に供給するように構成されたブースト変換回路と、このブースト変換回路に結合されて、ブースト変換回路に、整流入力信号からほぼ一定の電力を引き込み、固体光源により定められる電圧レベルで固体光源に電力を転送させるように構成されたブースト制御回路とを含む。

ブースト制御回路は、ブースト変換回路の動作が出力電圧信号に応じて制御されないよう開ループ制御モードで動作するように構成することができる。

ブースト制御回路は、整流入力信号に応答してブースト変換回路を制御するための電流基準を生成するように構成することができる。

ブースト制御回路は、コンスタントオンタイム電流臨界モード及び／又はコンスタントオフタイム電流連続モードで動作するように構成することができる。

ブースト制御回路は、整流入力信号を受け取るように構成されたブーストインダクタと、このブーストインダクタに結合されたダイオードと、このダイオードに結合されたブーストコンデンサと、ブーストコンデンサ及びダイオードに結合されたスイッチとを含むことができる。スイッチの動作は、ブースト制御回路によって制御される。ブーストインダクタは補助巻線を含むことができ、ブースト制御回路は、このブーストインダクタの補助巻線に接続され、ブーストインダクタの補助巻線に生じる電圧に応答して電流基準を生成するように構成される。

ブースト制御回路は、ブーストインダクタの補助巻線以外のソースからバイアス電力を引き込むように構成することもできる。

ブースト変換回路は、整流入力信号を受け取るように構成されたブーストインダクタと、このブーストインダクタに結合されたダイオードと、このダイオードに結合されたブーストコンデンサと、ＭＯＳＦＥＴスイッチとを含むことができ、このＭＯＳＦＥＴスイッチは、ブーストインダクタ及びダイオードに結合されたドレイン端子と、ブースト制御回路に結合されたソース端子と、ブースト制御回路に結合されたゲート端子とを含むことができる。駆動回路は、ＭＯＳＦＥＴスイッチのドレイン端子からバイアス電力を引き込むように構成することができる。

いくつかの実施形態による固体照明装置は、固体発光素子を含む固体光源と、この固体光源に結合された駆動回路とを含む。駆動回路は、交流（ＡＣ）入力電圧信号を整流して整流入力信号を生成するように構成された全波整流器と、整流入力信号を受け取り、これに応答して直流（ＤＣ）出力電圧信号を生成するとともに、この出力電圧信号を固体光源に供給するように構成されたブースト変換回路と、このブースト変換回路に結合されて、ブースト変換回路が入力電圧信号のレベルの変動に関わらず固体光源に一定電力を供給しようと試みる定電力モードでブースト変換回路を動作させるように構成されたブースト制御回路とを含むことができる。

固体光源は、第１の色を有する光を発光するように構成された第１の発光ダイオードコンポーネントと、第１の色とは異なる第２の色を有する光を発光するように構成された第２の発光ダイオードコンポーネントとを含むことができる。第１及び第２の発光ダイオードコンポーネントはカレントミラー構成に接続される。

第１及び第２の発光ダイオードコンポーネントは、並列及び／又は直列に接続される。

固体光源は、カレントミラー構成で結合された第１のトランジスタ及び第２のトランジスタを含み、それぞれのトランジスタの基部接点は、第２の発光ダイオードのカソード及び第１のトランジスタのコレクタに結合された共通ノードに結合される。第２のトランジスタのコレクタは、第２の発光ダイオードコンポーネントのアノード及び第１の発光ダイオードコンポーネントのカソードに結合される。

固体光源は、カレントミラー構成で結合された第１のトランジスタ及び第２のトランジスタを備え、それぞれのトランジスタの基部接点は、共通ノード及び第２のトランジスタのコレクタに結合され、固体光源は、共通ノードに結合されたエミッタ及び第１のトランジスタのコレクタに結合された基部を有する第３のトランジスタをさらに含むことができる。第３のトランジスタのコレクタは、第２の発光ダイオードコンポーネントのアノード及び第１の発光ダイオードコンポーネントのカソードに結合され、第２の発光ダイオードコンポーネントのカソードは、第１のトランジスタのコレクタに結合される。

固体光源は、第１の色を有する光を発光するように構成されてカレントミラー構成に結合する複数の発光ダイオードを含むことができる。

いくつかの実施形態による、固体光源を作動させるための入力電圧信号を生成する方法は、交流入力電圧を整流して整流入力信号を形成するステップと、この整流入力信号をブーストし、整流入力信号を直流に変換して出力電圧信号を形成するステップと、この出力電圧信号を固体光源に供給するステップとを含む。整流入力信号をブーストするステップは定電力モードで行うことができる。

整流入力信号をブーストするステップは開ループ制御モードで行うことができる。

この方法は、整流入力信号に応答して、整流入力信号のブーストを制御するための電流基準を生成するステップをさらに含むことができる。

整流入力信号をブーストするステップは、コンスタントオンタイム電流臨界モードで動作するように構成されたブースト制御回路を用いて行うことができる。

整流入力信号をブーストするステップは、コンスタントオフタイム電流連続モードで動作するように構成されたブースト制御回路を用いて行うことができる。

いくつかの実施形態による、固体照明装置のための駆動回路は、ブーストインダクタと、このブーストインダクタに結合されたブーストダイオードと、このブーストダイオードに結合された出力コンデンサと、ブーストインダクタと接地との間に結合されたスイッチとを含む電圧ブースト回路と、出力コンデンサに結合されて、固体照明回路のアノード端子に接続するように構成された第１の出力端子と、固体照明回路のカソード端子に接続するように構成された第２の出力端子と、スイッチに結合されて、ブーストインダクタを流れるインダクタ電流と、固体照明回路を流れる負荷電流とに応答してスイッチの動作を制御するように構成されたコントローラとを含む。

コントローラは、ブーストインダクタを流れる電流が所定の閾値に達した時にトランジスタスイッチをオフにするように構成することができる。

駆動回路は、ブーストインダクタを流れる電流のゼロクロスを検出したことに応答してゼロクロス検出信号を生成するように構成されたゼロクロス検出回路をさらに含み、コントローラは、このゼロクロス検出信号に応答してトランジスタスイッチをオンにするように構成される。

コントローラは、ブーストインダクタを流れる電流を所定のレベルにクランプするように構成することができる。

コントローラは、ブーストインダクタを流れる電流を、入力電圧レベルの導通サイクルの少なくとも１０度にわたって、いくつかの実施形態では入力電圧レベルの導通サイクルの少なくとも２０度にわたって、いくつかの実施形態では入力電圧レベルの導通サイクルの少なくとも３０度にわたって入力電圧信号のピーク付近にクランプするように構成することができる。

駆動回路は、第１の出力端子に結合されて、入力電圧の損失に応答して出力コンデンサの電圧を放電するように構成された放電回路をさらに含むことができる。

本発明主題をさらに理解できるように含められ、本出願に組み込まれてその一部を構成する添付図面により、本発明主題のいくつかの実施形態を示す。

ＡＣ駆動照明装置のトライアックベースの位相カット調光を示す図である。 いくつかの実施形態による固体照明装置を示すブロック図である。 いくつかの実施形態による固体照明装置を示すブロック図である。 いくつかの実施形態による固体照明装置を示す回路図である。 いくつかの実施形態による、固体照明装置のための駆動回路におけるインダクタ電流を示す図である。 いくつかの実施形態による、固体照明装置のための駆動回路におけるインダクタ電流を示す図である。 さらなる実施形態による固体照明装置を示す回路図である。 さらなる実施形態による、固体照明装置のための駆動回路におけるインダクタ電流を示す図である。 さらなる実施形態による、固体照明装置のための駆動回路におけるインダクタ電流を示す図である。 様々な実施形態による、固体照明装置のためのカレントミラー回路を示す図である。 様々な実施形態による、固体照明装置のためのカレントミラー回路を示す図である。 様々な実施形態による、固体照明装置のためのカレントミラー回路を示す図である。 さらなる実施形態による固体照明装置を示す回路図である。 いくつかの実施形態による、固体照明装置のための駆動回路におけるインダクタ電流のクランピングを示す図である。 いくつかの実施形態による、固体照明装置のための駆動回路におけるインダクタ電流のクランピングを示す図である。 様々な実施形態による、固体照明装置の調光曲線に対する成分変動の影響を示す図である。

