JP2015065082A - 電源装置および照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】突入電流を防止する機能を持った電源装置および照明装置を提供する。【解決手段】実施形態の電源装置は、電圧源から供給される交流電流を整流する整流回路と、整流回路からの出力電流により充電される平滑コンデンサと、整流回路と平滑コンデンサとの間に直列に接続されるとともに、電圧源からの電圧投入時の整流回路の出力電流値を、定常動作時の整流回路の出力電流値よりも高い出力電流値に制限するノーマリーオン型トランジスタと、を備える。【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。

照明機器としてＬＥＤ（light emitting diode）などの光源を点灯させる電源装置は、整流回路、平滑回路とＤＣ−ＤＣコンバータなどを有する。整流回路および平滑回路は、商用交流電源を直流に変換する。ＤＣ−ＤＣコンバータは、直流を所望の電圧に変換し、ＬＥＤに供給する。通常、整流には、ダイオードブリッジ整流器が使用され、平滑には、コンデンサが使用される。

電源装置に商用交流電源が投入されると、電源スイッチ、整流器を通して、平滑コンデンサが充電される。このとき、充電電流の流れる経路には、低インピーダンスの素子しか存在しないため、過大な充電電流である突入電流が流れてしまう。これにより、整流器の破損、電源スイッチ接点の溶着などの問題が生じる。この突入電流を防止する機能が必要であった。

特許第４９７３８６５号公報

本発明が解決しようとする課題は、突入電流を防止する機能を持った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、電圧源から供給される交流電流を整流する整流回路と、整流回路からの出力電流により充電される平滑コンデンサと、整流回路と平滑コンデンサとの間に直列に接続されるとともに、電圧源からの電圧投入時の整流回路の出力電流値を、定常動作時の整流回路の出力電流値よりも高い出力電流値に制限するノーマリーオン型トランジスタと、を備える。

本発明の実施形態によれば、突入電流を防止する機能をもった電源装置および照明装置を提供することができる。

第１の実施形態に係る電源装置を含む照明装置を例示する回路図である。 電源装置４の動作を説明するための波形図である。 制御端子の電位に対するノーマリーオン型トランジスタ８のドレイン電流の依存性を表す特性図である。 第２の実施形態に係る電源装置を含む照明装置を例示する回路図である。 第３の実施形態に係る電源装置を含む照明装置を例示する回路図である。

以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。以下の説明では、同一の要素には同一の符号を付し、一度説明した要素については適宜その説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る電源装置を含む照明装置を例示する回路図である。
照明装置１は、電源装置４と、ＤＣ−ＤＣコンバータ５と、照明負荷６と、を備えている。

電源装置４は、電源スイッチ３を介して入力された交流電源電圧に対し、整流、平滑を行う。ＤＣ−ＤＣコンバータ５は、電源装置４の出力を所望の電圧に変換し、照明負荷６に供給する。

照明機器６は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）などの照明光源を有する。交流電源２は、例えば商用電源である。

電源装置４は、整流器７と、ノーマリーオン型トランジスタ８と、平滑コンデンサ１３と、抵抗９、１２と、定電圧ダイオード１０と、コンデンサ１１と、を有する。整流器は、例えば、ダイオードブリッジ整流器である。ノーマリーオン型のトランジスタは、窒化ガリウム（ＧａＮ）などの窒化物半導体により形成された高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor：ＨＥＭＴ）である。
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、導電型などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。

整流器７の２つの入力端子は、電源装置４の入力端子でもあり、スイッチ３を介して、交流電源２に接続されている。ノーマリーオン型トランジスタ８のドレインは、整流器７の高電位出力端子２３に接続され、ノーマリーオン型トランジスタ８のソースは、平滑コンデンサ１３の一端に接続されている。平滑コンデンサ１３の他端は、整流器７の低電位出力端子２４に接続されている。並列接続された抵抗９、コンデンサ１１は、ノーマリーオン型トランジスタ８のゲート・ソース間に接続されている。定電圧ダイオード１０のアノードは、ノーマリーオン型トランジスタ８のゲートに接続され、定電圧ダイオード１０のカソードは、ノーマリーオン型トランジスタ８のソースに接続されている。ノーマリーオン型トランジスタ８のゲートは、抵抗１２を介して整流器７の低電圧出力端子２４に接続されている。電源装置４の出力は、平滑コンデンサ１３の両端から取り出される。

