JP2008099545A

JP2008099545A - 自励式共振システム

Info

Publication number: JP2008099545A
Application number: JP2007240575A
Authority: JP
Inventors: Taisei Haku; 台生柏
Original assignee: Taida Electronic Industry Co Ltd
Current assignee: Taida Electronic Industry Co Ltd
Priority date: 2006-10-16
Filing date: 2007-09-18
Publication date: 2008-04-24
Also published as: US20080088178A1; TW200820829A

Abstract

【課題】同期した周波数を出力できる自励式共振システムを提供する。
【解決手段】自励式共振システム２は、第１のトランスＴ_１が第１の自励式スイッチング回路２１と電気的に接続し、第１の共振巻線Ｗ_Ｒ１、スイッチング制御巻線Ｗ_Ｓ１、第１の同期スイッチング制御巻線Ｗ_ＳＳ１および第１の出力巻線Ｗ_Ｏ１を備える。第１の出力巻線Ｗ_Ｏ１は第１の共振巻線Ｗ_Ｒ１、スイッチング制御巻線Ｗ_Ｓ１および第１の同期スイッチング制御巻線Ｗ_ＳＳ１とそれぞれ接続し、第１の同期スイッチング制御巻線Ｗ_ＳＳ１は第２の自励式スイッチング回路２２と電気的に接続する。第２のトランスＴ_２は第２の自励式スイッチング回路２２と電気的に接続し、第２の共振巻線Ｗ_Ｒ２、第２の同期スイッチング制御巻線Ｗ_ＳＳ２および第２の出力巻線Ｗ_Ｏ２を備える。第２の出力巻線Ｗ_Ｏ２は第２の共振巻線Ｗ_Ｒ２および第２の同期スイッチング制御巻線Ｗ_ＳＳ２とそれぞれ接続する。
【選択図】図２

Description

本発明は共振システムに関し、特に自励式共振システムに関するものである。

パワーエレクトロニクス技術の進歩に伴って、現在、電力変換装置は各種製品において不可欠な構成要素の１つとなっている。電力変換装置は主に直流−直流電力変換器（DC-DC converter）とインバータ（inverter）とに分けられる。このうち、インバータは直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であり、例えば液晶ディスプレイ装置などの電気製品に広く利用されている。

液晶ディスプレイ装置は主に液晶パネルとバックライトモジュールとからなり、目下市場に出回っているもののほとんどは、冷陰極蛍光ランプをバックライトモジュールの光源として用いている。冷陰極蛍光ランプは実際は非常に複雑な変換器（complex transducer）であり、通常はインバータ（inverter）から供給される交流電源により駆動されて発光する。その交流電源と光の変換過程において、変換効率は、ランプ電流、温度、交流電源の波形、ランプサイズ、動作周波数、ランプ内のガス組成および近接する導体との距離といった要素すべての影響を受ける。

一般に、インバータは構成により大きく２種類に分けることができる。１つは低コストを考慮した２段構成のもの、つまり、最も広範に使用されているロイヤー自励式インバータ（Royer self-excitation inverter）であり、もう１つは１段構成を用いたブリッジインバータであり、このブリッジインバータにはハーフブリッジインバータ（half-bridge inverter）とフルブリッジインバータ（full-bridge inverter）とが含まれる。

以下、ロイヤー自励式インバータについて簡単に説明する。図１を参照されたい。従来の自励式インバータ１はトランス１１、コンデンサ１２、第１のトランジスタ１３および第２のトランジスタ１４を含む。トランス１１は一次側に共振巻線１１１および制御巻線１１２を備え、二次側には出力巻線１１３を備える。コンデンサ１２は共振巻線１１１に並列接続される。第１のトランジスタ１３および第２のトランジスタ１４はコンデンサ１２の両端とそれぞれ電気的に接続し、かつ、第１のトランジスタ１３および第２のトランジスタ１４は制御巻線１１２によってそれぞれその開閉動作が制御される。自励式インバータ１の動作周波数はトランス１１の共振巻線１１１とコンデンサ１２との共振によって生じ、出力巻線１１３にて該周波数を基にした交流電力ＡＣ１が出力される。この交流電力ＡＣ１は、例えば冷陰極蛍光ランプのような後段の負荷を駆動させることができる。

