JP6033092B2 - Power supply device, LED lighting device, and battery charging device - Google Patents
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Description
この発明は、電源電圧を昇降圧する電源装置、ならびに当電源装置を用いたLED点灯装置およびバッテリ充電装置に関するものである。 The present invention relates to a power supply device that raises and lowers a power supply voltage, and an LED lighting device and a battery charging device using the power supply device.
昨今の地球温暖化を助長する二酸化炭素の排出量を削減する風潮の中で、車載のテールランプおよびポジションランプ、さらには室内照明灯等の光源として、従来のタングステンフィラメントの電球に代替して、低電力のLED(発光ダイオード、半導体光源)が普及してきた。当LEDは、長寿命であり、また一定の電流を供給する簡単な制御によって安定した明るさの光を発することができるため、一般照明用は言うに及ばず、車載用灯具の光源としても好適である。 In the current trend of reducing carbon dioxide emissions that contribute to global warming, it is an alternative to conventional tungsten filament bulbs as light sources for in-vehicle tail lamps, position lamps, and indoor lighting. Power LEDs (light emitting diodes, semiconductor light sources) have become widespread. Since this LED has a long life and can emit light with stable brightness by simple control that supplies a constant current, it is suitable not only for general lighting but also as a light source for in-vehicle lamps. It is.
他方、当二酸化炭素排出量が少ない電気自動車の需要が増加し、普及が加速している。当電気自動車には動力用バッテリを充電する充電装置が搭載される。 On the other hand, the demand for electric vehicles with low carbon dioxide emissions is increasing, and the spread is accelerating. The electric vehicle is equipped with a charging device for charging a power battery.
上記のような、LEDを点灯する点灯装置およびバッテリを充電する充電装置には、電力容量は異なるものの出力電力を任意に操作する電源装置が使用される。
一般的な電源装置には、コイルあるいはコンデンサとスイッチング素子とを使用するスイッチング電源が用いられる。コイルとスイッチング素子を使用するスイッチング電源の代表的な方式としては、出力電圧が電源電圧以上になるステップアップ電源(ブーストコンバータ、昇圧コンバータ)と、出力電圧が電源電圧以下になるステップダウン電源(バックコンバータ、降圧コンバータ)がある。同様に、コンデンサとスイッチング素子を使用するスイッチング電源の代表的な方式としては、出力電圧が電源電圧以上になるチャージポンプ式ステップアップ電源と、出力電圧が電源電圧以下になるステップダウン電源がある。
As the lighting device for lighting the LED and the charging device for charging the battery as described above, a power supply device that arbitrarily operates the output power is used although the power capacity is different.
A general power supply device uses a switching power supply that uses a coil or a capacitor and a switching element. Typical methods for switching power supplies that use coils and switching elements include step-up power supplies (boost converters and boost converters) in which the output voltage is higher than the power supply voltage, and step-down power supplies (buck) in which the output voltage is lower than the power supply voltage. Converter, step-down converter). Similarly, as a typical method of a switching power supply using a capacitor and a switching element, there are a charge pump type step-up power supply in which the output voltage is equal to or higher than the power supply voltage, and a step-down power supply in which the output voltage is equal to or lower than the power supply voltage.
以下に、電源装置の構成を記載した特許文献1〜3を示す。
特許文献1に係る直並列接続切替型コンデンサ電力貯蔵装置は、ステップアップ電源とステップダウン電源を組み合わせた構成例である。なお、特許文献1に係る発明の本来の目的は、コンデンサに貯えた電力を効率よく放出するために、並列にして充電したコンデンサを、電力の放電によって電圧が低下したときには直列に切り替えて出力電圧を確保し、電力を効率よく放出するというものである。
Below, the patent documents 1-3 which described the structure of the power supply device are shown.
The series-parallel connection switching type capacitor power storage device according to
また、特許文献2に係るチャージポンプ回路は、コンデンサを使用したチャージポンプ式のステップアップ電源の構成例である。
Further, the charge pump circuit according to
また、特許文献3に係る電源装置は、コンデンサを2個使用して、両コンデンサを直列に接続して充電し、並列にして放電する回路構成によって、電源電圧の1/2の電圧を出力する電源装置の構成例である。
Further, the power supply device according to
上述したようなコイルあるいはコンデンサとスイッチング素子とを使用するスイッチング電源は、いずれも、出力する電圧が電源電圧より高いか低いかによって回路構成がまったく異なる。そのため、例えば8Vから16Vまで変動する車載用バッテリを電源として、12VのLED点灯用の電圧を出力するLED点灯装置においては、異なる回路構成を組み合わせた昇降圧コンバータを使用する必要がある。例えば、コイルとスイッチング素子を使用する上記特許文献1の電源装置は、電源電圧より低い電圧および電源電圧より高い電圧を出力するために、コイルを降圧チョッパ回路と昇圧チョッパ回路で共用することとし、降圧チョッパ回路用のスイッチング素子とその制御回路、および昇圧チョッパ回路用のスイッチング素子とその制御回路を備える構成にしていた。
Any switching power supply using a coil or capacitor and a switching element as described above has a completely different circuit configuration depending on whether the output voltage is higher or lower than the power supply voltage. Therefore, for example, in an LED lighting device that outputs a 12V LED lighting voltage using a vehicle-mounted battery that varies from 8V to 16V as a power source, it is necessary to use a step-up / down converter that combines different circuit configurations. For example, in the power supply device of
また、例えば100Vrmsあるいは200Vrmsの交流電源を電源として、充電完了時には400V程度ながら、放電後には200V程度に低下する電気自動車の動力用バッテリを充電するバッテリ充電装置においても、上記と同様に電源電圧より低い電圧(電源200Vrmsのときに出力200V)から、電源電圧より高い電圧(電源100Vrmsのときに出力400V)を出力する回路構成が必要であった。 Further, for example, in a battery charger for charging a power battery of an electric vehicle that is about 400 V when charging is completed and is reduced to about 200 V after discharging, using an AC power source of 100 Vrms or 200 Vrms as a power source, similarly to the above, A circuit configuration that outputs a voltage higher than the power supply voltage (output 400 V when the power supply is 100 Vrms) from a low voltage (output 200 V when the power supply is 200 Vrms) is required.
