專利名稱：開關(guān)電源裝置以及照明裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種開關(guān)(switching)電源裝置以及使用該開關(guān)電源裝置的照明裝置。
背景技術(shù)：
開關(guān)電源是在由輸入電力獲得期望的輸出電力的電力轉(zhuǎn)換裝置中，使用開關(guān)元件來轉(zhuǎn)換、調(diào)整電力的電源裝置。開關(guān)電源包括下述電源裝置，該電源裝置具 備直流-直流(Direct Current-Direct Current,DC-DC)轉(zhuǎn)換器(converter),將直流電力轉(zhuǎn)換成其他直流電力；以及直流電源，包含將交流電力轉(zhuǎn)換為直流電力的整流裝置，對DC-DC轉(zhuǎn)換器供給直流輸入電力。而且，作為開關(guān)電源的一個用途，已知有通過對發(fā)光二極管(Light EmittingDiode, LED)進行點燈而獲得電路效率高的LED點燈裝置。例如，DC-DC轉(zhuǎn)換器包含降壓斬波器(chopper)，通過對電壓進行反饋以使開關(guān)元件的導(dǎo)通動作繼續(xù)，所述電壓是通過使增加的電流經(jīng)由導(dǎo)通(ON)狀態(tài)的開關(guān)元件流經(jīng)電感器(inductor),從而在與該電感器磁率禹合的二次線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的。而且，與開關(guān)元件串聯(lián)地插入電阻元件以用于檢測增加電流，并且附加控制電路，所述控制電路在該電阻元件的下降電壓超過預(yù)先設(shè)定的閾值時，使開關(guān)元件斷開(OFF)。在上述結(jié)構(gòu)中，一旦在增加的電流超過閾值時開關(guān)元件斷開，蓄積在電感器中的電磁能量將被放出，從而減少的電流經(jīng)由二極管以及輸出端的輸出電容器(condenser)而流動。并且，當(dāng)減少的電流變?yōu)镺時，利用電感器的二次線圈上產(chǎn)生的反電動勢來使開關(guān)元件導(dǎo)通。通過反復(fù)以上的電路動作，進行自激式恒電流控制下的DC-DC轉(zhuǎn)換而對發(fā)光二極管進行點燈。另一方面，就寬帶隙(wide bandgap)半導(dǎo)體而言，具有大帶隙的半導(dǎo)體即III-V族半導(dǎo)體以及IV半導(dǎo)體等的化合物半導(dǎo)體、例如使用碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)或金剛石(diamond)的半導(dǎo)體元件，作為具有大幅突破Si功率器件(power device)的性能極限的電位(potential)的半導(dǎo)體而受到矚目。即，在高速開關(guān)、高溫動作以及大功率動作等方面，寬帶隙半導(dǎo)體能夠在Si系、GaAs系無法實現(xiàn)的區(qū)域內(nèi)動作。因此，在高頻功率器件的領(lǐng)域中，對于半導(dǎo)體的期待也大。此處，所謂寬帶隙半導(dǎo)體，是指帶隙比約I. 4eV的砷化鎵(GaAs)寬的半導(dǎo)體。例如包括帶隙為1.5eV以上的半導(dǎo)體，例如磷化鎵(GaP，帶隙約2. 3eV)、氮化鎵(GaN,帶隙約3. 4eV)、金剛石(C，帶隙約5. 27eV)、氮化鋁(A1N,帶隙約5. 9eV)、碳化娃(SiC)等。寬帶隙半導(dǎo)體晶體管(transistor)是可用作開關(guān)元件的元件，更具體而言，是使用寬帶隙半導(dǎo)體而制作的晶體管。并且，所述寬帶隙半導(dǎo)體晶體管例如是具備一對主端子(漏極(drain)、源極(source))以及控制端子(柵極(gate))的場效應(yīng)型的高頻晶體管。代表性的是，高電子遷移率晶體管(High Electron Mobility Transistor, HEMT)與此相符。如上所述，半導(dǎo)體晶體管具有優(yōu)異的特征，因此，通過使用寬帶隙半導(dǎo)體晶體管來作為開關(guān)電源的開關(guān)元件，能夠?qū)崿F(xiàn)IOMHz以上的高頻動作，其結(jié)果，能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)電源、尤其是電感器的大幅的小型化。另外，作為寬帶隙半導(dǎo)體晶體管，有接面型場效應(yīng)晶體管(Junction FieldEffect Transistor, JFET)、靜電感應(yīng)型晶體管(Static Induction Transistor, SIT)、金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(Metal-Semiconductor-Field-Effect_Transistor,MESFET)、異質(zhì)接面型場效應(yīng)晶體管(Heterojunction Field Effect Transistor, HFET)、高電子遷移率晶體管(High Electron Mobility Transistor, HEMT)以及蓄積型 FET 等。而且，寬帶隙半導(dǎo)體晶體管多具有在柵極電壓為零時有漏極電流流動的常通(normally on)特性。因此，要使具有常通特性的半導(dǎo)體元件(以下稱作常通開關(guān))確實地斷開，需要負柵極電壓用的驅(qū)動電路。另外，也可獲得具有常斷特性的寬帶隙半導(dǎo)體晶體管。此時,需要正電壓用的驅(qū)動電路。此外，現(xiàn)有技術(shù)的開關(guān)電源在進行恒電流控制時需要電流反饋型的反饋電路，該 電流反饋型的反饋電路包括電阻元件等的阻抗(impedance)機構(gòu)，與開關(guān)元件串聯(lián)地插入，以檢測流經(jīng)電感器的增加的電流；以及控制電路，當(dāng)阻抗機構(gòu)的壓降達到預(yù)先設(shè)定的閾值時，使開關(guān)元件斷開。