JP2000224010A - 可変周波数発振回路および圧電インバータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】電力変換の制御可能な周波数範囲を狭く設定し
て、不要な周波数の発振を防いだ可変周波数発振回路お
よび圧電インバータを提供することを目的とする。 【構成】電流設定回路１とこれによって電流値を設定で
きる定電流回路２、そして発振回路３からなる。そして
発振回路は定電流回路の出力に接続されるコンデンサＣ
１、前記コンデンサＣ１の電圧が規定値になったときに
前記コンデンサの電圧を0にするスイッチＳＷを有して
おり、また電流設定回路１は、トランジスタＴ１と第１
の抵抗Ｒ１の直列回路と第２の抵抗Ｒ２が並列に接続さ
れた回路である。さらに発振回路３は、コンデンサＣ１
の電圧と基準値を比較する第１の比較器４と、発振した
三角波を矩形波に変換する第２の比較器５を備えてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は周波数により制御さ
れる電力変換回路、およびこれに用いられる可変周波数
発振回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】負荷に供給する電圧や電流を一定の値に
制御する電力変換回路は、電力変換効率を向上するため
半導体素子のスイッチングを利用した方法が広く用いら
れている。この場合、図３の(a)と(b)に示すように、周
期は一定でスイッチ素子のオン・オフの時間比率を変化
させることにより出力を制御することができる。この方
式はパルス幅を制御することからＰＷＭ方式と呼ばれ、
広く使用されている。しかしスイッチ素子の電圧・電流
の波形は矩形波状なので、スイッチングの際に発生する
ノイズが周辺機器に影響を与え、場合によっては誤動作
させることがあった。

【０００３】そこで、スイッチ素子の電圧波形が正弦波
に近くなるようにした共振型の電力変換回路が検討され
ている。この共振型電力変換回路の場合、共振の時間は
共振素子の容量により一定のため変化しない。そこで図
４の(a)と(b)に示すように、駆動周波数（周期）を変化
させることにより出力電力を制御する。この共振型電力
変換回路では、出力電圧を一定に制御するためには、出
力電圧をモニターした値と基準電圧との誤差を増幅した
電圧で駆動周波数を変化させる。

【０００４】図５は従来の可変周波数発振回路の1例で
ある。ここでは負荷に供給されかつフィードバックされ
る出力電圧をオペアンプ２１の入力端子２２に入力し、
オペアンプ２１でその入力と基準電圧Ｖ４との差を増幅
したものを電圧周波数変換回路２０に入力する。そして
電圧周波数変換回路２０で周波数変換された矩形波が出
力端子２３から発振され、図示しない後段回路のスイッ
チ素子を駆動して周波数制御された図４のような正弦波
の半波を得る。

【０００５】ここでオペアンプ２１はその電源電圧が５
Ｖのものが広く用いられるが、その最大出力電圧は電源
電圧から１．５〜２ボルト程度低い値となるので、オペ
アンプの出力電圧範囲は０〜３ボルトとなる。オペアン
プからの出力電圧を周波数に変換するための電圧周波数
変換回路２０として、74625などのＶＣＯ（Voltage Con
trole Oscilator）機能を持つＩＣを利用するのが一般
的である。74625は汎用の電圧周波数変換ＩＣであり、
また電源電圧も５ボルトであるため、オペアンプと回路
を組みやすいからである。オペアンプ２１と74625を組
み合わせた場合、外付けのコンデンサＣ２で発振周波数
の帯域をきめ、入力端子２４での入力電圧に応じた周波
数をもつ矩形波電圧をVoutとして出力端子２３から出力
する。

【０００６】一方最近、電力変換回路に使用する変圧器
として圧電トランスを利用することが検討されている。
圧電トランスは共振振動を利用した素子であり、薄型で
高効率といった特長を持っている。また、圧電トランス
は駆動周波数を変化させることにより変圧比を変化させ
ることができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】圧電トランスの周波数
特性は非常に敏感であり、たとえば駆動周波数が１２０
ｋＨｚ近傍になるように設計した場合、使用可能な周波
数範囲は１２０ｋＨｚから１３０ｋＨ程度の広さであ
る。この範囲を大きく外れると使用不可能な共振モード
が発生してしまう。使用不可能な共振モードを起こそう
とすると、過大な電力が圧電トランスに入力され、場合
によっては素子の破壊などにつながる。使用不可能な共
振モードが発生する周波数は上述の圧電トランスの例で
は８０ｋＨｚや２００ｋＨｚである。そこで回路素子の
公差等を考慮したうえで制御可能な周波数範囲を１００
ｋＨｚから１５０ｋＨｚ程度に設定する必要がある。

