JP5759668B2

JP5759668B2 - 多直列ｌｅｄ駆動回路

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Publication number: JP5759668B2
Application number: JP2009230681A
Authority: JP
Inventors: 正康大崎; 智貴大中
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2009-10-02
Filing date: 2009-10-02
Publication date: 2015-08-05
Anticipated expiration: 2029-10-02
Also published as: JP2011082204A

Description

本発明は多直列ＬＥＤ駆動回路に関し、とくに、商用交流電源を全波整流して得られる直流電源を、スイッチング制御方式のＤＣ−ＤＣコンバータで電圧変換して多直列ＬＥＤに定電流通電させる回路に関する。

ＬＥＤ（発光ダイオード）は順方向に所定の定電流を通電することにより発光駆動される。このＬＥＤを照明用光源とする場合は、所定の照明光量を得るために所定数のＬＥＤを直列接続して通電駆動することが行われる。ＬＥＤの順方向電圧にはバラツキがあるが、直列接続して通電駆動することにより、順方向電圧にバラツキがあっても、各ＬＥＤに均等に電流を通電させることができる。

たとえば、照明光源に多く用いられる高輝度白色ＬＥＤの順方向電圧（Ｖｆ）は約３．２Ｖほどある。このＬＥＤをたとえば２０ｍＡの定電流通電によって発光駆動するためには、少なくともその順方向電圧を上回る電圧（＞３．２Ｖ）の直流電源が必要となる。実用的な照明光源では、多数のＬＥＤを直列接続してなる多直列ＬＥＤが使用されるため、各ＬＥＤの順方向電圧の総和を上回る電圧の直流電源が必要となる。

ＬＥＤの直列接続数は照明の用途等によって大きく異なるが、たとえば１０個の高輝度白色ＬＥＤを直列接続した場合は、少なくとも３．２Ｖ×１０個＝３２Ｖ超（３２Ｖを若干上回る）の電圧の直流電源が必要になる。同様に、５０個の高輝度白色ＬＥＤが直列接続した場合は、３．２Ｖ×５０個＝１６０Ｖ超の直流電源が必要になる。直流電源電圧が不足すると、多直列ＬＥＤに駆動電流を通電させることができない。所定の駆動電流を安定に通電させるためには、多直列ＬＥＤの直列数×順方向電圧＋定電流制御に必要な電圧の直流電源が必要になるからである。

白熱灯や蛍光灯などの従来の光源の代わりに多直列ＬＥＤを使用する場合、そのＬＥＤの発光駆動は、商用交流電源（ＡＣ１００Ｖ）を全波整流して得られる直流電源を用いて行われる。この場合も、多直列ＬＥＤを発光駆動させるためには、上述したように、直列接続数×順方向電圧（約３．２Ｖ）を超える電圧の直流電源が必要である。

そこで、従来においては、たとえば特許文献１〜３に開示されているように、商用交流電源（ＡＣ１００Ｖ、５０／６０Ｈｚ）を全波整流して得られる直流電源を、スイッチング制御方式のＤＣ−ＤＣコンバータで所定の電圧に変換し、この電圧変換された直流電源を、定電制御回路を介して直列ＬＥＤに印加することが行われていた。ＤＣ−ＤＣコンバータは直流電圧変換回路であって、その変換出力電圧は、多直列ＬＥＤの直列接続数に応じてあらかじめ設定される。

特開２００７−１８９８１９号公報特開２００１−３１３４２３号公報特開２００８−９９４３９号公報

商用交流電源（ＡＣ１００Ｖ）を全波整流して得られる直流電源を、スイッチング制御方式のＤＣ−ＤＣコンバータで所定の電圧に変換して多直列ＬＥＤに供給する場合、そのＤＣ−ＤＣコンバータの変換出力電圧が不足すれば、多直列ＬＥＤは当然通電駆動されないが、反対に、その変換出力電圧が過剰だと、出力電圧と直列接続数×順方向電圧（約３．２Ｖ）との電圧差が電力損失分となるため、電力効率が低下してしまう。

照明用光源としてのＬＥＤの最大の利点は、消費電力の少なさ、つまり電力効率の良さにある。しかし、多直列ＬＥＤを、その通電駆動に最低限必要な電圧を大きく超える電圧で通電駆動した場合、その電圧の超過分が電力損失となって、光源としてのＬＥＤの利点である電力効率の良さが阻害されてしまう。