このように昇圧と降圧の構成を組み合わせることは、それぞれに対応する部品を同時に搭載することであり、自ずと電源装置が大型化し、費用が増大するという課題があった。 Combining the boosting and bucking configurations in this way is to simultaneously mount components corresponding to each of them, and there is a problem that the power supply device naturally becomes large and costs increase.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、電源電圧より低い電圧から電源電圧より高い電圧に至る広範囲の電圧を出力できる、簡素な構成の電源装置、ならびに当電源装置を用いたLED点灯装置およびバッテリ充電装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and has a simple configuration that can output a wide range of voltages from a voltage lower than the power supply voltage to a voltage higher than the power supply voltage, and the power supply apparatus. An object of the present invention is to provide an LED lighting device and a battery charging device using the battery.
この発明に係る電源装置は、スイッチング素子と、一方の端子を電源側に接続し、他方の端子をスイッチング素子に接続するコイルと、出力電流を生成する複数の整流ダイオードと、コイルとスイッチング素子の接続点に一方の端子を接続し、他方の端子を整流ダイオード側に接続するコンデンサと、スイッチング素子を操作する制御部とを備え、整流ダイオードは、スイッチング素子がオンするときとオフするときの双方で、コンデンサから出力電流を流すものであって、コイルの端子に発生する電源電圧より高い電圧をコンデンサで分圧し、コンデンサに流通する電流を整流ダイオードによって整流して出力するものである。 A power supply device according to the present invention includes a switching element, a coil having one terminal connected to the power supply side, and the other terminal connected to the switching element, a plurality of rectifier diodes that generate an output current, a coil and the switching element It has a capacitor that connects one terminal to the connection point and connects the other terminal to the rectifier diode side, and a control unit that operates the switching element. The rectifier diode is both when the switching element is turned on and when it is turned off. in, it is one that an output current from the capacitor, a voltage higher than the power supply voltage generated at the terminals of the coil divided by a capacitor, and outputs rectifies that current to flow to the capacitor by the rectifier diode.
この発明に係るLED点灯装置は、上述の電源装置を使用してLEDを点灯するものである。 The LED lighting device according to the present invention lights an LED using the power supply device described above.
この発明に係るバッテリ充電装置は、上述の電源装置を使用してバッテリを充電するものである。 The battery charging device according to the present invention charges a battery using the above-described power supply device.
この発明によれば、コイルとスイッチング素子からなるステップアップ電源によって電源電圧を昇圧し、当昇圧した電圧をコンデンサと負荷とで2分することで、負荷に印加される出力電圧を当昇圧した電圧の略1/2に降下させるようにしたので、降圧用のスイッチング素子とその制御回路を追加することなく、電源電圧より低い電圧から電源電圧より高い電圧に至る広範囲の電圧を出力することができる電源装置を提供することができる。 According to the present invention, the power supply voltage is boosted by the step-up power supply composed of the coil and the switching element, and the boosted voltage is divided into two by the capacitor and the load, so that the output voltage applied to the load is boosted. Therefore, it is possible to output a wide range of voltages from a voltage lower than the power supply voltage to a voltage higher than the power supply voltage without adding a step-down switching element and its control circuit. A power supply device can be provided.
この発明によれば、電源電圧より低い電圧から電源電圧より高い電圧に至る広範囲の電圧を出力することができる電源装置を使用するようにしたので、LEDの順方向電圧が、電源電圧より低い電圧から電源電圧より高い電圧に至る広範囲の電圧であっても点灯可能なLED点灯装置を、簡素な構成で実現することができる。 According to the present invention, since the power supply device capable of outputting a wide range of voltages from a voltage lower than the power supply voltage to a voltage higher than the power supply voltage is used, the forward voltage of the LED is a voltage lower than the power supply voltage. Thus, an LED lighting device that can be lit even in a wide range of voltages from a power supply voltage to a voltage higher than the power supply voltage can be realized with a simple configuration.
この発明によれば、電源電圧より低い電圧から電源電圧より高い電圧に至る広範囲の電圧を出力することができる電源装置を使用するようにしたので、バッテリ電圧が、電源電圧より低い電圧から電源電圧より高い電圧に至る広範囲の電圧であっても充電可能なバッテリ充電装置を、簡素な構成で実現することができる。 According to the present invention, since the power supply device capable of outputting a wide range of voltages from a voltage lower than the power supply voltage to a voltage higher than the power supply voltage is used, the battery voltage is changed from the voltage lower than the power supply voltage to the power supply voltage. A battery charger capable of charging even a wide range of voltages up to a higher voltage can be realized with a simple configuration.
実施の形態1.