以下、本発明の主題の実施形態を示す添付図面を参照しながら本発明主題の実施形態をより完全に説明する。しかしながら、本発明主題は多くの異なる形で具体化することができ、本明細書に示す実施形態に限定されると解釈すべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示を徹底的かつ完全なものとし、当業者に本発明主題の範囲を十分に伝えるように提供するものである。全体を通じて同じ数字は同様の要素を示す。

本明細書では、様々な要素を記述するために「第１の」、「第２の」などの用語を使用することがあるが、これらの用語によってこれらの要素を限定すべきではでないと理解されたい。これらの用語は、ある要素を別の要素と区別するために使用するものにすぎない。例えば、本発明の範囲から逸脱することなく、第１の要素を第２の要素と呼ぶことができ、同様に第２の要素を第１の要素と呼ぶことができる。本明細書で使用する「及び／又は（ａｎｄ／ｏｒ）」という用語は、関連する列挙した項目の１つ又はそれ以上のありとあらゆる組み合わせを含む。

ある要素が別の要素に「接続（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」されている、又は「結合（ｃｏｕｐｌｅｄ）」されていると言う場合、この要素は別の要素に直接接続又は結合することも、或いは介在要素が存在することもあると理解されたい。一方、ある要素が別の要素に「直接接続（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」されている、又は「直接結合（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ）」されていると言う場合、介在要素は存在しない。

ある要素又は層が別の要素又は層「上（ｏｎ）」に存在すると言う場合、この要素又は層は、別の要素又は層上に直接存在することも、或いは介在要素又は層が存在することもあると理解されたい。一方、ある要素又は層が、別の要素又は層「上に直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｏｎ）」存在すると言う場合、介在要素又は層は存在しない。本明細書で使用する「及び／又は（ａｎｄ／ｏｒ）」という用語は、関連する列挙した項目の１つ又はそれ以上のありとあらゆる組み合わせを含む。

本明細書では、説明を簡単にするために、「下方の（ｂｅｌｏｗ）」、「真下の（ｂｅｎｅａｔｈ）」、「下側の（ｌｏｗｅｒ）」、「上方の（ａｂｏｖｅ）」、「上側の（ｕｐｐｅｒ）」などの空間的相対語を使用して、図に示す１つの要素又は特徴と別の（単複の）要素又は特徴との関係を説明することがある。これらの空間的相対語は、図に示す方向に加え、使用中又は動作中のデバイスの異なる方向も含むことを意図するものであると理解されたい。

本明細書では、本発明主題の理想的な実施形態の概略図である平面図及び斜視図を参照しながら本発明主題の実施形態を説明する。従って、例えば製造法及び／又は製造公差の結果、図示する形状との違いが生じることが予想される。従って、本発明主題は、本明細書に示す対象の特定の形状に限定されるものではなく、例えば製造に起因する形状の偏差も含むと解釈されたい。従って、図に示す対象は本来概略的なものであり、これらの形状は、デバイス領域の実際の形状を示すこと、及び本発明主題の範囲を限定することを意図するものではない。

本明細書で使用する専門用語は、特定の実施形態を説明するためのものにすぎず、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書で使用する単数形の英文不定冠詞「ａ、ａｎ」及び英文不定冠詞「ｔｈｅ」は、文脈においてそうでないと明確に示さない限り、複数形を含むことも意図するものである。本明細書において、「備える・含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ、ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ、ｉｎｃｌｕｄｅｓ及び／又はｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語を使用する場合、これらの用語は、記述する特徴、整数、ステップ、動作、要素及び／又はコンポーネントの存在を特定するものであるが、１又はそれ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、コンポーネント及び／又はこれらの群の存在又は追加を除外するものではないとさらに理解されたい。

特に明記しない限り、本明細書で使用する（技術用語及び科学用語を含む）全ての用語は、本発明主題が属する分野の当業者が一般に理解する意味と同じ意味を有する。本明細書で使用する用語は、本明細書及び関連技術の文脈におけるこれらの意味と一致する意味を有すると解釈すべきであり、本明細書で明確に定義していない限り、理想的な又は過度に形式的な意味で解釈されるものではないとさらに理解されたい。本明細書で使用する「複数（ｐｌｕｒａｌｔｙ）」という用語は、参照する項目の２つ又はそれ以上を示すものである。

本明細書で使用する「照明装置」という表現は、デバイスに発光能力があることを示す場合を除き限定的なものではない。すなわち、照明装置は、例えば、構造物、スイミングプール又はスパ、部屋、倉庫、表示、道路、駐車場、車両、道路標識などの看板、広告板、船、玩具、鏡、大型船舶、電子装置、ボート、航空機、スタジアム、コンピュータ、リモートオーディオ装置、リモートビデオ装置、携帯電話機、樹木、窓、ＬＣＤディスプレイ、洞窟、トンネル、囲い地、街灯柱などの、ある領域又は体積を照明するデバイス、或いはエンクロージャを照明するデバイス又はデバイスのアレイ、或いはエッジ照明又は背面照明（バックライトポスター、バックライト表記、バックライト型ＬＣＤディスプレイなど）、（ＡＣ白熱灯、低電圧照明、蛍光灯などを交換するための）交換電球、屋外照明に使用するライト、保安灯に使用するライト、屋外住宅照明（壁取り付け型、柱／支柱取り付け型）、天井器具／壁面用燭台、アンダーキャビネット照明、ランプ（床及び／又はテーブル及び／又は机）、景観照明、トラック照明、業務用照明、特殊照明、天井ファン照明、アーカイブ／アートディスプレイ照明、高振動／強衝撃照明、作業灯などに使用するライト、鏡／化粧テーブル照明に用いられるデバイス、或いはその他の発光素子とすることができる。

発光ダイオードのアレイをＡＣ電源から駆動する回路では、回路の力率をできるだけ１の近くに維持することが望ましい。ＡＣ電力システムの力率は、回路内の皮相電力に対する負荷に流れる実電力（ｒｅａｌ ｐｏｗｅｒ）の比として定義され、０〜１の数として、又は０％〜１００％のパーセンテージとして表現できる無次元量である。整流器を含む負荷などの非線形負荷は、電源から得られる電流の波形をゆがめる。これにより、回路内を流れる皮相電力が負荷に送達される実電力よりも大きくなって回路の力率が低下する。

力率の低い回路は、同じ量の有効電力（ｕｓｅｆｕｌ ｐｏｗｅｒ）が負荷に移動する場合、力率の高い回路よりも多くの電流を引き込む。電気回路におけるエネルギー損失はＩ²Ｒに比例する。従って、低力率に起因する電流の増加により、回路内の電力損失の大きく望ましくない増加が生じ得る。

回路の力率を高めるには、能動的又は受動的力率補正を使用することができる。能動的力率補正回路、すなわち能動的ＰＦＣは、負荷が引き込む電力量をできるだけ１に近い力率が得られるように制御する電気回路である。ほとんどの用途では、能動的ＰＦＣが、負荷の入力電流を、電流波形が主電圧波形と同相になるように制御する。力率をできるだけ１に近くする目的は、力率を補正された負荷回路が純抵抗に見えるようにすることである。これにより、電圧供給ラインから負荷への最も効率的な電力送出が可能になる。

スイッチモードの電力供給装置の場合、能動的力率補正にブーストコンバータを使用することができる。ブーストコンバータは、ＡＣライン電圧と常に同相かつ同じ周波数の電流を引き込みながら出力時に一定のＤＣバス電圧を維持することにより高力率を維持しようと試みる。

いくつかの実施形態では、高電圧ＬＥＤを含む固体照明装置のための駆動回路を提供する。この駆動回路は、定電力モードで動作する力率補正（ＰＦＣ）ブーストコンバータを含むことができる。定電力モードでは、ブースト変換回路が整流入力信号を受け取り、整流入力信号のピーク電圧よりも高い電圧で固体光源に電力を供給する。ブースト変換回路に結合されたブースト制御回路が、ブースト変換回路に整流入力信号からほぼ一定の電力を引き込ませ、この電力を固体照明装置により定められる電圧で固体照明装置に伝送させる。

ＬＥＤ同調及び補償回路／方法を含めることもできる。いくつかの実施形態による駆動回路は、低コスト、高効率であるとともに、位相カット調光回路によって自然に（追加回路を伴わずに）非常に良好に機能するソリューションを提供することができる。

