JP2017174618A

JP2017174618A - 電源装置および照明装置

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Publication number: JP2017174618A
Application number: JP2016059104A
Authority: JP
Inventors: 北村　紀之; Noriyuki Kitamura; 紀之北村
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2016-03-23
Filing date: 2016-03-23
Publication date: 2017-09-28
Anticipated expiration: 2036-03-23
Also published as: JP6691663B2

Abstract

【課題】ＧａＮ−ＨＥＭＴを用いたスイッチング素子を確実かつ高速にオフさせ、スイッチング周波数の高周波化を実現する電源装置および照明装置を提供する。【解決手段】実施形態に係る電源装置は、ノーマリオン形の第１トランジスタと、制御端子を有し、前記第１トランジスタに一方の主端子で接続されたノーマリオン形の第２トランジスタと、入力レベルに応じて発光する発光素子と、前記制御端子と前記第２トランジスタの他方の主端子との間に接続され、前記発光素子からの発光量に応じた電圧を出力する受光素子と、を備える。前記受光素子は、前記制御端子に、前記他方の主端子に対して負電圧を供給する。【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。

スイッチング電源回路を用いた電源装置や照明装置では、近年ワイドバンドギャップ半導体材料を用いたスイッチングデバイスが普及し、スイッチング周波数の高周波化と高効率化とを両立させ、電力密度の向上がはかられている。ワイドバンドギャップ半導体材料の中でも、窒化ガリウム（ＧａＮ）等を用いた高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor、ＨＥＭＴ）の利用が進んでいるが、スイッチング素子をオフさせるために負電源が必要となる。

特開２０１６−５３７９号公報

実施形態は、ノーマリオン形のトランジスタを用いたスイッチング素子を確実かつ高速にオフさせ、スイッチング周波数の高周波化を実現する電源装置および照明装置を提供する。

実施形態に係る電源装置は、ノーマリオン形の第１トランジスタと、制御端子を有し、前記第１トランジスタに一方の主端子で接続されたノーマリオン形の第２トランジスタと、入力レベルに応じて発光する発光素子と、前記制御端子と前記第２トランジスタの他方の主端子との間に接続され、前記発光素子からの発光量に応じた電圧を出力する受光素子と、を備える。前記受光素子は、前記制御端子に、前記他方の主端子に対して負電圧を供給する。

本実施形態では、第１トランジスタに直列に接続された第２トランジスタによってターンオフする電流値が設定されるので、高速なターンオフが実現される。第２トランジスタのゲートソース間には、発光素子および受光素子によって負電圧が供給されるので、確実にターンオフ時の電流値が設定される。

第１の実施形態に係る電源装置および照明装置を例示するブロック図である。第２の実施形態に係る電源装置および照明装置の一部を例示するブロック図である。図３（ａ）は、第３の実施形態に係る窒化ガリウム高電子移動度トランジスタを例示する模式的な断面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の高電子移動度トランジスタおよび受光素子を含む定電流素子の等価回路図である。図３（ｃ）は、図３（ｂ）の定電流素子の模式的な断面図である。第４の実施形態に係る電源装置および照明装置の一部を例示するブロック図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、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。
なお、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を適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る電源装置および照明装置を例示するブロック図である。
図１に示すように、本実施形態の照明装置１は、電源装置１０と、照明ユニット３と、を備える。電源装置１０は、端子１１ａ〜１１ｄを含む。電源装置１０は、端子１１ａ，１１ｂを介して交流電源２に接続される。交流電源２は、たとえば商用電源であり、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの周波数で１００Ｖまたは２００Ｖの交流電力を照明装置１に供給する。

照明ユニット３は、端子１１ｃ，１１ｄを介して電源装置１０に接続されている。照明ユニット３は、発光素子４を含む。発光素子４は、複数個が直列に接続されていてもよい。発光素子４は、直列に接続されたものが並列に接続されていてもよい。発光素子４は、たとえば半導体発光ダイオード（Light Emitting Diode、以下、ＬＥＤという。）等である。照明ユニット３は、電源装置１０から出力される電流によって点灯する。照明ユニット３の光量は、電源装置１０から出力される電流値にもとづいて決定される。

照明ユニット３は、端子１１ｃ，１１ｄによって電源装置１０の出力に固定して接続されている。照明ユニット３は、図示しないが、接続用の端子を有しており、接続用の端子を介して、電源装置１０に着脱可能に接続されていてもよい。

電源装置１０は、ＡＣ−ＤＣ変換部２０と、ＤＣ−ＤＣ変換部４０と、を含む。ＡＣ−ＤＣ変換部２０は、端子１１ａ，１１ｂを介して交流電源２に接続される。ＤＣ−ＤＣ変換部４０は、ＡＣ−ＤＣ変換部２０の出力に接続されている。つまり、ＡＣ−ＤＣ変換部２０およびＤＣ−ＤＣ変換部４０は、縦続に接続されている。ＤＣ−ＤＣ変換部４０は、端子１１ｃ，１１ｄを介して照明ユニット３に接続されている。

