JP2014183639A - 電源装置および照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
高周波動作するスイッチング素子を実装する基板の絶縁劣化の抑制および絶縁性能の向上をすることができる電源装置および照明装置を提供することである。
【解決手段】
実施形態の電源装置は、第１端子および第２端子を有するスイッチング素子と、第３端子および第４端子を有するインダクタと、前記スイッチング素子の前記第１端子および前記インダクタの前記第４端子が接続された第１基板と、前記スイッチング素子の前記第２端子と前記インダクタの前記第３端子とを電気的に接続するとともに、前記第１基板から離間して設けられた導電経路とを持つ。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電源装置および照明装置に関する。

スイッチング素子を利用したスイッチング電源は、省電力・小型化に適した電源として各種の広範な用途に利用されている。その一例として、照明の電源としても用いられる。近年、照明装置においては、照明光源は白熱電球や蛍光灯から省エネルギー・長寿命の光源、例えば発光ダイオード（Light-emitting diode：ＬＥＤ）への置き換えが進んでいる。また、例えば、有機発光ダイオード（Organic light-emitting diode：ＯＬＥＤ）など新たな照明光源も開発されている。

特開２０１１−１１９２３７号公報

特許文献１のＬＥＤ点灯装置は、スイッチング素子のスイッチング周波数の高周波化により小型の受動素子を用いることができるので、ＬＥＤ点灯装置を小型化できる。

しかしながら、汎用的な基板、例えば、ガラスエポキシ樹脂を主材料とする基板に高周波動作するスイッチング素子を実装する場合、スイッチング素子の高周波動作に伴う漏洩電流により、有機系材料を主材料とする汎用的な基板が絶縁劣化する虞がある。

一方、無機系材料、例えば、金属、セラミック、ガラス等を主材料とする基板にスイッチング素子を実装した場合、絶縁劣化を抑制できるが、無機系材料を主材料とする基板を用いることでコストが上昇する。

本発明が解決しようとする課題は、高周波動作するスイッチング素子を実装する基板の絶縁劣化の抑制および絶縁性能の向上をすることができる電源装置および照明装置を提供することである。

実施形態の電源装置は、第１端子および第２端子を有するスイッチング素子と、第３端子および第４端子を有するインダクタと、前記スイッチング素子の前記第１端子および前記インダクタの前記第４端子が接続された第１基板と、前記スイッチング素子の前記第２端子と前記インダクタの前記第３端子とを電気的に接続するとともに、前記第１基板から離間して設けられた導電経路とを持つ。

本発明によれば、高周波動作するスイッチング素子を実装する基板の絶縁劣化の抑制および絶縁性能の向上をすることが期待できる。

図１は、実施例１のスイッチング電源装置および照明装置の全体構成を示す回路図である。 図２は、同じく実施例１のスイッチング電源装置の部分構成を示す断面図である。

（第１の実施形態）第１の実施形態の電源装置は、第１端子および第２端子を有するスイッチング素子と、第３端子および第４端子を有するインダクタと、前記スイッチング素子の前記第１端子および前記インダクタの前記第４端子が接続された第１基板と、前記スイッチング素子の前記第２端子と前記インダクタの前記第３端子とを電気的に接続するとともに、前記第１基板から離間して設けられた導電経路とを持つ。

（第２の実施形態）第２の実施形態の電源装置は、第１の実施形態の電源装置において、前記導電経路が設けられた第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に設けられた接続部材とを備えたことを特徴とする。
（第３の実施形態）第３の実施形態の照明装置は、第１または第２の実施形態の電源装置と、前記電源装置に接続された照明負荷とを備えたことを特徴とする。

以下、実施例１のスイッチング電源装置３を図面を参照して説明する。図１は、実施例１のスイッチング電源装置３および照明装置１の全体構成を示す回路図である。図２は、同じく実施例１のスイッチング電源装置３の部分構成を示す断面図である。図２（ａ）は、図１の回路Ａの断面図である。また、図２（ｂ）は、図１の回路Ｂの断面図である。

