CN104470051A - 电源装置及照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电源装置及照明装置，能够以少的零件进行电流控制。实施方式的电源装置包括：第一电感器；电流控制单元，将流过第一电感器的电流的电流值限制为规定的电流值，且包括常通型的第一开关元件、及连接于第一开关元件的主端子的电阻；整流元件，与电流控制单元串联连接，在电流控制单元断开时流过电流；以及第二电感器，与第一电感器电磁耦合，在第一电感器的电流增加时感应出使电流控制单元导通的电压，在第一电感器元件的电流减少时感应出使电流控制单元断开的电压，并将感应出的电压供给至电流控制单元的控制端子。

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

近年来，照明装置中，照明光源正从白炽灯或荧光灯而替换为节省能源、长寿命的光源，例如发光二极管（Light-emitting diode：LED）。而且，例如也开发了电致发光（Electro-Luminescence，EL）或有机发光二极管（Organic light-emitting diode：OLED）等新的照明光源。这些照明光源的亮度依赖于所流动的电流值。在点灯的情况下，需要供给定电流的电源装置。而且，为了使所输入的电源电压符合LED等照明光源的额定电压，还需要对电压进行转换。作为适合于高效率且省电力化·小型化的电源，已知有斩波方式的直流-直流（direct current-direct current，DC-DC）转换器等开关电源。

而且，作为开关电源中所使用的低损耗开关元件，由GaN、SiC等化合物半导体构成的开关元件已得到实用化。这些元件为常通型，需要进行更确实的电流限制。

[现有技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]日本专利特开2012-34569号公报

发明内容

本发明所欲解决的课题在于提供一种能够以少的零件进行电流控制的电源装置及照明装置。

实施方式的电源装置包括：第一电感器；电流控制单元，将流过第一电感器的电流的电流值限制为规定的电流值，且包括常通型的第一开关元件、及连接于第一开关元件的主端子的电阻；整流元件，与电流控制单元串联连接，在电流控制单元断开时流过电流；以及第二电感器，与第一电感器电磁耦合，在第一电感器的电流增加时感应出使电流控制单元导通的电压，在第一电感器元件的电流减少时感应出使电流控制单元断开的电压，并将感应出的电压供给至电流控制单元的控制端子。

实施方式的照明装置包括：所述电源装置；以及照明负载，成为所述电源装置的负载电路。

[发明的效果]

根据本发明的实施方式，可提供能够以少的零件进行电流控制的电源装置及照明装置。

附图说明

图1是例示包含第一实施方式的电源装置的照明装置的电路图。

图2（a）～图2（d）是用以说明电源装置3的运行的波形图。

图3是表示开关元件的电流相对于控制端子的电位的依存性的特性图。

图4是例示第二实施方式的电源装置的电路图。

图5是例示包含第三实施方式的电源装置的照明装置的电路图。

附图标记：

1：照明装置

2：直流电压源

3：电源装置

4：照明负载

5：照明光源

6：电流控制单元

7：交流电源

8：整流器

9：高电位输入端子

10：低电位输入端子

11：高电位输出端子

12：低电位输出端子

13：输入滤波器电容器

14：第一开关元件

15：电阻

16：整流元件

17：二极管

18：第一电感器

19：第二电感器

20、21：电容器

22：电源装置

23：定电压二极管

24、25、26：电阻

27：第二开关元件

28：照明装置

29：电源装置

30：电阻

31：二极管

A：点

Id：漏极电流

ID1：整流元件的电流

IL1：第一电感器的电流

Io：第一电感器中交替地流过的增加的电流与减少的电流的平均值

Ip：流过第一电感器的电流的阈值

IQ1：第一开关元件的电流

Vds：漏极-源极电压

VIN：直流电压源的输出电压

Vgs：栅极-源极间的电压

VGS：第一开关元件的栅极-源极间电压

VOUT：电压

具体实施方式

以下，参照附图对实施方式进行详细说明。另外，在本申请说明书与各图中，对与已述的图中所示的要素相同的要素附上相同的符号并适当省略详细说明。

（第一实施方式）

图1是例示包含第一实施方式的电源装置的照明装置的电路图。

照明装置1包括：将直流电压源2的输出电压VIN转换为电压VOUT的电源装置3，以及成为电源装置3的负载电路的照明负载4。直流电压源2例如包含商用交流电源及桥式整流电路，由桥式整流电路对商用交流电源的交流电压进行全波整流而输出直流电压。照明负载4具有照明光源5。照明光源5例如包含LED，从电源装置3供给电压VOUT而进行点灯。