図1に示す電源装置10は、コイルL1とスイッチング素子SW1を使用するスイッチング式のステップアップ電源(ブーストコンバータ、昇圧コンバータ)を備え、コイルL1で昇圧したステップアップ電圧をコンデンサC1で分圧して降圧することによって、直流電源1の電源電圧を所定の電圧に変換するものである。
The
コイルL1の一方の端子は直流電源1に接続され、もう一方の端子はスイッチング素子SW1に接続されている。コイルL1とスイッチング素子SW1の接続点にはコンデンサC1の一方の端子が接続され、コンデンサC1のもう一方の端子は負荷2に接続されている。制御部11は、電源電圧とシャント抵抗R1によって測定される電源電流とに基づいて、スイッチング素子SW1のオンオフ動作を制御する駆動信号を出力する。
One terminal of the coil L1 is connected to the
この電源装置10は、直流電源1の電源電圧を高めるコイルL1の出力端子に直列に接続したコンデンサC1を備え、本来電源電圧以上となるステップアップ電圧を、当コンデンサC1と接続する負荷2とで2分することで、負荷2に印加される電圧、つまり出力電圧をステップアップ電圧の1/2以下に降下させる。
This
図2に、本実施の形態1に係る電源装置10の動作波形を示す。図2(a)はスイッチング素子SW1のオンオフ動作、図2(b)はコイルL1に流れる電流、図2(c)はスイッチング素子SW1のドレイン電流とドレイン端子電圧、図2(d)はコンデンサC1に流れる電流と端子間電圧、図2(e)は負荷2に流れる電流と端子電圧、図2(f)はシャント抵抗R1に流れる電流(電源電流)の波形であり、各図とも横軸が時間を示す。
FIG. 2 shows operation waveforms of the
制御部11から出力する駆動信号により、スイッチング素子SW1をオンしてコイルL1に電流を通電し(図1の破線矢印)、磁気エネルギを貯え、スイッチング素子SW1をオフして、貯えた磁気エネルギを放出する。このスイッチング素子SW1をオフしたときに、コイルL1には昇圧された電圧が発生し、コイルL1と直列に接続されたコンデンサC1に電荷を貯えながら、負荷2に正極性の電流を通電する(図1の一点鎖線矢印)。再びスイッチング素子SW1をオンしたときには、コイルL1に電流を通電し、磁気エネルギを貯えながら、同時にコンデンサC1に貯えた電荷を放出して、負荷2に負極性の電流を通電する(図1の二点鎖線矢印)。従って、負荷2へ出力する電流は極性が異なるものの、スイッチング素子SW1をオンするときとオフするときの双方において、負荷2に電力を出力できる。
In accordance with the drive signal output from the
なお、スイッチング素子SW1がオフするときに負荷2に印加される電圧(極性は正)は、スイッチング素子SW1のドレイン端子に発生する電圧からコンデンサC1の端子間電圧を差し引いた電圧である。スイッチング素子SW1がオンしたときに負荷2に印加される電圧(極性は負)は、コンデンサC1の端子間電圧である。
このとき、図2(e)の負荷2の端子電圧の絶対値は、図2(c)のスイッチング素子SW1のドレイン端子電圧の約1/2となる。つまり、コイルL1とスイッチング素子SW1とからなるステップアップ電源が出力するステップアップ電圧は、本来、直流電源1の電源電圧以上となるが、このステップアップ電圧をコンデンサC1と負荷2とによって2分することで、負荷2に印加される出力電圧をステップアップ電圧の1/2に降下させるので、直流電源1が出力電圧より低くなった場合だけでなく直流電源1が出力電圧より高くなった場合でも容易に任意の電圧値を出力することができる。このように、ステップアップ電源で昇圧した電圧を1/2にする構成によって、例えば、8Vから16Vまで変動する車載用バッテリを直流電源1として使用した場合、いずれの電源電圧においても12Vを出力することができる。
Note that the voltage (polarity is positive) applied to the
At this time, the absolute value of the terminal voltage of the
図3は、負荷2としてLED2aを使用する場合の電源装置10の構成例を示す回路図である。図3の構成例では、コンデンサC1とLED2aの間に4個の整流ダイオードD1〜D4を接続して、コンデンサC1からLED2aに対して流れる正極性と負極性の電流を全波整流(あるいは両波整流)して直流にする。
このとき、図4に示すように、LED2aの端子電圧は、図2(c)に示したスイッチング素子SW1のドレイン端子電圧の約1/2となる。つまり、電源電圧より高い電圧しか出力できないステップアップ電源を、電源電圧より低い電圧、もしくは、電源電圧と同レベルの電圧が出力できる電源にすることができる。
FIG. 3 is a circuit diagram illustrating a configuration example of the
At this time, as shown in FIG. 4, the terminal voltage of the
また、コイルL1に流れる電流が臨界モードあるいは連続モード(図2(b))になるように、制御部11がスイッチング素子SW1をオンオフ動作させ、複数の整流ダイオードD1〜D4を使用してスイッチング素子SW1がオンするときとオフするときの双方でコンデンサC1から出力電流を流すため、入力電流および出力電流が概ね連続的に流れるようになる。従って、図4に示すような、リプルの少ない出力電圧あるいは出力電流が得られる。さらに、リプルが減少するので、電源と出力をフィルタするコンデンサ(不図示)の容量を低減でき、電源装置10の小型化と低廉化が可能となる。
Further, the
図5は、負荷2としてLED2a,2bを使用する場合の電源装置10の構成例を示す回路図である。LEDがダイオード特性を備えるため、図4に示した整流ダイオードD1〜D4を使用しない構成も可能である。そこで、図5の構成例では、LED2aのアノード端子をコンデンサC1の出力端子に接続して正極性の電流を通電させ、反対に、LED2bのカソード端子をコンデンサC1の出力端子に接続して負極性の電流を通電させる。これにより出力電流を整流する整流ダイオードD1〜D4を省略でき、電源装置10を簡素な構成にできる。
FIG. 5 is a circuit diagram illustrating a configuration example of the
なお、LED2a,2bの一方、例えばLED2aに電流が通電しているときは、当LED2aの端子間電圧は順方向電圧となっており、当順方向電圧が他方のLED2bの逆方向耐電圧以下であれば、問題ない。一般的に、逆方向耐電圧(例えば、5〜6V)は、順方向電圧(例えば、2〜3V)より高い。
Note that when a current is applied to one of the
ちなみに、LED2aおよびLED2bそれぞれには、コンデンサC1に流れる正負いずれかの極性の電流が通電されるため、LED2aとLED2bが交互に点灯する。つまり、LED2a,2bが点滅することになる。しかしながら、一般的に、点滅周波数が200Hz以上であれば、視覚的にちらつきとして認識されないため、点滅点灯は実用上問題ない。また、LED2aおよびLED2bそれぞれに通電される時間が概ね1/2となるため、通電電流を2倍にしても損失(発熱量)は同等である。従って、上記点滅点灯による発光量の低下を、通電電流の増加によって回避することができる。
Incidentally, each of the
図6は、コンデンサC1の電荷を放出する放電経路(二点鎖線で示す)に、電流制限用コイルL2を挿入した場合の電源装置10の構成例を示す回路図である。また、図7に、電流制限用コイルL2を使用しない場合のコンデンサC1に流れる電流(実線)と端子間電圧(破線)、電流制限用コイルL2を使用した場合のコンデンサC1に流れる電流(一点鎖線)と端子間電圧(二点鎖線)の波形を示す。図7に示すように、電流制限用コイルL2を挿入することにより、突入(サージ)電流が軽減できるため、スイッチング素子SW1に過剰な負担をかけることが無く、ノイズの発生も抑制される。
ちなみに、コンデンサC1に電荷を貯える充電経路(一点鎖線で示す)には、ステップアップ用のコイルL1が挿入されているために、突入電流が流れることは無い。
FIG. 6 is a circuit diagram illustrating a configuration example of the
Incidentally, since the step-up coil L1 is inserted in the charging path (indicated by the alternate long and short dash line) for storing charges in the capacitor C1, no inrush current flows.
