CN104470048A - 电源装置及照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种小型且高效的电源装置及照明装置。本发明实施方式的电源装置包括：导电性的第一安装基板；第一开关元件，安装于所述第一安装基板上；电流控制元件，安装于所述第一安装基板上，具有与所述第一安装基板连接的主端子，与所述第一开关元件串联连接，且限制所述第一开关元件的电流；以及第二开关元件，与所述电流控制元件串联连接，且在所述第一开关元件断开时流过电流。

Description

电源装置及照明装置

技术领域

本发明的实施方式涉及一种电源装置及照明装置。

背景技术

近年来，照明装置中，照明光源正从白炽灯或荧光灯而替换为节省能源、长寿命的光源，例如发光二极管(Light-emitting diode：LED)。例如，也开发了电致发光(Electro-Luminescence，EL)或有机发光二极管(Organiclight-emitting diode：OLED)等新的照明光源。

这些照明光源的亮度依赖于所流动的电流值。为了使照明装置稳定地点灯，需要定电流输出型的电源装置。为了使所输入的电源电压符合LED等照明光源的额定电压，还需要对电压进行转换。作为适合于高效率且省电化·小型化的电源，有斩波方式的直流-直流(direct current-direct current，DC-DC)转换器等开关电源。

作为该开关电源中所使用的开关元件，有包含宽带隙的化合物半导体的开关元件。其中，由氮化镓(GaN)等氮化物半导体形成的高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor：HEMT)正受到瞩目。这是因为其具有高耐压与低导通电阻特性，可进行高频开关。只要导通电阻下降，高速开关成为可能，则可使构成输出滤波器的电感器、电容器小型化。为了实现电源装置整体的小型化，也需要元件自身的小型化。也需要同时地推进立足于氮化物半导体的特性的高效率化。

[现有技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]日本专利特开2008-198735号公报

[专利文献2]日本专利特开2012-034569号公报

发明内容

本发明要解决的课题

本发所欲解决的课题在于提供一种小型且高效的电源装置及照明装置。

解决课题的手段

实施方式的电源装置包括：导电性的第一安装基板；第一开关元件，安装于所述第一安装基板上；电流控制元件，安装于所述第一安装基板上，具有与所述第一安装基板连接的主端子，与所述第一开关元件串联连接，且限制所述第一开关元件的电流；以及第二开关元件，与所述电流控制元件串联连接，且在所述第一开关元件断开时流过电流。

实施方式的照明装置包括：所述电源装置；以及照明负载，成为所述电源装置的负载电路。

发明的效果

根据本发明，可提供小型且高效率的电源装置及照明装置。

附图说明

图1是例示包含第一实施方式的电源装置的照明装置的电路图。

图2是设置于第一实施方式的电源装置的半导体封装体的示意平面配置图。

图3(a)、图3(b)是表示GaN HEMT的泄漏电流特性的特性图。

图4是设置于第二实施方式的电源装置的半导体封装体的示意平面配置图。

图5是半导体封装体的示意电路图。

图6是例示包含第三实施方式的电源装置的照明装置的电路图。

图7是设置于第三实施方式的电源装置的半导体封装体的示意平面配置图。

符号的说明

1、56：照明装置

2：直流电压源

3、57：电源装置

4：照明负载

5：交流电源

6：整流器

7：输入滤波器电容器

8、54、58：半导体封装体

9、11：开关元件

10：电流控制元件

12～14：二极管

15：定电压二极管

16：电阻

17：电容器

18、19：电感器

20：输出滤波器电容器

21：高电位输入端子

22：低电位输入端子

23：高电位输出端子

24：低电位输出端子

25：密封树脂

26～31：端子

32、33：焊盘

34、35：半导体芯片

36～44、59、60：接合垫

45～52、55、61：接合线

53、62：金属配线

Cd：二极管的电容

Cds：并联连接的第二开关元件的漏极·源极间电容与漏极·焊盘间电容相加所得的电容

IR：泄漏电流

Vdg：GaN HEMT的漏极·栅极间电压

Vgs10：电流控制元件的栅极·源极间电压

Vgs11：第二开关元件的栅极·源极间电压

Vsg：源极·栅极间电压

具体实施方式

以下，一边参照附图，一边对实施方式进行说明。以下的说明中，对相同的构件附上相同的符号，并对已说明的构件适当省略其说明。

(第一实施方式)

