design forum ENERGY-EFFICIENT LED LAMPS 図 3 クリー社の800lmランプ用のMX-6 LED による直列構成 みたい パワー変換段階における損失ング周波数と電力損との間には考慮さは3 種類 つまり伝導損失 スイッチンれるべきトレードオフが存在する よグ損失お

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2 イバを開発した すべては良いことで われわれもそう思ってきたが SSL のシステムコスト SSL 照明器具の大量採用を実現するには 既存の光源とコストで競争できる最終ソリューションが必要になる LEDはSSL 照明器具の部品明細 (BOM) のなかでも最も高価な部品である LED は比較的小さなウエハから生産され その生産コストは完全に最適化されてはいなかった このような状況は改善されつつある しかし 照明器具メーカーは システムコストを低減する最も容易な方法はシステムの LED 数を減らすことだと考えてきた SSLメーカーはLEDメーカーに対して より高い効率をもつ LED と光束出力を増やした LED つまり より高い駆動電流で動作する高出力 LEDの作製を押し付けてきた しかしながら 照明器具メーカーが高出力 LEDを採用し システムに必要なLED 数を次第に減らしていくと 明らかにある問題が生じることがわかった LED 数の減少は生産コストの低減に役立つが エネルギー効率には予期しなかった問題が発生した この問題は最初に A19/E27レトロフィットランプ市場において明らかになった SSL メーカーは システムの LED の数が減少し LEDの光束出力が増加すると LED ドライバのエネルギー効率は向上すると ( または少なくとも過去の設計と同程度になると ) 思い込んでいた しかしエネルギー効率は低下した ここでは実例を紹介し なぜエネ 図 2 クリー社の MX-6 LED と MX-6S LED ルギー効率が低下したかを考えよう 内部電力消費: 約 2.1W 実際のところ 少数の LEDに基づく SSLレトロフィット電球の仕様設計は仕様を満たさなかった この設 60W の白熱電球を置き換えるため計では光束出力目標と出力パワー仕様の標準的な SSL は以下の仕様を満たしが未達であった また 効率目標も満たている せず システム効果も低下した 以下は 電圧 :10 個の直列 LED(31 36V) この設計による仕様を示している 光束出力 : 約 800ルーメン (lm) 電圧: 直列の5 個のLED(15 17V) LED 順方向電流 :350mA LED 順方向電流 :700mA 出力パワー ( 最大 ):12.6W 光束出力: 約 800lm 効率目標 :85% 出力パワー ( 最大 ):11.9W 入力パワー : 約 14.82W 入力パワー : 約 15.9W システム効率 : 約 53.7lm/W 効率目標:75% 内部電力消費 : 約 2.3W システム効率: 約 50lm/W より明るい LEDを利用可能にするた 内部電力消費: 約 4W めに SSL メーカーはシステムの LED システム効率は確かに問題となり 数を減らし LED 駆動電流を増やすと 実際の設計によるエネルギースター準エネルギー効率がわずかに増加すると拠にも疑問が生じた 電力消費も他の考えた 次世代のレトロフィットラン原因に対する警告であった 電力損にプには以下の仕様が含まれる よる熱は信頼性の問題を引き起こす可 電圧 : 直列の5 個のLED(15 17V) 能性があった 熱問題はヒートシンク LED 順方向電流 :700mA の複雑化や回路周辺の材料の変質を招 光束出力 : 約 800lm くため コストの増加につながった 出力パワー ( 最大 ):11.9W 入力パワー : 約 14W 電力損の理解 効率目標 :85% システム効率の低下の原因を理解す システム効率 : 約 67lm/W るために 電力損の発生源を整理して LEDs Magazine Japan

