JP2011101558A

JP2011101558A - 電源装置及び照明器具

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Publication number: JP2011101558A
Application number: JP2009256362A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Kitamura; 紀之北村
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2009-11-09
Filing date: 2009-11-09
Publication date: 2011-05-19
Anticipated expiration: 2029-11-09
Also published as: JP5429550B2

Abstract

【課題】回路構成が簡単で、価格的にも安価にできるノーマリーオンタイプのスイッチング素子を用いた電源装置及び照明器具を提供する。
【解決手段】降圧チョッパ回路を構成するスイッチング素子としてノーマリーオンタイプの電界効果トランジスタ１３が用い、この電界効果トランジスタ１３のオン状態を負荷電圧によるグランドＧ側の負電位を利用してオフする。
【選択図】図３

Description

本発明は、ノーマリーオンタイプのスイッチング素子を用いた電源装置及び照明器具に関するものである。

従来、電源装置には、スイッチング素子のオンオフにより直流出力を発生する降圧チョッパを用いたものなどが知られている。

ところで、このような電源装置のスイッチング素子として用いられるのは、従来、Ｓｉ半導体によるトランジスタが主流であるが、最近になって、Ｓｉより優れたデバイス機能を有するＳｉＣやＧａＮなどのワイドバンドギャップ半導体によるトランジスタが注目されている（特許文献１）。

特開２００９−２１８５２８号公報

ワイドバンドギャップ半導体によるトランジスタには、ノーマリーオフタイプとノーマリーオンタイプの２種類あり、従来のＳｉ半導体によるトランジスタと同じような仕様で使用できるノーマリーオフタのワイドバンドギャップ半導体の開発も進められているが、まだ、高効率で低コストの半導体は見られない。そこで、高効率であるノーマリーオンタイプのワイドバンドギャップ半導体を使用することが考えられるが、単にノーマリーオンタイプのワイドバンドギャップ半導体を電源装置のスイッチング素子として使用すると、オン状態のスイッチング素子をオフするための負電圧を発生する回路を新たに組み込む必要があり、このため部品点数が多くなって回路構成が複雑になり電源装置が大型で、価格的にも高価になるという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、回路構成が簡単で、価格的にも安価にできるノーマリーオンタイプのスイッチング素子を用いた電源装置及び照明器具を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、
請求項１記載の発明は、ノーマリーオンタイプの第１のスイッチング素子のオンオフ動作により直流出力を発生する出力発生手段と；前記出力生成手段より発生される直流出力が供給される負荷と；前記負荷側に発生する負荷電圧の負電位により前記第１のスイッチング素子をオフ動作させるノーマリーオンタイプの第２のスイッチング素子と；を具備したことを特徴としている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載において、前記第１及び第２のスイッチング素子は、ノーマリーオンタイプの電界効果トランジスタからなり、前記第２のスイッチング素子は、オン状態で前記負荷電圧により前記第１のスイッチング素子をなす電界効果トランジスタのゲート電圧の閾値Ｖｔｈに対してＶｔｈ＞Ｖｇｓの負電位を印加可能にしたことを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の電源装置と；前記電源装置を有する器具本体と；を具備したことを特徴とする照明器具である。

請求項１記載の発明によれば、ノーマリーオンタイプの第１のスイッチング素子をオフするのに，負荷に発生する負荷電圧を利用することで、特別な回路を組み込むことがなくなり、装置の小型化、低価格化を実現できる。

請求項２記載の発明によれば、第２のスイッチング素子のオンにより負荷電圧より適切な負電位を得られ、第１のスイッチング素子をなすノーマリーオンタイプの電界効果トランジスタを確実にオフすることができる。

本発明の第１の実施の形態の電源装置が適用される照明器具の斜視図。第１の実施の形態の電源装置が適用される照明器具の断面図。第１の実施の形態にかかる電源装置の概略構成を示す図。

以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。

（第１の実施の形態）
この実施の形態での電源装置は、照明器具に適用され、負荷として複数のＬＥＤからなる光源部が接続されるものについて述べている。

まず、本発明の電源装置が適用される照明器具について簡単に説明する。図１及び図２において、１は器具本体で、この器具本体１は、アルミニウムのダイカスト製のもので、両端を開口した円筒状をしている。この器具本体１は、内部を仕切り部材１ａ、１ｂにより上下方向に３分割され、下方開口と仕切り部材１ａの間の空間は、光源部２に形成されている。この光源部２には、半導体発光素子としての複数のＬＥＤ２ａと反射体２ｂが設けられている。複数のＬＥＤ２ａは、仕切り部材１ａ下面に設けられた円盤状の配線基板２ｃの円周方向に沿って等間隔に配置され実装されている。

