JP6691663B2 - Power supply and lighting equipment - Google Patents

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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。   Embodiments of the present invention relate to a power supply device and a lighting device.

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。   In power supply devices and lighting devices that use switching power supply circuits, switching devices that use wide bandgap semiconductor materials have become widespread in recent years, and both high switching frequencies and high efficiency can be achieved at the same time to improve power density. ing. Among wide band gap semiconductor materials, high electron mobility transistors (HEMTs) using gallium nitride (GaN) and the like are being used, but a negative power supply is required to turn off switching elements. Become.

特開２０１６−５３７９号公報JP, 2016-5379, A

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。   The embodiments provide a power supply device and a lighting device that reliably and rapidly turn off a switching element using a normally-on type transistor to realize a high switching frequency.

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、前記発光素子の入力レベルによって、前記受光素子から前記制御端子に供給される、前記他方の主端子に対する負電圧の値を制御する制御回路と、交流電圧を脈流電圧に変換する整流回路と、を備える。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。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。
A power supply device according to an embodiment has a normally-on type first transistor, a control terminal, and a normally-on type second transistor connected to the first transistor at one main terminal, and an input level according to an input level. A light emitting element that emits light, a light receiving element that is connected between the control terminal and the other main terminal of the second transistor, and outputs a voltage according to the amount of light emitted from the light emitting element, and an input level of the light emitting element. The control circuit controls the value of the negative voltage with respect to the other main terminal supplied from the light receiving element to the control terminal, and the rectifier circuit that converts an AC voltage into a pulsating voltage . Before Stories second transistor sets the value of current flowing in said first transistor by said negative voltage. The control circuit changes the input level according to the pulsating voltage.

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。   In this embodiment, the second transistor connected in series with the first transistor sets the current value for turning off, so that high-speed turn-off is realized. Since a negative voltage is supplied between the gate and the source of the second transistor by the light emitting element and the light receiving element, the current value at the time of turn-off is reliably set.

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。FIG. 3 is a block diagram illustrating a power supply device and a lighting device according to the first embodiment. 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。It is a block diagram which illustrates a part of power supply unit and a lighting installation concerning a 2nd embodiment. 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。FIG. 3A is a schematic cross-sectional view illustrating the gallium nitride high electron mobility transistor according to the third embodiment. FIG. 3B is an equivalent circuit diagram of the constant current element including the high electron mobility transistor and the light receiving element of FIG. FIG. 3C is a schematic sectional view of the constant current element of FIG. 3B. 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。It is a block diagram which illustrates a part of power supply device and a lighting installation concerning a 4th embodiment.

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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
It should be noted that the drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each portion, the size ratio between the portions, and the like are not always the same as the actual ones. Even when the same portion is shown, the dimensions and ratios may be different depending on the drawings.
In the specification and the drawings of the application, components similar to those described in regard to a drawing thereinabove are marked with like reference numerals, and a detailed description is omitted as appropriate.

（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。 (First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram illustrating a power supply device and a lighting device according to the present embodiment.
As shown in FIG. 1, the lighting device 1 of the present embodiment includes a power supply device 10 and a lighting unit 3. The power supply device 10 includes terminals 11a to 11d. The power supply device 10 is connected to the AC power supply 2 via the terminals 11a and 11b. The AC power supply 2 is, for example, a commercial power supply, and supplies the lighting device 1 with AC power of 100 V or 200 V at a frequency of 50 Hz or 60 Hz.

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。   The lighting unit 3 is connected to the power supply device 10 via terminals 11c and 11d. The lighting unit 3 includes a light emitting element 4. A plurality of light emitting elements 4 may be connected in series. The light emitting elements 4 connected in series may be connected in parallel. The light emitting element 4 is, for example, a semiconductor light emitting diode (Light Emitting Diode, hereinafter referred to as LED) or the like. The lighting unit 3 is turned on by the current output from the power supply device 10. The light amount of the lighting unit 3 is determined based on the current value output from the power supply device 10.

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。   The lighting unit 3 is fixedly connected to the output of the power supply device 10 by the terminals 11c and 11d. Although not shown, the lighting unit 3 has a terminal for connection, and may be detachably connected to the power supply device 10 via the terminal for connection.

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。   The power supply device 10 includes an AC-DC conversion unit 20 and a DC-DC conversion unit 40. The AC-DC converter 20 is connected to the AC power supply 2 via the terminals 11a and 11b. The DC-DC converter 40 is connected to the output of the AC-DC converter 20. That is, the AC-DC converter 20 and the DC-DC converter 40 are connected in cascade. The DC-DC converter 40 is connected to the lighting unit 3 via the terminals 11c and 11d.

