スイッチング電源装置及び照明装置
【課題】放熱特性を改善し小型化可能なスイッチング電源装置及び照明装置を提供することを目的とする。
【解決手段】スイッチング素子と、インダクタと、駆動回路と、実装基板と、絶縁基板と、を備えたスイッチング電源装置が提供される。前記スイッチング素子は、電源と照明負荷との間に接続される。前記インダクタは、前記スイッチング素子と直列に接続される。前記駆動回路は、前記スイッチング素子を制御して前記電源から供給される電圧を変換する。前記実装基板は、前記駆動回路を実装する。前記絶縁基板は、前記スイッチング素子に熱接続され、前記実装基板よりも高い熱伝導性を有する。
【解決手段】スイッチング素子と、インダクタと、駆動回路と、実装基板と、絶縁基板と、を備えたスイッチング電源装置が提供される。前記スイッチング素子は、電源と照明負荷との間に接続される。前記インダクタは、前記スイッチング素子と直列に接続される。前記駆動回路は、前記スイッチング素子を制御して前記電源から供給される電圧を変換する。前記実装基板は、前記駆動回路を実装する。前記絶縁基板は、前記スイッチング素子に熱接続され、前記実装基板よりも高い熱伝導性を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、スイッチング電源装置及び照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチング素子を利用したスイッチング電源は、省電力・小型化に適した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。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、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１１９２３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、スイッチング電源は、高周波化して小型化すると、スイッチング素子などの発熱密度が増大する。
本発明の実施形態は、放熱特性を改善し小型化可能なスイッチング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】
実施形態のスイッチング電源装置は、スイッチング素子と、インダクタと、駆動回路と、実装基板と、絶縁基板と、を備える。前記スイッチング素子は、電源と照明負荷との間に接続される。前記インダクタは、前記スイッチング素子と直列に接続される。前記駆動回路は、前記スイッチング素子を制御して前記電源から供給される電圧を変換する。前記実装基板は、前記駆動回路を実装する。前記絶縁基板は、前記スイッチング素子に熱接続され、前記実装基板よりも高い熱伝導性を有している。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の実施形態によれば、放熱特性を改善し小型化可能なスイッチング電源装置及び照明装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係るスイッチング電源装置を例示する模式図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）及び（ｃ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は下面図である。
【図２】第１の実施形態に係るスイッチング電源装置のスイッチング素子近傍の拡大図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図３】第１の実施形態に係るスイッチング電源装置を含む照明装置を例示する回路図である。
【図４】第２の実施形態に係るスイッチング電源装置を例示する断面図である。
【図５】第３の実施形態に係るスイッチング電源装置を例示する模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。
【図６】第４の実施形態に係るスイッチング電源装置を例示する断面図である。
【図７】スイッチング電源装置を含む照明装置を例示する部分断面図であり，（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＥ−Ｅ線断面図である。
【図８】照明装置を例示する他の部分断面図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＦ−Ｆ線断面図である。
【図９】照明装置を例示する他の部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の形状と幅との関係、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。また、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】
まず、第１の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態に係るスイッチング電源装置を例示する平面図及び断面図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）及び（ｃ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は下面図である。
【００１０】
図１（ａ）及び図１（ｂ）に表したように、スイッチング電源装置３においては、実装基板（主基板）２７の第２の主面２７ｂ側に、入力コンデンサ１９、チョークコイル２１、平滑コンデンサ２２などの相対的に大型の背の高い素子が実装されている。第２の主面２７ｂは、部品面である。
【００１１】
また、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に表したように、スイッチング電源装置３においては、実装基板２７の第１の主面２７ａ側に、絶縁基板２８と、スイッチング素子を集積化した半導体素子１０及び駆動回路１１を実装した実装基板（子基板）２９と、トランス１４と、整流回路２０とが実装されている。実装基板２７は、例えば紙フェノール基板であり、例えばガラスエポキシ基板である。第１の主面２７ａは、半田面であり、相対的に小型の背の低い素子が実装されている。
【００１２】
絶縁基板２８は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含むセラミック基板である。絶縁基板２８は、実装基板２７、２９よりも熱伝導性が高く、スイッチング素子と熱接続される。絶縁基板２８は、実装基板２９の第１の主面２９ａ側に実装される。
【００１３】
実装基板２９は、例えば紙フェノール基板であり、例えばガラスエポキシ基板である。実装基板２９には、開口部３０が設けられ、開口部３０において絶縁基板２８が露出している。半導体素子１０は、開口部３０における絶縁基板２８上に実装される。駆動回路１１は、実装基板２９の第１の主面２９ａと反対側の実装基板２９の第２の主面２９ｂ側に実装される。
【００１４】
絶縁基板２８と実装基板２９とは、接着層３１を介して実装基板２７の第１の主面２７ａ側に実装される。接着層３１は、例えば熱硬化樹脂である。また、実装基板２９は、ビア３２を介して、実装基板２７と電気的に接続される。
【００１５】
なお、図３の回路図を参照して説明するように、入力コンデンサ１９、整流回路２０、チョークコイル２１、平滑コンデンサ２２は、一対の入力端子２３、２４に入力される交流電圧を整流して平滑化するＡＣ−ＤＣ変換回路を構成している。また、半導体素子１０、駆動回路１１、トランス１４などは、平滑コンデンサ２２の電圧を降下するＤＣ−ＤＣコンバータを構成している。
【００１６】
図２は、第１の実施形態に係るスイッチング電源装置のスイッチング素子近傍の拡大図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
図２においては、スイッチング電源装置３の絶縁基板２８と実装基板２９において、スイッチング素子を含む半導体素子１０近傍を拡大して表している。
【００１７】
半導体素子１０は、スイッチング素子７、定電流素子８、整流素子９を集積化した素子である。半導体素子１０は、実装基板２９上にベアチップ実装される。すなわち、半導体素子１０に設けられたパッド３５と、実装基板２９上に設けられた配線層３３とが、ボンディングワイヤ３４により電気的に接続される。半導体素子１０に集積化されたスイッチング素子７は、絶縁基板２８と熱接続される。
【００１８】