器具本体１の仕切り部材１ａと１ｂの間の空間は電源室３に形成されている。この電源室３は、仕切り部材１ａ上部に配線基板３ａが配置されている。この配線基板３ａには、前記複数のＬＥＤ２ａを駆動するための電源装置を構成する各電子部品が設けられている。この電源装置と複数のＬＥＤ２ａは、リード線４により接続されている。

器具本体１の仕切り板１ｂと上方開口の間の空間は、電源端子室５に形成されている。この電源端子室５は、仕切り板１ｂに電源端子台６が設けられている。この電源端子台６は、電源室３の電源装置に商用電源の交流電力を供給するための端子台で、電絶縁性の合成樹脂で構成されたボックス６ａの両面に電源ケーブル用端子部となる差込口６ｂ、送りケーブル用端子部となる差込口６ｃ及び電源線及び送り線を切り離すリリースボタン６dなどを有している。

図３は、このような照明器具に適用される本発明の電源装置の概略構成を示している。

図３において、１０は交流電源で、この交流電源１０は、不図示の商用電源からなっている。この交流電源１０には、全波整流回路１１の入力端子が接続されている。全波整流回路１１は、交流電源１０からの交流電力を全波整流した出力を発生する。全波整流回路１１の正負極の出力端子間には、リップル電流平滑用のコンデンサ１２が接続されている。

コンデンサ１２には、降圧チョッパ回路１００が接続されている。この場合、降圧チョッパ回路１００は、コンデンサ１２に、スイッチング素子として、例えばＧａＮによるノーマリーオンタイプの電界効果トランジスタ１３が接続されている。この電界効果トランジスタ１３は、バンドギャップの違う異種の半導体材料を接合することで界面に２次元電子ガスの層を形成し、この２次元電子ガスの層の効果により高速なスイッチングと感度を高めたもので、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）と呼ばれている。また、この電界効果トランジスタ１３は、ゲート電圧の閾値Ｖｔｈが負電圧で、Ｖｔｈ＞Ｖｇｓ（ゲートソース間電圧）でオフ、Ｖｔｈ＜Ｖｇｓでオンとなる。

電界効果トランジスタ１３は、ドレインを全波整流回路１１の正極側の出力端子に接続され、ソースをインダクタ１４、コンデンサ１５の直列回路を介して全波整流回路１１の負極側の出力端子に接続されている。インダクタ１４とコンデンサ１５の直列回路には、図示極性のダイオード１６が接続されている。

インダクタ１４は、電界効果トランジスタ１３のオンオフ動作に伴う電磁的エネルギーの蓄積及び放出によりコンデンサ１５両端に降圧された直流出力を発生させる。コンデンサ１５の両端には、上述した照明器具の光源部２に相当する負荷１７が接続されている。この負荷１７には、コンデンサ１５両端に発生される直流出力が供給される。

電界効果トランジスタ１３のゲートには、駆動制御手段として、例えばＧａＮによるノーマリーオンタイプの電界効果トランジスタ１８が接続されている。この電界効果トランジスタ１８も、ゲート電圧の閾値Ｖｔｈが負電圧で、Ｖｔｈ＞Ｖｇｓ（ゲートソース間電圧）でオフ、Ｖｔｈ＜Ｖｇｓでオンとなるもので、ドレインを電界効果トランジスタ１３のゲートに接続され、ソースを全波整流回路１１の負極側の出力端子に接続されている。また、ゲートには、ゲートとソースの間に図示極性のダイオード１９が接続され、このダイオード１９の間にコンデンサ２０を介して駆動源２１が接続されている。駆動源２１は、コンデンサ２０を介して正負のパルス状信号を出力し、ダイオード１９により半波整流された負電圧の信号を電界効果トランジスタ１８のゲートソース間に入力する。

なお、電界効果トランジスタ１３は、ソースとゲートの間にゲート保護用の図示極性のダイオード２２が接続され、また、ドレインとゲート間には、電界効果トランジスタ１３のオンへの復帰を早めるための抵抗素子２３が接続されている。

次に、このように構成した実施の形態の作用を説明する。

いま、不図示の電源スイッチにより電源オンとすると、電界効果トランジスタ１３のオンにより負荷側のコンデンサ１５両端の電圧、つまり負荷電圧が図示極性となりグランドＧ側が負電位となる。この場合、グランドＧ側の負電位は、電界効果トランジスタ１３のゲート電圧の閾値Ｖｔｈ以下になっている。

