JP5741004B2 - スイッチング電源装置、及びｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード）に電力を供給するスイッチング電源装置、及び該スイッチング電源装置とＬＥＤとを備えるＬＥＤ照明装置に関する。

近年、ＬＥＤ（発光ダイオード）の技術開発に伴い、照明装置、ディスプレイ装置のバックライト等の種々の装置に、ＬＥＤが利用されている。ＬＥＤは、スイッチング電源装置から電力が供給され、一般にＬＥＤに出力する電流を制御することによって駆動されている。ＬＥＤは、ｐｎ接合の順方向電流による電子と正孔との再結合を利用して発光し、発光輝度が通電電流にほぼ比例して変化する。

そのため、ＬＥＤの発光輝度を変化させる場合、ＬＥＤに電力を供給するスイッチング電源装置で、ＬＥＤに出力する出力電流値を変化させる必要がある。特許文献１に開示してあるスイッチング電源装置では、出力電流値を所望の発光輝度を得るための出力電流目標値に近づけるようにフィードバック制御、一般にＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）制御を行っている。ここで、ＰＩＤ制御とは、目標値と出力値との誤差（偏差）（比例制御要素）、誤差の積分（積分制御要素）、及び誤差の微分（微分制御要素）の三つの制御要素を用いて出力値を目標値に近づける制御方法であり、フィードバック制御の一方法である。

特表２００８−５３７４５９号公報

定常状態において重要な制御要素は、積分制御要素である。ＰＩＤ制御の積分制御において、出力値に誤差が残っている限り、当該誤差が積分されて出力値を目標値に近づける操作量に反映され、出力値を目標値と一致させることができる。目標値と出力値との誤差が大きいと単位時間当たりの積分量も大きくなり、短時間で出力値を目標値に近づけることができる。一方、目標値と出力値との誤差が小さいと単位時間当たりの積分量も小さくなり、短時間で出力値を目標値に近づけることができない。特許文献１に開示してあるスイッチング電源装置を用いてＬＥＤに電力を供給する場合、ＬＥＤの発光輝度を大きく設定すると出力電流目標値が大きくなるので、出力電流目標値（目標値）と出力電流値（出力値）との誤差は大きくなり、ＰＩＤ制御の積分量が大きくなることで、短時間で出力電流値を出力電流目標値に近づけることができる。一方、ＬＥＤの発光輝度を小さく設定すると出力電流目標値が小さくなるので、出力電流目標値（目標値）と出力電流値（出力値）との誤差は小さくなり、ＰＩＤ制御の積分量が小さくなることで、短時間で出力電流値を出力電流目標値に近づけることができない。

例えば、ＬＥＤの発光輝度を大きく設定するときの出力電流目標値が１Ａ、小さく設定するときの出力電流目標値が０．０１Ａとし、それぞれの誤差が１０％であるとすると、ＬＥＤの発光輝度を大きく設定するときの出力電流目標値（目標値）と出力電流値（出力値）との誤差は０．１Ａ、小さく設定するときの出力電流目標値（目標値）と出力電流値（出力値）との誤差は０．００１Ａとなり、両者に１００倍の違いが生じる。そのため、特許文献１に開示してあるスイッチング電源装置を用いてＬＥＤに電力を供給する場合、ＬＥＤの発光輝度を小さく設定すると、出力電流値を出力電流目標値に近づけるための時間が長くなり、例えば調光対応のＬＥＤ照明に用いた場合に低輝度の調光に時間がかかるという問題があった。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、短時間で出力電流値を出力電流目標値に近づけることができるスイッチング電源装置、及びＬＥＤ照明装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために第１発明に係るスイッチング電源装置は、入力電源からの電力を変換し、変換した電力を出力する電力変換回路と、フィードバック制御信号に応じて、前記電力変換回路が有するスイッチング素子をオン／オフすることで、前記電力変換回路で変換する電力の出力電流を制御する第１制御回路と、該第１制御回路に出力する前記フィードバック制御信号を、ＰＩ制御又はＰＩＤ制御により、入力される出力電流目標値と前記電力変換回路から出力する出力電流値との誤差に基づいて生成する第２制御回路とを備え、該第２制御回路は、前記出力電流目標値が小さくなるに従い、ＰＩ制御又はＰＩＤ制御の積分制御要素のゲインを大きくする。

第１発明では、第２制御回路は、出力電流目標値が小さくなるに従い、ＰＩ制御又はＰＩＤ制御の積分制御要素のゲインを大きくするので、積分制御要素の単位時間当たりの積分量が増加し、出力電流目標値と出力電流値との誤差が小さくても、短時間で出力電流値を出力電流目標値に近づけることができる。

また、第２発明に係るスイッチング電源装置は、第１発明において、前記第２制御回路は、前記出力電流目標値が所定値以下の場合、前記出力電流目標値が小さくなるに従い、ＰＩ制御又はＰＩＤ制御の積分制御要素のゲインを大きくする。

