JP5822118B2

JP5822118B2 - スイッチング電源および照明装置

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Publication number: JP5822118B2
Application number: JP2011206456A
Authority: JP
Inventors: 北村　紀之; 紀之北村; 高橋　雄治; 雄治高橋
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2011-09-21
Filing date: 2011-09-21
Publication date: 2015-11-24
Anticipated expiration: 2031-09-21
Also published as: US8749154B2; EP2573926A2; US20130069551A1; CN103023338A; JP2013070489A

Description

本発明は、スイッチング電源および照明装置に関する。

スイッチング素子を利用したスイッチング電源は、直流あるいは交流の電源として各種の広範な用途に利用されている。その一例として、照明の電源としても用いられる。すなわち、近年、照明装置においては、照明光源は白熱電球や蛍光灯から省エネルギー・長寿命の光源、例えば発光ダイオード（Light-emitting diode：ＬＥＤ）への置き換えが進んでいる。また、例えば、ＥＬ（Electro-Luminescence）や有機発光ダイオード（Organic light-emitting diode：ＯＬＥＤ）など新たな照明光源も開発されている。これらの照明光源の輝度は流れる電流値に依存するため、照明を点灯させる場合は、定電流を供給する電源回路が必要になる。また、入力される電源電圧をＬＥＤなどの照明光源の定格電圧に合わせるために、電圧を変換する必要もある。高効率で省電力化・小型化に適した電源として、ＤＣ−ＤＣコンバータなどのスイッチング電源が知られている。また、入力電流のリップル成分を抑制でき、高い昇圧比を得ることができる電流プッシュプル型の放電点灯装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平０８−０４５６８０号公報

しかし、電流プッシュプル型のＤＣ−ＤＣコンバータにおいては、一対のスイッチング素子が同時にオフしないように制御する必要があり、自励発振させる場合は複雑な制御が必要になる。
本発明の実施形態は、簡易な構成で自励発振する電流プッシュプル型のスイッチング電源及び照明装置を提供することを目的とする。

本発明の実施形態によれば、トランスと、共振コンデンサと、一対のスイッチング素子と、インダクタと、整流素子とを備えたスイッチング電源が提供される。前記トランスは、一次巻き線と二次巻き線と三次巻き線とを有する。前記共振コンデンサは、前記一次巻き線の両端に接続される。前記一対のスイッチング素子は、第１の主端子と第２の主端子と制御端子とをそれぞれ有するノーマリオン型の素子である。一方のスイッチング素子の前記第１の主端子は他方のスイッチング素子の前記第１の主端子に接続される。前記一方のスイッチング素子の前記第２の主端子は前記一次巻き線の一端に接続され、前記他方のスイッチング素子の前記第２の主端子は前記一次巻き線の他端に接続される。前記一方のスイッチング素子の前記制御端子は前記三次巻き線の一端に接続され、前記他方のスイッチング素子の前記制御端子は前記三次巻き線の他端に接続される。前記一対のスイッチング素子は、前記三次巻き線に誘起される電圧に応じて交互にオフする。前記インダクタは、前記一次巻き線の中点と、前記一方のスイッチング素子の前記第１の主端子と前記他方のスイッチング素子の前記第１の主端子と、の間に、直流の電源電圧を供給する。前記整流素子は、前記二次巻き線に誘起される電圧を整流する。前記一対のスイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体素子である。