因此，不僅電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，而且對于小型化而言也成為難點。通過使用寬帶隙半導(dǎo)體晶體管來作為開關(guān)電源的開關(guān)元件，如前所述能夠在IOMHz以上的高頻下工作，因此裝置整體顯著小型化。此時，通過與寬帶隙半導(dǎo)體晶體管的源極串聯(lián)地連結(jié)包含寬帶隙半導(dǎo)體晶體管的恒電流元件，不僅能夠省去電流檢測用的電阻元件等的阻抗機構(gòu)，而且能夠簡化柵極驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)進一步的小型化?，F(xiàn)有技術(shù)文獻專利文獻專利文獻I :日本專利第4123886號公報專利文獻2 :日本專利特開2007-006658號公報

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的課題但是，使用寬帶隙半導(dǎo)體晶體管的開關(guān)電源雖可如上所述般，通過使用2個寬帶隙半導(dǎo)體晶體管來作為開關(guān)用以及恒電流控制用而進一步小型化，但是在響應(yīng)針對更進一步的成本降低以及小型化的要求時，卻存在極限。本發(fā)明的實施方式提供一種開關(guān)電源裝置以及使用該開關(guān)電源裝置的照明裝置，所述開關(guān)電源裝置使用I個開關(guān)元件來作為開關(guān)用以及恒電流控制用，以實現(xiàn)成本降低以及小型化。根據(jù)實施方式，提供一種具備直流電源裝置和開關(guān)動作轉(zhuǎn)換電路的開關(guān)電源裝置。所述開關(guān)動作轉(zhuǎn)換電路連接于所述直流電源，且具有電感器、開關(guān)元件、二極管、柵極驅(qū)動電路、輸入端及輸出端。所述開關(guān)元件在導(dǎo)通時使增加電流從所述直流電源流向所述電感器。所述二極管在所述開關(guān)元件的斷開時使減少電流流經(jīng)所述電感器。所述柵極驅(qū)動電路在使所述開關(guān)元件導(dǎo)通而所述增加電流達到飽和狀態(tài)時，控制所述開關(guān)元件的柵極電壓以使其斷開。所述輸入端連接于所述直流電源。所述輸出端連接負載。而且，根據(jù)另一實施方式，提供一種照明裝置，所述照明裝置具備開關(guān)電源裝置和連接于所述開關(guān)電源裝置的輸出端的照明負載。所述開關(guān)電源裝置具有直電流源和開關(guān)動作轉(zhuǎn)換電路。所述開關(guān)動作轉(zhuǎn)換電路連接于所述直流電源，且具有電感器、開關(guān)元件、二極管、柵極驅(qū)動電路、輸入端及輸出端。所述開關(guān)元件在導(dǎo)通時使增加電流從所述直流電源流向所述電感器。所述二極管在所述開關(guān)元件的斷開時使減少電流流經(jīng)所述電感器。所述柵極驅(qū)動電路在使所述開關(guān)元件導(dǎo)通而所述增加電流達到飽和狀態(tài)時，控制所述開關(guān)元件的柵極電壓以使其斷開。所述輸入端連接于所述直流電源。所述輸出端連接負載。發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明的實施方式，提供一種開關(guān)電源裝置以及使用該開關(guān)電源裝置的照明裝置，所述開關(guān)電源裝置通過使用I個寬帶隙半導(dǎo)體晶體管來作為開關(guān)用以及恒電流控制用，從而電路零件個數(shù)變少而廉價且小型化，并且寬帶隙半導(dǎo)體晶體管的開關(guān)損失(loss) 也降低，因而電路效率高。


圖I是第I實施方式中的開關(guān)電源裝置的方框圖。圖2是表示第I實施方式中的開關(guān)元件的電流-電壓特性的圖表。圖3(a)至圖3(f)是第I實施方式中的各部分的電流、電壓波形圖。圖4是第2實施方式中的主要部分電路圖。圖5是第3實施方式中的主要部分電路圖。圖6是第4實施方式中的主要部分電路圖。圖7(a)至圖7(c)是第4實施方式中的各部分的電流、電壓波形圖。圖8是第5實施方式中的開關(guān)電源裝置的電路圖。圖9是第6實施方式中的開關(guān)電源裝置的電路圖。附圖標(biāo)記A :第I電路AC:交流電源B :第2電路BA :緩沖放大器C1、C2、C3:電容器C4 :耦合電容器D1、D2、D3: 二極管DB :整流電路DC:直流電源⑶柵極驅(qū)動電路HC:保持電路ID :漏極電流INT:積分電路IP:脈沖電流IU:增加電流LI 電感器
L2 :驅(qū)動線圈LC:負載LD LEDPC:保護電路Ql :寬帶隙半導(dǎo)體晶體管Q2、Q3、Q4、Q5 :開關(guān)元件Rl、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、RIO、Rll、R12 電阻器RL :非飽和區(qū)域RS :飽和區(qū)域SC:開關(guān)動作轉(zhuǎn)換電路SPS :開關(guān)電源裝置T1、T2:輸入端子
Τ3、Τ4:輸入端Τ5、Τ6:輸出端TM :計時器VCC:控制電源VD1、VD2:分壓電路VDS :漏極-源極間電壓VGS :柵極電壓VL I :端子電壓ZDl :齊納二極管