第２発明では、第２制御回路が、出力電流目標値が所定値以下の場合、出力電流目標値が小さくなるに従い、ＰＩ制御又はＰＩＤ制御の積分制御要素のゲインを大きくするので、出力電流値を出力電流目標値に近づけるための時間が長くなる範囲でのみＰＩ制御又はＰＩＤ制御の積分制御要素のゲインを変更することができる。

また、第３発明に係るスイッチング電源装置は、第１又は第２発明において、前記第２制御回路は、前記出力電流目標値及び前記出力電流値に相当するディジタル値を保持するＤＳＰ（ディジタル信号処理装置）で構成され、前記ディジタル値に基づいて前記フィードバック制御信号を生成する。

第３発明では、第２制御回路は、出力電流目標値及び出力電流値に相当するディジタル値を保持するＤＳＰで構成され、ディジタル値に基づいてフィードバック制御信号を生成するので、ＰＩ制御又はＰＩＤ制御により、第１制御回路に出力するフィードバック制御信号の生成を短時間で行うことができる。

また、第４発明に係るスイッチング電源装置は、第１乃至第３発明のいずれか一つにおいて、前記電力変換回路は、絶縁状態で電力を変換するフライバックトランスを備える。

第４発明では、電力変換回路は、絶縁状態で電力を変換するフライバックトランスを備えるので、入力電圧を昇圧又は降圧する電力変換回路を構成することが可能となる。

また、第５発明に係るスイッチング電源装置は、第１乃至第３発明のいずれか一つにおいて、前記電力変換回路は、非絶縁状態で電力を変換する昇降圧コンバータである。

第５発明では、電力変換回路は、非絶縁状態で電力を変換する昇降圧コンバータであるので、トランスが不要となり、簡単な回路で入力電圧を昇圧又は降圧する電力変換回路を構成することが可能となる。

また、第６発明に係るスイッチング電源装置は、第４又は第５発明において、前記電力変換回路は、力率改善コンバータである。

第６発明では、電力変換回路は、力率改善コンバータであるので、負荷に供給される電力の損失を抑え、電力を効率よく利用することができる。

上記目的を達成するために第７発明に係るＬＥＤ照明装置は、第１乃至第６発明のいずれか一つのスイッチング電源装置と、該スイッチング電源装置により電力が供給される負荷とを備え、該負荷は、ＬＥＤ（発光ダイオード）である。

第７発明では、第１乃至第６発明のいずれか一つのスイッチング電源装置と、該スイッチング電源装置により電力が供給される負荷とを備え、負荷は、ＬＥＤであるので、ＬＥＤの発光輝度を小さく設定する場合であっても、短時間でスイッチング電源装置により供給される出力電流値を出力電流目標値に近づけることができ、短時間で所望の発光輝度を得ることができる。

上記構成によれば、第２制御回路は、出力電流目標値が小さくなるに従い、ＰＩ制御又はＰＩＤ制御の積分制御要素のゲインを大きくするので、積分制御要素の単位時間当たりの積分量が増加し、出力電流目標値と出力電流値との誤差が小さくても、短時間で出力電流値を出力電流目標値に近づけることができる。

また、上記構成によれば、本発明のスイッチング電源装置と、該スイッチング電源装置により電力が供給される負荷とを備え、負荷は、ＬＥＤであるので、ＬＥＤの発光輝度を小さく設定する場合であっても、短時間でスイッチング電源装置により供給される出力電流値を出力電流目標値に近づけることができ、短時間で所望の発光輝度を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係るスイッチング電源装置の回路構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態１に係るスイッチング電源装置の第１制御回路の回路構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態１に係るスイッチング電源装置の第２制御回路の構成を示すブロック図である。 （式２）に示す伝達関数Ｇ（ｚ）のボード線図である。 本発明の実施の形態１に係るスイッチング電源装置の積分制御要素のゲインＫ_I の出力電流目標値Ｉ_ref に対する変化を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係るスイッチング電源装置の第２制御回路が、積分制御要素のゲインＫ_I を変更する処理手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係るスイッチング電源装置の第２制御回路の構成を示すブロック図である。 （式５）に示す伝達関数Ｇ（ｚ）のボード線図である。 （式７）に示す伝達関数Ｇ（ｚ）のボード線図である。 本発明の実施の形態１に係るスイッチング電源装置に、非絶縁型の昇降圧コンバータを電力変換回路として用いた場合の回路構成を示す回路図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るスイッチング電源装置の回路構成を示す回路図である。図１に示すスイッチング電源装置１は、負荷であるＬＥＤ５と接続しており、スイッチング電源装置１と、該スイッチング電源装置１により電力が供給されるＬＥＤ５とでＬＥＤ照明装置を構成している。

スイッチング電源装置１は、ダイオードブリッジＤＢ、トランスＴ、スイッチング素子Ｑ、ダイオードＤ、コンデンサＣ１、Ｃ２、第１制御回路２、第２制御回路３を備えている。ダイオードブリッジＤＢは、商用交流電源Ｖａｃから入力される交流電圧を全波整流する。トランスＴは、フライバックトランスである。スイッチング素子Ｑは、トランスＴの１次巻線Ｎｐと直列に接続され、スイッチング素子ＱとトランスＴの１次巻線Ｎｐとの直列回路は、ダイオードブリッジＤＢの出力に接続されている。コンデンサＣ１は、ダイオードブリッジＤＢの出力に接続され、電流リップルやノイズを除去するために接続されている。

