【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として圧電トランスを使用したＤＣ出力直列共振型ＤＣ−ＤＣコンバータに関し、特に出力電圧を一定に制御するためパルス幅変調制御を行う圧電トランス式直列共振型ＤＣ−ＤＣコンバータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、圧電トランスを用いたＤＣ−ＤＣコンバータとしては、例えば、特開平８−２３７９４３が提案されている。これは、負荷変動に対する圧電トランスの出力電圧を、周波数制御方式によって一定に制御する構成の圧電トランスを用いたＤＣ−ＤＣコンバータである。
【０００３】
さらに、圧電トランスを用いたＤＣ−ＤＣコンバータとして、例えば、特開平４−２１０７７３が提案されている。これは、時比率制御方式と周波数制御方式を組み合わせる方式を用いたＤＣ−ＤＣコンバータである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
圧電トランスを用いたＤＣ−ＤＣコンバータでは、負荷変動に対応して圧電トランスの出力電圧を制御するのみならず、広範囲な入力電圧変動に対して常に安定した直流電圧を出力し、さらに高効率で動作する必要がある。
【０００５】
ところが、上述した特開平８−２３７９４３の圧電トランスを用いたＤＣ−ＤＣコンバータは、入力変動及び負荷変動に対する圧電トランスの出力電圧を、周波数制御方式のみによって制御することを目的としており、入力変動及び負荷変動を周波数制御のみで対応することになると周波数の変動幅が大きくなり、効率が著しく低下するポイントが存在してしまう。
【０００６】
一方、特開平４−２１０７７３の出力制御方法では、時比率制御方式と周波数制御方式のいずれもがフィードバック制御となっているので、実用化する場合は、どちらかの制御を優先させるか、あるいは、制御間の交渉をどのように無くすか等の解決すべき問題が多数存在し、現実的ではない。
【０００７】
従って、本発明は、上記問題点に着目してなされたものであり、負荷変動及び比較的狭い範囲の入力変動に対しては基本的にパルス幅変調で出力電圧を一定に保ち、さらに広範囲の入力変動に対しては、前途動作周波数を変更し、最低限の周波数変移を行うことで、負荷変動及び広範囲の入力にわたり安定して高効率な圧電トランス式直列共振型ＤＣ−ＤＣコンバータを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、圧電式の直列共振型ＤＣ−ＤＣコンバータであって、入力電圧を検知することで従来のパルス幅変調（ＰＷＭ）制御に加え、動作周波数を２段階に設定できるような機能を持つものである。
【０００９】
すなわち、本発明は、直流高圧電源とスイッチング素子により矩形波発振回路と、直列共振用インダクタンスと、圧電トランスの容量成分との直列共振回路による正弦波発生回路と、前記圧電トランスによる降圧回路による正弦波発生回路とその正弦波を直流電圧に平滑する平滑回路と、前記直流電圧を検知して安定化するために時比率を制御する電圧制御発振器にて、直流電圧出力を負荷に供給する直列共振型ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、スイッチング素子の矩形波発振周波数を２段階に設定する周波数設定回路を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、前記検出信号と基準電圧とを入力とする比較増幅器を備え、検出信号が基準電圧より大なる場合の比較増幅器の出力電圧を“Ｈ”とし、また、検出信号が基準電圧より小なる場合の比較増幅器の出力電圧を“Ｌ”とし、前記比較増幅器の出力信号の“Ｈ”，“Ｌ”によって発振周波数を切り替えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、電源投入時に入力電圧を検知してから周波数を設定するまでの間に誤動作による破損を防止するため、比較増幅器の出力に時定数を持たせる回路を備え、正常に動作開始するまで“Ｈ”または“Ｌ”とする機能を有することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態による圧電トランス式直列共振型ＤＣ−ＤＣコンバータについて、以下、図面を参照しながら説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施の形態の回路図である。スイッチング素子Ｑ１及びスイッチング素子Ｑ２で矩形波を発生させ、直列共振用インダクタンス１３と圧電トランス等価回路１４の容量成分１５を直列共振させることで正弦波を発生させている。その正弦波を圧電トランス等価回路１４内でＮ：１に降圧させて正弦波を出力している。
【００１４】
圧電トランス等価回路１４から出力された正弦波は、整流素子２０，２１、平滑用チョークコイル２２，２３、平滑用コンデンサ２４で整流及び平滑され、直流電圧として負荷抵抗ＲＬに供給される。
【００１５】