以上のように、電源装置10は、コイルL1とスイッチング素子SW1によってステップアップされた電圧を、コンデンサC1とLED2a(またはLED2a,2b)とによって2分する一方で、当コンデンサC1の出力端子から出力される正負両極性に変化する略矩形波状の交流波形を、複数の整流ダイオードD1〜D4(またはLED2a,2b)によって正負共に一方向に揃え、直流電流として出力する。つまり、コイルL1とスイッチング素子SW1で昇圧された電圧を1/2にして、スイッチング素子SW1で分断された電流を補間して連続的な電流を出力する。
ステップアップ電源にコンデンサC1と複数の整流ダイオードD1〜D4を追加する構成に関しては、先立って説明した特許文献1〜3のいずれにも記載されていない。
As described above, the
The configuration in which the capacitor C1 and the plurality of rectifier diodes D1 to D4 are added to the step-up power supply is not described in any of
次に、制御部11を説明する。
制御部11は、スイッチング素子SW1のオンオフ動作の周期を一定にしてオンオフ時間の比率(Duty)を変化させるPWM(Pulse Width Modulation)制御、オンまたはオフ時間を一定にしてオンオフ動作の周期を変化させるPFM(Pulse Frequency Modulation)制御、あるいは周期とDutyの双方を変化させる制御等を行うことにより、負荷2に出力する電流あるいは電圧を、任意の電流値あるいは電圧値にする。
Next, the
The
なお、図1の構成において、出力電流の絶対値の平均値が、シャント抵抗R1によって測定される電源電流と同等であることに着目すれば、この電源装置10を、例えば、定電流でLEDを点灯するLED点灯装置に応用することができる。つまり、制御部11において、電源電圧とシャント抵抗R1に流れる電源電流とから、LED2aまたはLED2bに流れる電流が推定できるため、LED点灯装置用の定電流電源として使用する電源装置10においては、シャント抵抗R1によって検出される電流が所定の定電流となるように、制御部11がスイッチング素子SW1のオンオフ動作を制御すれば充分であり、直流電源1のような安定した電圧の電源を使用する場合は、LED2a,2bに流れる電流をあえて制御部11にフィードバックする必要はない。
即ち、LED2a,2bの点灯電位が、直流電源1の接地電位に対して、矩形波状に変動することが問題にならないため、簡素な構成のLED点灯装置を構成できる。
In the configuration of FIG. 1, if attention is paid to the fact that the average value of the absolute value of the output current is equal to the power supply current measured by the shunt resistor R1, the
That is, it is not a problem that the lighting potentials of the
もちろん、LED2a,2bに流れる電流を制御部11にフィードバックしてスイッチング素子SW1を操作してもよい。
また、LED2a,2bは、発光ダイオードに限定されるものではなく、半導体による光源を総称するものであって、レーザダイオード、有機発光ダイオード(OLED)等を含む。
また、図示例ではスイッチング素子SW1にFET(電界効果トランジスタ)を使用しているが、トランジスタおよびIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)等を使用してもよい。
Of course, the current flowing through the
Moreover, LED2a, 2b is not limited to a light emitting diode, It is a general term for the light source by a semiconductor, Comprising: A laser diode, an organic light emitting diode (OLED), etc. are included.
In the illustrated example, an FET (field effect transistor) is used as the switching element SW1, but a transistor, an IGBT (insulated gate bipolar transistor), or the like may be used.
以上より、実施の形態1によれば、電源装置10は、コイルL1と当コイルL1に電流を流すスイッチング素子SW1とを使用するステップアップ電源と、出力電流を生成する複数の整流ダイオードD1〜D4と、コイルL1とスイッチング素子SW1の接続点に一方の端子を接続し、他方の端子を整流ダイオードD1〜D4側に接続するコンデンサC1と、スイッチング素子SW1を操作する制御部11とを備え、コイルL1の端子に発生する電圧をコンデンサC1で分圧し、コンデンサC1に流通する正負両極性の電流を整流ダイオードD1〜D4で整流して出力するように構成した。このため、ステップアップ電源に対して降圧用のスイッチング素子とその制御回路を追加することなく、電源電圧より低い電圧から電源電圧より高い電圧に至る広範囲の電圧を出力することができる電源装置10を提供することができる。また、電源用および出力用のフィルタコンデンサの容量を減らしても、出力電流、出力電圧、および電源電流に重畳するリプルを抑制することができる。従って、簡素な構成の電源装置10が実現できる。
As described above, according to the first embodiment, the
また、実施の形態1によれば、電源装置10を使用してLED2aを点灯するLED点灯装置を構成するようにしたので、LED2aの順方向電圧が電源電圧より低い電圧から電源電圧より高い電圧に至る広範囲の電圧であっても点灯が可能なLED点灯装置を、簡素な構成で実現できる。
Further, according to the first embodiment, since the LED lighting device is configured to light the
また、実施の形態1によれば、負荷であるLED2a,2bが、電源装置10の整流ダイオードD1〜D4を兼用する構成にしたので、出力電流整流用のダイオードを使用しない、簡素な構成のLED点灯装置が実現できる。
In addition, according to the first embodiment, the
なお、上記実施の形態1では電源装置10の負荷としてLEDを接続する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、電源装置10の負荷としてバッテリを接続し、当バッテリを充電するバッテリ充電装置を構成してもよい。
In the first embodiment, the case where the LED is connected as the load of the
実施の形態2.
