特許 6284720 電源装置及び照明装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6284720

(24)【登録日】2018年2月9日

(45)【発行日】2018年2月28日

(54)【発明の名称】電源装置及び照明装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20180215BHJP

   H05B 37/02 20060101ALI20180215BHJP

【ＦＩ】

   H02M3/28 B

   H02M3/28 C

   H05B37/02 J

【請求項の数】3

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2013-172718(P2013-172718)

(22)【出願日】2013年8月22日

(65)【公開番号】特開2015-42093(P2015-42093A)

(43)【公開日】2015年3月2日

【審査請求日】2016年7月14日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】390014546

【氏名又は名称】三菱電機照明株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002491

【氏名又は名称】溝井国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】江口 健太郎

(72)【発明者】

【氏名】今▲吉▼ ちづる

(72)【発明者】

【氏名】篠田 健吾

【審査官】 東 昌秋

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−１９５９９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−２８１７６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−８９０５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−３２３０３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１１７８１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平２−２６２６２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ３／００−３／４４

Ｈ０５Ｂ ３７／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

交流電圧を入力して整流する整流部と、
前記整流部によって整流された電圧を予め設定された設定値の直流電圧に変換し、変換した直流電圧を出力電圧として出力すると共に、停止状態から起動を開始した際には、前記設定値に向かって前記出力電圧を徐々に増加させるソフトスタートを実行するフライバック回路であって、力率改善機能を有するフライバック回路と、
前記整流部が入力する前記交流電圧の電圧値を監視し、前記交流電圧の電圧値が予め設定された設定電圧値よりも低くなったことを検出すると前記フライバック回路の動作をコンデンサを介して停止させ、停止させた後に前記交流電圧の電圧値が前記設定電圧値以上となったことを検出すると前記フライバック回路を再起動させて前記ソフトスタートを実行させる交流電圧検出部と
を備えるとともに、
前記フライバック回路は、
前記出力電圧を検出してフィードバック制御を行うための前記コンデンサを有し、
前記コンデンサは、
前記交流電圧の電圧値が前記設定電圧値よりも低くなったことを検出した前記交流電圧検出部によって、蓄えられている電荷を、前記フライバック回路による前記フィードバック制御の応答速度よりも速く放電させられることにより、動作している前記フライバック回路を放電後に停止させることを特徴とする電源装置。

【請求項2】

前記フライバック回路は、
一次側に流れる電流に基づいて二次側に前記出力電圧を発生させるトランスと、
スイッチング素子を有する制御部であって、前記スイッチング素子をスイッチングさせることで前記トランスの前記一次側に流れる電流を発生させると共に、前記トランスの前記一次側に流れる電流の電流値を監視し、前記トランスの前記一次側に流れる電流の電流値が予め設定された設定電流値よりも高くなったことを検出すると前記スイッチング素子のスイッチング動作を停止させる制御部と
を備えたことを特徴とする請求項１記載の電源装置。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の電源装置を備えた照明装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、電源装置及び、この電源装置を備えた照明装置に関する。例えば非常用照明装置に関する。

【背景技術】

【0002】

フライバックＰＦＣコンバータの絶縁トランスに補助巻線を設け、この補助巻線と直列に小容量キャパシタを接続することで直列共振回路を構成し、この直列共振回路をフライバックＰＦＣ・コンバータ全負荷時のリンギング周波数に合わせて設計することでリンギングの波高値を低下させ、ＦＥＴの見かけ耐圧の低下改善、雑音端子電圧の改善、ロード・レギュレーション、ライン・レギュレーションの改善を図る技術がある。（例えば、特許文献１参照。）

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００８−１６１０３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、ＰＦＣ機能搭載（周波数固定）のフライバック回路は応答速度が遅く、電源急変によるオーバーシュート、過電圧、過電流等が発生する恐れがある。

【0005】

本発明は、停電または電源サグが発生したときに、フライバック回路を停止させる。これにより、フライバック回路に発生するサージ電流を抑える。

【課題を解決するための手段】

【0006】

この発明の電源装置は、
交流電圧を入力して整流する整流部と、
前記整流部によって整流された電圧を予め設定された設定値の直流電圧に変換し、変換した直流電圧を出力電圧として出力すると共に、停止状態から起動を開始した際には、前記設定値に向かって前記出力電圧を徐々に増加させるソフトスタートを実行するフライバック回路であって、力率改善機能を有するフライバック回路と、
と、
前記整流部が入力する前記交流電圧の電圧値を監視し、前記交流電圧の電圧値が予め設定された設定電圧値よりも低くなったことを検出すると前記フライバック回路の動作を停止させ、停止させた後に前記交流電圧の電圧値が前記設定値以上となったことを検出すると前記フライバック回路を再起動させて前記ソフトスタートを実行させる交流電圧検出部と
を備えたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、フライバック回路（変換部）におけるサージ電流の発生を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態１を示す図で、非常用照明装置１０００の回路図。

