JP2000236670A - 高周波電力変換回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】入力電源が切り換わるなどして入力電圧が大き
く変動しても安定な動作をする高周波電力変換回路を提
供することを目的とする。 【構成】圧電トランス２２と、入力電圧を受けて前記圧
電トランスを駆動するトランス駆動回路２１と、圧電ト
ランスから負荷に供給される出力を検出して検出電圧を
発生する出力検出回路と、前記検出電圧と基準電圧とを
比較する比較器と、前記比較器の出力電圧に応じて周波
数を制御して前記トランス駆動回路に伝達する発振器２
６とを備え、前記基準電圧は、前記入力電圧の高低に対
応した２つのモードをとる高周波電力変換回路である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高周波を利用した
電力変換回路に関し、特に、圧電トランスを利用した高
周波電力変換回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】ノートパソコンなどの携帯電子機器の表
示装置として液晶表示パネルが一般に広く普及してい
る。液晶表示パネルを表示するためのバックライト光源
には、冷陰極管などの放電管が用いられる。ノートパソ
コンの電源は充電池とＡＣアダプタを併用する場合が多
い。この場合、電源電圧は最大２０Ｖ程度の直流であ
り、放電管を点灯するには数十キロヘルツの高周波で数
百ボルトの高電圧が必要である。そこで、直流電圧を高
周波の高電圧に変換するためには、高周波トランスを備
えた電力変換回路、いわゆるインバータが用いられる。

【０００３】最近、ノートパソコンの小型・軽量化が進
んでいる。とくに、液晶表示パネルの薄型化が顕著であ
り、インバータについても小型・薄型化が要求されてお
り、高周波で高電圧を発生する高周波トランスとして、
電磁トランスに代わって圧電効果を利用した圧電トラン
スを用いる方法が注目されている。

【０００４】インバータの入力電圧は充電池の残量や、
ＡＣアダプタと充電池との切り換えにより変化するが、
入力電圧によらず放電管に供給する出力が一定となるよ
うに制御する必要がある。出力を一定にするには、圧電
トランスの入力端子に加わる電圧を制御するかあるいは
動作周波数を変化させて変圧比を制御する方法がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ノートパソコンの場
合、インバータの入力電圧は充電池で７〜１３Ｖ程度の
範囲で、またＡＣアダプタを含めると７〜２１Ｖの範囲
で変化し、最大入力電圧は最小入力電圧の３倍と変化幅
が広い。このような広い変化幅に対して圧電トランスの
入力電圧を一定にするのは難しい。また動作周波数で制
御しようとすると、入力電圧変化の許容範囲は、動作周
波数の適正範囲内での昇圧比の最大値と最小値の比で決
まる。高い電力変換効率を維持するための動作周波数の
適正範囲内での昇圧比の最大値と最小値の比は、一般に
圧電トランスの構造によらず２倍程度であるので、入力
電圧の変化幅である３倍は許容できない。

【０００６】本発明は前述した課題を解決し、入力電源
が切り換わるなどして入力電圧が大きく変動しても安定
な動作をする高周波電力変換回路を提供することを目的
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、圧電トランス
と、入力電圧を受けて前記圧電トランスを駆動するトラ
ンス駆動回路と、圧電トランスから負荷に供給される出
力を検出して検出電圧を発生する出力検出回路と、前記
検出電圧と基準電圧とを比較する比較器と、前記比較器
の出力電圧に応じて周波数を制御して前記トランス駆動
回路に伝達する発振器とを備え、前記基準電圧は、前記
入力電圧の高低に対応した２つのモードをとる高周波電
力変換回路である。

【０００８】本発明によれば、この高周波電力変換回路
を搭載した機器の入力電源であるＡＣアダプタの脱着に
よる充電池との切り換えなどにより入力電圧が大きく変
動しても、圧電トランスからの出力が変り昇圧比の許容
範囲内に収めることができる。

【０００９】また本発明は、上記の高周波電力変換回路
においてさらに前記基準電圧のそれぞれのモードは、前
記基準電圧が前記入力電圧に応じて変化する領域を有す
ることを特徴とする。