この状態で、オン状態の電界効果トランジスタ１８を介して電界効果トランジスタ１３のゲートにグランドＧ側の負電位が印加され、ゲート電圧の閾値Ｖｔｈに対しＶｔｈ＞Ｖｇｓとなって電界効果トランジスタ１３がオフされる。これにより、電源起動時の電界効果トランジスタ１３の動作がオフになる。

その後、駆動源２１の出力によりダイオード１９を介して負電圧の信号が電界効果トランジスタ１８のゲートソース間に入力され、電界効果トランジスタ１８がオフすると、電界効果トランジスタ１３は、ゲートに印加される負電位が無くなり、オンとなる。これにより、インダクタ１４を介してコンデンサ１５に充電電流が流れ、コンデンサ１５が充電される。また、このときの充電電流によりインダクタ１４に電磁エネルギーが蓄積される。

この状態で、駆動源２１による電界効果トランジスタ１８のゲートソース間の負電圧が無くなり、電界効果トランジスタ１８がオンとなると、電界効果トランジスタ１８を介して電界効果トランジスタ１３のゲートにグランドＧ側の負電位が印加され、オフされる。また、インダクタ１４の電磁エネルギーがコンデンサ１５、ダイオード１６を通って放出され、コンデンサ１５に充電電流が流れ続ける。

これにより、以下、同様な動作が繰り返されると、コンデンサ１５両端に降圧された直流出力が発生し、この直流出力により負荷１７が動作、つまり図１に示す光源部２のＬＥＤ素子が点灯される。

したがって、このようにすれば、降圧チョッパ回路を構成するスイッチング素子としてノーマリーオンタイプの電界効果トランジスタ１３が用いられ、かかる電界効果トランジスタ１３のオン状態を負荷電圧によるグランドＧ側の負電位を利用してオフできるようにしたので、ノーマリーオンタイプの電界効果トランジスタをスイッチング素子として使用しても特別な回路設計が必要でなくなり、部品点数を少なくでき、回路構成を簡単化できるとともに、装置を小型化でき、価格的にも安価にできる。

また、スイッチング素子として、ＧａＮによるノーマリーオンタイプの電界効果トランジスタ１３、１８を使用しているが、これら電界効果トランジスタ１３、１８では、効率を落とすことなく高周波化できるので、回路を構成するインダクタやコンデンサなどのインピーダンス素子の容量を小さくすることができ、これらインダクタを含め一体的に形成されるデバイスも可能となり装置のさらなる小型化を実現できる。

さらに、電源起動によりオン状態の電界効果トランジスタ１８によりノーマリーオンタイプの電界効果トランジスタ１３をグランドＧ側の負電位によりオフさせることができるので、電界効果トランジスタ１３のオン状態により負荷１７側に過電流が流れるのを確実に無くし、負荷１７の破損などの事故を未然に防止できる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。例えば、上述した実施の形態では、ＧａＮによるノーマリーオンタイプの電界効果トランジスタを適用した例を述べたが、ＳｉＣなどの他のワイドバンドギャップ半導体を適用することもできる。また、上述した実施の形態では、電源装置として照明器具に適用されるものの例を述べ、負荷１７として光源部２を接続したものを述べたが、負荷１７としては光源部２以外の負荷にも適用できる。

さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。

１…器具本体、２…光源部、２ａ…ＬＥＤ
３…電源室、１００…降圧チョッパ回路
１０…交流電源、１１…全波整流回路
１３．１８…電界効果トランジスタ
１４…インダクタ、１５…コンデンサ
１６…ダイオード、１７…負荷、２１…駆動源

Claims

ノーマリーオンタイプの第１のスイッチング素子のオンオフ動作により直流出力を発生する出力発生手段と；
前記出力生成手段より発生される直流出力が供給される負荷と；
前記負荷側に発生する負荷電圧の負電位により前記第１のスイッチング素子をオフ動作させるノーマリーオンタイプの第２のスイッチング素子と；
を具備したことを特徴とする電源装置。
前記第１及び第２のスイッチング素子は、ノーマリーオンタイプの電界効果トランジスタからなり、前記第２のスイッチング素子は、オン状態で前記負荷電圧により前記第１のスイッチング素子をなす電界効果トランジスタのゲート電圧の閾値Ｖｔｈに対してＶｔｈ＞Ｖｇｓの負電位を印加可能にしたことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
請求項１又は２記載の電源装置と；前記電源装置を有する器具本体と；を具備したことを特徴とする照明器具。