（ＡＣ−ＤＣ変換部２０の構成および動作）
ＡＣ−ＤＣ変換部２０は、整流回路２２と、トランス２８と、定電流回路２５と、光結合回路３１と、スイッチング素子３４と、定電流素子３５と、ダイオード３６と、平滑コンデンサ３７と、を含む。トランス２８、定電流回路２５、光結合回路３１、スイッチング素子３４、定電流素子３５、ダイオード３６、および平滑コンデンサ３７は、力率改善回路ＰＦＣを構成する。力率改善回路ＰＦＣは、整流回路２２と、ＤＣ−ＤＣ変換部４０との間に接続され、電源装置１０に入力する電流波形の高調波を低減して、力率を改善する。

ＡＣ−ＤＣ変換部２０は、この例のように、交流電源２と整流回路２２との間にノイズフィルタ２１を設けてもよい。ノイズフィルタ２１は、電源装置１０で発生するノイズが交流電源２側に伝導しないようにノイズを除去する。

力率改善回路ＰＦＣの構成について説明する。
トランス２８は、主巻線と補助巻線とを含む。主巻線は、整流回路２２の高電位側出力とスイッチング素子３４の一方の主端子（ドレイン端子Ｄ）との間に接続された主インダクタ２９を構成する。補助巻線は、主巻線と同一の磁心に巻回された補助インダクタ３０を構成する。補助インダクタ３０は、スイッチング素子３４の制御端子（ゲート端子）と整流回路２２の低電位側出力との間に接続されている。補助インダクタ３０は、主インダクタ２９と磁気結合されているので、主インダクタ２９の駆動電圧に応じた電圧を出力する。

スイッチング素子３４および定電流素子３５は、直列に接続されている。スイッチング素子３４の他方の主端子（ソース端子）は、定電流素子３５の一方の主端子（ドレイン端子Ｄ）に接続されている。スイッチング素子３４のゲート端子と補助インダクタ３０との間にコンデンサ２７が接続されている。スイッチング素子３４は、コンデンサ２７を介して、補助インダクタ３０によってゲートソース間に電圧が印加され、スイッチング動作を行う。コンデンサ２７は、オフ時にスイッチング素子３４のゲートソース間に負の電圧が印加されるようにするために設けられている。

スイッチング素子３４および定電流素子３５は、いずれもノーマリオン形のトランジスタである。スイッチング素子３４および定電流素子３５は、たとえば窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor、以下、ＨＥＭＴという。）である。スイッチング素子３４および定電流素子３５は、その他のたとえばＩＩＩ−Ｖ族元素を含む化合物半導体を含むＨＥＭＴや接合型ＦＥＴであってもよい。以下では、特に断らない限り、スイッチング素子３４および定電流素子３５は、ＧａＮを含むＨＥＭＴであるものとして説明する。

スイッチング素子３４および定電流素子３５は、負のしきい値電圧を有する。つまり、スイッチング素子３４および定電流素子３５は、ゲート端子にソース端子よりも低い電圧であって、しきい値電圧を下回る負電圧を印加することによってオフする。ノーマリオン形のトランジスタでは、ゲートソース間の電圧は、しきい値電圧よりも高い負電圧の値にしたがって出力できる電流が決定される。

なお、スイッチング素子３４および定電流素子３５は、ノーマリオン形のトランジスタのため、ゲートソース間に正の電圧が印加されないように、図示しないが、ダイオードクランプ回路等の保護回路が設けられる。

定電流素子３５の他方の主端子（ソース端子）は、整流回路２２の低電位側出力、つまり、接地１２に接続されている。定電流素子３５のゲート端子には、バイアス回路Ｂ１が接続されている。

バイアス回路Ｂ１は、定電流回路２５と、光結合回路３１と、を含む。光結合回路３１は、発光素子３２と、受光素子３３と、を含む。定電流回路２５は、整流回路２２の高電位側と、発光素子３２との間に接続されている。定電流回路２５は、整流回路２２の直流出力側に現れる脈流電圧ＶＲＥが印加される。定電流回路２５は、脈流電圧ＶＲＥからあらかじめ設定された電流を出力して発光素子３２に供給する。発光素子３２は、定電流回路２５から出力される電流に応じて発光する。定電流回路２５には、たとえば定電流ダイオードや接合型ＦＥＴ等が用いられる。

発光素子３２には、定電流回路２５の出力とともに、電圧検出回路２４の出力に接続されたバイパス回路２６に接続されている。発光素子３２は、たとえば、ＩＩＩ−Ｖ族元素を含む化合物半導体を含む発光ダイオードである。発光素子３２は、定電流回路２５が出力する電流に応じて、所定の波長の光を発光する。