保護層３６は、例えば樹脂層であり、半導体素子１０、ボンディングワイヤ３４、パッド３５を保護する。なお、図１（ｂ）、図１（ｃ）、及び図２（ａ）においては、保護層３６を省略している。
【００１９】
なお、スイッチング素子７、定電流素子８、整流素子９は、実装基板２９上にそれぞれベアチップ実装されてもよい。すなわち、スイッチング素子７、定電流素子８、整流素子９の各ベアチップ上の電極と実装基板２９上の配線層３３とを、ボンディングワイヤにより電気的に接続してもよい。また、ボンディングワイヤを用いず、フリップチップ実装してもよい。さらに、スイッチング素子７、定電流素子８、整流素子９は、それぞれパッケージに封入されてもよく、各素子を表面実装してもよい。以下に説明する他の実施形態においても同様である。
【００２０】
スイッチング素子７及び定電流素子８は、例えば高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Tansistor：ＨＥＭＴ）であり、例えばＧａＮ系ＨＥＭＴである。
半導体素子１０、駆動回路１１、トランス１４などで構成されたＤＣ−ＤＣコンバータは、例えば１０ＭＨｚ程度の高周波化が可能なため、トランス１４を小型化することができる。その結果、トランス１４は、相対的に小型の素子が実装される第１の主面２７ａ側に実装することが可能となる。また、平滑コンデンサ２２などの相対的に大型の素子は、第１の主面２７ａと反対側の第２の主面２７ｂ側に実装される。
【００２１】
また、本実施形態においては、スイッチング素子７に熱接続され、実装基板２７、２９よりも熱伝導性の高い絶縁基板２８が設けられている。その結果、スイッチング素子７の放熱性が改善され、小型化が可能になる。
【００２２】
なお、本実施形態においては、実装基板２７に、入力コンデンサ１９、整流回路２０、チョークコイル２１、平滑コンデンサ２２で構成されたＡＣ−ＤＣ変換回路が実装された構成を例示している。しかし、半導体素子１０、駆動回路１１、トランス１４を実装基板２７に実装して、ＤＣ−ＤＣコンバータを構成することもできる。この場合も、絶縁基板２８は、スイッチング素子７に熱接続され、実装基板２７よりも熱伝導性が高いため、放熱性が改善され、小型化が可能である。また、平滑コンデンサ２２を実装しない場合は、トランス１４を実装基板２７の第２の主面２７ｂ側に実装してもよい。以下に説明する他の実施形態においても同様である。
【００２３】
図３は、第１の実施形態に係るスイッチング電源装置を含む照明装置を例示する回路図である。
照明装置１は、照明負荷２と、スイッチング電源装置３と、を備えている。照明負荷２は、例えばＬＥＤなどの照明光源４を有し、スイッチング電源装置３から電力を供給されて点灯する。
【００２４】
スイッチング電源装置３は、交流電源５から供給される交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ−ＤＣ変換回路６、スイッチング素子７、定電流素子８、整流素子９、及びスイッチング素子７を制御し定電流素子８の定電流値を設定する駆動回路１１を備えている。なお、スイッチング電源装置３からＡＣ−ＤＣ変換回路６を除いた部分は、ＤＣ−ＤＣコンバータを構成している。
【００２５】
ＡＣ−ＤＣ変換回路６は、入力コンデンサ１９、整流回路２０、チョークコイル２１、平滑コンデンサ２２を有する。入力コンデンサ１９は、一対の入力端子２３、２４に接続される。整流回路２０は、ダイオードブリッジで構成され、一対の入力端子２３、２４を介して交流電源５から交流電圧が入力される。整流回路２０から出力される直流電圧（脈流電圧）は、チョークコイル２１と平滑コンデンサ２２で構成されたローパスフィルタで平滑化される。なお、交流電源５は、例えば商用電源である。
【００２６】
スイッチング素子７のドレインは、平滑コンデンサ２２の一端（正極側）に接続され、スイッチング素子７のソースは、定電流素子８のドレインに接続される。スイッチング素子７のゲートは、駆動回路１１の結合コンデンサ１５を介して、帰還巻き線１３の一端に接続される。
【００２７】
定電流素子８のソースは、インダクタ１２の一端と帰還巻き線１３の他端とに接続され、定電流素子８のゲートは、駆動回路１１の分割抵抗１６、１７の接続点に接続される。また、分割抵抗１６、１７には、バイアス抵抗を介して平滑コンデンサ２２の電圧が供給されている。その結果、定電流素子８のゲートには、定電流素子８のソースに対して負極性の電位が供給される。なお、分割抵抗１６は、可変抵抗であり、分割抵抗１６の抵抗値を変化させて、定電流素子８の定電流値を調整することができる。
【００２８】
整流素子９は、定電流素子８のソースと平滑コンデンサ２２の他端（負極側）との間に、平滑コンデンサ２２の他端から定電流素子８の方向を順方向として接続されている。
インダクタ１２の他端は、高電位出力端子２５に接続され、平滑コンデンサ２２の他端は、低電位出力端子２６に接続される。また、出力コンデンサ１８は、高電位出力端子２５と低電位出力端子２６との間に接続される。
【００２９】
なお、インダクタ１２と帰還巻き線１３とは、インダクタ１２の一端から他端の方向、すなわち定電流素子８のソースまたは整流素子９のカソードから高電位出力端子２５の方向に増加する電流が流れるとき、スイッチング素子７のゲートにソースに対して負極性の電圧が供給される極性で磁気結合している。また、インダクタ１２と帰還巻き線１３とは、トランス１４を構成している。
【００３０】
また、スイッチング素子７及び定電流素子８は、例えばＧａＮ系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７、定電流素子８及び整流素子９は、半導体素子１０として集積化されている。また、スイッチング素子７及び定電流素子８のそれぞれのゲートには、保護ダイオードが接続される。スイッチング素子７及び定電流素子８のそれぞれのゲートに接続され、ゲート電位を供給する結合コンデンサ１５、分割抵抗１６、１７、保護ダイオードは、駆動回路１１を構成している。
【００３１】
照明負荷２は、高電位出力端子２５と低電位出力端子２６との間に、出力コンデンサ１８と並列に接続される。
次に、スイッチング電源装置３の動作について説明する。
【００３２】
交流電源５から電源電圧が供給されると、平滑コンデンサ２２の両端には、直流電圧が生成される。
平滑コンデンサ２２の両端に直流電圧が生成されるとき、スイッチング素子７及び定電流素子８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７、定電流素子８、インダクタ１２、出力コンデンサ１８の経路で電流が流れ、出力コンデンサ１８が充電される。出力コンデンサ１８の両端の電圧、すなわち高電位出力端子２５と低電位出力端子２６との間の電圧は、スイッチング電源装置３の出力電圧として、照明負荷２の照明光源４に供給される。
【００３３】
出力電圧が所定電圧に達すると、照明光源４に出力電流が流れ、照明光源４が点灯する。このとき、スイッチング素子７、定電流素子８、インダクタ１２、出力コンデンサ１８及び照明光源４の経路で電流が流れる。例えば、照明光源４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４に応じて定まる。
【００３４】
インダクタ１２を流れる電流は、時間とともに増加し、帰還巻き線１３には、結合コンデンサ１５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７のゲートには、結合コンデンサ１５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７は、オンの状態を維持する。
【００３５】
定電流素子８を流れる電流が定電流値を超えると、定電流素子８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７のゲート・ソース間電圧がしきい値電圧よりも低くなり、スイッチング素子７はオフする。なお、定電流値は、定電流素子８の飽和電流値であり、分割抵抗１６、１７から定電流素子８のゲートに入力される電位により規定される。なお、上記のとおり、定電流素子８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。
【００３６】
インダクタ１２は、整流素子９、出力コンデンサ１８及び照明負荷２、インダクタ１２の経路で電流を流し続ける。このとき、インダクタ１２は、エネルギーを放出するため、インダクタ１２の電流は、減少していく。そのため、帰還巻き線１３には、結合コンデンサ１５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７のゲートには、結合コンデンサ１５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７はオフの状態を維持する。