多直列ＬＥＤ駆動回路のＤＣ−ＤＣコンバータとして、従来は主に、インダクタ、スイッチング素子、ダイオード、キャパシタを用いて構成される降圧型コンバータ（バック・コンバータ）または昇圧型コンバータ（ブースト・コンバータ）が使用されていた。両者は、駆動対象である多直列ＬＥＤの直列接続数に応じて使い分けられる。すなわち、ＬＥＤの直列接続数が少ない場合は降圧型コンバータが、多い場合は昇圧型コンバータが使用される。

このように、多直列ＬＥＤ駆動回路は、駆動対象である多直列ＬＥＤの直列接続数に応じて構成され、その直列接続数が増減した場合は、その増減に対応すべく構成された多直列ＬＥＤ駆動回路を使用しなければならなかった。つまり、従来の多直列ＬＥＤ駆動回路では、単一仕様（単一品種）の構成でもって、直列接続数の異なる多直列ＬＥＤを効率良く通電駆動することができなかった。

電圧不足による通電不能状態に陥ることなく、かつ電圧過剰による電力損失を増大させることなく、多直列ＬＥＤの直列接続数の増減に対応するためには、その直列接続数に応じた多種類（多品種）の駆動回路を用意しなければならなかった。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電源を商用交流電源から取る場合は、交流入力の電流と電圧をなるべく比例させるような力率改善を行う必要もあった。

本発明は以上のような背景を鑑みたものであって、その目的は、多直列ＬＥＤを、その直列接続数が大きく増減したとしても、単一仕様の構成でもって、高い電力効率と良好な力率で通電駆動することができる多直列ＬＥＤ駆動回路を提供することにある。

本発明は次のような手段を提供する。
第１の手段は、ＳＥＰＩＣ（Single Ended Primary Inductance Converter）型のＤＣ−ＤＣコンバータを有し、商用交流電源を全波整流して得られる直流電源を、上記ＤＣ−ＤＣコンバータで電圧変換して多直列ＬＥＤに供給することにより、その多直列ＬＥＤを定電流で通電駆動する多直列ＬＥＤ駆動回路であって、以下の技術事項（11）〜（19）を備えたことを特徴とする。

（11）ＤＣ−ＤＣコンバータは、入力キャパシタ、第１インダクタ、半導体スイッチング素子、結合キャパシタ、第２インダクタ、整流ダイオード、出力キャパシタ、力率改善を行いながらスイッチング制御を行うＰＦＣ回路、多直列ＬＥＤを流れる出力電流を電圧変換して検出する電流検出回路、および多直列ＬＥＤが接続される出力端子を有するシングルエンド（片側接地）回路である。
（12）入力キャパシタは非電解型キャパシタであって、商用交流電源の全波整流出力の非接地（ホット）側と接地（コールド）側間に接続される。
（13）第１インダクタは、その一端（入力側）が入力キャパシタの非接地側に接続されるともに、その他端（出力側）が半導体スイッチング素子を直列に介して接地側に接続される。
（14）半導体スイッチング素子は、ＰＦＣ回路により、交流電源周波数よりも十分に高い周波数でオン・オフ駆動されて第１インダクタのインダクタ電流をスイッチングする。
（15）結合キャパシタは非電解型キャパシタであって、第１インダクタと第２インダクタ間に直列に介在して直流遮断および交流結合を行う。
（16）第２インダクタは、結合キャパシタと接地側間に接続される。
（17）整流ダイオードは、第２インダクタと出力キャパシタ間に直列に介在して第２インダクタの誘導電圧を整流する。
（18）出力キャパシタは非電解型キャパシタであって、整流ダイオードの整流出力が充電される。
（19）ＰＦＣ回路は、電流検出回路の電流検出電圧が所定値となり、かつ商用交流電源からの入力電流と入力電圧が相似形になるように半導体スイッチング素子をオン・オフ制御する。

第２の手段は、第１の手段において、出力端子間に現れる電圧が所定以上になったか否かを検出する過電圧検出回路を備え、この過電圧検出回路が所定以上の電圧を検出したときに、ＰＦＣ回路を介して出力電圧を抑制するようにしたことを特徴とする。