元来、位相カット調光回路は、従来の白熱照明器具と共に使用するように設計されたものである。位相カット調光では、線間電圧のリーディングエッジ又はトレーリングエッジを操作して、光に供給される二乗平均平方根（ＲＭＳ）電圧を低下させる。白熱灯と共に使用する場合、このＲＭＳ電圧の低下によって対応する電流が低下し、従って電力消費量及び光出力が低下する。ＲＭＳ電圧が低下すると、白熱灯からの光出力も低下する。

トライアックを含む位相カット調光器を通過した整流入力ＡＣ波形のグラフである図１に位相カット調光を示す。トライアックは、整流入力波形の１８０°の半サイクルにわたり、サイクルの一部にわたってのみアクティブ（オン）になるように制御される。例えば、図１のグラフでは、１８０°の半サイクルのうちの１２０°にわたってトライアックがオンになっている。半サイクルの最初の６０°では、入力電圧信号がゼロボルトにクランプされる。半サイクルの最後の１２０°では、入力電圧が整流入力電圧信号に従う。トライアックがオンである時間の長さを制御することにより、光源に供給されるＲＭＳ電圧を制御することができる。

位相カット調光を利用する場合、結果として得られる整流波形のデューティサイクルが変化する。このデューティサイクルの変化が十分に大きい場合、白熱灯からの光出力の低下として目に見える。白熱灯のフィラメントはある程度の熱慣性を有し、フィラメントを電流が流れない「オフ」時間中にも発光を行うのに十分な温度に保たれるので、「オフ」時間によって白熱灯のちらつきが生じる可能性はない。

近年、一般照明用の光を提供する固体照明システムが開発されてきた。これらの固体照明システムは、ＡＣライン電圧を受け取って固体発光体を駆動するのに適した電圧及び／又は電流に変換する、電力供給装置に結合された発光ダイオード又はその他の固体光源を利用する。発光ダイオード光源のための典型的な電力供給装置としては、線形電流調整供給装置、及び／又はパルス幅変調電流及び／又は電圧調整供給装置が挙げられる。

固体照明装置のための電力コンバータが、２０１１年８月１０日に出願された「スイッチと直列の負荷を用いたバイアス電圧生成（Ｂｉａｓ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ Ａ Ｌｏａｄ Ｉｎ Ｓｅｒｉｅｓ Ｗｉｔｈ Ａ Ｓｗｉｔｃｈ）」という名称の、同一出願人による米国特許出願第１３／２０７，２０４号に開示されており、この特許出願の開示は引用により本明細書に組み入れられる。

温度補償回路を備えた固体照明デバイスが、２０１１年６月３日に出願された「個別補償マルチカラークラスタを備えた照明デバイス（Ｌｉｇｈｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｗｉｔｈ Ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｌｙ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ Ｍｕｌｔｉ−Ｃｏｌｏｒ Ｃｌｕｓｔｅｒｓ）」という名称の、同一出願人による米国特許出願第１３／１５２，７７２号に開示されており、この特許出願の開示は引用により本明細書に組み入れられる。

固体光源の一般的な照明用途では、既存の調光技術と互換性があることが１つの望ましい特性とされる。具体的には、固体照明のための電力供給装置では、線間電圧のデューティサイクルの変化に基づく調光がいくつかの課題を提示することがある。ＬＥＤは、白熱灯とは異なり、一般に電流の変化に対する応答時間が非常に速い。このＬＥＤの迅速な応答が従来の調光回路と組み合わさると、ＬＥＤの駆動が困難になることがある。しかしながら、いくつかの実施形態による回路は、位相カット調光と併せても良好に機能することができる。

図２、図３及び図４を参照すると、いくつかの実施形態による固体照明装置１００を示している。固体照明装置１００は、交流（ＡＣ）電圧信号Ｖａｃにより作動することができる。ＡＣ電圧信号Ｖａｃは、固体照明装置１００に供給される位相カットＡＣ信号Ｖａｃ’を生成する位相カット調光器５０などの調光器を通過することができる。従って、固体照明装置に入力される信号は、純正弦波、位相カット正弦波又は他のなんらかのＡＣ波形を含むことができる。

図３を参照すると、固体照明装置１００が、ＡＣ信号Ｖａｃ'を受け取るように構成された整流器１１０を含む。図３に示すように、整流器１１０は、全波ブリッジ整流器とすることができる。全波整流ＡＣ電圧信号とすることができる整流器１１０の出力は、ブースト制御回路１１６によって制御されるスイッチモードブースト回路１２０に供給される。任意に、整流器１１０とブースト回路１２０の間に電磁干渉（ＥＭＩ）フィルタ１１２を設けることもできる。スイッチモードブースト回路１２０は、この整流ＡＣ信号に応答して、光源１３０に供給されるＤＣ電圧を生成する。

図４を参照して分かるように、ＥＭＩフィルタ１１２は、スイッチモードブースト回路１２０への入力部に設けられた直列インダクタＬＦ及び分路コンデンサＣＦを含むことができる。ＥＭＩフィルタ１１２は、整流線間電圧からの電磁干渉を濾波するローパスフィルタである。

特定の実施形態では、スイッチモードブースト回路１２０が、ブーストインダクタＬＩと、スイッチＱ１と、ブーストダイオードＤ１と、ブースト又は出力コンデンサＣ１とを含む。スイッチＱ１は、ＭＯＳＦＥＴスイッチとすることができる。ブーストインダクタＬ１は、一次巻線と補助巻線とを有する変圧器を含むことができる。ブーストインダクタＬ１の一次巻線は、一端がスイッチモードブースト回路１２０の入力に結合され、他端がブーストダイオードＤ１のアノード及びスイッチＱ１のドレインに結合される。

スイッチモードブースト回路１２０の動作は、ブースト制御回路１１６により生成されるスイッチ信号ＳＷによって制御される。ブースト制御回路１１０は、スイッチＱ１のゲート、ドレイン及びソースに結合される。また、ブースト制御回路１１６は、ブーストインダクタＬ１の補助巻線にも結合される。しかしながら、ブースト制御回路１１６は、ブーストインダクタＬ１の補助巻線からバイアス又はハウスキーピング電力を引き込まなくてもよい。

１つの実施形態では、例えば、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製のＬＥＤ照明用ＴＰＳ９２２１０単一段ＰＦＣドライバコントローラを用いて実装できるブースト制御回路１１６を、コンスタントオンタイム電流臨界モードで構成することができる。図５Ａ及び図５Ｂは、制御信号ＳＷに応答してブーストインダクタＬ１を通過するインダクタ電流ｉＬのグラフである。図４及び図５Ａを参照して分かるように、スイッチＱ１が一定時間（Ｔｏｎ）にわたってオンになると、インダクタＬ１内の電流ｉＬが、入力電圧レベルによって決まるピーク値まで上昇する。スイッチＱ１がオフになると、インダクタ電流がゼロに下降する一方で、Ｄ１を通じて出力コンデンサに電流が供給される。コントローラ１１６は、電流がゼロになる時点を検出して、再びＱ１をオンにし始める。スイッチング期間におけるピーク入力電流はＶｉｎ＊Ｔｏｎ／Ｌ１により与えられ、これはＶｉｎに比例する。図５Ｂに示すように、スイッチング周波数はライン期間にわたって変化するが、平均入力電流ｉＬ，ＡＶＧはほぼ正弦波を保つことができ、１に近い力率を達成することができる。

図６に示す別の実施形態では、ＳＴＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ社製のＬ６５６２ＰＦＣコントローラなどのブーストコントローラをコンスタントオフタイム電流連続モードで使用して、ブースト制御回路１１６を実現することができる。このモードでは、スイッチ電流の電流基準が、ライン１１７を介して入力波形から得られる。図７Ａに示すように、スイッチＱ１は、一定オフ時間を伴って動作する。図７Ａに示すように、インダクタ電流ｉＬは、スイッチＱ１がオンの間に増加し、一定オフ時間Ｔｏｆｆ中に減少する。図７Ｂは、平均インダクタ電流ｉＬが、入力波形から得られる基準電圧の形状に従うことを示すものである。

