CN102710125B - 开关电源装置以及照明装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种开关电源装置以及使用该开关电源装置的照明装置，所述开关电源装置使用1个开关元件来作为开关用以及恒电流控制用，以实现成本降低以及小型化。根据实施方式，提供具备直流电源装置和开关动作转换电路的开关电源装置。所述开关动作转换电路连接于所述直流电源，且具有电感器、开关元件、二极管、栅极驱动电路、输入端及输出端。所述开关元件在导通时使增加电流从所述直流电源流向所述电感器。所述二极管在所述开关元件的断开时使减少电流流经所述电感器。所述栅极驱动电路在使所述开关元件导通而所述增加电流达到饱和状态时，控制所述开关元件的栅极电压以使其断开。所述输入端连接于所述直流电源。所述输出端连接负载。

Description

开关电源装置以及照明装置
技术领域
本发明涉及一种开关(switching)电源装置以及使用该开关电源装置的照明装置。
背景技术
开关电源是在由输入电力获得期望的输出电力的电力转换装置中，使用开关元件来转换、调整电力的电源装置。开关电源包括下述电源装置，该电源装置具备：直流-直流(Direct Current-Direct Current，DC-DC)转换器(converter)，将直流电力转换成其他直流电力；以及直流电源，包含将交流电力转换为直流电力的整流装置，对DC-DC转换器供给直流输入电力。
而且，作为开关电源的一个用途，已知有：通过对发光二极管(LightEmitting Diode，LED)进行点灯而获得电路效率高的LED点灯装置。例如，DC-DC转换器包含降压斩波器(chopper)，通过对电压进行反馈以使开关元件的导通动作继续，所述电压是通过使增加的电流经由导通(ON)状态的开关元件流经电感器(inductor)，从而在与该电感器磁耦合的二次线圈中感应产生的。而且，与开关元件串联地***电阻元件以用于检测增加电流，并且附加控制电路，所述控制电路在该电阻元件的下降电压超过预先设定的阈值时，使开关元件断开(OFF)。
在上述结构中，一旦在增加的电流超过阈值时开关元件断开，蓄积在电感器中的电磁能量将被放出，从而减少的电流经由二极管以及输出端的输出电容器(condenser)而流动。并且，当减少的电流变为0时，利用电感器的二次线圈上产生的反电动势来使开关元件导通。通过反复以上的电路动作，进行自激式恒电流控制下的DC-DC转换而对发光二极管进行点灯。
另一方面，就宽带隙(wide bandgap)半导体而言，具有大带隙的半导体即III-V族半导体以及IV半导体等的化合物半导体、例如使用碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)或金刚石(diamond)的半导体元件，作为具有大幅突破Si功率器件(power device)的性能极限的电位(potential)的半导体而受到瞩目。即，在高速开关、高温动作以及大功率动作等方面，宽带隙半导体能够在Si系、GaAs系无法实现的区域内动作。因此，在高频功率器件的领域中，对于半导体的期待也大。此处，所谓宽带隙半导体，是指带隙比约1.4eV的砷化镓(GaAs)宽的半导体。例如包括带隙为1.5eV以上的半导体，例如磷化镓(GaP，带隙约2.3eV)、氮化镓(GaN，带隙约3.4eV)、金刚石(C，带隙约5.27eV)、氮化铝(AlN，带隙约5.9eV)、碳化硅(SiC)等。
宽带隙半导体晶体管(transistor)是可用作开关元件的元件，更具体而言，是使用宽带隙半导体而制作的晶体管。并且，所述宽带隙半导体晶体管例如是具备一对主端子(漏极(drain)、源极(source))以及控制端子(栅极(gate))的场效应型的高频晶体管。代表性的是，高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor，HEMT)与此相符。如上所述，半导体晶体管具有优异的特征，因此，通过使用宽带隙半导体晶体管来作为开关电源的开关元件，能够实现10MHz以上的高频动作，其结果，能够实现开关电源、尤其是电感器的大幅的小型化。
