CN102857104B

CN102857104B - 开关电源以及照明装置

Info

Publication number: CN102857104B
Application number: CN201210077691.6A
Authority: CN
Inventors: 高桥雄治; 北村纪之
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2011-06-29
Filing date: 2012-03-22
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2032-03-22
Also published as: US20130002160A1; JP2013013231A; EP2542029A2; US8749152B2; CN102857104A

Abstract

本发明提供一种电力损失小的开关电源以及照明装置。实施方式的开关电源具备第1开关元件、整流器件、第1电感器及第2电感器。第1开关元件在导通时，对第1电感器供给电源电压以使电流流动。整流器件串联连接于第1开关元件，在第1开关元件断开时使第1电感器的电流流动。第2电感器是与第1电感器磁耦合，当第1电感器的电流增加时感应产生使第1开关元件导通的电位，当第1开关元件的电流减少时感应产生使第1开关元件断开的电位，并将感应产生的电位供给至第1开关元件的控制端子。整流器件具有：二极管，耐压比第1开关元件低；以及第2开关元件，串联连接于二极管的阴极，且控制端子连接于二极管的阳极。

Description

开关电源以及照明装置

技术领域

本发明的实施方式涉及一种开关(switching)电源以及照明装置。

背景技术

近年来，在照明装置中，照明光源正在推进从白炽灯泡或荧光灯向节能·长寿命的光源替换，例如发光二极管(Light Emitting Diode，LED)。而且，例如还开发出了电致发光(Electro-Luminescence，EL)或有机发光二极管(Organic light-emitting diode，OLED)等的新的照明光源。这些照明光源的光输出取决于流经的电流值，因此在对照明光源进行点灯时，需要供给恒电流的电源电路。而且，为了使输入的电源电压符合LED等的照明光源的额定电压，还必须对电压进行转换。作为高效率且适合于省电化·小型化的电源，已知有斩波器(chopper)方式的直流-直流(Direct Current-Direct Current，DC-DC)转换器等的开关电源。而且，提出使用开关电源的LED点灯装置(例如，参照专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2004-119078号公报

但是，在斩波器方式的DC-DC转换器中，当开关元件断开时，电流会流经压降大的二极管，因此存在电力损失大的问题。

发明内容

本发明的实施方式的目的在于提供一种电力损失小的开关电源以及照明装置。

实施方式的开关电源具备第1开关元件、整流器件、第1电感器(inductor)及第2电感器。所述第1开关元件在导通时，对所述第1电感器供给电源电压以使电流流动。所述整流器件连接于所述第1开关元件，在所述第1开关元件断开时使所述第1电感器的电流流动。所述第2电感器是与所述第1电感器磁耦合，当所述第1电感器的电流增加时感应产生使所述第1开关元件导通的电位，当所述第1开关元件的电流减少时感应产生使所述第1开关元件断开的电位，并将感应产生的电位供给至所述第1开关元件的控制端子。所述整流器件具有:二极管，耐压比所述第1开关元件低;以及第2开关元件，串联连接于所述二极管的阴极(cathode)，且控制端子连接于所述二极管的阳极(anode)。

而且，另一实施方式的照明装置具备:上述开关电源;以及作为所述开关电源的负载电路而被连接的照明负载。

发明效果

根据本发明的实施方式，能够提供一种电力损失小的开关电源以及照明装置。

附图说明

图1是例示包含第1实施方式的开关电源的照明装置的电路图。

图2是例示包含第1实施方式的开关电源的照明装置的另一电路图。

符号的说明

1、la······照明装置

2、2a······开关电源

3……照明负载

4……高电位电源端子

5……低电位电源端子

6……高电位输出端子

7……低电位输出端子

8……第1开关元件

9……恒电流元件

10……整流元件

11……二极管

12……第2开关元件

13……第1电感器

14……第2电感器

15……电压生成电路

16……电容器

17……平滑电容器

18……照明光源

VIN……电源电压

VOUT……输出电压

具体实施方式

以下，参照附图来详细说明实施方式。另外，在本申请案的说明书和各图中，关于已提及的图，对与前述同样的器件标注相同的符号，并适当省略详细说明。

首先，对第1实施方式进行说明。

如图1所示，照明装置1具备:开关电源2，将输入的直流的电源电压VIN降压至电压VOUT;以及照明负载3，作为开关电源2的负载电路。照明负载3具有照明光源18。照明光源18例如包含LED，从开关电源2被供给电压VOUT而点灯。