（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。 (Configuration and Operation of AC-DC Converter 20)
The AC-DC converter 20 includes a rectifier circuit 22, a transformer 28, a constant current circuit 25, an optical coupling circuit 31, a switching element 34, a constant current element 35, a diode 36, and a smoothing capacitor 37. Including. The transformer 28, the constant current circuit 25, the optical coupling circuit 31, the switching element 34, the constant current element 35, the diode 36, and the smoothing capacitor 37 form a power factor correction circuit PFC. The power factor correction circuit PFC is connected between the rectifier circuit 22 and the DC-DC conversion unit 40, reduces harmonics of the current waveform input to the power supply device 10, and improves the power factor.

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。   The AC-DC converter 20 may be provided with a noise filter 21 between the AC power supply 2 and the rectifier circuit 22 as in this example. The noise filter 21 removes noise generated in the power supply device 10 so as not to be conducted to the AC power supply 2 side.

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。 The configuration of the power factor correction circuit PFC will be described.
The transformer 28 includes a main winding and an auxiliary winding. The main winding constitutes a main inductor 29 connected between the high potential side output of the rectifier circuit 22 and one main terminal (drain terminal D) of the switching element 34. The auxiliary winding constitutes the auxiliary inductor 30 wound around the same magnetic core as the main winding. The auxiliary inductor 30 is connected between the control terminal (gate terminal) of the switching element 34 and the low potential side output of the rectifier circuit 22. Since the auxiliary inductor 30 is magnetically coupled to the main inductor 29, it outputs a voltage according to the drive voltage of the main inductor 29.

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。   The switching element 34 and the constant current element 35 are connected in series. The other main terminal (source terminal) of the switching element 34 is connected to one main terminal (drain terminal D) of the constant current element 35. The capacitor 27 is connected between the gate terminal of the switching element 34 and the auxiliary inductor 30. A voltage is applied between the gate and the source of the switching element 34 by the auxiliary inductor 30 via the capacitor 27 to perform the switching operation. The capacitor 27 is provided so that a negative voltage is applied between the gate and source of the switching element 34 when it is off.

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。   The switching element 34 and the constant current element 35 are both normally-on type transistors. The switching element 34 and the constant current element 35 are high electron mobility transistors (hereinafter, referred to as HEMTs) including, for example, gallium nitride (GaN). The switching element 34 and the constant current element 35 may be HEMTs or junction type FETs containing a compound semiconductor containing, for example, a III-V group element. Hereinafter, unless otherwise specified, the switching element 34 and the constant current element 35 will be described as being HEMTs containing GaN.

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。   Switching element 34 and constant current element 35 have a negative threshold voltage. That is, the switching element 34 and the constant current element 35 are turned off by applying a negative voltage lower than the source terminal and lower than the threshold voltage to the gate terminal. In the normally-on type transistor, the voltage between the gate and the source determines the current that can be output according to the value of the negative voltage higher than the threshold voltage.

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。   Since the switching element 34 and the constant current element 35 are normally-on type transistors, a protection circuit such as a diode clamp circuit (not shown) is provided so that a positive voltage is not applied between the gate and the source.

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。   The other main terminal (source terminal) of the constant current element 35 is connected to the low potential side output of the rectifier circuit 22, that is, the ground 12. The bias circuit B1 is connected to the gate terminal of the constant current element 35.

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。   The bias circuit B1 includes a constant current circuit 25 and an optical coupling circuit 31. The optical coupling circuit 31 includes a light emitting element 32 and a light receiving element 33. The constant current circuit 25 is connected between the high potential side of the rectifier circuit 22 and the light emitting element 32. The pulsating current voltage VRE that appears on the DC output side of the rectifier circuit 22 is applied to the constant current circuit 25. The constant current circuit 25 outputs a preset current from the pulsating current voltage VRE and supplies it to the light emitting element 32. The light emitting element 32 emits light according to the current output from the constant current circuit 25. For the constant current circuit 25, for example, a constant current diode or a junction type FET is used.

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。   The light emitting element 32 is connected to the output of the constant current circuit 25 and the bypass circuit 26 connected to the output of the voltage detection circuit 24. The light emitting element 32 is, for example, a light emitting diode including a compound semiconductor containing a III-V group element. The light emitting element 32 emits light having a predetermined wavelength according to the current output by the constant current circuit 25.

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。   The voltage detection circuit 24 is, for example, a voltage dividing circuit using resistors 24a and 24b as in this example. The voltage detection circuit 24 outputs a voltage proportional to the pulsating current voltage VRE output from the rectifier circuit 22. The voltage division output is output from the node N0 to which the resistors 24a and 24b are connected.