具體實施例方式第I實施方式圖I是第I實施方式中的開關(guān)電源裝置的方框圖。在第I實施方式中，開關(guān)電源裝置SPS具備直流電源DC以及開關(guān)動作轉(zhuǎn)換電路SC，將其輸出作為直流電力而供給至負載LC。直流電源DC是用于對后述的開關(guān)動作轉(zhuǎn)換電路SC輸入轉(zhuǎn)換前的直流電力的機構(gòu)。而且，只要輸出轉(zhuǎn)換前的直流電力，采用何種結(jié)構(gòu)均可，例如允許以整流電路作為主體而構(gòu)成，而且視所需來附設(shè)包含平滑電容器等的平滑電路。在本實施方式中，整流電路優(yōu)選包含電橋(bridge)型整流電路。而且，直流電源DC的輸入端子T1、T2連接于交流電源AC例如商用交流電源，對其交流電壓進行全波整流而獲得直流電壓。但是，也可構(gòu)成以下的直流電源DC，該直流電源DC是視所需在整流電路的輸出側(cè)附設(shè)有升壓斬波器等的有源濾波器(active filter)而構(gòu)成。開關(guān)動作轉(zhuǎn)換電路SC也可稱作DC-DC轉(zhuǎn)換器，具備開關(guān)元件Ql、電感器LI、二極管D1、柵極驅(qū)動電路⑶、輸入端T3、T4以及輸出端Τ5、Τ6。并且，所述開關(guān)動作轉(zhuǎn)換電路SC允許以斬波器以及反激轉(zhuǎn)換器(flyback converter)等作為主體而構(gòu)成。另外，所謂斬波器，其概念包括降壓斬波器、升壓斬波器以及升降壓斬波器等的各種斬波器。第I電路A是以串聯(lián)關(guān)系包含開關(guān)元件Ql以及電感器LI的電流路徑。開關(guān)元件Ql由后述的柵極驅(qū)動電路GD來驅(qū)動而進行開關(guān)動作。并且構(gòu)成為，在導(dǎo)通時，增加電流從直流電源DC經(jīng)由晶體管Ql而流向電感器LI。由此，在電感器LI中蓄積電磁能量。開關(guān)元件Ql例如為寬帶隙半導(dǎo)體晶體管，例如為氮化鎵高電子遷移率晶體管(GaN-HEMT) 0本實施方式中，開關(guān)元件Ql進行開關(guān)動作。通過使用開關(guān)元件Q1，如前所述，MHz以上例如IOMHz以上的高頻下的開關(guān)特性顯著提高而開關(guān)損失降低，并且電感器LI顯著小型化，因此能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)電源裝置的大幅小型化。而且，開關(guān)元件Ql為常通特性以及常斷特性均可。在開關(guān)元件中，通常具有常通特性的開關(guān)元件更容易獲得，且成本低，但具有常斷特性的開關(guān)元件也可以，因此也可使用常斷特性的開關(guān)元件。而且，常通開關(guān)的開關(guān)閾值為負，因此如果使用常通開關(guān)，便容易利用與電感器LI磁耦合的驅(qū)動線圈L2即二次線圈來實現(xiàn)斷開控制，因而較佳。進而，在開關(guān)元件Ql例如為寬帶隙半導(dǎo)體晶體管的情況下，已知其電流-電壓特性如圖2所示，具有從非飽和區(qū)域RL經(jīng)由夾斷(pinch off)而連續(xù)的飽和區(qū)域RS，該飽和區(qū)域RS呈現(xiàn)出優(yōu)異的恒電流特性。另外，在圖2中，橫軸表示漏極電流ID，縱軸表示漏 極-源極間電壓VDS，在圖中，描繪了將柵極電壓VGS即柵極-源極間電壓作為參數(shù)而變化的多條特性曲線。而且，在本案說明書中，非飽和區(qū)域RL是電流-電壓特性呈大致直線的區(qū)域，飽和區(qū)域RS是電流-電壓特性偏離非飽和區(qū)域RL的直線，且相對于漏極電流的增加而漏極-源極間電壓的斜率比非飽和區(qū)域RL的直線高的區(qū)域。即，飽和區(qū)域RS是包括下述部分的區(qū)域，即開關(guān)元件Ql呈現(xiàn)恒電流特性的區(qū)域；以及非飽和區(qū)域RL及呈現(xiàn)恒電流特性的區(qū)域的遷移區(qū)域的部分。由圖2可理解的是，如果開關(guān)元件Ql為與Si晶體管相同的芯片面積，則在非飽和區(qū)域RL內(nèi)，相對于電流增加的電壓增加極少。這表示，在該區(qū)域RL內(nèi)，開關(guān)元件Ql成為導(dǎo)通電阻非常低的導(dǎo)通狀態(tài)。在飽和區(qū)域RS內(nèi)，即使提高電壓，電流也始終固定而飽和。而且，飽和時的電流值即飽和電流值對應(yīng)于柵極電壓的大小而變化。因此，通過控制柵極電壓VGS，能夠選擇期望的飽和電流值。另外，在圖2中，為了便于理解上述情況，示出了電壓值不同的多個柵極電壓VGS I VGS4下的電流-電壓特性曲線。本實施方式中，當(dāng)增加電流達到閾值時，通過柵極驅(qū)動電路GD的控制來斷開開關(guān)元件Ql，此時，將以閾值位于電流-電壓特性的飽和區(qū)域內(nèi)的方式而選擇的柵極電壓施加至晶體管Q1。其結(jié)果，在開關(guān)元件Ql的導(dǎo)通期間內(nèi)流動的增加電流達到閾值(第I閾值)時流經(jīng)開關(guān)元件Ql的電流急遽飽和。因此，在飽和電流從增加狀態(tài)驟變至固定閾值時，后述的柵極驅(qū)動電路GD施加以使開關(guān)元件Ql斷開的方式而選擇的柵極電壓，從而使開關(guān)元件Ql斷開。第2電路B是串聯(lián)地包含電感器LI以及二極管Dl的電流路徑。并且，當(dāng)開關(guān)元件Ql以開關(guān)動作而斷開時，電感器LI將蓄積在其中的電磁能量予以放出，因此減少電流經(jīng)由二極管Dl而在第2電路B內(nèi)流動。當(dāng)減少電流降低至閾值(第2閾值)時，通過后述的驅(qū)動電路⑶來再次導(dǎo)通開關(guān)元件Ql。另外，允許使用同步整流器，該同步整流器使用場效應(yīng)晶體管FET等作為二極管。柵極驅(qū)動電路GD是在開關(guān)元件Ql的開關(guān)過程中的、至少導(dǎo)通電流達到第I閾值時控制斷開的電路機構(gòu)。而且，在視所需來使開關(guān)元件Ql導(dǎo)通時，也可使柵極驅(qū)動電路⑶發(fā)揮功能。此時，開關(guān)元件Ql為常通，在為了使其斷開而柵極驅(qū)動電路GD取消柵極電壓的施加時，也可以說是柵極驅(qū)動電路GD在發(fā)揮功能。