(57)【要約】【課題】安全性の高い電源装置及び照明装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータと、保護回路と、を備えた電源装置が提供される。ＤＣ−ＤＣコンバータは、ノーマリオン形のスイッチング素子と、スイッチング素子に直列に接続されスイッチング素子に流れる電流を制御するノーマリオン形の電流制御素子と、電流制御素子に直列に接続された整流素子と、を含み、入力された第１直流電圧をスイッチング素子のオン・オフによって絶対値の異なる第２直流電圧に変換し、第２直流電圧を負荷に供給する。保護回路は、スイッチング素子及び電流制御素子に所定値以上の電流が流れた時に、スイッチング素子及び電流制御素子に流れる電流を遮断する。【選択図】図１
2015065040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノーマリオン形のスイッチング素子と、前記スイッチング素子に直列に接続され前記スイッチング素子に流れる電流を制御するノーマリオン形の電流制御素子と、前記電流制御素子に直列に接続された整流素子と、を含み、入力された第１直流電圧を前記スイッチング素子のオン・オフによって絶対値の異なる第２直流電圧に変換し、前記第２直流電圧を負荷に供給するＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記スイッチング素子及び前記電流制御素子に所定値以上の電流が流れた時に、前記スイッチング素子及び前記電流制御素子に流れる電流を遮断する保護回路と、
を備えた電源装置。
【請求項２】
前記保護回路は、前記負荷に流れる出力電流を検出し、前記出力電流が所定値以上の時に、前記整流素子を短絡させる請求項１記載の電源装置。
【請求項３】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記電流制御素子に直列に接続されたインダクタと、前記インダクタと磁気結合するとともに前記スイッチング素子の制御端子に接続された帰還巻き線と、をさらに含み、
前記保護回路は、前記帰還巻き線と前記スイッチング素子の前記制御端子との間に接続された感温抵抗素子を含み、前記スイッチング素子及び前記電流制御素子に所定値以上の電流が流れた時に、前記感温抵抗素子の抵抗値を変化させ、前記スイッチング素子をオン状態に保持する請求項１記載の電源装置。
【請求項４】
前記スイッチング素子及び前記電流制御素子は、ワイドバンドギャップ半導体を含み、
前記整流素子は、シリコンを含み、
前記保護回路は、前記スイッチング素子及び前記電流制御素子に所定値以上の電流が流れた時に、前記整流素子に耐圧以上の電流を流して前記整流素子を短絡破壊させる請求項１記載の電源装置。
【請求項５】
照明負荷と、
前記照明負荷に電力を供給する請求項１〜４のいずれか１つに記載の電源装置と、
を備えた照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電源装置及び照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
照明装置において、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）などの発光素子への置き換えが進んでいる。こうした光源に電力を供給する電源装置では、スイッチングによって電力を変換するスイッチング素子に、ノーマリオン形の素子が用いられている。ノーマリオン形のスイッチング素子を含む電源装置では、安全性の向上が望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−０３４５６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
安全性の高い電源装置及び照明装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータと、保護回路と、を備えた電源装置が提供される。前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、ノーマリオン形のスイッチング素子と、前記スイッチング素子に直列に接続され前記スイッチング素子に流れる電流を制御するノーマリオン形の電流制御素子と、前記電流制御素子に直列に接続された整流素子と、を含み、入力された第１直流電圧を前記スイッチング素子のオン・オフによって絶対値の異なる第２直流電圧に変換し、前記第２直流電圧を負荷に供給する。前記保護回路は、前記スイッチング素子及び前記電流制御素子に所定値以上の電流が流れた時に、前記スイッチング素子及び前記電流制御素子に流れる電流を遮断する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の実施形態によれば、安全性の高い電源装置及び照明装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係る照明装置を模式的に表す回路図である。
【図２】第２の実施形態に係る照明装置を模式的に表す回路図である。
【図３】第３の実施形態に係る照明装置を模式的に表す回路図である。
【図４】第４の実施形態に係る照明装置を模式的に表す回路図である。
【図５】第４の実施形態に係る別の照明装置を模式的に表す回路図である。
【図６】第５の実施形態に係る照明装置を模式的に表す回路図である。
【図７】インダクタ電流の波形の一例を表すグラフ図である。
【図８】第５の実施形態に係る別の照明装置を模式的に表す回路図である。
【図９】第６の実施形態に係る照明装置を模式的に表す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。  
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は適宜省略する。
【０００９】
（第１の実施形態）  
図１は、第１の実施形態に係る照明装置を模式的に表す回路図である。  
図１に表したように、照明装置１０は、電源装置１２と、照明負荷１４（負荷）と、を備えている。  
