CN104065277A

CN104065277A - 电源装置及照明装置

Info

Publication number: CN104065277A
Application number: CN201310388702.7A
Authority: CN
Inventors: 北村纪之; 大武宽和; 高桥雄治; 赤星博; 大崎肇; 铃木浩史
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2013-03-19
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2014-09-24
Also published as: JP2014183639A

Abstract

本发明提供一种电源装置及照明装置，可实现：安装了高频工作的开关元件的基板的绝缘劣化的抑制及提高绝缘性能。本发明的实施方式的电源装置具有：开关元件，包含第一端子及第二端子；电感器，包含第三端子及第四端子；第一基板，连接有所述开关元件的所述第一端子及所述电感器的所述第四端子；以及导电路径，将所述开关元件的所述第二端子和所述电感器的所述第三端子电性连接，并且与所述第一基板隔开地设置。

Description

电源装置及照明装置

技术领域

本发明的实施方式涉及一种电源装置及照明装置。

背景技术

采用开关元件的开关电源是作为适合省电·小型化的电源，用于各种广泛的用途。作为其一例，也用作照明电源。近年来，在照明装置中，正在发展照明光源从白炽灯或荧光灯向节能·长寿命光源、例如发光二极管(Light-emitting diode：LED)更换。而且，也开发了例如有机发光二极管(Organic light-emitting diode：OLED)等新的照明光源。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2011-119237号公报

专利文献1的LED点灯装置是：由于可借助开关元件的开关频率的高频化而使用小型的无源元件，因此可使LED点灯装置小型化。

然而，当对通用的基板、例如以玻璃环氧树脂为主材料的基板安装高频工作的开关元件时，担心因伴随开关元件高频工作的泄漏电流，而导致以有机系材料为主材料的通用的基板绝缘劣化。

另一方面，当对以无机系材料、例如金属、陶瓷、玻璃等为主材料的基板安装开关元件时，可抑制绝缘劣化，但使用以无机系材料为主材料的基板会导致成本上升。

发明内容

本发明所要解决的课题在于：提供一种电源装置及照明装置，可使安装高频工作的开关元件的基板实现抑制绝缘劣化及提高绝缘性能。

实施方式的电源装置具有：开关元件，包含第一端子及第二端子；电感器，包含第三端子及第四端子；第一基板，连接有所述开关元件的所述第一端子及所述电感器的所述第四端子；以及导电路径，将所述开关元件的所述第二端子与所述电感器的所述第三端子电性连接，并且与所述第一基板隔开地设置。

发明的效果

根据本发明，可期待安装高频工作的开关元件的基板能够抑制绝缘劣化及提高绝缘性能。

附图说明

图1是表示实施例1的开关电源装置及照明装置的整体构成的电路图。

图2(a)、图2(b)是表示同一实施例1的开关电源装置的部分构成的截面图。

附图标记说明：

1：照明装置

2：照明负载

3：电源装置

4：照明光源

5：交流电源

6：AC-DC转换电路

7：开关元件

8：恒定电流元件

9：整流元件

10：半导体元件

11：驱动电路

12：电感器

13：反馈绕组

14：变压器

15：耦合电容器

16、17：分割电阻

18：输出电容器

19：输入电容器

20：整流电路

21：扼流圏

22：平滑电容器

23、24：输入端子

25：高电位输出端子

26：低电位输出端子

27：第一基板

28：第二基板

29：连接部件

30：导电路径

31：导电路

A、B：电路

t1：第一端子

t2：第二端子

t3：第三端子

t4：第四端子

t5：第五端子

具体实施方式

(第一实施方式)第一实施方式的电源装置具有：开关元件，包含第一端子及第二端子；电感器，包含第三端子及第四端子；第一基板，连接有所述开关元件的所述第一端子及所述电感器的所述第四端子；以及导电路径，将所述开关元件的所述第二端子与所述电感器的所述第三端子电性连接，并且与所述第一基板隔开地设置。

(第二实施方式)第二实施方式的电源装置是根据第一实施方式的电源装置，其特征在于具备：第二基板，设置有所述导电路径；及连接部件，设置在所述第一基板与所述第二基板之间。

(第三实施方式)第三实施方式的照明装置的特征在于具备：根据第一或第二实施方式的电源装置；及照明负载，连接于所述电源装置。

[实施例1]

以下，参照附图，对实施例1的开关电源装置3进行说明。图1是表示实施例1的开关电源装置3及照明装置1的整体构成的电路图。图2(a)、图2(b)是表示同一实施例1的开关电源装置3的部分构成的截面图。图2(a)是图1的电路A的截面图。而且，图2(b)是图1的电路B的截面图。