ダイオードＤ及びコンデンサＣ２は、トランスＴの２次巻線Ｎｓに接続され、整流平滑回路を構成している。なお、ダイオードブリッジＤＢ、トランスＴ、スイッチング素子Ｑ、ダイオードＤ、コンデンサＣ２が電力変換回路を構成している。電力変換回路は、絶縁型のＰＦＣ（力率改善コンバータ）である。また、負荷であるＬＥＤ５の電流経路には、電力変換回路から出力する出力電流値を検出する抵抗Ｒ１が直列に接続してある。

第１制御回路２は、フィードバック制御信号に応じて、スイッチング素子Ｑをオン／オフすることで、電力変換回路で変換する電力の出力電流を制御する。フィードバック制御信号は、絶縁手段４を介して第２制御回路３から第１制御回路２に入力される。なお、第１制御回路２は、ダイオードブリッジＤＢが出力する電圧（該電圧の検出手段は図示せず）に応じてスイッチング素子Ｑのオン時間又はオンデューティ比を制御して、ダイオードブリッジＤＢの入力端子に流れる電流が商用交流電源Ｖａｃの電圧と同位相のほぼ正弦波となるようにする。

図２は、本発明の実施の形態１に係るスイッチング電源装置１の第１制御回路２の回路構成を示す回路図である。図２に示す第１制御回路２は、絶縁手段４（フォトカプラの受光素子）と、絶縁手段４と並列に接続されたコンデンサＣ３と、同じく絶縁手段４と並列に接続されたコンデンサＣ４と抵抗Ｒ２との直列回路とを備えている。第１制御回路２は、絶縁手段４に供給されるフィードバック制御信号に応じて、絶縁手段４に流れる電流Ｉ_compを制御して、端子ＦＢでの電圧を変化させてスイッチング素子Ｑのオン時間又はオンデューティ比を制御する。

図３は、本発明の実施の形態１に係るスイッチング電源装置１の第２制御回路３の構成を示すブロック図である。図３に示す第２制御回路３は、目標値決定部３１、ＡＤ変換部３２、誤差演算部３３、比例器３４、積分器３５、線形結合部３６、ＤＡ変換部３７、及び比較部３８を備えている。第２制御回路３は、第１制御回路２に出力するフィードバック制御信号を、ＰＩ制御により、入力される出力電流目標値と電力変換回路から出力する出力電流値との誤差に基づいて生成する。なお、第２制御回路３は、出力電流目標値及び出力電流値に相当するディジタル値を保持するＤＳＰ（ディジタル信号処理装置）等の演算素子で構成されている。そのため、第２制御回路３は、ＰＩ制御により、第１制御回路２に出力するフィードバック制御信号の生成を短時間で行うことができる。

次に、ＰＩ制御について説明する。ここで、出力電流値Ｉ₀ （ｔ）、出力電流目標値Ｉ_ref 、出力電流目標値Ｉ_ref と出力電流Ｉ₀ （ｔ）との誤差ｅ（ｔ）＝Ｉ_ref −Ｉ₀ （ｔ）とすると、ＰＩ制御により出力電流値Ｉ₀ （ｔ）を出力電流目標値Ｉ_ref に近づける操作量Ｕ（ｔ）は、（式１）に示すように演算することができる。

（式１）に示す操作量Ｕ（ｔ）は、第１項が比例制御要素を、第２項が積分制御要素をそれぞれ表し、比例制御要素及び積分制御要素の線形結合で表されている。また、比例制御要素は、誤差ｅ（ｔ）に比例制御要素のゲインＫ_P を掛けた値で、現在の誤差ｅ（ｔ）に基づく操作量を表している。積分制御要素は、過去の誤差ｅ（ｔ）を積分した値に積分制御要素のゲインＫ_I を掛けた値で、過去の誤差に基づく操作量を表している。

（式１）から分かるように、ＬＥＤ５の発光輝度を大きく設定すると出力電流目標値Ｉ_ref が大きくなるので、出力電流目標値Ｉ_ref と出力電流値Ｉ₀ （ｔ）との誤差ｅ（ｔ）は大きくなり、ＰＩ制御の積分量が大きくなることで、短時間で出力電流値Ｉ₀ （ｔ）を出力電流目標値Ｉ_ref に近づけることができる。一方、ＬＥＤ５の発光輝度を小さく設定すると出力電流目標値Ｉ_ref が小さくなるので、出力電流目標値Ｉ_ref と出力電流値Ｉ₀ （ｔ）との誤差ｅ（ｔ）は小さくなり、ＰＩ制御の積分量が小さくなることで、短時間で出力電流値Ｉ₀ （ｔ）を出力電流目標値Ｉ_ref に近づけることができない。