【図2】実施の形態１を示す図で、ソフトスタートなしの場合を示す波形図。

【図3】実施の形態１を示す図で、ソフトスタート有り場合を示す波形図。

【図4】実施の形態２を示す図で、非常用照明装置１０００の回路図の一部。

【図5】実施の形態３を示す図で、ＯＣＰ機能と停電検出回路とを比較した表。

【発明を実施するための形態】

【0009】

実施の形態１．
以下に図１、図２、図３を参照して実施の形態１を説明する。図１は非常用照明装置１０００のうちの非常用ユニット３００（電源装置）の回路図である。図２、図３の波形図は後述する。実施の形態１では、停電検出回路３１０が、停電または電源サグが発生したとき（設定電圧を下まわる電圧を検出したとき）に、フライバック回路３２０（制御ＩＣ（ＩＣ２））を停止させ、この停止後、商用電源ＡＣの復帰（設定電圧以上の電圧）を検出すると、フライバック回路３２０をソフトスタート（後述）させる。これにより、フライバック回路３２０に発生するサージ電流を抑制する。フライバック回路３２０は図１に示すように整流回路ＤＢ（整流部）が整流した電圧の供給を受ける。

【0010】

（ソフトスタート）
非常用ユニット３００に商用電源ＡＣが供給されると、フライバック回路３２０の制御ＩＣ（ＩＣ２）が起動し、制御ＩＣ（ＩＣ２）の内蔵するスイッチング素子（ＭＯＳ−ＦＥＴ、図１、図４）がスイッチング動作を開始する。この起動の際には、制御ＩＣ（ＩＣ２）は、トランスＴ１の二次側に供給する電圧が一定の電圧となるようにスイッチング素子を制御する。この際、制御ＩＣ（ＩＣ２）は、トランスＴ１の二次側に供給する電圧が予め設定された所定の定電圧値となるまでは、ゼロに近い電圧値から徐々に電圧値を上昇させて、予め設定された所定の定電圧値となったとき、この所定の定電圧値を維持するように、スイッチング素子を制御する。この動作（制御ＩＣ（ＩＣ２）が起動して、ゼロに近い電圧値から徐々に電圧値を所定の定電圧値まで上昇させる動作）をこの以降の実施の形態では、「ソフトスタート」という。以上のように、フライバック回路３２０の制御ＩＣ（ＩＣ２）は、起動時にソフトスタートを実行する。なお、フライバック回路３２０の停止、起動は制御ＩＣ（ＩＣ２）の起動、停止を意味する。

【0011】

非常用ユニット３００が動作しているときに、商用電源ＡＣの電圧値が一時的（瞬時的）に低下し、その後、商用電源ＡＣの電圧値が定格電圧まで復帰すると、制御ＩＣ（ＩＣ２）の応答速度が遅いため、トランスＴ１の二次側に供給している電圧値の急激な変化の検出が遅延し、一次側にサージ電流が流れてしまうことがある。そこで、停電検出回路３１０は、一定時間以上、商用電源ＡＣの電圧値が予め設定した設定電圧よりも下がったことを検出したとき、制御ＩＣ（ＩＣ２）を停止させ、その停止後、商用電源ＡＣの電圧値が設定電圧以上となったことを検出したときに、制御ＩＣ（ＩＣ２）を再起動させる。図１では停電検出回路３１０は、整流回路ＤＢの出力側で商用電源ＡＣの電圧値を検出しているが、この場合は、「整流回路ＤＢの入力する商用電源ＡＣの電圧値」を整流回路ＤＢの出力側で監視している。停電検出回路３１０によって再起動される制御ＩＣ（ＩＣ２）は、上記で述べたソフトスタートによって再起動する。このソフトスタートのため、電源サグから復帰時にサージ電流は流れず、各電子部品にストレスをかけることがないという効果を得ることができる。なお停電検出回路３１０の機能を実行するのは制御ＩＣ（ＩＣ１）である。

【0012】

図２、図３は、ソフトスタートの効果を示す波形図である。図２はソフトスタートさせない場合の波形図である。具体的には、図２ではサグが発生しても停電検出回路３１０はフライバック回路３２０の制御ＩＣ（ＩＣ２）を停止させず、よって図２は、サグが発生してもフライバック回路３２０が動作を続ける場合の波形図である。図３は、本実施の形態１のソフトスタートを実行する場合の波形図である。