前記直流電圧は、演算増幅器２６によって基準電圧２７と比較され、その差分はフィードバック信号として入出力間を絶縁された光結合絶縁素子２８を介し、電圧制御発振器２９に入力される。電圧制御発振器２９に入力された信号は内部のパルス幅制御回路３１でフィードバック信号量によってスイッチング素子Ｑ１、スイッチング素子Ｑ２の時比率を決定し、時定数抵抗３２及び時定数コンデンサ３４で決定された動作周波数に同期したパルス信号としてパルス発生器３０からパルス幅制御変調信号としてスイッチング素子Ｑ１、スイッチング素子Ｑ２に出力される。なお、Ｑ１は比較増幅器３６の入力側に接続されているため、一旦パルストランス（またはレベルシフトドライバー）３５で電圧変換されてからスイッチング素子Ｑ１に入力される。
【００１６】
一方、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧を検知している信号は、比較増幅器３６によって基準電圧３７と比較され、基準電圧に対する大小によって比較増幅器３６の出力が２値のいずれかの電圧値を出力し、これに接続しているスイッチ３８がＯＮ／ＯＦＦする。これによって、周波数設定時定数用抵抗３２のインピーダンスが変化するので動作周波数も２段階に設定されることになる。
【００１７】
図２および図３は、図１に示す回路の各部における信号波形を示す図である。入力電圧がＶｉｎ＞Ｖｒｅｆ（Ｖｒｅｆは任意設定できる比較増幅器３６の基準電圧）の場合、前記スイッチ３８はＯＮ状態になることで動作周波数はｆａ（高い周波数）となる。一方、入力電圧がＶｉｎ＜Ｖｒｅｆの場合、前記スイッチ３８はＯＦＦ状態になることで動作周波数はｆｂ（低い周波数）となる。これにより、ＶｒｅｆはＶｉｎの範囲（Ｖｍｉｎ〜Ｖｍａｘ）のほぼ中点に設定することで広範囲の入力電圧をカバーできるようになる。
【００１８】
図４（ａ）は、図１の圧電トランス式直列共振型ＤＣ−ＤＣコンバータにおける効率カーブ、図４（ｂ）は、図１の圧電トランス式直列共振型ＤＣ−ＤＣコンバータにおける降圧カーブであり、ｆａを効率の最大点、ｆｂを降圧最大点に設定することで、各々の入力電圧変動、負荷変動に対し降圧比、効率においてバランスを取っている。
【００１９】
図２（ａ）、図３（ａ）は、図４（ａ）および図４（ｂ）のｆａ点、およびｆｂ点でのスイッチング素子Ｑ１、スイッチング素子Ｑ２のＶｇｓ（ゲート、ソース間電圧）波形を示しており、実線はパルス幅比、最大時、破線はパルス幅比、最小時の波形である。これらのパルス幅比の範囲でＶｍｉｎ〜Ｖｍａｘにおける負荷変動に対し出力電圧が一定になるように制御する。なお、図２（ｂ）、図３（ｂ）は、ｆａ点、ｆｂ点でのスイッチング素子Ｑ２のＶｄｓ（ドレイン、ソース間電圧）波形を示している。また、図５は、図１の圧電トランス式直列共振型ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧対周波数特性を示す。
【００２０】
【発明の効果】
以上、説明したごとく、本発明によれば、圧電トランスを用いたＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、入力電圧に対して適正な動作周波数を選択することで、負荷変動に対応して圧電トランスの出力電圧を制御するのみならず、広範囲な入力電圧変動に対して常に安定した直流電圧を出力し、さらに高効率で動作する圧電トランス式直列共振型ＤＣ−ＤＣコンバータを提供できる。
【００２１】
また、本発明は、ＡＣ入力のアダプター等に関してもＡＣを平滑した以降にこの発明を応用することで、広範囲な入力電圧変動に対して常に安定した直流電圧を供給し、さらに高効率で動作できる圧電トランス式直列共振型ＤＣ−ＤＣコンバータを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による圧電トランス式直列共振型ＤＣ−ＤＣコンバータのブロック図。
【図２】図１の圧電トランス式直列共振型ＤＣ−ＤＣコンバータの周波数ｆａにおける各部波形を示す図。図２（ａ）は、スイッチング素子Ｑ１のＶｇｓ波形およびスイッチング素子Ｑ２のＶｇｓ波形を示す図。図２（ｂ）は、スイッチング素子Ｑ２のＶｄｓ波形を示す図。
【図３】図１の圧電トランス式直列共振型ＤＣ−ＤＣコンバータの周波数ｆｂにおける部波形を示す図。図３（ａ）は、スイッチング素子Ｑ１のＶｇｓ波形およびスイッチング素子Ｑ２のＶｇｓ波形を示す図。図３（ｂ）は、スイッチング素子Ｑ２のＶｄｓ波形を示す図。
【図４】図１の圧電トランス式直列共振型ＤＣ−ＤＣコンバータの周波数特性図。図４（ａ）は、ＤＣ−ＤＣコンバータの効率対周波数特性を示す図、図４（ｂ）は、ＤＣ−ＤＣコンバータの降圧比対周波数特性を示す図。
【図５】図１の圧電トランス式直列共振型ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧対周波数特性を示す図。
【符号の説明】
１０ 直流電源
１３ 直列共振用インダクタ
１４ 圧電トランス等価回路
１５ 等価入力コンデンサ
１６ 等価抵抗
１７ 等価コイル
１８ 等価コンデンサ
１９ 等価出力コンデンサ
２０，２１ 整流素子
２２，２３ 平滑用チョークコイル
２４ 平滑用コンデンサ
２６ 演算増幅器
２７ 基準電圧
２８ 光結合絶縁素子
２９ 電圧制御発振器（ＶＣＯ）
３０ パルス発生器
３１ パルス幅制御変調（ＰＷＭ）回路
３２ 時定数用抵抗
３４ 時定数用コンデンサ
３５ パルストランス
３６ 比較増幅器