ここで、本発明の実施の形態１に係るＰＩ制御が、離散時間のサンプル値による制御であるとして、（式１）をｓ−ｚ変換して離散伝達関数Ｇ（ｚ）を求める。

さらに、（式２）を差分方程式に変換して、（式３）に示す操作量Ｕ（ｎ）を求める。

図４は、（式２）に示す伝達関数Ｇ（ｚ）のボード線図である。図４に示す縦軸は（式２）に示す伝達関数Ｇ（ｚ）のゲインを、横軸は角周波数をそれぞれ示している。図４に示すボード線図から分かるように、伝達関数Ｇ（ｚ）の係数ｋ₀ を大きくすると、低角周波数から中角周波数までの範囲で（式２）に示す伝達関数Ｇ（ｚ）のゲインが大きくなる。つまり、伝達関数Ｇ（ｚ）の係数ｋ₀ を大きくすることで、（式２）に示す伝達関数Ｇ（ｚ）のゲインが大きくなり、ＰＩ制御の積分量を大きくすることができるので、短時間で出力電流値Ｉ₀ （ｔ）を出力電流目標値Ｉ_ref に近づけることができる。

そこで、本発明の実施の形態１では、出力電流目標値Ｉ_ref が小さくなるに従い、伝達関数Ｇ（ｚ）の係数ｋ₀ を大きくする。なお、伝達関数Ｇ（ｚ）の係数ｋ₀ は、（式２）から分かるように、比例制御要素のゲインＫ_P と、積分制御要素のゲインＫ_I との和である。伝達関数Ｇ（ｚ）の係数ｋ₁ は、比例制御要素のゲインＫ_Pである。そのため、伝達関数Ｇ（ｚ）の係数ｋ₁ が一定であれば、伝達関数Ｇ（ｚ）の係数ｋ₀ を大きくすることは、積分制御要素のゲインＫ_I を大きくすることと同じになる。従って、本発明の実施の形態１では、出力電流目標値Ｉ_ref が小さくなるに従い、積分制御要素のゲインＫ_I を大きくすることで、伝達関数Ｇ（ｚ）の係数ｋ₀ を大きくしている。なお、積分制御要素のゲインＫ_I を大きくすることは、積分制御要素の単位時間当たりの積分量が増加することになる。

次に、図３に示す第２制御回路３が、ＰＩ制御を行い、出力電流目標値Ｉ_ref が小さくなるに従い、積分制御要素のゲインＫ_I を大きくする場合について説明する。なお、図３に示す第２制御回路３では、出力電流目標値Ｉ_ref が所定値以下（ＬＥＤ５の発光輝度を小さく設定する）の場合に、出力電流目標値Ｉ_ref が小さくなるに従い、積分制御要素のゲインＫ_I を大きくする場合について説明するが、所定値を設けずに、出力電流目標値Ｉ_ref が小さくなるに従い、積分制御要素のゲインＫ_I を大きくしても良い。

目標値決定部３１は、ＬＥＤ５の発光輝度を設定する調光パルスが入力され、入力された調光パルスから出力電流目標値Ｉ_ref を決定する。ＡＤ変換部３２は、抵抗Ｒ１で検出した電力変換回路から出力する出力電流値Ｉ₀ （ｔ）をディジタル値に変換する。誤差演算部３３は、目標値決定部３１で決定した出力電流目標値Ｉ_ref とＡＤ変換部３２でディジタル値に変換した出力電流値Ｉ₀ （ｔ）との差分を求め、誤差ｅ（ｔ）を演算する。比例器３４は、誤差演算部３３で演算した誤差ｅ（ｔ）に比例制御要素のゲインＫ_P を掛けて比例制御要素の操作量を演算する。積分器３５は、誤差演算部３３で演算した誤差ｅ（ｔ）を積分した値に積分制御要素のゲインＫ_I を掛けて積分制御要素の操作量を演算する。

線形結合部３６は、比例器３４で演算した比例制御要素の操作量と、積分器３５で演算した積分制御要素の操作量とを線形結合して操作量Ｕ（ｔ）を算出する。ＤＡ変換部３７は、線形結合部３６で算出した操作量Ｕ（ｔ）をアナログ信号であるフィードバック制御信号に変換し、絶縁手段４（フォトカプラの発光素子）に出力する。絶縁手段４は、第２制御回路３が出力するフィードバック制御信号に応じて、絶縁手段４に流れる電流Ｉ_pcd が制御され発光素子の発光量が変化する。なお、ＤＡ変換部３７には、一般的なＤＡ変換回路を用いているが、線形結合部３６の出力に応じて、絶縁手段４に流れる電流Ｉ_pcd を制御するスイッチング素子であっても良い。

比較部３８は、出力電流目標値Ｉ_ref と、予め記憶させてある所定値とを比較し、出力電流目標値Ｉ_ref
が所定値以下の場合、積分器３５に対して、出力電流目標値Ｉ_ref が小さくなるに従い、積分制御要素のゲインＫ_I を大きくするように制御信号を出力する。積分器３５は、比較部３８が出力した制御信号に基づき、出力電流目標値Ｉ_ref が小さくなるに従い、積分制御要素のゲインＫ_I を大きくする。