次に、図２を参照しつつ、電源装置４の動作を説明する。
図２は、電源装置４の動作を説明するための波形図である。
図２（ａ）は、電源装置４の入力電圧Ｖｉｎ、（ｂ）は電源装置４の入力電流Ｉｉｎ、（ｃ）は平滑コンデンサ１３の電圧Ｖｏｕｔ、（ｄ）は電源装置４の入力電流Ｉｉｎ’（ｅ）は平滑コンデンサ１３の電圧Ｖｏｕｔ’、をそれぞれ表す波形図である。

まず、ノーマリーオン型トランジスタ８が無く、整流器７が平滑コンデンサ１３に直接接続されている場合について説明する。電源スイッチ３がオンになると、交流電圧は、電源装置４に印加される。平滑コンデンサ１３は、電源スイッチ３、整流器７を通して充電される。電源スイッチ３がオンになった直後は、平滑コンデンサ１３は充電されていないため、平滑コンデンサ１３の端子間の電圧は、０Ｖである。図２（ｂ）のｔ１のように、入力交流電圧がピーク値に近いタイミングで、電源スイッチ３がオンになると、電源スイッチ３、整流器７、および、図示していない配線インピーダンスには、比較的高い電圧が印加されることとなる。これらのインピーダンスは低いため、平滑コンデンサ１３の充電電流、すなわち突入電流は、図２（ｂ）のＩｉｎ０で示すように、比較的大きな値となる。整流器７の破壊、電源スイッチ３の接点の溶着などの問題を生じる。

これを防止するため、ノーマリーオン型トランジスタ８を接続する。窒化物半導体により形成されたノーマリーオン型トランジスタは、図３に示す電圧−電流特性を有する。

図３は、制御端子の電位に対するノーマリーオン型トランジスタ８のドレイン電流の依存性を表す特性図である。図３の横軸はドレイン・ソース間電圧を表し、縦軸はドレイン電流を表す。

図３から明らかなように、ドレイン電流Ｉｄが所定の電流値に達すると、ノーマリーオン型トランジスタ８のオン抵抗は上昇する。すなわち、ノーマリーオン型トランジスタ８は、定電流特性を示すようになる。定電流特性を示す状態におけるドレイン電流Ｉｄは、ゲート・ソース間の電圧Ｖｇｓに依存する。ゲート・ソース間の電圧Ｖｇｓの絶対値が大きな値になるほど、定電流特性におけるドレイン電流Ｉｄの値は、小さくなる。

この様な特性を持つノーマリーオン型トランジスタ８を整流器７と平滑コンデンサ１３との間に接続する。ノーマリーオン型トランジスタ８のゲート・ソース間には、Ｖｏｕｔを抵抗９、１２で分圧した電圧が印加される。図３の実施形態では、定電圧ダイオード１０により、ノーマリーオン型トランジスタ８のゲート・ソース間は、所定の電圧に制限される。この電圧は、ソースに対してゲートが負の極性である。この電圧をＶｇｓ１、図３においてＶｇｓ１に対応する定電流値をＩｄ１とする。図２（ｃ）に示すように、電源スイッチがオンし、Ｉｉｎ’が増加してＩｄ１に達すると、ノーマリーオン型トランジスタ８は、図３に関して前述した高インピーダンス領域に移行する。定電流作用により、Ｉｉｎ’は図２（ｃ）に示すように、Ｉｄ１に制限されることとなる。この様子を図２（ｃ）および（ｄ）のＩｉｎ’、Ｖｏｕｔ’に表す。平滑コンデンサ１３が充電され、定常時の電圧に達した後の、Ｉｉｎ’を図２のＩｉｎ１に表す。これは、通常動作時の電源装置４の入力電流に相当する。このＩｉｎ１に対しＩｄ１は高い値に設定する。通常動作時のノーマリーオン型トランジスタ８での損失を低減するためである。