图1是包含第一实施方式的电源装置的照明装置的电路图。

图2是设置于本实施方式的电源装置的半导体封装体的示意性平面配置图。

照明装置1包括：电源装置3，将直流电压源2的输出电压转换为所需的电压；以及照明负载4，成为电源装置3的负载电路，从电源装置3被供给电力而点灯。照明负载4具有例如LED等照明光源。直流电压源2例如具有交流电源5及整流器6。图1中，作为直流电压源2，表示有如下的直流电压源：利用作为整流器6的例如桥接型整流电路对作为交流电源5的例如商用交流电源的交流电压进行整流，并输出直流电压。

电源装置3包括：输入滤波器电容器7，半导体封装体8，二极管12、二极管13、二极管14，定电压二极管15，电阻16，电容器17，电感器18、电感器19，以及输出滤波器电容器20。半导体封装体8包括第一开关元件9、电流控制元件10、以及第二开关元件11。这些元件为包含化合物半导体的常通(normally on)型晶体管，例如为由氮化镓(GaN)等氮化物半导体形成的高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor：HEMT)。二极管12例如为硅肖特基势垒二极管。电感器18与电感器19磁耦合。

另外，本申请说明书中，“氮化物半导体”包含在BxInyAlzGal-x-y-z N(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，x+y+z≤1)的化学式中，使组成比x、组成比y及组成比z在各自的范围内变化而得的所有组成的半导体。而且，“氮化物半导体”进而包含以下半导体：在所述化学式中，还包含N(氮)以外的V族元素的半导体，还包含为了控制导电性等各种物性而添加的各种元素的半导体，及还包含无意地包含的各种元素的半导体。

直流电压源2的输出被输入至电源装置3的高电位输入端子21与低电位输入端子22之间。输入滤波器电容器7连接于电源装置3的高电位输入端子21与低电位输入端子22之间。电源装置3的高电位输入端子21连接于第一开关元件9的漏极，第一开关元件9的源极连接于第二电流控制元件10的漏极。第二电流控制元件10的源极连接于第二开关元件11的漏极，第二开关元件11的源极连接于二极管12的阴极。

二极管12的阳极连接于电源装置3的低电位输入端子22。第二开关元件11的漏极连接于第一电感器18的一端。第一电感器18的另一端连接于输出滤波器电容器20的一端。输出滤波器电容器20的另一端连接于电源装置3的低电位输入端子。第二电感器19的一端连接于第二开关元件11的漏极，另一端经由电容器17而连接于第一开关元件9的栅极。第二电感器19设为如下的接线，即，在第一电感器18的电流增加时感应出使第一开关元件9导通的电压，在第一电感器18的电流减少时，感应出使第一开关元件9断开的电压。

二极管14的阳极连接于第一开关元件9的栅极，二极管14的阴极连接于电流控制元件10的源极。二极管13的阳极连接于电流控制元件10的栅极，二极管13的阴极连接于电流控制元件10的源极。第二开关元件11的栅极连接于二极管12的阳极。定电压二极管15的阴极连接于第二开关元件11的漏极，定电压二极管15的阳极连接于电阻16的一端。电阻16的另一端连接于电源装置3的低电位输入端子22。电流控制元件10的栅极连接于定电压二极管15的阳极。电源装置3的输出从输出滤波器电容器20的两端被取出至高电位输出端子23、低电位输出端子24，且被供给至照明负载4。

如图2所示，半导体芯片34与半导体芯片35安装于半导体封装体8内。另外，图2是示意性地表示半导体封装体8的内部构造的平面图，实际上，半导体芯片34或半导体芯片35等利用密封树脂25而铸模(mold)。半导体芯片34安装于导线架的焊盘(1and)(第一安装基板)32上，半导体芯片35安装于导线架的焊盘(第二安装基板)33上。焊盘32、焊盘33具导电性。这些焊盘由密封树脂25所覆盖且得到封装。