本実施の形態2は、トランスを設けて、任意の電圧を出力する構成にするもので、図8は、絶縁式トランスを使用した場合の電源装置10の構成例を示す回路図である。なお、図8において図1〜図7と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。また、この例では、電源装置10の出力側に負荷となるLED2a,2bを接続して、電源装置10をLED点灯装置として使用している。
In the second embodiment, a transformer is provided to output an arbitrary voltage, and FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration example of the
図8においては、コンデンサC1の出力側に絶縁式トランス21を設けて、任意の電圧を出力する構成にする。この絶縁式トランス21の1次巻線にコンデンサC1の出力端子を接続し、2次巻線に整流作用を兼ねたLED2a,2bを接続している。コイルL1の端子に発生するステップアップ電圧がコンデンサC1と絶縁式トランス21の1次巻線とによって分圧される。
In FIG. 8, an insulating
この絶縁式トランス21は、1次巻線と2次巻線の巻数比によって、出力電圧を調整するために使用する。つまり、巻数比が下式(1)となる絶縁式トランス21を使用すれば、負荷であるLED2a,2bに供給する出力電圧を任意に設定することができる。
〔出力電圧(即ち、2次巻線電圧)×巻数比〕≧〔(電源電圧)/2〕 (1)
The insulating
[Output voltage (ie, secondary winding voltage) × turn ratio] ≧ [(power supply voltage) / 2] (1)
なお、当絶縁式トランス21は、単純に電圧変換を行うもので、コアに磁気エネルギを貯える必要が無く、コンデンサC1の挿入によって直流電流が重畳されることも無いため、適切な電流容量の巻線が巻回できるサイズであれば充分である。従って小型のコアが使用でき、電源装置10の小型化が可能である。
The
また、絶縁式トランス21を使用した場合、1次巻線と2次巻線が独立しているので、2次側の電位を任意に設定することができ、制御部11において出力電流あるいは出力電圧のフィードバック制御もしくは他の機器への連係が容易になる。また、1次側と2次側を絶縁することで、感電し難い電源装置10を実現できる。
Further, when the insulating
なお、図8において、接続するLEDをLED2aだけにして、図3に示したような複数の整流ダイオードD1〜D4を使用して絶縁式トランス21の出力を整流した電流を通電してもよい。また、図6のように当整流ダイオードD1〜D4に加えて、電流制限用コイルL2を付加してもよい。
In FIG. 8, only the
また、絶縁式トランス21に代えて、例えば単巻式トランス22を使用してもよい。
図9に、1次巻線と2次巻線の一部を共用した単巻式トランス22を使用した場合の電源装置10の構成例を示す。当構成例においてはコンデンサC1に接続される端子から接地側端子に巻回される1次巻線と、接地側端子から整流ダイオードD5およびD6に接続される端子に巻回される2巻の2次巻線を備える単巻式トランス22を使用する。当単巻式トランス22の接地側端子から整流ダイオードD5に接続される端子に巻回される2次巻線は1次巻線の一部を共用するものであり、絶縁式トランス21を使用する場合に比べてトランスの構成を簡素にすることができる。また、1次側と2次側の電位を共通にすることで、制御部11において出力電流あるいは出力電圧のフィードバック制御が容易になる。当フィードバック制御により、任意の電圧を出力する電源装置10を容易に実現できる。
Further, for example, a single-winding
FIG. 9 shows a configuration example of the
図9の構成例では、負荷としてバッテリ2cを接続し、単巻式トランス22の2巻の2次巻線の出力を整流ダイオードD5,D6でそれぞれ整流し、平滑用コンデンサC2で平滑した後、バッテリ2cへ供給している。平滑用コンデンサC2を挿入することにより、出力電流および出力電圧に重畳するリプルを抑制できる。
In the configuration example of FIG. 9, the
図10は、コンデンサC1の放電経路に相当する経路に電流制限用コイルL2を挿入した場合の電源装置10の構成例を示す回路図である。単巻式トランス22(あるいは絶縁式トランス21)を使用した電源装置10においても、電流制限用コイルL2を挿入することにより、突入電流が軽減でき、ノイズの発生を抑制できる。
FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a configuration example of the
以上より、実施の形態2によれば、電源装置10は、コンデンサC1の出力端子に1次巻線を接続し、整流ダイオード(例えば、図9のD5,D6、図10のD1,D2、および図15のD1〜D4)に2次巻線を接続するトランス(例えば、絶縁式トランス21、単巻式トランス22)を備え、コイルL1の端子に発生する電圧をコンデンサC1で分圧してトランスの1次巻線に印加し、当トランスを介してコンデンサC1に流通する正負両極性の電流を整流ダイオード(例えば、図9のD5,D6、図10のD1,D2、および図15のD1〜D4)で整流して出力するように構成した。このため、トランスを使用することで、任意の電圧が出力できる電源装置10を実現できる。
As described above, according to the second embodiment, the
また、実施の形態2によれば、1次巻線と2次巻線が独立している絶縁式トランス21を使用した場合には、2次側の電位を任意に設定することができ、フィードバック制御もしくは他の機器への連係が容易になる。また、トランスの1次側と2次側を絶縁することで、感電し難い電源装置10を実現できる。
Further, according to the second embodiment, when the insulating
また、実施の形態2によれば、1次巻線と2次巻線の一部が共用されている単巻式トランス22を使用した場合には、簡易な構成のトランスを使用して電源装置10を実現できる。また、トランスの1次側と2次側の電位を共通にすることで、フィードバック制御が容易になる。
Further, according to the second embodiment, when the single-winding
また、実施の形態2によれば、電源装置10を使用してバッテリ2cを充電するバッテリ充電装置を構成するようにしたので、バッテリ電圧が電源電圧より低い電圧から電源電圧より高い電圧に至る広範囲の電圧であっても充電が可能なバッテリ充電装置を、簡素な構成で実現できる。
あるいは、実施の形態2の電源装置10を使用してLED2a,2bを点灯するLED点灯装置を構成してもよく、この場合には、LED2aの順方向電圧が電源電圧より低い電圧から電源電圧より高い電圧に至る広範囲の電圧であっても点灯が可能なLED点灯装置を、簡素な構成で実現できる。
Further, according to the second embodiment, since the battery charging device is configured to charge the
Or you may comprise the LED lighting device which lights LED2a, 2b using the
実施の形態3.