在开关电源2中，第1开关元件8和恒电流元件9串联连接在高电位电源端子4与高电位输出端子6之间。即，第1开关元件8的漏极(drain)连接于高电位电源端子4，第1开关元件8的源极(source)连接于恒电流元件9的漏极，恒电流元件9的源极连接于高电位输出端子6。第1开关元件8以及恒电流元件9例如为场效应晶体管(Field-Effect Transistor，FET)，例如为高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor，HEMT)，是常通型的元件。

而且，整流器件10是将从低电位电源端子5朝向高电位输出端子6的方向作为顺向而连接在高电位输出端子6与低电位电源端子5之间。即，整流器件10经由恒电流元件9而串联连接于第1开关元件8。整流器件10包含二极管11和第2开关元件12。第2开关元件12的漏极连接于高电位输出端子6，源极连接于二极管11的阴极，栅极(gate)(第2开关元件的控制端子)连接于二极管11的阳极。而且，二极管11的阳极连接于低电位电源端子5。二极管11例如是肖特基势垒二极管(Schotky barrierdiode，SBD)，其耐压比第1开关元件8低。而且，第2开关元件12具有与第1开关元件8相同的耐压，例如为FET，例如为HEMT，是常通型的元件。

进而，在开关电源2中，第1电感器13连接在低电位电源端子5与低电位输出端子7之间。第1电感器13经由照明负载3而与第1开关元件8以及恒电流元件9串联连接。而且，第2电感器14是与第1电感器13磁耦合，一端连接于低电位输出端子7，另一端经由电容器(condenser)16而连接于第1开关元件8的作为控制端子的栅极。

而且，电压生成电路15连接于恒电流元件9的作为控制端子的栅极与低电位电源端子5之间。电压生成电路15采用可调整所生成的电压值的结构。进而，平滑电容器17连接于高电位输出端子6与低电位输出端子7之间。

接下来，对开关电源2的动作进行说明。

(1)当对高电位电源端子4与低电位电源端子5之间供给电源电压VlN时，由于第1开关元件8以及恒电流元件9为常通型的元件，因此均会导通。并且，电流以高电位电源端子4、第1开关元件8、恒电流元件9、平滑电容器17、第1电感器13、低电位电源端子5的路径而流动，平滑电容器17得到充电。平滑电容器17两端的电压，即高电位输出端子6与低电位输出端子7之间的电压作为开关电源2的输出电压VOUT被供给至照明负载3的照明光源18。

(2)而且，由于第1开关元件8以及恒电流元件9导通，因此对整流器件10的两端施加大致电源电压VIN。二极管11成为逆偏压，无电流流经整流器件10。此时，对整流器件10的两端施加的电压由二极管11与第2开关元件12来分担。但是，二极管11只要能够负担开关元件12的栅极·源极间电压即可，能够利用第2开关元件12来确保耐压。

(3)当输出电压VOUT达到规定电压时，电流流至照明光源18，照明光源18点灯。此时，电流以高电位电源端子4、第1开关元件8、恒电流元件9、平滑电容器17及照明光源18、第1电感器13、低电位电源端子5的路径来流动。例如，当照明光源18为LED时，该规定电压为LED的顺向电压，规定电压是根据照明光源18来确定。