以下、実施例１について図面を参照して詳細に説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の形状と幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。また、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

照明装置１は、照明負荷２と、スイッチング電源装置３とを備えている。照明負荷２は、例えばＬＥＤなどの照明光源４を有し、スイッチング電源装置３から電力を供給されて点灯する。

スイッチング電源装置３は、交流電源５から供給される交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ−ＤＣ変換回路６、スイッチング素子７、定電流素子８、整流素子９、及びスイッチング素子７を制御し定電流素子８の定電流値を設定する駆動回路１１を備えている。なお、スイッチング電源装置３からＡＣ−ＤＣ変換回路６を除いた部分は、ＤＣ−ＤＣコンバータを構成している。

ＡＣ−ＤＣ変換回路６は、入力コンデンサ１９、整流回路２０、チョークコイル２１、平滑コンデンサ２２を有する。入力コンデンサ１９は、一対の入力端子２３、２４に接続される。整流回路２０は、ダイオードブリッジで構成され、一対の入力端子２３、２４を介して交流電源５から交流電圧が入力される。整流回路２０から出力される直流電圧（脈流電圧）は、チョークコイル２１と平滑コンデンサ２２で構成されたローパスフィルタで平滑化される。なお、交流電源５は、例えば商用電源である。

スイッチング素子７のドレインは、平滑コンデンサ２２の一端（正極側）に接続され、スイッチング素子７のソースは、定電流素子８のドレインに接続される。スイッチング素子７のゲートは、駆動回路１１の結合コンデンサ１５を介して、帰還巻き線１３の一端に接続される。

定電流素子８のソースは、インダクタ１２の一端と帰還巻き線１３の他端とに接続され、定電流素子８のゲートは、駆動回路１１の分割抵抗１６、１７の接続点に接続される。また、分割抵抗１６、１７には、バイアス抵抗を介して平滑コンデンサ２２の電圧が供給されている。その結果、定電流素子８のゲートには、定電流素子８のソースに対して負極性の電位が供給される。なお、分割抵抗１６は、可変抵抗であり、分割抵抗１６の抵抗値を変化させて、定電流素子８の定電流値を調整することができる。

整流素子９は、定電流素子８のソースと平滑コンデンサ２２の他端（負極側）との間に、平滑コンデンサ２２の他端から定電流素子８の方向を順方向として接続されている。

インダクタ１２の他端は、高電位出力端子２５に接続され、平滑コンデンサ２２の他端は、低電位出力端子２６に接続される。また、出力コンデンサ１８は、高電位出力端子２５と低電位出力端子２６との間に接続される。

なお、インダクタ１２と帰還巻き線１３とは、インダクタ１２の一端から他端の方向、すなわち定電流素子８のソースまたは整流素子９のカソードから高電位出力端子２５の方向に増加する電流が流れるとき、スイッチング素子７のゲートにソースに対して負極性の電圧が供給される極性で磁気結合している。また、インダクタ１２と帰還巻き線１３とは、トランス１４を構成している。

また、スイッチング素子７及び定電流素子８は、例えば高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor：ＨＥＭＴ）であり、例えばＧａＮ系ＨＥＭＴであり、ノーマリオン形の素子である。スイッチング素子７、定電流素子８及び整流素子９は、半導体素子１０として集積化されている。また、スイッチング素子７及び定電流素子８のそれぞれのゲートには、保護ダイオードが接続される。スイッチング素子７及び定電流素子８のそれぞれのゲートに接続され、ゲート電位を供給する結合コンデンサ１５、分割抵抗１６、１７、保護ダイオードは、駆動回路１１を構成している。
照明負荷２は、高電位出力端子２５と低電位出力端子２６との間に、出力コンデンサ１８と並列に接続される。
次に、スイッチング電源装置３の動作について説明する。
交流電源５から電源電圧が供給されると、平滑コンデンサ２２の両端には、直流電圧が生成される。