【００３７】
インダクタ１２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１２を流れる電流はゼロになる。帰還巻き線１３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１５側を高電位とするような起電力が誘起される。これにより、スイッチング素子７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７がオンする。これにより、上記の出力電圧が所定電圧に達した状態に戻る。
【００３８】
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７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４には交流電源５から供給される電源電圧を平滑化した直流電圧を降下した出力電圧が供給される。また、照明光源４に供給される電流は、定電流素子８により定電流値に制限される。そのため、照明光源４を安定に点灯させることができる。また、上記のとおり、この定電流値は、分割抵抗１６の抵抗値を変化させることにより調整可能である。
【００３９】
本実施形態においては、スイッチング素子７及び定電流素子８が、ＧａＮ系ＨＥＭＴのため、スイッチング周波数を高周波化することができ、例えば１０ＭＨｚ程度にすることができる。その結果、インダクタ１２、帰還巻き線１３を構成するトランス１４を小型化することができる。
【００４０】
また、駆動回路１１などの回路素子を実装する実装基板２７、２９よりも熱伝導性の高い絶縁基板２８にスイッチング素子７及び定電流素子８を熱接続することにより、放熱性が改善される。その結果、発熱密度の増加の問題を回避して小型化及び密閉空間に収容することが可能になる。
【００４１】
なお、本実施形態においては、ＡＣ−ＤＣ変換回路６を備え、交流電源５から供給される電源電圧を直流電圧に変換し、ＤＣ−ＤＣコンバータにより直流電圧を降下して出力する構成を例示した。しかし、ＡＣ−ＤＣ変換回路６を省略して、直流電源から供給される直流電圧をＤＣ−ＤＣコンバータにより降下して出力する構成としてもよい。
【００４２】
次に、第２の実施形態について説明する。
図４は、第２の実施形態に係るスイッチング電源装置を例示する断面図である。
図４に表したように、第２の実施形態は、第１の実施形態と比較して、実装基板２７の構成と、絶縁基板（子基板）２９が省略されている点とが異なる。すなわち、実装基板２７には、開口部３７が設けられている。絶縁基板２８は、実装基板２７の第１の主面２７ａに実装され、開口部３７において露出している。半導体素子１０は、開口部３７における絶縁基板２８に実装される。また、駆動回路１１は、実装基板２７の第２の主面２７ｂ上に実装される。これ以外の点については、本実施形態は、第１の実施形態と同様であり、スイッチング電源装置３ａの回路構成についても、スイッチング電源装置３と同様ある。
【００４３】
本実施形態においては、実装基板２９を用いないため、構造が簡単化されコストダウンできるとともに、実装高さを低くすることができる。
また、本実施形態においても、スイッチング素子７に熱接続され、実装基板２７よりも熱伝導性の高い絶縁基板２８が設けられている。その結果、スイッチング素子７の放熱性が改善され、小型化が可能になる。
【００４４】
また、本実施形態においても、スイッチング素子７としてＧａＮ系ＨＥＭＴを用いているため、高周波化によるインダクタ１２、帰還巻き線１３の小型化が可能である。その結果、インダクタ１２と帰還巻き線１３とで構成されたトランス１４を、実装基板２７の第１の主面２７ａ側、すなわち半田面側に実装することができ、さらに小型化が可能になる。
【００４５】
次に、第３の実施形態について説明する。
図５は、第３の実施形態に係るスイッチング電源装置を例示する模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。
図５に表したように、第３の実施形態は、第２の実施形態と比較して、半導体素子１０及びトランス１４の構成が異なっている。すなわち、半導体素子１０は、パッケージに封入され、絶縁基板２８上に表面実装されている。また、トランス１４を構成するインダクタ１２と帰還巻き線１３とは、スパイラルインダクタであり、絶縁基板２８上に形成されている。
【００４６】
本実施形態においても、スイッチング素子７としてＧａＮ系ＨＥＭＴを用いているため、高周波化によりインダクタ１２、帰還巻き線１３をスパイラルインダクタで絶縁基板２８上に実装可能である。その結果、スイッチング素子７とともに、トランス１４の放熱性も改善され、さらに小型化が可能になる。また、スイッチング素子７とトランス１４との間にコネクタ等を含まないので、寄生インダクタンス及び寄生容量を小さくすることができ、さらに高周波化に有利である。
【００４７】
本実施形態における上記以外の構成及び効果については、第２の実施形態と同様であり、スイッチング電源装置３ｂの回路構成についても、スイッチング電源装置３と同様ある。
なお、トランス１４を囲む強磁性体層を設けて、磁気シールドしてもよい。また、インダクタ１２、帰還巻き線１３は、２層に重ねて形成してもよい。また、トランス１４を構成するインダクタ１２と帰還巻き線１３とは、絶縁基板２８上において、同一平面上に形成されてもよく、また上下に積層して形成されてもよい。
【００４８】
図６は、第４の実施形態に係るスイッチング電源装置を例示する断面図である。
図６に表したように、第４の実施形態は、第２の実施形態と比較して、半導体素子１０が熱導電体３８を介して絶縁基板２８に熱接続している点が異なる。すなわち、熱導電体３８は、実装基板２７を貫通して設けられ、半導体素子１０と絶縁基板２８とに熱接続している。熱導電体３８は、例えば銅（Ｃｕ）及びアルミニウム（Ａｌ）の少なくともいずれかを含む金属である。
【００４９】
本実施形態においては、実装基板２７に開口部３７を設けないため、さらに小型化が可能である。
本実施形態における上記以外の構成及び効果については、第２の実施形態と同様であり、スイッチング電源装置３ｃの回路構成についても、スイッチング電源装置３と同様ある。
【００５０】
図７は、スイッチング電源装置を含む照明装置を例示する部分断面図であり，（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＥ−Ｅ線断面図である。
図７（ａ）〜（ｃ）に表したように、照明装置１は、ベース１０１、筐体１０２、透光シールド１０３、照明基板１０４、スイッチング電源装置３を備えている。ベース１０１と筐体１０２と透光シールド１０３とは、電球形状に形成されている。
【００５１】
スイッチング電源装置３は、図１〜図３に例示したスイッチング電源装置３と同様であり、実装基板２７の第１の主面２７ａ側に絶縁基板２８が設けられている。スイッチング素子７を集積化した半導体素子１０は、絶縁基板２８に熱接続している。インダクタ１２及び帰還巻き線１３で構成されたトランス１４などの相対的に小型の背の低い素子は、実装基板２７の第１の主面２７ａ側に設けられている。また、実装基板２７の第１の主面２７ａと反対側の第２の主面２７ｂ側に入力コンデンサ１９、チョークコイル２１、平滑コンデンサ２２などの相対的に大型の背の高い素子が設けられている。なお、図７においては、図を見やすくするために、実装基板（子基板）２９などの図示を省略し、簡略化している。
【００５２】
スイッチング電源装置３は、実装基板２７の第２の主面２７ｂが、筐体１０２の仮想的な中心軸に平行で、中心軸から外側に距離Ｗだけオフセットして設けられる。また、筐体１０２の内部には、熱伝導性の高い絶縁体１０５が埋め込まれ、スイッチング電源装置３を固定するとともに、絶縁基板２８を筐体１０２に熱接続する。なお、絶縁体１０５は、例えばシリコーンである。
【００５３】
ベース１０１は、スイッチング電源装置３の一部を収納するとともに、スイッチング電源装置３の一対の入力端子２３、２４を交流電源に接続する。
筐体１０２は、例えばアルミニウム（Ａｌ）を含む金属で形成され、スイッチング電源装置３と、スイッチング電源装置３の上に設けられた照明基板１０４を収納する。
透光シールド１０３は、照明基板１０４上に設けられた照明光源４から放射される光を拡散して透過するとともに、照明基板１０４を保護する。
