JP2015065776A - 電源装置及び照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性の高い電源装置及び照明装置を提供する。【解決手段】【００６８】実施形態の電源装置は、第１のインダクタと、ゲートに印加される電圧に基づいて駆動され、オンの時に第１のインダクタに電流を供給するノーマリーオン型のスイッチング素子と、スイッチング素子がオフの時に第１のインダクタに電流を流す整流手段と、第１のインダクタと電磁結合し、第１のインダクタの電流が増加しているときはスイッチング素子をオンさせる電圧が誘起され、第１のインダクタの電流が減少しているときは、スイッチング素子をオフさせる電圧が誘起され、誘起された電圧をスイッチング素子のゲートに供給する第２のインダクタと、第１のインダクタの磁気飽和を防ぐ手段と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電源装置及び照明装置に関する。

照明装置などの電源として、スイッチング電源装置がある。スイッチング電源装置は、入力電力から所望の出力電力を得る電力変換装置において、電力を変換・調整するためにスイッチング素子を用いた電源装置である。その中には、直流電力を別の直流電力に変換するＤＣ-ＤＣコンバータが含まれる。

このスイッチング電源に使用されるスイッチング素子として、ワイドバンドギャップの化合物半導体によるスイッチング素子がある。中でも、窒化ガリウム（ＧａＮ）などの化合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）が注目されている。高耐圧かつ低いオン抵抗特性を持ち、高周波スイッチング可能なためである。
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、ワイドバンドギャップ半導体に含まれる。

しかし、このスイッチング素子は、ノーマリーオン型の素子のほうが入手が容易であり、普及しつつある。しかし、ノーマリーオン型の素子を用いた場合、現在一般的に使用されているノーマリーオフ型素子とは異なる課題が生ずる。具体的には、ノーマリーオン型の素子を用いた場合は、過電流が流れた際の保護動作について対処する必要がある。

特開２０１２−０３４５６９号公報

本発明が解決しようとする課題は、信頼性の高い電源装置及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のインダクタと、ゲートに印加される電圧に基づいて駆動され、オンの時に第１のインダクタに電流を供給するノーマリーオン型のスイッチング素子と、スイッチング素子がオフの時に第１のインダクタに電流を流す整流手段と、第１のインダクタと電磁結合し、第１のインダクタの電流が増加しているときはスイッチング素子をオンさせる電圧が誘起され、第１のインダクタの電流が減少しているときは、スイッチング素子をオフさせる電圧が誘起され、誘起された電圧をスイッチング素子のゲートに供給する第２のインダクタと、第１のインダクタの磁気飽和を防ぐ手段と、を備える。

信頼性の高い電源装置及び照明装置を提供することができる。

第１の実施形態に係るスイッチング電源装置、及び照明装置を例示する回路図である。 インダクタの飽和を説明する特性図である。 第２の実施形態に係る電源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例示する回路図である。 第４の実施形態に係る電源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、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材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の実施形態に係るスイッチング電源装置、及び照明装置を例示する回路図である。
照明装置１は、直流電圧源２の出力電圧を所望の電圧に変換する電源装置３と、電源装置３の負荷回路となり電源装置３より電力を供給されて点灯する照明負荷４と、を備えている。照明負荷４は、例えば発光ダイオード（Light-emitting diode：ＬＥＤ）などの照明光源を有する。直流電圧源２は、例えば交流電源９と整流器１０とを有する。図１においては、交流電源９として、例えば商用交流電源の交流電圧を例示し、整流器１０として、例えばブリッジ型整流回路により整流し直流電圧を出力するものを例示した。

電源装置３は、入力フィルタコンデンサ１１と、コンデンサ１２と、出力フィルタコンデンサ１３と、スイッチング素子１４と、電流制御素子１５と、整流手段１８と、ダイオード２０と、第１のインダクタ２１と、第２のインダクタ２２と、を有する。整流手段１８は、スイッチング素子１６と、整流素子１７と、を含む。