平滑コンデンサ２２の両端に直流電圧が生成されるとき、スイッチング素子７及び定電流素子８は、ノーマリオン形の素子であるため、いずれもオンしている。そして、スイッチング素子７、定電流素子８、インダクタ１２、出力コンデンサ１８の経路で電流が流れ、出力コンデンサ１８が充電される。出力コンデンサ１８の両端の電圧、すなわち高電位出力端子２５と低電位出力端子２６との間の電圧は、スイッチング電源装置３の出力電圧として、照明負荷２の照明光源４に供給される。

出力電圧が所定電圧に達すると、照明光源４に出力電流が流れ、照明光源４が点灯する。このとき、スイッチング素子７、定電流素子８、インダクタ１２、出力コンデンサ１８及び照明光源４の経路で電流が流れる。例えば、照明光源４がＬＥＤの場合、この所定電圧は、ＬＥＤの順方向電圧であり、照明光源４に応じて定まる。

インダクタ１２を流れる電流は、時間とともに増加し、帰還巻き線１３には、結合コンデンサ１５側を高電位とする極性の起電力が誘起される。そのため、スイッチング素子７のゲートには、結合コンデンサ１５を介してソースに対して正の電位が供給され、スイッチング素子７は、オンの状態を維持する。

定電流素子８を流れる電流が定電流値を超えると、定電流素子８のドレイン・ソース間電圧は、急激に上昇する。そのため、スイッチング素子７のゲート・ソース間電圧がしきい値電圧よりも低くなり、スイッチング素子７はオフする。なお、定電流値は、定電流素子８の飽和電流値であり、分割抵抗１６、１７から定電流素子８のゲートに入力される電位により規定される。なお、上記のとおり、定電流素子８のゲート電位は、ソースに対して負電位のため、飽和電流値を適正値に制限することができる。

インダクタ１２は、整流素子９、出力コンデンサ１８及び照明負荷２、インダクタ１２の経路で電流を流し続ける。このとき、インダクタ１２は、エネルギーを放出するため、インダクタ１２の電流は、減少していく。そのため、帰還巻き線１３には、結合コンデンサ１５側を低電位とする極性の起電力が誘起される。スイッチング素子７のゲートには、結合コンデンサ１５を介してソースに対して負の電位が供給され、スイッチング素子７はオフの状態を維持する。

インダクタ１２に蓄積されていたエネルギーがゼロになると、インダクタ１２を流れる電流はゼロになる。帰還巻き線１３に誘起される起電力の方向が再び反転し、結合コンデンサ１５側を高電位とするような起電力が誘起される。これにより、スイッチング素子７のゲートにソースよりも高い電位が供給され、スイッチング素子７がオンする。これにより、上記の出力電圧が所定電圧に達した状態に戻る。

以後、上記の動作を繰り返す。これにより、スイッチング素子７のオン及びオフへの切替が自動的に繰り返されて、照明光源４には交流電源５から供給される電源電圧を平滑化した直流電圧を降下した出力電圧が供給される。また、照明光源４に供給される電流は、定電流素子８により定電流値に制限される。そのため、照明光源４を安定に点灯させることができる。また、上記のとおり、この定電流値は、分割抵抗１６の抵抗値を変化させることにより調整可能である。

実施例１においては、スイッチング素子７及び定電流素子８が、ＧａＮ系ＨＥＭＴのため、スイッチング周波数を高周波化することができ、例えば１０ＭＨｚ程度にすることができる。その結果、インダクタ１２、帰還巻き線１３を構成するトランス１４を小型化することができる。

なお、実施例１においては、ＡＣ−ＤＣ変換回路６を備え、交流電源５から供給される電源電圧を直流電圧に変換し、ＤＣ−ＤＣコンバータにより直流電圧を降下して出力する構成を例示した。しかし、ＡＣ−ＤＣ変換回路６を省略して、直流電源から供給される直流電圧をＤＣ−ＤＣコンバータにより降下して出力する構成としてもよい。

スイッチング電源装置３のスイッチング素子７、定電流素子８、整流素子９およびインダクタ１２以外の電子部品は、第１基板２７に実装されている。第１基板２７は、例えば紙フェノール基板であり、例えばガラスエポキシ基板である。第１基板２７の表面には、導電路３１が形成されている。導電路３１は、銅から形成される。