電源装置１２は、一対の入力端子１２ａ、１２ｂと、一対の出力端子１２ｃ、１２ｄと、を有している。出力端子１２ｃに設定される電位は、出力端子１２ｄに設定される電位よりも高い。以下では、出力端子１２ｃを高電位出力端子１２ｃと称し、出力端子１２ｄを低電位出力端子１２ｄと称す。
【００１０】
照明負荷１４は、高電位出力端子１２ｃと低電位出力端子１２ｄとの間に接続される。なお、本願明細書において、「接続」とは、電気的な接続を意味し、物理的に接続されていない場合や他の要素を介して接続されている場合も含むものとする。
【００１１】
照明負荷１４は、照明光源１６を有する。照明光源１６には、例えば、ＬＥＤが用いられる。照明光源１６には、例えば、順方向降下電圧を有する発光素子が用いられる。照明負荷１４は、電源装置１２からの出力電圧ＶＯＵＴの印加、及び、出力電流ＩＯＵＴの供給により、照明光源１６を点灯させる。また、照明負荷１４は、出力電圧ＶＯＵＴ及び出力電流ＩＯＵＴの少なくともいずれかを変化させて調光することができる。なお、出力電圧ＶＯＵＴ、出力電流ＩＯＵＴの値は、照明光源１６に応じて規定される。
【００１２】
電源装置１２は、交流電源２及び調光器３と接続されている。交流電源２は、一対の入力端子１２ａ、１２ｂの間に接続されている。調光器３は、交流電源２と入力端子１２ａとの間に接続されている。
【００１３】
交流電源２は、例えば、商用電源である。調光器３は、交流電源２の交流の電源電圧ＶＩＮから導通角制御した交流電圧ＶＣＴを生成する。電源装置１２は、調光器３から供給される交流電圧ＶＣＴを出力電圧ＶＯＵＴに変換して照明負荷１４に出力することにより、照明光源１６を点灯させる。また、電源装置１２は、導通角制御された交流電圧ＶＣＴに同期して、照明光源１６の調光を行う。なお、調光器３は、必要に応じて設けられ、省略可能である。調光器３が設けられていない場合には、交流電源２の電源電圧ＶＩＮが、電源装置１２に供給される。以下では、調光器３が接続されている場合を例に説明を行う。
【００１４】
調光器３の導通角制御には、例えば、ゼロクロス直後から遮断されるとともに特定の位相で導通する位相制御（リーディングエッジ（leading edge）型）の方式と、交流電圧のゼロクロス直後から導通するとともに特定の位相で遮断される逆位相制御（トレーリングエッジ（trailing edge）型)の方式とがある。
【００１５】
位相制御する調光器３は、回路構成が簡単であり、比較的大きな電力負荷を扱うことができる。しかし、トライアックが使用されている場合は、軽負荷動作が困難で、電源電圧が一時的に低下するいわゆる電源ディップが発生すると不安定動作に陥りやすい。また、容量性負荷を接続した場合は、突入電流が発生するため容量性負荷との相性が悪いなどの特徴がある。
【００１６】
一方、逆位相制御する調光器３は、軽負荷でも動作可能であり、容量性負荷を接続しても突入電流が発生せず、また電源ディップが発生しても動作が安定である。しかし、回路構成が複雑であり、温度が上昇し易いため、重負荷に向かない。また、誘導性負荷を接続した場合は、サージが発生するなどの特徴がある。
【００１７】
本実施形態では、調光器３として、交流電源２と入力端子１２ａとの間に直列に接続された構成を例示しているが、他の構成でもよい。
【００１８】
電源装置１２は、ＡＣ−ＤＣコンバータ２０と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２と、保護回路２４と、を含む。また、電源装置１２は、基板１３を含む。ＡＣ−ＤＣコンバータ２０、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２及び保護回路２４は、基板１３に実装される。基板１３は、例えば、有機材料を含む。基板１３の耐熱温度は、例えば、１５０℃以上である。
【００１９】
ＡＣ−ＤＣコンバータ２０は、交流電圧ＶＣＴを直流電圧に変換する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２２は、ＡＣ−ＤＣコンバータ２０から供給される直流電圧から出力電圧ＶＯＵＴを生成し、出力電圧ＶＯＵＴを照明負荷１４に供給する。保護回路２４は、照明負荷１４を過電流または過電流に伴う発熱から保護する。
【００２０】
ＡＣ−ＤＣコンバータ２０は、例えば、整流回路と、平滑コンデンサと、を含む。整流回路は、交流電圧ＶＣＴを整流し、交流電圧ＶＣＴから脈流の電圧を生成する。整流回路は、例えば、交流電圧ＶＣＴを全波整流する。平滑コンデンサは、整流回路によって整流された脈流電圧を平滑化し、脈流電圧を直流電圧に変換する。これにより、交流電圧ＶＣＴが、直流電圧に変換される。ＡＣ−ＤＣコンバータ２０は、高電位端子２０ａと低電位端子２０ｂとを有する。ＡＣ−ＤＣコンバータ２０は、高電位端子２０ａと低電位端子２０ｂとの間に直流電圧を生じさせる。
【００２１】
ＤＣ−ＤＣコンバータ２２は、例えば、スイッチング素子４０、電流制御素子４１、整流素子４２、インダクタ４３、帰還巻き線４４、結合コンデンサ４５、分圧抵抗４６、４７、及び、出力コンデンサ４８を有する。
【００２２】
スイッチング素子４０及び電流制御素子４１は、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）であり、ノーマリオン形の素子である。スイッチング素子４０及び電流制御素子４１は、例えば、ＧａＮやＳｉＣなどのワイドバンドギャップ半導体を含む。スイッチング素子４０及び電流制御素子４１には、例えば、ワイドバンドギャップ半導体素子が用いられる。
【００２３】
スイッチング素子４０のドレインは、ＡＣ−ＤＣコンバータ２０の高電位端子２０ａに接続される。スイッチング素子４０のソースは、電流制御素子４１のドレインに接続される。すなわち、電流制御素子４１は、スイッチング素子４０に直列に接続される。電流制御素子４１のドレイン−ソース間の電流経路は、スイッチング素子４０のドレイン−ソース間の電流経路に対して直列に接続される。スイッチング素子４０のゲート（制御端子）は、結合コンデンサ４５を介して、帰還巻き線４４の一端に接続される。また、スイッチング素子４０のゲートには、保護ダイオードが接続されている。
【００２４】
電流制御素子４１のソースは、照明負荷１４に対して直列に接続される。電流制御素子４１のゲートは、電流制御素子４１のドレイン−ソース間に流れる電流を制御するための電極である。
【００２５】