另外，作为宽带隙半导体晶体管，有接面型场效应晶体管(JunctionField Effect Transistor，JFET)、静电感应型晶体管(Static InductionTransistor，SIT)、金属-半导体场效应晶体管(Metal-Semiconductor-Field-Effect-Transistor，MESFET)、异质接面型场效应晶体管(Heterojunction Field Effect Transistor，HFET)、高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor，HEMT)以及蓄积型FET等。
而且，宽带隙半导体晶体管多具有在栅极电压为零时有漏极电流流动的常通(normally on)特性。因此，要使具有常通特性的半导体元件(以下称作常通开关)确实地断开，需要负栅极电压用的驱动电路。另外，也可获得具有常断特性的宽带隙半导体晶体管。此时，需要正电压用的驱动电路。
此外，现有技术的开关电源在进行恒电流控制时需要电流反馈型的反馈电路，该电流反馈型的反馈电路包括：电阻元件等的阻抗(impedance)机构，与开关元件串联地***，以检测流经电感器的增加的电流；以及控制电路，当阻抗机构的压降达到预先设定的阈值时，使开关元件断开。因此，不仅电路结构复杂化，而且对于小型化而言也成为难点。
通过使用宽带隙半导体晶体管来作为开关电源的开关元件，如前所述能够在10MHz以上的高频下工作，因此装置整体显着小型化。此时，通过与宽带隙半导体晶体管的源极串联地连结包含宽带隙半导体晶体管的恒电流元件，不仅能够省去电流检测用的电阻元件等的阻抗机构，而且能够简化栅极驱动电路的结构，因此能够实现进一步的小型化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4123886号公报
专利文献2：日本专利特开2007-006658号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，使用宽带隙半导体晶体管的开关电源虽可如上所述般，通过使用2个宽带隙半导体晶体管来作为开关用以及恒电流控制用而进一步小型化，但是在响应针对更进一步的成本降低以及小型化的要求时，却存在极限。
本发明的实施方式提供一种开关电源装置以及使用该开关电源装置的照明装置，所述开关电源装置使用1个开关元件来作为开关用以及恒电流控制用，以实现成本降低以及小型化。
根据实施方式，提供一种具备直流电源装置和开关动作转换电路的开关电源装置。所述开关动作转换电路连接于所述直流电源，且具有电感器、开关元件、二极管、栅极驱动电路、输入端及输出端。所述开关元件在导通时使增加电流从所述直流电源流向所述电感器。所述二极管在所述开关元件的断开时使减少电流流经所述电感器。所述栅极驱动电路在使所述开关元件导通而所述增加电流达到饱和状态时，控制所述开关元件的栅极电压以使其断开。所述输入端连接于所述直流电源。所述输出端连接负载。
而且，根据另一实施方式，提供一种照明装置，所述照明装置具备开关电源装置和连接于所述开关电源装置的输出端的照明负载。所述开关电源装置具有直电流源和开关动作转换电路。所述开关动作转换电路连接于所述直流电源，且具有电感器、开关元件、二极管、栅极驱动电路、输入端及输出端。所述开关元件在导通时使增加电流从所述直流电源流向所述电感器。所述二极管在所述开关元件的断开时使减少电流流经所述电感器。所述栅极驱动电路在使所述开关元件导通而所述增加电流达到饱和状态时，控制所述开关元件的栅极电压以使其断开。所述输入端连接于所述直流电源。所述输出端连接负载。
发明的效果
根据本发明的实施方式，提供一种开关电源装置以及使用该开关电源装置的照明装置，所述开关电源装置通过使用1个宽带隙半导体晶体管来作为开关用以及恒电流控制用，从而电路零件个数变少而廉价且小型化，并且宽带隙半导体晶体管的开关损失(loss)也降低，因而电路效率高。
附图说明
图1是第1实施方式中的开关电源装置的方框图。
图2是表示第1实施方式中的开关元件的电流-电压特性的图表。
图3(a)至图3(f)是第1实施方式中的各部分的电流、电压波形图。
图4是第2实施方式中的主要部分电路图。
图5是第3实施方式中的主要部分电路图。
图6是第4实施方式中的主要部分电路图。
图7(a)至图7(c)是第4实施方式中的各部分的电流、电压波形图。
图8是第5实施方式中的开关电源装置的电路图。
图9是第6实施方式中的开关电源装置的电路图。
附图标记：
A：第1电路
AC：交流电源
B：第2电路
BA：缓冲放大器
C1、C2、C3：电容器