別の実施形態では、平均インダクタ電流が、（ブースト制御回路１１６に含めることができる）電流検知抵抗器によって検知され、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ製のＩＲＦ１１５５ＳなどのコントローラＩＣによって正弦波入力電圧に従うように制御される。これらのコントローラは、開ループで動作させてオンタイム又はエラーアンプ出力などのコントローラ基準を電力決定値に固定することにより、全て定電力モードで動作することができる。出力に伝送される電力は負荷ＬＥＤに放出され、これらの負荷ＬＥＤが出力電圧を定め、そうすることで出力電流を定める。

再び図４の実施形態を参照すると、Ｌ１の補助巻線からブースト制御回路１１６への接続を示しているが、いくつかの実施形態によるＬＥＤ駆動回路のための力率補償（ＰＦＣ）ブーストコンバータは、ブーストコンバータの補助巻線からバイアス又はハウスキーピング電力を引き込まなくてもよい。むしろ、いくつかの実施形態では、ブースト制御回路１１６が、ＬＥＤストリングの底部から、又はスイッチのドレインノードから補助電力を引き込むことができる。さらに、いくつかの実施形態によるＬＥＤドライバのためのブーストコンバータは、コンバータを制御するためにＬＥＤ電圧（Ｖｏｕｔ）からのフィードバックを使用しなくてもよい。

ブースト回路１２０は、基本コンポーネントを用いて入力電圧を高め、これにより回路のコストを低く保つ。さらに、追加の制御回路を最小限に抑え、ＥＭＩフィルタ１１２を小型にすることができる。

ブースト回路１２０は、出力電圧を高レベル（例えば１７０Ｖ又はそれ以上）に高めることにより高効率を実現することができる。これにより負荷電流及び回路ＲＭＳ電流を小さく保つことができ、これにより結果として生じるＩ²Ｒ損失が減少する。典型的なフライバック又はバックトポロジーの７８〜８８％の効率に比べ、９３％の効率を達成することができる。

引き続き図４を参照すると、光源１３０は、第１の高電圧ＬＥＤコンポーネント１４２と第２の高電圧ＬＥＤコンポーネント１４４とを含む高電圧ＬＥＤコンポーネントの対を含む。第１の高電圧ＬＥＤコンポーネント１４２は、入力電流に応答して青色寄りの黄色（ＢＳＹ）光を生成する、直列構成、並列構成、又は直列／並列構成で結合された複数のＬＥＤを含むことができる。ＢＳＹエミッタは、例えば、同一出願人による米国特許第７，２１３，９４０号及び米国特許出願公開第２００８／０３０９２２５号に記載されており、これらの開示は引用により本明細書に組み入れられる。

第２の高電圧ＬＥＤコンポーネント１４４は、入力電流に応答して赤色光を生成する、直列構成、並列構成、又は直列／並列構成で結合された複数のＬＥＤを含むことができる。一般に、第２の高電圧ＬＥＤコンポーネント１４４により生成される赤色光は、約６００ｎｍ〜約６３０ｎｍの主波長を有することができる。第１の高電圧ＬＥＤコンポーネント１４２からのＢＳＹ光を、第２の高電圧ＬＥＤコンポーネント１４４からの赤色光と組み合わせた場合、高演色性の白熱光源に似た色相を有する白色光又は近白色光を生成することができる。第１及び第２の高電圧ＬＥＤコンポーネント１４２、１４４によって出力される組み合わせ光の実際の色は、第１及び第２の高電圧ＬＥＤコンポーネント１４２、１４４により発光される光の相対的強度に依存する。従って、固体照明装置１００により発光される光の色は、それぞれの高電圧ＬＥＤコンポーネント１４２、１４４を流れる電流の相対的レベルを調整することにより調整することができる。

高電圧ＬＥＤコンポーネント１４２、１４４は、２０Ｖ以上の公称電圧を有するように規定できる多接合モノリシックＬＥＤ又はマルチチップコンポーネントを含むことができる。多接合モノリシックＬＥＤは、例えば、同一出願人による２０１１年７月２５日に出願された「高電圧低電流表面発光型発光ダイオード（Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｌｏｗ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）」という名称の米国特許出願第１３／１９０，０９４号（代理人整理番号５３０８‐１０４３ＩＰ３）に記載されており、この特許出願の開示は引用により本明細書に組み入れられる。マルチチップＬＥＤの例としては、ノースカロライナ州ダーラムのＣｒｅｅ社製の４６Ｖ、２２ｍＡ Ｃｒｅｅ ＸＴ‐Ｅ ＨＶ ＬＥＤがある。マルチチップコンポーネントの例としては、ノースカロライナ州ダーラムのＣｒｅｅ社製のマルチチップＣＸＡパッケージがある。高電圧ＬＥＤを有することにより、１７０Ｖ以上の（すなわちブーストコンバータの最大入力電圧よりも高い）順方向定格電圧を有するストリング構成を構築することが容易になり費用対効果も高くなる。

引き続き図４を参照すると、光源１３０は、第１の高電圧ＬＥＤコンポーネント１４２と第２の高電圧ＬＥＤコンポーネント１４４との間の電流の比率を設定及び／又は調整できるカレントミラー１５０を含む。すなわち、光源１３０は、ＢＳＹ ＬＥＤ及び赤色ＬＥＤを流れる電流の相対的レベルを調整することができ、これにより両コンポーネントにより発光される組み合わせ光の色相を変化させる。

通常、ブーストコンバータ１２０は、１２０Ｖ ＡＣ、６０Ｈｚ（１６９Ｖピーク）の入力から動作し、これを約２００ＶのＤＣ出力に変換する。様々な回路パラメータ及び制御方法に基づいて適正範囲（１７０Ｖ〜４５０Ｖ）内の様々な出力電圧を達成しながら、適正な性能を維持することができる。（ヨーロッパで慣習的な）２３０ＶのＡＣ入力を使用する場合、出力は３５０Ｖ ＤＣ又はそれ以上になり得る。

１つの実施形態では、ブーストコンバータが、ＬＥＤ電圧によって出力ＬＥＤ電流が決まる定電力モードで駆動される。定電力モードでは、ブースト制御回路が、入力電圧の変化に応答して、動作電力が一定を保つように制御基準を調整しようと試みることができる。例えば、いくつかの実施形態では、ブーストコンバータを、公称電圧レベルから最大１０％の入力電圧変動の存在下でＬＥＤ負荷にほぼ一定の電力を供給するように構成することができる。いくつかの実施形態では、ブーストコンバータが、公称電圧レベルから最大５％の入力電圧変動の存在下で、また場合によっては公称電圧レベルから最大５％の入力電圧変動の存在下で所望の電力レベルの１０％内の電力レベルを供給することができる。

定電力モードで動作する場合、力率補正ブースト電圧供給は、ほぼＡＣ供給ライン又は位相カット調光器への白熱灯／抵抗負荷として現れる。抵抗負荷の場合、入力電流は入力電圧と同じ形状を有し、力率は１になる。定電力モードでは、ブーストコンバータ回路１２０及び光源１３０は、入力において約１４４０オームの等価抵抗を示すことができ、すなわち１２０Ｖ ＡＣの入力から１０Ｗの電力が引き込まれる。入力電圧が１０８Ｖ ＡＣに低下すると、電力は約８．１Ｗに低下する。（位相カット調光器などにより）入力ライン上のＡＣ電圧信号がチョッピングされると、これに比例して電力スループットが低下し、結果として得られる光源１３０による光出力は自然に調光される。自然調光とは、追加の調光回路を必要としない方法のことを意味する。他の調光方法では、チョッピングされた整流ＡＣ波形を検知し、位相カット情報をＬＥＤ電流基準に、又はＬＥＤを調光するためのＰＷＭデューティサイクルに変換する必要がある。この追加回路により、システムにコストが加わる。

いくつかの実施形態によるブーストコンバータ回路１２０は、ＬＥＤ電流又はＬＥＤ電圧をフィードバックループで調整しない。すなわち、このブーストコンバータは、コンバータを制御するためにＬＥＤ電圧（ＶＯＵＴ）からのフィードバックを使用しなくてもよい。しかしながら、これらの入力は、いずれも過電圧保護又は過電流保護などの保護に使用することができる。ブーストコンバータは開ループで動作するので、抵抗入力として現れる。ＰＷＭコントローラがその出力電圧又は出力電流を制御する場合、及び入力電圧が調光器によってチョッピングされる場合、ブーストコンバータは依然として出力を一定値に制御しようと試み、この過程において入力電流を増加させる。