上述のように、自励式インバータ１の動作周波数はインダクタとしての共振巻線１１１とコンデンサ１２とを共振させることにより発生するものであるため、該動作周波数は共振巻線１１１とコンデンサ１２との部品パラメータの誤差の影響を受けて変化し得る。特に負荷（冷陰極蛍光ランプ）の数が多くなるとそれら負荷を駆動するために、より多くの自励式インバータが必要となるが、部品パラメータの誤差により各組の自励式インバータの動作周波数にばらつきが生じ、後段の負荷、例えば冷陰極蛍光ランプが発する光線が不均一になってしまう。しかし、各部品のパラメータを一致させるために製造時に各部品を厳密に検査しようとすると、製造コストが増加する。

よって、製品の品質を維持しながらコストの低減を図り、同期した周波数を出力できる自励式共振システムを如何に提供するかは、目下、重要な課題の１つとなっている。

上記に鑑みて、本発明の目的は、同期した周波数を出力できる自励式共振システムを提供することにある。

上述した目的を達成するため、本発明による自励式共振システムは、第１の自励式スイッチング回路および第１のトランスを含む。第１の自励式スイッチング回路は第１のコンデンサおよび第１のスイッチ組を少なくとも備え、かつ第１のコンデンサは第１のスイッチ組と電気的に接続する。第１のトランスは第１の自励式スイッチング回路と電気的に接続し、第１の共振巻線、スイッチング制御巻線、第１の同期スイッチング制御巻線および第１の出力巻線を備える。第１の出力巻線は第１の共振巻線、スイッチング制御巻線および第１の同期スイッチング制御巻線とそれぞれ接続し、第１の共振巻線は第１のコンデンサおよび第１のスイッチ組とそれぞれ電気的に接続し、スイッチング制御巻線は第１のスイッチ組と電気的に接続する。

本発明による自励式共振システムは、第１のトランスの第１の共振巻線と、自励式スイッチング回路の第１のコンデンサとの共振により生じた周波数を利用し、その周波数をスイッチング制御巻線および同期スイッチング制御巻線に誘導して、スイッチ組の開閉動作をそれぞれ制御するよう構成されているため、システム中の周波数を同期させることができ、素子の特性差異のために周波数が同期し得ないといった現象の発生を回避することができる。

以下に図面を参照にしながら、本発明の好ましい実施形態による自励式共振システムについて説明する。

図２を参照されたい。本発明の好ましい実施形態による自励式共振システム２は、第１のトランスＴ_１、第２のトランスＴ_２、第１の自励式スイッチング回路２１および第２の自励式スイッチング回路２２を含む。本実施形態において、第１の自励式スイッチング回路２１および第２の自励式スイッチング回路２２はそれぞれロイヤー（Royer）自励式スイッチング回路とすることができる。

第１のトランスＴ_１は第１の自励式スイッチング回路２１と電気的に接続している。第１のトランスＴ_１は第１の共振巻線Ｗ_Ｒ１、スイッチング制御巻線Ｗ_Ｓ１、第１の同期スイッチング制御巻線Ｗ_ＳＳ１および第１の出力巻線Ｗ_Ｏ１を備える。第１の出力巻線Ｗ_Ｏ１は第１の共振巻線Ｗ_Ｒ１、スイッチング制御巻線Ｗ_Ｓ１および第１の同期スイッチング制御巻線Ｗ_ＳＳ１とそれぞれ接続する。第１の同期スイッチング制御巻線Ｗ_ＳＳ１は第２の自励式スイッチング回路２２と電気的に接続する。第１の出力巻線Ｗ_Ｏ１は第１の負荷２３と電気的に接続する。