(4)对于第1电感器13，经由第1开关元件8、恒电流元件9来供给电源电压VIN，因此流经第1电感器13的电流增加。第2电感器14是与第1电感器13磁耦合，因此在第2电感器14中感应产生使电容器16侧为高电位的极性的电动势。因此，对于第1开关元件8的栅极，经由电容器16来供给相对于源极为正的电位，第1开关元件8维持导通的状态。

(5)当流经包含FET的恒电流元件9的电流超过规定的电流值时，恒电流元件9的漏极·源极间电压急遽上升。因此，第1开关元件8的栅极·源极间电压变得低于阈值电压，第1开关元件8断开。另外，规定的电流值是根据电压生成电路15所生成的电压值而设定的恒电流元件9的饱和电流值。

(6)第1电感器13使电流以整流器件10、平滑电容器17及照明负载3、第1电感器13的路径来继续流动。因此，照明光源18持续点灯。第1电感器13放出电磁能量，因此第1电感器13的电流减少。因此，在第2电感器14中，感应产生使电容器16侧为低电位的极性的电动势。对于第1开关元件8的栅极，经由电容器16而供给相对于源极为负的电位，第1开关元件8维持断开的状态。

(7)当蓄积在第1电感器13中的电磁能量为零时，流经第1电感器13的电流变为零。此时，输出电压VOUT下降至规定电压。在第2电感器14中感应产生的电动势的方向再次逆转，从而感应产生以电容器16侧为高电位的电动势。由此，对第1开关元件8的栅极供给比源极高的电位，第1开关元件8导通。借此，返回上述(2)的状态。

以后，重复上述(2)～(7)。由此，自动重复第1开关元件8的导通以及断开的切换，从而对照明光源18供给使电源电压VIN下降后的输出电压VOUT。而且，对照明光源18供给的电流成为被恒电流元件9限制为上限值的恒电流。因此，能够使照明光源18稳定地点灯。

接下来，对本实施方式的效果进行说明。

在本实施方式中，整流器件10利用第2开关元件12来确保耐压，对于二极管11使用耐压比第1开关元件8低的元件。因此，能够降低整流器件10的顺向电压而减少导通损失。

例如当取代整流器件10而只使用逆向恢复时间短的硅(Si)的PN接面二极管时，对于二极管必须使用高耐压的元件。例如，600V耐压的高速二极管的顺向电压例如为1.2V左右。因此，例如假设有平均1A的电流流动，则二极管的导通损失将达到1.2W。而且，在Si的PN接面二极管的情况下，还会产生因切断(turn off)时的逆向恢复造成的损失。例如，对于逆向恢复时间trr＝100ns的二极管，在以电流i的变化率di/dt＝50A/μs来阻断的情况下，假设使所述二极管以频率f＝1MHz进行动作，则因逆向恢复造成的损失达到大致1W左右。

但是，在整流器件10中，二极管11是耐压比第1开关元件8低的元件，只要能够确保第2开关元件12的栅极·源极间电压的耐压即可。例如，在耐压20V的肖特基势垒二极管的情况下，顺向电压为0.4V左右。而且，在第2开关元件12例如为600V耐压的氮化镓(GaN)的常通型FET的情况下，导通电阻为0.1Ω左右。

因此，假设与上述同样地有例如平均1A的电流流动，则二极管11的导通损失为0.4W，第2开关元件12的导通损失为0.1W，整流器件10的导通损失为0.5W。而且，肖特基势垒二极管原理上不会逆向恢复，因此伴随该逆向恢复造成的损失为零，整流器件10的切断时的开关损失也为零。

这样，整流器件10能够减少导通损失，而且，在肖特基势垒二极管的二极管11中，无切断时的开关损失，因此与只使用高耐压的二极管的情况相比较，能够减少整流器件10造成的电力损失。因此，在开关电源2中，能够减少第1开关元件8断开时的电力损失。