電流制御素子４１のソースは、インダクタ４３の一端と帰還巻き線４４の他端とに接続される。電流制御素子４１のゲートには、電流制御素子４１のソース電位を分圧抵抗４６、４７で分圧した電圧が入力される。電流制御素子４１のソースは、インダクタ４３を介して照明負荷１４に接続される。分圧抵抗４６は、照明負荷１４に対して並列に接続される。すなわち、電流制御素子４１のゲートには、照明負荷１４の電圧（順方向電圧）を分圧抵抗４６、４７で分圧した電圧が入力される。電流制御素子４１のゲートには、ソースよりも低い電位が供給される。
【００２６】
分圧抵抗４６には、コンデンサ５０とツェナーダイオード５２とが、それぞれ並列に接続されている。分圧抵抗４６、コンデンサ５０及びツェナーダイオード５２は、ローパスフィルタとして機能する。
【００２７】
分圧抵抗４６とコンデンサ５０との時定数は、例えば、電源電圧ＶＩＮ（交流電圧）の半周期以下である。すなわち、分圧抵抗４６とコンデンサ５０との時定数は、例えば、１２０Ｈｚ以下である。また、分圧抵抗４６とコンデンサ５０との時定数は、例えば、スイッチング素子４０のスイッチング周波数の周期以上である。例えば、スイッチング素子４０のスイッチング周波数が１ＭＨｚで、電源電圧ＶＩＮの周波数が６０Ｈｚである場合、分圧抵抗４６とコンデンサ５０との時定数は、１μｓｅｃ以上８．３ｍｓｅｃ以下である。例えば、上記の時定数を満足するように、コンデンサ５０の容量が設定される。
【００２８】
インダクタ４３と帰還巻き線４４とは、インダクタ４３の一端から他端に増加する電流が流れるとき、スイッチング素子４０のゲートに正極性の電圧が供給される極性で磁気結合している。
【００２９】
整流素子４２は、電流制御素子４１のソースと低電位端子２０ｂとの間に、低電位端子２０ｂから電流制御素子４１の方向を順方向として接続されている。整流素子４２には、例えば、ショットキーバリアダイオードが用いられる。
【００３０】
インダクタ４３の他端は、高電位出力端子１２ｃに接続され、低電位端子２０ｂは、低電位出力端子１２ｄに接続される。また、出力コンデンサ４８は、高電位出力端子１２ｃと低電位出力端子１２ｄとの間に接続される。照明負荷１４は、高電位出力端子１２ｃと低電位出力端子１２ｄとの間に、出力コンデンサ４８と並列に接続される。
【００３１】
この例では、整流素子４２と電流制御素子４１のソースとの間に、半導体素子５４が設けられている。半導体素子５４には、例えば、ＧａＮ−ＨＥＭＴなどが用いられる。半導体素子５４は、例えば、ワイドバンドギャップ半導体を含む。半導体素子５４には、例えば、ワイドバンドギャップ半導体素子が用いられる。半導体素子５４は、例えば、ノーマリオン形である。半導体素子５４のゲートは、低電位端子２０ｂに接続される。これにより、半導体素子５４は、オン状態で保持される。
【００３２】
保護回路２４は、半導体素子６０と、電流検出抵抗６１と、コンデンサ６２と、ヒューズ６３と、を含む。電流検出抵抗６１の一端は、低電位出力端子１２ｄに接続される。電流検出抵抗６１の他端は、低電位端子２０ｂに接続される。これにより、電流検出抵抗６１には、出力電流ＩＯＵＴが流れる。
【００３３】
半導体素子６０のドレインは、半導体素子５４のソースに接続される。半導体素子６０のソースは、低電位端子２０ｂに接続される。半導体素子６０のゲートは、コンデンサ６２を介して低電位出力端子１２ｄと電流検出抵抗６１との間に接続される。これにより、半導体素子６０のゲートには、電流検出抵抗６１と出力電流ＩＯＵＴとに応じた電圧が印加される。半導体素子６０には、ノーマリオフ形のスイッチング素子が用いられる。半導体素子６０は、所定値以上の出力電流ＩＯＵＴが流れた時に、オンになる。
【００３４】
ヒューズ６３は、入力端子１２ａとＡＣ−ＤＣコンバータ２０との間に接続されている。ヒューズ６３は、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１に所定値以上の電流が流れた時に、エレメント部分を溶断させ、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１に流れる電流を遮断する。より詳しくは、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１のドレイン−ソース間に流れる電流を遮断する。
【００３５】
このように、保護回路２４は、例えば、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１に所定値以上の電流が流れた時に、ヒューズ６３を溶断させることにより、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１に流れる電流を遮断する。
【００３６】
ヒューズ６３の定格電流は、半導体素子６０をオフにした状態で、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１に流れる最大の電流よりも大きい。ヒューズ６３の定格電流は、半導体素子６０をオンにした状態で、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１に流れる電流よりも小さい。
【００３７】
なお、ヒューズ６３を接続する位置は、入力端子１２ａとＡＣ−ＤＣコンバータ２０との間に限らない。ヒューズ６３は、例えば、ＡＣ−ＤＣコンバータ２０の高電位端子２０ａとスイッチング素子４０のドレインとの間に接続してもよい。ヒューズ６３を接続する位置は、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１に流れる電流を遮断できる任意の位置でよい。
【００３８】
次に、電源装置１２の動作について説明する。  
まず、調光器３の調光度がほぼ１００％に設定され、入力される電源電圧ＶＩＮがほぼそのまま伝達される場合、すなわちＤＣ−ＤＣコンバータ２２に最も高い直流電圧が入力される場合について説明する。
【００３９】