図11は、本実施の形態3に係る電源装置10の構成を示す回路図である。なお、図11において図1〜図10と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。また、この例では、電源装置10の出力側に負荷となるLED2aを接続して、電源装置10をLED点灯装置として使用している。
FIG. 11 is a circuit diagram showing a configuration of
本実施の形態3では、電源装置10の電源として交流電源1aを使用するために、この交流電源1aとコイルL1の間に、交流の電源電流を整流して直流にする整流ダイオードD7〜D10を挿入している。この構成において、コイルL1とスイッチング素子SW1とからなるステップアップ電源はPFC(Power Factor Correction)(力率改善回路)としても作用する。
In the third embodiment, in order to use the
また、図12および図13に示すように、交流電源1aを使用する電源装置10において、上記実施の形態2と同様にコンデンサC1の出力側に絶縁式トランス21(あるいは単巻式トランス22)を設けて、任意の電圧を出力する構成にすることも可能である。図13の構成例では、整流ダイオードD5,D6とバッテリ2cとの間に平滑用コンデンサC2を挿入して、出力電流および出力電圧に重畳するリプルを抑制している。
Further, as shown in FIGS. 12 and 13, in the
以上より、実施の形態3によれば、電源装置10は、交流電源1aとコイルL1の間に挿入され、交流電源1aからの電流を整流してコイルL1へ出力する整流回路(例えば、整流ダイオードD7〜D10)を備えるように構成した。このため、コイルL1とスイッチング素子SW1とからなるステップアップ電源に対して、降圧用のスイッチング素子とその制御回路を追加することなく、交流電源電圧より低い電圧から交流電源電圧より高い電圧に至る広範囲の電圧を出力することができる電源装置10を提供することができる。また、交流電源1aを使用する場合でも、上記実施の形態1の直流電源1を使用する場合と同様、電源および出力をフィルタするコンデンサ(平滑用コンデンサC2)の容量を減らしても、出力電流、出力電圧、および電源電流に重畳するリプルを抑制することができる。従って、簡素な構成で、力率が高い、交流を電源とする電源装置10が実現できる。
さらに、この電源装置10を使用して、交流を電源とするLED点灯装置およびバッテリ充電装置を実現できる。
As described above, according to the third embodiment, the
Furthermore, this
実施の形態4.
図14は、本実施の形態4に係る電源装置10の構成を示す回路図である。なお、図14において図1〜図13と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。また、この例では、電源装置10の出力側に負荷となるLED2aを接続して、電源装置10をLED点灯装置として使用している。
FIG. 14 is a circuit diagram showing a configuration of
本実施の形態4では、電源装置10の電源として交流電源1aを使用するために、コイルL1に電流を流すスイッチング素子SW1として双方向スイッチング素子を用いている。双方向スイッチング素子は、例えば図16〜図19のスイッチング素子SW1のように直列に接続した2個のスイッチング素子SW11,SW12によって構成される双方向対応のスイッチング素子で、制御部11の出力する駆動信号に従って同時にオンオフ動作する。スイッチング素子SW11,SW12によって構成される一式の双方向スイッチング素子を使用することにより、正逆双方向ともに電流を流し、また止めることができる。従って、上記実施の形態2の図11〜図13に示した電源用の整流ダイオードD7〜D10を使用せずに、交流電源1aを電源とする電源装置10を構成可能となる。
In the fourth embodiment, in order to use the
また、図15に示すように、交流電源1aを使用する電源装置10において、上記実施の形態3と同様にコンデンサC1の出力側に絶縁式トランス21(あるいは単巻式トランス22)を設けた場合でも、スイッチング素子SW11,SW12によって構成される一式の双方向スイッチング素子を使用することにより、電源側の整流ダイオードD7〜D10を削減可能である。
Further, as shown in FIG. 15, in the
なお、制御部11が、絶縁した信号伝達回路を経由して、スイッチング素子SW11,SW12を駆動する構成にすることが好都合であり、以下に図16〜図19に、本実施の形態4に係る電源装置10の信号伝達回路の構成例を示す。なお、制御部11は駆動信号の伝達に関わる部分のみを図示している。
In addition, it is convenient for the
図16に示す制御部11において、パルストランス31の1次側には当パルストランス31を制御するスイッチング素子SW2が接続されている。また、パルストランス31の2次巻線の高電位側にスイッチング素子SW11,SW12の各ゲート端子が接続され、低電位側にスイッチング素子SW11,SW12の各ソース端子が接続されている。
In the
図16の制御部11において、スイッチング素子SW11,SW12を駆動する駆動信号(オンオフ信号)がスイッチング素子SW2に入力され、パルストランス31を介してスイッチング素子SW11,SW12それぞれに絶縁された状態で伝達され、スイッチング素子SW11,SW12が同じタイミングでオンオフ動作を行う。
In the
図17に示す制御部11において、フォトカプラ32の発光側には当フォトカプラ32を制御するスイッチング素子SW2が接続されている。フォトカプラ32の受光側には、ゲート駆動部33を介してスイッチング素子SW11,SW12の各ゲート端子が接続されている。スイッチング素子SW11,SW12の各ソース端子は、絶縁電源34の低電位側に接続されている。絶縁電源34は、トランス35、整流ダイオードD11および平滑用コンデンサC33から構成され、スイッチング素子SW3の制御に応じて、スイッチング素子SW11,SW12の駆動電源を生成してゲート駆動部33へ供給する。
In the
図17の制御部11において、電源用矩形波信号により駆動するスイッチング素子SW3が絶縁電源34を制御して、スイッチング素子SW11,SW12の駆動電源をゲート駆動部33へ供給する。また、スイッチング素子SW11,SW12の動作を制御する駆動信号(オンオフ信号)がスイッチング素子SW2に入力され、フォトカプラ32およびゲート駆動部33を介してスイッチング素子SW11,SW12それぞれに絶縁された状態で伝達され、スイッチング素子SW11,SW12が同じタイミングでオンオフ動作を行う。
なお、上記においては、1個の双方向スイッチング素子を動作させることを前提にしているため、当1個の双方向スイッチング素子を構成するスイッチング素子SW11,SW12を同じタイミングで動作する方式を記載したが、電源電流の通電動作と遮断動作ができる構成であれば、必ずしも両者が同じタイミングで動作する必要は無く、例えば電流が内部の寄生ダイオードに流れる側のスイッチング素子を連続的にオンし、他方をオンオフ動作させても全体的には同様な動作となり、同様な効果が得られる。
In the
In the above, since it is assumed that one bidirectional switching element is operated, a method of operating the switching elements SW11 and SW12 constituting the one bidirectional switching element at the same timing is described. However, if the power supply current can be energized and cut off, both do not necessarily operate at the same timing. For example, the switching element on the side where the current flows through the internal parasitic diode is continuously turned on, Even if the on / off operation is performed, the same operation is performed as a whole, and the same effect can be obtained.