電圧検出回路２４は、たとえばこの例のように抵抗器２４ａ，２４ｂを用いた分圧回路である。電圧検出回路２４は、整流回路２２から出力される脈流電圧ＶＲＥに比例した電圧を出力する。分圧出力は、抵抗器２４ａ，２４ｂが接続されたノードＮ０から出力される。

このノードＮ０と、定電流回路２５の出力端子との間にバイパス回路２６が接続されている。バイパス回路２６は、この例では、エミッタフォロワ回路である。エミッタフォロワ回路は、トランジスタ２６ａと抵抗器２６ｂとを含む。抵抗器２６ｂは、トランジスタ２６ａのエミッタ端子に接続されている。トランジスタ２６ａのベース端子は、ノードＮ０に接続され、コレクタ端子は、定電流回路２５の出力に接続されている。

脈流電圧ＶＲＥが相対的に低いときには、発光素子３２に供給する電流は相対的に小さくなり、脈流電圧ＶＲＥが相対的に高いときには、発光素子３２に供給する電流は相対的に大きくなる。

光結合回路３１の受光素子３３は、発光素子３２が発する光を受光して受光した光量に応じた電流を出力する。上述したように、受光素子３３は、発光素子３２と光結合されており、発光素子３２は、脈流電圧ＶＲＥに応じて入力電流が変化する。したがって、受光素子３３は、脈流電圧ＶＲＥに応じて変化する電圧を出力する。

受光素子３３は、定電流素子３５のゲートソース間に接続されている。受光素子３３は、定電流素子３５のゲート端子が、ソース端子に対して負電圧になるように接続されている。受光素子３３は、たとえばシリコンフォトダイオードである。受光素子３３は、シリコンＰＩＮダイオードやアバランシェフォトダイオード等の他の光電変換素子であってもよい。受光素子３３がシリコンフォトダイオードの場合には、アノード電極は定電流素子３５のソース端子に接続され、カソード電極は定電流素子３５のゲート端子に接続される。受光時に発生する電圧および定電流素子３５のしきい値電圧の大きさに応じて、シリコンフォトダイオードは、複数個直列に接続された上で、定電流素子３５のゲートソース間に接続される。

ダイオード３６は、主インダクタ２９と平滑コンデンサ３７の高電位側端子との間に直列に接続されている。平滑コンデンサ３７の低電位側端子は、整流回路２２の低電位側端子に接続されている。平滑コンデンサ３７の両端には、整流回路２２から出力された脈流が昇圧された直流電圧が出力される。

ＡＣ−ＤＣ変換部２０は、整流回路２２から出力される脈流電圧ＶＲＥを昇圧して直流電圧を出力する。ＡＣ−ＤＣ変換部２０の力率改善回路ＰＦＣは、脈流電圧ＶＲＥの電圧値に応じた電流値となるように電流制御を行う。

スイッチング素子３４は、定電流素子３５によって設定された電流で主インダクタ２９を駆動する。定電流素子３５は、光結合回路３１が出力する電圧がゲートソース間に印加され、電流値が設定される。光結合回路３１が出力する電圧は、バイパス回路２６を介して接続されている電圧検出回路２４の出力電圧に応じて設定される。

以下、より具体的に説明する。
スイッチング素子３４は、主インダクタ２９に磁気結合された補助インダクタ３０によって駆動される。スイッチング素子３４は、補助インダクタ３０によって駆動され、主インダクタ２９に流れる電流を断続する。

定電流素子３５は、スイッチング素子３４をターンオフさせる電流値を定電流値として設定する。上述したように、定電流素子３５の定電流値は、ゲートソース間に印加されるしきい値電圧以上の負電圧によって設定される。

定電流素子３５に流れる電流が設定された定電流値に達すると、定電流素子３５のドレインソース間電圧が急速に上昇する。そのため、スイッチング素子３４のゲートソース間に絶対値の大きい負電圧が印加され、この負電圧がしきい値電圧を下回ることによって、スイッチング素子３４は、ターンオフする。

電圧検出回路２４およびバイパス回路２６は、次のようにして、脈流電圧ＶＲＥの大きさに応じて、定電流素子３５のゲートソース間に印加する電圧を設定する。

バイパス回路２６のトランジスタ２６ａのベース電圧は、ノードＮ０の電圧に応じて変化する。したがって、抵抗器２６ｂの両端の電圧もノードＮ０の電圧に応じて変化する。

脈流電圧ＶＲＥが相対的に低く、トランジスタ２６ａのベース電圧が相対的に低いときには、抵抗器２６ｂの両端の電圧は相対的に低くなる。トランジスタ２６ａのコレクタに流れる電流は相対的に小さくなる。トランジスタ２６ａによってバイパスされる定電流回路２５の出力電流は相対的に小さい。そのため、発光素子３２の発光量は大きくなり、受光素子３３が発生する電圧の絶対値も高くなる。したがって、定電流素子３５のゲートソース間に印加される負電圧は、より低い値となるため、設定される定電流値は相対的に小さくなる。