【００５４】
本実施形態においては、スイッチング素子７が実装基板２７よりも熱伝導性の高い絶縁基板２８に熱接続し、さらに絶縁体１０５を介して筐体１０２に熱接続しているため、放熱性が改善される。その結果、照明装置１の小型化が可能になる。
【００５５】
また、本実施形態においては、スイッチング電源装置３が小型化されているため、筐体１０２の長さを短くして透光シールドを大型化することができる。その結果、より広配光化することができ、透光シールド１０３の中心部からベース１０１側の方向への光出力を大きくすることができる。
【００５６】
またさらに、本実施形態においては、実装基板２７の第２の主面２７ｂが、筐体１０２の中心軸から距離Ｗだけオフセットしているため、平滑コンデンサ２２などの相対的に大型の背の高い素子を実装することが容易になり、さらに小型化が可能になる。
【００５７】
図８は、照明装置を例示する他の部分断面図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＦ−Ｆ線断面図である。
図８に表したように、照明装置１ａは、照明装置１と比較して、スイッチング電源装置３の構成が異なる。すなわち、照明装置１ａは、照明装置１におけるスイッチング電源装置３がスイッチング電源装置３ａに置き換えられている。
【００５８】
スイッチング電源装置３ｄは、スイッチング電源装置３と比較して、実装基板２７及び絶縁基板２８の形状が異なる。すなわち、スイッチング電源装置３ｄにおいては、実装基板２７ｄの平面形状が長方形に形成され、絶縁基板２８ｄの平面形状は、筐体１０２に接触するように形成されている。その結果、スイッチング素子７の筐体１０２への放熱性が改善される。また、絶縁基板２８ｄにより筐体１０２の内部が分割され、絶縁体１０５を実装基板の第１の主面２７ａ側のみに充填する場合、充填量を少なくすることができる。なお、絶縁体１０５は、絶縁基板２８ｄにより分割された筐体１０２の内部における第１の主面２７ａ側と第２の主面２７ｂ側の両方に充填してもよい。
【００５９】
図９は、照明装置を例示する他の部分断面図である。
図９に表したように、照明装置１ｂは、ベース１０１ａ、筐体１０２ａ、透光シールド１０３ａ、照明光源４、スイッチング電源装置３ａを備えている。ベース１０１ａと筐体１０２ａと透光シールド１０３ａとは、円筒形状に形成されている。
【００６０】
スイッチング電源装置３ａは、図４に例示したスイッチング電源装置３ａと同様であり、円環状の実装基板２７の第１の主面２７ａ側に絶縁基板２８が設けられている。スイッチング素子７を集積化した半導体素子１０は、絶縁基板２８に熱接続している。インダクタ１２及び帰還巻き線１３で構成されたトランス１４などの相対的に小型の背の低い素子は、実装基板２７の第１の主面２７ａ側に設けられている。また、実装基板２７の第１の主面２７ａと反対側の第２の主面２７ｂ側に入力コンデンサ１９、チョークコイル２１、平滑コンデンサ２２などの相対的に大型の背の高い素子が設けられている。なお、図９においては、図を見やすくするために、第２の主面２７ｂ側における平滑コンデンサ２２以外の素子の図示を省略し、簡略化している。
【００６１】
スイッチング電源装置３ａは、実装基板２７の第２の主面２７ｂが、筐体１０２ａの仮想的な中心軸に垂直に設けられる。また、筐体１０２ａの内部には、熱伝導性の高い絶縁体１０５が埋め込まれてもよい。絶縁基板２８は、筐体１０２ａに接触して熱接続してもよい。また、絶縁基板２８は、絶縁体１０５を介して、筐体１０２ａに熱接続してもよい。なお、絶縁体１０５は、例えばシリコーンである。
【００６２】
ベース１０１ａは、例えばアルミニウム（Ａｌ）を含む金属で円板形状に形成された口金部１０６と、導電体１０７とを有する。口金部１０６は、筐体１０２ａの上部に設けられ、照明装置本体（図示せず）に設けられた放熱体と熱接続する。導電体１０７は、筐体１０２ａの上部に複数設けられ、スイッチング電源装置３ａの一対の入力端子２３、２４を、照明装置本体を介して交流電源に接続する。
【００６３】
筐体１０２ａは、例えばアルミニウム（Ａｌ）を含む金属で形成され、周辺部にスイッチング電源装置３ａを収納し、中央部に照明光源４を収納する。照明光源４は、口金部１０６と熱接続している。照明光源４は、スイッチング電源装置３ａの照明負荷２として、スイッチング電源装置３ａから電力を供給されて点灯する。
【００６４】
透光シールド１０３ａは、円板形状に形成され、筐体１０２ａの下部、すなわち筐体１０２ａのベース１０１ａと反対側に照明光源４を覆って設けられる。透光シールド１０３ａは、照明光源４から放射される光を透過するとともに、照明光源４を保護する。
【００６５】
本実施形態においても、スイッチング素子７が実装基板２７よりも熱伝導性の高い絶縁基板２８に熱接続し、さらに照明光源４とともに筐体１０２ａに熱接続しているため、放熱性が改善される。その結果、照明装置１ｂの光出力を大出力化しつつ小型化が可能になる。
【００６６】
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。
例えば、スイッチング電源装置におけるＤＣ−ＤＣコンバータの構成は、図３に表しものに限定されない。直流電圧を降圧できればよく他の構成でもよい。
【００６７】
また、スイッチング素子７及び定電流素子８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、スイッチング周波数を高くすることができ、インダクタなどの巻線部品やコンデンサなどの小形化が可能となる。
【００６８】
また、照明光源４はＬＥＤに限らず、ＯＬＥＤなどでもよく、照明負荷２には、複数個の照明光源４が直列又は並列に接続されていてもよい。
【００６９】
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】
【００７０】
１、１ａ、１ｂ…照明装置、 ２…照明負荷、 ３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ…スイッチング電源装置、 ４…照明光源、 ５…交流電源、 ６…ＡＣ−ＤＣ変換回路、 ７…スイッチング素子、 ８…定電流素子、 ９…整流素子、 １０…半導体素子、 １１…駆動回路、 １２…インダクタ、 １３…帰還巻き線、 １４…トランス、 １５…結合コンデンサ、 １６、１７…分割抵抗、 １８…出力コンデンサ、 １９…入力コンデンサ、 ２０…整流回路、 ２１…チョークコイル、 ２２…平滑コンデンサ、 ２３、２４…入力端子、 ２５…高電位出力端子、 ２６…低電位出力端子、 ２７、２７ｄ…実装基板、 ２７ａ…第１の主面、 ２７ｂ…第２の主面、 ２８、２８ｄ…絶縁基板、 ２９…実装基板（子基板）、 ２９ａ…第１の主面、 ２９ｂ…第２の主面、 ３０、３７…開口部、 ３１…接着層、 ３２…ビア、 ３３…配線層、 ３４…ボンディングワイヤ、 ３５…パッド、 ３６…保護層、 ３８…熱導電体、 １０１、１０１ａ…ベース、 １０２、１０２ａ…筐体、 １０３、１０３ａ…透光シールド、 １０４…照明基板、 １０５…絶縁体、 １０６…口金部、 １０７…導電体
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、スイッチング電源装置及び照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチング素子を利用したスイッチング電源は、省電力・小型化に適した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。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、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１１９２３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、スイッチング電源は、高周波化して小型化すると、スイッチング素子などの発熱密度が増大する。
本発明の実施形態は、放熱特性を改善し小型化可能なスイッチング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】