第３の手段は、第１または第２の手段において、接地側出力端子と接地側ライン間に流れる出力電流を抵抗素子で電圧変換して検出する電流検出回路と、出力端子間に現れる電圧を抵抗素子で分圧する分圧回路を有し、電流検出回路の電流検出電圧と分圧回路の分圧電圧を、共に出力電圧制御のためのフィードバック電圧としてＰＦＣ回路に入力させることを特徴とする。

多直列ＬＥＤを、その直列接続数が大きく増減したとしても、単一仕様の多直列ＬＥＤ駆動回路でもって、高い電力効率と良好な力率で通電駆動することができる。

本発明の第１実施形態をなす多直列ＬＥＤ駆動回路の回路図である。本発明の第２実施形態をなす多直列ＬＥＤ駆動回路の回路図である。

本発明の第１実施形態をなす多直列ＬＥＤ駆動回路は、図１に示すように、商用交流電源（ＡＣ１００Ｖ、５０／６０Ｈｚ）をブリッジ整流器Ｂｄで全波整流して直流電源を生成し、この直流電源をスイッチング制御方式のＤＣ−ＤＣコンバータで電圧変換して多直列ＬＥＤ２０に供給することにより、その多直列ＬＥＤ２０を定電流で通電駆動する。多直列ＬＥＤ２０は任意数のＬＥＤＬｄを直列接続したものである。ＬＥＤＬｄとしては、たとえば高輝度白色ＬＥＤあるいは任意の発光色の高輝度ＬＥＤが使用される。

ＤＣ−ＤＣコンバータは、同図に示すように、入力キャパシタＣ１、第１インダクタＬ１、半導体スイッチング素子であるパワーＭＯＳＦＥＴＱ１、結合キャパシタＣ３、第２インダクタＬ２、整流ダイオードＤ１、出力キャパシタＣ２、力率改善を行いながらＭＯＳＦＥＴＱ１のスイッチング制御を行うＰＦＣ回路１０、出力電流を抵抗素子によって電圧変換する電流検出回路Ｒｓ２、および多直列ＬＥＤ２０が接続される出力端子ｐ１，ｐ２を有するシングルエンド（片側接地）回路によって構成されている。

ここで、入力キャパシタＣ１は、フィルムコンデンサ（キャパシタ）やセラミックコンデンサ（キャパシタ）などの電解コンデンサ以外のキャパシタすなわち非電解型キャパシタであって、商用交流電源の全波整流出力の非接地（ホット）側と接地（コールド）側間に接続されている。

第１インダクタＬ１は、その一端（入力側）が入力キャパシタＣ１の非接地側に接続されるともに、その他端（出力側）がＭＯＳＦＥＴＱ１を直列に介して接地側に接続されている。
ＭＯＳＦＥＴＱ１は、ＰＦＣ回路１０により、交流電源周波数よりも十分に高い周波数でオン・オフ駆動されて第１インダクタＬ１のインダクタ電流をスイッチングする。

結合キャパシタＣ３は非電解型キャパシタであって、第１インダクタＬ１と第２インダクタＬ２間に直列に介在して直流遮断および交流結合を行う。
第２インダクタＬ２は、結合キャパシタＣ３と接地側間に接続されている。

整流ダイオードＤ１は、第２インダクタＬ２と出力キャパシタＣ２間に直列に介在して第２インダクタＬ２の誘導電圧を整流する。
出力キャパシタＣ２は非電解型キャパシタであって、整流ダイオードＤ１の整流出力が充電される。これにより、整流ダイオードＤ１の整流出力電流を平滑化する。

ＰＦＣ回路１０は、電流検出回路Ｒｓ２の電流検出電圧が所定値となり、かつ商用交流電源からの入力電流と入力電圧が相似形になるべく、ＭＯＳＦＥＴＱ１をオン・オフ制御する。

ＰＦＣ回路１０としては、この実施形態では、ＳＴマイクロエレクトロニクス社製のアナログＩＣ「Ｌ６５６２Ａ」が使用されている。このＰＦＣ回路１０は、第１インダクタＬ１に磁気結合された二次コイルＬ１２、ダイオードＤ１２、キャパシタＣ１２、抵抗Ｒｓ１、および電流検出回路Ｒｓ２と共に動作し、電流検出回路Ｒｓ２の電流検出電圧が所定値となるようなフィードバッグ制御動作と、商用交流電源からの入力電流と入力電圧が相似形になるような力率改善動作を行う。