以下，参照附图，对实施例1进行详细说明。此外，附图是示意性或概念性的附图，且各部分的形状与宽度的关系、部分间的大小的比率等未必与实际相同。而且，即使在表示相同的部分时，也存在因附图不同而相互的尺寸或比率不同地表示的情况。而且，在本申请说明书及各附图中，关于已提及的附图，对与所述内容相同的要素附注同一符号，并适当省略详细的说明。

照明装置1具备：照明负载2、以及开关电源装置3。照明负载2例如包含LED等照明光源4，且自开关电源装置3被供给电力而点亮。

开关电源装置3具备：交流(Alternating current，AC)-直流(Direct current，DC)转换电路6，将自交流电源5供给的交流电压转换成直流电压；开关元件7；恒定电流元件8；整流元件9；以及驱动电路11，用以控制开关元件7，且设定恒定电流元件8的恒定电流值。此外，自开关电源装置3中去除AC-DC转换电路6后的部分是：构成了DC-DC转换器。

AC-DC转换电路6包含：输入电容器19、整流电路20、扼流圏21(chokecoil)、平滑电容器22。输入电容器19是连接于一对输入端子23、24。整流电路20包含二极管电桥，且经由一对输入端子23、24而自交流电源5输入交流电压。自整流电路20输出的直流电压(脉动电压)是利用包含扼流圏21及平滑电容器22的低通滤波器而平滑化。此外，交流电源5例如为商用电源。

开关元件7的漏极是连接于平滑电容器22的一端(正极侧)，开关元件7的源极是连接于恒定电流元件8的漏极。开关元件7的栅极是经由驱动电路11的耦合电容器15而连接于反馈绕组(feedback winding)13的一端。

恒定电流元件8的源极是连接于电感器12的一端及反馈绕组13的另一端，恒定电流元件8的栅极是连接于驱动电路11的分割电阻16、17的连接点。而且，对分割电阻16、17，经由偏压电阻(bias resistor)供给平滑电容器22的电压。其结果，对恒定电流元件8的栅极，供给相对于恒定电流元件8的源极为负极性的电位。此外，分割电阻16是可变电阻，且使分割电阻16的电阻值变化，可调整恒定电流元件8的恒定电流值。

整流元件9是自平滑电容器22的另一端以恒定电流元件8的方向为正向，而连接在恒定电流元件8的源极与平滑电容器22的另一端(负极侧)之间。

电感器12的另一端是连接于高电位输出端子25，且平滑电容器22的另一端是连接于低电位输出端子26。而且，输出电容器18是连接于高电位输出端子25与低电位输出端子26之间。

此外，当自电感器12的一端朝向另一端的方向、即自恒定电流元件8的源极或整流元件9的阴极朝向高电位输出端子25的方向增加的电流流动时，电感器12与反馈绕组13以对开关元件7的栅极供给相对于源极为负极性的电压的极性的方式，而进行磁耦合。而且，电感器12与反馈绕组13构成变压器14。

而且，开关元件7及恒定电流元件8是例如高电子迁移率晶体管(HighElectron Mobility Transistor：HEMT)，例如为氮化镓(GaN)系HEMT，且常开型(normally-on)的元件。开关元件7、恒定电流元件8及整流元件9是作为半导体元件10而集成化。而且，在开关元件7及恒定电流元件8各自的栅极连接着保护二极管。连接于开关元件7及恒定电流元件8各自的栅极且供给栅极电位的耦合电容器15、分割电阻16、17、保护二极管构成驱动电路11。

照明负载2是在高电位输出端子25与低电位输出端子26之间，与输出电容器18并列地连接。

其次，对开关电源装置3的工作进行说明。

如果自交流电源5供给电源电压，则在平滑电容器22的两端，生成直流电压。

当在平滑电容器22的两端生成直流电压时，开关元件7及恒定电流元件8由于是常开型元件，故均接通。而且，电流在开关元件7、恒定电流元件8、电感器12、输出电容器18的路径中流动，而对输出电容器18进行充电。输出电容器18的两端的电压、即高电位输出端子25与低电位输出端子26之间的电压是：作为开关电源装置3的输出电压，而供给至照明负载2的照明光源4。

如果输出电压达到指定电压，则输出电流流入照明光源4，使照明光源4点亮。此时，电流在开关元件7、恒定电流元件8、电感器12、输出电容器18及照明光源4的路径中流动。例如，在照明光源4为LED的情况下，该指定电压为LED的正向电压，且根据照明光源4而定。