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。   A bypass circuit 26 is connected between the node N0 and the output terminal of the constant current circuit 25. The bypass circuit 26 is an emitter follower circuit in this example. The emitter follower circuit includes a transistor 26a and a resistor 26b. The resistor 26b is connected to the emitter terminal of the transistor 26a. The base terminal of the transistor 26a is connected to the node N0, and the collector terminal is connected to the output of the constant current circuit 25.

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。   When the pulsating voltage VRE is relatively low, the current supplied to the light emitting element 32 is relatively small, and when the pulsating voltage VRE is relatively high, the current supplied to the light emitting element 32 is relatively large.

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。   The light receiving element 33 of the optical coupling circuit 31 receives the light emitted by the light emitting element 32 and outputs a current according to the amount of the received light. As described above, the light receiving element 33 is optically coupled to the light emitting element 32, and the input current of the light emitting element 32 changes according to the pulsating current voltage VRE. Therefore, the light receiving element 33 outputs a voltage that changes according to the pulsating current voltage VRE.

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。   The light receiving element 33 is connected between the gate and source of the constant current element 35. The light receiving element 33 is connected such that the gate terminal of the constant current element 35 has a negative voltage with respect to the source terminal. The light receiving element 33 is, for example, a silicon photodiode. The light receiving element 33 may be another photoelectric conversion element such as a silicon PIN diode or an avalanche photodiode. When the light receiving element 33 is a silicon photodiode, the anode electrode is connected to the source terminal of the constant current element 35, and the cathode electrode is connected to the gate terminal of the constant current element 35. A plurality of silicon photodiodes are connected in series and then connected between the gate and the source of the constant current element 35 according to the voltage generated when light is received and the threshold voltage of the constant current element 35.

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。   The diode 36 is connected in series between the main inductor 29 and the high potential side terminal of the smoothing capacitor 37. The low potential side terminal of the smoothing capacitor 37 is connected to the low potential side terminal of the rectifier circuit 22. A DC voltage obtained by boosting the pulsating current output from the rectifying circuit 22 is output to both ends of the smoothing capacitor 37.

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。   The AC-DC converter 20 boosts the pulsating current voltage VRE output from the rectifier circuit 22 and outputs a DC voltage. The power factor correction circuit PFC of the AC-DC conversion unit 20 performs current control so that the current value corresponds to the voltage value of the pulsating current voltage VRE.

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。   The switching element 34 drives the main inductor 29 with the current set by the constant current element 35. In the constant current element 35, the voltage output from the optical coupling circuit 31 is applied between the gate and the source, and the current value is set. The voltage output by the optical coupling circuit 31 is set according to the output voltage of the voltage detection circuit 24 connected via the bypass circuit 26.

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。 Hereinafter, it will be described more specifically.
The switching element 34 is driven by an auxiliary inductor 30 magnetically coupled to the main inductor 29. The switching element 34 is driven by the auxiliary inductor 30 and interrupts the current flowing through the main inductor 29.

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。   The constant current element 35 sets a current value for turning off the switching element 34 as a constant current value. As described above, the constant current value of the constant current element 35 is set by the negative voltage equal to or higher than the threshold voltage applied between the gate and the source.

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。   When the current flowing through the constant current element 35 reaches the set constant current value, the drain-source voltage of the constant current element 35 rapidly rises. Therefore, a negative voltage having a large absolute value is applied between the gate and the source of the switching element 34, and when the negative voltage falls below the threshold voltage, the switching element 34 is turned off.

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。   The voltage detection circuit 24 and the bypass circuit 26 set the voltage applied between the gate and the source of the constant current element 35 according to the magnitude of the pulsating current voltage VRE as follows.

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。   The base voltage of the transistor 26a of the bypass circuit 26 changes according to the voltage of the node N0. Therefore, the voltage across the resistor 26b also changes according to the voltage of the node N0.

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。   When the pulsating current voltage VRE is relatively low and the base voltage of the transistor 26a is relatively low, the voltage across the resistor 26b is relatively low. The current flowing through the collector of the transistor 26a becomes relatively small. The output current of the constant current circuit 25 bypassed by the transistor 26a is relatively small. Therefore, the amount of light emitted from the light emitting element 32 increases, and the absolute value of the voltage generated by the light receiving element 33 also increases. Therefore, since the negative voltage applied between the gate and the source of the constant current element 35 has a lower value, the set constant current value becomes relatively small.

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。   When the pulsating current voltage VRE is relatively high and the base voltage of the transistor 26a is relatively high, the voltage across the resistor 26b is relatively high. The current flowing through the collector of the transistor 26a becomes relatively large. The output current of the constant current circuit 25 bypassed by the transistor 26a is relatively large. Therefore, the light emission amount of the light emitting element 32 becomes small, and the absolute value of the voltage generated by the light receiving element 33 becomes low. Therefore, since the negative voltage applied between the gate and the source of the constant current element 35 has a higher value, the set constant current value becomes relatively large.