第２のトランスＴ_２は第２の自励式スイッチング回路２２と電気的に接続している。第２のトランスＴ_２は第２の共振巻線Ｗ_Ｒ２、第２の同期スイッチング制御巻線Ｗ_ＳＳ２および第２の出力巻線Ｗ_Ｏ２を備える。請求項２における第３の出力巻線としての第２の出力巻線Ｗ_Ｏ２は、第２の共振巻線Ｗ_Ｒ２および第２の同期スイッチング制御巻線Ｗ_ＳＳ２とそれぞれ接続する。さらに、第２の出力巻線Ｗ_Ｏ２は、請求項１５における第３の負荷としての第２の負荷２４と電気的に接続する。

本実施形態において、第１の負荷２３および第２の負荷２４には、冷陰極蛍光ランプ、または交流電源で駆動されるその他の負荷がそれぞれ含まる。

さらに図３を参照されたい。図３は、図２の自励式共振システム２の詳細な構成を示す説明図である。

図３に示されるように、第１の自励式スイッチング回路２１は第１のコンデンサＣ_１および第１のスイッチ組ＳＷ_１を少なくとも備える。第１のコンデンサＣ_１は第１のスイッチ組ＳＷ_１と電気的に接続している。さらに、第１のコンデンサＣ_１は第１のトランスＴ_１の第１の共振巻線Ｗ_Ｒ１と電気的に並列接続している。本実施形態において、第１のスイッチ組ＳＷ_１は、第１のコンデンサＣ_１の第１の端および第２の端とそれぞれ電気的に接続する第１のスイッチ素子Ｑ_１および第２のスイッチ素子Ｑ_２を有しており、かつ、第１のスイッチ素子Ｑ_１および第２のスイッチ素子Ｑ_２は第１のトランスＴ_１のスイッチング制御巻線Ｗ_Ｓ１とそれぞれ電気的に接続し、そのオンとオフが各々に制御されるようになっている。

また、本実施形態において、第１のスイッチ素子Ｑ_１および第２のスイッチ素子Ｑ_２は、例えばそれぞれにバイポーラトランジスタまたは電界効果トランジスタとすることができるが、これらのみに限定はされない。第１のスイッチ素子Ｑ_１および第２のスイッチ素子Ｑ_２がバイポーラトランジスタである場合、第１のトランスＴ_１のスイッチング制御巻線Ｗ_Ｓ１はかかるバイポーラトランジスタのベースにそれぞれ電気的に接続してそれらの開閉を制御する。また、第１のスイッチ素子Ｑ_１および第２のスイッチ素子Ｑ_２が電界効果トランジスタである場合には、第１のトランスＴ_１のスイッチング制御巻線Ｗ_Ｓ１はかかる電界効果トランジスタのゲートにそれぞれ電気的に接続してそれらの開閉を制御する。

第２の自励式スイッチング回路２２は第２のコンデンサＣ_２および第２のスイッチ組ＳＷ_２を少なくとも備える。第２のコンデンサＣ_２は第２のスイッチ組ＳＷ_２と電気的に接続する。さらに、第２のコンデンサＣ_２は第２のトランスＴ_２の第２の共振巻線Ｗ_Ｒ２と電気的に並列接続する。本実施形態において、第２のスイッチ組ＳＷ_２は、第２のコンデンサＣ_２の第１の端および第２の端にそれぞれ電気的に接続する第３のスイッチ素子Ｑ_３および第４のスイッチ素子Ｑ_４を有しており、かつ、第３のスイッチ素子Ｑ_３および第４のスイッチ素子Ｑ_４は第１のトランスＴ_１の第１の同期スイッチング制御巻線Ｗ_ＳＳ１とそれぞれ電気的に接続し、各々に制御がなされるようになっている。第３のスイッチ素子Ｑ_３および第４のスイッチ素子Ｑ_４は第１のスイッチ素子Ｑ_１および第２のスイッチ素子Ｑ_２と同種でかつ同じ機能を有するものであるので、ここで繰り返し説明はしない。第１の同期スイッチング制御巻線Ｗ_ＳＳ１が感応する周波数はスイッチング制御巻線Ｗ_Ｓ１の周波数と同じであることから、自励式共振システム２中の動作周波数を確実に同期させることができる。