固体照明装置１００は、従来の器具に比べて非常に高いＬＥＤストリング電圧を使用する。いくつかの実施形態では、光源１３０における（単複の）ＬＥＤストリングの順電圧を少なくとも１７０Ｖとすることができる。いくつかの実施形態では、光源１３０における（単複の）ＬＥＤストリングの順電圧を約１７０Ｖ〜約４５０Ｖ、又は約１８０Ｖ〜約２４０Ｖとすることができる。特定の実施形態では、順電圧を約２００Ｖとすることができ、いくつかの実施形態では、光源１３０における（単複の）ＬＥＤストリングの順電圧を、４５０Ｖほど又はそれより高くすることもできる。

カレントミラー１５０は、多くの異なる構成を有することができる。例えば、図４を参照すると、カレントミラー１５０は、第１及び第２のトランジスタＱＡ、ＱＢと、第１及び第２の抵抗器ＲＡ、ＲＢとを含むことができる。トランジスタＱＡ、ＱＢとしては、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタを挙げることができる。トランジスタＱＡ、ＱＢの基部は、互いに、及び第１の高電圧ＬＥＤコンポーネント１４２のカソードに結合することができる。トランジスタＱＡ、ＱＢのコレクタは、第１及び第２の高電圧ＬＥＤコンポーネント１４２、１４４のそれぞれのカソードに結合することができ、トランジスタＱＡ、ＱＢのエミッタは、それぞれの抵抗器ＲＡ、ＲＢに結合することができる。

この構成では、光源１３０に入る電流が、ＲＡ及びＲＢのカレントミラー値に基づいて、２つの高電圧ＬＥＤコンポーネント間で分割される。ＲＡ及びＲＢは、単一の抵抗器及び／又は複数の抵抗器の組み合わせを含むことができる。ＲＡ及び／又はＲＢは、第１及び第２の高電圧ＬＥＤコンポーネント１４２、１４４間の電流分配を温度に基づいて変化させる、負温度係数（ＮＴＣ）サーミスタ及び／又は正温度係数（ＰＴＣ）サーミスタなどの補償抵抗器を含むことができる。抵抗器ＲＡ、ＲＢは、色点を設定するようにレーザートリミングすることができる。

図４に示すカレントミラー１５０は、同一又は同様の機能を実行するように構成されたデジタル的にアドレス指定可能なＡＳＩＣに置き換えることができると理解されたい。

図８Ａを参照すると、異なる光源１３０Ｂ及びカレントミラー構成１５０を示している。図８Ａに示すように、第１及び第２の高電圧ＬＥＤコンポーネント１４２、１４４は、単一のストリングの形で直列に接続され、第１の高電圧ＬＥＤコンポーネント１４２のカソードは第２の高電圧ＬＥＤコンポーネント１４４のアノードに結合される（ただし、高電圧ＬＥＤコンポーネント１４２、１４４の順番は逆にすることもできると理解されたい）。

引き続き図８Ａを参照すると、カレントミラー１５０Ｂは、第１及び第２のトランジスタＱＡ１、ＱＢ１と、第１及び第２の抵抗器ＲＡ１、ＲＢ１とを含むことができる。トランジスタＱＡ、ＱＢ１としては、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタを挙げることができる。トランジスタＱＡ１、ＱＢ１の基部は、互いに、及び第２の高電圧ＬＥＤコンポーネント１４４のカソードに結合することができる。トランジスタＱＡ１、ＱＢ１のコレクタは、第１及び第２の高電圧ＬＥＤコンポーネント１４２、１４４のそれぞれのカソードに結合することができ、トランジスタＱＡ１、ＱＢ１のエミッタは、それぞれの抵抗器ＲＡ１、ＲＢ１に結合することができる。

第１及び第２の高電圧ＬＥＤコンポーネント１４２、１４４は、単一のストリングを形成するように接続されるが、ストリングを通過する一部の電流は、抵抗器ＲＡ１とＲＢ１の相対的抵抗値に依存してＱＡ１から離れる。ＲＡ１とＲＢ１の相対値は、所望の色点及び／又は動作温度に依存することができる。ストリングから電流が離れる際にはＱＢ１内に電力損失が生じるが、この単一ストリング構成では、所望の順方向動作電圧に達するのに必要なＬＥＤの数が減少する。図４に示す構成は、光出力が低い製品に特に適することができる。

光源１３０Ｃ及びカレントミラー１５０Ｃを含む第３の構成を図８Ｂに示す。具体的には、図８Ｂに示す構成はウィルソンカレントミラーを使用する。

カレントミラー１５０Ｃは、第１、第２及び第３のトランジスタＱＡ２、ＱＢ２及びＱＢ３と、第１及び第２の抵抗器ＲＡ２、ＲＢ２とを含む。トランジスタＱＡ２、ＱＢ２及びＱＢ３としては、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタを挙げることができる。トランジスタＱＡ２、ＱＢ２の基部は、互いに、及びトランジスタＱＢ３のエミッタに結合される。トランジスタＱＡ２、ＱＢ３のコレクタは、第１及び第２の高電圧ＬＥＤコンポーネント１４２、１４４のそれぞれのカソードに結合することができる。トランジスタＱＢ２のコレクタは、トランジスタＱＢ３のエミッタに結合される。トランジスタＱＡ２、ＱＢ２のエミッタは、それぞれの抵抗器ＲＡ１、ＲＢ１に結合される。第１及び第２の高電圧ＬＥＤコンポーネントには、ツェナーダイオードＤＺ３が直列に結合される。

トランジスタＱＡ２及びＱＢ２は、非常に安定することができる。直列ストリングから電流が離れると、トランジスタＱＢ３において損失が散逸される。ＱＢ３は、コレクタと直列にツェナーダイオード又は抵抗器（図示せず）をさらに有して電力損失を共有することもできる。

電力を消費するものの、ストリングに電圧を加えるために使用されるツェナーダイオードＤＺ３が設けられる。１つの実施形態では、（ＢＳＹ ＬＥＤを含む）第１の高電圧ＬＥＤコンポーネントの電圧を約１２０Ｖとすることができ、（赤色ＬＥＤを含む）第２の高電圧ＬＥＤコンポーネントの電圧を約６４Ｖとすることができ、ツェナーダイオードＤＺ３の電圧を約２７Ｖとすることができる。

いくつかの実施形態で使用される高電圧ＬＥＤコンポーネントは、１つのＬＥＤコンポーネントパッケージとして作製することができる。

いくつかの実施形態では、ＢＳＹ及び／又は赤色ＬＥＤを含むことができる第１の高電圧ＬＥＤコンポーネント１４２Ａの実施形態を示す図８Ｃに示すように、複数の高電圧ＬＥＤコンポーネントを並列に接続し、これらの電流をカレントミラーと共有することができる。高電圧ＬＥＤコンポーネント１４２Ａは、トランジスタＱ２１、Ｑ２２及びＱ２３と抵抗器Ｒ２１、Ｒ２２及びＲ２３とを含むカレントミラーに並列に接続された第１〜第３の高電圧ＬＥＤコンポーネント１５２Ａ、１５２Ｂ及び１５２Ｃを含む。高電圧ＬＥＤコンポーネント１４２Ａは、通常通りにブーストコンバータ２０の出力に接続することができる。Ｒ２１＝Ｒ２２＝Ｒ２３である場合、電流は３つのコンポーネント全てに等しく分割される。

いくつかの実施形態によるオフラインブーストコンバータは、高電圧ＬＥＤストリングを駆動する場合、定電力モードで駆動されてＡＣ供給ラインに対しほぼ一定の負荷抵抗を示す。具体的には、ＬＥＤストリングの電圧を、約１７０Ｖ〜約２４０Ｖとすることができる。

いくつかの実施形態では、ＬＥＤ駆動回路のための力率補償（ＰＦＣ）ブーストコンバータが、ブーストコンバータの補助巻線からバイアス又はハウスキーピング電力を引き込まない。むしろ、このＰＦＣブーストコンバータは、ＬＥＤストリングの底部から、又はスイッチのドレインノードから補助電力を引き込むことができる。さらに、いくつかの実施形態によるＬＥＤドライバのためのＰＦＣブーストコンバータは、このコンバータを制御するためにＬＥＤ電圧（ＶＯＵＴ）からのフィードバックを使用しなくてもよい。