而且，开关电源2是输出对电源电压VIN进行降压后的输出电压VOUT的降压型的开关电源。若设第1开关元件8导通的期间为Ton，断开的期间为Toff，则期间Ton相对于1周期(cycle)T=Ton+Toff的比(占空比)α为α=Ton/T=VOUT/VIN。

因此，降压比VIN/VOUT越高，则占空比α越小，第1开关元件8断开的期间越长。例如，当将对商用电源进行整流后的100V～240V的电源电压VIN供给至高电位电源端子4与低电位电源端子5之间，使作为照明光源18的顺向电压50V以下的LED点灯时，占空比α为0.5以下。第1开关元件8断开的期间Toff比导通的期间Ton长，减少因整流器件10的顺向电压造成的电力损失的效果大。

进而，当使用高电子迁移率晶体管来作为第1开关元件8、恒电流元件9、第2开关元件12等的各元件时，能够实现高频动作。例如，兆赫级(megahertzorder)的动作成为可能。尤其，当使用GaN系高电子迁移率晶体管时，更进一步的高频动作成为可能，并且由于元件耐压高，因此能够对采用相同耐压时的芯片尺寸(chip size)进行小型化。

图2是例示包含第1实施方式的电源电路的照明装置的另一电路图。

如图2所示，照明装置la具备:开关电源2a，将输入的直流的电源电压VIN升压至电压VOUT;以及照明负载3，作为开关电源2a的负载电路。对于照明负载3，与图1中同样，照明光源18从开关电源2a被供给电压VOUT而点灯。另外，在图2中，对于与图1相同的器件标注相同的符号。

在开关电源2a中，第1开关元件8和恒电流元件9经由第1电感器13而串联连接在高电位电源端子4与低电位电源端子5之间。即，第1开关元件8的漏极经由第1电感器13而连接于高电位电源端子4，第1开关元件8的源极连接于恒电流元件9的漏极，恒电流元件9的源极连接于低电位电源端子5。第1开关元件8以及恒电流元件9是与图1中同样，例如为场效应晶体管(FET)，例如为高电子迁移率晶体管(High EleCtron Mobility Transistor，HEMT)，是常通型的元件。

而且，整流器件10是将从第1开关元件8朝向高电位输出端子6的方向作为顺向而连接在第1电感器13及第1开关元件8与高电位输出端子6之间。即，整流器件10串联连接于第1开关元件8。整流器件10是与图1中同样，包含二极管11和第2开关元件12。

进而，在开关电源2a中，第2电感器14是与第1电感器13磁耦合，一端连接于低电位电源端子5，另一端经由电容器16而连接于第1开关元件8的作为控制端子的栅极。

而且，电压生成电路15连接在恒电流元件9的作为控制端子的栅极与低电位电源端子5之间。电压生成电路15是与图1中同样，采用可调整所生成的电压值的结构。进而，平滑电容器17连接于高电位输出端子6 与低电位输出端子7之间。

接下来，对开关电源2a的动作进行说明。

(la)当对高电位电源端子4与低电位电源端子5之间供给电源电压VIN时，由于第1开关元件8以及恒电流元件9为常通型的元件，因此均会导通。并且，电流以高电位电源端子4、第1电感器13、第1开关元件8、恒电流元件9、低电位电源端子5的路径流动。

(2a)而且，由于第1开关元件8以及恒电流元件9导通，因此对整流器件10的两端施加大致输出电压VOUT。二极管11成为逆偏压，无电流流经整流器件10。此时，对整流器件10的两端施加的电压由二极管11与第2开关元件12来分担。但是，二极管11只要能够负担开关元件12的栅极·源极间电压即可，能够利用第2开关元件12来确保耐压。

(3a)对于第1电感器13，经由第1开关元件8、恒电流元件9来供给电源电压VIN，因此流经第1电感器13的电流增加。第2电感器14是与第1电感器13磁耦合，因此在第2电感器14中，感应产生使电容器16侧为高电位的极性的电动势。因此，对于第1开关元件8的栅极，经由电容器16来供给相对于源极为正的电位，第1开关元件8维持导通的状态。