电源装置3中，电流控制单元6与整流元件16串联连接于高电位输入端子9与低电位输入端子10之间。电流控制单元6包括串联连接的第一开关元件14与电阻15。作为第一开关元件14的主端子的漏极连接于高电位输入端子9，作为第一开关元件14的主端子的源极连接于电阻15的一端。电阻15的另一端连接于整流元件16的阴极，整流元件16的阳极连接于低电位输入端子10。第一开关元件14例如为包含化合物半导体的场效晶体管Field-Effect Transistor，FET），例如为高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor：HEMT），且为常通（normally-on）型的元件。整流元件16例如为硅二极管。

电源装置3中，第一电感器18连接于整流元件16的阴极与高电位输出端子11之间。第二电感器19与第一电感器18磁耦合，一端连接于整流元件16的阴极，另一端经由电容器20而连接于作为第一开关元件14的控制端子的栅极。

输入滤波器电容器13连接于高电位输入端子9与低电位输入端子10之间。平滑电容器21连接于高电位输出端子11与低电位输出端子12之间。低电位输入端子10与低电位输出端子12在电源装置3的内部连接。

图1中例示了如下情况：作为直流电压源2，利用整流器8、例如桥式整流电路，对交流电源7、例如商用交流电源的交流电压进行整流，并输出直流电压。

接着，使用图1及图2（a）～图2（d）对电源装置3的运行进行说明。

图2（a）～图2（d）是用以说明电源装置3的运行的波形图。

图2（a）是表示第一电感器18的电流IL1的波形图，图2（b）是表示第一开关元件14的电流IQ1的波形图，图2（c）是表示整流元件16的电流ID1的波形图，图2（d）是表示第一开关元件14的栅极-源极间电压VGS的波形图。

首先，对电流控制单元6的运行进行说明。电流控制单元包括第一开关元件14与电阻15。

图3是表示第一开关元件14的漏极电流相对于控制端子的电位的依存性的特性图。图3的横轴表示漏极-源极电压，纵轴表示漏极电流。

根据图3可知，当漏极电流Id达到规定的电流值即阈值时，第一开关元件14的导通电阻上升。即，第一开关元件14显示出定电流特性。显示出定电流特性的状态下的漏极电流Id依存于栅极-源极间的电压Vgs。栅极-源极间的电压Vgs的绝对值越大，则定电流特性下的漏极电流Id的值越小。

以下一边参照所述第一开关元件14的特性，一边对电源装置3的运行进行说明。

（1）在电源电压VIN被施加至高电位输入端子9与低电位输入端子10之间时，第一开关元件14为常通型的元件，因此成为导通状态。于是，在高电位输入端子9、第一开关元件14、电阻15、第一电感器18、平滑电容器21、低电位输入端子10的路径上流动电流，从而平滑电容器21被充电。第一电感器18中储存着电磁能量。因第一开关元件14导通，所以整流元件16的两端被施加了大致电源电压VIN。因反方向被施加了电压，所以整流元件16为非导通的状态。

（2）流过第一电感器18的电流随时间的经过而增加。因第二电感器19与第一电感器18磁耦合，所以第二电感器19中感应出以电容器20侧为高电位的极性的电动势。电容器20作为耦合电容器而发挥作用。第一开关元件14的栅极中，经由电容器20而供给相对于源极为正的电位，第一开关元件14维持导通的状态。另外，本实施方式中，在二极管17的作用下，以图1的A点为基准的第一开关元件14的栅极的电位例如被限制为0.6V。

（3）伴随流过第一电感器18的电流的增加，电阻15两端的电压也增加。如所述那样，第一开关元件14的栅极的电位例如被限制为0.6V，因此通过电阻15两端的电压的增加，而第一开关元件14的栅极-源极间的电压相对地成为负的电位。