【００１０】また本発明は、前記基準電圧のそれぞれの
モードは、前記基準電圧は予め設定されたそれぞれの入
力電圧の設定範囲内では一定値をとり、該設定範囲から
はずれると入力電圧に比例した値をとることが好まし
い。

【００１１】本発明によれば、例えばＡＣアダプタの脱
着をした場合に、同時に基準電圧のモードが切り換わら
なくても、基準電圧が自動的に変化して圧電トランスは
電力変換効率が高い周波数範囲で動作することになる。
すなわち、低電圧モードの状態で、ＡＣアダプタが差し
込まれた場合は、基準電圧が高電圧モードでの値に近づ
くように変化して、効率の低下や回路の故障を防止す
る。また、高電圧モードの状態で、ＡＣアダプタが抜き
取られた場合は、基準電圧が低電圧モードでの値に近づ
くように変化し、不意の消灯を防止する。基準電圧の変
化は、入力電圧の変化に追従するので、チャタリングな
どの電圧変動があっても、変動に合わせて基準電圧も変
化するので、安定に動作することが可能となる。

【００１２】

【発明の実施形態】本発明を具体的な例で説明する。上
記の２つのモードのうち、入力電源として充電池を使用
する場合である低電圧モードでは、充電池の電圧変動範
囲で基準電圧は一定とし、それ以外の電圧範囲では基準
電圧は入力電圧に比例するようにする。また、入力電源
としてＡＣアダプタを使用する場合である高電圧モード
では、ＡＣアダプタの電圧変動範囲で基準電圧は一定と
し、それ以外の電圧範囲では基準電圧は入力電圧に比例
するようになる。この例では、充電池またはＡＣアダプ
タの電圧の変動予想範囲をそれぞれの入力電圧範囲とし
て予め設定すればよい。基準電圧の２つのモードは、Ａ
Ｃアダプタの脱着をパソコンで判断して切り換えればよ
い。

【００１３】ところで、ＡＣアダプタの脱着をおこなう
と、コネクタにおいて導通と不通が短時間の間に繰り返
されるチャタリングと呼ばれる現象が発生する。一方、
基準電圧の２つのモードは、ＡＣアダプタの脱着をパソ
コンで判断して切り換えるため、モードの切り換えとＡ
Ｃアダプタの脱着による電圧変動には時間差が生じ、こ
れに応じて、モードを瞬時に切り換わるようにすると、
パソコンの電圧が変動しパソコン本体が誤動作する恐れ
がある。そこで、モードの切り換えは、チャタリング期
間には起こらないようにすることが好ましく、例えば入
力電圧の変化を検出して数秒後にモードを切り換えるこ
とが好ましい。

【００１４】しかしながら、低電圧モードのままＡＣア
ダプタを動作させると、電力変換効率が非常に低下した
状態で動作するため、インバータの電力素子が過熱して
故障にいたることも予想される。逆に、高電圧モードの
ままＡＣアダプタが停止すると、電圧が低下するため圧
電トランスの変圧比の周波数依存性における極大値を超
えてしまい、放電管の点灯に必要な管電流が流れなくな
るために、放電管が消灯してしまう。

【００１５】そこで基準電圧が電源からの入力電圧に応
じて変化するようにすれば、ＡＣアダプタの脱着をした
場合に、同時に基準電圧のモードが切り換わらなくて
も、基準電圧が自動的に変化して圧電トランスは電力変
換効率が高い周波数範囲で動作することになる。すなわ
ち、低電圧モードの状態で、ＡＣアダプタが差し込まれ
た場合は、基準電圧が高電圧モードでの値に近づくよう
に変化して、効率の低下や回路の故障を防止する。ま
た、高電圧モードの状態で、ＡＣアダプタが抜き取られ
た場合は、基準電圧が低電圧モードでの値に近づくよう
に変化し、不意の消灯を防止する。基準電圧の変化は、
入力電圧の変化に追従するので、チャタリングなどの電
圧変動があっても、変動に合わせて基準電圧も変化する
ので、安定に動作することが可能となる。