また、本実施形態において、自励式共振システム２は、電源ＰＳを、第１のトランスＴ_１の第１の共振巻線Ｗ_Ｒ１と第２のトランスＴ_２の第２の共振巻線Ｗ_Ｒ２とにそれぞれ供給する電源供給回路２５をさらに含む。本実施形態では該電源ＰＳは直流電圧である。なお、他の実施形態として電源供給回路２５に替えて直流電圧源を用いてもよい。

また、本実施形態において、第１の自励式スイッチング回路２１は第１の抵抗Ｒ_１および第２の抵抗Ｒ_２をさらに含み、第２の自励式スイッチング回路２２は第３の抵抗Ｒ_３および第４の抵抗Ｒ_４をさらに含む。第１の抵抗Ｒ_１および第２の抵抗Ｒ_２は電源供給回路２５と第１のスイッチ組ＳＷ_１との間に電気的に接続され、第３の抵抗Ｒ_３および第４の抵抗Ｒ_４は電源供給回路２５と第２のスイッチ組ＳＷ_２との間に電気的に接続される。ここで、第１の抵抗Ｒ_１、第２の抵抗Ｒ_２、第３の抵抗Ｒ_３および第４の抵抗Ｒ_４は等価的に表されているが、実際の回路の必要に応じて複数の抵抗から構成されるようにしてもよい。

より詳細には、第１の抵抗Ｒ_１は、一端が電源供給回路２５と第１のトランスＴ_１の第１の共振巻線Ｗ_Ｒ１とにそれぞれ電気的に接続し、他端が第１のスイッチ組ＳＷ_１の第１のスイッチ素子Ｑ_１と第１のトランスＴ_１のスイッチング制御巻線Ｗ_Ｓ１とに電気的に接続する。第２の抵抗Ｒ_２は、一端が電源供給回路２５と第１のトランスＴ_１の第１の共振巻線Ｗ_Ｒ１とにそれぞれ電気的に接続し、他端が第１のスイッチ組ＳＷ_１の第２のスイッチ素子Ｑ_２と第１のトランスＴ_１のスイッチング制御巻線Ｗ_Ｓ１とに電気的に接続する。第３の抵抗Ｒ_３は、一端が電源供給回路２５と第２のトランスＴ_２の第２の共振巻線Ｗ_Ｒ２とにそれぞれ電気的に接続し、他端が第２のスイッチ組ＳＷ_２の第３のスイッチ素子Ｑ_３と第１のトランスＴ_１の第１の同期スイッチング制御巻線Ｗ_ＳＳ１とに電気的に接続する。第４の抵抗Ｒ_４は、一端が電源供給回路２５と第２のトランスＴ_２の第２の共振巻線Ｗ_Ｒ２とにそれぞれ電気的に接続し、他端が第２のスイッチ組ＳＷ_２の第４のスイッチ素子Ｑ_４と第１のトランスＴ_１の第１の同期スイッチング制御巻線Ｗ_ＳＳ１とに電気的に接続する。

本実施形態では冷陰極蛍光ランプを第１の負荷２３および第２の負荷２４としているため、第１のトランスＴ_１の第１の出力巻線Ｗ_Ｏ１と第１の負荷２３との間に第１のバラストコンデンサＣ_Ｙ１を直列接続し、第２のトランスＴ_２の第２の出力巻線Ｗ_Ｏ２と第２の負荷２４との間に第２のバラストコンデンサＣ_Ｙ２を直列接続してもよく、このように構成すれば、電源中の直流成分をカットできるのみならず、負荷の駆動信号をより安定させることができる。

注目すべきなのは、第２のトランスＴ_２の第２の同期スイッチング制御巻線Ｗ_ＳＳ２を次段の第３の自励式スイッチング回路（図示せず）に電気的に接続して、その動作周波数を第１の自励式スイッチング回路２１および第２の自励式スイッチング回路２２の動作周波数と同期させることができるという点である。