図16および図17では、一式の双方向スイッチング素子を構成するスイッチング素子SW11,SW12の互いのソース端子を接続したが、これに限定されるものではなく、図18および図19に示すように、スイッチング素子SW11,SW12の互いのドレイン端子を接続してもよい。なお、図18および図19のように互いのドレイン端子を接続した場合、スイッチング素子SW11,SW12の各ゲート端子に電位の異なる駆動信号を入力する必要があるため、パルストランス31に2次巻線を2個設けたり(図18)、あるいは絶縁電源34を2個にしてそれぞれの電源でフォトカプラ32が動作するようにしている(図19)。
16 and 17, the source terminals of the switching elements SW11 and SW12 constituting the set of bidirectional switching elements are connected to each other. However, the present invention is not limited to this, and as shown in FIGS. The drain terminals of the switching elements SW11 and SW12 may be connected. When the drain terminals are connected as shown in FIGS. 18 and 19, it is necessary to input drive signals having different potentials to the gate terminals of the switching elements SW11 and SW12. Are provided (FIG. 18), or two
なお、パルストランス31およびフォトカプラ32の他にも、例えば磁気結合による信号伝達手段(磁気アイソレータ)等を使用して絶縁された信号伝達回路を構成してもよい。
また、図16〜図19ではスイッチング素子SW11,SW12,SW2,SW3にFETを使用しているが、トランジスタおよびIGBT等を使用してもよく、さらに、個々ばらばらの素子でも、複数個をまとめた素子でも構わない。
In addition to the
Further, in FIGS. 16 to 19, FETs are used for the switching elements SW11, SW12, SW2, and SW3. However, transistors and IGBTs may be used, and a plurality of discrete elements are combined. An element may be used.
以上より、実施の形態4によれば、コイルL1に電流を流すスイッチング素子SW1として、双方向スイッチング素子(例えば、スイッチング素子SW11,SW12によって構成される一式の双方向対応のスイッチング素子)を使用する構成にしたので、電源側の整流ダイオードD7〜D10を使用しないため、さらに簡素な構成の、交流を電源とする電源装置10が実現できる。
As described above, according to the fourth embodiment, a bidirectional switching element (for example, a set of bidirectional-compatible switching elements configured by the switching elements SW11 and SW12) is used as the switching element SW1 that allows current to flow through the coil L1. Since the configuration is adopted, the power supply side rectifier diodes D7 to D10 are not used, so that the
実施の形態5.
図20は、本実施の形態5に係る電源装置10の構成を示す回路図である。なお、図20において図1〜図19と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。また、この構成例では、電源装置10の出力側に負荷となるバッテリ2cを接続して、電源装置10をバッテリ充電装置として使用している。
FIG. 20 is a circuit diagram showing a configuration of
本実施の形態5では、絶縁式トランス21の1次巻線を複数の巻線によって構成し、それぞれの巻線を選択的にコンデンサC1と接続する複数の切換え用スイッチング素子SW21,SW22,SW31,SW32を設ける。直列に接続された切換え用スイッチング素子SW21,SW22が一式の双方向スイッチング素子を構成し、同様に、直列に接続された切換え用スイッチング素子SW31,SW32が一式の双方向スイッチング素子を構成する。
In the fifth embodiment, the primary winding of the insulating
本実施の形態5の制御部11は、切換え用スイッチング素子SW21,SW22,SW31,SW32をオンオフ動作させる切換信号を出力する機能を備える。この制御部11は、切換信号によって切換え用スイッチング素子SW21,SW22をオン、切換え用スイッチング素子SW31,SW32をオフに操作して、巻線端子a−c間にコンデンサC1の電圧を印加する。また、切換信号によって切換え用スイッチング素子SW21,SW22をオフ、切換え用スイッチング素子SW31,SW32をオンに操作して、巻線端子b−c間にコンデンサC1に電圧を印加する。このとき、印加される電圧が上式(1)の関係に近い巻数比となるように、1次巻線の巻線端子aあるいはbを選択してコンデンサC1に接続する。図20の構成例では、1次巻線として、電源電圧が高いときは巻線端子a−c間を使用し、電源電圧が低いときは巻線端子b−c間を使用する。
The
なお、本実施の形態5において、効率がもっとも高いのは、コンデンサC1の端子間電圧が電源電圧の1/2のときであり、高効率な電源装置10を実現するためには、1次巻線に印加される電圧が常に電源電圧の1/2に近い電圧となる巻数比の巻線端子に切換えることが好ましい。
In the fifth embodiment, the efficiency is highest when the voltage between the terminals of the capacitor C1 is ½ of the power supply voltage. In order to realize the highly efficient
例えば、電源装置10を図20のようなバッテリ充電装置に応用したときに、制御部11は、実効値が異なる交流電源1a(例えば、100Vrmsあるいは200Vrms)の電源電圧に対応して巻数比を切換えたり、正弦波状に刻々と変化する交流の電源電圧に対応して巻数比を切換えたり、さらには、図20ではフィードバック経路を図示していないが、コンデンサC1の充電と放電によって変化する出力電圧に対応して巻線比を切換えてもよい。なお、1次巻線を構成する巻線の数は、図20の例に限定されるものではなく、さらに多くの巻線を使用して1次巻線を構成し、各巻線端子間の接続を多数のスイッチング素子により切換えることによって、出力電圧を細かく制御してもよい。
For example, when the
また例えば、図8または図9に示したような直流電源1を接続する電源装置10において、絶縁式トランス21または単巻式トランス22の1次巻線を複数の巻線によって構成すると共に、巻線比を切換えるスイッチング素子を追加してもよい。この場合にも、制御部11が異なる電源電圧の直流電源1に対応して巻線比を切換えることにより、高効率な電源装置10を実現することができる。
Further, for example, in the