3 design forum ENERGY-EFFICIENT LED LAMPS 図 3 クリー社の800lmランプ用のMX-6 LED による直列構成 みたい パワー変換段階における損失ング周波数と電力損との間には考慮さは3 種類 つまり伝導損失 スイッチンれるべきトレードオフが存在する よグ損失および静止損失に分類される り高い周波数でのスイッチングはより LED ドライバ内部のすべてのシリコ低いインダクタンス値を許容し よりンデバイスと受動部品はそれらに付随小さな部品は伝導損失の減少を可能にする抵抗がある 抵抗を通過する電流する大きな配線が可能になる は IRMS 2 R の電力損を発生する 選択静止電力損は内部回路のパワーリンされた部品 (MOSFET ダイオード 磁グと関係がある 同じような LEDドラ石 ) の品質と種類によるが 損失はシイバ設計の場合 出力パワーは同じだステム仕様が変わると変化することがが (POUT=ILED VLED Stack) システムのある 電圧と電流およびシステム内の部品のスイッチング損失は一つの MOSFET 種類によっては システム効率は大きまたはダイオードがオン状態に変わり く変化する 一方で もう一つの MOSFET または図 1 の回路を眺めて電力損の発生源ダイオードがオフ状態に変わるときにを考えると SSL 照明の応用における生じる 200kHz で動作する変換器はスタック電圧 ( 直列接続 LEDスタックの 100kHz で動作する変換器に比べると電圧降下 ) と電流 ( スタックを通る電流 ) 2 倍の電力損を招くが 動作スイッチに関するいくつかの仮説がすぐに生ま れる 数の減少した LEDは 通過する電流が増えると 光束出力は仕様を満たすが システム効率は減少するようだ 簡単な解析を行うことによって システム効率の低下をもたらす以下の動作特性が明らかになった LED の順方向電流が増加すると インダクタ L3の伝導損失が増加する LED の順方向電流が増加すると 束縛されないダイオード D4 のスイッチング損失が増加する スタック電圧が減少すると 主スイッチング MOSFET Q4のオン時間に対する束縛のないダイオード D4 の伝導時間の割合が増加する このダイオードは MOSFET よりも大きな伝導損失をもつため システム電力損が増加する LED 電流が増加すると 主スイッチング MOSFET Q4 の伝導損失が増加する システムレベルアプローチシステムレベルのアプローチによって レトロフィットランプを含めた SSL 製品の高効率化が可能になるというのは良いニュースだ ドライバを通じて選択した LED 部品を最適化すると エネルギー効率と信頼性の目標も満足させるコスト効果のある製品を実現できる パワーエレクトロニクスメーカーは LED スタック電圧が入力電圧に対して非常に小さな場合でも 高効率が得られる LEDドライバの開発に挑戦してきた さらに 米ナショナルセミコンダクター社 (National Semiconductor) などのメーカーは 照明器具メーカーに LEDs Magazine Japan

4 よるエネルギースター準拠を可能にする LED 駆動回路を開発した ランプメーカーは 研究所において さまざまな種類の LED とドライバの構成を解析し LED 数が少なく 順方向電流が高いほど エネルギースターに準拠する効率の達成は難しくなることを見出した 平行して LEDメーカーは効率のよい単一 LEDの開発がすべてではないことも認識した LED メーカーは 彼らの LED が市場においてどのように使用されるべきかを次第に理解し 特定の SSL ソリューションの最適化に役立つLEDの構築を始めた レトロフィット A19/PAR 型ランプに使われる LEDは 街灯や M16 の用途とはかなり異なるタイプが必要とされる LEDメーカーは 専門の異なる分野の設計チームとの共同開発を行い 最近になって最終用途に適合する LED を発表した LEDメーカーは 用途を特定した LED 製品の供給を開始した そのような製品の一つに米クリー社 ( Cree ) の新しい MX-65 がある MX-65 LED は旧式のMX-6 LEDから構成されているが この特殊な LEDは適切な用途で使用されると大きな利点が得られる ( この場合はレトロフィットランプの用途での利点が確認されている ) 旧式の MX-6 LED は単一パッケージの内部に 6 個の LED が並列に配置されている パッケージ内のそれぞれの LEDは1000mAまでの全 LED 電流に対して 150mAまでの電流を扱うことができる これらの LEDは Vの範囲の順方向電圧をもつ 新しい MX-65 LED はパッケージの 図 4 クリー社の 800 lm ランプ用の MX-6S LED による 3 2 アレイ構成 内部に 6 個のLEDが直列に配置されて流間の解析は以下の目標と判定基準をいる この直列 LED の順方向電流はもっていた 最大 115mAになる この単一パッケー 異なる LED 配置をもつ SSLレトロフィジ LED は 19 22V の範囲の順方向電ットランプ応用に向けて一般的な LED 圧をもつ 図 2 はパッケージ内の LED ドライバを最適化する の構成を簡略化して示している 電力損と臨界部品温度を記録する MX-6とMX-6S に使用されている LED 一つの設計を他と比較して 顕著なチップは チップが同じビニングで選コストの利点があれば記録する 択されていれば全く同じである 二つ 性能 コスト 信頼性および生産可のLEDの違いは 内部接続の配置だけ能性を考慮して 推奨したドライバである この唯一の違いを利用すると とLEDの構成を定式化する 一般的な LEDドライバによる A19 SSL われわれは LED 電流を調整して二つランプ用途における LEDスタック電圧の設計間の光出力を比較した 光束出間のベンチマーク解析が可能になる 力が等しい場合 温度による光束損失などのシステム変数はほぼ等しかった MX-6 と MX-6S のベンチマークまた 光測定器 ヒートシンク 機械設われわれは レトロフィットランプに計などの変化を注意深く制御して 比おいて クリー社の LED がどのように較可能な結果が得られるようにした 利用されるのかを考慮するためベンチわれわれは試作設計の低電圧スタッマーク分析を行い 各々の動作特性をクと高電圧スタックの経験的解析を行明らかにした LEDスタックの電圧 / 電った この SSLランプ設計は 以下の LEDs Magazine Japan