【００１６】

【第１の実施形態】図１は本発明の第１の実施形態を説
明するものである。高周波電力変換回路は放電管などの
負荷２３に電力を供給する圧電トランス２２と、トラン
スに電力を供給するトランス駆動回路２１と、駆動回路
のスイッチング素子を駆動するスイッチ駆動回路２７
と、負荷２３を流れる負荷電流を検出する負荷電流検出
回路２４と、負荷電流検出回路からの検出電圧と基準電
圧との誤差を増幅する誤差増幅器２５と、誤差増幅器の
出力電圧に応じて周波数が変化してスイッチ駆動回路２
７の動作周波数を決定する発振器２６とからなってい
る。ここでは負荷電流検出回路２４が、圧電トランスか
ら負荷に供給される出力を検出する出力検出回路であ
り、また誤差増幅器２５が検出電圧と基準電圧とを比較
する比較器である。また、発振器２６では検出電圧と基
準電圧との差を増幅して誤差増幅器２５から出力された
誤差電圧を周波数に変換して、その周波数をスイッチ駆
動回路を経てトランス駆動回路に伝達する。スイッチ駆
動回路は、トランス駆動回路にある直流を交流に変える
ための２つのスイッチ素子を駆動するためのものであ
る。

【００１７】基準電圧は、定電圧発生器２９の電圧Ｖ６
を抵抗で分圧し、分圧比をトランジスタＴｒ２によって
変化させることによって、２通りにすることができる。
すなわち、端子３１の入力信号がLowでトランジスタＴ
ｒ２がオフのときには基準電圧が高く、端子３１の入力
信号がHighでトランジスタＴｒ２がオンのときには基準
電圧が低くなる。端子３１には、例えばマイクロプロセ
ッサ（図示せず）が入力電源の切り換えを判断して、そ
れからチャタリングの終了するまでの時間をみこした一
定時間後にLowまたはHigh信号を切り換えて供給すれば
よい。なお、定電圧発生器２９の電源は図のように入力
端子２８からとってもよいが、別の電源からとってもよ
い。

【００１８】図３に入力端子２８での入力電圧と負荷２
３である放電管を流れる管電流との関係を示す。本実施
形態では管電流は低電圧モードでは直線ａのように充電
池の電圧変動範囲で一定になる。また高電圧モードでは
直線ｂのようにＡＣアダプタの電圧がたとえ変動しても
管電流は一定に制御できる。従来の回路では、直線ａか
らｃまでの範囲で制御されることになるが、直線ｃは圧
電トランスの反共振領域にはいり、効率の低いところで
動作するため、発熱などにより不具合を生じる。ちなみ
に図３で適正出力領域よりも左上では圧電トランスの共
振周波数よりも低い周波数で動作させることになり、出
力不足領域となる。

【００１９】次に入力電圧と電力変換効率との関係を図
４に示す。本実施例では低電圧モード、高電圧モードと
もに８０％以上の高い効率が得られることが分かる。従
来の回路では、入力電圧が高くなると効率が著しく低下
することが分かる。

【００２０】

【第２の実施形態】図２に高周波電力変換回路の第２の
実施形態によるブロック図を示す。入力端子８に入力電
圧が印加され、スイッチ駆動回路７により駆動されるス
イッチ素子を有するトランス駆動回路１で交流に変換さ
れ、圧電トランス２を駆動する。圧電トランスで昇圧さ
れた交流は負荷３に供給され、出力検出回路として用い
る負荷電流検出回路４で圧電トランスの出力が検出され
る。負荷電流検出回路で検出された出力は電圧に変換さ
れ、基準電圧との誤差を比較器である誤差増幅器５で比
較増幅され、発振器６で電圧周波数変換されスイッチ駆
動回路７を通ってトランス駆動回路１にフィードバック
されることにより、基準電圧に応じて圧電トランスの出
力を制御する。