図５は、本発明の実施の形態１に係るスイッチング電源装置１の積分制御要素のゲインＫ_I の出力電流目標値Ｉ_ref に対する変化を示すグラフである。図５に示す縦軸は積分制御要素のゲインＫ_I を、横軸は出力電流目標値Ｉ_ref をそれぞれ示している。

図５に示す例では、出力電流目標値Ｉ_ref が１０ｍＡ以下になると、出力電流目標値Ｉ_ref が小さくなるに従い、積分制御要素のゲインＫ_I が"１"から"１０"へと大きくなっている（Ｋ_I ＝１１−Ｉ_ref ）。出力電流目標値Ｉ_ref が１０ｍＡより大きくなると、出力電流目標値Ｉ_ref に係わらず、積分制御要素のゲインＫ_I を"１"の一定値とする（Ｋ_I ＝１）。

なお、積分制御要素のゲインＫ_I の変化は、図５に示すように一次関数となる場合に限定されるものではなく、二次関数、離散関数等であっても良い。また、積分制御要素のゲインＫ_I は、出力電流目標値Ｉ_ref が小さくなるに従って、大きくなるのではなく、出力電流目標値Ｉ_ref が所定値以下の場合に、大きい値（一定値）に変更しても良い。例えば、出力電流目標値Ｉ_ref が１０ｍＡ以下の場合に、積分制御要素のゲインＫ_I を"１０"の一定値に変更する。

次に、第２制御回路３が、積分制御要素のゲインＫ_I を変更する処理手順について説明する。図６は、本発明の実施の形態１に係るスイッチング電源装置１の第２制御回路３が、積分制御要素のゲインＫ_I を変更する処理手順を示すフローチャートである。

第２制御回路３は、入力された調光パルスから出力電流目標値Ｉ_ref を決定する（ステップＳ６１）。次に、第２制御回路３は、出力電流目標値Ｉ_ref が所定値以下か否かを判断する（ステップＳ６２）。例えば、第２制御回路３は、所定値を１０ｍＡとして、出力電流目標値Ｉ_ref が１０ｍＡ以下か否かを判断する。

第２制御回路３が、出力電流目標値Ｉ_ref が所定値以下であると判断した場合（ステップＳ６２：ＹＥＳ）、第２制御回路３は、出力電流目標値Ｉ_ref が小さくなるに従い、積分制御要素のゲインＫ_I を大きくする（ステップＳ６３）。例えば、第２制御回路３は、積分制御要素のゲインＫ_I を、"１１"から出力電流目標値Ｉ_ref を引いた値となるように大きくする。第２制御回路３は、ステップＳ６３で積分制御要素のゲインＫ_I を大きくした後、積分制御要素のゲインＫ_I を変更する処理を終了する。

第２制御回路３が、出力電流目標値Ｉ_ref が所定値より大きいと判断した場合（ステップＳ６２：ＮＯ）、第２制御回路３は、出力電流目標値Ｉ_ref に係わらず、積分制御要素のゲインＫ_I を一定値とする（ステップＳ６４）。例えば、第２制御回路３は、積分制御要素のゲインＫ_I ＝１とする。第２制御回路３は、ステップＳ６４で積分制御要素のゲインＫ_I を一定値とした後、積分制御要素のゲインＫ_I を変更する処理を終了する。

以上のように、本発明の実施の形態１に係るスイッチング電源装置１は、第２制御回路３が、出力電流目標値Ｉ_ref が小さくなるに従い、ＰＩ制御の積分制御要素のゲインＫ_I を大きくするので、積分制御要素の単位時間当たりの積分量が増加し、出力電流目標値Ｉ_ref と出力電流値Ｉ₀ （ｔ）との誤差が小さくても、短時間で出力電流値Ｉ₀ （ｔ）を出力電流目標値Ｉ_ref に近づけることができる。なお、出力電流目標値Ｉ_ref が所定値以下の場合に、出力電流目標値Ｉ_ref が小さくなるに従い、ＰＩ制御の積分制御要素のゲインＫ_I を大きくすることで、出力電流値Ｉ₀ （ｔ）を出力電流目標値Ｉ_ref に近づけるための時間が長くなる範囲でのみＰＩ制御の積分制御要素のゲインＫ_I を変更することができる。