図９は、高電圧ＬＥＤアレイを端子Ｔ１、Ｔ２から駆動するためにＡＣ電圧（通常は１２０Ｖ ＡＣ、６０Ｈｚ）を高ＤＣ電圧（通常は２３０Ｖ ＤＣ）に変換するように構成された、さらなる実施形態によるブーストコンバータの単純化した概略図である。ＡＣ入力電圧は、フューズ及びバリスタなどの保護回路、ＥＭＩフィルタ及びブリッジ整流器を含む回路ブロック２１０に接続される。回路ブロック２１０の出力は、全波整流正弦波電圧ＶＲＥＣ＋である。ブーストコンバータ２２０は、ブーストインダクタＬ１、ブーストダイオードＤ１、トランジスタスイッチＱ１及びＱ２、並びに出力コンデンサＣ１により形成される。トランジスタスイッチＱ２（高電圧ＭＯＳＦＥＴ）及びＱ１（低電圧ＭＯＳＦＥＴ）は、カスコード構成で接続される。

ブーストコンバータ２２０の動作は、ゲート駆動ラインＧＤを介してトランジスタスイッチＱ１のゲートに結合されたコントローラ２１６により制御される。コントローラ２２０は、電流検知入力ＣＳ、インバータ入力ＩＮＶ、コンパレータ入力ＣＯＭＰ、マルチプライア入力ＭＵＬＴ、ゼロクロス検出入力ＺＣＤ、並びに電力入力（ＶＣＣ）及び接地（ＶＣＣ）入力を含む。

電流検知入力ＣＳは、トランジスタスイッチＱ１のソースに結合された電流検知抵抗器Ｒ１４を介して電流を検知する。

ＭＵＬＴ入力は、抵抗器Ｒ１２及びＲ７により形成される、電圧ＶＲＥＣ＋に従う電圧分割器からの電圧を受け取る。ＭＵＬＴ入力における電圧信号の１つの機能は、ブーストコンバータの入力電流を整流電圧の形状、すなわちこの場合は半正矢のように成形することである。この電圧信号の別の機能は、定常状態におけるコンバータの動作点をコントローラの動作パラメータ内に定めることである。コントローラへのＭＵＬＴ入力は、トランジスタピーク電流の電流基準を導出するためにＣＯＭＰ信号と組み合わせて使用される。

ＺＣＤ入力は、ゼロクロス検出回路２１４からの信号を受け取る。この信号は、新たなスイッチング周期を開始するために使用される。

ＣＯＭＰ出力は、電流検知基準電圧を導出する誤差補償信号を生成するためにＭＵＬＴ入力信号と共に内部的に使用される。ＣＯＭＰ出力は、ブーストコンバータの出力電流を調整するように、定常状態のコントローラによって公称動作点に調整される。

ＶＣＣ生成回路２１２は、始動中及び通常動作中にＶＣＣ入力を介してコントローラ２１６にバイアス電力を供給する。コントローラ２１６は、様々なＩＣメーカーが提供する標準的な遷移モードコントローラとすることができ、一例としてＳＴＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ社によるＬ６５６１がある。

コントローラ２１６及び関連する制御回路は、トランジスタスイッチＱ１にスイッチング信号を供給して、トランジスタＱ２のゲートが比較的一定の高電位（典型的には約１８Ｖ）に保持されている時に、このトランジスタスイッチＱ１がオン及びオフを切り替えるとトランジスタＱ２がオン及びオフに切り替えられるようにする。トランジスタスイッチＱ１及びＱ２がオンになるとブーストインダクタＬ１にエネルギーが蓄えられ、オフになるとブーストダイオードＤ１を介して出力コンデンサＣ１にエネルギーが送出される。トランジスタスイッチＱ１がオンになると、ブーストインダクタＬ１を流れるゼロから上昇しているインダクタ電流により、電流検知抵抗器Ｒ１４に電圧が生じる。このＣＳピンにおける電圧が所定の閾値に達すると、コントローラ２１６はトランジスタＱ１をオフにする。ブーストインダクタＬ１内のエネルギーは、一時的にＱ２のソース端子を介してＶＣＣ生成回路２１２に分流され、その後Ｑ２がオフになると、ブーストダイオードＤ１を介して出力コンデンサＣ１に分流される。Ｌ１を流れるインダクタ電流がゼロに落ちると、ＺＣＤ（ゼロクロス検出）回路２１４がコントローラ２１６に信号を供給して、トランジスタＱ１の次のオンを開始させる。ＶＣＣ生成回路２１２及びＺＣＤ回路２１４は、同一出願人による同時係属の２０１２年５月２に出願された「調光可能な固体照明装置のための駆動回路（ＤＲＩＶＥＲ ＣＩＲＣＵＩＴＳ ＦＯＲ ＤＩＭＭＡＢＬＥ ＳＯＬＩＤ ＳＴＡＴＥ ＬＩＧＨＴＩＮＧ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ）」という名称の米国特許出願第１３／４６２，３８８号（代理人整理番号５３０２‐１８１９）に詳述されており、この特許出願の開示は引用により組み入れられる。

いくつかの実施形態によるブーストコンバータ２００は、トライアック調光可能なＬＥＤドライバ用途で使用するのに有利となり得る。例えば、ブーストコンバータ２００の閉ループ及び飽和ループ制御法は、トライアック調光可能な固体照明装置で使用するのに適することができる。

上述したように、トライアック調光（位相カット調光とも呼ばれる）では、ＡＣ波形が、その導通角の一部にわたってゼロにクランプされる。図１に示すように、ゼロにクランプされるＡＣ信号の位相量は、トライアックがオンになる導通角に関連する。図１に示す例では、トライアックが、半周期である１８０°位相のうちの１２０°にわたってオンになる。トライアックが１８０°半周期のうちの１８０°全てにわたってオンになる場合には調光が行われず、同様にトライアックが１８０°半周期のうちの０°にわたってオンになる場合、光は事実上オフになる。

例えば、再び図９を参照すると、コンバータ２００が調光器を伴わずに動作する場合、或いは１８０°（全導通角）又はその付近の状態の調光器と動作する場合、コントローラ２１６は、ＬＥＤ電流検知抵抗器Ｒ５の電圧を検知することによってＬＥＤ電流を調整するように構成される。定常状態では、電流検出抵抗器Ｒ５の電圧がコントローラの誤差増幅器の内部基準に等しく、約２．５Ｖとすることができる。この電圧レベルでは、若干の電力損失が生じる可能性もあるが、追加の増幅器を設ける必要性というコストを節約することができる。或いは、信号を増幅するための追加の増幅器という犠牲を払って電流検知抵抗器Ｒ５の抵抗値、電圧信号及び電力損失を低減することもできる。

この制御方法では、通常動作中、ＬＥＤ電流、従って光出力が常に一定レベルに維持され、入力電圧が一定範囲（典型的には１０８Ｖ〜１３２Ｖ）にわたって変化しても（定常状態で）変化しないことが確実になる。この制御方法では、抵抗器Ｒ２３、コンデンサＣ３、及びコントローラ２１６内の内部誤差増幅器がフィードバック及び補償ネットワークの一部として使用される。

入力電圧が低下すると、コントローラ２１６がより高い入力電圧を要求し、これにより誤差増幅器の出力における、すなわちコントローラ２１６のＣＯＭＰピンにおける電圧が上昇する。これにより、ＣＳピンにおける電流基準が高くなり、インダクタ電流が高くなる。コントローラ２１６のＣＯＭＰピンにおける電圧は、コントローラ２１６の内部パラメータにより定められる特定の時点で内部的にクランプされる。この時点で最大入力電流が制限され、従って入力電流がさらに低下した場合、出力電流は調整されなくなる。

位相カット調光器では、調光角が減少すると有効入力電圧が低下し、この結果、最大入力電流に達すると出力電流が低下して調光が行われる。

いくつかの実施形態では、コントローラ２１６の内部電流クランプを用いてピークインダクタ電流ｉＬを制限することができる。具体的には、上記の制御方法に加え、回路２００が、ＭＯＳＦＥＴ又はインダクタ電流検知抵抗器である抵抗器Ｒ１４に公称抵抗値よりも高い値を使用することができる。これにより、コンバータ２００が、公称動作中に所定の継続時間にわたってピークインダクタ電流がラインサイクルのピーク付近にクランプされるように設計されるようになる。Ｒ１４を適切に選択することにより、入力電流力率が大きな影響を受けないことを確実にするのに役立つことができる。結果として得られる平均入力電流波形が、図１０Ａ及び図１０Ｂに示す波形で確認される。