【0013】

まず図２を説明する。図２の横軸は時間である。縦軸については、図２の上部は、商用電源ＡＣの電圧Ｖ（ＡＣ）を示し、中央は、制御ＩＣ（ＩＣ２）に接続するコンデンサＣ８の電圧Ｖ（Ｃ８）を示し、下部は、トランスＴ１の一次側を流れる電流Ｉ（一次）を示す。電圧Ｖ（ＡＣ）は破線の丸で囲む範囲にサグが生じている。

【0014】

コンデンサＣ８の電圧Ｖ（Ｃ８）を示した理由は以下の通りである。コンデンサＣ８の電圧Ｖ（Ｃ８）は、制御ＩＣ（ＩＣ２）のフィードバック端子（図１、図４のＦＢ端子）に印加される。コンデンサＣ８の電圧Ｖ（Ｃ８）はＦＢ端子から出力される電流によって蓄えられる。制御ＩＣ（ＩＣ２）が内蔵するスイッチング素子（ＭＯＳ−ＦＥＴ）は、ＦＢ端子電圧（つまりＶ（Ｃ８））によってオンデューティ（ゲートオン幅）が決定し、このオンデューティに応じたドレイン電流（Ｉ（一次）として観測、図４のＩ（Ｄ）に相当）を出力する。よってコンデンサＣ８の電圧Ｖ（Ｃ８）がサージ電流に関係するためコンデンサＣ８の電圧Ｖ（Ｃ８）を示した。

【0015】

図２を詳しく説明する。時刻Ｔ（Ｘ）で商用電源ＡＣにサグが発生している。このときコンデンサＣ８の電圧Ｖ（Ｃ８）が上昇を開始しているが、これはサグ発生（商用電源の電圧低下）に伴い、フィードバック回路３６０のフォトカプラＰＣからフライバック回路３２０の出力電圧が低下した信号が入力され、これに応答したフライバック回路３２０が出力を上げたことによる。時刻Ｔ（Ｙ）で商用電源ＡＣが復帰している。この時、コンデンサＣ８の電圧Ｖ（Ｃ８）はサグ発生前に対して上昇しており、時刻Ｔ（Ｙ）でサージ電流が発生している。これは制御ＩＣ（ＩＣ２）のＭＯＳ−ＦＥＴが、時刻Ｔ（Ｙ）におけるコンデンサ電圧Ｖ（Ｃ８）から決まるオンデューティに応じたドレイン電流を発生したからである。

【0016】

次に図３を説明する。図３は図２に対応する図であり、制御ＩＣ（ＩＣ２）をソフトスタートさせる場合の波形図である。ソフトスタートさせる図３ではサージ電流の発生はない。

【0017】

図３では時刻Ｔ（Ｘ）で商用電源ＡＣにサグが発生している。このときコンデンサＣ８の電圧Ｖ（Ｃ８）が上昇しているが、時刻Ｔ（Ｚ）で急激に減少している。これは時刻Ｔ（Ｚ）において停電検出回路３１０がサグ発生を検出してフライバック回路３２０の制御ＩＣ（ＩＣ２）を停止させたことによる。具体的には、停電検出回路３１０の制御ＩＣ（ＩＣ１）が制御ＩＣ（ＩＣ２）のＦＢ端子から出力される電流を自身側に引き抜くことでコンデンサＣ８の電圧Ｖ（Ｃ８）がなくなり、制御ＩＣ（ＩＣ２）のＭＯＳ−ＦＥＴのスイッチングが停止する。時刻Ｔ（Ｗ）で商用電源ＡＣが復帰しているが、この時、停電検出回路３１０（制御ＩＣ（ＩＣ１））は商用電源ＡＣが復帰したことを検出し、制御ＩＣ（ＩＣ２）をソフトスタートさせる。ソフトスタートによりＦＢ端子から出力される電流でコンデンサＣ８の電圧Ｖ（Ｃ８）は徐々に上昇し、やがてサグ発生前の電圧に落ち着き、フライバック回路３２０はサグ発生前の動作を再び継続する。このソフトスタートによりＩ（一次）にサージ電流は発生していない。

【0018】

実施の形態１によれば、商用電源ＡＣの復帰時にサージ電流が発生しないので、非常用ユニット３００を構成する各電子部品にストレスをかけること（各電子部品の定格電圧、定格電流を瞬時的に超えること）がない。