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。   When the constant current element 35 reaches the constant current value set by the light receiving element 33, the drain-source voltage rapidly rises. Therefore, when the potential of the source terminal of the switching element 34 rises rapidly with respect to the potential of the gate terminal and reaches a voltage below the threshold voltage of the switching element 34, the switching element 34 is immediately turned off.

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。   As described above, in the AC-DC conversion unit 20, when the pulsating current voltage VRE is relatively low, the current value at which the switching element 34 is turned off is relatively small, and when the pulsating current voltage VRE is relatively high, The current value at which the switching element 34 is turned off is relatively large. Therefore, the current according to the pulsating current voltage VRE is input to the power supply device 10, so that the harmonic component of the input current waveform is reduced and the power factor is improved.

（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。 (Configuration and Operation of DC-DC Converter 40)
The DC-DC converter 40 includes a switching element 41, a constant current element 42, a rectifying element 43, a diode 44, a constant current circuit 45, an optical coupling circuit 46, a transformer 49, an output capacitor 53, and a resistor. 54 and a current control circuit 55.

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。   The switching element 41, the constant current element 42, the rectifying element 43, and the diode 44 are connected in series in this order from the high potential side to the low potential side. The series connection body is connected in parallel to the smoothing capacitor 37 of the AC-DC conversion unit 20. One end of a main inductor 50, which is a main winding of a transformer 49, is connected to the node N1 to which the constant current element 42 and the rectifying element 43 are connected. The other end of the main inductor 50 is connected to one end of the output capacitor 53, and is connected to the high-potential-side DC terminal 11c. The other end of the output capacitor 53 is connected to a low-potential-side DC terminal 11d via a resistor 54.

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。   The switching element 41, the constant current element 42, and the rectifying element 43 are all normally-on type transistors. The switching element 41, the constant current element 42, and the rectifying element 43 are HEMTs containing GaN, for example. The switching element 41, the constant current element 42, and the rectifying element 43 may be a HEMT including other compound semiconductors including a III-V group element, a junction FET, or the like. Hereinafter, unless otherwise specified, the switching element 41, the constant current element 42, and the rectifying element 43 will be described as being HEMTs containing GaN.

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。   The gate terminal of the switching element 41 is connected to one end of the auxiliary inductor 51 via the capacitor 52. The other end of the auxiliary inductor 51 is connected to the node N1. The auxiliary inductor 51 includes an auxiliary winding of the transformer 49, and the auxiliary inductor 51 is magnetically coupled to the main inductor 50. The auxiliary inductor 51 outputs a voltage according to the drive voltage of the main inductor 50.

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。   The rectifying element 43 is connected to the diode 44 in series, and the gate terminal is connected to the ground 12. The rectifying element 43 is off during the period when the switching element 41 and the constant current element 42 are on, because a negative voltage below the threshold voltage is applied between the gate and the source. The rectifying element 43 is turned on during the period when the switching element 41 and the constant current element 42 are off, because the forward voltage of the diode 44 higher than the threshold value of the rectifying element 43 is applied between the source gates. That is, the rectifying element 43 operates synchronously.

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。   The bias circuit B2 is connected to the gate terminal of the constant current element 42. The bias circuit B2 applies a negative voltage to the gate terminal of the constant current element 42 with respect to the source terminal.

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。   The bias circuit B2 has the same configuration as the bias circuit B1 of the AC-DC converter 20. The bias circuit B2 includes a constant current circuit 45 and an optical coupling circuit 46. The optical coupling circuit 46 includes a light emitting element 47 and a light receiving element 48. In this example, the constant current circuit 45 is connected to the node N2 to which the rectifying element 43 and the diode 44 are connected. The constant current circuit 45 is supplied with power by the leakage current between the drain and source of the rectifying element 43 during the ON period of the switching element 41 and the constant current element 42. The constant current circuit 45 may be connected to the high potential side terminal of the smoothing capacitor 37.

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。   The light emitting element 47 is connected to the output of the constant current circuit 45 and the output of the current control circuit 55. The current control circuit 55 includes an operational amplifier 56, a reference power supply circuit 57, and a diode 58. The voltage across the resistor 54 is applied to one input of the operational amplifier 56, a non-inverting input in this example, and the output of the reference power supply circuit 57 is connected to the other input, an inverting input in this example. .. The resistor 54 outputs a voltage conversion value of a current flowing through the lighting unit 3 connected between the terminals 11c and 11d. That is, the operational amplifier 56 amplifies and outputs the error of the detection voltage Vs which is the voltage conversion value of the output current with respect to the reference voltage Vref output by the reference power supply circuit 57. The diode 58 prevents the current output from the operational amplifier 56 from flowing into the light emitting element 47.