5 design forum ENERGY-EFFICIENT LED LAMPS 表 1 MX-6 によるランプの動作特性 #LED ILED(mA ) VFLED V0 P0( W ) Eff( %) 電力損 (W) 表 2 MX-6S によるランプの動作特性 #LED ILED(mA ) VFLED V0 P0( W ) Eff( %) 電力損 (W) 表 3 MX-6のデータ 入力電圧 (VAC) LED スタック電圧 ( V) LED 電流 ( ma ) 効率 ( % ) 熱電対 外部部品 温度 20 分 ( ) 1 電解コンデンサ 65 2 主 MOSFET インダクタ 出力ダイオード 120 表 4 MX-6Sのデータ 入力電圧 (VAC) LED スタック電圧 ( V) LED 電流 ( ma ) 効率 ( % ) 熱電対 外部部品 温度 30 分 ( ) 1 電解コンデンサ 51 2 主 MOSFET 80 3 インダクタ 98 4 出力ダイオード 90 設計基準をもつ 60W の白熱電球と同全体で 270mA になる 表 2 は動作特等であった 性をまとめている VIN 115VAC(+/ 20% ) PF>0.70 熱解析と信頼性 SSLバルブ寿命 >30k 時間熱と信頼性を解析するために LED 逆方向& 順方向位相調光器互換性ドライバをプラスチック筐体に配置し 調光比 >50:1 通常の PAR38 アルミニウム固定具に挿 60W 白熱等価 ( 約 800lm ) 入した ドライバと LEDは PAR38 レトこの設計は 簡略化した回路図 ( 図 3) ロフィット電球と同様に組立てた こが示すように 直列接続して 600mA の設計は 6 個の直列接続した 600mA で駆動する 6 個のMX-6 LED で構成さ MX-6 LEDを配置する 次に 熱電対れている それぞれの LED は 600mA を電解コンデンサ 主スイッチング FET において約 133lm/W が得られる 表主整流ダイオードおよび出力インダク 1は動作特性をまとめている タに取付ける 表 3 はベンチマーク試図 4 は MS-6S を用いた設計の簡単化験によるデータを示している した概念図を示している この設計はわれわれは図 4 に配置した MX-6S 3 2 の配置をもつ 6 個の LED を使用す LEDを用いて試験を繰返した その試る 出力電流は各列 90mA で駆動し 験結果を表 4 に示す 結論この簡単な試験に基づいて システム設計技術者は 二つの設計では LEDドライバ電子回路内の重要部品の温度差が最も重要な問題になると結論づけた 二つの設計にはコストに直接関係する相違はほとんどない しかし この温度差はLEDメーカーに最悪の結果をもたらし 品質の評判を損なう恐れがある メーカーが特殊なLED 構成の採用を決定し 高価な駆動回路部品を使用し あるいはヒートシンクや断熱材料を追加しても エネルギー効率が向上し システム部品が適切な温度仕様の範囲に収まるとすれば コストへの影響は限定される 電解コンデンサは駆動回路の期待寿命の決定的要因になる場合が多い 適切な設計を採用すると SSL 用途の電解コンデンサは 5 万時間以上の寿命を確保できる 経験則によると 電解コンデンサは温度が上昇すると その寿命は摂氏 10 ごとに半分になる 例えば 電解コンデンサを 105 で動作したときの 1 万時間の期待寿命は 85 なら4 万時間に改善される 同じコンデンサを 95 で使用したときの期待寿命は 2 万時間になる これは大きな違いだ われわれの試験の場合 より高い電圧スタック LEDを使用したときの動作寿命は少なくとも 2 倍の改善が予測できた 著者紹介マシュー レイノルズ ( Matthew Reynolds) はナショナルセミコンダクター社に所属し グローバル SSL ICアプリケーションマネージャ を務めている LEDJ LEDs Magazine Japan

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