脈流電圧ＶＲＥが相対的に高く、トランジスタ２６ａのベース電圧が相対的に高いときには、抵抗器２６ｂの両端の電圧は相対的に高くなる。トランジスタ２６ａのコレクタに流れる電流は相対的に大きくなる。トランジスタ２６ａによってバイパスされる定電流回路２５の出力電流は相対的に大きい。そのため、発光素子３２の発光量は小さくなり、受光素子３３が発生する電圧の絶対値は低くなる。したがって、定電流素子３５のゲートソース間に印加される負電圧は、より高い値となるため、設定される定電流値は相対的に大きくなる。

定電流素子３５は、受光素子３３によって設定された定電流値に達すると、ドレインソース間電圧が急速に上昇する。したがって、スイッチング素子３４のソース端子の電位は、ゲート端子の電位に対して急速に上昇して、スイッチング素子３４のしきい値電圧を下回る電圧に達すると、スイッチング素子３４はすみやかにターンオフする。

以上のようにして、ＡＣ−ＤＣ変換部２０では、脈流電圧ＶＲＥが相対的に低いときには、スイッチング素子３４がターンオフする電流値が相対的に小さく、脈流電圧ＶＲＥが相対的に高いときには、スイッチング素子３４がターンオフする電流値が相対的に大きい。そのため、脈流電圧ＶＲＥに応じた電流が電源装置１０に入力されるので、入力電流波形の高調波成分が低減され、力率が改善される。

（ＤＣ−ＤＣ変換部４０の構成および動作）
ＤＣ−ＤＣ変換部４０は、スイッチング素子４１と、定電流素子４２と、整流素子４３と、ダイオード４４と、定電流回路４５と、光結合回路４６とトランス４９と、出力コンデンサ５３と、抵抗器５４と、電流制御回路５５と、を含む。

スイッチング素子４１、定電流素子４２、整流素子４３、およびダイオード４４は、高電位側から低電位側にこの順で直列に接続されている。この直列接続体は、ＡＣ−ＤＣ変換部２０の平滑コンデンサ３７に並列に接続されている。定電流素子４２および整流素子４３が接続されたノードＮ１には、トランス４９の主巻線からなる主インダクタ５０の一端が接続されている。主インダクタ５０の他端は、出力コンデンサ５３の一端に接続されており、高電位側の直流の端子１１ｃに接続されている。出力コンデンサ５３の他端には、抵抗器５４を介して低電位側の直流の端子１１ｄが接続されている。

スイッチング素子４１、定電流素子４２および整流素子４３は、いずれもノーマリオン形のトランジスタである。スイッチング素子４１、定電流素子４２および整流素子４３は、たとえばＧａＮを含むＨＥＭＴである。スイッチング素子４１、定電流素子４２および整流素子４３は、その他のたとえばＩＩＩ−Ｖ族元素を含む化合物半導体を含むＨＥＭＴや接合型ＦＥＴ等であってもよい。以下では、特に断らない限り、スイッチング素子４１、定電流素子４２および整流素子４３は、ＧａＮを含むＨＥＭＴであるものとして説明する。

スイッチング素子４１のゲート端子は、コンデンサ５２を介して補助インダクタ５１の一端に接続されている。補助インダクタ５１の他端は、ノードＮ１に接続されている。補助インダクタ５１は、トランス４９の補助巻線からなり、補助インダクタ５１は、主インダクタ５０と磁気結合されている。補助インダクタ５１は、主インダクタ５０の駆動電圧に応じた電圧を出力する。

整流素子４３は、ダイオード４４に直列に接続され、ゲート端子は接地１２に接続されている。整流素子４３は、スイッチング素子４１および定電流素子４２がオンしている期間では、ゲートソース間にしきい値電圧を下回る負電圧が印加されるので、オフしている。整流素子４３は、スイッチング素子４１および定電流素子４２がオフしている期間では、ソースゲート間に整流素子４３のしきい値よりも高いダイオード４４の順方向電圧が印加されるので、オンする。つまり、整流素子４３は同期整流動作する。

定電流素子４２のゲート端子には、バイアス回路Ｂ２が接続されている。バイアス回路Ｂ２は、定電流素子４２のゲート端子にソース端子に対して負の電圧を印加する。

バイアス回路Ｂ２は、ＡＣ−ＤＣ変換部２０のバイアス回路Ｂ１と同一の構成を有する。バイアス回路Ｂ２は、定電流回路４５と、光結合回路４６と、を含む。光結合回路４６は、発光素子４７と、受光素子４８と、を含む。この例では、定電流回路４５は、整流素子４３およびダイオード４４が接続されたノードＮ２に接続されている。定電流回路４５は、スイッチング素子４１および定電流素子４２のオン期間には、整流素子４３のドレインソース間の漏れ電流によって電力が供給される。なお、定電流回路４５は、平滑コンデンサ３７の高電位側端子に接続するようにしてもよい。