電源電圧ＶＩＮが、電源装置１２に供給されるとき、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１は、ノーマリオン形の素子であるため、いずれもオンしている。そして、スイッチング素子４０、電流制御素子４１、インダクタ４３、出力コンデンサ４８の経路で電流が流れ、出力コンデンサ４８が充電される。出力コンデンサ４８の両端の電圧、すなわち高電位出力端子１２ｃと低電位出力端子１２ｄとの間の電圧は、電源装置１２の出力電圧ＶＯＵＴとして、照明負荷１４の照明光源１６に供給される。なお、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１がオンしているため、整流素子４２には、逆電圧が印加される。整流素子４２には、実質的に電流が流れない。
【００４０】
出力電圧ＶＯＵＴが所定電圧に達すると、照明光源１６に出力電流ＩＯＵＴが流れ、照明光源１６が点灯する。このとき、スイッチング素子４０、電流制御素子４１、インダクタ４３、出力コンデンサ４８及び照明光源１６の経路で電流が流れる。例えば、照明光源１６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１６に応じて定まる。また、照明光源１６が消灯した場合、出力電流ＩＯＵＴが流れないため、出力コンデンサ４８は、出力電圧ＶＯＵＴの値を保持する。
【００４１】
ＤＣ−ＤＣコンバータ２２に入力される直流電圧は、出力電圧ＶＯＵＴと比較して十分に高い。すなわち、入出力間の電位差ΔＶは、十分に大きい。このため、インダクタ４３を流れる電流は増加していく。帰還巻き線４４は、インダクタ４３と磁気結合しているため、帰還巻き線４４には、結合コンデンサ４５側を高電位とする極性の起電力が誘起される。そのため、スイッチング素子４０のゲートには、結合コンデンサ４５を介してソースに対して正の電位が供給され、スイッチング素子４０はオンの状態を維持する。
【００４２】
電流制御素子４１を流れる電流が上限値を超えると、電流制御素子４１のドレイン−ソース間電圧は、急激に上昇する。そのため、スイッチング素子４０のゲート−ソース間電圧が閾値電圧よりも低くなり、スイッチング素子４０はオフする。上限値は、電流制御素子４１の飽和電流値であり、電流制御素子４１のゲートに入力される電位により規定される。電流制御素子４１のゲート電位は、分圧抵抗４６、４７に供給される直流電圧、照明光源１６の電圧、及び、分圧抵抗４６、４７の分圧比によって設定される。なお、上記のとおり、電流制御素子４１のゲート電位は、ソースに対して負電位のため、飽和電流値を適正値に制限することができる。
【００４３】
インダクタ４３は、整流素子４２、出力コンデンサ４８及び照明負荷１４の経路で電流を流し続ける。このとき、インダクタ４３は、エネルギーを放出するため、インダクタ４３の電流は、減少していく。このため、帰還巻き線４４には、結合コンデンサ４５側を低電位とする極性の起電力が誘起される。スイッチング素子４０のゲートには、結合コンデンサ４５を介してソースに対して負の電位が供給され、スイッチング素子４０はオフの状態を維持する。
【００４４】
インダクタ４３に蓄積されていたエネルギーがゼロになると、インダクタ４３を流れる電流はゼロになる。帰還巻き線４４に誘起される起電力の方向が再び反転し、結合コンデンサ４５側を高電位とする起電力が誘起される。これにより、スイッチング素子４０のゲートにソースよりも高い電位が供給され、スイッチング素子４０が再びオンする。これにより、上記の出力電圧ＶＯＵＴが所定電圧に達した状態に戻る。
【００４５】
以後、上記の動作を繰り返す。これにより、スイッチング素子４０のオン及びオフへの切替が自動的に繰り返されて、照明光源１６には電源電圧ＶＩＮを降下した出力電圧ＶＯＵＴが供給される。すなわち、電源装置１２においては、スイッチング素子４０のスイッチング周波数が、分圧抵抗４６、４７によって設定される。また、照明光源１６に供給される電流は、電流制御素子４１により上限値の制限された実質的に一定の電流となる。そのため、照明光源１６を安定に点灯させることができる。電流制御素子４１は、換言すれば、定電流素子である。
【００４６】
このように、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２は、入力された第１直流電圧をスイッチング素子４０のオン・オフによって絶対値の異なる第２直流電圧に変換し、第２直流電圧を照明負荷１４に供給する。この例において、第１直流電圧は、ＡＣ−ＤＣコンバータ２０から供給される直流電圧である。第２直流電圧は、出力電圧ＶＯＵＴである。ＤＣ−ＤＣコンバータ２２に入力される第１直流電圧は、ＡＣ−ＤＣコンバータ２０によって生成される直流電圧に限らない。例えば、外部の電源などから第１直流電圧をＤＣ−ＤＣコンバータ２２に直接供給してもよい。
【００４７】
調光器３の調光度が１００％よりも小さい値に設定され、入力される交流電圧ＶＣＴが導通角制御されて伝達される場合、すなわちＤＣ−ＤＣコンバータ２２に高い直流電圧が入力される場合についても、スイッチング素子４０が発振を継続できる場合は、上記と同様である。調光器３の調光度に応じて、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２に入力される直流電圧の値が変化して、出力電流ＩＯＵＴの平均値を制御することができる。従って、調光度に応じて、照明負荷１４の照明光源１６を調光することができる。
【００４８】
また、調光器３の調光度がさらに小さい値に設定される場合、すなわちＤＣ−ＤＣコンバータ２２に入力される直流電圧がさらに低い場合には、スイッチング素子４０がオンしてもインダクタ４３の両端の電位差が小さいため、インダクタ４３を流れる電流が増加することができない。したがって、スイッチング素子４０は、オフの状態にならず、一定の直流電流を出力する。すなわち、電源装置１２は、調光器３の調光度が小さい場合、すなわち、入出力間の電位差ΔＶが小さい場合、シリーズレギュレータのような動作をする。
【００４９】
このように、電源装置１２は、電位差ΔＶが所定値よりも大きいとスイッチング動作し、電位差ΔＶが小さいと、シリーズレギュレータのような動作をする。電位差ΔＶが大きい場合は、電位差ΔＶと電流との積が大きく、シリーズレギュレータの動作を行うと損失が大きくなる。したがって、電位差ΔＶが大きい場合に、スイッチング動作をすることは、低消費電力化に適する。また、電位差ΔＶが小さい場合は、損失は小さいため、シリーズレギュレータとして動作をすることは問題ない。
【００５０】