【００２１】本発明の実施形態では基準電圧を高周波電
力変換回路の入力電圧に応じて変化させるために次のよ
うにした。入力端子８により印加される入力電圧を、抵
抗素子で構成される比例電圧発生器１０により分圧し、
入力電圧に比例する２つの電圧Ｖ１とＶ２を得る。ここ
で高い方の電圧をＶ１、低い方の電圧をＶ２とする。こ
のうち、Ｖ１を定電圧発生器１１に入力する。定電圧発
生器１１で発生した電圧Ｖ４は、定電圧発生器への入力
電圧Ｖ１が定電圧ダイオードのしきい値よりも低いとき
は、Ｖ１と同じ値をとり、Ｖ１がしきい値より高いとき
は、しきい値と同じ電圧になる。そして最大値選択器９
により、Ｖ４とＶ２のうちの大きい方が基準電圧Ｖ３と
して出力される。この時、Ｖ２がＶ４よりも大きくなる
と、基準電圧Ｖ３は入力電圧に比例したＶ２と同じ値に
なる。

【００２２】定電圧発生回路１１と、抵抗Ｔｒ１および
抵抗を介して接続される端子１２には、低電圧モードの
場合はHighレベル、高電圧モードの場合はLowレベルの
電圧が外部の例えばマイクロプロセッサからかかるよう
にしている。そしてそれぞれのレベルの電圧に応じてト
ランジスタＴｒ１をオンまたはオフすることにより、定
電圧ダイオードのしきい値としてＤ１のみによる値また
はＤ１とＤ２の直列による値のいずれかを選択する。す
なわち基準電圧のモードに応じた定電圧ダイオードのし
きい値を設定することができる。

【００２３】次に負荷３として放電管を用いた場合に、
放電管に流れる管電流と入力電圧の関係を図５に示す。
本実施形態の低モードは、管電流が折れ線ａのように電
圧により一定になる領域と、過渡的な領域として入力電
圧に比例する領域を有す。また高電圧モードでは折れ線
ｂのようになる。

【００２４】図６は本発明による入力電圧と電力変換効
率との関係を示すもので、本発明の実施形態では基準電
圧のモードや入力電圧によらず８０％以上の高い電力変
換効率を維持することが分かった。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、入力電源が切り換わる
などして入力電圧が変動しても、高い電力変換効率を維
持したまま安定な動作をすることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態のブロック図である。

【図２】本発明の第２の実施形態のブロック図である。

【図３】第１の実施形態による入力電圧と管電流の関係
を示す図である。

【図４】入力電圧と電力変換効率との関係を示す図であ
る。

【図５】第２の実施形態による入力電圧と管電流の関係
を示す図である。

【図６】入力電圧と電力変換効率との関係を示す図であ
る。

【符号の説明】

１、２１ ・・トランス駆動回路 ２、２２ ・・圧電トランス ３、２３ ・・負荷 ４、２４ ・・負荷電流検出回路 ５、２５ ・・誤差増幅器 ６、２６ ・・発振器 ７、２７ ・・スイッチ駆動回路 ８、２８ ・・入力端子 ９ ・・最大値選択器 １０ ・・比例電圧発生器 １１ ・・定電圧発生器 ３０ ・・分圧切り換え器 １２、３１ ・・端子

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電トランスと、入力電圧を受けて前記圧
   電トランスを駆動するトランス駆動回路と、圧電トラン
   スから負荷に供給される出力を検出して検出電圧を発生
   する出力検出回路と、前記検出電圧と基準電圧とを比較
   する比較器と、前記比較器の出力電圧に応じて周波数を
   制御して前記トランス駆動回路に伝達する発振器とを備
   え、前記基準電圧は、前記入力電圧の高低に対応した２
   つのモードをとることを特徴とする高周波電力変換回
   路。
2. 【請求項２】前記基準電圧のそれぞれのモードは、前記
   基準電圧が前記入力電圧に応じて変化する領域を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の高周波電力変換回
   路。
3. 【請求項３】前記基準電圧のそれぞれのモードは、前記
   基準電圧は予め設定されたそれぞれの入力電圧の設定範
   囲内では一定値をとり、該設定範囲からはずれると入力
   電圧に比例した値をとることを特徴とする請求項２に記
   載の高周波電力変換回路。