図１０Ａは、入力電圧３０２、及び従来の入力電流シェーピングを示す入力電流３０４のグラフである。この電流シェーピングは、非常に高い力率を生じることができる。図１０Ｂは、いくつかの実施形態による、入力電圧３１２、及びクランプしたインダクタ電流シェーピングを示す入力電流３１４のグラフである。

インダクタ電流をクランプすると、ブーストインダクタＬ１の飽和が防止又は低減され、これによりコンポーネントの値の変動を保護できるというさらなる利点を得ることができる。例えば、図１１は、様々な考えられる部品公差の値に応じた（光出力と類似する）入力電力のグラフである。公差変動は、温度、抵抗値、インダクタ値、コントローラの内部クランプ電圧、入力電圧及びその他のパラメータの変動を考慮に入れたものである。インダクタ電流をクランプすると、公差範囲が、図１１に示す未クランプの上下範囲からクランプした上下範囲に引き締められる。公差の変動が少ないと、フルパワーを生じることができない、及び／又は調光器に素早く応答しないドライバの数を少なくすることができるので、ＬＥＤドライバの収率を高めることができる。

いくつかの実施形態では、回路２００を、導通サイクルの少なくとも１０°にわたって電流をラインのピーク付近にクランプするように構成することができる。さらなる実施形態では、回路２００を、導通サイクルの少なくとも２０°にわたって電流をラインのピーク付近にクランプするように構成することができる。さらなる実施形態では、回路２００を、導通サイクルの少なくとも３０°にわたって電流をラインのピーク付近にクランプするように構成することができる。

図９に示すブーストコンバータの別の特徴は、抵抗器Ｒ１７がマルチプライア信号にオフセット電圧を加える点であり、この特徴は、トライアック調光の場合に低調光角におけるちらつきを避ける役に立つ。コントローラ２１６のマルチプライア（ＭＵＬＴ）ピンは、抵抗器Ｒ１２及びＲ７によって好適な電圧に至るまで分割されたＶＲＥＣ＋における整流ＡＣ電圧に比例する信号を受け取る。ＭＵＬＴピン信号及びＣＯＭＰ信号は、コントローラ２１６内の電流基準信号を生成するために使用される。

調光中、トライアック調光器がオフの場合、調光器の漏れ電流が閉路を有することができるように、スイッチＱ１及びＱ２はＯＮ状態にあることが望ましい。一方、コントローラ２１６の電流検知（ＣＳ）ピンをトリガーしてスイッチＱ１及びＱ２をオン及びオフにすると、エネルギーが出力に断続的に送出され、従って光のちらつきが生じる恐れがあり望ましくない。これを確実にするために、抵抗器Ｒ１７は、（飽和している）ＣＯＭＰピンからＭＵＬＴピンに既知の電流を加え、ＣＳピン上の基準電圧を、予想される調光器の漏れ電流をＩＤＬとするＩＤＬ＊Ｒ１４よりも高く保持する。

或いは、抵抗器Ｒ１７をコントローラ２１６のＶＣＣ入力に接続することもできる。一方、ＣＯＭピンが高く飽和せず低い電圧にある時に抵抗器Ｒ１７をＣＯＭピンに接続しても、通常動作時にオフセットを低く保つのに役立つ。

いくつかの実施形態は、放電及び過電圧保護（ＯＶＰ）回路２３０をさらに含む。図９のブーストコンバータでは、放電及び過電圧保護回路２３０が、抵抗器Ｒ１９、Ｒ２１及びＲ４、並びにトランジスタＱ４及びＱ５を含む。入力電力が切断された時には、いくつかの理由により、放電回路を用いて、出力コンデンサＣ８に蓄えられたエネルギーを放電することが有利である。例えば、出力コンデンサＣ８の静電容量が高い場合には、ターンオフを遅く目に見えるようにすることができる。また、高電圧アレイ内には複数の漏れ経路が存在することがあり、長時間にわたって電圧を放電できる場合にはターンオフフラッシュが生じることもある。さらに、一般に固体照明ではユーザがＬＥＤにアクセスすることは制限されているが、ＬＥＤ端子の電圧をできるだけ速く安全レベル未満（例えば、５０Ｖ未満）に下げることが有益となり得る。

いくつかの実施形態によるブーストコンバータでは、過電圧保護（ＯＶＰ）回路と放電回路を組み合わせて、使用する部品の数及び／又は電力損失を低減できるようにする。入力電力が存在してコントローラが動作している通常動作中には、トランジスタＱ５はオンであり、トランジスタＱ４はオフである。抵抗分割器Ｒ１９〜Ｒ２１及びダイオードＤ３は、ＯＶＰのトリガーレベルを設定する。出力電圧が所定の電圧を超えると、ダイオードＤ３は順方向にバイアスされる。これによりコントローラ２１６のＩＮＶピンにおける電圧が上昇し、この結果、コントローラ２１６がエネルギースループットを制限して出力電圧を低下させるようになる。入力電力が切断され、コントローラ２１６がそのＶＣＣピンにおけるバイアス電力を失うと、ＣＯＭＰピンの電圧はゼロになる。これによりトランジスタＱ５がオフになり、Ｒ１９〜Ｒ２０がＱ４の基部に電圧を供給してオンにする。この結果、出力コンデンサＣ８に蓄えられたエネルギーが、抵抗器Ｒ４及びトランジスタＱ４に散逸される。

コントローラ２１６のＶＣＣピンとＩＮＶピンの間にはインピーダンスＺ３０が設けられる。インピーダンスＺ３０は、コントローラのソフト始動に役立つことができる抵抗器又は抵抗器とコンデンサの組み合わせとすることができる。

いくつかの実施形態によるブーストコンバータは、整流入力電圧の代わりに出力電圧（ＯＵＴ＋）を利用して、始動のための電力を引き込むこと、すなわちコントローラ２１６のＶＣＣピンにエネルギーを与えることもできる。これにより、調光中に、特に低調光角中に、コントローラ２１６の通常動作のために出力から電流が連続的に供給されてＶＣＣを十分に高く維持することも確実になる。

図９に示す回路及び方法の多くの態様はブーストコンバータでの使用に限定されるものではなく、バックコンバータ、バックブーストコンバータ、フライバックコンバータ又はその他の同様のコンバータで使用することもできる。

本明細書では、上記の説明及び図面に関連して多くの異なる実施形態を開示した。これらの実施形態のあらゆる組み合わせ及び部分的組み合わせを逐語的に記述して図示することは、過度に反復的で分かりにくくなると理解されたい。従って、全ての実施形態はあらゆる方法及び／又は組み合わせで組み合わせることができ、本明細書は、図面を含め、本明細書で説明した実施形態の全ての組み合わせ及び部分的組み合わせ、並びにこれらを作製して使用する方法及び過程の完全な記述的説明を構成すると解釈すべきものであり、あらゆるこのような組み合わせ又は部分的組み合わせに対する特許請求を支援するものである。

図面及び明細書では、本発明の典型的な実施形態を開示しており、特定の用語を使用してはいるものの、これらの用語は、一般的かつ記述的な意味で使用するものにすぎず、以下の特許請求の範囲に示す本発明の範囲を限定するためのものではない。

Claims (28)