実施形態のスイッチング電源装置は、スイッチング素子と、インダクタと、駆動回路と、実装基板と、絶縁基板と、を備える。前記スイッチング素子は、電源と照明負荷との間に接続される。前記インダクタは、前記スイッチング素子と直列に接続される。前記駆動回路は、前記スイッチング素子を制御して前記電源から供給される電圧を変換する。前記実装基板は、前記駆動回路を実装する。前記絶縁基板は、前記スイッチング素子に熱接続され、前記実装基板よりも高い熱伝導性を有している。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の実施形態によれば、放熱特性を改善し小型化可能なスイッチング電源装置及び照明装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係るスイッチング電源装置を例示する模式図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）及び（ｃ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は下面図である。
【図２】第１の実施形態に係るスイッチング電源装置のスイッチング素子近傍の拡大図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図３】第１の実施形態に係るスイッチング電源装置を含む照明装置を例示する回路図である。
【図４】第２の実施形態に係るスイッチング電源装置を例示する断面図である。
【図５】第３の実施形態に係るスイッチング電源装置を例示する模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。
【図６】第４の実施形態に係るスイッチング電源装置を例示する断面図である。
【図７】スイッチング電源装置を含む照明装置を例示する部分断面図であり，（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＥ−Ｅ線断面図である。
【図８】照明装置を例示する他の部分断面図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＦ−Ｆ線断面図である。
【図９】照明装置を例示する他の部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の形状と幅との関係、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。また、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】
まず、第１の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態に係るスイッチング電源装置を例示する平面図及び断面図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）及び（ｃ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は下面図である。
【００１０】
図１（ａ）及び図１（ｂ）に表したように、スイッチング電源装置３においては、実装基板（主基板）２７の第２の主面２７ｂ側に、入力コンデンサ１９、チョークコイル２１、平滑コンデンサ２２などの相対的に大型の背の高い素子が実装されている。第２の主面２７ｂは、部品面である。
【００１１】
また、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に表したように、スイッチング電源装置３においては、実装基板２７の第１の主面２７ａ側に、絶縁基板２８と、スイッチング素子を集積化した半導体素子１０及び駆動回路１１を実装した実装基板（子基板）２９と、トランス１４と、整流回路２０とが実装されている。実装基板２７は、例えば紙フェノール基板であり、例えばガラスエポキシ基板である。第１の主面２７ａは、半田面であり、相対的に小型の背の低い素子が実装されている。
【００１２】
絶縁基板２８は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含むセラミック基板である。絶縁基板２８は、実装基板２７、２９よりも熱伝導性が高く、スイッチング素子と熱接続される。絶縁基板２８は、実装基板２９の第１の主面２９ａ側に実装される。
【００１３】
実装基板２９は、例えば紙フェノール基板であり、例えばガラスエポキシ基板である。実装基板２９には、開口部３０が設けられ、開口部３０において絶縁基板２８が露出している。半導体素子１０は、開口部３０における絶縁基板２８上に実装される。駆動回路１１は、実装基板２９の第１の主面２９ａと反対側の実装基板２９の第２の主面２９ｂ側に実装される。
【００１４】
絶縁基板２８と実装基板２９とは、接着層３１を介して実装基板２７の第１の主面２７ａ側に実装される。接着層３１は、例えば熱硬化樹脂である。また、実装基板２９は、ビア３２を介して、実装基板２７と電気的に接続される。
【００１５】
なお、図３の回路図を参照して説明するように、入力コンデンサ１９、整流回路２０、チョークコイル２１、平滑コンデンサ２２は、一対の入力端子２３、２４に入力される交流電圧を整流して平滑化するＡＣ−ＤＣ変換回路を構成している。また、半導体素子１０、駆動回路１１、トランス１４などは、平滑コンデンサ２２の電圧を降下するＤＣ−ＤＣコンバータを構成している。
【００１６】
図２は、第１の実施形態に係るスイッチング電源装置のスイッチング素子近傍の拡大図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
図２においては、スイッチング電源装置３の絶縁基板２８と実装基板２９において、スイッチング素子を含む半導体素子１０近傍を拡大して表している。
【００１７】
半導体素子１０は、スイッチング素子７、定電流素子８、整流素子９を集積化した素子である。半導体素子１０は、実装基板２９上にベアチップ実装される。すなわち、半導体素子１０に設けられたパッド３５と、実装基板２９上に設けられた配線層３３とが、ボンディングワイヤ３４により電気的に接続される。半導体素子１０に集積化されたスイッチング素子７は、絶縁基板２８と熱接続される。
【００１８】
保護層３６は、例えば樹脂層であり、半導体素子１０、ボンディングワイヤ３４、パッド３５を保護する。なお、図１（ｂ）、図１（ｃ）、及び図２（ａ）においては、保護層３６を省略している。
【００１９】
なお、スイッチング素子７、定電流素子８、整流素子９は、実装基板２９上にそれぞれベアチップ実装されてもよい。すなわち、スイッチング素子７、定電流素子８、整流素子９の各ベアチップ上の電極と実装基板２９上の配線層３３とを、ボンディングワイヤにより電気的に接続してもよい。また、ボンディングワイヤを用いず、フリップチップ実装してもよい。さらに、スイッチング素子７、定電流素子８、整流素子９は、それぞれパッケージに封入されてもよく、各素子を表面実装してもよい。以下に説明する他の実施形態においても同様である。
【００２０】
スイッチング素子７及び定電流素子８は、例えば高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Tansistor：ＨＥＭＴ）であり、例えばＧａＮ系ＨＥＭＴである。
半導体素子１０、駆動回路１１、トランス１４などで構成されたＤＣ−ＤＣコンバータは、例えば１０ＭＨｚ程度の高周波化が可能なため、トランス１４を小型化することができる。その結果、トランス１４は、相対的に小型の素子が実装される第１の主面２７ａ側に実装することが可能となる。また、平滑コンデンサ２２などの相対的に大型の素子は、第１の主面２７ａと反対側の第２の主面２７ｂ側に実装される。
【００２１】
また、本実施形態においては、スイッチング素子７に熱接続され、実装基板２７、２９よりも熱伝導性の高い絶縁基板２８が設けられている。その結果、スイッチング素子７の放熱性が改善され、小型化が可能になる。
【００２２】
なお、本実施形態においては、実装基板２７に、入力コンデンサ１９、整流回路２０、チョークコイル２１、平滑コンデンサ２２で構成されたＡＣ−ＤＣ変換回路が実装された構成を例示している。しかし、半導体素子１０、駆動回路１１、トランス１４を実装基板２７に実装して、ＤＣ−ＤＣコンバータを構成することもできる。この場合も、絶縁基板２８は、スイッチング素子７に熱接続され、実装基板２７よりも熱伝導性が高いため、放熱性が改善され、小型化が可能である。また、平滑コンデンサ２２を実装しない場合は、トランス１４を実装基板２７の第２の主面２７ｂ側に実装してもよい。以下に説明する他の実施形態においても同様である。
【００２３】
図３は、第１の実施形態に係るスイッチング電源装置を含む照明装置を例示する回路図である。
照明装置１は、照明負荷２と、スイッチング電源装置３と、を備えている。照明負荷２は、例えばＬＥＤなどの照明光源４を有し、スイッチング電源装置３から電力を供給されて点灯する。