ＶｃはＰＦＣ回路１０の直流動作電源であって、詳細な図示を省略するが、全波整流電圧を抵抗素子と定電圧素子からなる並列レギュレータを用いて生成される。

このＰＦＣ回路１０は、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を所定電圧にフィードバック制御するための電圧フィードバック端子ａ１を有し、このフィードバック端子ａ１への入力電圧（フィードバック電圧）が所定の目標値になるべく出力端子ｐ１，ｐ２間に現れる出力電圧Ｖｏをスイッチングによりフィードバック制御する。

電流検出回路Ｒｓ２は、接地側出力端子ｐ２と接地側ライン間に直列に挿入された電流検出用抵抗素子により構成され、この電流検出用抵抗素子に分圧される電圧が電流検出電圧として上記電圧フィードバック端子ａ１に入力される。このフィードバック端子ａ１の入力電圧が所定電圧となるように出力電圧Ｖｏがフィードバック制御される。つまり、多直列ＬＥＤ２０に所定の駆動電流が通電されるように出力電圧Ｖｏがフィードバック制御される。

なお、この実施形態では、ＰＦＣ回路１０としてＳＴマイクロエレクトロニクス社製のアナログＩＣ「Ｌ６５６２Ａ」を使用しているが、同様の機能を有するものであれば、他の品種のＩＣももちろん使用可能である。

上述したＤＣ−ＤＣコンバータは、ＳＥＰＩＣ（ＳｉｎｇｌｅＥｎｄｅｄＰｒｉｍａｒｙＩｎｄｕｃｔａｎｃｅＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）型のコンバータを形成する。このＳＥＰＩＣコンバータは出力電圧の可変範囲が広く、入力電圧よりも低い電圧から高い電圧まで連続的に変化する出力電圧を得ることができる。これにより、単一仕様の回路でもって、直列接続数の異なる複数種類の多直列ＬＥＤ２０を、電圧不足による通電不能状態に陥ることなく、かつ電圧過剰による電力損失を増大させることなく、通電駆動させることができる。

さらに、本発明では、そのＳＥＰＩＣコンバータにおける電流スイッチング動作を、上記ＰＦＣ回路１０を用いて制御することにより、商用交流電源からの入力電流と入力電圧が相似形になるような力率改善を可能にしている。

上記により、多直列ＬＥＤ２０を、その直列接続数が大きく増減したとしても、単一仕様の多直列ＬＥＤ駆動回路でもって、高い電力効率と良好な力率で通電駆動することができる。

上記に加えて、本発明では、結合キャパシタＣ３が入力と出力とを直流的に分離することにより、負荷短絡に対して保護の役割を担うことができる。また、入力キャパシタＣ１、出力キャパシタＣ２、結合キャパシタＣ３が非電解型キャパシタであることにより、キャパシタの劣化に起因する故障発生率を大幅に低下させて長期間のメンテナンスフリーを実現することができる。

図２は、本発明の第２実施形態をなす多直列ＬＥＤ駆動回路を示す。
図１に示した第１実施形態との相違に着目して説明すると、図２に示す第２実施形態では、出力端子ｐ１，ｐ２間に現れる出力電圧Ｖｏが所定以上になったか否かを検出する過電圧検出回路を備え、この過電圧検出回路が所定以上の電圧を検出したときに、ＰＦＣ回路１０を介して出力電圧Ｖｏを抑制するようにしたことを特徴とする。

このための具体的構成手段として、図２の回路は、接地側出力端子ｐ１と接地側ライン間に流れる出力電流を抵抗素子で電圧変換して検出する電流検出回路Ｒｓ２と、出力端子ｐ１，ｐ２間に現れる電圧を抵抗素子Ｒ１０，Ｒ１１を用い分圧する分圧回路を有する。電流検出回路Ｒｓ２の電流検出電圧は抵抗素子を介して、分圧回路の分圧電圧はダイオードＤ１０の順方向を介して、共に、ＰＦＣ回路１０の電圧フィードバック端子ａ１に入力させられる。

同図において、出力端子ｐ１，ｐ２間に多直列ＬＥＤ２０が接続されている間は、電流検出回路Ｒｓ２の電流検出電圧が所定値となるような電圧フィードバック制御により、出力電圧Ｖｏはその多直列ＬＥＤ２０に一定の駆動電流を通電するのに過不足のない電圧に制御される。