また、電源装置１２では、電位差ΔＶが所定値よりも小さいときは、スイッチング素子４０はオフの状態にならずにオンの状態を継続したまま電流が振動して、電流の平均値で照明負荷１４の照明光源１６を点灯させる。また、電位差ΔＶがさらに小さいときは、スイッチング素子４０は、オンの状態を継続したまま、直流電流を照明負荷１４に出力して照明光源１６を点灯させる。その結果、電源装置１２では、出力電流をゼロまで連続的に変化させることができる。例えば、照明装置１０において、照明負荷１４の照明光源１６をスムーズに消灯させることができる。
【００５１】
電源装置１２では、電位差ΔＶに応じて、スイッチング素子４０のスイッチング動作時における最大値から、スイッチング素子４０のオンの状態を継続したまま直流電流を出力する際の最小値まで出力電流ＩＯＵＴを連続的に変化させることができる。例えば、照明装置１０において、照明光源１６を連続的に０〜１００％の範囲で調光することができる。
【００５２】
電源装置１２では、照明光源１６の電圧を分圧抵抗４６、４７で分圧して電流制御素子４１のゲートに入力することにより、スイッチング素子４０のスイッチング周波数を設定している。照明光源１６の電圧は、電源電圧ＶＩＮや交流電圧ＶＣＴなどの入力電圧が歪んでも、ある程度安定する。従って、上記のように、照明光源１６の電圧を分圧抵抗４６、４７で分圧して電流制御素子４１のゲートに入力することで、特別な制御リファレンスなどを用意することなく、入力電圧の歪みに起因する照明光源１６の輝度の変化を抑制することができる。例えば、照明光源１６のチラツキを抑制することができる。例えば、入力電圧の変動にともなう照明光源１６の電圧の変動を抑えることができる。
【００５３】
電源装置１２では、分圧抵抗４６に対してコンデンサ５０を並列に接続し、ローパスフィルタを形成している。そして、電源装置１２では、分圧抵抗４６とコンデンサ５０との時定数を、例えば、電源電圧ＶＩＮの半周期以下としている。これにより、例えば、スイッチング素子４０のスイッチングにともなって、電流制御素子４１のゲート電位が変動してしまうことを抑制することができる。例えば、インダクタ４３が介在していても、分圧抵抗４６、４７に現れるようになり、電流制御素子４１のゲート電位をより安定させることができる。すなわち、照明光源１６の輝度の変化をより適切に抑制することができる。例えば、スイッチング周波数を高くし、コンデンサ５０の容量を小さくする。これにより、例えば、応答性が高くなり、比較的広い範囲の電流リプルを抑えることができる。
【００５４】
電源装置１２では、ゲートの破壊などにより、スイッチング素子４０または電流制御素子４１が無制御状態に陥ってしまう場合がある。この場合、例えば、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１に照明負荷１４の定格電流を超える過大な電流が流れる。
【００５５】
電源装置１２において、過大な出力電流ＩＯＵＴが流れると、保護回路２４の半導体素子６０のゲート電位が高くなり、半導体素子６０がオンになる。半導体素子６０がオンになると、整流素子４２が短絡される。整流素子４２を短絡させると、半導体素子５４のゲート−ソース間電圧が高くなり、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１により大きな電流が流れるようになる。前述のように、ヒューズ６３の定格電流は、半導体素子６０をオンにした状態で、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１に流れる電流よりも小さい。これにより、半導体素子６０をオンにし、より大きな電流をスイッチング素子４０及び電流制御素子４１に流すと、ヒューズ６３が溶断し、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１に流れる電流が遮断される。すなわち、出力電流ＩＯＵＴが遮断される。
【００５６】
保護回路２４を含まない電源装置では、スイッチング素子４０または電流制御素子４１が無制御状態になった場合に、定格以上の出力電流ＩＯＵＴが照明負荷１４に流れ続けてしまう場合がある。この場合、例えば、照明負荷１４を破損させてしまう。特に、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１にワイドバンドギャップ半導体素子を用いた場合、Ｓｉ半導体などに比べてドレイン−ソース間の温度耐性が高い。このため、高温になってもドレイン−ソース間が破壊されずに過電流が流れ続けてしまう。例えば、素子の温度が基板１３の耐熱温度を超え、基板１３を損傷させてしまう。
【００５７】
これに対して、本実施形態に係る電源装置１２では、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１に所定値以上の電流が流れた時に、ヒューズ６３が溶断し、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１に流れる電流が遮断される。これにより、照明負荷１４や基板１３の過電流による損傷を抑制することができる。
【００５８】
このように、本実施形態に係る照明装置１０及び電源装置１２では、照明負荷１４や基板１３の過電流による損傷を抑制し、安全性を向上させることができる。
【００５９】
なお、この例では、ヒューズ６３を溶断させることによって、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１に流れる電流を遮断している。これに限ることなく、例えば、半導体素子６０をオンにして、より大きな電流をスイッチング素子４０及び電流制御素子４１に流すことにより、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１の少なくとも一方を破壊する。これにより、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１に流れる電流を遮断してもよい。
【００６０】
（第２の実施形態）  
図２は、第２の実施形態に係る照明装置を模式的に表す回路図である。  
図２に表したように、照明装置１００の電源装置１０２では、保護回路２４が、ヒューズ６３と、サーミスタ６４（感温抵抗素子）と、整流素子６５と、を含む。
【００６１】