【００２４】
スイッチング電源装置３は、交流電源５から供給される交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ−ＤＣ変換回路６、スイッチング素子７、定電流素子８、整流素子９、及びスイッチング素子７を制御し定電流素子８の定電流値を設定する駆動回路１１を備えている。なお、スイッチング電源装置３からＡＣ−ＤＣ変換回路６を除いた部分は、ＤＣ−ＤＣコンバータを構成している。
【００２５】
ＡＣ−ＤＣ変換回路６は、入力コンデンサ１９、整流回路２０、チョークコイル２１、平滑コンデンサ２２を有する。入力コンデンサ１９は、一対の入力端子２３、２４に接続される。整流回路２０は、ダイオードブリッジで構成され、一対の入力端子２３、２４を介して交流電源５から交流電圧が入力される。整流回路２０から出力される直流電圧（脈流電圧）は、チョークコイル２１と平滑コンデンサ２２で構成されたローパスフィルタで平滑化される。なお、交流電源５は、例えば商用電源である。
【００２６】
スイッチング素子７のドレインは、平滑コンデンサ２２の一端（正極側）に接続され、スイッチング素子７のソースは、定電流素子８のドレインに接続される。スイッチング素子７のゲートは、駆動回路１１の結合コンデンサ１５を介して、帰還巻き線１３の一端に接続される。
【００２７】
定電流素子８のソースは、インダクタ１２の一端と帰還巻き線１３の他端とに接続され、定電流素子８のゲートは、駆動回路１１の分割抵抗１６、１７の接続点に接続される。また、分割抵抗１６、１７には、バイアス抵抗を介して平滑コンデンサ２２の電圧が供給されている。その結果、定電流素子８のゲートには、定電流素子８のソースに対して負極性の電位が供給される。なお、分割抵抗１６は、可変抵抗であり、分割抵抗１６の抵抗値を変化させて、定電流素子８の定電流値を調整することができる。
【００２８】
整流素子９は、定電流素子８のソースと平滑コンデンサ２２の他端（負極側）との間に、平滑コンデンサ２２の他端から定電流素子８の方向を順方向として接続されている。
インダクタ１２の他端は、高電位出力端子２５に接続され、平滑コンデンサ２２の他端は、低電位出力端子２６に接続される。また、出力コンデンサ１８は、高電位出力端子２５と低電位出力端子２６との間に接続される。
【００２９】
なお、インダクタ１２と帰還巻き線１３とは、インダクタ１２の一端から他端の方向、すなわち定電流素子８のソースまたは整流素子９のカソードから高電位出力端子２５の方向に増加する電流が流れるとき、スイッチング素子７のゲートにソースに対して負極性の電圧が供給される極性で磁気結合している。また、インダクタ１２と帰還巻き線１３とは、トランス１４を構成している。
【００３０】
また、スイッチング素子７及び定電流素子８は、例えばＧａＮ系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７、定電流素子８及び整流素子９は、半導体素子１０として集積化されている。また、スイッチング素子７及び定電流素子８のそれぞれのゲートには、保護ダイオードが接続される。スイッチング素子７及び定電流素子８のそれぞれのゲートに接続され、ゲート電位を供給する結合コンデンサ１５、分割抵抗１６、１７、保護ダイオードは、駆動回路１１を構成している。
【００３１】
照明負荷２は、高電位出力端子２５と低電位出力端子２６との間に、出力コンデンサ１８と並列に接続される。
次に、スイッチング電源装置３の動作について説明する。
【００３２】
交流電源５から電源電圧が供給されると、平滑コンデンサ２２の両端には、直流電圧が生成される。
平滑コンデンサ２２の両端に直流電圧が生成されるとき、スイッチング素子７及び定電流素子８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７、定電流素子８、インダクタ１２、出力コンデンサ１８の経路で電流が流れ、出力コンデンサ１８が充電される。出力コンデンサ１８の両端の電圧、すなわち高電位出力端子２５と低電位出力端子２６との間の電圧は、スイッチング電源装置３の出力電圧として、照明負荷２の照明光源４に供給される。
【００３３】
出力電圧が所定電圧に達すると、照明光源４に出力電流が流れ、照明光源４が点灯する。このとき、スイッチング素子７、定電流素子８、インダクタ１２、出力コンデンサ１８及び照明光源４の経路で電流が流れる。例えば、照明光源４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４に応じて定まる。
【００３４】
インダクタ１２を流れる電流は、時間とともに増加し、帰還巻き線１３には、結合コンデンサ１５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７のゲートには、結合コンデンサ１５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７は、オンの状態を維持する。
【００３５】
定電流素子８を流れる電流が定電流値を超えると、定電流素子８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７のゲート・ソース間電圧がしきい値電圧よりも低くなり、スイッチング素子７はオフする。なお、定電流値は、定電流素子８の飽和電流値であり、分割抵抗１６、１７から定電流素子８のゲートに入力される電位により規定される。なお、上記のとおり、定電流素子８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。
【００３６】
インダクタ１２は、整流素子９、出力コンデンサ１８及び照明負荷２、インダクタ１２の経路で電流を流し続ける。このとき、インダクタ１２は、エネルギーを放出するため、インダクタ１２の電流は、減少していく。そのため、帰還巻き線１３には、結合コンデンサ１５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７のゲートには、結合コンデンサ１５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７はオフの状態を維持する。
【００３７】
インダクタ１２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１２を流れる電流はゼロになる。帰還巻き線１３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１５側を高電位とするような起電力が誘起される。これにより、スイッチング素子７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７がオンする。これにより、上記の出力電圧が所定電圧に達した状態に戻る。
【００３８】
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７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４には交流電源５から供給される電源電圧を平滑化した直流電圧を降下した出力電圧が供給される。また、照明光源４に供給される電流は、定電流素子８により定電流値に制限される。そのため、照明光源４を安定に点灯させることができる。また、上記のとおり、この定電流値は、分割抵抗１６の抵抗値を変化させることにより調整可能である。
【００３９】
本実施形態においては、スイッチング素子７及び定電流素子８が、ＧａＮ系ＨＥＭＴのため、スイッチング周波数を高周波化することができ、例えば１０ＭＨｚ程度にすることができる。その結果、インダクタ１２、帰還巻き線１３を構成するトランス１４を小型化することができる。
【００４０】
また、駆動回路１１などの回路素子を実装する実装基板２７、２９よりも熱伝導性の高い絶縁基板２８にスイッチング素子７及び定電流素子８を熱接続することにより、放熱性が改善される。その結果、発熱密度の増加の問題を回避して小型化及び密閉空間に収容することが可能になる。
【００４１】
なお、本実施形態においては、ＡＣ−ＤＣ変換回路６を備え、交流電源５から供給される電源電圧を直流電圧に変換し、ＤＣ−ＤＣコンバータにより直流電圧を降下して出力する構成を例示した。しかし、ＡＣ−ＤＣ変換回路６を省略して、直流電源から供給される直流電圧をＤＣ−ＤＣコンバータにより降下して出力する構成としてもよい。
【００４２】
次に、第２の実施形態について説明する。
図４は、第２の実施形態に係るスイッチング電源装置を例示する断面図である。