本発明の実施形態によれば、簡易な構成で自励発振する電流プッシュプル型のスイッチング電源及び照明装置を提供することができる。

実施例に係るスイッチング電源を含む照明装置を例示する回路図である。

（第１の実施形態）第１の実施形態のスイッチング電源は、一次巻き線と二次巻き線と三次巻き線とを有するトランスと、前記一次巻き線の両端に接続された共振コンデンサと、第１の主端子と第２の主端子と制御端子とをそれぞれ有するノーマリオン型の一対のスイッチング素子であって、一方のスイッチング素子の前記第１の主端子は他方のスイッチング素子の前記第１の主端子に接続され、前記一方のスイッチング素子の前記第２の主端子は前記一次巻き線の一端に接続され、前記他方のスイッチング素子の前記第２の主端子は前記一次巻き線の他端に接続され、前記一方のスイッチング素子の前記制御端子は前記三次巻き線の一端に接続され、前記他方のスイッチング素子の前記制御端子は前記三次巻き線の他端に接続されて、前記三次巻き線に誘起される電圧に応じて交互にオフする一対のスイッチング素子と、前記一次巻き線の中点と、前記一方のスイッチング素子の前記第１の主端子と前記他方のスイッチング素子の前記第１の主端子と、の間に、直流の電源電圧を供給するインダクタと、前記二次巻き線に誘起される電圧を整流する整流素子と、を持つ。

（第２の実施形態）第２の実施形態のスイッチング電源は、第１の実施形態のスイッチング電源において、前記一対のスイッチング素子の少なくとも一方の前記制御端子は、結合コンデンサを介して前記三次巻き線に接続されていることを特徴とする。

（第３の実施形態）第３の実施形態のスイッチング電源は、第１または第２の実施形態のスイッチング電源において、前記一対のスイッチング素子のそれぞれの前記制御端子にアノードが接続され前記第１の主端子にカソードが接続された一対のダイオードをさらに備えたことを特徴とする。

（第４の実施形態）第４の実施形態のスイッチング電源は、第１〜第３の実施形態のいずれか１つに記載のスイッチング電源において、前記一対のスイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体素子であることを特徴とする。

（第５の実施形態）第５の実施形態の照明装置は、第１〜第４の実施形態のいずれか１つに記載のスイッチング電源と、前記スイッチング電源の負荷回路として接続された照明負荷と、を持つ。

以下、実施例について図面を参照して詳細に説明する。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は適宜省略する。

図１は、実施例に係るスイッチング電源を含む照明装置を例示する回路図である。
図１に表したように、照明装置１は、入力される直流の電源電圧ＶＩＮを直流電圧ＶＯＵＴに降圧するスイッチング電源２と、スイッチング電源２の負荷回路となる照明負荷３を備えている。照明負荷３は、例えばＬＥＤで構成された照明光源２０を有し、スイッチング電源２から直流電圧ＶＯＵＴを供給されて点灯する。

スイッチング電源２は、トランス４と、トランス４と共振回路を構成する共振コンデンサ８と、トランス４に電源電圧ＶＩＮを供給するインダクタ９と、トランス４に流れる電流を制御する一対のスイッチング素子１０、１１と、トランス４に誘起された交流電圧を直流電圧に整流する整流素子１６、１７とを備えている。

トランス４は、一次巻き線５と、二次巻き線６と、三次巻き線７とを有している。一時巻き線５には、センタータップ（中点）５ｃが設けられ、二時巻き線６には、センタータップ（中点）６ｃが設けられている。
共振コンデンサ８は、一次巻き線５の両端に接続され、トランス４と共振回路を構成し、ほぼ一次巻き線５のインダクタンスと共振コンデンサ８のキャパシタンスで規定される共振周波数で共振する。

インダクタ９は、高電位電源端子２１と一次巻き線５の中点５ｃとの間に接続され、一次巻き線５に直流の電源電圧ＶＩＮを供給する。なお、インダクタ９のインダクタンスは、一次巻き線５のインダクタンスよりも十分大きく設定されており、上記の共振周波数に影響を与えない。

一対のスイッチング素子１０、１１は、一次巻き線５の両端の間に直列に接続される。すなわち、スイッチング素子１０の第１の端子としてのソースとスイッチング素子１１の第１の端子としてのソースとは互いに接続され、さらに低電位電源端子２２に接続される。スイッチング素子１０の第２の端子としてのドレインは、一次巻き線５の一端に接続され、スイッチング素子１１の第２の端子としてのドレインは、一次巻き線５の他端に接続される。スイッチング素子１０の制御端子としてのゲートは、結合コンデンサ１４を介して三次巻き線７の一端に接続され、スイッチング素子１１の制御端子としてのゲートは、三次巻き線７の他端に接続される。一対のスイッチング素子１０、１１の各ゲートには、三次巻き線７の両端に誘起された電圧が供給される。なお、一対のスイッチング素子１０、１１は、ノーマリオン型の素子であり、例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であり、例えば高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor：ＨＥＭＴ）である。