サーミスタ６４は、帰還巻き線４４とスイッチング素子４０のゲートとの間に接続される。より具体的には、サーミスタ６４は、帰還巻き線４４と結合コンデンサ４５との間に接続される。サーミスタ６４は、温度上昇にともなって抵抗値を増大させる温度特性を有する。サーミスタ６４は、いわゆるＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）サーミスタである。感温抵抗素子は、サーミスタに限ることなく、温度の変化にともなって抵抗値を変化させる任意の素子でよい。
【００６２】
整流素子６５は、サーミスタ６４に対して並列に接続される。整流素子６５は、結合コンデンサ４５から帰還巻き線４４に向かう方向を順方向として接続される。
【００６３】
電源装置１０２では、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１に過電流が流れると、過電流にともなう温度上昇をサーミスタ６４が検知し、サーミスタ６４の抵抗が増大する。サーミスタ６４の抵抗が高くなった場合でも、結合コンデンサ４５の放電時は、整流素子６５を介して電荷が流れるため、変化はない。一方、結合コンデンサ４５の充電時には、増大したサーミスタ６４の抵抗値によって電圧降下が起こり、スイッチング素子４０のゲート電圧が低下する。このため、スイッチング素子４０が常にオンの状態になる。
【００６４】
このように、保護回路２４は、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１に所定値以上の電流が流れた時に、サーミスタ６４の抵抗値を変化させ、スイッチング素子４０をオン状態に保持する。なお、サーミスタ６４は、温度上昇にともなって抵抗値を減少させる温度特性を有する素子を用いてもよい。サーミスタ６４を含む保護回路２４の回路構成は、スイッチング素子４０をオン状態に保持できる任意の回路でよい。
【００６５】
電源装置１０２では、例えば、電流制御素子４１が無制御状態になって過電流が流れた場合に、スイッチング素子４０を常にオン状態にすることにより、より大きな電流が、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１に流れる。これにより、ヒューズ６３が溶断し、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１に流れる電流が遮断される。
【００６６】
このように、本実施形態に係る照明装置１００及び電源装置１０２においても、照明負荷１４や基板１３の過電流による損傷を抑制し、安全性を向上させることができる。
【００６７】
（第３の実施形態）  
図３は、第３の実施形態に係る照明装置を模式的に表す回路図である。  
図３に表したように、照明装置１１０の電源装置１１２では、保護回路２４が省略されている。電源装置１１２においては、電流制御素子４１の飽和電流値が、スイッチング素子４０の最大定格電流以上である。
【００６８】
電源装置１１２では、例えば、電流制御素子４１が無制御状態になって過電流が流れた場合に、スイッチング素子４０の最大定格電流を超える電流が、スイッチング素子４０に流れる。これにより、スイッチング素子４０が破壊され、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１に流れる電流が遮断される。
【００６９】
このように、本実施形態に係る照明装置１１０及び電源装置１１２においても、照明負荷１４や基板１３の過電流による損傷を抑制し、安全性を向上させることができる。
【００７０】
（第４の実施形態）  
図４は、第４の実施形態に係る照明装置を模式的に表す回路図である。  
図４に表したように、照明装置１２０の電源装置１２２では、保護回路２４が、ヒューズ６３と、抵抗６６と、サーミスタ６７（感温抵抗素子）と、を含む。
【００７１】
抵抗６６は、高電位端子２０ａと半導体素子５４のゲートとの間に接続されている。サーミスタ６７は、半導体素子５４のゲートと低電位端子２０ｂとの間に接続されている。これにより、電源装置１２２のＤＣ−ＤＣコンバータ２２では、ＡＣ−ＤＣコンバータ２０から出力される直流電圧を抵抗６６とサーミスタ６７とで分圧した電圧が、半導体素子５４のゲートに印加される。
【００７２】
サーミスタ６７は、温度上昇にともなって抵抗値を増大させる温度特性を有する。サーミスタ６７は、いわゆるＰＴＣサーミスタである。半導体素子５４のゲート電圧は、サーミスタ６７の抵抗の増大に応じて高くなる。半導体素子５４のドレイン−ソース間に流れる電流は、サーミスタ６７の抵抗の増大に応じて大きくなる。
【００７３】
電源装置１２２では、整流素子４２が、シリコンを含む。整流素子４２は、例えば、シリコンダイオードである。より詳しくは、シリコンショットキーバリアダイオードである。整流素子４２の耐電圧は、半導体素子５４のゲートの閾値電圧の絶対値よりも大きく、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の入力電圧よりも小さい。ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の入力電圧とは、すなわち、ＡＣ−ＤＣコンバータ２０から供給される直流電圧である。整流素子４２の逆方向の降伏電圧は、半導体素子５４のゲートの閾値電圧の絶対値よりも大きく、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の入力電圧よりも小さい。
【００７４】
電源装置１２２では、例えば、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１の少なくとも一方が無制御状態になって過電流が流れた場合に、過電流にともなう温度上昇をサーミスタ６７が検知し、サーミスタ６７の抵抗が増大する。サーミスタ６７の抵抗が増大すると、半導体素子５４に流れる電流が大きくなり、耐圧以上の電流が整流素子４２に流れる。これにより、整流素子４２が、短絡破壊される。整流素子４２を短絡破壊させると、半導体素子５４のゲート−ソース間電圧の上昇と、整流素子４２の短絡と、にともない、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１に流れる電流が大きくなる。これにより、ヒューズ６３が溶断し、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１に流れる電流が遮断される。