一方、たとえば多直列ＬＥＤ２０の中のいずれかのＬＥＤＬｄが断線して出力端子ｐ１，ｐ２間が開放状態になると、電流検出回路Ｒｓ２の電流検出電圧による電圧フィードバック制御が行われなくなるため、出力端子ｐ１，ｐ２間の出力電圧Ｖｏが上昇する。

しかし、この場合は、抵抗素子Ｒ１０，Ｒ１１による分圧電圧が上昇するため、この分圧電圧による電圧フィードバック制御が作用することにより、出力電圧Ｖｏの上昇を抑制することができる。

１０ＰＦＣ回路（Ｌ６５６２Ａ）
１１電流検出回路
２０多直列ＬＥＤ
Ｂｄブリッジ整流器
ＬｄＬＥＤ
Ｌ１第１インダクタ
Ｌ２第２インダクタ
Ｑ１半導体スイッチング素子であるパワーＭＯＳＦＥＴ
Ｃ１入力キャパシタ
Ｃ２出力キャパシタ
Ｃ３結合キャパシタ
Ｄ１，Ｄ１０ダイオード
ｐ１，ｐ２出力端子
Ｒｓ１，Ｒ１１，Ｒ１２抵抗素子
Ｒｓ２抵抗素子による電流検出回路

Claims

ＳＥＰＩＣ（Single Ended Primary Inductance Converter）型のＤＣ−ＤＣコンバータを有し、商用交流電源を全波整流して得られる直流電源を、前記ＤＣ−ＤＣコンバータで電圧変換して多直列ＬＥＤに供給することにより、その多直列ＬＥＤを定電流で通電駆動する多直列ＬＥＤ駆動回路であって、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、入力キャパシタ、第１インダクタ、半導体スイッチング素子、結合キャパシタ、第２インダクタ、整流ダイオード、出力キャパシタ、商用交流電源の力率改善を行いながらスイッチング制御を行うＰＦＣ回路、多直列ＬＥＤを流れる出力電流を電圧変換して検出する電流検出回路、および多直列ＬＥＤが接続される出力端子を有するシングルエンド（片側接地）回路であり、
前記入力キャパシタは、非電解型キャパシタであって、商用交流電源の全波整流出力の非接地（ホット）側と接地（コールド）側との間に接続され、
前記第１インダクタは、その一端（入力側）が前記入力キャパシタの非接地側に接続されるともに、その他端（出力側）が前記半導体スイッチング素子を直列に介して接地側に接続され、
前記半導体スイッチング素子は、前記ＰＦＣ回路により、交流電源周波数よりも十分に高い周波数でオン・オフ駆動されて前記第１インダクタのインダクタ電流をスイッチングし、
前記結合キャパシタは、非電解型キャパシタであって、前記第１インダクタと前記第２インダクタとの間に直列に介在して直流遮断および交流結合を行い、
前記第２インダクタは、前記結合キャパシタと接地側との間に接続され、
前記整流ダイオードは、前記第２インダクタと前記出力キャパシタとの間に直列に介在して前記第２インダクタの誘導電圧を整流し、
前記出力キャパシタは非電解型キャパシタであって、前記整流ダイオードの整流出力が充電され、
前記ＰＦＣ回路は、前記電流検出回路の電流検出電圧が所定値となり、かつ商用交流電源からの入力電流と入力電圧が相似形になるように、前記半導体スイッチング素子をオン・オフ制御する、
ことを特徴とする多直列ＬＥＤ駆動回路。
請求項１に記載の多直列ＬＥＤ駆動回路であって、前記出力端子間に現れる電圧が所定以上になったか否かを検出する過電圧検出回路を備え、前記過電圧検出回路が所定以上の電圧を検出したときに、前記ＰＦＣ回路を介して出力電圧を抑制することを特徴とする多直列ＬＥＤ駆動回路。
請求項１または２に記載の多直列ＬＥＤ駆動回路であって、接地側の前記出力端子と接地側ライン間に流れる出力電流を抵抗素子で電圧変換して検出する電流検出回路と、前記出力端子間に現れる電圧を抵抗素子で分圧する分圧回路を有し、前記電流検出回路の電流検出電圧と前記分圧回路の分圧電圧を、共に出力電圧制御のためのフィードバック電圧として前記ＰＦＣ回路に入力させることを特徴とする多直列ＬＥＤ駆動回路。