図４に表したように、第２の実施形態は、第１の実施形態と比較して、実装基板２７の構成と、絶縁基板（子基板）２９が省略されている点とが異なる。すなわち、実装基板２７には、開口部３７が設けられている。絶縁基板２８は、実装基板２７の第１の主面２７ａに実装され、開口部３７において露出している。半導体素子１０は、開口部３７における絶縁基板２８に実装される。また、駆動回路１１は、実装基板２７の第２の主面２７ｂ上に実装される。これ以外の点については、本実施形態は、第１の実施形態と同様であり、スイッチング電源装置３ａの回路構成についても、スイッチング電源装置３と同様ある。
【００４３】
本実施形態においては、実装基板２９を用いないため、構造が簡単化されコストダウンできるとともに、実装高さを低くすることができる。
また、本実施形態においても、スイッチング素子７に熱接続され、実装基板２７よりも熱伝導性の高い絶縁基板２８が設けられている。その結果、スイッチング素子７の放熱性が改善され、小型化が可能になる。
【００４４】
また、本実施形態においても、スイッチング素子７としてＧａＮ系ＨＥＭＴを用いているため、高周波化によるインダクタ１２、帰還巻き線１３の小型化が可能である。その結果、インダクタ１２と帰還巻き線１３とで構成されたトランス１４を、実装基板２７の第１の主面２７ａ側、すなわち半田面側に実装することができ、さらに小型化が可能になる。
【００４５】
次に、第３の実施形態について説明する。
図５は、第３の実施形態に係るスイッチング電源装置を例示する模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。
図５に表したように、第３の実施形態は、第２の実施形態と比較して、半導体素子１０及びトランス１４の構成が異なっている。すなわち、半導体素子１０は、パッケージに封入され、絶縁基板２８上に表面実装されている。また、トランス１４を構成するインダクタ１２と帰還巻き線１３とは、スパイラルインダクタであり、絶縁基板２８上に形成されている。
【００４６】
本実施形態においても、スイッチング素子７としてＧａＮ系ＨＥＭＴを用いているため、高周波化によりインダクタ１２、帰還巻き線１３をスパイラルインダクタで絶縁基板２８上に実装可能である。その結果、スイッチング素子７とともに、トランス１４の放熱性も改善され、さらに小型化が可能になる。また、スイッチング素子７とトランス１４との間にコネクタ等を含まないので、寄生インダクタンス及び寄生容量を小さくすることができ、さらに高周波化に有利である。
【００４７】
本実施形態における上記以外の構成及び効果については、第２の実施形態と同様であり、スイッチング電源装置３ｂの回路構成についても、スイッチング電源装置３と同様ある。
なお、トランス１４を囲む強磁性体層を設けて、磁気シールドしてもよい。また、インダクタ１２、帰還巻き線１３は、２層に重ねて形成してもよい。また、トランス１４を構成するインダクタ１２と帰還巻き線１３とは、絶縁基板２８上において、同一平面上に形成されてもよく、また上下に積層して形成されてもよい。
【００４８】
図６は、第４の実施形態に係るスイッチング電源装置を例示する断面図である。
図６に表したように、第４の実施形態は、第２の実施形態と比較して、半導体素子１０が熱導電体３８を介して絶縁基板２８に熱接続している点が異なる。すなわち、熱導電体３８は、実装基板２７を貫通して設けられ、半導体素子１０と絶縁基板２８とに熱接続している。熱導電体３８は、例えば銅（Ｃｕ）及びアルミニウム（Ａｌ）の少なくともいずれかを含む金属である。
【００４９】
本実施形態においては、実装基板２７に開口部３７を設けないため、さらに小型化が可能である。
本実施形態における上記以外の構成及び効果については、第２の実施形態と同様であり、スイッチング電源装置３ｃの回路構成についても、スイッチング電源装置３と同様ある。
【００５０】
図７は、スイッチング電源装置を含む照明装置を例示する部分断面図であり，（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＥ−Ｅ線断面図である。
図７（ａ）〜（ｃ）に表したように、照明装置１は、ベース１０１、筐体１０２、透光シールド１０３、照明基板１０４、スイッチング電源装置３を備えている。ベース１０１と筐体１０２と透光シールド１０３とは、電球形状に形成されている。
【００５１】
スイッチング電源装置３は、図１〜図３に例示したスイッチング電源装置３と同様であり、実装基板２７の第１の主面２７ａ側に絶縁基板２８が設けられている。スイッチング素子７を集積化した半導体素子１０は、絶縁基板２８に熱接続している。インダクタ１２及び帰還巻き線１３で構成されたトランス１４などの相対的に小型の背の低い素子は、実装基板２７の第１の主面２７ａ側に設けられている。また、実装基板２７の第１の主面２７ａと反対側の第２の主面２７ｂ側に入力コンデンサ１９、チョークコイル２１、平滑コンデンサ２２などの相対的に大型の背の高い素子が設けられている。なお、図７においては、図を見やすくするために、実装基板（子基板）２９などの図示を省略し、簡略化している。
【００５２】
スイッチング電源装置３は、実装基板２７の第２の主面２７ｂが、筐体１０２の仮想的な中心軸に平行で、中心軸から外側に距離Ｗだけオフセットして設けられる。また、筐体１０２の内部には、熱伝導性の高い絶縁体１０５が埋め込まれ、スイッチング電源装置３を固定するとともに、絶縁基板２８を筐体１０２に熱接続する。なお、絶縁体１０５は、例えばシリコーンである。
【００５３】
ベース１０１は、スイッチング電源装置３の一部を収納するとともに、スイッチング電源装置３の一対の入力端子２３、２４を交流電源に接続する。
筐体１０２は、例えばアルミニウム（Ａｌ）を含む金属で形成され、スイッチング電源装置３と、スイッチング電源装置３の上に設けられた照明基板１０４を収納する。
透光シールド１０３は、照明基板１０４上に設けられた照明光源４から放射される光を拡散して透過するとともに、照明基板１０４を保護する。
【００５４】
本実施形態においては、スイッチング素子７が実装基板２７よりも熱伝導性の高い絶縁基板２８に熱接続し、さらに絶縁体１０５を介して筐体１０２に熱接続しているため、放熱性が改善される。その結果、照明装置１の小型化が可能になる。
【００５５】
また、本実施形態においては、スイッチング電源装置３が小型化されているため、筐体１０２の長さを短くして透光シールドを大型化することができる。その結果、より広配光化することができ、透光シールド１０３の中心部からベース１０１側の方向への光出力を大きくすることができる。
【００５６】
またさらに、本実施形態においては、実装基板２７の第２の主面２７ｂが、筐体１０２の中心軸から距離Ｗだけオフセットしているため、平滑コンデンサ２２などの相対的に大型の背の高い素子を実装することが容易になり、さらに小型化が可能になる。
【００５７】
図８は、照明装置を例示する他の部分断面図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＦ−Ｆ線断面図である。
図８に表したように、照明装置１ａは、照明装置１と比較して、スイッチング電源装置３の構成が異なる。すなわち、照明装置１ａは、照明装置１におけるスイッチング電源装置３がスイッチング電源装置３ａに置き換えられている。
【００５８】
スイッチング電源装置３ｄは、スイッチング電源装置３と比較して、実装基板２７及び絶縁基板２８の形状が異なる。すなわち、スイッチング電源装置３ｄにおいては、実装基板２７ｄの平面形状が長方形に形成され、絶縁基板２８ｄの平面形状は、筐体１０２に接触するように形成されている。その結果、スイッチング素子７の筐体１０２への放熱性が改善される。また、絶縁基板２８ｄにより筐体１０２の内部が分割され、絶縁体１０５を実装基板の第１の主面２７ａ側のみに充填する場合、充填量を少なくすることができる。なお、絶縁体１０５は、絶縁基板２８ｄにより分割された筐体１０２の内部における第１の主面２７ａ側と第２の主面２７ｂ側の両方に充填してもよい。
【００５９】
図９は、照明装置を例示する他の部分断面図である。
図９に表したように、照明装置１ｂは、ベース１０１ａ、筐体１０２ａ、透光シールド１０３ａ、照明光源４、スイッチング電源装置３ａを備えている。ベース１０１ａと筐体１０２ａと透光シールド１０３ａとは、円筒形状に形成されている。
【００６０】