【０００８】ところが、上述の74625などのＶＣＯ素子
では制御可能な周波数範囲が広いため、その下限値と上
限値がともに上記の周波数範囲におさまるように設定す
ることができない。制御可能な周波数範囲は、図５に示
す外付けコンデンサＣ２の容量で設定できる。例えば外
付けコンデンサＣ２の容量を７５０ｐＦにした場合、オ
ペアンプから74625へ出力される電圧範囲である上述の
０〜３Ｖの範囲で、発振周波数の下限値は上述の必要な
設定値と同じ１００ｋＨｚであるが、上限値は４７０ｋ
Ｈｚとなり１５０ｋＨｚを大きく超える。また、上限値
が１５０ｋＨｚとなるように外付けコンデンサＣ２の容
量として４７００ｐＦを選択した場合には、下限値は３
２ｋＨｚとなる。このように74625の発振周波数の上下
限値をどのように調整しても、制御可能な周波数範囲は
圧電トランスの使用不可能な共振モードの周波数を含む
ため、回路動作によっては圧電トランスに使用不可能な
共振モードが発生する恐れがあった。

【０００９】本発明は上記の課題を解決し、制御可能な
周波数範囲を狭く設定して、不要な周波数の発振を防い
だ可変周波数発振回路および圧電インバータを提供する
ことを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、電流設定回路
と、該電流設定回路により電流値を設定できる定電流回
路と、定電流回路の出力に接続されるコンデンサおよび
このコンデンサの電圧が規定値になったときに該コンデ
ンサの電圧を０にするスイッチを有する発振回路とを備
えており、前記電流設定回路はトランジスタおよび第１
の抵抗からなる直列回路と第２の抵抗が並列に接続され
た可変周波数発振回路である。

【００１１】また、本発明の圧電インバータは、スイッ
チ駆動回路、直流電源と前記スイッチ駆動回路からの信
号を受けて交流を発生するトランス駆動回路、トランス
駆動回路からの交流電力を受けてこれを変圧する圧電ト
ランス、圧電トランスからの出力を検出しこれを電圧信
号として可変周波数発振回路に伝達する出力検出回路、
前記電圧信号を周波数信号に変換して前記スイッチ駆動
回路に伝達する可変周波数発振回路とからなり、この中
で前記可変周波数発振回路は電流設定回路と、該電流設
定回路により電流値を設定できる定電流回路と、定電流
回路の出力に接続されるコンデンサおよびこのコンデン
サの電圧が規定値になったときに該コンデンサの電圧を
０にするスイッチを有する発振回路とを備えており、前
記電流設定回路はトランジスタおよび第１の抵抗からな
る直列回路と第２の抵抗が並列に接続されたものであ
る。

【００１２】また、本発明において前記定電流回路がカ
レントミラー回路を利用した定電流回路であることが好
ましい。

【００１３】本発明によれば、電力変換のための制御可
能な周波数範囲を狭くできるので、不要な発振を抑制で
きる。特にこれらの発明で用いられる定電流回路をカレ
ントミラー回路で構成することにより、部品点数を低減
することができる。

【００１４】

【発明の実施形態】本発明の構成とその作用効果を、図
を用いて説明する。図２は、圧電トランスを用いた電力
変換回路である圧電インバータの構成を、直流電源から
変換した電力を負荷に供給するまでのフローの中で示
す。トランス駆動回路３２は直流電源３１からの直流を
受けて圧電トランス３３を駆動するためのものであり、
交流を発生するためにスイッチ駆動回路の３７からの信
号により交互に切り替わる２個のスイッチ素子（図示せ
ず）を有している。圧電トランス３３ではトランス駆動
回路からの交流の周波数により昇圧または降圧した交流
電力を負荷３４に供給する。出力検出回路３５では圧電
トランスからの出力を検出して、基準電圧との誤差を増
幅して、可変周波数発振回路３６に導く。可変周波数発
振回路ではその誤差値を周波数に変換して、スイッチ駆
動回路３７に供給し、スイッチ駆動回路の信号でトラン
ス駆動回路のスイッチ素子を制御することによりフィー
ドバックする事で、圧電トランスの出力を一定にするこ
とができる。