スイッチング素子１４、１６、電流制御素子１５は、ノーマリーオン型のスイッチング素子であり、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）などの化合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。整流素子１７は、例えばシリコンショットキーバリアダイオードである。第１のインダクタ２１と第２のインダクタ２２とは、磁気結合している。

直流電圧源２の出力は、電源装置３の高電位入力端子５と低電位入力端子６との間に入力される、スイッチング素子１４のドレインは、高電位入力端子５に接続され、スイッチング素子１４のソースは電流制御素子１５のドレインに接続されている。電流制御素子１５のソースは、スイッチング素子１６のドレインに接続され、スイッチング素子１６のソースは、整流素子１７のカソードに接続されている。整流素子１７のアノードは低電位入力端子６に接続されている。ダイオード２０のアノードはスイッチング素子１４のゲートに接続され、ダイオード２０のカソードはスイッチング素子１６のドレインに接続されている。

第１のインダクタ２１は、スイッチング素子１６のドレインと高電位出力端子７との間に接続されている。第２のインダクタ２２の一端は、スイッチング素子１６のドレインに接続され、他端は、コンデンサ１２を介して、スイッチング素子１４のゲートに接続されている。第２のインダクタ２２は、第１のインダクタ２１の電流が増加しているときスイッチング素子１４をオンさせる電圧が誘起され、第１のインダクタ２１の電流が減少しているとき、スイッチング素子１４をオフさせる電圧が誘起される結線とされている。

入力フィルタコンデンサ１１は、高電位入力端子５と低電位入力端子６との間に接続され、出力フィルタコンデンサ１３は、高電位出力端子７と低電位出力端子８との間に接続されている。低電位入力端子６と低電位出力端子８とは、電源装置３内部で接続されている。照明負荷４は高電位出力端子７と低電位出力端子８との間に接続されている。

次に電源装置３の動作について説明する。
まず、スイッチング素子１６と整流素子１７の動作を説明する。これらは、整流手段１８に含まれる。整流素子１７のアノード側に正の電圧が印加された場合、整流素子１７は、導通する。ノーマリーオン型の素子であるスイッチング素子１６も、オンする。順方向に電圧が印加された状態であり、整流手段１８は、オン状態となる。整流素子１７のアノード側に負の電圧が印加された場合、整流素子１７は、非導通となる。スイッチング素子１６のゲート・ソース間電圧が負の値となるため、スイッチング素子１６も、オフとなる。逆方向に電圧が印加された状態であり、整流手段１８は、オフ状態となる。

逆方向に電圧が印加された場合に、整流素子１７にかかる逆電圧は、スイッチング素子１６のＶｇｓ１６である。この電圧は数Ｖ程度であるため、整流素子１７としては、低耐圧のシリコンショットキーバリアダイオードなどを用いることができる。一般に、低耐圧のシリコンショットキーバリアダイオードは、順電圧が低い。スイッチング素子１６のオン時の順電圧も低いため、整流手段１８全体としてみた順電圧は、ＧａＮダイオード単体よりも低くすることができる。

続いて、電流制御素子１５の動作を説明する。
電流制御素子１５は、ゲート・ソース間電圧Ｖｇｓ１５に対応した閾値電流を持つ。電流制御素子１５のドレイン電流がこの閾値より小さいとき、電流制御素子１５は、低いオン抵抗を示す。ドレイン電流が閾値を超えると、電流制御素子１５のオン抵抗が急増し、電流制御素子１５は、定電流特性を示すようになる。図１では、電流制御素子１５のゲートはソースに接続されている。そのため、閾値電流は、電流制御素子１５の固有の最大ドレイン電流と等しくなる。

このような、整流手段１８、および電流制御素子１５の特性を参照しつつ、電源装置３の動作について、以下に説明する。

（１）直流電圧源２の出力電圧が高電位入力端子５と低電位入力端子６との間に印加されるとき、スイッチング素子１４および電流制御素子１５は、ノーマリーオン型の素子であるため、オン状態にある。すると、高電位入力端子５、スイッチング素子１４、電流制御素子１５、第１のインダクタ２１、出力フィルタコンデンサ１３、低電位入力端子６の経路で電流が流れ、出力フィルタコンデンサ１３が充電される。第１のインダクタ２１には、電磁エネルギーが蓄積される。