図１に示す回路Ａは、スイッチング素子７、定電流素子８およびインダクタ１２からなる。回路Ａにおいて、スイッチング素子７のドレイン（第１端子ｔ１）は、平滑コンデンサ２２の一端（正極側）に接続され、スイッチング素子７のソースは、定電流素子８のドレインに接続される。また、定電流素子８のソース（第２端子ｔ２）は、インダクタ１２の一端（第３端子ｔ３）に接続される。さらに、インダクタ１２の他端（第４端子ｔ４）は、高電位出力端子２５に接続される。

図２（ａ）において、半導体素子１０の第１端子ｔ１、すなわち、スイッチング素子、例えば、スイッチング素子７の主電極の一つであるドレイン電極は、第１基板２７に半田により実装され、第１基板２７の導電経路３１に電気的かつ機械的に接続されている。半導体素子１０の第２端子ｔ２、すなわち、スイッチング素子、例えば、定電流素子８の主電極の一つであるソース電極は、導電経路３０に半田を介して接続され、第２端子ｔ２と導電経路３０とは電気的かつ機械的に接続されている。

また、導電経路３０とインダクタ１２の一端の端子である第３端子ｔ３とは、半田を介して接続され、第３端子ｔ３と導電経路３０とは電気的かつ機械的に接続されている。
導電経路３０は、第１基板２７と離間して形成され、銅から形成されている。

インダクタ１２の他端の端子である第４端子ｔ４と第１基板２７上に形成された導電経路３１とは、半田を介して接続され、第４端子ｔ４と導電経路３１とは電気的かつ機械的に接続されている。

導電経路３０は、スイッチング素子７の高周波スイッチング動作により、高周波電圧が印加されるため、スイッチング素子の高周波動作に伴う漏洩電流により、ガラスエポキシ樹脂からなる第１基板２７が絶縁劣化することを抑制するために、導電経路３０は、第１基板２７から離間して設けられている。導電経路３０は、第１基板２７から離間して設けられているので、スイッチング素子７の高周波スイッチング動作により、高周波電圧が印加され、スイッチング素子の高周波動作に伴う漏洩電流により、ガラスエポキシ樹脂からなる第１基板２７が絶縁劣化することを抑制することができる。

図１に示す回路Ｂは、整流素子９とインダクタ１２とからなる。回路Ｂにおいて、整流素子９は、定電流素子８のソースと平滑コンデンサ２２の他端（負極側）との間に、平滑コンデンサ２２の他端から定電流素子８の方向を順方向として接続されている。すなわち、整流端子９のアノード（第５端子ｔ５）は、平滑コンデンサ２２の他端（負極側）に接続されている。定電流素子８のソースと整流素子９のカソードとの接続点（第２端子ｔ２）は、インダクタ１２の一端（第３端子ｔ３）に接続される。さらに、インダクタ１２の他端（第４端子ｔ４）は、高電位出力端子２５に接続される。

図２（ｂ）において、半導体素子１０の第５端子ｔ５、すなわち、整流素子９のアノードは、第１基板２７に半田により実装され、第１基板２７の導電経路３１に電気的かつ機械的に接続されている。半導体素子１０の第２端子ｔ２、すなわち、定電流素子８のソースと整流素子９のカソードとの接続点（第２端子ｔ２）は、導電経路３０に半田を介して接続され、第２端子ｔ２と導電経路３０とは電気的かつ機械的に接続されている。

また、導電経路３０とインダクタ１２の一端の端子である第３端子ｔ３とは、半田を介して接続され、第３端子ｔ３と導電経路３０とは電気的かつ機械的に接続されている。

インダクタ１２の他端の端子である第４端子ｔ４と第１基板２７上に形成された導電経路３１とは、半田を介して接続され、第４端子ｔ４と導電経路３１とは電気的かつ機械的に接続されている。