開關(guān)元件Ql的開關(guān)過程中的借助柵極驅(qū)動電路GD的斷開動作為自激控制以及他激控制均可。在自激的情況下，可構(gòu)成為，對開關(guān)元件Ql的漏極-源極間電壓VDS的變化或電感器LI的端子電壓VLl的變化等、伴隨第I電路A以及第2電路B的電路動作的電性變化進行檢測，且進行反饋而使其斷開。由此，能夠同時獲得斷開的時機(timing)與柵極電壓，所述柵極電壓是在電流的第I閾值下，電流-電壓特性達到飽和區(qū)域所需的柵極電壓，換言之，所述柵極電壓是開關(guān)元件Ql呈現(xiàn)出恒電流特性所需的柵極電壓。在他激的情況下，可在開關(guān)動作轉(zhuǎn)換電路SC中配設(shè)開關(guān)用的振蕩 器，以設(shè)定開關(guān)元件Ql的導(dǎo)通、斷開的時機，并且對所需的柵極電壓的施加進行控制，以使得在導(dǎo)通期間內(nèi)，當(dāng)增加電流達到第I閾值時，位于飽和區(qū)域而斷開，且在減少電流達到第2閾值的時機再次導(dǎo)通。輸入端T3、T4是構(gòu)成開關(guān)動作轉(zhuǎn)換電路SC的輸入部位的機構(gòu)，與直流電源DC的輸出端連接。而且，輸入端T3、T4也可具備端子等連接機構(gòu)的形態(tài)，但還可為簡單地利用導(dǎo)線來連接直流電源DC與開關(guān)動作轉(zhuǎn)換電路SC的輸入部位之間的形態(tài)等。輸出端Τ5、Τ6是構(gòu)成開關(guān)動作轉(zhuǎn)換電路SC的輸出部位的機構(gòu)，將負載LC連接于該輸出端Τ5、Τ6，但允許采用與上述輸入端Τ3、Τ4同樣自由的形態(tài)。負載LC由開關(guān)電源裝置SPS的輸出來賦能而進行動作。本實施方式中，負載LC為何種結(jié)構(gòu)均可，但在圖示的例子中包含LED LD。因此，可構(gòu)成一種照明裝置，其具備燈(lamp)等的光源即照明負載以及本實施方式的開關(guān)電源裝置SPS，該開關(guān)電源裝置SPS是作為用于直接或間接對該照明負載賦能的點燈電路的一部分或大致全部。作為其他結(jié)構(gòu)，開關(guān)動作轉(zhuǎn)換電路SC可在輸出端T5、T6間連接輸出電容器。輸出電容器使通過開關(guān)動作轉(zhuǎn)換電路SC內(nèi)的開關(guān)元件Ql的開關(guān)而產(chǎn)生的高頻成分旁通(bypass),以抑制高頻成分流出向負載LC側(cè)。在第I實施方式中，開關(guān)動作轉(zhuǎn)換電路SC隨著開關(guān)元件Ql的開關(guān)，電感器L I反復(fù)電磁能量的蓄積與放出，其結(jié)果，從輸入端T3、T4輸入的直流電力被轉(zhuǎn)換成期望的直流電力，并從輸出端Τ5、Τ6供給至負載LC。而且，開關(guān)元件Ql在增加電流達到第I閾值時，位移至飽和區(qū)域而成為恒電流，因此，可間接或直接利用此時的電路動作的變化來斷開開關(guān)元件Q1，因而無須與開關(guān)元件Ql串聯(lián)連接地附加恒電流二極管等的恒電流機構(gòu)，從而能夠簡化電路結(jié)構(gòu)。接下來，參照圖3(a)至圖3(f)所示的各部分的電流、電壓波形圖，來簡單說明第I實施方式中的電路動作。在圖中，圖3(a)是第I電路A的開關(guān)元件的柵極電壓波形，圖3(b)是開關(guān)元件Ql的漏極-源極間電壓VDS的波形，圖3 (c)是增加電流IU的波形，圖3(d)是減少電流ID的波形，圖3(e)是增加電流以及減少電流的相加波形，圖3(f)是電感器LI的電壓VLl的波形。就常通型的開關(guān)元件Ql的柵極電壓VGS而言，低的負電壓期間為例如-8V，高的負電壓期間為-5V。因此，開關(guān)元件Ql在低的負電壓期間成為斷開狀態(tài)。而且，在高的負電壓期間成為導(dǎo)通狀態(tài)，但當(dāng)增加電流IU達到大致220mA時呈現(xiàn)出飽和特性。即，可將第I閾值選定為220mA。因此，當(dāng)將圖3 (a)的柵極電壓VGS設(shè)為-5V時，開關(guān)元件Ql導(dǎo)通而線性增加的增加電流IU流經(jīng)電感器LI，當(dāng)達到第I閾值220mA時，開關(guān)元件Ql飽和，漏極-源極間電壓VDS如圖3(b)所示般，與晶體管成為斷開狀態(tài)時同樣地增大。與此時同步地，將柵極驅(qū)動電路GD輸出的柵極電壓VGS如圖3 (a)所示般切換為-8V，由此開關(guān)元件Ql斷開。當(dāng)成為該斷開期間時，減少電流從電感器LI如圖3(d)所示般流出并達到第2閾值例如OmA時，若如圖3(a)所示般將柵極電壓VGS切換為-5V，則開關(guān)元件Ql將再次導(dǎo)通。并且，以下反復(fù)上述動作。其結(jié)果，如圖3(e)所示般，增加電流IU與減少電流ID連續(xù)流經(jīng)電感器LI。在此期間，電感器LI的兩端電壓如圖3(f)所示，反復(fù)進行正負交替反轉(zhuǎn)。第2實施方式參照圖4來說明第2實施方式。本實施方式是常斷型的開關(guān)元件Ql的柵極驅(qū)動電路GD的一例。本實施方式中，柵極驅(qū)動電路GD是以開關(guān)元件Q2、分壓電路VDl以及緩沖放大器BA作為主體而構(gòu)成。S卩，開關(guān)元件Q2例如包含雙極晶體管(bipolar transistor),通過導(dǎo)通、斷開而 對分壓電路VDl的輸出電壓進行高低切換。并且，開關(guān)元件Q2的基極(base)連接于開關(guān)周期信號源(未圖示)。另外，開關(guān)周期信號源是決定開關(guān)元件Ql的導(dǎo)通、斷開時機的信號源。分壓電路VDl包含電阻器R1、R2的串聯(lián)電路，在圖中，上端連接于正(plus)的控制電源Vcc,下端連接于開關(guān)元件Ql的源極。