（２）スイッチング素子１４および電流制御素子１５がオンしているため、整流手段１８の両端には、電源装置３の入力電圧が印加される。逆方向に電圧が印加されるため、整流手段１８は、非導通の状態となる。

（３）第１のインダクタ２１を流れる電流は、時間の経過とともに増加していく。第２のインダクタ２２は、第１のインダクタ２１と磁気結合しているため、第２のインダクタ２２には、結合コンデンサとして働くコンデンサ１２側を高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１４のゲートには、コンデンサ１２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１４は、オンの状態を維持する。

（４）第１のインダクタ２１を流れる電流が電流制御素子１５の閾値を超えると、電流制御素子１５のドレイン・ソース間の電圧は、オン抵抗の急増により、急激に上昇する。スイッチング素子１４のゲート・ソース間の電圧が負側に大きくシフトし、スイッチング素子１４は、オフとなる。

（５）第１のインダクタ２１には、逆起電力が発生する。順方向に電圧が印加されるため、整流手段１８は、オン状態となる。電流は、整流手段１８、第１のインダクタ２１、出力フィルタコンデンサ１３の経路で、流れ続ける。電磁エネルギーを放出するため、第１のインダクタ２１の電流は、減少していく。第２のインダクタ２２に誘起された負の電圧は、維持され、スイッチング素子１４は、オフの状態を継続する。

（６）第１のインダクタ２１に蓄積されていた電磁エネルギーがゼロになると、第１のインダクタ２１を流れる電流は、ゼロになる。起電力の方向が再び反転し、第２のインダクタ２２には、コンデンサ１２側を高電位とするような起電力が誘起される。スイッチング素子１４のゲートにソースよりも高い電圧が供給され、スイッチング素子１４は、オンする。上記（１）の状態に戻る。

以後、（１）〜（６）を繰り返す。入力電圧は、変換されて、照明負荷４に供給される。ダイオード２０は、スイッチング素子１４のゲートを、過大な電圧の入力から保護する。電源装置３は、降圧コンバータとして動作する。ただし、本実施の形態はこれには限定されず、スイッチング電源装置は、昇圧型、昇降圧型であってもよい。

スイッチング素子１４、電流制御素子１５は、ノーマリーオン型の素子であるため、ゲート・ソース間の電圧が０Ｖの時最大の電流が流れる。ゲート端子に負の電圧を印加し、ゲート・ソース間の電圧を負の値にすると、これらの素子を流れる電流が制限されていき、Ｖｇｓを所定の値、例えば−３．５Ｖにするとオフ状態となる。

電源装置３で、スイッチング素子１４のオン期間が長くなる等、何らかの要因で第１のインダクタ２１を流れる電流が規定以上に増加した場合を考える。
通常、インダクタは、流れる電流に比例して、インダクタンスが減少する。流れる電流が所定の電流値を超えると、急激にインダクタンスが低下する特性を持ったインダクタも存在する。インダクタに使用されているコアが、磁気飽和を起こすためである。このような特性を持ったインダクタを第１のインダクタ２１として用いると、第１のインダクタ２１の電流が増加し、磁気飽和を起こしたとき、第１のインダクタ２１のインダクタンスが急激に低下してしまう。同時に、磁気飽和を起こすため、第１のインダクタ２１と磁気結合している第２のインダクタ２２には、電圧が誘起されなくなる。すると、ノーマリーオン型であるスイッチング素子１４をオフする手段が喪失され、スイッチング素子１４は、常時オン状態となる。大きな電流が流れると共に、スイッチング素子１４、電流制御素子１５の損失が増大し、破損に至る可能性もある。インダクタが磁気飽和に至るときの電流は、飽和電流と呼ばれる。