半导体芯片34包括第一开关元件9以及电流控制元件10。半导体芯片35包括第二开关元件11。半导体芯片34、半导体芯片35中形成着接合垫。接合垫36、接合垫39、接合垫42分别与作为第一开关元件9、电流控制元件10及第二开关元件11的主端子的漏极电极相对应。而且，接合垫37、接合垫40、接合垫43分别与作为第一开关元件9、电流控制元件10及第二开关元件11的主端子的源极电极相对应。进而，接合垫38、接合垫41、接合垫44分别与作为第一开关元件9、电流控制元件10及第二开关元件11的控制端子的栅极电极相对应。除接合垫37、接合垫39外的所述接合垫，分别利用接合线45～接合线51而连接于附近的导线架。

所述导线架作为端子26～端子31而被抽出至外部。开关元件9的漏极连接于端子26，开关元件9的栅极连接于端子29。电流控制元件10的源极连接于端子27，电流控制元件10的栅极连接于端子30。开关元件11的漏极连接于端子27，开关元件11的源极连接于端子28。开关元件11的栅极连接于端子31。

开关元件9的源极利用形成于垫间的金属配线53而连接于电流控制元件10的漏极。

电流控制元件10的源极经由接合线47、导线架、接合线52而电连接于导线架的焊盘32。

然后，对电源装置3的运行进行说明。

首先，对第二开关元件11与二极管12的运行进行说明。所述第二开关元件11与二极管12作为整流单元而运行。在二极管12的阳极侧被施加了正的电压的情况下，二极管12导通。作为常通型的元件的第二开关元件11也导通。整流单元为在正向被施加电压的状态，从而成为导通状态。在对二极管12的阳极侧施加了负的电压的情况下，二极管12非导通。因第二开关元件11的栅极·源极间电压Vgs11为负的值，所以第二开关元件11也断开。整流单元为在反方向被施加电压的状态，从而成为断开状态。

在反方向被施加了电压的情况下，施加到二极管12的逆电压为第二开关元件11的电压Vgs11。该电压为数伏(V)左右，因而可使用低耐压的硅肖特基势垒二极管等来作为二极管12。一般来说，低耐压的硅肖特基势垒二极管的正向电压低。因第二开关元件11导通时的正向电压也低，所以作为整流单元整体来看的正向电压能够低于GaN二极管单体。

然后，对电流控制元件10的运行进行说明。

在定电压二极管15、电阻16的作用下，电流控制元件10的栅极·源极间电压Vgs10为负的电压。电流控制元件10具有与该Vgs10相对应的阈值电流。在电流控制元件10的漏极电流小于该阈值时，电流控制元件10显示低导通电阻。如果漏极电流超过阈值，那么电流控制元件10的导通电阻急增，从而电流控制元件10显示定电流特性。

以下，一边参照所述包含第二开关元件11与二极管12的整流单元及电流控制元件10的特性，一边对电源装置3的运行进行说明。

(1)在直流电源2的输出电压被施加至高电位输入端子21与低电位输入端子22之间时，因第一开关元件9及电流控制元件10为常通型的元件，所以成为导通状态。于是，在高电位输入端子21、第一开关元件9、电流控制元件10、电感器18、输出滤波器电容器20、低电位输入端子22的路径上流通电流，输出滤波器电容器20被充电。电感器18中储存电磁能量。

(2)因第一开关元件9及电流控制元件10导通，所以包含第二开关元件11与二极管12的整流单元的两端被施加电源装置3的输入电压。因在反方向被施加了电压，所以整流单元为非导通的状态。

(3)流过电感器18的电流随时间的经过而增加。因电感器19与电感器18磁耦合，所以电感器19中感应出将电容器17侧作为高电位的极性的电动势，所述电容器17作为耦合电容器而发挥作用。第一开关元件9的栅极中经由电容器17而被供给相对于源极为正的电位，第一开关元件9维持导通的状态。

(4)如果流过电感器18的电流超过电流控制元件10的阈值，则电流控制元件10的漏极·源极间的电压因导通电阻的急增而急剧上升。第一开关元件9的栅极·源极间的电压成为负的且大的值，从而第一开关元件9断开。