発光素子４７には、定電流回路４５の出力とともに、電流制御回路５５の出力が接続されている。電流制御回路５５は、オペアンプ５６と、基準電源回路５７と、ダイオード５８と含んでいる。オペアンプ５６の一方の入力、この例では非反転入力には、抵抗器５４の両端の電圧が印加され、他方の入力、この例では反転入力には、基準電源回路５７の出力が接続されている。抵抗器５４は、端子１１ｃ，１１ｄ間に接続された照明ユニット３に流れる電流の電圧換算値を出力する。つまり、オペアンプ５６は、基準電源回路５７が出力する基準電圧Ｖｒｅｆに対する出力電流の電圧換算値である検出電圧Ｖｓの誤差を増幅して出力する。ダイオード５８は、オペアンプ５６から出力される電流が発光素子４７に流入するのを防止する。

光結合回路４６の受光素子４８は、発光素子４７が発する光を受光して、受光した光量に応じた電圧を出力する。受光素子４８に流れる電流は、電流制御回路５５によってバイパスされる。バイパスされる電流は、抵抗器５４によって検出される検出電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｒｅｆよりも大きいときには、小さくなる。したがって、発光素子４７の発光量は増大し、受光素子４８によって定電流素子４２のソースゲート間に印加される負電圧の絶対値は高くなる。そのため、定電流素子４２が設定する定電流値は、より小さい値となるので、スイッチング素子４１は、より小さな電流でターンオフする。

バイパスされる電流は、検出電圧Ｖｓが基準電圧よりも小さいときには、より大きな値となる。したがって、発光素子４７の発光量は減少し、定電流素子４２のソースゲート間に印加される負電圧の絶対値は低くなり、定電流素子４２が設定する定電流値はより大きな値となる。そのため、スイッチング素子４１は、より大きな電流値でターンオフすることとなる。

このようにして、ＤＣ−ＤＣ変換部４０では、照明ユニット３に流れる電流を、電流制御回路５５の基準電圧Ｖｒｅｆに応じて定電流制御を行う。

本実施形態の電源装置および照明装置の作用および効果について説明する。
本実施形態の電源装置１０では、ノーマリオン形のトランジスタであるスイッチング素子３４，４１を定電流素子３５，４２にそれぞれ直列に接続してスイッチング動作をさせている。定電流素子３５，４２において定電流値を設定することによって、流れる電流が定電流値に達したときに、スイッチング素子３４，４１のゲートソース間には、安定してしきい値電圧を下回る負電圧を印加することができる。そのため、ターンオフを高速化し、スイッチング周波数の高周波化を実現することができる。

光結合回路３１，４６は、商用周波数に応じた脈流電圧ＶＲＥの周波数や、照明ユニット３に供給する出力電流の変動に対して応答することができればよい。換言すれば、光結合回路３１，４６の周波数特性や応答速度は、スイッチング周波数に比べて十分に遅くてもかまわない。光結合回路３１，４６の周波数特性や応答速度は、スイッチング周波数の高周波化とは直接的に無関係に設定することができる。

本実施形態の電源装置１０では、光結合回路３１，４６の受光素子３３，４８によって負電圧を生成することができるので、負電圧生成用の回路を別途設ける必要がなく、安定して定電流素子３５，４２の電流値を設定することができる。

電源投入時等の過渡状態においても、光結合回路３１，４６は、安定して負電圧を生成することができるので、スイッチング素子３４，４１および定電流素子３５，４２に過大な電流が流れることを防止することができる。

光結合回路３１，４６は、発光素子３２，４７への入力電流を調整することによって、受光素子３３，４８が生成する負電圧の大きさを制御することができる。そのため、電源装置１０では、制御回路を別段設けることなく、簡素な電源回路を構成することができる。

光結合回路３１，４６は、発光側と受光側とにおいて、電気的に絶縁されているので、制御のための信号を、大振幅のスイッチング等によるノイズ環境から容易に分離することができる。そのため、安定した制御動作をする電源回路を容易に構築することができる。

（第２の実施形態）
上述の実施形態においては、制御対象の電圧や電流の検出信号を発光素子の駆動電流に重畳することによって安定化制御を行うが、発光ダイオード等を負荷とする照明装置においては、照明用の発光素子と、制御信号伝達用の発光素子とを共有することができる。
図２は、本実施形態に係る電源装置および照明装置の一部であるＤＣ−ＤＣ変換部を例示するブロック図である。
図２に示すように、照明装置１０１は、電源装置１１０と、照明ユニット３と、を備える。電源装置１１０は、ＤＣ−ＤＣ変換部１４０を含む。電源装置１１０は、第１の実施形態の電源装置１０の場合と同一のＡＣ−ＤＣ変換部２０を備えることができる。