スイッチング電源装置３ａは、図４に例示したスイッチング電源装置３ａと同様であり、円環状の実装基板２７の第１の主面２７ａ側に絶縁基板２８が設けられている。スイッチング素子７を集積化した半導体素子１０は、絶縁基板２８に熱接続している。インダクタ１２及び帰還巻き線１３で構成されたトランス１４などの相対的に小型の背の低い素子は、実装基板２７の第１の主面２７ａ側に設けられている。また、実装基板２７の第１の主面２７ａと反対側の第２の主面２７ｂ側に入力コンデンサ１９、チョークコイル２１、平滑コンデンサ２２などの相対的に大型の背の高い素子が設けられている。なお、図９においては、図を見やすくするために、第２の主面２７ｂ側における平滑コンデンサ２２以外の素子の図示を省略し、簡略化している。
【００６１】
スイッチング電源装置３ａは、実装基板２７の第２の主面２７ｂが、筐体１０２ａの仮想的な中心軸に垂直に設けられる。また、筐体１０２ａの内部には、熱伝導性の高い絶縁体１０５が埋め込まれてもよい。絶縁基板２８は、筐体１０２ａに接触して熱接続してもよい。また、絶縁基板２８は、絶縁体１０５を介して、筐体１０２ａに熱接続してもよい。なお、絶縁体１０５は、例えばシリコーンである。
【００６２】
ベース１０１ａは、例えばアルミニウム（Ａｌ）を含む金属で円板形状に形成された口金部１０６と、導電体１０７とを有する。口金部１０６は、筐体１０２ａの上部に設けられ、照明装置本体（図示せず）に設けられた放熱体と熱接続する。導電体１０７は、筐体１０２ａの上部に複数設けられ、スイッチング電源装置３ａの一対の入力端子２３、２４を、照明装置本体を介して交流電源に接続する。
【００６３】
筐体１０２ａは、例えばアルミニウム（Ａｌ）を含む金属で形成され、周辺部にスイッチング電源装置３ａを収納し、中央部に照明光源４を収納する。照明光源４は、口金部１０６と熱接続している。照明光源４は、スイッチング電源装置３ａの照明負荷２として、スイッチング電源装置３ａから電力を供給されて点灯する。
【００６４】
透光シールド１０３ａは、円板形状に形成され、筐体１０２ａの下部、すなわち筐体１０２ａのベース１０１ａと反対側に照明光源４を覆って設けられる。透光シールド１０３ａは、照明光源４から放射される光を透過するとともに、照明光源４を保護する。
【００６５】
本実施形態においても、スイッチング素子７が実装基板２７よりも熱伝導性の高い絶縁基板２８に熱接続し、さらに照明光源４とともに筐体１０２ａに熱接続しているため、放熱性が改善される。その結果、照明装置１ｂの光出力を大出力化しつつ小型化が可能になる。
【００６６】
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。
例えば、スイッチング電源装置におけるＤＣ−ＤＣコンバータの構成は、図３に表しものに限定されない。直流電圧を降圧できればよく他の構成でもよい。
【００６７】
また、スイッチング素子７及び定電流素子８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、スイッチング周波数を高くすることができ、インダクタなどの巻線部品やコンデンサなどの小形化が可能となる。
【００６８】
また、照明光源４はＬＥＤに限らず、ＯＬＥＤなどでもよく、照明負荷２には、複数個の照明光源４が直列又は並列に接続されていてもよい。
【００６９】
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】
【００７０】
１、１ａ、１ｂ…照明装置、 ２…照明負荷、 ３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ…スイッチング電源装置、 ４…照明光源、 ５…交流電源、 ６…ＡＣ−ＤＣ変換回路、 ７…スイッチング素子、 ８…定電流素子、 ９…整流素子、 １０…半導体素子、 １１…駆動回路、 １２…インダクタ、 １３…帰還巻き線、 １４…トランス、 １５…結合コンデンサ、 １６、１７…分割抵抗、 １８…出力コンデンサ、 １９…入力コンデンサ、 ２０…整流回路、 ２１…チョークコイル、 ２２…平滑コンデンサ、 ２３、２４…入力端子、 ２５…高電位出力端子、 ２６…低電位出力端子、 ２７、２７ｄ…実装基板、 ２７ａ…第１の主面、 ２７ｂ…第２の主面、 ２８、２８ｄ…絶縁基板、 ２９…実装基板（子基板）、 ２９ａ…第１の主面、 ２９ｂ…第２の主面、 ３０、３７…開口部、 ３１…接着層、 ３２…ビア、 ３３…配線層、 ３４…ボンディングワイヤ、 ３５…パッド、 ３６…保護層、 ３８…熱導電体、 １０１、１０１ａ…ベース、 １０２、１０２ａ…筐体、 １０３、１０３ａ…透光シールド、 １０４…照明基板、 １０５…絶縁体、 １０６…口金部、 １０７…導電体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源と照明負荷との間に接続されるスイッチング素子と、
前記スイッチング素子と直列に接続されたインダクタと、
前記スイッチング素子を制御して前記電源から供給される電圧を変換する駆動回路と、
前記駆動回路が実装された実装基板と、
前記スイッチング素子に熱接続され、前記実装基板よりも熱伝導性の高い絶縁基板と、
を備えたスイッチング電源装置。
【請求項２】
前記実装基板における前記インダクタが設けられた第１の主面側と反対側の第２の主面上に設けられた平滑コンデンサを有し、前記電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ−ＤＣ変換回路をさらに備えた請求項１記載のスイッチング電源装置。
【請求項３】
前記絶縁基板は、前記第１の主面側に設けられている請求項１または２に記載のスイッチング電源装置。
【請求項４】
前記スイッチング素子は、前記絶縁基板上に実装される請求項１〜３のいずれか１つに記載のスイッチング電源装置。
【請求項５】
前記スイッチング素子は、前記実装基板上に実装され、前記実装基板に設けられた開口を介して、前記絶縁基板と熱接続される請求項１〜４のいずれか１つに記載のスイッチング電源装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つに記載のスイッチング電源装置と、
前記スイッチング電源装置の負荷回路として接続された照明負荷と、
前記スイッチング電源装置を収容する筐体と、
を備えた照明装置。
【請求項７】
前記絶縁基板は、前記筐体と熱接続している請求項６記載の照明装置。
【請求項１】
電源と照明負荷との間に接続されるスイッチング素子と、
前記スイッチング素子と直列に接続されたインダクタと、
前記スイッチング素子を制御して前記電源から供給される電圧を変換する駆動回路と、
前記駆動回路が実装された実装基板と、
前記スイッチング素子に熱接続され、前記実装基板よりも熱伝導性の高い絶縁基板と、
を備えたスイッチング電源装置。
【請求項２】
前記実装基板における前記インダクタが設けられた第１の主面側と反対側の第２の主面上に設けられた平滑コンデンサを有し、前記電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ−ＤＣ変換回路をさらに備えた請求項１記載のスイッチング電源装置。
【請求項３】
前記絶縁基板は、前記第１の主面側に設けられている請求項１または２に記載のスイッチング電源装置。
【請求項４】
前記スイッチング素子は、前記絶縁基板上に実装される請求項１〜３のいずれか１つに記載のスイッチング電源装置。
【請求項５】
前記スイッチング素子は、前記実装基板上に実装され、前記実装基板に設けられた開口を介して、前記絶縁基板と熱接続される請求項１〜４のいずれか１つに記載のスイッチング電源装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つに記載のスイッチング電源装置と、
前記スイッチング電源装置の負荷回路として接続された照明負荷と、
前記スイッチング電源装置を収容する筐体と、
を備えた照明装置。
【請求項７】
前記絶縁基板は、前記筐体と熱接続している請求項６記載の照明装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−１０６４６９（Ｐ２０１３−１０６４６９Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４９８３２（Ｐ２０１１−２４９８３２）
【出願日】平成２３年１１月１５日（２０１１．１１．１５）
【出願人】（０００００３７５７）東芝ライテック株式会社 (2,710)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１５日（２０１１．１１．１５）
【出願人】（０００００３７５７）東芝ライテック株式会社 (2,710)
【Ｆターム（参考）】
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