【００１５】次に可変周波数発振回路３６とその周辺回
路の１例を図１に示す。ここでは可変周波数発振回路
は、電流設定回路１とこれによって電流値を設定できる
定電流回路２、そして発振回路３からなる。そして発振
回路は定電流回路の出力に接続されるコンデンサＣ１、
前記コンデンサＣ１の電圧が規定値になったときに前記
コンデンサの電圧を0にするスイッチＳＷを有してお
り、また電流設定回路１は、トランジスタＴ１と第１の
抵抗Ｒ１の直列回路と第２の抵抗Ｒ２が並列に接続され
た回路である。さらに発振回路３は、コンデンサＣ１の
電圧と基準値を比較する第１の比較器４と、発振した三
角波を矩形波に変換する第２の比較器５を備えている。

【００１６】この可変周波数発振回路の出力端子６に図
２のスイッチ駆動回路３７が接続され、また入力端子７
は、オペアンプ８の出力が接続される。オペアンプ８
は、入力端子９で圧電トランスからの出力信号を受け、
基準電圧Ｖ３との誤差を増幅するものであり、図２では
出力検出回路３５に含まれる。

【００１７】次に可変周波数発振回路の動作を説明す
る。電流設定回路１で設定した電流でコンデンサＣ１を
充電し、コンデンサＣ１の電圧は徐々に増加する。第１
の比較器４ではコンデンサＣ１の電圧と基準電圧Ｖ１を
比較し、コンデンサＣ１の電圧が基準電圧Ｖ１に達する
と、スイッチ素子ＳＷによりコンデンサＣ１を放電さ
せ、その電圧を０にする。これを繰り返して発振する。
ここで発振するのは三角波なので、次に第２の比較器５
によって矩形波に変換して出力端子６から出力され、こ
れがスイッチ素子駆動信号となってスイッチ駆動回路に
導かれる。この発振周波数は電流設定回路１で設定され
る定電流回路２からの電流で決まり、電流が大きいほど
周波数は高くなる。

【００１８】ここでは、定電流を発生する定電流回路２
にはカレントミラー回路を利用した。カレントミラー回
路のコレクタ端子Ｐ１に、トランジスタＴ１および第１
の抵抗Ｒ１の直列回路と第２の抵抗Ｒ２とを並列に接続
する。カレントミラー回路の場合、コレクタ端子Ｐ１に
つながる抵抗の合成抵抗値すなわち電流設定回路１の合
成抵抗値が小さいほど大きな電流が流れるので、発振回
路３の発振周波数が高くなる。

【００１９】この発振周波数の下限値は、トランジスタ
Ｔ１がオフの場合として第２の抵抗Ｒ２により規定され
る。また、発振周波数の上限値はトランジスタがオンの
場合として第１の抵抗Ｒ１と第２の抵抗Ｒ２の並列合成
回路によって規定される。また、トランジスタＴ１が能
動領域の場合は、下限周波数と上限周波数の間の周波数
で発振する。すなわち、この可変周波数発振回路の入力
電圧であるトランジスタＴ１のベース電圧によりトラン
ジスタＴ１は能動領域を含むオンからオフまでの状態を
取りうるから、このベース電圧を変化させることによ
り、下限周波数と上限周波数の間で発振する。

【００２０】オペアンプ８の入力端子９には、この回路
が組み込まれる電力変換回路の出力がフィードバックさ
れる。例えば電力変換回路からの出力を検出してその値
を直流電圧に変換し、これをオペアンプ８で基準電圧Ｖ
３と比較してその誤差電圧をこの可変周波数発振回路の
入力電圧とすることができる。

【００２１】本発明による電流設定回路は、トランジス
タＴ１と第１の抵抗Ｒ１の直列回路と第２の抵抗Ｒ２が
並列に接続された回路としたことから、その合成抵抗を
細く設定することが可能となるので、制御可能な発振周
波数の下限値と上限値の間の範囲を狭くすることができ
る。そもそも抵抗素子の抵抗値は、１桁に２４通りの選
択肢があるほど、きめこまかく選択できるからである。

【００２２】なお本発明は、電力変換の変圧素子として
圧電トランスに適用すると大きな効果が得られるので好
ましいが、同じように周波数で制御する変圧素子であれ
ば他の変圧素子にも適用できることはいうまでもない。