３７ 基準電圧
３８ スイッチ
３９ 起動時遅延用抵抗
４０ 起動時遅延用コンデンサ
Ｑ１ スイッチング素子
Ｑ２ スイッチング素子
ＲＬ 負荷抵抗[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a DC output series resonance type DC-DC converter mainly using a piezoelectric transformer, and more particularly to a piezoelectric transformer type series resonance type DC-DC converter that performs pulse width modulation control for controlling output voltage to be constant. .
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a DC-DC converter using a piezoelectric transformer, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 8-237943 has been proposed. This is a DC-DC converter using a piezoelectric transformer having a configuration in which the output voltage of the piezoelectric transformer with respect to a load change is controlled to be constant by a frequency control method.
[0003]
Further, as a DC-DC converter using a piezoelectric transformer, for example, Japanese Patent Laid-Open No. Hei 4-210773 has been proposed. This is a DC-DC converter using a method that combines a duty ratio control method and a frequency control method.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
A DC-DC converter using a piezoelectric transformer not only controls the output voltage of the piezoelectric transformer in response to load fluctuations, but also outputs a stable DC voltage with respect to a wide range of input voltage fluctuations. Need to work.
[0005]
However, the above-described DC-DC converter using a piezoelectric transformer disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-237943 aims at controlling the output voltage of the piezoelectric transformer with respect to input fluctuation and load fluctuation only by a frequency control method. If the load fluctuation is dealt with only by the frequency control, the frequency fluctuation width becomes large, and there is a point where the efficiency is remarkably reduced.
[0006]
On the other hand, in the output control method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 4-210773, since both the duty ratio control method and the frequency control method are feedback control, when practically used, one of the controls is given priority, or There are many problems to be solved, such as how to eliminate negotiations between controls, which is not practical.