(4a)当流经包含FET的恒电流元件9的电流超过规定的电流值时，恒电流元件9的漏极·源极间电压急遽上升。因此，第1开关元件8的栅极·源极间电压变得低于阈值电压，第1开关元件8断开。另外，规定的电流值是根据电压生成电路15所生成的电压值而设定的恒电流元件9的饱和电流值。

(5a)第1电感器13使电流以整流器件10、平滑电容器17、低电位电源端子5的路径继续流动，平滑电容器17得到充电。平滑电容器17的两端的电压，即高电位输出端子6与低电位输出端子7之间的电压作为开关电源2a的输出电压VOUT被供给至照明负载3的照明光源18。

(6a)当输出电压VOUT达到规定电压时，电流流至照明光源18，照明光源18点灯。此时，电流以高电位电源端子4、第1电感器13、整流器件10、平滑电容器17及照明光源18、低电位电源端子5的路径来流动。例如，当照明光源18为LED时，该规定电压为LED的顺向电压，规定电压是根据照明光源18来确定。

(7a)第1电感器13使电流以整流器件10、平滑电容器17及照明光源18、低电位电源端子5的路径继续流动。因此，照明光源18持续点灯。第1电感器13放出电磁能量，因此第1电感器13的电流减少。因此，在第2电感器14中，感应产生使电容器16侧为低电位的极性的电动势。对于第1开关元件8的栅极，经由电容器16来供给相对于源极为负的电位，第1开关元件8维持断开的状态。

(8a)当蓄积在第1电感器13中的电磁能量为零时，流经第1电感器13的电流变为零。此时，输出电压VOUT成为与电源电压VIN大致相等的电压值。或者，当输出电压VOUT低于上述的规定电压时，流经第1电感器13的电流大致为零。

在第2电感器14中感应产生的电动势的方向再次反转，产生以电容器16侧为高电位的电动势。由此，对第1开关元件8的栅极施加比源极高的电位，第1开关元件8导通。由此，返回上述(1a)的状态。

以后，重复上述(la)～(8a)。由此，自动重复第1开关元件8的导通以及断开的切换，从而对照明光源18供给使电源电压VIN升压后的输出电压VOUT。另外，对照明光源18供给的电流成为由恒电流元件9限制为上限值的恒电流。因此，能够使照明光源18稳定地点灯。

接下来，对第2实施方式的效果进行说明。

在第2实施方式中，当第1开关元件8断开时，第1电感器13的电流也流经整流器件10。因此，第2实施方式的效果与第1实施方式的效果同样。但是，开关电源2a是输出对电源电压VlN进行升压后的输出电压VOUT的升压型的开关电源。因此，占空比α为α=Ton/T＝l-VIN/VOUT。

升压比VOUT/VIN越低，则占空比α越小，第1开关元件8断开的期间越长。例如，一次电池或二次电池等的电源电压VIN被供给至高电位电源端子4与低电位电源端子5之间，在使作为照明光源18的LED点灯等的情况下，当升压比为2以下时，占空比α为0.5以下。第1开关元件8断开的期间Toff比导通的期间Ton长，减少因整流器件10的顺向电压造成的电力损失的效果大。

第2实施方式中的上述以外的效果与上述第1实施方式同样。

以上，参照具体例来说明了本发明的实施方式。但是，本发明并不限定于这些实施方式，可进行各种变形。

例如，在前述的第1实施方式以及第2实施方式中，示出了第1开关元件8以及恒电流元件9为常通型的元件的例子，但本发明并不限定于此，也可为常断型的元件。此时，当开始电源电压VIN的供给时，需要用于使开关电源2、2a启动的启动电路。