（4）如果流过第一电感器18的电流超过所述阈值，则第一开关元件14的漏极-源极间电压因导通电阻的上升而急增。流过第一电感器18的电流的增加受到限制。第一电感器18中产生逆电动势，从而第二电感器19的电压发生反转。感应出以电容器20侧为低电位的极性的电动势。第一开关元件14的栅极中，经由电容器20对源极供给负的电位，第一开关元件14成为断开状态。另外，流过第一电感器18的电流的阈值在图2（a）～图2（d）中由Ip表示。

（5）因利用第一电感器18的逆电动势而被施加了正向电压，所以整流元件16成为导通状态。电流在整流元件16、第一电感器18、平滑电容器21的路径上流动。将该情况表示于图2（b）、图2（c）中。IQ1的电流变为0，同时ID1的电流从Ip变为0。因释放电磁能量，所以第一电感器18的电流减少。由第二电感器19感应出的负的电压得以维持，第一开关元件14继续保持断开的状态。

（6）如果储存在第一电感器18的电磁能量为零，则流过第一电感器18的电流为零。由第二电感器19感应出的电动势的方向再次发生反转，并感应出以电容器20侧为高电位的电动势。第一开关元件14的栅极中被供给比源极高的电压，第一开关元件14导通。由此，回到所述（1）的状态。

以后，重复进行（1）～（6）。自动地重复进行对第一开关元件14的导通及断开的切换，平滑电容器21的电压成为使电源电压VIN降压后所得的电压VOUT。该VOUT作为电源装置3的输出电压而被供给至照明负载4的照明光源5。例如，在照明光源5为LED的情况下，该电压与LED的正向电压相等。

如图2（a）所示，第一电感器18中交替地流过增加的电流与减少的电流，该平均值Io成为供给至照明光源5的电流。流过第一电感器18的电流中的高频成分利用平滑电容器21而绕道（bypass）。Io由Io=Ip/2而表示，不依赖于VIN、负载而成为固定的电流。即，可供给定电流，使照明光源5稳定地点灯。

参考电流Ip来进行构成电流控制单元的电阻15的选定。选择图3的定电流特性中阈值成为与Ip相同的电流值的条件，并求出与该电流值相符的栅极-源极间电压。如果由Vth来表示栅极-源极间电压，则电阻15的电阻值R15为

R15=Vth/Ip。

第二电感器19的圈数n2的决定如以下般来进行。

在第一开关元件14导通时，施加至第一电感器的电压为VIN-VOUT。然而，忽略电流控制单元6引起的电压降。如果将第一电感器的圈数设为n1，由第二电感器19感应出的电压设为Vn2，则

Vn2=n2×（VIN-VOUT）/n1。

电容器20在以通过二极管17而连接于第二电感器的端子为正的方向上得到充电。

在第一开关元件14断开时，第一开关元件14的栅极的电压成为电感器19与电容器20的电压之和。如果将第一开关元件14的栅极的电压设为Vg，则

Vg=-2×Vg=-2×n2×（VIN-VOUT）/n1。

该Vg以大于所述Vth且小于栅极的耐电压的方式来决定n2。

接着，对第一实施方式的效果进行说明。

当将常通型的元件应用于电流控制单元时，需要用以对栅极-源极间施加负的电压的负电源。本实施方式中，通过对源极端子串联地附加电阻，并利用其两端的电压，而可获得同等的功能。获得可简化电路且能够以少的零件构成电源装置的效果。

本实施方式中，使第一开关元件14具有电流限制与电流导通·断开这2个功能，就该点而言，也获得可简化电路的效果。

（第二实施方式）

图4是例示第二实施方式的电源装置的电路图。

本实施方式的电源装置22，相对于第一实施方式的电源装置3而追加了定电压二极管23、以及电阻24～电阻26。电容器20的一端连接于第二电感器19，另一端通过电阻24而连接于第一开关元件14的栅极。定电压二极管23与电容器20并联连接。定电压二极管23的阴极端子连接于第二电感器19，阳极端子连接于电阻24。电阻25与二极管17并联连接，电阻26与电容器21并联连接。除此以外，可设为与图1的电源装置3相同。

定电压二极管23限制电容器20的充电电压。这是为了使施加至第一开关元件14的栅极的电压为开关元件14的耐压以下。电阻24、电阻25对第二电感器19的电压进行分压并施加至第一开关元件14的栅极。电阻26中流过固定的负载电流，在轻负载时使第一开关元件14的运行稳定。除此以外的运行与图1相同。