[0007]
Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and basically keeps the output voltage constant by pulse width modulation with respect to load fluctuations and input fluctuations in a relatively narrow range, and further covers a wide range. With respect to input fluctuations, the operating frequency is changed in advance and the minimum frequency shift is performed, thereby providing a piezoelectric transformer type series resonant DC-DC converter that is stable and highly efficient over load fluctuations and a wide range of inputs. It is in.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is a piezoelectric series resonance type DC-DC converter, which has a function of detecting an input voltage and setting an operating frequency in two stages in addition to conventional pulse width modulation (PWM) control. Things.
[0009]
That is, the present invention provides a sine wave generating circuit based on a square wave oscillating circuit using a DC high voltage power supply and a switching element, a series resonant circuit including a series resonance inductance and a capacitive component of a piezoelectric transformer, and a sine wave generating circuit based on a step-down circuit based on the piezoelectric transformer. A series resonant circuit for supplying a DC voltage output to a load by a wave generating circuit, a smoothing circuit for smoothing the sine wave to a DC voltage, and a voltage control oscillator for controlling a duty ratio to detect and stabilize the DC voltage. In the DC-DC converter, a frequency setting circuit for setting a rectangular wave oscillation frequency of the switching element in two stages is provided.
[0010]
The present invention further includes a comparison amplifier having the detection signal and a reference voltage as inputs, wherein the output voltage of the comparison amplifier when the detection signal is higher than the reference voltage is “H”, and the detection signal is a reference voltage. When the output voltage is smaller, the output voltage of the comparison amplifier is set to “L”, and the oscillation frequency is switched according to “H” and “L” of the output signal of the comparison amplifier.
[0011]
In addition, the present invention includes a circuit for giving a time constant to the output of the comparison amplifier in order to prevent damage due to a malfunction from detecting an input voltage at power-on to setting a frequency. Until then, it has a function of making it “H” or “L”.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a piezoelectric transformer type series resonance type DC-DC converter according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0013]
FIG. 1 is a circuit diagram of an embodiment of the present invention. The switching element Q1 and the switching element Q2 generate a rectangular wave, and the series resonance of the series resonance inductance 13 and the capacitance component 15 of the piezoelectric transformer equivalent circuit 14 generate a sine wave. The sine wave is reduced to N: 1 in the piezoelectric transformer equivalent circuit 14 to output a sine wave.
[0014]
The sine wave output from the piezoelectric transformer equivalent circuit 14 is rectified and smoothed by the rectifying elements 20 and 21, the smoothing choke coils 22 and 23, and the smoothing capacitor 24, and is supplied to the load resistor RL as a DC voltage.
[0015]
The DC voltage is compared with a reference voltage 27 by an operational amplifier 26, and the difference is input as a feedback signal to a voltage controlled oscillator 29 via an optical coupling insulation element 28 whose input and output are insulated. The signal input to the voltage controlled oscillator 29 determines the duty ratio of the switching element Q1 and the switching element Q2 according to the feedback signal amount in the internal pulse width control circuit 31, and the operation determined by the time constant resistor 32 and the time constant capacitor. A pulse signal synchronized with the frequency is output from the pulse generator 30 to the switching elements Q1 and Q2 as a pulse width control modulation signal. Since Q1 is connected to the input side of the comparison amplifier 36, the voltage is temporarily converted by a pulse transformer (or a level shift driver) 35 and then input to the switching element Q1.
[0016]
On the other hand, the signal detecting the input voltage of the DC-DC converter is compared with the reference voltage 37 by the comparison amplifier 36, and the output of the comparison amplifier 36 outputs one of two voltage values depending on the magnitude with respect to the reference voltage. The switch 38 connected to this is turned on / off. As a result, the impedance of the frequency setting time constant resistor 32 changes, so that the operating frequency is also set in two stages.
[0017]
2 and 3 are diagrams showing signal waveforms at various parts of the circuit shown in FIG. When the input voltage is Vin> Vref (Vref is a reference voltage of the comparison amplifier 36 which can be arbitrarily set), the operation frequency becomes fa (high frequency) by turning on the switch 38. On the other hand, when the input voltage is Vin <Vref, the switch 38 is turned off, and the operating frequency becomes fb (low frequency). As a result, Vref can be set to substantially the middle point of the range of Vin (Vmin to Vmax) to cover a wide range of input voltage.