ＤＣ−ＤＣ変換部１４０は、光結合回路１４６を含む。光結合回路１４６は、発光素子１４７と受光素子１４８とを含む。発光素子１４７は、直流の低電位側の端子１１１ｄと接地１２との間に直列に接続されている。照明ユニット３は端子１１１ｃ，１１１ｄ間に接続されているので、発光素子１４７は、照明ユニット３と直列に接続されている。

受光素子１４８は、定電流素子４２のゲートソース間に負電圧を印加するように接続されている。発光素子１４７と受光素子１４８とは、光結合されている。

光結合回路１４６の発光素子１４７は、照明ユニット３に直列に接続され、受光素子１４８と光結合されているので、照明ユニット３の光量に応じた光量で発光し、受光素子１４８は、発光素子１４７の発光光に応じた電圧を出力する。

電源装置１１０の出力電流は、発光素子１４７と受光素子１４８との結合効率、受光素子１４８が生成するゲートソース間電圧における定電流素子４２の伝達特性等に応じて決定される。この出力電流の設定値よりも大きい電流が流れる場合には、発光素子１４７の発光量が増大し、そのため受光素子１４８が生成する電圧が大きくなる。したがって、定電流素子４２に設定される定電流値は、相対的に小さくなる。設定された出力電流よりも小さい電流が流れる場合には、発光素子１４７の発光量が減少し、受光素子１４８が生成する電圧が低くなる。したがって、定電流素子４２に設定される定電流値は、相対的に大きくなる。このようにして、電源装置１１０は、出力電流を定電流化する。

上述では、照明ユニット３に直列に接続された発光素子１４７を用いたが、照明ユニット３の発光素子４に光結合されたライトガイド等により、発光光を受光素子１４８に光結合させるようにしてもよい。発光素子４と、受光素子１４８との間に光アッテネータ等を挿入することによって、出力電流を微細に調整することもできる。

本実施形態の電源装置１１０および照明装置１０１の作用および効果について説明する。
本実施形態の電源装置１１０および照明装置１０１では、電源装置１１０の負荷となる照明ユニット３の一部を発光素子として用いることができるので、部品数が削減されるとともに、制御回路を特段設けることなく、照明ユニットの定電流駆動を可能にする。

（第３の実施形態）
スイッチング素子および定電流素子は、ＧａＮを含むＨＥＭＴであり、発光素子もＧａＮを含む発光ダイオードとすることができる。スイッチング素子または定電流素子に発光素子を集積化することができる。
図３（ａ）は、本実施形態に係るＧａＮを含むＨＥＭＴを例示する模式的な断面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＨＭＥＴおよび受光素子を含む定電流素子の等価回路図である。図３（ｃ）は、図３（ｂ）の定電流素子の模式的な断面図である。
図３（ａ）に示すように、ＧａＮを含むＨＥＭＴ２００は、基板２０１と、非ドープのＧａＮ層２０２と、２次元電子ガス２０３と、ｎ形層２０４と、ソース電極２０５と、ゲート電極２０６と、ドレイン電極２０７と、を備える。

基板２０１は、ＧａＮ層等の上部構造を支持する。基板２０１は、たとえばサファイアやシリコン等である。

非ドープのＧａＮ層２０２は、基板２０１上に形成されている。ｎ形層２０４は、ＧａＮ層２０２上に形成されている。ｎ形層２０４は、ＧａＮを含む層であり、たとえばＡｌＧａＮを含む。２次元電子ガス２０３は、非ドープのＧａＮ層２０２とｎ形層２０４との界面に形成される。

ソース電極２０５、ゲート電極２０６およびドレイン電極２０７は、ｎ形層２０４上の適切な位置および形状で設けられている。この例では、ゲート電極２０６は、ｐ形にドープされている。ゲート電極２０６に代えてあるいはゲート電極とともに、ドレイン電極２０７をｐ形にドープしてもよい。

ｐ形であるゲート電極２０６とｎ形層２０４との間に電圧が印加された場合には、正孔および電子が生成され、再結合することによって発光する。なお、ＨＥＭＴ２００のドレインソース間に流れる電流は、２次元電子ガス２０３の層を流れるので、上述の発光領域にはなんら影響されず、また発光領域に影響を与えない。

上述のＨＥＭＴ２００を受光素子と一体的に形成することによって集積化された定電流素子３００を得ることができる。
図３（ｂ）に示すように、定電流素子３００は、ＨＥＭＴ２００と、受光素子２１４と、を備える。ＨＥＭＴ２００は、上述したように、ｐ形領域を含んでおり、ｐ形領域によって形成された発光素子２１２を含む。