【００７５】
このように、本実施形態に係る照明装置１２０及び電源装置１２２においても、照明負荷１４や基板１３の過電流による損傷を抑制し、安全性を向上させることができる。
【００７６】
なお、整流素子４２を短絡破壊させた時に、スイッチング素子４０の最大定格電流以上の電流が、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１に流れるようにしてもよい。この場合には、最大定格以上の電流によって、スイッチング素子４０が破壊される。スイッチング素子４０の破壊により、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１に流れる電流が遮断される。
【００７７】
図５は、第４の実施形態に係る別の照明装置を模式的に表す回路図である。  
図５に表したように、照明装置１２４の電源装置１２６では、保護回路２４が、半導体素子６０と、ヒューズ６３と、抵抗６６と、サーミスタ６７と、を含む。
【００７８】
半導体素子６０のドレインは、半導体素子５４のソースと整流素子４２との間に接続されている。半導体素子６０のソースは、低電位端子２０ｂに接続されている。抵抗６６は、高電位端子２０ａと半導体素子６０のゲートとの間に接続されている。サーミスタ６７は、半導体素子６０のゲートと低電位端子２０ｂとの間に接続されている。サーミスタ６７は、上記と同様に、ＰＴＣサーミスタである。
【００７９】
半導体素子６０のゲートには、ＡＣ−ＤＣコンバータ２０から出力される直流電圧を抵抗６６とサーミスタ６７とで分圧した電圧が印加される。半導体素子６０のゲート電圧は、サーミスタ６７の抵抗の増大に応じて高くなる。半導体素子６０は、サーミスタ６７の抵抗が所定値以上になった時に、オフ状態からオン状態に遷移する。半導体素子６０がオン状態になると、整流素子４２が短絡される。これにより、上記の各実施形態と同様に、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１に大きな電流が流れてヒューズ６３が溶断し、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１に流れる電流が遮断される。
【００８０】
本実施形態に係る照明装置１２４及び電源装置１２６においても、照明負荷１４や基板１３の過電流による損傷を抑制し、安全性を向上させることができる。このように、保護回路２４は、温度により抵抗値が変化する感温抵抗素子（サーミスタ６７）を用いて駆動するスイッチ（半導体素子５４、６０）を用いて、シリコンダイオード（整流素子４２）の両端に耐圧以上の電圧を印加、または、短絡する回路でもよい。なお、感温抵抗素子は、温度上昇にともなって抵抗値を減少させる温度特性を有する素子を用いてもよい。
【００８１】
（第５の実施形態）  
図６は、第５の実施形態に係る照明装置を模式的に表す回路図である。  
図６に表したように、照明装置１３０の電源装置１３２では、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２が、整流素子５６をさらに含む。整流素子５６は、整流素子４２と低電位端子２０ｂとの間に接続されている。また、整流素子５６は、低電位端子２０ｂから整流素子４２に向かう方向を順方向として接続されている。すなわち、この例では、半導体素子５４と低電位端子２０ｂとの間に整流素子４２と整流素子５６とが、直列に接続されている。電源装置１３２において、整流素子４２、５６は、シリコンを含む。整流素子４２、５６は、シリコンダイオードである。
【００８２】
上記各実施形態で示した電源装置は、いわゆる降圧チョッパ回路である。降圧チョッパ回路を、インダクタ電流臨界モードで動作させることで、スイッチング素子４０のオン・オフに伴うスイッチング損失を低減することができる。この時、整流素子４２の接合容量が大きい場合、インダクタ４３の電流がゼロまで減少した時点で、スイッチング素子４０をターンオンさせると、整流素子４２の接合容量を充電するために、カソードからアノードに向かって電流が流れる。接合容量がＡＣ−ＤＣコンバータ２０から供給される直流電圧まで充電された時点で、スイッチング素子４０をターンオンさせることで、ゼロ電流スイッチングを維持できる。
【００８３】
負荷は直流で動作するものであり、インダクタ電流の平均値に相当する直流電流が流れる。たとえば負荷として、ＬＥＤを想定すると、明るさを一定とするため、つまりＬＥＤに流れる直流電流を一定にするため、スイッチング電流のピーク値が一定となるように、ターンオフのタイミングを決める制御をおこなうことができる。
【００８４】
図７は、インダクタ電流の波形の一例を表すグラフ図である。  
例えば、図７に示すように、負荷電流を一定にするために、細線で示す第１波形ＷＰ１のように、スイッチ電流のピーク（＝インダクタ電流のピーク）を一定にするようにターンオフのタイミングを決め、インダクタ電流がゼロになるタイミングでスイッチ素子をターンオンさせることができる。一方、ダイオードの接合容量が大きい場合は、同図の太線で示す第２波形ＷＰ２のように、接合容量を充電するための電流が、インダクタの逆方向に流れる。この場合、負荷電流が等しくなるようにするためには、スイッチ電流のピークを大きくする必要がある。これにより、回路を流れる無効電流が発生し、回路電流を増加させる。この電流は負荷には寄与しないため、これが流れる部品の損失を増加させてしまう。この現象は、スイッチング周波数が高いほど顕著に表れる。
【００８５】
これに対して、本実施形態に係る電源装置１３２では、ダイオードを２個直列接続した構成にする。これにより、２つのダイオードの接合容量が直列接続されることになり、等価的にダイオードと並列に存在する容量成分を小さくすることができる。従って、接合容量を充電するための電流は小さく、かつ短い時間で充電を完了することができる。これに伴い、回路を流れる無効電流が低減し、回路損失も低減できる。この時、スイッチング素子４０を１００ｋＨｚ以上の周波数でオン・オフ制御することで、より効果的に無効電流を低減することができる。
【００８６】