開關(guān)元件Q2的集電極-發(fā)射極(collector-emitter)并聯(lián)連接于電阻器R2。緩沖放大器BA介隔在分壓電路VDl的輸出端與開關(guān)元件Ql的柵極之間，其輸出被施加至上述柵極。對本實施方式的電路動作進行說明。當(dāng)使與開關(guān)元件Q2的基極連接的開關(guān)周期信號源周期性地導(dǎo)通、斷開時，柵極驅(qū)動電路⑶使開關(guān)元件Ql以相對于開關(guān)周期信號源為逆相關(guān)系的導(dǎo)通、斷開來開關(guān)。即，當(dāng)開關(guān)元件Q2斷開時，分壓電路VDl的電阻器R2的短路被解除而電阻器R2的端子電壓變高，因此對開關(guān)元件Ql的柵極-源極間施加的柵極電壓VGS變高而導(dǎo)通。接下來，當(dāng)開關(guān)元件Q2導(dǎo)通時，電阻器R2短路而分壓電路VDl的輸出變?yōu)?，因此開關(guān)元件Ql斷開。因此，能夠?qū)?yīng)于開關(guān)元件Q2的開關(guān)來使開關(guān)元件Ql開關(guān)。其中，由上述可理解的是，開關(guān)元件Ql導(dǎo)通時的柵極電壓是將下述值選定為第I閾值，該值是在開關(guān)元件Ql斷開時的時機且增加電流位移至飽和區(qū)域Rs的值。另外，對于對開關(guān)元件Q2的開關(guān)時機進行控制的開關(guān)周期信號源，如前所述般使用從開關(guān)動作轉(zhuǎn)換電路SC獲得的反饋信號，從而既可使開關(guān)動作轉(zhuǎn)換電路SC進行自激動作，也可使用另設(shè)的振蕩器來進行他激動作。第3實施方式參照圖5來說明第3實施方式。另外,在圖中,對于與圖4相同的部分標(biāo)注相同符號并省略說明。本實施方式是柵極驅(qū)動電路GD具備保持電路HC的例子。保持電路HC在流經(jīng)開關(guān)動作轉(zhuǎn)換電路SC的減少電流的通流期間內(nèi)，將開關(guān)元件Ql保持為斷開狀態(tài)，并且在使開關(guān)元件Ql導(dǎo)通時，解除其斷開狀態(tài)的保持。本實施方式中，與第2實施方式對比，保持電路HC是以分壓電路VD2以及開關(guān)元件Q3作為主體而構(gòu)成，以構(gòu)成柵極驅(qū)動電路GD的一部分。S卩，保持電路HC的分壓電路VD2包含電阻器R3、R4的串聯(lián)電路，在圖中，上端連接于開關(guān)元件Ql的漏極，下端連接于源極。而且，開關(guān)元件Q3例如包含雙極晶體管，其集電極-發(fā)射極與分壓電路VD2的電阻器R4并聯(lián)連接，且開關(guān)元件Ql的導(dǎo)通信號源(未圖示)連接于其基極。另外，在開關(guān)元件Q3的基極與導(dǎo)通信號源之間串聯(lián)地連接電阻器R5，并且在上述基極-發(fā)射極間連接電阻器R6，以調(diào)整基極電流。另外，導(dǎo)通信號源是決定開關(guān)元件Ql的導(dǎo)通時機的信號源。對本實施方式的電路動作進行說明。在開關(guān)元件Ql的斷開狀態(tài)下，其漏極-源極間電壓VDS變高，因此該電壓經(jīng)由保持電路HC的分壓電路VD2而施加至開關(guān)元件Q2的基極，從而基極電流流經(jīng)開關(guān)元件Q2，因此開關(guān)元件Q2導(dǎo)通。由此，開關(guān)元件Ql的柵極電壓變低，因此開關(guān)元件Ql保持斷開狀態(tài)。要使開關(guān)元件Ql導(dǎo)通，則通過開關(guān)元件Q3來使開關(guān)元件Q2的基極-發(fā)射極間周期性地短路。于是，分壓電路VDl的輸出變高而保持電路HC對開關(guān)元件Ql的斷開狀態(tài)的保持被解除，從而開關(guān)元件Ql導(dǎo)通。要使開關(guān)元件Q3導(dǎo)通，只要通過上述導(dǎo)通信號源來提高基極電位即可。因此，只要通過導(dǎo)通信號源來使開關(guān)元件Ql周期性地導(dǎo)通規(guī)定時間，便能夠使開關(guān)動作轉(zhuǎn)換電路SC動作。當(dāng)然，動作條件被設(shè)定成在導(dǎo)通時間的末期，增加電流達到第I閾值，且此時，漏極電流ID位移至飽和區(qū)域。第4實施方式參照圖6來說明第4實施方式。另外，在圖中，對于與圖4相同的部分標(biāo)注相同符號并省略說明。本實施方式中，柵極驅(qū)動電路GD具備在開關(guān)元件Ql的導(dǎo)通初期工作的保護電路PC。保護電路PC是通過使柵極電壓可變來進行保護，以避免在開關(guān)元件Ql的導(dǎo)通初期因過度的脈沖電流造成導(dǎo)通動作發(fā)生混亂，所述過度的脈沖電流易由處于等效地連接于所述開關(guān)元件Ql兩端的關(guān)系的緩沖電容器(snubber condenser)等而產(chǎn)生。本實施方式中，保護電路PC包含計時器(timer) TM以及開關(guān)元件Q4。計時器TM包含開關(guān)元件Q5以及積分電路INT。開關(guān)元件Q5例如雙極晶體管連接在分壓電路VDl的電阻器R2與開關(guān)元件Ql的源極之間。積分電路INT包含如圖6所示般連接的電阻器R7-R10的串聯(lián)電路以及電容器Cl。電阻器R7-R10的串聯(lián)電路連接在控制電源Vcc與開關(guān)元件Ql的源極之間，電容器Cl并聯(lián)連接于電阻器R9以及電阻器RlO的串聯(lián)部分。開關(guān)元件Q4連接在積分電路INT的電阻器R7以及電阻器R8的連接點與開關(guān)元件Ql的源極之間，通過除電阻器R7以外將積分電路INT短路，從而重置(reset)計時器TM。而且，開關(guān)元件Q4的基極連接于開關(guān)元件Q2的基極。