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。   The light receiving element 48 of the optical coupling circuit 46 receives the light emitted by the light emitting element 47 and outputs a voltage according to the received light amount. The current flowing in the light receiving element 48 is bypassed by the current control circuit 55. The bypassed current becomes smaller when the detection voltage Vs detected by the resistor 54 is larger than the reference voltage Vref. Therefore, the amount of light emitted from the light emitting element 47 increases, and the absolute value of the negative voltage applied between the source and gate of the constant current element 42 by the light receiving element 48 increases. Therefore, the constant current value set by the constant current element 42 becomes a smaller value, so that the switching element 41 turns off with a smaller current.

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。   The bypassed current has a larger value when the detection voltage Vs is smaller than the reference voltage. Therefore, the light emission amount of the light emitting element 47 decreases, the absolute value of the negative voltage applied between the source gates of the constant current element 42 decreases, and the constant current value set by the constant current element 42 becomes a larger value. Therefore, the switching element 41 is turned off with a larger current value.

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。   In this way, the DC-DC converter 40 performs constant current control of the current flowing through the lighting unit 3 according to the reference voltage Vref of the current control circuit 55.

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。 The operation and effect of the power supply device and the lighting device of this embodiment will be described.
In the power supply device 10 of the present embodiment, switching elements 34 and 41, which are normally-on type transistors, are connected in series to the constant current elements 35 and 42, respectively, to perform a switching operation. By setting a constant current value in the constant current elements 35 and 42, when the flowing current reaches the constant current value, a negative voltage below the threshold voltage is stably maintained between the gate and source of the switching elements 34 and 41. A voltage can be applied. Therefore, the turn-off can be speeded up and the switching frequency can be increased.

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。   The optical coupling circuits 31 and 46 may be capable of responding to the frequency of the pulsating current voltage VRE according to the commercial frequency and the fluctuation of the output current supplied to the lighting unit 3. In other words, the frequency characteristics and response speed of the optical coupling circuits 31 and 46 may be sufficiently slower than the switching frequency. The frequency characteristics and response speed of the optical coupling circuits 31 and 46 can be set directly regardless of the switching frequency becoming higher.

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。   In the power supply device 10 of the present embodiment, since the negative voltage can be generated by the light receiving elements 33 and 48 of the optical coupling circuits 31 and 46, it is not necessary to separately provide a circuit for negative voltage generation, and stable constant current can be obtained. The current value of the elements 35 and 42 can be set.

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。   Even in a transient state such as when the power is turned on, the optical coupling circuits 31 and 46 can stably generate a negative voltage, so that an excessive current flows in the switching elements 34 and 41 and the constant current elements 35 and 42. Can be prevented.

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。   The optical coupling circuits 31 and 46 can control the magnitude of the negative voltage generated by the light receiving elements 33 and 48 by adjusting the input current to the light emitting elements 32 and 47. Therefore, in the power supply device 10, a simple power supply circuit can be configured without providing a separate control circuit.

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。   Since the optical coupling circuits 31 and 46 are electrically insulated from each other on the light emitting side and the light receiving side, it is possible to easily separate the control signal from a noise environment due to switching of a large amplitude. Therefore, a power supply circuit that performs stable control operation can be easily constructed.

（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。 (Second embodiment)
In the above-described embodiment, the stabilization control is performed by superposing the detection signal of the voltage or current to be controlled on the drive current of the light emitting element. However, in the lighting device having a light emitting diode or the like as a load, the light emission for illumination is performed. The element and the light emitting element for transmitting the control signal can be shared.
FIG. 2 is a block diagram illustrating a DC-DC converter that is a part of the power supply device and the lighting device according to the present embodiment.
As shown in FIG. 2, the lighting device 101 includes a power supply device 110 and a lighting unit 3. The power supply device 110 includes a DC-DC conversion unit 140. The power supply device 110 can include the same AC-DC conversion unit 20 as in the case of the power supply device 10 of the first embodiment.

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。   The DC-DC converter 140 includes an optical coupling circuit 146. The optical coupling circuit 146 includes a light emitting element 147 and a light receiving element 148. The light emitting element 147 is connected in series between the terminal 111d on the low potential side of the direct current and the ground 12. Since the lighting unit 3 is connected between the terminals 111c and 111d, the light emitting element 147 is connected to the lighting unit 3 in series.

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。   The light receiving element 148 is connected so as to apply a negative voltage between the gate and source of the constant current element 42. The light emitting element 147 and the light receiving element 148 are optically coupled.