インダクタの飽和電流について、図２を参照しつつ説明する。
図２は、インダクタの飽和電流を説明する特性図である。
図２の横軸はインダクタを流れる直流電流を表し、縦軸はインダクタンスを表す。インダクタに流す直流電流が０Ａの時のインダクタンスをＬ０とする。インダクタに流す直流電流を大きくしていき、インダクタンスがＬ０から３０％低下した値であるＬ３０になるときの直流電流Ｉｓａｔを測定する。このＩｓａｔをインダクタの飽和電流と定義する。インダクタに流れる電流がＩｓａｔを超えない範囲であれば、インダクタは磁気飽和しないと判断する。なお、インダクタンスの測定は、インダクタに直流電流を流した状態で、１０ｍＡ、１００ｋＨｚの交流電流を重畳し、この時のインダクタンスを測定することにより行う。

本実施の形態においては、スイッチング素子１４、電流制御素子１５の最大電流、つまりＶｇｓ１４及びＶｇｓ１５が０Ｖの時のスイッチング素子１４及び電流制御素子１５を流れる電流を第１のインダクタ２１のＩｓａｔよりも小さくする。すると、第１のインダクタ２１の飽和を防ぐことができる。これが、本実施形態における第１のインダクタ２１の磁気飽和を防ぐ手段に該当する。なお、流れる最大電流をＩｓａｔより対策設定する素子は、スイッチング素子１４、電流制御素子１５のどちらか一方でよい。

次に、第１の実施形態の効果について説明する。
本実施形態によれば、第１のインダクタ２１の飽和を防ぐことができるため、スイッチング素子１４、電流制御素子１５に直流電流が流れることはなくなる。これらの素子の破損を防ぐことができ、信頼性の高い電源装置３を提供できるという効果が得られる。

（第２実施形態）
図３は、第２の実施形態に係る電源装置を例示する回路図である。
電源装置２４は、入力フィルタコンデンサ１１と、コンデンサ１２と、出力フィルタコンデンサ１３と、スイッチング素子１４と、電流制御素子１５と、整流手段１８と、ダイオード２０と、第１のインダクタ２１と、第２のインダクタ２２と、定電圧ダイオード２５と、抵抗２６と、を有する。整流手段１８は、スイッチング素子１６と、整流素子１７と、を含む。

定電圧ダイオード２５のカソードはスイッチング素子１６のドレインに接続されている。電流制御素子１５のゲートは、定電圧ダイオード２５のアノードに接続されている。抵抗２６は、電流制御素子１５のゲートと低電位入力端子６との間に接続されている。これ以外は図１の電源装置３と同様とすることができる。なお、本実施の形態における第１のインダクタの磁気飽和を防ぐ手段は、定電圧ダイオード２５を含む回路である。

本実施形態では、定電圧ダイオード２５、抵抗２６の作用により、電流制御素子１５のゲート・ソース電圧Ｖｇｓ１５は負の電圧に設定されている。そのため、電流制御素子１５を流れる最大電流は、このＶｇｓ１５に対応した電流値に制限される。この最大電流が第１のインダクタ２１のＩｓａｔよりも小さくなるよう、定電圧ダイオード２５、抵抗２６の値を選択する。この結果、第１のインダクタ２１の飽和を防ぐことができる。また、第１のインダクタ２１を変更した場合であっても、スイッチング素子１４と、電流制御素子１５を変更することなく、定電圧ダイオード２５、抵抗２６を変更することにより、対応できる。

次に、第２の実施形態の効果について説明する。
本実施形態によれば、第１のインダクタ２１の飽和を防ぐことができるため、スイッチング素子１４、電流制御素子１５に直流電流が流れることはなくなる。これらの素子の破損を防ぐことができ、信頼性の高い電源装置２４を提供できるという効果が得られる。第１のインダクタ２１を変更した場合に、容易に対応できるという効果も得られる。