因此，對應(yīng)于來自開關(guān)周期信號源的開關(guān)周期信號，開關(guān)元件Q2與開關(guān)元件Q5同步地進行導(dǎo)通、斷開動作。對本實施方式的電路動作進行說明。在使開關(guān)元件Ql導(dǎo)通時，當(dāng)斷開信號從開關(guān)周期信號源到來時，開關(guān)元件Q2以及開關(guān)元件Q4均導(dǎo)通。此時，開關(guān)元件Q2將分壓電路VDl的電阻器R2以及開關(guān)元件Q5短路，因此開關(guān)元件Ql的柵極電位變低，例如變?yōu)镺V而導(dǎo)通。而且，同時，開關(guān)元件Q4重置計時器TM。接下來，當(dāng)導(dǎo)通信號從開關(guān)周期信號源到來時，開關(guān)元件Q2以及開關(guān)元件Q4均斷開。通過開關(guān)元件Q2的斷開，分壓電路VDl的電阻器R2以及開關(guān)元件Q5的短路被解除，而且，通過開關(guān)元件Q4的斷開，計時器TM開始工作，但僅積分電路INT的積分作用開始，因此開關(guān)元件Q5斷開。因此，開關(guān)元件Ql的柵極電位變高至控制電源Vcc的電壓，因此開關(guān) 元件Ql充分導(dǎo)通而非飽和區(qū)域RL大為擴大，如上所述，即使在導(dǎo)通初期有易產(chǎn)生的過度的脈沖電流流經(jīng)開關(guān)元件Ql，開關(guān)元件Ql也不會飽和。即，在開關(guān)元件Ql的導(dǎo)通初期，飽和電流值變高。因此，開關(guān)元件Ql的導(dǎo)通動作得到保護，因此在導(dǎo)通初期，導(dǎo)通動作難以發(fā)生誤動作。這樣，當(dāng)導(dǎo)通期間的 初期經(jīng)過時，通過積分電路INT的積分作用，開關(guān)元件Q5流經(jīng)有基極電流而導(dǎo)通，因此開關(guān)元件Ql的柵極電位下降至中位。在此狀態(tài)下，晶體管Ql依然導(dǎo)通，但其飽和電流值下降至第I閾值，因此在導(dǎo)通期間達到末期時漏極電流ID達到第I閾值，只要從開關(guān)周期信號源通過斷開信號使開關(guān)元件Q2導(dǎo)通，開關(guān)元件Ql便會斷開。而且，開關(guān)元件Q4是與開關(guān)元件Q2同時導(dǎo)通，因此積分電路INT被重置，并且重置計時器TM，以用于開關(guān)元件Ql的下次導(dǎo)通。圖7(a)至圖7(c)是對第4實施方式中的保護電路PC的電路動作進行說明的各部分的波形圖。在圖中，圖7(a)表示開關(guān)元件Ql的漏極電流波形，圖7(b)表示柵極電壓波形，圖7(c)同樣表示其他變形例中的柵極電壓波形。如圖7(a)至圖7(c)所示，在開關(guān)元件Ql的導(dǎo)通初期，有時會在漏極電流ID中產(chǎn)生脈沖電流IP。例如，如果在電感器LI的電流變?yōu)榱阒暗挠邢拗禃r開關(guān)元件Ql從斷開切換為導(dǎo)通，則在導(dǎo)通初期會產(chǎn)生脈沖電流IP。但是，由于圖7(b)所示的柵極電壓在導(dǎo)通初期足夠高，因此開關(guān)元件Ql的電流-電壓特性的非飽和區(qū)域擴大，因此即使產(chǎn)生脈沖電流IP，也能在非飽和區(qū)域內(nèi)充分流動。因此，導(dǎo)通動作得到保護而能夠確實地導(dǎo)通。圖7(c)表示導(dǎo)通時的柵極電壓的變形例。本例中被設(shè)定成，柵極電壓在初期為最大，但隨后連續(xù)下降，斷開之前的電流-電壓特性的飽和電流值達到第I閾值。在本例中，也能夠進行與上述同樣的電路動作。第5實施方式參照圖8來說明本發(fā)明的第5實施方式。另外，對于與圖I相同的部分標(biāo)注相同符號并省略說明。本實施方式中，開關(guān)電源裝置SPS的開關(guān)轉(zhuǎn)換電路SC包含降壓斬波器。S卩，開關(guān)動作轉(zhuǎn)換電路SC的輸入端T3、T4連接于直流電源DC。第I電路A包含開關(guān)元件Q1、電感器LI以及輸出電容器C2的串聯(lián)電路，其兩端連接于輸入端T3、T4。第2電路B是電感器LI、輸出電容器C2以及二極管Dl串聯(lián)連接而形成閉電路。輸出端Τ5、Τ6連接于輸出電容器C2的兩端。而且，負載LC連接于輸出端Τ5、Τ6。另外，開關(guān)元件Ql為常斷型的元件，例如為GaN-HEMT。柵極驅(qū)動電路⑶是以分壓電路VD1、緩沖放大器BA、開關(guān)元件Q2、驅(qū)動線圈L2及二極管D2、D3、電容器C3以及齊納二極管(Zener diode) ZDl作為主體而構(gòu)成。分壓電路VDl是與電容器C3以及齊納二極管ZDl —起并聯(lián)連接。緩沖放大器BA如圖所示般連接在分壓電路VDl的電阻器Rl以及電阻器R2的連接點與開關(guān)元件Ql的柵極之間。與第2實施方式的相同之處在于，開關(guān)元件Q2并聯(lián)連接于電阻器R2，從而能夠?qū)㈦娮杵鱎2短路。驅(qū)動線圈L2以圖示極性而磁耦合于電感器LI，且連接成，其感應(yīng)電壓經(jīng)由耦合電容器C4而施加至電阻器Rll以及電阻器R12的串聯(lián)電路，并且經(jīng)由二極管D2而施加至分壓電路VDl、i容器C3以及齊納二極管ZDl的并聯(lián)電路。電阻器Rll以及電阻器R12的串聯(lián)電路的連接點連接于開關(guān)元件Q2的基極。而且，二極管D3以圖示極性并聯(lián)連接于電阻器Rll以及電阻器R12的串聯(lián)電路，從而使驅(qū)動線圈L2中相對于二極管D3為逆極性地感應(yīng)產(chǎn)生的電壓芳通。