在电感器12中流动的电流是随着时间而增加，在反馈绕组13中，激发极性以耦合电容器15侧为高电位的电动势。因此，对开关元件7的栅极，经由耦合电容器15，而供给相对于源极为正的电位，开关元件7维持接通的状态。

如果在恒定电流元件8中流动的电流超过恒定电流值，则恒定电流元件8的漏极·源极间电压急剧上升。因此，开关元件7的栅极·源极间电压变得低于阈值电压，开关元件7断开。此外，恒定电流值是恒定电流元件8的饱和电流值，且由自分割电阻16、17输入至恒定电流元件8的栅极的电位而规定。此外，如上所述，恒定电流元件8的栅极电位由于相对于源极为负电位，因此，可将饱和电流值限制为合理值。

电感器12使电流继续在整流元件9、输出电容器18及照明负载2、电感器12的路径中流动。此时，由于电感器12释放能量，所以电感器12的电流不断减少。因此，在反馈绕组13中，激发极性以耦合电容器15侧为低电位的电动势。对开关元件7的栅极，经由耦合电容器15，而供给相对于源极为负的电位，开关元件7维持断开的状态。

如果蓄积在电感器12中的能量变为零，则在电感器12中流动的电流变为零。在反馈绕组13中激发的电动势的方向再次反转，激发以耦合电容器15侧为高电位的电动势。由此，对开关元件7的栅极供给高于源极的电位，开关元件7接通。由此，所述输出电压返回达到指定电压的状态。

之后，重复所述工作。由此，将开关元件7自动地重复进行对接通及断开的切换，从而对照明光源4供给：使自交流电源5供给的电源电压经平滑化的直流电压下降的输出电压。而且，供给至照明光源4的电流是：通过恒定电流元件8而限制为恒定电流值。因此，可使照明光源4稳定地点亮。而且，如上所述，该恒定电流值可通过使分割电阻16的电阻值变化而调整。

在实施例1中，由于开关元件7及恒定电流元件8为GaN系HEMT，因此，可使开关频率高频化，例如可使开关频率达到10MHz左右。其结果，可将构成电感器12、反馈绕组13的变压器14小型化。

此外，在实施例1中，例示了如下构成：具备AC-DC转换电路6，且将自交流电源5供给的电源电压转换成直流电压，利用DC-DC转换器使直流电压下降后输出。但是，也可设为如下构成：省略AC-DC转换电路6，利用DC-DC转换器使自直流电源供给的直流电压下降后输出。

开关电源装置3的除了开关元件7、恒定电流元件8、整流元件9及电感器12以外的电子零件是安装在第一基板27。第一基板27例如为酚醛纸(paperphenol)基板，例如为玻璃环氧(glass epoxy)基板。在第一基板27的表面，形成有导电路径31。导电路径31是由铜形成。

图1所示的电路A包含：开关元件7、恒定电流元件8及电感器12。在电路A中，开关元件7的漏极(第一端子t1)连接于平滑电容器22的一端(正极侧)，开关元件7的源极连接于恒定电流元件8的漏极。而且，恒定电流元件8的源极(第二端子t2)连接于电感器12的一端(第三端子t3)。进而，电感器12的另一端(第四端子t4)连接于高电位输出端子25。

在图2(a)中，半导体元件10的第一端子t1、即开关元件、例如开关元件7的作为主电极之一的漏极电极是：利用焊料安装在第一基板27，从而电性且机械地连接于第一基板27的导电路径31。半导体元件10的第二端子t2、即开关元件、例如恒定电流元件8的作为主电极之一的源极电极是：经由焊料连接于导电路径30，从而将第二端子t2与导电路径30电性且机械地连接。

而且，导电路径30与电感器12的一端的端子即第三端子t3是经由焊料而连接，从而将第三端子t3与导电路径30电性且机械地连接。

导电路径30是与第一基板27隔开地形成，且由铜形成。

电感器12的另一端的端子即第四端子t4与形成在第一基板27上的导电路径31是经由焊料而连接，从而将第四端子t4与导电路径31电性且机械地连接。

导电路径30是因开关元件7的高频开关工作而被施加高频电压，因此，为了抑制因伴随开关元件的高频工作的泄漏电流所导致的、包含玻璃环氧树脂的第一基板27的绝缘劣化，而将导电路径30与第一基板27隔开地设置。导电路径30由于与第一基板27隔开地设置，因此，可抑制：因开关元件7的高频开关工作而被施加高频电压，从而因伴随开关元件的高频工作的泄漏电流导致包含玻璃环氧树脂的第一基板27的绝缘劣化。