（第３実施形態）
図４は、第３の実施形態に係る電源装置を例示する回路図である。
電源装置２４は、入力フィルタコンデンサ１１と、コンデンサ１２、３２、４７と、出力フィルタコンデンサ１３と、スイッチング素子１４と、電流制御素子１５と、整流手段１８と、ダイオード２０、２９と、第１のインダクタ２１と、第２のインダクタ２２と、抵抗３０、３１、３４、３６、３７、３８、４０、４１、４２、４３、４６と、定電圧ダイオード３３、３９と、トランジスタ３５と、増幅器４５と直流電圧源４４と、を有する。整流手段１８は、例えばシリコンダイオードである。

直流電圧源２の出力は、電源装置２８の高電位入力端子５と低電位入力端子６との間に入力される、スイッチング素子１４のドレインは、高電位入力端子５に接続され、スイッチング素子１４のソースは電流制御素子１５のドレインに接続されている。電流制御素子１５のソースは、整流手段１８のカソードに接続されている。整流手段１８のアノードは低電位入力端子６に接続されている。ダイオード２０のアノードはスイッチング素子１４のゲートに接続され、ダイオード２０のカソードは、スイッチング素子１６のドレインに接続されている。

抵抗３７は、スイッチング素子１４のゲートと整流手段１８のカソードとの間に接続されている。ダイオード２９のアノードは、電流制御素子１５のゲートに接続され、ダイオード２９のカソードは、整流手段１８のカソードに接続されている。第１のインダクタ２１は、整流手段１８のカソードと高電位出力端子７との間に接続されている。第２のインダクタ２２の一端は、整流手段１８のカソードに接続され、他端は、コンデンサ１２を介して、スイッチング素子１４のゲートに接続されている。第２のインダクタ２２は、第１のインダクタ２１の電流が増加しているときスイッチング素子１４をオンさせる電圧が誘起され、第１のインダクタ２１の電流が減少しているとき、スイッチング素子１４をオフさせる電圧が誘起される結線とされている。

抵抗３０の一端は、電流制御素子１５のゲートに接続されている。抵抗３０の他端は、抵抗３１、抵抗３４、コンデンサ３２の一端、および定電圧ダイオード３３のアノードに接続されている。抵抗３１、コンデンサ３２の他端、及び定電圧ダイオード３３のカソードは、整流手段１８のカソードに接続されている。抵抗３４の他端は、トランジスタ３５のコレクタに接続され、トランジスタ３５のエミッタは、抵抗３６を介して低電位入力端子６に接続されている。抵抗４１は、低電位入力端子６と低電位出力端子８との間に接続されている。

増幅器４５の非反転入力端子４８は、抵抗４２を介して低電位出力端子８に接続され、増幅器４５の反転入力端子４９は、抵抗４３を介して直流電圧源４４のプラス端子に接続されている。直流電圧源４４のマイナス端子は、低電位入力端子６に接続されている。並列接続された抵抗４６とコンデンサ４７は、増幅器４５の反転入力端子４９と増幅器４５の出力端子５０との間に接続されている。増幅器４５の出力端子５０は、トランジスタ３５のベースに接続されている。定電圧ダイオード３９のカソードは、整流手段１８のカソードに接続され、定電圧ダイオード３９のアノードは、抵抗３８を介してスイッチング素子１４のゲートに接続されている。抵抗４０は、定電圧ダイオード３９のアノードと低電圧入力端子６との間に接続されている。

入力フィルタコンデンサ１１は、高電位入力端子５と低電位入力端子６との間に接続され、出力フィルタコンデンサ１３は、高電位出力端子７と低電位出力端子８との間に接続されている。

抵抗３８、４０、定電圧ダイオード３９を含む回路は、スイッチング素子１４のゲート・ソース間の電圧を負の電圧に設定する回路であり、本実施の形態における第１のインダクタの磁気飽和を防ぐ手段である。

抵抗３７は、スイッチング素子１４のゲートを過大な入力電圧から保護する。コンデンサ３２、定電圧ダイオード３３は、電流制御素子１５のゲートを過大な入力電圧から保護する。