ダイオード１２は、スイッチング素子１０のゲートと低電位電源端子２２との間に接続され、スイッチング素子１０のゲートを三次巻き線７に生じるサージ電圧から保護する。ダイオード１３は、スイッチング素子１１のゲートと低電位電源端子２２との間に接続され、スイッチング素子１１のゲートを三次巻き線７に生じるサージ電圧から保護する。

また、コンデンサ１５は、高電位電源端子２１と低電位電源端子２２との間に接続され、高周波ノイズを除去する。
整流素子１６、１７は、二次巻き線６の両端と高電位出力端子２３との間にそれぞれ接続される。すなわち、整流素子１６、１７の各アノードは、二次巻き線６の両端にそれぞれ接続され、各カソードは互いに接続され、さらに高電位出力端子２３に接続される。二次巻き線６の中点６ｃは、低電位出力端子２４に接続される。整流素子１６，１７は、二次巻き線６に誘起された電圧を整流する。なお、整流素子１６、１７は、例えばダイオードである。

また、平滑コンデンサ１８は、整流素子１６、１７の各カソードと、二次巻き線６の中点６ｃとの間に接続される。すなわち、平滑コンデンサ１８は、高電位出力端子２３と低電位出力端子２４との間に接続され、直流電圧ＶＯＵＴを平滑化する。

また、照明負荷３は、駆動回路１９を介して高電位出力端子２３と低電位出力端子２４との間に接続された照明光源２０を有している。駆動回路１９は、例えば抵抗などのインピーダンス素子であり、例えば定電流素子であり、照明光源２０に流れる電流を制限して、照明光源を過電流による破壊から保護する。照明光源２０は、例えばＬＥＤである。

次に、スイッチング電源２の動作について説明する。
電源投入時に、電源電圧ＶＩＮが、高電位電源端子２１と低電位電源端子２２との間に供給されるとき、一対のスイッチング素子１０、１１はノーマリオン型の素子であるため、いずれもオンしている。その結果、高電位電源端子２１、インダクタ９、一次巻き線５、スイッチング素子１０、低電位電源端子２２の経路と、高電位電源端子２１、インダクタ９、一次巻き線５、スイッチング素子１１、低電位電源端子２２の経路とに電流が流れる。

スイッチング素子１０、１１をそれぞれ流れる電流の大きさにはスイッチング素子１０、１１のしきい値電圧の差などによりばらつきがあり、一方の電流値が他方よりも大きくなる。例えばスイッチング素子１０を流れる電流の方が、スイッチング素子１１を流れる電流よりも大きいとすると、スイッチング素子１０、１１を流れる電流の電流差に等しい励磁電流が流れ、二次巻き線６及び三次巻き線７に電圧が誘起される。

スイッチング素子１０のゲートにはソースに対して正の電圧が供給され、スイッチング素子１０の電流は増加する。一方、スイッチング素子１１のゲートにはソースに対して負の電圧が供給され、スイッチング素子１１の電流は減少する。この正帰還により、スイッチング素子１１はオフになる。

スイッチング素子１０がオン、スイッチング素子１１がオフの状態になると、高電位電源端子２１、インダクタ９、一次巻き線５、スイッチング素子１０、低電位電源端子２２の経路に電流が流れる。また、スイッチング素子１１がオフの状態のため、一次巻き線５は、共振コンデンサ８と共振する。二次巻き線６及び三次巻き線７には、共振電圧が誘起される。

整流素子１６は、二次巻き線６に誘起された電圧を整流し、また平滑コンデンサ１８を充電する。平滑コンデンサ１８の両端の電圧、すなわち高電位出力端子２３と低電位出力端子２４との間の直流電圧ＶＯＵＴは、スイッチング電源２の出力電圧として、照明負荷３の照明光源２０に供給される。なお、直流電圧ＶＯＵＴが所定電圧に達するまで、照明光源２０に電流は流れない。例えば、照明光源２０がＬＥＤの場合、この所定電圧は、ＬＥＤの順方向電圧であり、照明光源２０に応じて定まる。