1. 固体照明装置のための駆動回路であって、
   交流（ＡＣ）入力電圧信号を整流して整流入力信号を生成するように構成された全波整流器と、
   前記整流入力信号を受け取り、該整流入力信号のピーク電圧よりも高い電圧で固体光源に電力を送出するように構成されたブースト変換回路と、
   前記ブースト変換回路に結合されて、前記ブースト変換回路に、前記整流入力信号からほぼ一定の電力を引き込み、前記固体光源により定められる電圧レベルで前記固体光源に前記電力を転送させるように構成されたブースト制御回路と、
   を備えることを特徴とする駆動回路。
2. 前記ブースト制御回路は、開ループ制御モードで動作するように構成され、前記ブースト変換回路は、前記出力電圧信号のレベルに応じて制御されない、
   ことを特徴とする請求項１に記載の駆動回路。
3. 前記ブースト制御回路は、前記整流入力信号に応答して前記ブースト変換回路を制御するための電流基準を生成するように構成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の駆動回路。
4. 前記ブースト制御回路は、コンスタントオンタイム電流臨界モードで動作するように構成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の駆動回路。
5. 前記ブースト制御回路は、コンスタントオフタイム電流連続モードで動作するように構成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の駆動回路。
6. 前記ブースト変換回路は、前記整流入力信号を受け取るように構成されたブーストインダクタと、該ブーストインダクタに結合されたダイオードと、該ダイオードに結合されたブーストコンデンサと、前記ブーストインダクタ及び前記ダイオードに結合されたスイッチとを備え、前記スイッチの動作は、前記ブースト制御回路によって制御され、前記ブーストインダクタは補助巻線を備え、前記ブースト制御回路は、前記ブーストインダクタの前記補助巻線に結合され、前記ブーストインダクタの補助巻線に生じる電圧に応答して、前記スイッチの動作を制御するための電流基準を生成するように構成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の駆動回路。
7. 前記ブースト制御回路は、前記ブーストインダクタの前記補助巻線以外のソースからバイアス電力を引き込むように構成される、
   ことを特徴とする請求項６に記載の駆動回路。
8. 前記ブースト変換回路は、前記整流入力信号を受け取るように構成されたブーストインダクタと、該ブーストインダクタに結合されたダイオードと、該ダイオードに結合されたブーストコンデンサと、ＭＯＳＦＥＴスイッチとを備え、該ＭＯＳＦＥＴスイッチは、前記ブーストインダクタ及び前記ダイオードに結合されたドレイン端子と、前記ブースト制御回路に結合されたソース端子と、前記ブースト制御回路に結合されたゲート端子とを備え、前記駆動回路は、前記ＭＯＳＦＥＴスイッチの前記ドレイン端子からバイアス電力を引き込むように構成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の駆動回路。
9. 固体照明装置であって、
   固体発光素子を含む固体光源と、
   前記固体光源に結合された駆動回路と、
   を備え、前記駆動回路は、
   交流（ＡＣ）入力電圧信号を整流して整流入力信号を生成するように構成された全波整流器と、
   前記整流入力信号を受け取り、これに応答して直流（ＤＣ）出力電圧信号を生成するとともに、該出力電圧信号を前記固体光源に供給するように構成されたブースト変換回路と、
   前記ブースト変換回路に結合されて、前記ブースト変換回路が前記整流入力信号からほぼ一定の電力を引き込み、前記固体光源により定められる電圧レベルで前記電力を前記固体光源に伝送する定電力モードで前記ブースト変換回路を動作させるように構成されたブースト制御回路と、
   を備える、
   ことを特徴とする固体照明装置。
10. 前記固体光源は、第１の色を有する光を発光するように構成された第１の発光ダイオードコンポーネントと、前記第１の色とは異なる第２の色を有する光を発光するように構成された第２の発光ダイオードコンポーネントとを備え、前記第１及び第２の発光ダイオードコンポーネントはカレントミラー構成に接続される、
    ことを特徴とする請求項９に記載の固体照明装置。
11. 前記第１及び第２の発光ダイオードコンポーネントは並列に接続される、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の固体照明装置。
12. 前記第１及び第２の発光ダイオードコンポーネントは直列に接続される、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の固体照明装置。
13. 前記固体光源は、カレントミラー構成で結合された第１のトランジスタ及び第２のトランジスタを備え、該それぞれのトランジスタの基部接点は、前記第２の発光ダイオードのカソード及び第１のトランジスタのコレクタに結合された共通ノードに結合され、前記第２のトランジスタのコレクタは、前記第２の発光ダイオードコンポーネントのアノード及び第１の発光ダイオードコンポーネントのカソードに結合される、
    ことを特徴とする請求項１２に記載の固体照明装置。
14. 前記固体光源は、カレントミラー構成で結合された第１のトランジスタ及び第２のトランジスタを備え、該それぞれのトランジスタの基部接点は、共通ノード及び前記第２のトランジスタのコレクタに結合され、前記固体光源は、前記共通ノードに結合されたエミッタ及び前記第１のトランジスタのコレクタに結合された基部を有する第３のトランジスタをさらに備え、前記第３のトランジスタのコレクタは、前記第２の発光ダイオードコンポーネントのアノード及び前記第１の発光ダイオードコンポーネントのカソードに結合され、前記第２の発光ダイオードコンポーネントの前記カソードは、前記第１のトランジスタの前記コレクタに結合される、
    ことを特徴とする請求項１２に記載の固体照明装置。
15. 前記固体光源は、第１の色を有する光を発光するように構成されてカレントミラー構成に結合する複数の発光ダイオードを備える、
    ことを特徴とする請求項９に記載の固体照明装置。
16. 固体光源を作動させるための入力電圧信号を生成する方法であって、
    交流入力電圧を整流して整流入力信号を形成するステップと、
    前記整流入力信号をブーストし、該整流入力信号を直流に変換して出力電圧信号を形成するステップと、
    前記出力電圧信号を前記固体光源に供給するステップと、
    を含み、前記整流入力信号をブーストするステップは定電力モードで行われる、
    ことを特徴とする方法。
17. 前記整流入力信号をブーストするステップは、開ループ制御モードで行われる、
    ことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 前記整流入力信号に応答して、該整流入力信号のブーストを制御するための電流基準を生成するステップをさらに含む、
    ことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
19. 前記整流入力信号をブーストするステップは、コンスタントオンタイム電流臨界モードで動作するように構成されたブースト制御回路を用いて行われる、
    ことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
20. 前記整流入力信号をブーストするステップは、コンスタントオフタイム電流連続モードで動作するように構成されたブースト制御回路を用いて行われる、
    ことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
21. 固体照明装置のための駆動回路であって、
    ブーストインダクタと、該ブーストインダクタに結合されたブーストダイオードと、該ブーストダイオードに結合された出力コンデンサと、前記ブーストインダクタと接地との間に結合されたスイッチとを含む電圧ブースト回路と、
    前記出力コンデンサに結合されて、固体照明回路のアノード端子に接続するように構成された第１の出力端子と、
    前記固体照明回路のカソード端子に接続するように構成された第２の出力端子と、
    前記スイッチに結合されて、前記ブーストインダクタを流れるインダクタ電流と、前記固体照明回路を流れる負荷電流とに応答して前記スイッチの動作を制御するように構成されたコントローラと、
    を備えることを特徴とする駆動回路。
22. 前記コントローラは、前記ブーストインダクタを流れる前記電流が所定の閾値に達した時に前記トランジスタスイッチをオフにするように構成される、
    ことを特徴とする請求項２１に記載の駆動回路。
23. 前記ブーストインダクタを流れる前記電流のゼロクロスを検出したことに応答してゼロクロス検出信号を生成するように構成されたゼロクロス検出回路をさらに備え、前記コントローラは、前記ゼロクロス検出信号に応答して前記トランジスタスイッチをオンにするように構成される、
    ことを特徴とする請求項２２に記載の駆動回路。
24. 前記コントローラは、前記ブーストインダクタを流れる前記電流を所定のレベルにクランプするように構成される、
    ことを特徴とする請求項２１に記載の駆動回路。
25. 前記コントローラは、前記ブーストインダクタを流れる電流を、前記入力電圧レベルの導通サイクルの少なくとも１０度にわたって前記入力電圧信号のピーク付近にクランプするように構成される、
    ことを特徴とする請求項２４に記載の駆動回路。
26. 前記コントローラは、前記ブーストインダクタを流れる電流を、前記入力電圧レベルの導通サイクルの少なくとも２０度にわたって前記入力電圧信号のピーク付近にクランプするように構成される、
    ことを特徴とする請求項２５に記載の駆動回路。
27. 前記コントローラは、前記ブーストインダクタを流れる電流を、前記入力電圧レベルの導通サイクルの少なくとも３０度にわたって前記入力電圧信号のピーク付近にクランプするように構成される、
    ことを特徴とする請求項２６に記載の駆動回路。
28. 前記第１の出力端子に結合されて、入力電圧の損失に応答して前記出力コンデンサの電圧を放電するように構成された放電回路をさらに備える、
    ことを特徴とする請求項２１に記載の駆動回路。

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