抵抗４１、４２、４３、４６、コンデンサ４７、直流電圧源４４、増幅器４５を含む回路は、電源装置２８の出力電流を監視する回路である。抵抗３０、３１、３４、３６、トランジスタ３５を含む回路は、増幅器４５の出力電圧により制御され、電源装置２８の出力に過電流が流れたとき、スイッチング素子１４をオフさせる回路である。これは、電流制御素子１５のゲート・ソース間電圧を負の電圧に設定することにより、行われる。これ以外の動作は、電源装置３と同様である。

本実施形態では、定電圧ダイオード３９、抵抗３８、４０の作用により、スイッチング素子１４のゲート・ソース電圧Ｖｇｓ１４は負の電圧に設定されている。そのため、スイッチング素子１４を流れる最大電流は、このＶｇｓ１４に対応した電流値に制限される。この最大電流が第１のインダクタ２１のＩｓａｔよりも小さくなるよう、定電圧ダイオード３９、抵抗３８、４０の値を選択する。この結果、第１のインダクタ２１の飽和を防ぐことができる。また、第１のインダクタ２１を変更した場合であっても、スイッチング素子１４と、電流制御素子１５を変更することなく、定電圧ダイオード３９、抵抗３８、４０を変更することにより、対応できる。

次に、第３の実施形態の効果について説明する。
本実施形態によれば、第１のインダクタ２１の飽和を防ぐことができるため、スイッチング素子１４、電流制御素子１５に直流電流が流れることはなくなる。これらの素子の破損を防ぐことができ、信頼性の高い電源装置２４を提供できるという効果が得られる。第１のインダクタ２１を変更した場合に、容易に対応できるという効果も得られる。

（第４実施形態）
図５は、第４の実施形態に係る電源装置を例示する回路図である。
電源装置５５は、入力フィルタコンデンサ１１と、コンデンサ１２と、出力フィルタコンデンサ１３と、スイッチング素子１４と、電流制御素子１５と、整流手段１８と、ダイオード２０、２９と、第１のインダクタ２１と、第２のインダクタ２２と、インダクタ５６と、抵抗３７、５７と、保護回路６６と、を有する。整流手段１８は、スイッチング素子１６と、整流素子１７と、を含む。

保護回路６６は、コンデンサ５８と、ダイオード５９と、抵抗３０、３４と、定電圧ダイオード３３と、スイッチング素子６５と、コンパレータ６０と、直流電圧源６４と、を含む。スイッチング素子６５は、例えばＭＯＳ ＦＥＴである。第１のインダクタ２１と第２のインダクタ２２とインダクタ５６は、磁気結合している。

直流電圧源２の出力は、電源装置５５の高電位入力端子５と低電位入力端子６との間に入力される、スイッチング素子１４のドレインは、高電位入力端子５に接続され、スイッチング素子１４のソースは電流制御素子１５のドレインに接続されている。電流制御素子１５のソースは、スイッチング素子１６のドレインに接続され、スイッチング素子１６のソースは、整流素子１７のカソードに接続されている。整流素子１７のアノードは低電位入力端子６に接続されている。ダイオード２０のアノードはスイッチング素子１４のゲートに接続され、ダイオード２０のカソードは、スイッチング素子１６のドレインに接続されている。

抵抗３７は、スイッチング素子１４のゲートと整流手段１８のカソードとの間に接続されている。ダイオード２９のアノードは、電流制御素子１５のゲートに接続され、ダイオード２９のカソードは、スイッチング素子１６のドレインに接続されている。第１のインダクタ２１は、整流手段１８のカソードと高電位出力端子７との間に接続されている。第２のインダクタ２２の一端は、スイッチング素子１６のドレインに接続され、他端は、コンデンサ１２を介して、スイッチング素子１４のゲートに接続されている。

インダクタ５６の一端は、低電位入力端子６に接続され、他端は抵抗５７を介してコンパレータ６０の非反転入力端子６１に接続されている。コンデンサ５８は、コンパレータ６０の非反転入力端子６１と低電位入力端子６との間に接続されている。直流電圧源６４のマイナス端子は、低電位入力端子６に接続され、直流電圧源６４のプラス端子は、コンパレータ６０の反転入力端子６２に接続されている。