C4：耦合电容器
D1、D2、D3：二极管
DB：整流电路
DC：直流电源
GD：栅极驱动电路
HC：保持电路
ID：漏极电流
INT：积分电路
IP：脉冲电流
IU：增加电流
L1：电感器
L2：驱动线圈
LC：负载
LD：LED
PC：保护电路
Q1：宽带隙半导体晶体管
Q2、Q3、Q4、Q5：开关元件
R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12：电阻器
RL：非饱和区域
RS：饱和区域
SC：开关动作转换电路
SPS：开关电源装置
T1、T2：输入端子
T3、T4：输入端
T5、T6：输出端
TM：计时器
VCC：控制电源
VD1、VD2：分压电路
VDS：漏极-源极间电压
VGS：栅极电压
VL 1：端子电压
ZD1：齐纳二极管
具体实施方式
第1实施方式
图1是第1实施方式中的开关电源装置的方框图。
在第1实施方式中，开关电源装置SPS具备直流电源DC以及开关动作转换电路SC，将其输出作为直流电力而供给至负载LC。
直流电源DC是用于对后述的开关动作转换电路SC输入转换前的直流电力的机构。而且，只要输出转换前的直流电力，采用何种结构均可，例如允许以整流电路作为主体而构成，而且视所需来附设包含平滑电容器等的平滑电路。在本实施方式中，整流电路优选包含电桥(bridge)型整流电路。而且，直流电源DC的输入端子T1、T2连接于交流电源AC例如商用交流电源，对其交流电压进行全波整流而获得直流电压。但是，也可构成以下的直流电源DC，该直流电源DC是视所需在整流电路的输出侧附设有升压斩波器等的有源滤波器(active filter)而构成。
开关动作转换电路SC也可称作DC-DC转换器，具备开关元件Q1、电感器L1、二极管D1、栅极驱动电路GD、输入端T3、T4以及输出端T5、T6。并且，所述开关动作转换电路SC允许以斩波器以及反激转换器(flyback converter)等作为主体而构成。另外，所谓斩波器，其概念包括降压斩波器、升压斩波器以及升降压斩波器等的各种斩波器。
第1电路A是以串联关系包含开关元件Q1以及电感器L1的电流路径。开关元件Q1由后述的栅极驱动电路GD来驱动而进行开关动作。并且构成为，在导通时，增加电流从直流电源DC经由晶体管Q1而流向电感器L1。由此，在电感器L1中蓄积电磁能量。
开关元件Q1例如为宽带隙半导体晶体管，例如为氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN-HEMT)。本实施方式中，开关元件Q1进行开关动作。通过使用开关元件Q1，如前所述，MHz以上例如10MHz以上的高频下的开关特性显着提高而开关损失降低，并且电感器L1显着小型化，因此能够实现开关电源装置的大幅小型化。
而且，开关元件Q1为常通特性以及常断特性均可。在开关元件中，通常具有常通特性的开关元件更容易获得，且成本低，但具有常断特性的开关元件也可以，因此也可使用常断特性的开关元件。而且，常通开关的开关阈值为负，因此如果使用常通开关，便容易利用与电感器L1磁耦合的驱动线圈L2即二次线圈来实现断开控制，因而较佳。
进而，在开关元件Q1例如为宽带隙半导体晶体管的情况下，已知其电流-电压特性如图2所示，具有从非饱和区域RL经由夹断(pinch off)而连续的饱和区域RS，该饱和区域RS呈现出优异的恒电流特性。另外，在图2中，横轴表示漏极电流ID，纵轴表示漏极-源极间电压VDS，在图中，描绘了将栅极电压VGS即栅极-源极间电压作为参数而变化的多条特性曲线。而且，在本案说明书中，非饱和区域RL是电流-电压特性呈大致直线的区域，饱和区域RS是电流-电压特性偏离非饱和区域RL的直线，且相对于漏极电流的增加而漏极-源极间电压的斜率比非饱和区域RL的直线高的区域。即，饱和区域RS是包括下述部分的区域，即：开关元件Q1呈现恒电流特性的区域；以及非饱和区域RL及呈现恒电流特性的区域的迁移区域的部分。
由图2可理解的是，如果开关元件Q1为与Si晶体管相同的芯片面积，则在非饱和区域RL内，相对于电流增加的电压增加极少。这表示，在该区域RL内，开关元件Q1成为导通电阻非常低的导通状态。在饱和区域RS内，即使提高电压，电流也始终固定而饱和。而且，饱和时的电流值即饱和电流值对应于栅极电压的大小而变化。因此，通过控制栅极电压VGS，能够选择期望的饱和电流值。另外，在图2中，为了便于理解上述情况，示出了电压值不同的多个栅极电压VGS 1～VGS4下的电流-电压特性曲线。