また、本発明の実施の形態１に係るスイッチング電源装置１は、第２制御回路３が、ＰＩ制御の比例制御のゲインＫ_P を一定値にし、ＰＩ制御の積分制御要素のゲインＫ_I のみを変更する場合に限定されるものではなく、ＰＩ制御の比例制御のゲインＫ_P を変更しても良い。さらに、本発明の実施の形態１に係るスイッチング電源装置１の電力変換回路は、力率改善コンバータであるので、ＬＥＤ５に供給される電力の損失を抑え、電力を効率よく利用することができる。さらに、本発明の実施の形態１に係るスイッチング電源装置１と、該スイッチング電源装置１により電力が供給されるＬＥＤ５とを備えているＬＥＤ照明装置は、ＬＥＤ５の発光輝度を小さく設定する場合であっても、短時間でスイッチング電源装置１により供給される出力電流値Ｉ₀ （ｔ）を出力電流目標値Ｉ_ref に近づけることができ、短時間で所望の発光輝度を得ることができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係るスイッチング電源装置は、第２制御回路の構成が異なる以外、図１に示したスイッチング電源装置１の構成と同じであるため詳細な説明を省略する。図７は、本発明の実施の形態２に係るスイッチング電源装置の第２制御回路の構成を示すブロック図である。図７に示す第２制御回路３ａは、目標値決定部３１、ＡＤ変換部３２、誤差演算部３３、比例器３４、積分器３５、微分器３９、線形結合部３６、ＤＡ変換部３７、比較部３８を備えている。第２制御回路３ａは、微分器３９が追加されている以外、図３に示す第２制御回路３と構成が同じであるため、同じ構成要素に同じ符号を付して詳細な説明は省略する。微分器３９は、誤差演算部３３で演算した誤差ｅ（ｔ）を微分した値に微分制御要素のゲインＫ_D を掛けて微分制御要素の操作量を演算する。

第２制御回路３ａは、第１制御回路２に出力するフィードバック制御信号を、ＰＩＤ制御により、入力される出力電流目標値と電力変換回路から出力する出力電流値との誤差に基づいて生成する。なお、第２制御回路３ａは、出力電流目標値及び出力電流値に相当するディジタル値を保持するＤＳＰ（ディジタル信号処理装置）等の演算素子で構成されている。そのため、第２制御回路３ａは、ＰＩＤ制御により、第１制御回路２に出力するフィードバック制御信号の生成を短時間で行うことができる。

次に、ＰＩＤ制御について説明する。ここで、出力電流値Ｉ₀ （ｔ）、出力電流目標値Ｉ_ref 、出力電流目標値Ｉ_ref と出力電流Ｉ₀ （ｔ）との誤差ｅ（ｔ）＝Ｉ_ref −Ｉ₀ （ｔ）とすると、ＰＩＤ制御により出力電流値Ｉ₀ （ｔ）を出力電流目標値Ｉ_ref に近づける操作量Ｕ（ｔ）は、（式４）に示すように演算することができる。

（式４）に示す操作量Ｕ（ｔ）は、第１項が比例制御要素を、第２項が積分制御要素を、第３項が微分制御要素をそれぞれ表し、比例制御要素、積分制御要素及び微分制御要素の線形結合で表される。また、比例制御要素は、誤差ｅ（ｔ）に比例制御要素のゲインＫ_P を掛けた値で、現在の誤差ｅ（ｔ）に基づく操作量を表している。積分制御要素は、過去の誤差ｅ（ｔ）を積分した値に積分制御要素のゲインＫ_I を掛けた値で、過去の誤差に基づく操作量を表している。微分制御要素は、誤差ｅ（ｔ）を微分した値に微分制御要素のゲインＫ_D を掛けた値で、誤差の変化に基づく将来の操作量を表している。

（式４）から分かるように、ＬＥＤ５の発光輝度を大きく設定すると出力電流目標値Ｉ_ref が大きくなるので、出力電流目標値Ｉ_ref と出力電流値Ｉ₀ （ｔ）との誤差は大きくなり、ＰＩＤ制御の積分量が大きくなることで、短時間で出力電流値Ｉ₀ （ｔ）を出力電流目標値Ｉ_ref に近づけることができる。一方、ＬＥＤ５の発光輝度を小さく設定すると出力電流目標値Ｉ_ref が小さくなるので、出力電流目標値Ｉ_ref と出力電流値Ｉ₀ （ｔ）との誤差は小さくなり、ＰＩＤ制御の積分量が小さくなることで、短時間で出力電流値Ｉ₀ （ｔ）を出力電流目標値Ｉ_ref に近づけることができない。

ここで、本発明の実施の形態２に係るＰＩＤ制御が、離散時間のサンプル値による制御であるとして、（式４）をｓ−ｚ変換して離散伝達関数Ｇ（ｚ）を求める。

さらに、（式５）を差分方程式に変換して、（式６）に示す操作量Ｕ（ｎ）を求める。

図８は、（式５）に示す伝達関数Ｇ（ｚ）のボード線図である。図８に示す縦軸は（式５）に示す伝達関数Ｇ（ｚ）のゲインを、横軸は角周波数をそれぞれ示している。図８に示すボード線図から分かるように、伝達関数Ｇ（ｚ）の係数ｋ₀ を大きくすると、低角周波数から中角周波数までの範囲でも（式５）に示す伝達関数Ｇ（ｚ）のゲインが大きくなる。さらに、（式５）に示す伝達関数Ｇ（ｚ）のゲインに微分制御要素のゲインＫ_D が含まれていることから、高角周波数の範囲で（式５）に示す伝達関数Ｇ（ｚ）のゲインが大きくなる。本発明の実施の形態２でも、伝達関数Ｇ（ｚ）の係数ｋ₀ を大きくすることで、（式５）に示す伝達関数Ｇ（ｚ）のゲインが大きくなり、ＰＩＤ制御の積分量を大きくすることができるので、短時間で出力電流値Ｉ₀ （ｔ）を出力電流目標値Ｉ_ref に近づけることができる。