定電流素子３００は、ソース端子２１５と、ゲート端子２１６と、ドレイン端子２１７と、を含む。ソース端子２１５は、ソース電極２０５に電気的に接続されており、ゲート端子２１６は、ゲート電極２０６に電気的に接続されており、ドレイン端子２１７は、ドレイン電極２０７に電気的に接続されている。そして、ソース端子２１５は、受光素子２１４のアノードに電気的に接続され、ゲート端子２１６は、受光素子のカソードに電気的に接続されている。

図３（ｃ）に示すように、ＧａＮを含むＨＥＭＴ２００およびシリコンを含む受光素子２１４は、異なる半導体チップで形成されており、それぞれ共通のリードフレーム３１０上にダイボンディングされている。リードフレーム３１０は、側方断面視で、同一面が向き合うように屈曲されている。たとえばリードフレーム３１０は、コの字状（またはＣ字状）に屈曲されている。ＨＥＭＴ２００のチップおよび受光素子２１４のチップは、屈曲されたリードフレーム３１０の同一面で、互いのチップの表面が向かい合う位置にダイボンディングされている。

屈曲されたリードフレームの周囲ならびにＨＥＭＴ２００および受光素子２１４のチップの周囲を含むリードフレーム３１０の対向空間は、絶縁材料からなる樹脂により覆われている。

ソース端子２１５、ゲート端子２１６およびドレイン端子２１７は、それぞれボンディングワイヤ等を用いて、それぞれ外部電極に電気的に接続されている。

本実施形態の定電流素子３００は、たとえばＨＥＭＴ２００のドレインソース間に電圧が印加されると、ｐ形領域を含むゲート電極２０６と、ｎ形層２０４との間にポテンシャルの差が生じる。そのためゲート電極２０６とｎ形層２０４との間で正孔および電子が生成される。これらの正孔および電子が再結合することによって発光する。

ＨＥＭＴ２００の発光面および受光素子２１４の受光面は、対向する位置に設けられているので、受光素子２１４は、ＨＥＭＴ２００の発光光を効率よく受光することができる。

上述では、定電流素子であるＨＥＭＴに発光素子を集積化する場合について述べたが、スイッチング素子や整流素子であるＨＥＭＴに発光素子を集積化してももちろんよい。その場合、上述の例と同様に、発光素子を含むＨＥＭＴと受光素子を光学的に結合させることによって光結合回路を形成することができる。なお、その場合には、ＨＥＭＴと受光素子とは、電気的には接続されない。

本実施形態の定電流素子３００の作用および効果について説明する。
上述したように、本実施形態の定電流素子３００では、ＨＥＭＴ２００に発光素子２１２が集積化され、かつ受光素子２１４も集積化されているので、部品数を削減することができ、さらなる小型化、高電力密度化をはかることができる。

（第４の実施形態）
第３の実施形態の場合の定電流素子をＤＣ−ＤＣ変換部に用いることができる。
図４は、本実施形態の電源装置および照明装置の一部であるＤＣ−ＤＣ変換部を例示するブロック図である。
図４に示すように、本実施形態の照明装置４０１は、電源装置４１０と照明ユニット４０３とを備える。電源装置４１０は、ＤＣ−ＤＣ変換部４４０を含む。照明ユニット４０３は、複数の発光素子４０４ａ〜４０４ｃを含む。複数の発光素子４０４ａ〜４０４ｃは、直列に接続されている。電源装置４１０の直流出力端４１１ｃ，４１１ｄ間に照明ユニット４０３が接続される。直列に接続された発光素子４０４ａ〜４０４ｃのうちもっとも電位の低い位置に接続されている発光素子４０４ｃのアノードには、電源装置４１０の制御端子４１１ｅが接続されている。

ＤＣ−ＤＣ変換部４４０は、定電流素子４００を含む。定電流素子４００は、第３の実施形態において説明したＨＥＭＴ４４２ａ、発光素子４４２ｂおよび受光素子４４９が一体化されている。受光素子４４９は、発光素子４４２ｂと光結合されるとともに、発光素子４４８とも光結合されている。

発光素子４４８のアノードは、制御端子４１１ｅを介して、照明ユニット４０３の発光素子４０４ｃのアノードに接続されている。発光素子４４８のカソードは、抵抗器４１４を介して接地１２に接続されている。抵抗器４１３は、低電位側の直流出力端４１１ｄと接地１２との間に接続されている。つまり、抵抗器４１３は、照明ユニット４０３に直列に接続され、抵抗器４１４は、発光素子４４８に直列に接続されている。抵抗器４１４および発光素子４４８の直列接続体は、抵抗器４１３および発光素子４０４ｃの直列接続体と並列に接続されている。たとえば、抵抗器４１４は、抵抗器４１３よりも大きい抵抗値を有する。そのため、発光素子４４８には、照明ユニット４０３の発光素子４０４ｃよりも小さい電流で、発光素子４０４ｃに流れる電流にほぼ比例する電流が流れる。