【0019】

実施の形態２．
図４を参照して実施の形態２を説明する。図４は、フライバック回路３２０の制御ＩＣ（ＩＣ２）（スイッチング素子を有する制部）が、ＯＣＰ（オーバーカレントプロテクタ）機能を有す構成である。図４は図１の回路図から一部分を抜き出した図であるが、図４は図１に対して、フライバック回路３２０に、さらに抵抗Ｒ３０１、Ｒ３０２を追加している。なお、図４では停電検出回路３１０を示しているが、実施の形態２では、制御ＩＣ（ＩＣ２）が、ＯＣＰ（オーバーカレントプロテクタ）機能を有すればよく、停電検出回路３１０はなくてもよい。図１、図４のフライバック回路３２０では、制御ＩＣ（ＩＣ２）は、ＰＦＣ（Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ：力率改善）機能を実現する。図４では、ＰＦＣ機能を内蔵するフライバック回路３２０は、フライバック回路３２０を制御する制御ＩＣ（ＩＣ２）と、制御ＩＣ（ＩＣ２）に流れる電流を検出する検出抵抗Ｒ３０１及び「抵抗Ｒ３０２、コンデンサＣ４」（両者はフィルタを構成）から成り、抵抗Ｒ３０１による検出電圧を制御ＩＣ（ＩＣ２）に送るＯＣＰ回路とを備えている。

【0020】

（１）フライバック回路３２０では、制御ＩＣ（ＩＣ２）の有するＭＯＳ−ＦＥＴは、ゲートのＯＮ／ＯＦＦを１周期として周期的にＯＮ／ＯＦＦを繰り返すスイッチング素子であり、１周期のうちのゲートＯＮのときに図４に示すドレイン電流Ｉ（Ｄ）が流れ、このドレイン電流Ｉ（Ｄ）によってトランスＴ１にエネルギが蓄えられる。また、ゲートＯＮ後のゲートＯＦＦにおいて、トランスＴ１に蓄えたエネルギを二次側へ供給することで、二次側に電流を生じさせ、この電流を二次側のコンデンサが蓄えることで、ＭＯＳ−ＦＥＴのスイッチングに基づく二次側電圧が発生する。
（２）ドレイン電流Ｉ（Ｄ）は図４に示すように制御ＩＣ（ＩＣ２）のＤ／ＳＴ端子（第１端子）から流入してＭＯＳ−ＦＥＴのドレイン、ソースを介してＳ／ＧＮＤ端子（第２端子）から流出し、抵抗Ｒ３０１を通過する。ここで抵抗Ｒ３０１はドレイン電流Ｉ（Ｄ）を検出するドレイン電流検出抵抗であり、制御ＩＣ（ＩＣ２）は、ＯＣＰ端子（第３端子）からドレイン電流検出抵抗Ｒ３０１を通過したドレイン電流Ｉ（Ｄ）を検出する。なお抵抗Ｒ３０２とコンデンサＣ４とは、誤動作防止のためのフィルタを形成する。
（３）制御ＩＣ（ＩＣ２）は、ＯＣＰ端子から検出したドレイン電流の値が予め設定された閾値電流（設定電流値）を超えるときは、内蔵するＭＯＳ−ＦＥＴのスイッチング動作を停止する。これによりフライバック回路３２０の動作が停止する。

【0021】

フライバック回路３２０は商用電源ＡＣを整流したＤＣ電圧を入力され、トランスＴ１の二次側に一定電圧を出力するように制御されるが、図４のようにＰＦＣ機能を内蔵する場合は、商用電源ＡＣの電圧波形を阻害しないように応答速度を商用周波数以下にする必要がある。このため、この応答速度よりも速い電源変動に対しては追従できず、例えば瞬時電圧低下などで商用電源が低下した後に電源が復帰すると、サージ電流が発生する。これは、電源電圧が低下して低い電源状態で電流を流そうとＭＯＳ−ＦＥＴのＯＮ時間が長くなった状態で、急に電圧が復帰して高い電源電圧が印加されると、応答速度が追いつくまではＯＮ時聞が長いままで高い電圧が印加され続ける事による。この状態は商用電源ＡＣがＡＣ２００Ｖ−２５４Ｖなどの高い場合に発生しやすい。

【0022】

これを原因とするサージ電流の発生を実施の形態２ではＯＣＰ機能で抑止する。ＯＣＰ機能（ＯＣＰ機能部）は、制御ＩＣ（ＩＣ２）とＯＣＰ回路（図４）とで構成される。ＯＣＰ機能は、制御ＩＣ（ＩＣ２）がドレイン電流検出抵抗である抵抗Ｒ３０１によってドレイン電流の値を検出し、検出したドレイン電流の値が設定値をこえる場合に、ＭＯＳ−ＦＥＴのスイッチングを停止することで実現される。実施の形態２は、制御ＩＣ（ＩＣ２）の有するＭＯＳ−ＦＥＴのドレイン電流Ｉ（Ｄ）（トランスＴ１の一次側を流れる電流に相当）を検出抵抗などで検出して、フライバック回路３２０を停止させるＯＣＰ機能に関する。