そして、時間の経過とともに三次巻き線７に誘起される電圧の位相が変化し、スイッチング素子１０のゲート・ソース間電圧が正電圧から負電圧に変化すると、スイッチング素子１０はオフする。また、スイッチング素子１１のゲート・ソース間電圧が負電圧から正電圧に変化すると、スイッチング素子１１はオンする。

スイッチング素子１０がオフ、スイッチング素子１１がオンの状態になると、高電位電源端子２１、インダクタ９、一次巻き線５、スイッチング素子１１、低電位電源端子２２の経路で電流が流れる。そして、二次巻き線６及び三次巻き線７に誘起される共振電圧は、上記のスイッチング素子１０がオンでスイッチング素子１１がオフの状態と逆極性になる。その結果、二次巻き線６及び三次巻き線７には連続した共振電圧が誘起される。

整流素子１７は、二次巻き線６に誘起された電圧を整流し、また平滑コンデンサ１８を充電する。直流電圧ＶＯＵＴが照明負荷３の照明光源２０に供給され、直流電圧ＶＯＵＴが上記の所定電圧以上の場合、照明光源２０に電流が流れ点灯する。
さらに、三次巻き線７に誘起される電圧の位相が変化して、スイッチング素子１０のゲート・ソース間電圧が負電圧から正電圧に変化すると、スイッチング素子１０はオンする。また、スイッチング素子１１のゲート・ソース間電圧が正電圧から正電圧に変化すると、スイッチング素子１１はオンする。これにより、上記の電源投入後の状態に戻る。

以後、一対のスイッチング素子１０、１１のオン及びオフへの切替が自動的に繰り返される。その結果、照明光源２０には電源電圧ＶＩＮから生成した直流電圧ＶＯＵＴが供給され、照明光源２０を安定に点灯させることができる。

なお、一対のスイッチング素子１０、１１がノーマリオン型の素子であるため、三次巻き線７に誘起される正弦波形の共振電圧により一対のスイッチング素子１０、１１がオンとオフとに切り替わるときに、ともにオンになる期間が生じる。その結果、電流プッシュプル型のスイッチング電源において必要とされるインダクタ９にエネルギーを蓄積する期間を確保することができる。

次に、本実施例の効果について説明する。
本実施例においては、ノーマリオン型の一対のスイッチング素子１０、１１を自励発振させているため、起動回路が不要である。起動回路に低抵抗の起動抵抗を用いた場合、損失を生じるが、本実施例においては、起動抵抗が不要であるため、損失を低減できる。また、簡易な構成でスイッチング素子が同時にオンする期間を設けて電流プッシュプル型のスイッチング電源を構成することができる。

また、本実施例においては、一対のスイッチング素子１０、１１がノーマリオン型の素子であるため、三次巻き線７に誘起される正弦波形の共振電圧により一対のスイッチング素子１０、１１がオンとオフとに切り替わるときに、ともにオンになる期間が形成しやすく、その結果、電流プッシュプル型のスイッチング電源において必要とされるインダクタ９にエネルギーを蓄積する期間を確保することができる。

さらに、一対のスイッチング素子１０、１１としてＨＥＭＴを用いた場合、高周波動作が可能となる。例えば、メガヘルツオーダーの動作が可能となる。特に、ＧａＮ系ＨＥＭＴを用いた場合、より一層の高周波動作が可能でありトランスを小型化できる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施例について説明した。しかし、本発明は、それらに限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、スイッチング電源の構成は、図１に表したものに限定されない。例えば、インダクタ９は、一次巻き線５の中点５ｃとスイッチング素子１０、１１の各ソースとの間に、直流の電源電圧ＶＩＮを供給できればよく、低電位電源端子２２とスイッチング素子１０、１１の各ソースとの間に接続されていてもよい。

また、例えば、三次巻き線７に中点を設けて、三次巻き線７の両端に一対のスイッチング素子１０、１１の各制御端子をそれぞれ接続し、三次巻き線の中点を低電位電源端子２２に接続してもよい。