本実施形態では、抵抗９、１２、定電圧ダイオード１０により、Ｖｇｓ１を任意の値に設定可能である。Ｉｄ１を任意の値に設定することができる。コンデンサ１１は、誤動作防止用のコンデンサであり、比較的小容量のコンデンサである。電源スイッチ３オフ後は速やかに放電されるため、再度電源スイッチがオンとなっても、前記した電流制限機能を妨げることはない。

図１に例示したＤＣ−ＤＣコンバータ５は、スイッチング素子１４と、整流素子１５と、インダクタ１６と、コンデンサ１７と、図示されない制御回路と、を有する。スイッチング素子１４は、例えばＭＯＳ ＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）である。整流素子１５は、例えばシリコンダイオードである。

スイッチング素子１４のドレインは、電源装置４の高電位出力端子２５に接続され、スイッチング素子１４のソースは、整流素子１５のカソードに接続されている。整流素子１５のアノードは、電源装置４の低電位出力端子２６に接続されている。直列接続されたインダクタ１６とコンデンサ１７は、整流素子１５に並列に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力は、コンデンサ１７の両端から取り出され、照明負荷６に供給される。

本実施形態における、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作は、通常の降圧コンバータと同等である。制御回路により、スイッチング素子１４は、オン・オフ制御される。電源装置４から出力された電圧は、照明負荷６に必要な電圧に変換される。本実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータは、昇圧型、昇降圧型であってもよい。

第１の実施の形態の効果について説明する。
本実施形態によれば、ノーマリーオン型トランジスタ８の作用により、電源スイッチ３オン直後の入力電流は、Ｉｄ１に制限される。その結果として、過大な突入電流は、流れず、整流器、電源スイッチの破損を、防止できるという効果が得られる。抵抗９、１２、定電圧ダイオード１０の定数を変更し、ノーマリーオン型トランジスタの最大電流を超えない範囲で、任意の突入電流に設定できるという効果も得られる。

（第２実施形態）
第２の実施形態について説明する。
図４は、第２の実施形態に係る電源装置を含む照明装置を例示する回路図である。

図４の照明装置１８は、電源装置１９と、ＤＣ−ＤＣコンバータ５と、照明機器６と、を備えている。

電源装置１９は、整流器７と、ノーマリーオン型トランジスタ８と、平滑コンデンサ１３と、を有する。

ノーマリーオン型トランジスタ８のドレインは、整流器７の高電位出力端子２３に接続され、ノーマリーオン型トランジスタ８のソースは、平滑コンデンサ１３の一端が接続されている。平滑コンデンサ１３の他端は、整流器７の低電位出力端子２４に接続されている。ノーマリーオン型トランジスタ８のゲートは、ノーマリーオン型トランジスタ８のソースに接続されている。電源装置４の出力は、平滑コンデンサ１３の両端から取り出される。

電源装置１９の動作について説明する。ノーマリーオン型トランジスタ８のゲートとソースが直接接続されているので、Ｖｇｓは、０Ｖとなる。図３で、Ｖｇｓ＝０Ｖのときの定電流特性におけるドレイン電流ＩｄをＩｄ０とすると、ノーマリーオン型トランジスタ８のドレイン電流は、Ｉｄ０に制限されることとなる。従って、突入電流もこのＩｄ０の値に制限される。

第２の実施の形態の効果について説明する。
本実施形態によれば、第１の実施形態と同様、過大な突入電流は、流れず、整流器、電源スイッチの破損を、防止できるという効果が得られる。ただし、図１の実施例とは異なり、任意の突入電流に設定することはできない。