[0018]
FIG. 4A is an efficiency curve of the piezoelectric transformer type series resonance type DC-DC converter of FIG. 1, and FIG. 4B is a step-down curve of the piezoelectric transformer type series resonance type DC-DC converter of FIG. By setting fa as the maximum point of efficiency and fb as the maximum step-down point, the step-down ratio and efficiency are balanced with respect to each input voltage fluctuation and load fluctuation.
[0019]
FIGS. 2A and 3A show Vgs (gate-source voltage) waveforms of the switching element Q1 and the switching element Q2 at points fa and fb in FIGS. 4A and 4B. The solid line indicates the pulse width ratio and the maximum waveform, and the broken line indicates the pulse width ratio and the minimum waveform. Control is performed so that the output voltage is constant with respect to the load fluctuation in the range of Vmin to Vmax in the range of the pulse width ratio. 2 (b) and 3 (b) show Vds (drain-source voltage) waveforms of the switching element Q2 at the points fa and fb. FIG. 5 shows an output voltage versus frequency characteristic of the piezoelectric transformer type series resonance DC-DC converter of FIG.
[0020]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in a DC-DC converter using a piezoelectric transformer, by selecting an appropriate operating frequency with respect to an input voltage, the output voltage of the piezoelectric transformer can be adjusted in response to a load change. It is possible to provide a piezoelectric transformer series resonance type DC-DC converter that not only controls but also constantly outputs a stable DC voltage with respect to a wide range of input voltage fluctuations and operates with high efficiency.
[0021]
In addition, the present invention applies the present invention after smoothing AC even for an AC input adapter or the like, so that a stable DC voltage is always supplied with respect to a wide range of input voltage fluctuation, and operation can be performed with higher efficiency. A piezoelectric transformer type series resonance type DC-DC converter can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a piezoelectric transformer type series resonance DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing waveforms at respective frequencies fa of the piezoelectric transformer type series resonance type DC-DC converter of FIG. 1; FIG. 2A is a diagram illustrating a Vgs waveform of the switching element Q1 and a Vgs waveform of the switching element Q2. FIG. 2B is a diagram illustrating a Vds waveform of the switching element Q2.
FIG. 3 is a diagram showing a partial waveform at a frequency fb of the piezoelectric transformer type series resonance DC-DC converter of FIG. 1; FIG. 3A is a diagram illustrating a Vgs waveform of the switching element Q1 and a Vgs waveform of the switching element Q2. FIG. 3B is a diagram illustrating a Vds waveform of the switching element Q2.
FIG. 4 is a frequency characteristic diagram of the piezoelectric transformer series resonance type DC-DC converter of FIG. 1; FIG. 4A is a diagram illustrating the efficiency versus frequency characteristic of the DC-DC converter, and FIG. 4B is a diagram illustrating the step-down ratio versus frequency characteristic of the DC-DC converter.
FIG. 5 is a diagram showing output voltage versus frequency characteristics of the piezoelectric transformer type series resonance type DC-DC converter of FIG. 1;
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 10 DC power supply 13 Series resonance inductor 14 Piezoelectric transformer equivalent circuit 15 Equivalent input capacitor 16 Equivalent resistor 17 Equivalent coil 18 Equivalent capacitor 19 Equivalent output capacitor 20, 21 Rectifier element 22, 23 Smoothing choke coil 24 Smoothing capacitor 26 Operational amplifier 27 Reference voltage 28 Optical coupling insulation element 29 Voltage controlled oscillator (VCO)
Reference Signs List 30 pulse generator 31 pulse width control modulation (PWM) circuit 32 time constant resistor 34 time constant capacitor 35 pulse transformer 36 comparative amplifier 37 reference voltage 38 switch 39 start-up delay resistor 40 start-up delay capacitor Q1 switching element Q2 Switching element RL Load resistance