なお、図20では、交流電源1aに対応するために、コイルL1およびコンデンサC1に電流を流す双方向対応のスイッチング素子としてスイッチング素子SW11,SW12を使用する構成を示したが、当双方向対応のスイッチング素子を使用せずに、電源用の整流回路(例えば、図11に示す整流ダイオードD7〜D10)と単一方向のスイッチング素子(例えば、図11に示すスイッチング素子SW1)を備える構成にしても構わない。
FIG. 20 shows a configuration in which the switching elements SW11 and SW12 are used as bidirectional switching elements that allow current to flow through the coil L1 and the capacitor C1 in order to correspond to the
以上より、実施の形態5によれば、トランス(例えば、絶縁式トランス21、単巻式トランス22)は、1次巻線が複数の巻線から構成されるものであって、電源装置10は、当該複数の1次巻線を選択的にコンデンサC1に接続する切換え用スイッチング素子(SW21,SW22およびSW31,SW32によって構成される双方向スイッチング素子)を備えるように構成した。このため、電源電圧および出力電圧に対応して、絶縁式トランス21または単巻式トランス22の巻線比を切換えることができ、広範囲の電源電圧から、広範囲の出力電圧を高効率で出力できる電源装置10を実現できる。
As described above, according to the fifth embodiment, the transformer (for example, the insulating
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。 In the present invention, within the scope of the invention, any combination of the embodiments, or any modification of any component in each embodiment, or omission of any component in each embodiment is possible. .
1 直流電源、1a 交流電源、2 負荷、2a,2b LED、2c バッテリ、10 電源装置、10a LED点灯装置、10b バッテリ充電装置、11 制御部、21 絶縁式トランス、22 単巻式トランス、31 パルストランス、32 フォトカプラ、33 ゲート駆動部、34 絶縁電源、35 トランス、C1 コンデンサ、C2,C3 平滑用コンデンサ、D1〜D11 整流ダイオード、L1 コイル、L2 電流制限用コイル、R1 シャント抵抗、SW1,SW2,SW3 スイッチング素子、SW11,SW12,SW21,SW22,SW31,SW32 双方向スイッチング素子を構成するスイッチング素子。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記スイッチング素子と、
一方の端子を電源側に接続し、他方の端子を前記スイッチング素子に接続する前記コイルと、
出力電流を生成する複数の整流ダイオードと、
前記コイルと前記スイッチング素子の接続点に一方の端子を接続し、他方の端子を前記整流ダイオード側に接続するコンデンサと、
前記スイッチング素子を操作する制御部とを備え、
前記整流ダイオードは、
前記スイッチング素子がオンするときとオフするときの双方で、前記コンデンサから出力電流を流すものであって、
前記コイルの端子に発生する電源電圧より高い電圧を前記コンデンサで分圧し、前記コンデンサに流通する電流を前記整流ダイオードによって整流して出力することを特徴とする電源装置。 A switching type power supply device using a coil and a switching element for passing a current through the coil,
The switching element;
The coil connecting one terminal to the power supply side and connecting the other terminal to the switching element;
A plurality of rectifier diodes for generating an output current;
A capacitor connecting one terminal to a connection point of the coil and the switching element, and connecting the other terminal to the rectifier diode side;
A control unit for operating the switching element,
The rectifier diode is
An output current flows from the capacitor both when the switching element is turned on and when the switching element is turned off.
Power supply, characterized in that said higher voltage than the power supply voltage generated at the terminals of the coil divided by the capacitor, and outputs a current you flow to the condenser was rectified by the rectifier diode.
前記コイルの端子に発生する電圧を前記コンデンサで分圧して前記トランスの1次巻線に印加し、前記トランスを介して前記コンデンサに流通する電流を前記整流ダイオードによって整流して出力することを特徴とする請求項1記載の電源装置。 A transformer that connects a primary winding to the output side terminal of the capacitor and a secondary winding to the rectifier diode;
The voltage generated at the terminals of the coil divided by the capacitor is applied to the primary winding of the transformer, the you flow in the capacitor current through the transformer to output the rectified by the rectifier diode The power supply device according to claim 1.
前記複数の1次巻線を選択的に前記コンデンサに接続する複数のスイッチング素子を備えることを特徴とする請求項2から請求項4のうちのいずれか1項記載の電源装置。 In the transformer, the primary winding is composed of a plurality of windings,
The power supply device according to any one of claims 2 to 4, further comprising a plurality of switching elements that selectively connect the plurality of primary windings to the capacitor.
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