また、電源装置１３２では、保護回路２４を設け、過電流が流れた時に、整流素子４２、５６を短絡または短絡破壊する。これにより、上記各実施形態で示したように、例えば、ヒューズ６３が溶断し、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１に流れる電流が遮断される。これにより、安全性を高めることもできる。なお、図６では、整流素子４２、５６を短絡破壊させる保護回路２４を例示しているが、保護回路２４の構成は、上記各実施形態のいずれの構成としてもよい。また、この例では、２つの整流素子４２、５６を直列に接続した例を示しているが、直列に接続する整流素子の数は、３つ以上でもよい。
【００８７】
図８は、第５の実施形態に係る別の照明装置を模式的に表す回路図である。  
図８に表したように、照明装置１３４の電源装置１３６では、整流素子４２が、高速整流ダイオードであり、整流素子５６が、ショットキーバリアダイオードである。１００ｋＨｚ以上の周波数で動作させるためには、ダイオードも高速でオン・オフできる必要がある。また、ダイオードに順方向に電流が流れているときの、ダイオードの損失を低減させるため、順方向電圧が小さいことが好ましい。
【００８８】
そこで、電源装置１３６では、上記２種類のダイオードを直列接続させる。高速整流ダイオードは、接合容量が小さく、高速でスイッチング可能であり、さらに、高い耐圧性能を有する。ショットキーバリアダイオードは、高速でスイッチング可能であるとともに、順方向電圧が低い。従って、このように接続することで、高速スイッチング性能を損なうことなく、また、順方向電圧を低く抑え、等価的な接合容量を低減することができる。これに伴い、回路を流れる無効電流をより低減させ、回路損失をより低減させることができる。
【００８９】
（第６の実施形態）  
図９は、第６の実施形態に係る照明装置を模式的に表す回路図である。  
図９に表したように、照明装置１４０の電源装置１４２では、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２が、集積回路７０をさらに含む。集積回路７０は、スイッチング素子４０、電流制御素子４１、整流素子４２、半導体素子５４、及び、整流素子５６を含む。集積回路７０は、上記の各部を１チップ化した１つの部品である。
【００９０】
集積回路７０は、第１端子７０ａ〜第６端子７０ｆを有する。第１端子７０ａは、スイッチング素子４０のドレインに接続されている。第２端子７０ｂは、電流制御素子４１のソースに接続されている。第３端子７０ｃは、スイッチング素子４０のゲートに接続されている。第４端子７０ｄは、電流制御素子４１のゲートに接続されている。第５端子７０ｅは、整流素子５６のアノードに接続されている。第６端子７０ｆは、半導体素子５４のゲートに接続されている。
【００９１】
集積回路７０において、半導体素子５４及び整流素子５６は、必要に応じて設けられ、省略可能である。整流素子５６を省略した場合、第５端子７０ｅは、整流素子４２のアノードに接続されている。
【００９２】
例えば、整流素子４２、５６を外付けの別部品として構成した場合、ダイオードチップを内包するパッケージに設けられた端子が必要であり、この端子によりダイオードと並列に寄生容量が接続されることになる。これは、ダイオードの接合容量とも並列に接続されるので、これに伴う無効電流が増加してしまう。
【００９３】
これに対して、本実施形態に係る電源装置１４２では、集積回路７０を設け、整流素子４２、５６を含むように集積化している。これにより、電源装置１４２では、前述の寄生容量を削除することができるので、無効電流をより低減させることができる。回路損失をより低減させることができる。
【００９４】
以上、具体例を参照しつつ実施形態について説明したが、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。
【００９５】
例えば、スイッチング素子４０及び電流制御素子４１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、耐圧を等しくする場合、シリコン半導体素子よりも小さくできるために寄生容量が小さく、高速動作が可能なため、スイッチング周期を短くすることができ、巻線部品やコンデンサなどの小形化が可能となる。
【００９６】
照明光源１６はＬＥＤに限らず、例えば、有機ＥＬ（Electro-Luminescence）やＯＬＥＤ（Organic light-emitting diode）などでもよい。照明負荷１４には、複数の照明光源１６が直列又は並列に接続されていてもよい。
【００９７】
上記実施形態では、直流負荷として、照明負荷１４を示しているが、これに限ることなく、例えば、ヒータなどの他の直流負荷でもよい。上記実施形態では、電源装置として、照明装置に用いられる電源装置を示しているが、これに限ることなく、直流負荷に対応する任意の電源装置でよい。
【００９８】
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。
【符号の説明】
【００９９】
２…電源、  ３…調光器、  １０、１００、１１０、１２０、１２４、１３０、１３４、１４０…照明装置、  １２、１０２、１１２、１２２、１２６、１３２、１３６、１４２…電源装置、  １３…基板、  １４…照明負荷（負荷）、  １６…照明光源、  ２０…ＡＣ−ＤＣコンバータ、  ２２…ＤＣ−ＤＣコンバータ、  ２４…保護回路、  ４０…スイッチング素子、  ４１…電流制御素子、  ４２…整流素子、  ４３…インダクタ、  ４４…帰還巻き線、  ４５…結合コンデンサ、  ４６、４７…分圧抵抗、  ４８…出力コンデンサ、  ５０…コンデンサ、  ５２…ツェナーダイオード、  ５４…半導体素子、  ５６…整流素子、  ６０…半導体素子、  ６１…電流検出抵抗、  ６２…コンデンサ、  ６３…ヒューズ、  ６４…サーミスタ（感温抵抗素子）、  ６５…整流素子、  ６６…抵抗、  ６７…サーミスタ（感温抵抗素子）、  ７０…集積回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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