本实施方式中，当增加电流达到阈值时，通过栅极驱动电路GD的控制来断开开关元件Q1，此时，将以阈值位于电流-电压特性的饱和区域内的方式而选择的栅极电压施加至晶体管Q1。其结果，在开关元件Q1的导通期间内流动的增加电流达到阈值(第1阈值)时流经开关元件Q1的电流急遽饱和。因此，在饱和电流从增加状态骤变至固定阈值时，后述的栅极驱动电路GD施加以使开关元件Q1断开的方式而选择的栅极电压，从而使开关元件Q1断开。
第2电路B是串联地包含电感器L1以及二极管D1的电流路径。并且，当开关元件Q1以开关动作而断开时，电感器L1将蓄积在其中的电磁能量予以放出，因此减少电流经由二极管D1而在第2电路B内流动。当减少电流降低至阈值(第2阈值)时，通过后述的驱动电路GD来再次导通开关元件Q1。另外，允许使用同步整流器，该同步整流器使用场效应晶体管FET等作为二极管。
栅极驱动电路GD是在开关元件Q1的开关过程中的、至少导通电流达到第1阈值时控制断开的电路机构。而且，在视所需来使开关元件Q1导通时，也可使栅极驱动电路GD发挥功能。此时，开关元件Q1为常通，在为了使其断开而栅极驱动电路GD取消栅极电压的施加时，也可以说是栅极驱动电路GD在发挥功能。
开关元件Q1的开关过程中的借助栅极驱动电路GD的断开动作为自激控制以及他激控制均可。
在自激的情况下，可构成为，对开关元件Q1的漏极-源极间电压VDS的变化或电感器L1的端子电压VL1的变化等、伴随第1电路A以及第2电路B的电路动作的电性变化进行检测，且进行反馈而使其断开。由此，能够同时获得断开的时机(timing)与栅极电压，所述栅极电压是在电流的第1阈值下，电流-电压特性达到饱和区域所需的栅极电压，换言之，所述栅极电压是开关元件Q1呈现出恒电流特性所需的栅极电压。
在他激的情况下，可在开关动作转换电路SC中配设开关用的振荡器，以设定开关元件Q1的导通、断开的时机，并且对所需的栅极电压的施加进行控制，以使得在导通期间内，当增加电流达到第1阈值时，位于饱和区域而断开，且在减少电流达到第2阈值的时机再次导通。
输入端T3、T4是构成开关动作转换电路SC的输入部位的机构，与直流电源DC的输出端连接。而且，输入端T3、T4也可具备端子等连接机构的形态，但还可为简单地利用导线来连接直流电源DC与开关动作转换电路SC的输入部位之间的形态等。
输出端T5、T6是构成开关动作转换电路SC的输出部位的机构，将负载LC连接于该输出端T5、T6，但允许采用与上述输入端T3、T4同样自由的形态。
负载LC由开关电源装置SPS的输出来赋能而进行动作。本实施方式中，负载LC为何种结构均可，但在图示的例子中包含LED LD。因此，可构成一种照明装置，其具备灯(lamp)等的光源即照明负载以及本实施方式的开关电源装置SPS，该开关电源装置SPS是作为用于直接或间接对该照明负载赋能的点灯电路的一部分或大致全部。
作为其他结构，开关动作转换电路SC可在输出端T5、T6间连接输出电容器。输出电容器使通过开关动作转换电路SC内的开关元件Q1的开关而产生的高频成分旁通(bypass)，以抑制高频成分流出向负载LC侧。
在第1实施方式中，开关动作转换电路SC随着开关元件Q1的开关，电感器L 1反复电磁能量的蓄积与放出，其结果，从输入端T3、T4输入的直流电力被转换成期望的直流电力，并从输出端T5、T6供给至负载LC。而且，开关元件Q1在增加电流达到第1阈值时，位移至饱和区域而成为恒电流，因此，可间接或直接利用此时的电路动作的变化来断开开关元件Q1，因而无须与开关元件Q1串联连接地附加恒电流二极管等的恒电流机构，从而能够简化电路结构。
接下来，参照图3(a)至图3(f)所示的各部分的电流、电压波形图，来简单说明第1实施方式中的电路动作。在图中，图3(a)是第1电路A的开关元件的栅极电压波形，图3(b)是开关元件Q1的漏极-源极间电压VDS的波形，图3(c)是增加电流IU的波形，图3(d)是减少电流ID的波形，图3(e)是增加电流以及减少电流的相加波形，图3(f)是电感器L1的电压VL1的波形。