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。   Since the light emitting element 147 of the light coupling circuit 146 is connected in series to the lighting unit 3 and is optically coupled to the light receiving element 148, the light emitting element 147 emits light with a light amount according to the light amount of the lighting unit 3, and the light receiving element 148 is a light emitting element. The voltage corresponding to the emitted light of 147 is output.

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。   The output current of the power supply device 110 is determined according to the coupling efficiency between the light emitting element 147 and the light receiving element 148, the transfer characteristic of the constant current element 42 in the gate-source voltage generated by the light receiving element 148, and the like. When a current larger than the set value of the output current flows, the light emission amount of the light emitting element 147 increases, and therefore the voltage generated by the light receiving element 148 increases. Therefore, the constant current value set in the constant current element 42 becomes relatively small. When a current smaller than the set output current flows, the light emission amount of the light emitting element 147 decreases and the voltage generated by the light receiving element 148 becomes low. Therefore, the constant current value set in the constant current element 42 becomes relatively large. In this way, the power supply device 110 makes the output current constant.

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。   Although the light emitting element 147 connected in series to the illumination unit 3 is used in the above description, the emitted light is optically coupled to the light receiving element 148 by a light guide or the like optically coupled to the light emitting element 4 of the illumination unit 3. Good. The output current can be finely adjusted by inserting an optical attenuator or the like between the light emitting element 4 and the light receiving element 148.

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。 The operation and effect of the power supply device 110 and the lighting device 101 of this embodiment will be described.
In the power supply device 110 and the lighting device 101 of the present embodiment, a part of the lighting unit 3 which is a load of the power supply device 110 can be used as a light emitting element, so that the number of parts is reduced and a control circuit is specially provided. Without, it enables constant current drive of the lighting unit.

（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。 (Third Embodiment)
The switching element and the constant current element are HEMTs containing GaN, and the light emitting element can also be a light emitting diode containing GaN. The light emitting device can be integrated with the switching device or the constant current device.
FIG. 3A is a schematic cross-sectional view illustrating a HEMT containing GaN according to this embodiment. FIG. 3B is an equivalent circuit diagram of a constant current element including the HMET and the light receiving element of FIG. FIG. 3C is a schematic sectional view of the constant current element of FIG. 3B.
As shown in FIG. 3A, a HEMT 200 containing GaN includes a substrate 201, an undoped GaN layer 202, a two-dimensional electron gas 203, an n-type layer 204, a source electrode 205, and a gate electrode 206. And a drain electrode 207.

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。   The substrate 201 supports an upper structure such as a GaN layer. The substrate 201 is, for example, sapphire, silicon, or the like.

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。   The undoped GaN layer 202 is formed on the substrate 201. The n-type layer 204 is formed on the GaN layer 202. The n-type layer 204 is a layer containing GaN and contains, for example, AlGaN. The two-dimensional electron gas 203 is formed at the interface between the undoped GaN layer 202 and the n-type layer 204.

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。   The source electrode 205, the gate electrode 206, and the drain electrode 207 are provided at appropriate positions and shapes on the n-type layer 204. In this example, the gate electrode 206 is p-type doped. Instead of the gate electrode 206 or together with the gate electrode, the drain electrode 207 may be p-type doped.

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。   When a voltage is applied between the p-type gate electrode 206 and the n-type layer 204, holes and electrons are generated and recombine to emit light. Since the current flowing between the drain and source of the HEMT 200 flows through the layer of the two-dimensional electron gas 203, it has no influence on the light emitting region and does not affect the light emitting region.

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。 An integrated constant current element 300 can be obtained by integrally forming the HEMT 200 described above with a light receiving element.
As shown in FIG. 3B, the constant current element 300 includes a HEMT 200 and a light receiving element 214. The HEMT 200 includes the p-type region and includes the light emitting element 212 formed by the p-type region, as described above.

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。   The constant current element 300 includes a source terminal 215, a gate terminal 216, and a drain terminal 217. The source terminal 215 is electrically connected to the source electrode 205, the gate terminal 216 is electrically connected to the gate electrode 206, and the drain terminal 217 is electrically connected to the drain electrode 207. .. The source terminal 215 is electrically connected to the anode of the light receiving element 214, and the gate terminal 216 is electrically connected to the cathode of the light receiving element.

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。   As shown in FIG. 3C, the HEMT 200 including GaN and the light receiving element 214 including silicon are formed of different semiconductor chips and are die-bonded on the common lead frame 310. The lead frame 310 is bent so that the same plane faces each other in a side sectional view. For example, the lead frame 310 is bent in a U shape (or a C shape). The chip of the HEMT 200 and the chip of the light receiving element 214 are die-bonded on the same surface of the bent lead frame 310 at positions where the surfaces of the chips face each other.