導電経路３０は、スイッチング素子７の高周波スイッチング動作により、高周波電圧が印加されるため、スイッチング素子の高周波動作に伴う漏洩電流により、ガラスエポキシ樹脂からなる第１基板２７が絶縁劣化することを抑制するために、導電経路３０は、第１基板２７から離間して設けられている。導電経路３０は、第１基板２７から離間して設けられているので、スイッチング素子７の高周波スイッチング動作により、高周波電圧が印加され、スイッチング素子の高周波動作に伴う漏洩電流により、ガラスエポキシ樹脂からなる第１基板２７が絶縁劣化することを抑制することができる。

なお、図２（ａ）の回路Ａおよび図２（ｂ）の回路Ｂにおいて、導電経路３０は第２基板２８上に設けられてもよい。第２基板２８は、無機系材料、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含むセラミック基板であってもよいし、金属またはガラス等を主材料とする基板であってもよい。

さらに、第１基板２７と第２基板２８との間には、接続部材２９が設けられてもよい。接続部材２９は、例えば、無機系材料、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含むセラミック基板であってもよいし、金属またはガラス等を主材料とする基板であってもよい。接続部材２９を第１基板２７と第２２８との間に設けることにより、スイッチング素子７の高周波スイッチング動作により、高周波電圧が印加され、スイッチング素子の高周波動作に伴う漏洩電流により、ガラスエポキシ樹脂からなる第１基板２７が絶縁劣化することを抑制することをさらに高めることができる。
以上、具体例を参照しつつ実施例について説明したが、それらに限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、スイッチング電源装置におけるＤＣ−ＤＣコンバータの構成は、図１に表した構成に限定されない。直流電圧を降圧できればよく他の構成でもよい。

また、スイッチング素子７及び定電流素子８はＧａＮ系ＨＥＭＴには限定されない。例えば、半導体基板に炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）やダイヤモンドのようなワイドバンドギャップを有する半導体（ワイドバンドギャップ半導体）を用いて形成した半導体素子でもよい。ここで、ワイドバンドギャップ半導体とは、バンドギャップが約１．４ｅＶのヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）よりもバンドギャップの広い半導体をいう。例えば、バンドギャップが１．５ｅＶ以上の半導体、リン化ガリウム（ＧａＰ、バンドギャップ約２．３ｅＶ）、窒化ガリウム（ＧａＮ、バンドギャップ約３．４ｅＶ）、ダイヤモンド（Ｃ、バンドギャップ約５．２７ｅＶ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ、バンドギャップ約５．９ｅＶ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などが含まれる。このようなワイドバンドギャップ半導体素子は、耐圧を等しくする場合、シリコン半導体素子よりも小さくできるために寄生容量が小さく、高速動作が可能なため、スイッチング周波数を高くすることができ、インダクタなどの巻線部品やコンデンサなどの小形化が可能となる。
また、照明光源４はＬＥＤに限らず、ＯＬＥＤなどでもよく、照明負荷２には、複数個の照明光源４が直列又は並列に接続されていてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態または実施例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態または実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態または実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１・・・照明装置
２・・・照明負荷
３・・・電源装置
７、８・・・スイッチング素子
１２・・・インダクタ
２７・・・第１基板
２８・・・第２基板
２９・・・接続部材
３０・・・導電経路
ｔ１・・・第１端子
ｔ２・・・第２端子
ｔ３・・・第３端子
ｔ４・・・第４端子

Claims (3)

1. 第１端子および第２端子を有するスイッチング素子と、
   第３端子および第４端子を有するインダクタと、
   前記スイッチング素子の前記第１端子および前記インダクタの前記第４端子が接続された第１基板と、
   前記スイッチング素子の前記第２端子と前記インダクタの前記第３端子とを電気的に接続するとともに、前記第１基板から離間して設けられた導電経路と
   を備えた電源装置。
2. 前記導電経路が設けられた第２基板と、
   前記第１基板と前記第２基板との間に設けられた接続部材と
   を備えた請求項１記載の電源装置。
3. 請求項１または２に記載の電源装置と、
   前記電源装置に接続された照明負荷と、
   を備えた照明装置。

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