定電圧ダイオード３３のカソードは、スイッチング素子１６のドレインに接続され、定電圧ダイオード３３のアノードは抵抗３０を介して電流制御素子１５のゲートに接続されている。スイッチング素子６５のソースは、低電位入力端子６に接続され、スイッチング素子６５のゲートは、コンパレータ６０の出力端子６３に接続されている。スイッチング素子６５のドレインは、抵抗３４を介して定電圧ダイオード３３のアノードに接続されている。ダイオード５９のアノードは、コンパレータ６０の非反転入力端子６１に接続され、ダイオード５９のカソードは、スイッチング素子１６のドレインに接続されている。

第２のインダクタ２２は、第１のインダクタ２１の電流が増加しているときスイッチング素子１４をオンさせる電圧が誘起され、第１のインダクタ２１の電流が減少しているとき、スイッチング素子１４をオフさせる電圧が誘起される結線とされている。また、インダクタ５６は、第１のインダクタ２１の電流が増加しているとき、抵抗５７に正の電圧が誘起され、第１のインダクタ２１の電流が減少しているとき、抵抗５７に負の電圧が誘起される結線とされている。

入力フィルタコンデンサ１１は、高電位入力端子５と低電位入力端子６との間に接続され、出力フィルタコンデンサ１３は、高電位出力端子７と低電位出力端子８との間に接続されている。

ダイオード５９は、コンパレータ６０の非反転入力端子６１を過大な入力電圧から保護する。抵抗５７、コンデンサ５８は、インダクタ５６の端子間に誘起された電圧を、時間積分する。この時間積分値は、コンデンサ５８の端子間の電圧値として得られる。保護回路６６は、コンデンサ５８の端子間の電圧を監視し、スイッチング素子１４を保護する。

この保護回路６６について説明する。コンデンサ５８の端子間の電圧が、直流電圧源６４で決まる所定の電圧を超えたとき、コンパレータ６０の出力端子６３にスイッチング素子６５をオンする電圧が出力され、スイッチング素子６５は、オンする。すると、抵抗３０、３４、定電圧ダイオード３３により、電流制御素子１５のゲート・ソース間電圧を負の電圧に設定する。これ以外の動作は、電源装置３と同様である。

抵抗５７、コンデンサ５８、保護回路６６は、本実施の形態における第１のインダクタの磁気飽和を防ぐ手段である。

インダクタを流れる電流は印加される電圧と時間の積に比例する。そこで、スイッチング素子１４がオンの期間での第１のインダクタ２１に印加される電圧を時間積分し、この積分値が、第１のインダクタ２１のＩｓａｔに相当する値に達する前に、保護動作を行う。本実施形態では、スイッチング素子１４のゲート・ソース間に負の電圧を印加し、スイッチング素子１４をオフ状態にする。

本実施形態では、抵抗５７、コンデンサ５８が直列に接続され、インダクタ５６の端子間に接続されている。これらは、積分回路として働く。コンデンサ５８には、第１のインダクタ２１に印加される電圧の時間積分値に対応する電圧が蓄積される。この電圧は、保護回路６６に入力される。保護回路６６は、コンデンサ５８の電圧を監視し、第１のインダクタ２１を流れる電流がＩｓａｔに達する前に、前述の保護動作を行う。第１のインダクタ２１を流れる電流が遮断され、第１のインダクタ２１の飽和を防ぐことができる。本実施の形態においては、第１のインダクタ２１と磁気結合したインダクタ５６の電圧を時間積分することにより、間接的に第１のインダクタ２１の電圧を時間積分している。なお、第２インダクタの電圧を時間積分し保護回路６６を動作させても同様の効果が得られる。つまり、抵抗５７、コンデンサ５８が第２のインダクタ２２に接続された回路であってもよい。