就常通型的开关元件Q1的栅极电压VGS而言，低的负电压期间为例如-8V，高的负电压期间为-5V。因此，开关元件Q1在低的负电压期间成为断开状态。而且，在高的负电压期间成为导通状态，但当增加电流IU达到大致220mA时呈现出饱和特性。即，可将第1阈值选定为220mA。因此，当将图3(a)的栅极电压VGS设为-5V时，开关元件Q1导通而线性增加的增加电流IU流经电感器L1，当达到第1阈值220mA时，开关元件Q1饱和，漏极-源极间电压VDS如图3(b)所示般，与晶体管成为断开状态时同样地增大。与此时同步地，将栅极驱动电路GD输出的栅极电压VGS如图3(a)所示般切换为-8V，由此开关元件Q1断开。当成为该断开期间时，减少电流从电感器L1如图3(d)所示般流出并达到第2阈值例如0mA时，若如图3(a)所示般将栅极电压VGS切换为-5V，则开关元件Q1将再次导通。并且，以下反复上述动作。其结果，如图3(e)所示般，增加电流IU与减少电流ID连续流经电感器L1。在此期间，电感器L1的两端电压如图3(f)所示，反复进行正负交替反转。
第2实施方式
参照图4来说明第2实施方式。本实施方式是常断型的开关元件Q1的栅极驱动电路GD的一例。本实施方式中，栅极驱动电路GD是以开关元件Q2、分压电路VD1以及缓冲放大器BA作为主体而构成。
即，开关元件Q2例如包含双极晶体管(bipolar transistor)，通过导通、断开而对分压电路VD1的输出电压进行高低切换。并且，开关元件Q2的基极(base)连接于开关周期信号源(未图示)。另外，开关周期信号源是决定开关元件Q1的导通、断开时机的信号源。分压电路VD1包含电阻器R1、R2的串联电路，在图中，上端连接于正(plus)的控制电源Vcc，下端连接于开关元件Q1的源极。开关元件Q2的集电极-发射极(collector-emitter)并联连接于电阻器R2。缓冲放大器BA介隔在分压电路VD1的输出端与开关元件Q1的栅极之间，其输出被施加至上述栅极。
对本实施方式的电路动作进行说明。当使与开关元件Q2的基极连接的开关周期信号源周期性地导通、断开时，栅极驱动电路GD使开关元件Q1以相对于开关周期信号源为逆相关系的导通、断开来开关。即，当开关元件Q2断开时，分压电路VD1的电阻器R2的短路被解除而电阻器R2的端子电压变高，因此对开关元件Q1的栅极-源极间施加的栅极电压VGS变高而导通。接下来，当开关元件Q2导通时，电阻器R2短路而分压电路VD1的输出变为0，因此开关元件Q1断开。
因此，能够对应于开关元件Q2的开关来使开关元件Q1开关。其中，由上述可理解的是，开关元件Q1导通时的栅极电压是将下述值选定为第1阈值，该值是在开关元件Q1断开时的时机且增加电流位移至饱和区域Rs的值。另外，对于对开关元件Q2的开关时机进行控制的开关周期信号源，如前所述般使用从开关动作转换电路SC获得的反馈信号，从而既可使开关动作转换电路SC进行自激动作，也可使用另设的振荡器来进行他激动作。
第3实施方式
参照图5来说明第3实施方式。另外，在图中，对于与图4相同的部分标注相同符号并省略说明。本实施方式是栅极驱动电路GD具备保持电路HC的例子。保持电路HC在流经开关动作转换电路SC的减少电流的通流期间内，将开关元件Q1保持为断开状态，并且在使开关元件Q1导通时，解除其断开状态的保持。
本实施方式中，与第2实施方式对比，保持电路HC是以分压电路VD2以及开关元件Q3作为主体而构成，以构成栅极驱动电路GD的一部分。
即，保持电路HC的分压电路VD2包含电阻器R3、R4的串联电路，在图中，上端连接于开关元件Q1的漏极，下端连接于源极。而且，开关元件Q3例如包含双极晶体管，其集电极-发射极与分压电路VD2的电阻器R4并联连接，且开关元件Q1的导通信号源(未图示)连接于其基极。另外，在开关元件Q3的基极与导通信号源之间串联地连接电阻器R5，并且在上述基极-发射极间连接电阻器R6，以调整基极电流。另外，导通信号源是决定开关元件Q1的导通时机的信号源。
对本实施方式的电路动作进行说明。在开关元件Q1的断开状态下，其漏极-源极间电压VDS变高，因此该电压经由保持电路HC的分压电路VD2而施加至开关元件Q2的基极，从而基极电流流经开关元件Q2，因此开关元件Q2导通。由此，开关元件Q1的栅极电压变低，因此开关元件Q1保持断开状态。
要使开关元件Q1导通，则通过开关元件Q3来使开关元件Q2的基极-发射极间周期性地短路。于是，分压电路VD1的输出变高而保持电路HC对开关元件Q1的断开状态的保持被解除，从而开关元件Q1导通。要使开关元件Q3导通，只要通过上述导通信号源来提高基极电位即可。