なお、伝達関数Ｇ（ｚ）の係数ｋ₀ は、（式５）から分かるように、比例制御要素のゲインＫ_P と、積分制御要素のゲインＫ_I と、微分制御要素のゲインＫ_D との和である。伝達関数Ｇ（ｚ）の係数ｋ₁ は、比例制御要素のゲインＫ_P と、２倍の微分制御要素のゲインＫ_D との和であり、伝達関数Ｇ（ｚ）の係数ｋ₂ は、微分制御要素のゲインＫ_D である。そのため、伝達関数Ｇ（ｚ）の係数ｋ₁ 及び係数ｋ₂ が一定であれば、伝達関数Ｇ（ｚ）の係数ｋ₀ を大きくすることは、積分制御要素のゲインＫ_I を大きくすることと同じになる。従って、本発明の実施の形態２でも、出力電流目標値Ｉ_ref が小さくなるに従い、積分制御要素のゲインＫ_I を大きくすることで、伝達関数Ｇ（ｚ）の係数ｋ₀ を大きくしている。本発明の実施の形態２において第２制御回路３ａが、積分制御要素のゲインＫ_I を変更する処理手順については、本発明の実施の形態１に示した処理手順と同じであるため説明を省略する。

以上のように、本発明の実施の形態２に係るスイッチング電源装置は、第２制御回路３ａが、出力電流目標値Ｉ_ref が小さくなるに従い、ＰＩＤ制御の積分制御要素のゲインＫ_I を大きくするので、積分制御要素の単位時間当たりの積分量が増加し、出力電流目標値Ｉ_ref と出力電流値Ｉ₀ （ｔ）との誤差が小さくても、短時間で出力電流値Ｉ₀ （ｔ）を出力電流目標値Ｉ_ref に近づけることができる。

なお、本発明の実施の形態２に係るスイッチング電源装置は、第２制御回路３ａが、ＰＩＤ制御の比例制御のゲインＫ_P 及び微分制御要素のゲインＫ_D を一定値にし、ＰＩＤ制御の積分制御要素のゲインＫ_I のみを変更する場合に限定されるものではなく、ＰＩＤ制御の比例制御のゲインＫ_P 又は／及び微分制御要素のゲインＫ_D を変更しても良い。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係るスイッチング電源装置は、第２制御回路におけるＰＩＤ制御の伝達関数Ｇ（ｚ）が異なる以外、図１に示したスイッチング電源装置１の構成、及び図７に示した第２制御回路３ａの構成と同じであるため詳細な説明を省略する。本発明の実施の形態３に係る第２制御回路は、（式５）に示す伝達関数Ｇ（ｚ）に代えて、（式７）に示す伝達関数Ｇ（ｚ）を用いてＰＩＤ制御を行う。

さらに、（式７）を差分方程式に変換して、（式８）に示す操作量Ｕ（ｎ）を求める。

図９は、（式７）に示す伝達関数Ｇ（ｚ）のボード線図である。図９に示す縦軸は（式７）に示す伝達関数Ｇ（ｚ）のゲインを、横軸は角周波数をそれぞれ示している。図９に示すボード線図から分かるように、伝達関数Ｇ（ｚ）の係数ｋ₀ を大きくすると、低角周波数から中角周波数までの範囲で（式７）に示す伝達関数Ｇ（ｚ）のゲインが大きくなる。さらに、（式７）に示す伝達関数Ｇ（ｚ）のゲインに微分制御要素のゲインＫ_D が含まれていることから、高角周波数の範囲で（式７）に示す伝達関数Ｇ（ｚ）のゲインが大きくなるが、極を付加することにより、高角周波数の範囲内の高い角周波数側で（式７）に示す伝達関数Ｇ（ｚ）のゲインが一定値となるように制限が加えてある。本発明の実施の形態３でも、伝達関数Ｇ（ｚ）の係数ｋ₀ を大きくすることで、（式７）に示す伝達関数Ｇ（ｚ）の積分ゲインが大きくなり、短時間で出力電流値Ｉ₀ （ｔ）を出力電流目標値Ｉ_ref に近づけることができる。

本発明の実施の形態３でも、出力電流目標値Ｉ_ref が小さくなるに従い、伝達関数Ｇ（ｚ）の係数ｋ₀ を大きくする。なお、伝達関数Ｇ（ｚ）の係数ｋ₀ は、（式５）から分かるように、比例制御要素のゲインＫ_P と、積分制御要素のゲインＫ_I と、微分制御要素のゲインＫ_D との和である。伝達関数Ｇ（ｚ）の係数ｋ₁ は、比例制御要素のゲインＫ_P と、２倍の微分制御要素のゲインＫ_D との和であり、伝達関数Ｇ（ｚ）の係数ｋ₂ は、微分制御要素のゲインＫ_D である。そのため、伝達関数Ｇ（ｚ）の係数ｋ₁ 及び係数ｋ₂ が一定であれば、伝達関数Ｇ（ｚ）の係数ｋ₀ を大きくすることは、積分制御要素のゲインＫ_I を大きくすること同じになる。従って、本発明の実施の形態３でも、出力電流目標値Ｉ_ref が小さくなるに従い、積分制御要素のゲインＫ_I を大きくすることで、伝達関数Ｇ（ｚ）の係数ｋ₀ を大きくしている。なお、本発明の実施の形態３において第２制御回路が、積分制御要素のゲインＫ_I を変更する処理手順については、本発明の実施の形態１に示した処理手順と同じであるため説明を省略する。