次に、第４の実施形態の効果について説明する。
本実施形態によれば、第１のインダクタ２１の飽和を防ぐことができるため、スイッチング素子１４、電流制御素子１５に直流電流が流れることはなくなる。これらの素子の破損を防ぐことができ、信頼性の高い電源装置２８を提供できるという効果が得られる。
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、スイッチング素子１４、電流制御素子１５、スイッチング素子１６、整流素子１７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。

なお、照明負荷４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。

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…直流電圧源、３…電源装置、４…照明負荷、５…高電位入力端子、６…低電位入力端子、７…高電位出力端子、８…低電位出力端子、９…交流電源、１０…整流器、１１…入力フィルタコンデンサ、１２…コンデンサ、１３…出力フィルタコンデンサ、１４…スイッチング素子、１５…電流制御素子、１６…スイッチング素子、１７…整流素子、１８…整流手段、２０…ダイオード、２１…第１のインダクタ、２２…第２のインダクタ、２４…電源装置、２５…定電圧ダイオード、２６…抵抗、２８…電源装置、２９…ダイオード、３０…抵抗、３１…抵抗、３２…コンデンサ、３３…定電圧ダイオード、３４…抵抗、３５…トランジスタ、３６…抵抗、３７…抵抗、３８…抵抗、３９…定電圧ダイオード、４０…抵抗、４１…抵抗、４２…抵抗、４３…抵抗、４４…直流電圧源、４５…増幅器、４６…抵抗、４７…コンデンサ、４８…非反転入力端子、４９…反転入力端子、５０…出力端子、５５…電源装置、５６…インダクタ、５７…抵抗、５８…コンデンサ、５９…ダイオード、６０…コンパレータ、６１…非反転入力端子、６２…反転入力端子、６３…出力端子、６４…直流電圧源、６５…スイッチング素子、６６…保護回路

Claims (8)

1. 第１のインダクタと、
   ゲートに印加される電圧に基づいて駆動され、オンの時に前記第１のインダクタに電流を供給するノーマリーオン型のスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子がオフの時に前記第１のインダクタに電流を流す整流手段と、
   前記第１のインダクタと電磁結合し、前記第１のインダクタの電流が増加しているときは前記スイッチング素子をオンさせる電圧が誘起され、前記第１のインダクタの電流が減少しているときは前記スイッチング素子をオフさせる電圧が誘起され、誘起された電圧を前記スイッチング素子のゲートに供給する第２のインダクタと、
   前記第１のインダクタの磁気飽和を防ぐ手段と、
   を備えた電源装置。
2. ゲートに印加される電圧に基づいて駆動され、前記第１のインダクタを流れる電流の電流値を所定の電流値に制限するノーマリーオン型電流制御素子をさらに備えた請求項１記載の電源装置。
3. 前記第１のインダクタの磁気飽和を防ぐ手段は、前記ゲートに印加される電圧がゼロまたは正の値のとき、前記第１のインダクタの飽和電流よりも小さい電流が流れる前記スイッチング素子または前記電流制御素子の少なくともいずれかである請求項１または２に記載の電源装置。
4. 前記第１のインダクタの磁気飽和を防ぐ手段は、前記第１のインダクタに流れる電流が前記第１のインダクタの飽和電流よりも小さくなるように前記電流制御素子のゲートに印加される電圧を制御する制御回路である、請求項２記載の電源装置。
5. 前記制御回路は、定電圧ダイオードを有する請求項４記載の電源装置。
6. 前記第１のインダクタの磁気飽和を防ぐ手段は、
   前記第１のインダクタ、または前記第１のインダクタと電磁結合したインダクタに印加される電圧の時間積分値を検出する検出回路と、
   前記検出回路の出力により制御され前記スイッチング素子または前記電流制御素子をオフする保護回路と、
   を有する請求項１または２に記載の電源装置。
7. 前記検出回路は、直列接続された抵抗と、コンデンサと、を含み、前記第１のインダクタまたは前記第２のインダクタに並列に接続された検出回路である請求項６記載の電源装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載の電源装置と、
   前記電源装置の負荷となる照明負荷と、
   を備えた照明装置。

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