图1所示的电路B包含：整流元件9及电感器12。在电路B中，整流元件9是在恒定电流元件8的源极与平滑电容器22的另一端(负极侧)之间，自平滑电容器22的另一端以恒定电流元件8的方向为正向，而进行连接。即，整流端子9的阳极(第五端子t5)连接于平滑电容器22的另一端(负极侧)。恒定电流元件8的源极与整流元件9的阴极的连接点(第二端子t2)连接于电感器12的一端(第三端子t3)。进而，电感器12的另一端(第四端子t4)连接于高电位输出端子25。

在图2(b)中，半导体元件10的第五端子t5、即整流元件9的阳极是利用焊料安装在第一基板27，从而电性且机械地连接于第一基板27的导电路径31。半导体元件10的第二端子t2、即恒定电流元件8的源极与整流元件9的阴极的连接点(第二端子t2)是经由焊料连接于导电路径30，从而将第二端子t2与导电路径30电性且机械地连接。

导电路径30由于因开关元件7的高频开关工作而被施加高频电压，因此，为了抑制因伴随开关元件的高频工作的泄漏电流所导致的、包含玻璃环氧树脂的第一基板27的绝缘劣化，而将导电路径30与第一基板27隔开地设置。导电路径30由于与第一基板27隔开地设置，因此，可抑制：因开关元件7的高频开关工作而被施加高频电压，从而因伴随开关元件的高频工作的泄漏电流导致包含玻璃环氧树脂的第一基板27的绝缘劣化。

此外，在图2(a)的电路A及图2(b)的电路B中，导电路径30也可设置在第二基板28上。第二基板28既可为包含无机系材料、例如氧化铝(Al₂O₃)、例如氮化铝(AlN)的陶瓷基板，也可为以金属或玻璃等为主材料的基板。

进而，也可在第一基板27与第二基板28之间设置连接部件29。连接部件29既可为例如包含无机系材料、例如氧化铝(Al₂O₃)、例如氮化铝(AlN)的陶瓷基板，也可为以金属或玻璃等为主材料的基板。可通过将连接部件29设置在第一基板27与第二基板28之间，而进一步提高抑制：因开关元件7的高频开关工作被施加高频电压，从而因伴随开关元件的高频工作的泄漏电流导致包含玻璃环氧树脂的第一基板27的绝缘劣化。

以上，虽一面参照具体例一面对实施例进行了说明，但并不限定于这些情况，可进行各种变形。

例如，开关电源装置中的DC-DC转换器的构成，并不限定于图1所示的构成。只要可将直流电压降压即可，也可为其他构成。

而且，开关元件7及恒定电流元件8并不限定于GaN系HEMT。例如，也可为半导体基板中使用如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)或金刚石(diamond)之类具有宽带隙(wide bandgap)的半导体(宽带隙半导体)而形成的半导体元件。此处，所谓宽带隙半导体是指：带隙比带隙为约1.4eV的砷化镓(GaAs)还宽的半导体。例如包含带隙为1.5eV以上的半导体、磷化镓(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。这种宽带隙半导体元件在使耐压相等的情况下，可小于硅半导体元件，因此，寄生电容小，可高速工作，因此，可提高开关频率，且可实现电感器等绕组零件或电容器等的小型化。

而且，照明光源4并不限于LED，也可为OLED等，且照明负载2也可串联或并联地连接多个照明光源4。

虽对本发明的若干个实施方式进行了说明，但这些实施方式或实施例是作为示例而提出，并非意图限定发明范围。这些新颖的实施方式或实施例可利用其他各种方式实施，且可在不脱离发明精神的范围内进行各种省略、置换、变更。这些实施方式或实施例及其变形包含在发明的范围或精神中，且包含在与权利要求中记载的发明及其均等的范围内。

Claims

1.一种电源装置，其特征在于包括：

开关元件，包含第一端子及第二端子；

电感器，包含第三端子及第四端子；

第一基板，连接有所述开关元件的所述第一端子及所述电感器的所述第四端子；以及

导电路径，将所述开关元件的所述第二端子和所述电感器的所述第三端子电性连接，并且与所述第一基板隔开地设置。

2.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于还包括：

第二基板，设置有所述导电路径；以及

连接部件，设置在所述第1基板与所述第二基板之间。

3.一种照明装置，其特征在于包括：

根据权利要求1或2所述的电源装置；以及

照明负载，连接于所述电源装置。