因此，只要通过导通信号源来使开关元件Q1周期性地导通规定时间，便能够使开关动作转换电路SC动作。当然，动作条件被设定成：在导通时间的末期，增加电流达到第1阈值，且此时，漏极电流ID位移至饱和区域。
第4实施方式
参照图6来说明第4实施方式。另外，在图中，对于与图4相同的部分标注相同符号并省略说明。本实施方式中，栅极驱动电路GD具备在开关元件Q1的导通初期工作的保护电路PC。保护电路PC是通过使栅极电压可变来进行保护，以避免在开关元件Q1的导通初期因过度的脉冲电流造成导通动作发生混乱，所述过度的脉冲电流易由处于等效地连接于所述开关元件Q1两端的关系的缓冲电容器(snubber condenser)等而产生。本实施方式中，保护电路PC包含计时器(timer)TM以及开关元件Q4。
计时器TM包含开关元件Q5以及积分电路INT。开关元件Q5例如双极晶体管连接在分压电路VD1的电阻器R2与开关元件Q1的源极之间。积分电路INT包含如图6所示般连接的电阻器R7-R10的串联电路以及电容器C1。电阻器R7-R10的串联电路连接在控制电源Vcc与开关元件Q1的源极之间，电容器C1并联连接于电阻器R9以及电阻器R10的串联部分。
开关元件Q4连接在积分电路INT的电阻器R7以及电阻器R8的连接点与开关元件Q1的源极之间，通过除电阻器R7以外将积分电路INT短路，从而重置(reset)计时器TM。而且，开关元件Q4的基极连接于开关元件Q2的基极。因此，对应于来自开关周期信号源的开关周期信号，开关元件Q2与开关元件Q5同步地进行导通、断开动作。
对本实施方式的电路动作进行说明。在使开关元件Q1导通时，当断开信号从开关周期信号源到来时，开关元件Q2以及开关元件Q4均导通。此时，开关元件Q2将分压电路VD1的电阻器R2以及开关元件Q5短路，因此开关元件Q1的栅极电位变低，例如变为0V而导通。而且，同时，开关元件Q4重置计时器TM。
接下来，当导通信号从开关周期信号源到来时，开关元件Q2以及开关元件Q4均断开。通过开关元件Q2的断开，分压电路VD1的电阻器R2以及开关元件Q5的短路被解除，而且，通过开关元件Q4的断开，计时器TM开始工作，但仅积分电路INT的积分作用开始，因此开关元件Q5断开。因此，开关元件Q1的栅极电位变高至控制电源Vcc的电压，因此开关元件Q1充分导通而非饱和区域RL大为扩大，如上所述，即使在导通初期有易产生的过度的脉冲电流流经开关元件Q1，开关元件Q1也不会饱和。即，在开关元件Q1的导通初期，饱和电流值变高。因此，开关元件Q1的导通动作得到保护，因此在导通初期，导通动作难以发生误动作。
这样，当导通期间的初期经过时，通过积分电路INT的积分作用，开关元件Q5流经有基极电流而导通，因此开关元件Q1的栅极电位下降至中位。在此状态下，晶体管Q1依然导通，但其饱和电流值下降至第1阈值，因此在导通期间达到末期时漏极电流ID达到第1阈值，只要从开关周期信号源通过断开信号使开关元件Q2导通，开关元件Q1便会断开。而且，开关元件Q4是与开关元件Q2同时导通，因此积分电路INT被重置，并且重置计时器TM，以用于开关元件Q1的下次导通。
图7(a)至图7(c)是对第4实施方式中的保护电路PC的电路动作进行说明的各部分的波形图。在图中，图7(a)表示开关元件Q1的漏极电流波形，图7(b)表示栅极电压波形，图7(c)同样表示其他变形例中的栅极电压波形。
如图7(a)至图7(c)所示，在开关元件Q1的导通初期，有时会在漏极电流ID中产生脉冲电流IP。例如，如果在电感器L1的电流变为零之前的有限值时开关元件Q1从断开切换为导通，则在导通初期会产生脉冲电流IP。但是，由于图7(b)所示的栅极电压在导通初期足够高，因此开关元件Q1的电流-电压特性的非饱和区域扩大，因此即使产生脉冲电流IP，也能在非饱和区域内充分流动。因此，导通动作得到保护而能够确实地导通。
图7(c)表示导通时的栅极电压的变形例。本例中被设定成，栅极电压在初期为最大，但随后连续下降，断开之前的电流-电压特性的饱和电流值达到第1阈值。在本例中，也能够进行与上述同样的电路动作。
第5实施方式
参照图8来说明本发明的第5实施方式。另外，对于与图1相同的部分标注相同符号并省略说明。本实施方式中，开关电源装置SPS的开关转换电路SC包含降压斩波器。
即，开关动作转换电路SC的输入端T3、T4连接于直流电源DC。第1电路A包含开关元件Q1、电感器L1以及输出电容器C2的串联电路，其两端连接于输入端T3、T4。第2电路B是电感器L1、输出电容器C2以及二极管D1串联连接而形成闭电路。输出端T5、T6连接于输出电容器C2的两端。而且，负载LC连接于输出端T5、T6。另外，开关元件Q1为常断型的元件，例如为GaN-HEMT。