（第３実施形態）
第３の実施形態について説明する。
図５は、第３の実施形態に係る電源装置を含む照明装置を例示する回路図である。

図５の照明装置２０は、電源装置２１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ５と、照明機器６と、を備えている。

電源装置２１は、整流器７と、ノーマリーオン型トランジスタ８と、平滑コンデンサ１３と、過電圧保護素子２２と、を有する。

ノーマリーオン型トランジスタ８のドレインは、整流器７の高電位出力端子２３に接続され、ノーマリーオン型トランジスタ８のソースは、平滑コンデンサ１３の一端に接続されている。平滑コンデンサ１３の他端は、整流器７の低電位出力端子２４に接続されている。ノーマリーオン型トランジスタ８のゲートは、ノーマリーオン型トランジスタ８のソースに接続されている。過電圧保護素子２２は、ノーマリーオン型トランジスタ８のトレイン・ソース間に接続されている。電源装置４の出力は、平滑コンデンサ１３の両端から取り出される。

電源装置２１の動作について説明する。
図３において前述したように、ノーマリーオン型トランジスタ８は、定電流特性を示し、高インピーダンス状態となる。雷サージなど、意図しない過大な電圧が印加されたときには、ドレイン・ソース間電圧が上昇し、破壊するおそれがある。これを防止するため、過電圧保護素子をノーマリーオン型トランジスタ８のドレイン・ソース間に接続している。これ以外の動作は、第２の実施形態と同様である。

第３の実施の形態の効果について説明する。
本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、過大な突入電流は、流れず、整流器、電源スイッチの破損を、防止できるという効果が得られる。雷サージなど、過電圧が印加された場合であっても、ノーマリーオン型トランジスタが保護され、信頼性を高めるという効果も得られる。
以上、具体例を参照しつつ実施形態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、ノーマリーオン型トランジスタは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）、ダイアモンド（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。
なお、照明負荷６はＬＥＤに限らず、例えば、有機ＥＬ（Electro-Luminescence）やＯＬＥＤ（Organic light-emitting diode）などでもよい。

以上、具体例を参照しつつ実施形態について説明した。しかし、実施形態はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、実施形態の特徴を備えている限り、実施形態の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。

また、前述した各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて複合させることができ、これらを組み合わせたものも実施形態の特徴を含む限り実施形態の範囲に包含される。その他、実施形態の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例および修正例に想到し得るものであり、それら変更例および修正例についても実施形態の範囲に属するものと了解される。

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…交流電源、３…電源スイッチ、４…電源装置、５…ＤＣ−ＤＣコンバータ、６…照明負荷、７…整流器、８…ノーマリーオン型トランジスタ、９…抵抗、１０…定電圧ダイオード、１１…コンデンサ、１２…抵抗、１３…平滑コンデンサ、１４…スイッチング素子、１５…整流素子、１６…インダクタ、１７…コンデンサ、１８…照明装置、１９…電源装置、２０…照明装置、２１…電源装置、２２…過電圧保護素子、 ２３…高電位出力端子、 ２４…低電位出力端子、 ２５…高電位出力端子、 ２６…低電位出力端子

Claims (4)

1. 電圧源から供給される交流電流を整流する整流回路と、
   前記整流回路からの出力電流により充電される平滑コンデンサと、
   前記整流回路と前記平滑コンデンサとの間に直列に接続されるとともに、前記電圧源からの電圧投入時の前記整流回路の出力電流値を、定常動作時の前記整流回路の出力電流値よりも高い出力電流値に制限するノーマリーオン型トランジスタと、
   を備えた電源装置。
2. 前記ノーマリーオン型トランジスタに並列に接続されるとともに、前記電圧源の最大電圧よりも高い保護電圧に電圧値を制限する過電圧保護素子をさらに備えた請求項１記載の電源装置。
3. 前記ノーマリーオン型トランジスタは、窒化物半導体により形成されたトランジスタである、請求項１または２に記載の電源装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の電源装置と、
   前記電源装置から電力を供給される照明機器と、
   を備えた照明装置。

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