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。   The facing space of the lead frame 310 including the bent lead frame and the surroundings of the HEMT 200 and the chip of the light receiving element 214 is covered with a resin made of an insulating material.

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。   The source terminal 215, the gate terminal 216, and the drain terminal 217 are each electrically connected to the external electrode by using a bonding wire or the like.

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。   In the constant current element 300 of the present embodiment, when a voltage is applied between the drain and source of the HEMT 200, for example, a potential difference occurs between the gate electrode 206 including the p-type region and the n-type layer 204. Therefore, holes and electrons are generated between the gate electrode 206 and the n-type layer 204. The holes and electrons recombine to emit light.

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。   Since the light emitting surface of the HEMT 200 and the light receiving surface of the light receiving element 214 are provided at opposite positions, the light receiving element 214 can efficiently receive the light emitted from the HEMT 200.

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。   Although the case where the light emitting element is integrated in the HEMT which is the constant current element has been described above, the light emitting element may be integrated in the HEMT which is the switching element or the rectifying element. In that case, similarly to the above-described example, an optical coupling circuit can be formed by optically coupling the HEMT including the light emitting element and the light receiving element. In that case, the HEMT and the light receiving element are not electrically connected.

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。 The operation and effect of the constant current element 300 of this embodiment will be described.
As described above, in the constant current element 300 of the present embodiment, the light emitting element 212 is integrated in the HEMT 200 and the light receiving element 214 is also integrated, so that the number of parts can be reduced and further miniaturization, Higher power density can be achieved.

（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。 (Fourth Embodiment)
The constant current element in the case of the third embodiment can be used for the DC-DC converter.
FIG. 4 is a block diagram illustrating a DC-DC converter that is a part of the power supply device and the lighting device of the present embodiment.
As shown in FIG. 4, the lighting device 401 of the present embodiment includes a power supply device 410 and a lighting unit 403. The power supply device 410 includes a DC-DC conversion unit 440. The lighting unit 403 includes a plurality of light emitting elements 404a to 404c. The plurality of light emitting elements 404a to 404c are connected in series. The lighting unit 403 is connected between the DC output terminals 411c and 411d of the power supply device 410. The control terminal 411e of the power supply device 410 is connected to the anode of the light emitting element 404c connected to the position with the lowest potential among the light emitting elements 404a to 404c connected in series.

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。   The DC-DC converter 440 includes a constant current element 400. The constant current element 400 is integrated with the HEMT 442a, the light emitting element 442b, and the light receiving element 449 described in the third embodiment. The light receiving element 449 is optically coupled to the light emitting element 442b and also to the light emitting element 448.

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。   The anode of the light emitting element 448 is connected to the anode of the light emitting element 404c of the lighting unit 403 via the control terminal 411e. The cathode of the light emitting element 448 is connected to the ground 12 via the resistor 414. The resistor 413 is connected between the DC output terminal 411d on the low potential side and the ground 12. That is, the resistor 413 is connected to the lighting unit 403 in series, and the resistor 414 is connected to the light emitting element 448 in series. The series connection body of the resistor 414 and the light emitting element 448 is connected in parallel with the series connection body of the resistor 413 and the light emitting element 404c. For example, the resistor 414 has a larger resistance value than the resistor 413. Therefore, a current that is smaller than that of the light emitting element 404c of the lighting unit 403 and that is substantially proportional to the current flowing through the light emitting element 404c flows through the light emitting element 448.

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。   In the power supply device 410 of the present embodiment, the amount of light received by the light receiving element 449 of the constant current element 400 is controlled by causing a current proportional to the current flowing through the lighting unit 403 to flow through the light emitting element 448. When the output current is large and the amount of received light is large, the output voltage of the light receiving element 449 is increased and the constant current value of the constant current element 400 is decreased. When the output current is small and the amount of received light is small, the output voltage of the light receiving element 449 is lowered to increase the constant current value of the constant current element 400.

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。   The light emitting element 442b integrated in the constant current element 400 emits light when a voltage is applied between the drain and source of the HEMT 442a. Therefore, in the voltage applied state, the light receiving element 449 always applies a negative voltage between the gate and source of the HEMT 442a. Therefore, even when there is no feedback signal at the time of start-up or load short-circuiting, the constant current value is reliably set, and an excessive current is prevented from flowing through the switching element 41 and the constant current element 400. Therefore, it is possible to realize a safer power supply device and lighting device.

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。   Regarding the light emitting element 448 that emits a light amount according to the current flowing through the lighting unit, the light emitting element in the lighting unit may be used as it is, as in the case of the second embodiment. Further, instead of the light emitting element 448, it is of course possible to irradiate the light receiving element with the light emission in the illumination unit using a light guide or the like.