以上のように、本発明の実施の形態３に係るスイッチング電源装置は、（式７）に示す伝達関数Ｇ（ｚ）を用いてＰＩＤ制御を行う。第２制御回路が、出力電流目標値Ｉ_ref が小さくなるに従い、ＰＩＤ制御の積分制御要素のゲインＫ_I を大きくするので、積分制御要素の単位時間当たりの積分量が増加し、出力電流目標値Ｉ_ref と出力電流値Ｉ₀ （ｔ）との誤差が小さくても、短時間で出力電流値Ｉ₀ （ｔ）を出力電流目標値Ｉ_ref に近づけることができる。

なお、本発明の実施の形態３に係るスイッチング電源装置は、第２制御回路が、ＰＩＤ制御の比例制御のゲインＫ_P 及び微分制御要素のゲインＫ_D を一定値にし、ＰＩＤ制御の積分制御要素のゲインＫ_I のみを変更する場合に限定されるものではなく、ＰＩＤ制御の比例制御のゲインＫ_P 又は／及び微分制御要素のゲインＫ_D を変更しても良い。

なお、本発明の実施の形態１乃至３に係るスイッチング電源装置の電力変換回路は、絶縁型のＰＦＣに限定されるものではなく、非絶縁型の昇降圧コンバータであっても良い。図１０は、本発明の実施の形態１に係るスイッチング電源装置の電力変換回路に非絶縁型の昇降圧コンバータを電力変換回路として用いた場合の回路構成を示す回路図である。図１０に示すスイッチング電源装置１ａは、負荷であるＬＥＤ５と接続しており、スイッチング電源装置１ａと、該スイッチング電源装置１ａにより電力が供給されるＬＥＤ５とでＬＥＤ照明装置を構成している。スイッチング電源装置１ａは、ダイオードブリッジＤＢ、インダクタＬ、スイッチング素子Ｑ、ダイオードＤ、コンデンサＣ１、Ｃ２、第１制御回路２、第２制御回路３を備えている。スイッチング電源装置１ａは、トランスＴに代えてインダクタＬを用い、第１制御回路２と第２制御回路３とが絶縁手段４を介さずに接続されている構成が図１に示すスイッチング電源装置１の構成と異なる。なお、スイッチング電源装置１ａは、図１に示すスイッチング電源装置１と同じ構成要素については同じ符号を付してある。

１、１ａ スイッチング電源装置
２ 第１制御回路
３、３ａ 第２制御回路
４ 絶縁手段
５ ＬＥＤ
３１ 目標値決定部
３２ ＡＤ変換部
３３ 誤差演算部
３４ 比例器
３５ 積分器
３６ 線形結合部
３７ ＤＡ変換部
３８ 比較部
３９ 微分器

Claims (7)

1. 入力電源からの電力を変換し、変換した電力を出力する電力変換回路と、
   フィードバック制御信号に応じて、前記電力変換回路が有するスイッチング素子をオン／オフすることで、前記電力変換回路で変換する電力の出力電流を制御する第１制御回路と、
   該第１制御回路に出力する前記フィードバック制御信号を、ＰＩ制御又はＰＩＤ制御により、入力される出力電流目標値と前記電力変換回路から出力する出力電流値との誤差に基づいて生成する第２制御回路と
   を備え、
   該第２制御回路は、前記出力電流目標値が小さくなるに従い、ＰＩ制御又はＰＩＤ制御の積分制御要素のゲインを大きくすることを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記第２制御回路は、前記出力電流目標値が所定値以下の場合、前記出力電流目標値が小さくなるに従い、ＰＩ制御又はＰＩＤ制御の積分制御要素のゲインを大きくすることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
3. 前記第２制御回路は、前記出力電流目標値及び前記出力電流値に相当するディジタル値を保持するＤＳＰ（ディジタル信号処理装置）で構成され、前記ディジタル値に基づいて前記フィードバック制御信号を生成することを特徴とする請求項１又は２に記載のスイッチング電源装置。
4. 前記電力変換回路は、絶縁状態で電力を変換するフライバックトランスを備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置。
5. 前記電力変換回路は、非絶縁状態で電力を変換する昇降圧コンバータであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置。
6. 前記電力変換回路は、力率改善コンバータであることを特徴とする請求項４又は５に記載のスイッチング電源装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置と、
   該スイッチング電源装置により電力が供給される負荷と
   を備え、
   該負荷は、ＬＥＤ（発光ダイオード）であることを特徴とするＬＥＤ照明装置。

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