接下來，對第5實施方式的電路動作進行說明。當(dāng)將直流電源DC接通至輸入端T3、T4間時，最先，正電位經(jīng)由未圖示的啟動電路而被供給至開關(guān)元件Ql的柵極。開關(guān)元件Ql以充分的導(dǎo)通度來導(dǎo)通，增加電流流經(jīng)第I電路A內(nèi)的電感器LI。在第I電路A中，當(dāng)增加電流流經(jīng)電感器LI時，在與該電感器LI磁耦合的驅(qū)動線圈L2中，感應(yīng)產(chǎn)生相對于二極管D3為順向的極性的電壓。由此，開關(guān)元件Q2斷開，因此對緩沖放大器BA的非反轉(zhuǎn)輸入端子施加的電壓以及輸出電壓均成為高的正電壓。其結(jié)果，柵極電位變得高于源極電位。其結(jié)果，開關(guān)元件Ql的電流-電壓特性的飽和電流值變小。因此，當(dāng)增加電流達到飽和電流值時，開關(guān)元件Ql驟然飽和而成為恒電流狀態(tài)，驅(qū)動線圈L2的感應(yīng)電壓變?yōu)镺。于是，開關(guān)元件Q2由電阻器R11、R12施加偏壓(bias)而導(dǎo)通。其結(jié)果，電阻器R2兩端的電壓變?yōu)榱?，緩沖放大器BA的輸出電壓變?yōu)榱?。開關(guān)元件Ql的柵極-源極間電壓大致為零，開關(guān)元件Ql斷開。 此外，當(dāng)開關(guān)元件Ql斷開時，蓄積在電感器LI中的電磁能量放出而減少電流在第2電路B內(nèi)流動。在減少電流流動而開關(guān)元件Q2維持導(dǎo)通狀態(tài)的規(guī)定期間，開關(guān)元件Ql保 持為斷開狀態(tài)。并且，當(dāng)減少電流變?yōu)镺時，開關(guān)元件Q2斷開，開關(guān)元件Ql的柵極電壓變高。其結(jié)果，開關(guān)元件Q2再次導(dǎo)通，以后反復(fù)上述電路動作。在以上的電路動作中，在輸出電容器C2中連續(xù)流經(jīng)有增加電流與減少電流而得到充電，因此對輸出端T5、T6間輸出DC-DC轉(zhuǎn)換后的直流電力，連接于該輸出端Τ5、Τ6的負載LC受到賦能而工作。第6實施方式參照圖9，對第6實施方式進行說明。另外，對于與圖I相同的部分標(biāo)注相同符號并省略說明。本實施方式中，開關(guān)電源裝置SPS的開關(guān)轉(zhuǎn)換電路SC包含降壓斬波器。 即，開關(guān)動作轉(zhuǎn)換電路SC的輸入端Τ3、Τ4連接于直流電源DC。第I電路A包含開關(guān)元件Q1、電感器LI以及輸出電容器C2的串聯(lián)電路，其兩端連接于輸入端T3、T4。第2電路B是電感器LI、輸出電容器C2以及二極管Dl串聯(lián)連接而形成閉電路。輸出端Τ5、Τ6連接于輸出電容器C2的兩端。而且，負載LC連接于輸出端Τ5、Τ6。另外，開關(guān)元件Ql包含常通型的GaN-HEMT。柵極驅(qū)動電路⑶是以分壓電路VD1、緩沖放大器BA、開關(guān)元件Q2、驅(qū)動線圈L2及二極管D2、D3、電容器C3以及齊納二極管ZDl作為主體而構(gòu)成。分壓電路VDl是與電容器C3以及齊納二極管ZDl —起并聯(lián)連接。緩沖放大器BA如圖所示般連接在分壓電路VDl的電阻器Rl以及電阻器R2的連接點與開關(guān)元件Ql的源極之間。與第2實施方式的相同之處在于，開關(guān)元件Q2并聯(lián)連接于電阻器R2，從而能夠?qū)㈦娮杵鱎2短路。驅(qū)動線圈L2以圖示極性而磁耦合于電感器LI，且連接成，其感應(yīng)電壓經(jīng)由耦合電容器C4而施加至電阻器Rll以及電阻器R12的串聯(lián)電路，并且經(jīng)由二極管D2而施加至分壓電路VDl、電容器C3以及齊納二極管ZDl的并聯(lián)電路。電阻器Rll以及電阻器R12的串聯(lián)電路的連接點連接于開關(guān)元件Q2的基極。而且，二極管D3以圖示極性并聯(lián)連接于電阻器Rll以及電阻器R12的串聯(lián)電路，從而使驅(qū)動線圈L2中相對于二極管D3為逆極性地感應(yīng)產(chǎn)生的電壓旁通。如此，本實施方式與第5實施方式相比較，開關(guān)元件Q1、緩沖放大器BA、驅(qū)動線圈L2的結(jié)構(gòu)不同。接下來，對第6實施方式的電路動作進行說明。當(dāng)將直流電源DC接通至輸入端T3、T4間時，最先，開關(guān)元件Ql的柵極為無電位，因此開關(guān)元件Ql以充分的導(dǎo)通度來導(dǎo)通，增加電流流經(jīng)第I電路A內(nèi)的電感器LI。另外，在導(dǎo)通初期，開關(guān)元件Ql的柵極電位為O，因此開關(guān)元件Ql以充分的導(dǎo)通度 來導(dǎo)通，因而即使開關(guān)元件Ql中產(chǎn)生脈沖電壓，導(dǎo)通動作也不會發(fā)生混亂。在第I電路A中，當(dāng)增加電流流經(jīng)電感器LI時，在與該電感器LI磁耦合的驅(qū)動線圈L2中，感應(yīng)產(chǎn)生相對于二極管D3為逆極性的電壓。由此，開關(guān)元件Q2導(dǎo)通，因此對緩沖放大器BA的非反轉(zhuǎn)輸入端子施加的電壓以及輸出電壓均成為低的正電壓。其結(jié)果，柵極電位成為相對較高的負電位例如-5V。其結(jié)果，開關(guān)元件Ql的電流-電壓特性的飽和電流值變小，例如成為220mA。因此，上述飽和電流值成為使開關(guān)元件Ql斷開時的第I閾值，因此當(dāng)增加電流達到220mA時，開關(guān)元件Ql驟然飽和而成為恒電流狀態(tài)，驅(qū)動線圈L2的感應(yīng)電壓變?yōu)镺。于是，開關(guān)元件Q2無順向偏壓而斷開。另一方面，開關(guān)元件Ql相對于分壓電路VDl、電容器C3以及齊納二極管ZDl的并聯(lián)電路而經(jīng)由二極管D2連接于驅(qū)動線圈L2，因此緩沖放大器BA的輸出電壓變高，因而開關(guān)元件Ql的源極成為高的正電位，相反地，柵極電位成為相對較低的負電位例如-8V，開關(guān)元件Ql斷開。當(dāng)開關(guān)元件Ql斷開時，在電容器C3中存在殘留電荷，因此分壓電路VDl的輸出持續(xù)，因而開關(guān)元件Ql在規(guī)定期間保持為斷開狀態(tài)。