(5)电感器18中产生逆电动势。因在正向被施加电压，所以包含第二开关元件11与二极管12的整流单元为导通状态。电流在整流单元、电感器18、输出滤波器电容器20的路径上持续流通。因释放电磁能量，所以电感器18的电流减少。由电感器19感应出的负的电压得以维持，而第一开关元件9继续维持断开的状态。

(6)如果储存在电感器18中的电磁能量为零，则流过电感器18的电流为零。电动势的方向再次反转，电感器19中感应出以电容器17侧为高电位的电动势。第一开关元件9的栅极中被供给比源极高的电压，从而第一开关元件9导通。回到所述(1)的状态。

以后，重复进行(1)～(6)。输入电压经转换后被供给至照明负载4。第一实施方式中，电源装置3作为降压转换器而运行。二极管13、二极管14分别限制第一开关元件9、电流控制元件10的栅极的电位。

然而，在由GaN系半导体形成的HEMT中，有漏极电流受到漏极·源极间电压的影响的被称作电流崩塌(current collapse)的现象。所述现象为刚施加高电压后不久的GaN HEMT的导通电阻增高的现象。作为对策，有将GaNHEMT的源极端子或栅极端子电连接于导线架的焊盘的方法。

使用表1来说明对策的效果。

表1是例示GaN HEMT的电压施加前后的导通电阻的变化的表。即，表1以电压施加前为基准来表示对GaN HEMT的漏极·源极间施加500V的电压前后的导通电阻的变化。

[表1]

将源极或栅极连接于导线架的焊盘的情况与未连接于导线架的情况相比，可知导通电阻的增加少。如所述那样，在图2所示的半导体封装体中，电流控制元件10的源极连接于导线架的焊盘33。由此，可减小电流崩塌对开关元件9与电流控制元件10的影响。

使用图3(a)、图3(b)来对其他效果进行说明。

图3(a)、图3(b)是表示GaN HEMT的泄漏电流特性的特性图。

图3(a)、图3(b)的横轴表示对包含GaN HEMT与二极管的整流单元施加逆电压而GaN HEMT为断开状态的情况下的GaN HEMT的漏极·栅极间电压Vdg。图3(a)、图3(b)的纵轴中，第一轴表示源极·栅极间电压Vsg，第二轴表示泄漏电流IR。

在将栅极连接于导线架的焊盘的情况下，可知伴随Vdg的增加，IR也增加。如果IR增加，则电源装置的转换效率降低。IR的增加也引起Vsg的增加，成为转换效率进一步降低的原因。这是因为，为了施加正向电压而使GaNHEMT导通，需要对Vsg进行放电，该放电电力成为损耗。

另一方面，在将源极连接于导线架的焊盘的情况下或不连接任何端子的情况下，IR与Vsg几乎不增加。

根据所述的结果，可知通过将GaN HEMT的源极连接于导线架的焊盘，能够应对电流崩塌与泄漏电流这两者。

对第一实施方式的效果进行说明。通过将第一开关元件9、电流控制元件10、第二开关元件11安装在一个半导体封装体8中，而获得能够小型化的效果。通过将电流控制元件的源极连接于导线架的焊盘，可减小电流崩塌的影响，并抑制导通电阻的增加。同时，也可抑制泄漏电流的增加。由此，也获得抑制转换效率的降低的效果。

另外，本实施方式中，半导体封装体8中，将端子27设置于与端子26及端子28相同的侧部，但也可将端子27设置于与端子29～端子31相同的半导体封装体8的侧部。通过将端子27设置于与端子29～端子31相同的侧部，可将被施加直流电压或低频的脉动的部分与被施加高频的部分加以区分，从而在半导体封装体8中，可确保沿面距离，并且可实施对半导体封装体8的静电对策。

(第二实施方式)