（第三实施方式）

图5是例示包含第三实施方式的电源装置的照明装置的电路图。

照明装置28包括将直流电压源2的输出电压VIN转换为电压VOUT的电源装置29、以及成为电源装置29的负载电路的照明负载4。照明负载4具有照明光源5。

电源装置29中，第二开关元件27、电流控制单元6、整流元件16串联连接于高电位输入端子9与低电位输入端子10之间。电流控制单元6包括串联连接的第一开关元件14与电阻15。第二开关元件27的漏极连接于高电位输入端子9，第二开关元件27的源极连接于第一开关元件14的漏极。第一开关元件14的源极连接于电阻15的一端，电阻15的另一端连接于整流元件16的阴极。整流元件16的阳极连接于低电位输入端子10。第二开关元件27与第一开关元件14相同，例如为场效晶体管（FET），例如为高电子迁移率晶体管（High Electron MobilityTransistor：HEMT），且为常通型的元件。

第一电感器18连接于整流元件16的阴极与高电位输出端子11之间。与第一电感器18磁耦合的第二电感器19的一端连接于整流元件16的阴极，另一端经由电容器20而连接于第二开关元件27的栅极。二极管17的阳极连接于第二开关元件27的栅极。第一开关元件14的栅极通过电阻30而连接于整流元件16的阴极。二极管31与电阻30并联连接，阳极连接于开关元件14的栅极，阴极连接于整流元件16的阴极。

输入滤波器电容器13连接于高电位输入端子9与低电位输入端子10之间。平滑电容器21连接于高电位输出端子11与低电位输出端子12之间。低电位输入端子10与低电位输出端子12在电源装置3的内部连接。电阻26与电容器21并联连接。

第二开关元件27将第一电感器18的电流导通、断开。电阻30与二极管31使第一开关元件14的栅极电位稳定化。

接着，对电源装置29的运行进行说明。

（1a）在电源电压VIN被施加至高电位输入端子9与低电位输入端子10之间时，第一开关元件14及第二开关元件27为常通型的元件，因此为导通状态。于是，在高电位输入端子9、第二开关元件27、第一开关元件14、电阻15、第一电感器18、平滑电容器21、低电位输入端子10的路径上流动电流，从而平滑电容器21被充电。第一电感器18中储存着电磁能量。整流元件16的两端被施加大致电源电压VIN。因反方向被施加了电压，所以整流元件16为非导通的状态。

（2a）流过第一电感器18的电流随时间的经过而增加。因第二电感器19与第一电感器18磁耦合，所以第二电感器19中感应出以电容器20侧为高电位的极性的电动势。电容器20作为耦合电容器而发挥作用。第二开关元件27的栅极中，经由电容器20而供给相对于源极为正的电位，第二开关元件27维持导通的状态。另外，本实施方式中，在二极管17的作用下，图5的A点与第二开关元件27的栅极间的电压例如被限制为0.6V。

（3a）伴随流过第一电感器18的电流的增加，电阻15两端的电压也增加。如所述那样，图5的A点与第二开关元件27的栅极间的电压例如被限制为0.6V，因此通过电阻15两端的电压的增加，而第二开关元件27的栅极-源极间的电压相对地成为负的电位。

（4a）如果流过第一电感器18的电流超过图3中所述的阈值，则第一开关元件14的漏极-源极间电压因导通电阻的上升而急增。第二开关元件27的栅极-源极间的电压为大的负值，而第二开关元件27成为断开状态。另外，此时的电流与图1的电路同样地由Ip表示。

（5a）利用第一电感器18的逆电动势而被施加了正向电压，因此整流元件16成为导通状态。电流在整流元件16、第一电感器18、平滑电容器21的路径上流动。因释放电磁能量，所以第一电感器18的电流减少。由第二电感器19感应出的负的电压得以维持，第二开关元件27继续保持断开的状态。

（6a）如果储存在第一电感器18的电磁能量为零，则流过第一电感器18的电流为零。由第二电感器19感应出的电动势的方向再次发生反转，并感应出以电容器20侧为高电位的电动势。第二开关元件27的栅极中被供给比源极高的电压，第二开关元件27导通。由此，回到（1a）的状态。