此外，當(dāng)開關(guān)元件Ql斷開時，蓄積在電感器LI中的電磁能量放出而減少電流在第2電路B內(nèi)流動。并且，當(dāng)減少電流變?yōu)镺時，開關(guān)元件Ql無柵極電壓，因此再次導(dǎo)通，以后反復(fù)上述電路動作。在以上的電路動作中，在輸出電容器C2中連續(xù)流動有增加電流與減少電流，因此對輸出端T5、T6間輸出DC-DC轉(zhuǎn)換后的直流電力，連接于該輸出端Τ5、Τ6的負載LC受到賦能而工作。對本發(fā)明的若干實施方式進行了說明，但這些實施方式僅為例示，并不意圖限定發(fā)明的范圍。這些新穎的實施方式可以其他各種形態(tài)來實施，在不脫離發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)可進行各種省略、替換、變更。這些實施方式或其變形包含在發(fā)明的范圍或主旨內(nèi)，并且包含在其均等的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)電源裝置，其特征在于包括 直流電源；以及 開關(guān)動作轉(zhuǎn)換電路，連接于所述直流電源， 所述開關(guān)動作轉(zhuǎn)換電路包括， 電感器； 開關(guān)元件，在導(dǎo)通時使增加電流從所述直流電源流向所述電感器； 二極管，在所述開關(guān)元件的斷開時使減少電流流經(jīng)所述電感器； 柵極驅(qū)動電路，在使所述開關(guān)元件導(dǎo)通而所述增加電流達到飽和狀態(tài)時，控制所述開關(guān)元件的柵極電壓以使其斷開； 輸入端，連接于所述直流電源；以及 輸出端，連接負載。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的開關(guān)電源裝置，其特征在于， 所述柵極驅(qū)動電路在所述減少電流的通流期間內(nèi)將所述開關(guān)元件保持為斷開狀態(tài)，并且在使所述開關(guān)元件導(dǎo)通時解除所述斷開狀態(tài)的保持。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的開關(guān)電源裝置，其特征在于， 所述柵極驅(qū)動電路以在所述開關(guān)元件的導(dǎo)通期間初期產(chǎn)生的脈沖電流于非飽和區(qū)域內(nèi)流動的方式來使所述開關(guān)元件動作。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的開關(guān)電源裝置，其特征在于， 所述柵極驅(qū)動電路在所述開關(guān)元件的I周期的開關(guān)內(nèi)，導(dǎo)通期間內(nèi)的柵極電壓為可變。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的開關(guān)電源裝置，其特征在于， 所述柵極驅(qū)動電路在所述導(dǎo)通期間內(nèi)，在導(dǎo)通之后立即供給比斷開前高的柵極電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的開關(guān)電源裝置，其特征在于， 所述導(dǎo)通期間內(nèi)的柵極電壓呈階梯狀地變化。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的開關(guān)電源裝置，其特征在于， 所述導(dǎo)通期間內(nèi)的柵極電壓呈線性變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的開關(guān)電源裝置，其特征在于， 在所述柵極驅(qū)動電路中具有與所述電感器磁耦合的驅(qū)動線圈。
9.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的開關(guān)電源裝置，其特征在于， 所述開關(guān)元件為常通型的元件。
10.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的開關(guān)電源裝置，其特征在于， 所述開關(guān)元件為常斷型的元件。
11.一種照明裝置，其特征在于包括 權(quán)利要求I至10中任一項所述的開關(guān)電源裝置；以及 照明負載，連接于所述開關(guān)電源裝置的輸出端。
全文摘要
本發(fā)明提供一種開關(guān)電源裝置以及使用該開關(guān)電源裝置的照明裝置，所述開關(guān)電源裝置使用1個開關(guān)元件來作為開關(guān)用以及恒電流控制用，以實現(xiàn)成本降低以及小型化。根據(jù)實施方式，提供具備直流電源裝置和開關(guān)動作轉(zhuǎn)換電路的開關(guān)電源裝置。所述開關(guān)動作轉(zhuǎn)換電路連接于所述直流電源，且具有電感器、開關(guān)元件、二極管、柵極驅(qū)動電路、輸入端及輸出端。所述開關(guān)元件在導(dǎo)通時使增加電流從所述直流電源流向所述電感器。所述二極管在所述開關(guān)元件的斷開時使減少電流流經(jīng)所述電感器。所述柵極驅(qū)動電路在使所述開關(guān)元件導(dǎo)通而所述增加電流達到飽和狀態(tài)時，控制所述開關(guān)元件的柵極電壓以使其斷開。所述輸入端連接于所述直流電源。所述輸出端連接負載。
文檔編號H05B37/02GK102710125SQ20121007483
公開日2012年10月3日 申請日期2012年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月28日
發(fā)明者北村紀(jì)之, 高橋雄治 申請人:東芝照明技術(shù)株式會社