栅极驱动电路GD是以分压电路VD1、缓冲放大器BA、开关元件Q2、驱动线圈L2及二极管D2、D3、电容器C3以及齐纳二极管(Zenerdiode)ZD1作为主体而构成。分压电路VD1是与电容器C3以及齐纳二极管ZD1一起并联连接。缓冲放大器BA如图所示般连接在分压电路VD1的电阻器R1以及电阻器R2的连接点与开关元件Q1的栅极之间。与第2实施方式的相同之处在于，开关元件Q2并联连接于电阻器R2，从而能够将电阻器R2短路。驱动线圈L2以图示极性而磁耦合于电感器L1，且连接成，其感应电压经由耦合电容器C4而施加至电阻器R11以及电阻器R12的串联电路，并且经由二极管D2而施加至分压电路VD1、电容器C3以及齐纳二极管ZD1的并联电路。电阻器R11以及电阻器R12的串联电路的连接点连接于开关元件Q2的基极。而且，二极管D3以图示极性并联连接于电阻器R11以及电阻器R12的串联电路，从而使驱动线圈L2中相对于二极管D3为逆极性地感应产生的电压旁通。
接下来，对第5实施方式的电路动作进行说明。当将直流电源DC接通至输入端T3、T4间时，最先，正电位经由未图示的启动电路而被供给至开关元件Q1的栅极。开关元件Q1以充分的导通度来导通，增加电流流经第1电路A内的电感器L1。
在第1电路A中，当增加电流流经电感器L1时，在与该电感器L1磁耦合的驱动线圈L2中，感应产生相对于二极管D3为顺向的极性的电压。由此，开关元件Q2断开，因此对缓冲放大器BA的非反转输入端子施加的电压以及输出电压均成为高的正电压。其结果，栅极电位变得高于源极电位。其结果，开关元件Q1的电流-电压特性的饱和电流值变小。
因此，当增加电流达到饱和电流值时，开关元件Q1骤然饱和而成为恒电流状态，驱动线圈L2的感应电压变为0。于是，开关元件Q2由电阻器R11、R12施加偏压(bias)而导通。其结果，电阻器R2两端的电压变为零，缓冲放大器BA的输出电压变为零。开关元件Q1的栅极-源极间电压大致为零，开关元件Q1断开。
此外，当开关元件Q1断开时，蓄积在电感器L1中的电磁能量放出而减少电流在第2电路B内流动。在减少电流流动而开关元件Q2维持导通状态的规定期间，开关元件Q1保持为断开状态。并且，当减少电流变为0时，开关元件Q2断开，开关元件Q1的栅极电压变高。其结果，开关元件Q2再次导通，以后反复上述电路动作。
在以上的电路动作中，在输出电容器C2中连续流经有增加电流与减少电流而得到充电，因此对输出端T5、T6间输出DC-DC转换后的直流电力，连接于该输出端T5、T6的负载LC受到赋能而工作。
第6实施方式
参照图9，对第6实施方式进行说明。另外，对于与图1相同的部分标注相同符号并省略说明。本实施方式中，开关电源装置SPS的开关转换电路SC包含降压斩波器。
即，开关动作转换电路SC的输入端T3、T4连接于直流电源DC。第1电路A包含开关元件Q1、电感器L1以及输出电容器C2的串联电路，其两端连接于输入端T3、T4。第2电路B是电感器L1、输出电容器C2以及二极管D1串联连接而形成闭电路。输出端T5、T6连接于输出电容器C2的两端。而且，负载LC连接于输出端T5、T6。另外，开关元件Q1包含常通型的GaN-HEMT。
栅极驱动电路GD是以分压电路VD1、缓冲放大器BA、开关元件Q2、驱动线圈L2及二极管D2、D3、电容器C3以及齐纳二极管ZD1作为主体而构成。分压电路VD1是与电容器C3以及齐纳二极管ZD1一起并联连接。缓冲放大器BA如图所示般连接在分压电路VD1的电阻器R1以及电阻器R2的连接点与开关元件Q1的源极之间。与第2实施方式的相同之处在于，开关元件Q2并联连接于电阻器R2，从而能够将电阻器R2短路。驱动线圈L2以图示极性而磁耦合于电感器L1，且连接成，其感应电压经由耦合电容器C4而施加至电阻器R11以及电阻器R12的串联电路，并且经由二极管D2而施加至分压电路VD1、电容器C3以及齐纳二极管ZD1的并联电路。电阻器R11以及电阻器R12的串联电路的连接点连接于开关元件Q2的基极。而且，二极管D3以图示极性并联连接于电阻器R11以及电阻器R12的串联电路，从而使驱动线圈L2中相对于二极管D3为逆极性地感应产生的电压旁通。
如此，本实施方式与第5实施方式相比较，开关元件Q1、缓冲放大器BA、驱动线圈L2的结构不同。