而且，开关电源的结构并不限定于图1以及图2所示的结构。例如，第1电感器13只要位于高电位电源端子4、第1开关元件8、恒电流元件9、平滑电容器17、低电位电源端子5的路径上即可，也可连接在恒电流元件9和整流器件10的连接点与高电位输出端子6之间。

而且，第1开关元件8、恒电流元件9以及第2开关元件12并不限定于GaN系HEMT。例如也可为下述半导体元件，所述半导体元件是使用碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)或金刚石(diamond)之类的具有宽带隙(wide bandgap)的半导体(宽带隙半导体)而形成在半导体基板上的半导体元件。此处，所谓宽带隙半导体，是指带隙比约1.4eV的砷化镓(GaAs)宽的半导体。例如包括带隙为1.5eV以上的半导体、磷化稼(GaP，带隙约2.3eV)、氮化镓(GaN，带隙约3.4eV)、金刚石(C，带隙约5.27eV)、氮化铝(AlN，带隙约5.9eV)、碳化硅(SiC)等。此类宽带隙半导体元件能够减小寄生电容而实现高速动作，因此能够进一步实现开关电源的小型化、开关损失的减少化。

进而，照明光源18并不限于发光二极管(LightEmittingDiode，LED)，也可为电致发光(electroluminescent，EL)或有机发光二极管(Organic Light Emitting Diode，OLED)等，还可将多个照明光源18串联或并联连接于照明负载3。

而且，在前述的第1实施方式以及第2实施方式中，例示了使用照明光源来作为开关电源的负载的情况，但例示的开关电源不仅可用于照明光源，只要是以直流驱动的负载均可使用。

对本发明的若干实施方式进行了说明，但这些实施方式仅为例示，并不意图限定发明的范围。这些新颖的实施方式可以其他各种形态来实施，在不脱离发明的主旨的范围内可进行各种省略、替换、变更。这些实施方式或其变形包含在发明的范围或主旨内，并且包含在权利要求书中记载的发明及其均等的范围内。

Claims

1.一种开关电源，其特征在于包括：

第1电感器；

第1开关元件，在导通时对所述第1电感器供给电源电压以使电流流动；

整流器件，串联连接于所述第1开关元件，在所述第1开关元件断开时使所述第1电感器的电流流动；

以及第2电感器，与所述第1电感器磁耦合，当所述第1电感器的电流增加时感应产生使所述第1开关元件导通的电位，当所述第1开关元件的电流减少时感应产生使所述第1开关元件断开的电位，并将感应产生的电位供给至所述第1开关元件的控制端子，

所述整流器件包括：

二极管，耐压比所述第1开关元件低；

以及第2开关元件，串联连接于所述二极管的阴极，且控制端子连接于所述二极管的阳极。

2.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于：

所述二极管的耐压比所述第2开关元件低。

3.根据权利要求1或2所述的开关电源，其特征在于：

所述第2开关元件是常通型的元件。

4.根据权利要求1或2中任一项所述的开关电源，其特征在于：

所述二极管是肖特基势垒二极管。

5.根据权利要求1或2中任一项所述的开关电源，其特征在于：

所述第1开关元件断开的期间比导通的期间长。

6.根据权利要求1或2中任一项所述的开关电源，其特征在于还包括：

恒电流元件，串联连接于所述第1开关元件。

7.根据权利要求6所述的开关电源，其特征在于：

所述整流器件经由所述恒电流元件而串联连接于所述第1开关元件。

8.根据权利要求6所述的开关电源，其特征在于：

所述开关电源输出对所述电源电压进行降压后的电压。

9.根据权利要求6所述的开关电源，其特征在于：

所述整流器件经由所述第1开关元件而串联连接于所述恒电流元件。

10.根据权利要求6所述的开关电源，其特征在于：

所述开关电源输出对所述电源电压进行升压后的电压。

11.一种照明装置，其特征在于包括：

权利要求1至10中任一项所述的开关电源；

以及作为所述开关电源的负载电路而连接的照明负载。