以后，重复进行（1a）～（6a）。自动地重复进行对第一开关元件27的导通及断开的切换，照明光源5中被供给使电源电压VIN下降后所得的输出电压VOUT。与图1的实施方式同样地，对照明光源5进行电流限制，从而可使照明光源5稳定地点灯。

接着，对第二实施方式的效果进行说明。

本实施方式中，也对常通型元件的源极端子串联地附加电阻，从而构成电流控制单元。因此，获得可简化电路且能够以少的零件构成电源装置的效果。

本实施方式中，使用第一开关元件14与第二开关元件27这2个常通型元件。第二开关元件27需要VIN以上的耐压。然而，第一开关元件14的耐压为高于第二开关元件27的栅极-源极间的电压的值便足够。即，第一开关元件14中可使用低耐压的元件。一般来说，低耐压的元件因进行高速运行，所以所流过的电流达到阈值时的导通电阻的增加也变得陡峭。第二开关元件27的断开运行变得快速。也获得可降低第二开关元件27的损耗从而能够实现低消耗电力化的效果。

以上，一边参照具体例一边对实施方式进行了说明，但并不限定于这些，可进行各种变形。

例如，第一开关元件14及第二开关元件27不限定于GaN系HEMT。例如，也可为在半导体基板上使用如碳化硅（SiC）或氮化镓（GaN）或金刚石这样的具有宽带隙（wide band gap）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，是指带隙比带隙约为1.4eV的砷化镓（GaAs）大的半导体。例如，包括带隙为1.5eV以上的半导体、磷化镓（GaP，带隙约为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。

另外，照明负载4并不限定于LED，例如可为有机EL（Electro-Luminescence）或OLED（Organic light-emitting diode）等。照明负载14中也可串联连接或并联连接多个照明光源16。

以上，已一边参照具体例一边对实施方式进行了说明。然而，实施方式并不限定于所述具体例。即，本领域技术人员对所述具体例加以适当设计变更所得者，只要包括实施方式的特征，则也包含于实施方式的范围内。所述各具体例所包括的各要素及其配置、材料、条件、形状、尺寸等并不限定于例示的内容，可进行适当变更。

而且，所述各实施方式所包括的各要素在技术上可能的范围内可进行组合，只要将这些要素加以组合所得者包括实施方式的特征，则也包含于实施方式的范围内。此外，应了解只要为本领域技术人员，则能够在实施方式的思想的范畴内想到各种变更例及修正例，关于这些变更例及修正例也属于实施方式的范围。

已对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为示例而提示，并不意图限定发明的范围。这些实施方式可由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、置换、变更。这些实施方式或其变形包含在发明的范围或主旨内，且包含在与及其均等的范围内。

Claims (4)

1.一种电源装置，其特征在于包括：

第一电感器；

电流控制单元，将流过所述第一电感器的电流的电流值限制为规定的电流值，且包括常通型的第一开关元件、及连接于所述第一开关元件的主端子的电阻；

整流元件，与所述电流控制单元串联连接，在所述电流控制单元断开时流过电流；以及

第二电感器，与所述第一电感器电磁耦合，在所述第一电感器的电流增加时感应出使所述电流控制单元导通的电压，在所述第一电感器元件的电流减少时感应出使所述电流控制单元断开的电压，并将感应出的电压供给至所述电流控制单元的控制端子。

2.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于：

在所述电流控制单元的所述第一开关元件导通时对所述第一电感器供给电流，并且所述第二电感器在所述第一电感器的电流增加时感应出使所述电流控制单元的所述第一开关元件导通的电压，在所述第一电感器元件的电流减少时感应出使所述电流控制单元的所述第一开关元件断开的电压，并将感应出的电压供给至所述电流控制单元的所述第一开关元件的所述控制端子。

3.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于：

包括在导通时对所述第一电感器供给电流的第二开关元件，

所述整流元件串联连接于所述电流控制单元或所述第二开关元件中的任一个，在所述第二开关元件断开时流过电流，并且

所述第二电感器在所述第一电感器的电流增加时感应出使所述第二开关元件导通的电压，在所述第一电感器元件的电流减少时感应出使所述第二开关元件断开的电压，并将感应出的电压供给至所述第二开关元件的所述控制端子。

4.一种照明装置，其特征在于包括：

权利要求1至3中任一所述的电源装置；以及

照明负载，成为所述电源装置的负载电路。