また、スイッチング素子１０、１１はＧａＮ系ＨＥＭＴには限定されない。例えば、半導体基板に炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）やダイヤモンドのようなワイドバンドギャップを有する半導体（ワイドバンドギャップ半導体）を用いて形成した半導体素子でもよい。ここで、ワイドバンドギャップ半導体とは、バンドギャップが約１．４ｅＶのヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）よりもバンドギャップの広い半導体をいう。例えば、バンドギャップが１．５ｅＶ以上の半導体、リン化ガリウム（ＧａＰ、バンドギャップ約２．３ｅＶ）、窒化ガリウム（ＧａＮ、バンドギャップ約３．４ｅＶ）、ダイアモンド（Ｃ、バンドギャップ約５．２７ｅＶ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ、バンドギャップ約５．９ｅＶ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などが含まれる。このようなワイドバンドギャップ半導体素子は、寄生容量を小さくして高速動作させることが可能なため、さらにトランスの小型化が可能であり、スイッチング電源を小型化することができる。

また、整流素子１６、１７が二次巻き線６お中点６ｃに接続され、全波整流する構成を例示した。しかし、二次巻き線６には中点６ｃを設けなくてもよく、ブリッジ整流回路としてもよい。

さらにまた、照明光源２０はＬＥＤに限らず、ＥＬやＯＬＥＤなどでもよく、照明負荷３には、複数個の照明光源２０が直列又は並列に接続されていてもよい。
また、前述の実施例においては、スイッチング電源の負荷として照明光源を用いる場合を例示したが、例示したスイッチング電源は、照明光源だけでなく、直流で駆動される負荷であれば用いることができる。

本発明のいくつかの実施形態および実施例を説明したが、これらの実施形態または実施例は、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または実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態または実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…照明装置、２…スイッチング電源、３…照明負荷、４…トランス、５…一次巻き線、５ｃ…センタータップ（中点）、６…二次巻き線、６ｃ…センタータップ（中点）、７…三次巻き線、８…共振コンデンサ、９…インダクタ、１０、１１…スイッチング素子、１２、１３…ダイオード、１４…結合コンデンサ、１５…コンデンサ、１６、１７…整流素子、１８…平滑コンデンサ、１９…駆動回路、２０…照明光源、２１…高電位電源端子、２２…低電位電源端子、２３…高電位出力端子、２４…低電位出力端子

Claims

一次巻き線と二次巻き線と三次巻き線とを有するトランスと、
前記一次巻き線の両端に接続された共振コンデンサと、
第１の主端子と第２の主端子と制御端子とをそれぞれ有するノーマリオン型の一対のスイッチング素子であって、一方のスイッチング素子の前記第１の主端子は他方のスイッチング素子の前記第１の主端子に接続され、前記一方のスイッチング素子の前記第２の主端子は前記一次巻き線の一端に接続され、前記他方のスイッチング素子の前記第２の主端子は前記一次巻き線の他端に接続され、前記一方のスイッチング素子の前記制御端子は前記三次巻き線の一端に接続され、前記他方のスイッチング素子の前記制御端子は前記三次巻き線の他端に接続されて、前記三次巻き線に誘起される電圧に応じて交互にオフする一対のスイッチング素子と、
前記一次巻き線の中点と、前記一方のスイッチング素子の前記第１の主端子と前記他方のスイッチング素子の前記第１の主端子と、の間に、直流の電源電圧を供給するインダクタと、
前記二次巻き線に誘起される電圧を整流する整流素子と、
を備え、
前記一対のスイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体素子であることを特徴とするスイッチング電源。
前記一対のスイッチング素子の少なくとも一方の前記制御端子は、結合コンデンサを介して前記三次巻き線に接続されていることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源。
前記一対のスイッチング素子のそれぞれの前記制御端子にアノードが接続され前記第１の主端子にカソードが接続された一対のダイオードをさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のスイッチング電源。
請求項１〜３のいずれか１つに記載のスイッチング電源と、
前記スイッチング電源の負荷回路として接続された照明負荷と、
を備えたことを特徴とする照明装置。