【００２３】（実施例）図１に示す可変周波数発振回路
で第１の抵抗Ｒ１を３９ｋΩ、第２の抵抗Ｒ２を２２ｋ
Ω、コンデンサＣ１の値を４７０ｐＦとしたときのこの
回路の入力端子７での入力電圧と出力端子６での発振周
波数との関係を図６に示す。入力電圧は０Ｖから３Ｖを
取りうるので、発振周波数の下限値は９７ｋＨｚ（入力
電圧が０Ｖの時），上限値は１５１ｋＨｚ（入力電圧が
３Ｖの時）となり、制御可能な発振周波数範囲を圧電ト
ランスの使用不可能な共振モードの周波数（この場合８
０ｋＨｚと２００ｋＨｚ）を含まないように狭くするこ
とができた。

【００２４】（比較例１）図５のようにＩＣ74625を用
い、発振周波数の下限値が１００ｋＨｚとなるように、
外付けコンデンサＣ２を７５０ｐＦとしたときの、入力
端子２４での入力電圧と出力端子２３での発振周波数の
関係を図６に示す。これより上限値は４７０ｋＨｚとな
り、圧電トランスの使用不可能な共振周波数（ここでは
２００ｋＨｚ）を含むことが分かる。

【００２５】（比較例２）比較例１と同じ回路で発振周
波数の上限値が１５０ｋＨｚとなるように、外付けコン
デンサＣ５１を４７００ｐＦとすると、図６のように下
限値は３２ｋＨｚとなり、圧電トランスの使用不可能な
共振周波数（ここでは８０ｋＨｚ）を含むことが分か
る。

【００２６】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、電力
変換のための周波数変換において、制御できる周波数範
囲を狭めることができるので、不要な周波数の発振を防
止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の可変周波数発振回路を説明する図であ
る。

【図２】本発明の圧電インバータを含むフローを示す図
である。

【図３】ＰＷＭ方式でのスイッチングによる電圧波形を
示す図である。

【図４】共振方式でのスイッチングによる電圧波形を示
す図である。

【図５】従来の可変周波数発振回路の図である。

【図６】入力電圧と発振周波数の関係を示す図である。

【符号の説明】

１ ・・電流設定回路 ２ ・・定電流回路 ３ ・・発振回路 ４ ・・第１の比較器 ５ ・・第２の比較器 ６ ・・出力端子 ７ ・・入力端子 ８ ・・オペアンプ ９ ・・入力端子 ２０・・電圧周波数変換回路 ２１・・オペアンプ ２２・・入力端子 ２３・・出力端子 ２４・・入力端子

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電流設定回路と、該電流設定回路により電
   流値を設定できる定電流回路と、定電流回路の出力に接
   続されるコンデンサおよび該コンデンサの電圧が規定値
   になったときに前記コンデンサの電圧を０にするスイッ
   チを有する発振回路とを備えており、前記電流設定回路
   はトランジスタおよび第１の抵抗からなる直列回路と第
   ２の抵抗が並列に接続された回路であることを特徴とす
   る可変周波数発振回路。
2. 【請求項２】前記定電流回路はカレントミラー回路を利
   用した定電流回路であることを特徴とする請求項１に記
   載の可変周波数発振回路。
3. 【請求項３】スイッチ駆動回路、直流電源と前記スイッ
   チ駆動回路からの信号を受けて交流電力を発生するトラ
   ンス駆動回路、トランス駆動回路からの交流電力を受け
   てこれを変圧して負荷に出力する圧電トランス、圧電ト
   ランスからの出力を検出しこれを電圧信号として可変周
   波数発振回路に伝達する出力検出回路、前記電圧信号を
   周波数信号に変換して前記スイッチ駆動回路に伝達する
   可変周波数発振回路とからなる圧電インバータであっ
   て、前記可変周波数発振回路は電流設定回路と、該電流
   設定回路により電流値を設定できる定電流回路と、定電
   流回路の出力に接続されるコンデンサおよび該コンデン
   サの電圧が規定値になったときに該コンデンサの電圧を
   ０にするスイッチを有する発振回路とを備えており、前
   記電流設定回路はトランジスタおよび第１の抵抗からな
   る直列回路と第２の抵抗が並列に接続された回路である
   ことを特徴とする圧電インバータ。