【0023】

以上のように実施の形態２では、制御ＩＣ（ＩＣ２）が、ＭＯＳ−ＦＥＴのゲートがＯＮのときに流れるドレイン電流Ｉ（Ｄ）であって、トランスＴ１から流出して制御ＩＣ（ＩＣ２）のＤ／ＳＴ端子（第１端子）から流入して、ＭＯＳ−ＦＥＴのドレイン、ゲートの順に経由してＳ／ＧＮＤ端子から流出するドレイン電流を、ＯＣＰ端子で監視する。制御ＩＣ（ＩＣ２）はドレイン電流の値が予め設定された閾値電流を超える場合には、ＭＯＳ−ＦＥＴのスイッチングを停止する。よって、商用電源ＡＣの急変によるオーバーシュート（過電圧、過電流）を抑制できる。

【0024】

実施の形態３．
実施の形態３は、実施の形態１と実施の形態２とを組み合わせた内容である。つまり、図４に示すようにＰＦＣ機能搭載のフライバック回路３２０において、
（１）商用電源ＡＣが低下したことを検出しフライバック回路を停止させる停電検出回路３１０と
（２）実施の形態２で述べた、電流を検出抵抗などで検出してフライバック回路３２０を停止させるＯＣＰ機能とを使用して、サージ電流の発生を防ぐ。よって、実施の形態２では図４の停電検出回路３１０は無くても良かったが、実施の形態３では、停電検出回路３１０は必須である。

【0025】

ＰＦＣ機能搭載のフライバック回路は応答速度が遅く、電源急変によるオーバーシュート（過電圧、過電流）が発生する。これに対し、実施の形態２で述べたＯＣＰ機能を使用する事でフライバック回路の破壊は防げる。しかし、過電流は「制御ＩＣ（ＩＣ２）の内蔵するＭＯＳ−ＦＥＴ」のスイッチングの１周期内で発生するため検出を早くする必要があり、ノイズ除去のコンデンサなどの遅延が大きくできない。このためＯＣＰの検出レベルは正常状態よりもかなり大きくする必要があり、この検出レベルまでの過電流は防ぐことができない。ＯＣＰは応答速度が非常に速く電源急変に対応可能というメリットがあるが、検出レベル値が高く、この検出レベル値までの過電流は防ぐことができないというデメリットがある。
一方、ＯＣＰに対し、実施の形態１で述べた停電検出回路を使用して、商用電源が正常でない場合にはフライバック回路を停止させ、ソフトスタートで復帰させることでＯＣＰ検出レベルのサージ電流の発生を防ぐことが可能となる。停電検出回路によるソフトスタートによれば通常電流値を超え、ＯＣＰの検出レベル値程度までの過電流を防ぐことが可能というメリットがある。しかし停電検出回路によるソフトスタートの場合は、商用電源が低下したことを検出するには、最低でも商用電源周期程度の時間が必要である。よって、瞬時的なサージ電流は抑えることができないといデメリットがある。そこで、実施の形態３では、実施の形態２のＯＣＰ機能と、実施の形態２の停電検出回路によるソフトスタートとを併用することで、それぞれの機能を補完することができる。
図５は、停電検出回路によるソフトスタートと、ＯＣＰ機能との特性を対比したものである。

【0026】

なお、実施の形態２ではＯＣＰ機能によってフライバック回路３２０の動作を停止し、実施の形態３では、停電検出回路３１０と、ＯＣＰ機能とを併用してフライバック回路３２０の動作を停止する場合を説明した。

【符号の説明】

【0027】

１０００ 非常用照明装置、３００ 非常用ユニット、３１０ 停電検出回路、３２０ フライバック回路、３２０−１ 変換部、３２１ 電圧検出回路、３３０ 第一電源回路、３６０ フィードバック回路、ＤＢ 整流回路、Ｃ１〜Ｃ６，Ｃ８，Ｃ９，Ｃ１３〜Ｃ１４ コンデンサ、Ｃ７，Ｃ１０ 電解コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ３ ダイオード、Ｄｚ１〜Ｄｚ３ ツェナーダイオード、Ｒ１〜Ｒ４，Ｒ１３〜Ｒ１６，Ｒ３０１，Ｒ３０２ 抵抗、Ｔ１ トランス、ＩＣ１，ＩＣ２ 制御ＩＣ、ＳＲ シャントレギュレータ、ＰＣ フォトカプラ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】