对第二实施方式进行说明。

图4是设置于第二实施方式的电源装置的半导体封装体的示意平面配置图。

第二实施方式的电源装置的其他部分可设为与第一实施方式相同。

本实施方式的电源装置的半导体封装体54是相对于第一实施方式的半导体封装体8追加接合线55的连接而成。第二开关元件11的源极经由接合线50、导线架、接合线55，而电连接于导线架的焊盘33。根据图4可知，焊盘32与焊盘33分离。

第二开关元件11的源极连接于导线架的焊盘33，因此对于第二开关元件11而言，也可减小电流崩塌与泄漏电流的影响。

然而，也考虑了如下构造，即，第一开关元件9、电流控制元件10、第二开关元件11配置于单一的焊盘上，并非电流控制元件10的源极连接于该焊盘，而是第二开关元件11的源极连接于该焊盘。然而，在为该构造的情况下，会发生如下的问题。

因将第二开关元件11的源极连接于单一的焊盘，所以第二开关元件11的漏极·源极间成为连接着大的电容的状态。将该情形表示于图5中。

图5是半导体封装体的示意电路图。

第一开关元件9、电流控制元件10、第二开关元件11配置于焊盘32上。第二开关元件11的源极经由接合线50、接合线55而连接于焊盘32。Cds为并联连接的第二开关元件11的漏极·源极间电容与漏极·焊盘间电容相加所得的电容。Cd为二极管12的电容。

因大面积的焊盘32连接于第二开关元件11的源极，所以Cds相对于Cd为大的值。在第一开关元件9与电流控制元件10为导通状态时，第二开关元件11与二极管12中被施加对电源装置3的输入电压利用Cds与Cd进行分压所得的电压。因Cds相对于Cd而较大，所以二极管12中被施加相对较大的电压。超过了第二开关元件11的栅极·源极间的耐压，从而有第二开关元件11被击穿的可能。

然后，对将焊盘分为三个的情况进行研究。

将第一开关元件9、电流控制元件10、第二开关元件11设为单一的半导体芯片。将各半导体芯片分别配置于焊盘上，且将源极连接于各个焊盘。在为该构造的情况下也会发生问题。

因被施加高电压，所以第一开关元件9中，该构造作为电流崩塌、泄漏电流对策是有效的。另一方面，第一开关元件9的漏极·源极间与图5的开关元件11同样地成为连接着大的电容的状态。因此，会产生第一开关元件9的开关运行延迟这样的问题。

另一方面，电流控制元件10中，因断开状态时的施加电压低，所以电流崩塌不太会成为问题。几乎不需要将电流控制元件10的源极连接于焊盘。

基于以上的研究，如图4的实施方式所示，第一开关元件9与电流控制元件10配置于焊盘32，第二开关元件11配置于与所述焊盘32不同的焊盘33。认为将电流控制元件10的源极连接于焊盘32，第二开关元件11的源极连接于焊盘33的方式为理想的形态。

对第二实施方式的效果进行说明。

与第一实施方式同样地，通过将第一开关元件9、电流控制元件10、第二开关元件11安装在一个半导体封装体54而获得可小型化的效果。不仅对第一开关元件9、电流控制元件10，也可抑制第二开关元件11的电流崩塌与泄漏电流的影响，还可获得抑制转换效率的降低的效果。

另外，本实施方式也与第一实施方式同样地将端子27设置于与端子29～端子31相同的半导体封装体54的侧部。通过将端子27设置于与端子29～端子31相同的侧部，可将被施加直流电压或低频的脉动的部分与被施加高频的部分加以区分，从而在半导体封装体54中，可确保沿面距离，并且可实施对半导体封装体54的静电对策。

(第三实施方式)

然后，对第三实施方式进行说明。

图6是包含第三实施方式的电源装置的照明装置的电路图。

图7是设置于本实施方式的电源装置的半导体封装体的示意平面配置图。

如图6所示，照明装置56包括直流电压源2、电源装置57、以及照明负载4。

电源装置57包括输入滤波器电容器7、半导体封装体58、二极管13、二极管14、定电压二极管15、电阻16、电容器17、电感器18、电感器19、以及输出滤波器电容器20。

如图7所示，本实施方式的半导体封装体58包括第一开关元件9、电流控制元件10、第二开关元件11、以及二极管12。二极管12为与第二开关元件11相同的GaN半导体。