本実施形態の電源装置４１０では、照明ユニット４０３に流れる電流に比例する電流を発光素子４４８に流すことによって、定電流素子４００の受光素子４４９の受光量を制御する。出力電流が大きく受光量が大きいときには、受光素子４４９の出力電圧を高くして、定電流素子４００の定電流値を小さくする。出力電流が小さく受光量が小さいときには、受光素子４４９の出力電圧を低くして定電流素子４００の定電流値を大きくする。

定電流素子４００に集積化された発光素子４４２ｂは、ＨＥＭＴ４４２ａのドレインソース間に電圧が印加されることによって発光する。そのため、電圧印加状態においては、常時受光素子４４９は、ＨＥＭＴ４４２ａのゲートソース間に負電圧を印加している。そのため、起動時や、負荷短絡等の際に、帰還信号がない場合においても、確実に定電流値を設定し、スイッチング素子４１および定電流素子４００に過大な電流が流れることを防止する。したがって、より安全な電源装置および照明装置を実現することが可能になる。

なお、照明ユニットに流れる電流に応じた光量を発光する発光素子４４８については、第２の実施形態の場合と同様に、照明ユニット中の発光素子をそのまま用いてももちろんよい。また、発光素子４４８に代えて、照明ユニット中の発光をライトガイド等を用いて受光素子に照射するようにしてももちろんよい。

以上説明した実施形態によれば、ノーマリオン形のトランジスタを用いたスイッチング素子を確実かつ高速にオフさせ、スイッチング周波数の高周波化を実現する電源装置および照明装置を実現することができる。

以上、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、その他のさまざま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およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１照明装置、２交流電源、３照明ユニット、４発光素子、１０電源装置、１２接地、２０ＡＣ−ＤＣ変換部、２１フィルタ、２２整流回路、２３入力コンデンサ、２４電圧検出回路、２５定電流回路、２６バイパス回路、２７コンデンサ、２８トランス、２９主インダクタ、３０補助インダクタ、３１光結合回路、３２発光素子、３３受光素子、３４スイッチング素子、３５定電流素子、３６ダイオード、３７平滑コンデンサ、４０ＤＣ−ＤＣ変換部、４１スイッチング素子、４２定電流素子、４３整流素子、４４ダイオード、４５定電流回路、４６光結合回路、４７発光素子、４８受光素子、４９トランス、５０主インダクタ、５１補助インダクタ、５２コンデンサ、５３出力コンデンサ、５４抵抗器、５５電流制御回路、５６オペアンプ、５７基準電源回路、５８ダイオード、１１０電源装置、１４０ＤＣ−ＤＣ変換部、１４６光結合回路、１４７発光素子、１４８受光素子、２００ＨＥＭＴ、２０１基板、２０２ＧａＮ層、２０３２次元電子ガス、２０４ｎ形層、２０５ソース電極、２０６ゲート電極、２０７ドレイン電極、２１２発光素子、２１４受光素子、２１５ソース端子、２１６ゲート端子、２１７ドレイン端子、３００定電流素子、３１０リードフレーム、３２０樹脂、４００定電流素子、４０１照明装置、４１０電源装置、４０３照明ユニット、４０４ａ〜４０４ｃ発光素子、４１３，４１４抵抗器、４４８発光素子、４４９受光素子

Claims

ノーマリオン形の第１トランジスタと、
制御端子を有し、前記第１トランジスタに一方の主端子で接続されたノーマリオン形の第２トランジスタと、
入力レベルに応じて発光する発光素子と、
前記制御端子と前記第２トランジスタの他方の主端子との間に接続され、前記発光素子からの発光量に応じた電圧を出力する受光素子と、
を備え、
前記受光素子は、前記制御端子に、前記他方の主端子に対して負電圧を供給する電源装置。
前記第２トランジスタは、前記負電圧によって前記第１トランジスタに流れる電流値を設定する請求項１記載の電源装置。
前記発光素子の入力レベルによって前記負電圧の値を制御する制御回路をさらに備えた請求項１または２に記載の電源装置。
交流電圧を脈流電圧に変換する整流回路と、
前記制御回路は、前記脈流電圧に応じて前記入力レベルを変化させる請求項３記載の電源装置。
前記制御回路は、出力電流を検出して制御信号を生成し、前記制御信号に応じて前記入力レベルを変化させる請求項３記載の電源装置。
前記第２トランジスタは、ＧａＮを含むｎ形層を有し、
前記受光素子は、前記第２トランジスタのｎ形層上にｐ形領域を設けたことによって形成された発光領域を含む請求項１〜５のいずれか１つに記載の電源回路。
請求項１〜６のいずれか１つに記載された電源装置と、
前記電源装置から電力供給されて点灯する照明負荷と、
を備えた照明装置。
前記照明負荷は、前記発光素子を含む請求項７記載の照明装置。