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。   According to the embodiment described above, it is possible to realize a power supply device and a lighting device that reliably and rapidly turn off a switching element using a normally-on type transistor to realize a high switching frequency.

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。   Although some embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent thereof. Further, the above-described respective embodiments can be implemented in combination with each other.

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、２０ ＡＣ−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、４０ ＤＣ−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、１４０ ＤＣ−ＤＣ変換部、１４６ 光結合回路、１４７ 発光素子、１４８ 受光素子、２００ ＨＥＭＴ、２０１ 基板、２０２ ＧａＮ層、２０３ ２次元電子ガス、２０４ ｎ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   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 lighting device, 2 AC power supply, 3 lighting unit, 4 light emitting element, 10 power supply device, 12 grounding, 20 AC-DC converter, 21 filter, 22 rectifier circuit, 23 input capacitor, 24 voltage detection circuit, 25 constant current circuit , 26 bypass circuit, 27 capacitor, 28 transformer, 29 main inductor, 30 auxiliary inductor, 31 optical coupling circuit, 32 light emitting element, 33 light receiving element, 34 switching element, 35 constant current element, 36 diode, 37 smoothing capacitor, 40 DC -DC converter, 41 switching element, 42 constant current element, 43 rectifying element, 44 diode, 45 constant current circuit, 46 optical coupling circuit, 47 light emitting element, 48 light receiving element, 49 transformer, 50 main inductor, 51 auxiliary inductor, 52 capacitors, 53 output capacitors Sensor, 54 resistor, 55 current control circuit, 56 operational amplifier, 57 reference power supply circuit, 58 diode, 110 power supply device, 140 DC-DC converter, 146 optical coupling circuit, 147 light emitting element, 148 light receiving element, 200 HEMT, 201 Substrate, 202 GaN layer, 203 two-dimensional electron gas, 204 n-type layer, 205 source electrode, 206 gate electrode, 207 drain electrode, 212 light emitting element, 214 light receiving element, 215 source terminal, 216 gate terminal, 217 drain terminal, 300 Constant current element, 310 lead frame, 320 resin, 400 constant current element, 401 lighting device, 410 power supply device, 403 lighting unit, 404a to 404c light emitting element, 413, 414 resistor, 448 light emitting element, 449 light receiving element

Claims (5)

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、
前記発光素子の入力レベルによって、前記受光素子から前記制御端子に供給される、前記他方の主端子に対する負電圧の値を制御する制御回路と、
交流電圧を脈流電圧に変換する整流回路と、
を備え、
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し、
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電源装置。 A normally-on first transistor,
A normally-on type second transistor having a control terminal and connected to the first transistor at one main terminal;
A light emitting element that emits light according to the input level,
A light receiving element that is connected between the control terminal and the other main terminal of the second transistor and outputs a voltage according to the amount of light emitted from the light emitting element;
A control circuit for controlling a value of a negative voltage with respect to the other main terminal, which is supplied from the light receiving element to the control terminal, according to an input level of the light emitting element,
A rectifier circuit that converts AC voltage to pulsating voltage,
Equipped with
The second transistor sets a value of a current flowing through the first transistor by the negative voltage,
The control circuit is a power supply device that changes the input level according to the pulsating current voltage. 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１記載の電源装置。 Wherein the control circuit generates the control signal by detecting the output current, the power supply device according to claim 1, wherein for changing the input level according to the control signal. 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または２に記載の電源装置。 The second transistor has an n-type layer containing GaN,
The light receiving element, a power supply device according to claim 1 or 2 including a light emitting region formed by providing the p-type region on the n-type layer of the second transistor. 請求項１〜３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。 A power supply device according to any one of claims 1 to 3,
A lighting load that is powered by the power supply device and lights up,
Lighting device. ノーマリオン形の第１トランジスタと、  A normally-on first transistor,
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、  A normally-on type second transistor having a control terminal and connected to the first transistor at one main terminal;
入力レベルに応じて発光する発光素子と、  A light emitting element that emits light according to the input level,
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、  A light receiving element that is connected between the control terminal and the other main terminal of the second transistor and outputs a voltage according to the amount of light emitted from the light emitting element;
を含む電源装置と、  A power supply including
前記電源装置から電力供給されて点灯する照明負荷と、  A lighting load that is powered by the power supply device and lights up,
を備え、  Equipped with
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し、  The light-receiving element supplies the control terminal with a negative voltage with respect to the other main terminal,
前記照明負荷は、前記発光素子を含む照明装置。  The lighting load is a lighting device including the light emitting element.
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