接合垫59与阳极电极相对应，接合垫60与阴极电极相对应。二极管12的阳极经由接合线61而连接于端子31。开关元件11的源极利用形成于垫间的金属配线62而连接于二极管12的阴极。

本实施方式的电源装置，在第一实施方式的电源装置3中，在半导体封装体8内包含二极管12而成为半导体封装体58。除此以外，可与第一实施方式的电源装置3相同。电源装置57的运行也与电源装置3相同。

对第三实施方式的效果进行说明。根据本实施方式，可与第一实施方式同样地，抑制第一开关元件9与电流控制元件10的电流崩塌及泄漏电流的影响，获得抑制转换效率的降低的效果。第一开关元件9、电流控制元件10、第二开关元件11、二极管12安装于一个半导体封装体58内，因此获得可比第一实施方式进一步小型化的效果。

另外，本实施方式也可与第一实施方式及第二实施方式同样地，将端子27设置于与端子29～端子31相同的半导体封装体58的一侧部。通过将端子27设置于与端子29～端子31相同的一侧部，而可将被施加直流电压或低频的脉动的部分与被施加高频的部分加以区分，从而在半导体封装体58中，可确保沿面距离，并且可实施对半导体封装体58的静电对策。

以上，一边参照具体例一边对实施方式进行说明，但并不限定于这些，可进行各种变形。

例如，第一开关元件9、电流控制元件10及第二开关元件11不限定于GaN系HEMT。例如，也可为在半导体基板上使用如碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)或金刚石这样的具有宽带隙的半导体(宽带隙半导体)而形成的半导体元件。此处，所谓宽带隙半导体，是指比带隙约为1.4eV的砷化镓(GaAs)大的带隙的半导体。例如，包括带隙为1.5eV以上的半导体、磷化镓(GaP，带隙约为23eV)、氮化镓(GaN，带隙约3.4eV)、金刚石(c，带隙约5.27eV)、氮化铝(A1N，带隙约5.9eV)、碳化硅(SiC)等。

另外，照明负载4并不限定于LED，例如可为有机EL(Electro-Luminescence)或OLED(Organic light-emitting diode)等。

以上，已一边参照具体例一边对实施方式进行了说明。然而，实施方式并不限定于所述具体例。即，只要本领域技术人员在所述具体例中适当添加设计变更所得者也包括实施方式的特征，则包含于实施方式的范围内。所述各具体例所包括的各要素及其配置、材料、条件、形状、尺寸等并不限定于例示的内容，可进行适当变更。

而且，所述各实施方式所包括的各要素只要技术上成为可能则可进行合成，只要将这些要素加以组合所得者也包括实施方式的特征，则包含于实施方式的范围内。此外，应了解只要为本领域技术人员，则能够在实施方式的思想的范畴内想到各种变更例及修正例，关于这些变更例及修正例也属于实施方式的范围。

已对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为示例而提示，并不意图限定发明的范围。这些新颖的实施方式可由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、置换、变更。这些实施方式或其变形包含在发明的范围或主旨内，且包含在与其均等的范围内。

Claims (5)

1.一种电源装置，其特征在于，包括：

导电性的第一安装基板；

第一开关元件，安装于所述第一安装基板上；

电流控制元件，安装于所述第一安装基板上，具有与所述第一安装基板连接的主端子，与所述第一开关元件串联连接，且限制所述第一开关元件的电流；以及

第二开关元件，与所述电流控制元件串联连接，且在所述第一开关元件断开时流过电流。

2.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于：

还包括安装着所述第二开关元件的第二安装基板，

所述第二开关元件的主端子与所述第二安装基板连接，

所述第一安装基板与所述第二安装基板分离。

3.根据权利要求2所述的电源装置，其特征在于：

所述第一安装基板与所述第二安装基板收容在同一半导体封装体中。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电源装置，其特征在于：

所述第一开关元件与所述电流控制元件是形成于同一半导体芯片上而成。

5.一种照明装置，其特征在于，包括：

根据权利要求1至4中任一项所述的电源装置；以及

照明负载，成为所述电源装置的负载电路。