接下来，对第6实施方式的电路动作进行说明。当将直流电源DC接通至输入端T3、T4间时，最先，开关元件Q1的栅极为无电位，因此开关元件Q1以充分的导通度来导通，增加电流流经第1电路A内的电感器L1。另外，在导通初期，开关元件Q1的栅极电位为0，因此开关元件Q1以充分的导通度来导通，因而即使开关元件Q1中产生脉冲电压，导通动作也不会发生混乱。
在第1电路A中，当增加电流流经电感器L1时，在与该电感器L1磁耦合的驱动线圈L2中，感应产生相对于二极管D3为逆极性的电压。由此，开关元件Q2导通，因此对缓冲放大器BA的非反转输入端子施加的电压以及输出电压均成为低的正电压。其结果，栅极电位成为相对较高的负电位例如-5V。其结果，开关元件Q1的电流-电压特性的饱和电流值变小，例如成为220mA。
因此，上述饱和电流值成为使开关元件Q1断开时的第1阈值，因此当增加电流达到220mA时，开关元件Q1骤然饱和而成为恒电流状态，驱动线圈L2的感应电压变为0。于是，开关元件Q2无顺向偏压而断开。另一方面，开关元件Q1相对于分压电路VD1、电容器C3以及齐纳二极管ZD1的并联电路而经由二极管D2连接于驱动线圈L2，因此缓冲放大器BA的输出电压变高，因而开关元件Q1的源极成为高的正电位，相反地，栅极电位成为相对较低的负电位例如-8V，开关元件Q1断开。
当开关元件Q1断开时，在电容器C3中存在残留电荷，因此分压电路VD1的输出持续，因而开关元件Q1在规定期间保持为断开状态。此外，当开关元件Q1断开时，蓄积在电感器L1中的电磁能量放出而减少电流在第2电路B内流动。并且，当减少电流变为0时，开关元件Q1无栅极电压，因此再次导通，以后反复上述电路动作。
在以上的电路动作中，在输出电容器C2中连续流动有增加电流与减少电流，因此对输出端T5、T6间输出DC-DC转换后的直流电力，连接于该输出端T5、T6的负载LC受到赋能而工作。
对本发明的若干实施方式进行了说明，但这些实施方式仅为例示，并不意图限定发明的范围。这些新颖的实施方式可以其他各种形态来实施，在不脱离发明的主旨的范围内可进行各种省略、替换、变更。这些实施方式或其变形包含在发明的范围或主旨内，并且包含在其均等的范围内。

Claims (11)

1.一种开关电源装置，其特征在于包括：
直流电源；以及
开关动作转换电路，连接于所述直流电源，
所述开关动作转换电路包括，
电感器；
开关元件，其是宽带隙半导体晶体管，在导通时使增加电流从所述直流电源流向所述电感器；
二极管，在所述开关元件的断开时使减少电流流经所述电感器；
栅极驱动电路，在使所述开关元件导通而所述增加电流的电流值达到所述开关元件的饱和电流值时，控制所述开关元件的栅极电压以使其断开；
输入端，连接于所述直流电源；以及
输出端，连接负载。
2.根据权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，
所述栅极驱动电路在所述减少电流的通流期间内将所述开关元件保持为断开状态，并且在使所述开关元件导通时解除所述断开状态的保持。
3.根据权利要求1或2所述的开关电源装置，其特征在于，
所述栅极驱动电路以在所述开关元件的导通期间初期产生的脉冲电流于非饱和区域内流动的方式来使所述开关元件动作。
4.根据权利要求1或2所述的开关电源装置，其特征在于，
所述栅极驱动电路在所述开关元件的1周期的开关内，导通期间内的栅极电压为可变。
5.根据权利要求4所述的开关电源装置，其特征在于，
所述栅极驱动电路在所述导通期间内，在导通之后立即供给比断开前高的栅极电压。
6.根据权利要求5所述的开关电源装置，其特征在于，
所述导通期间内的栅极电压呈阶梯状地变化。
7.根据权利要求5所述的开关电源装置，其特征在于，
所述导通期间内的栅极电压呈线性变化。
8.根据权利要求1或2所述的开关电源装置，其特征在于，
在所述栅极驱动电路中具有与所述电感器磁耦合的驱动线圈。
9.根据权利要求1或2所述的开关电源装置，其特征在于，
所述开关元件为常通型的元件。
10.根据权利要求1或2所述的开关电源装置，其特征在于，
所述开关元件为常断型的元件。
11.一种照明装置，其特征在于包括：
权利要求1至10中任一项所述的开关电源装置；以及
照明负载，连接于所述开关电源装置的输出端。
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