図４Ａに示すように、本実施形態において自励式共振システム２は、別の第１の負荷２３’（請求項１１および１２の第２の負荷）および別の第２の負荷２４’（請求項１６および１７の第４の負荷）をさらに含んでいてもよい。第１の負荷２３’は別の第１のバラストコンデンサＣ_Ｙ１’（請求項１１の第２のバラストコンデンサ）を介して第１の出力巻線Ｗ_Ｏ１と電気的に接続する。第２の負荷２４’は別の第２のバラストコンデンサＣ_Ｙ２’（請求項１６の第４のバラストコンデンサ）を介して第２の出力巻線Ｗ_Ｏ２と電気的に接続する。また、図４Ｂに示されるように、第１のトランスＴ_１が別の第１の出力巻線Ｗ_Ｏ１’（請求項１２の第２の出力巻線）をさらに含み、第２のトランスＴ_２が別の第２の出力巻線Ｗ_Ｏ２’（請求項１７の第４の出力巻線）をさらに含んでいてもよい。この場合、第１のバラストコンデンサＣ_Ｙ１’および第１の負荷２３’は第１の出力巻線Ｗ_Ｏ１’に電気的に接続され、第２のバラストコンデンサＣ_Ｙ２’および第２の負荷２４’は第２の出力巻線Ｗ_Ｏ２’に電気的に接続される。

以上まとめると、本発明に係る自励式共振システムは、第１のトランスの第１の共振巻線と自励式スイッチング回路の第１のコンデンサとの共振により発生する周波数を利用し、かつその周波数をスイッチング制御巻線および同期スイッチング制御巻線に誘導して、スイッチ組の開閉動作をそれぞれ制御する構成としたことによって、システム中の動作周波数を同期させることができ、素子の特性誤差により周波数が同期し得ないといった現象の発生を回避することができる。よって、製造時に各部品のパラメータを一致させるための厳密な検査が不要となり、製品の品質を維持しながらコストの低減を図り得る自励式共振システムを提供できる。

以上の記載は例示的なものであって限定的なものではない。本発明の精神と範囲を逸脱せずになされた等価の変更や修飾はいずれも添付の特許請求の範囲に包含される。

従来のロイヤー自励式インバータの全体構成を示す概略図である。本発明の好ましい実施形態による自励式共振システムの全体構成を示す概略図である。図２の自励式共振システムの詳細構成を示す回路図である。複数組の第１の負荷および第２の負荷を含む本発明の好ましい実施形態による自励式共振システムの構成を示す概略図である。複数組の第１の出力巻線、第２の出力巻線、第１の負荷および第２の負荷を含む本発明の好ましい実施形態による自励式共振システムの構成を示す概略図である。

符号の説明

２自励式共振システム
２１第１の自励式スイッチング回路（自励式スイッチング回路）
Ｃ_１第１のコンデンサ（コンデンサ）
Ｒ_１第１の抵抗
Ｒ_２第２の抵抗
ＳＷ_１第１のスイッチ組（スイッチ組）
Ｑ_１第１のスイッチ素子
Ｑ_２第２のスイッチ素子
２２第２の自励式スイッチング回路（自励式スイッチング回路）
Ｃ_２第２のコンデンサ（コンデンサ）
Ｒ_３第３の抵抗
Ｒ_４第４の抵抗
ＳＷ_２第２のスイッチ組（スイッチ組）
Ｑ_３第３のスイッチ素子
Ｑ_４第４のスイッチ素子
２３第１の負荷
２４第２の負荷（請求項１５の第３の負荷）
２３’ 第１の負荷（請求項１１および１２の第２の負荷）
２４’ 第２の負荷（請求項１６および１７の第４の負荷）
２５電源供給回路
Ｔ_１第１のトランス（トランス）
Ｗ_Ｒ１第１の共振巻線（共振巻線）
Ｗ_Ｓ１スイッチング制御巻線
Ｗ_ＳＳ１第１の同期スイッチング制御巻線
Ｗ_Ｏ１第１の出力巻線（出力巻線）
Ｗ_Ｏ１’ 第１の出力巻線（出力巻線、請求項１２の第２の出力巻線）
Ｔ_２第２のトランス（トランス）
Ｗ_Ｒ２第２の共振巻線
Ｗ_ＳＳ２第２の同期スイッチング制御巻線
Ｗ_Ｏ２第２の出力巻線（出力巻線、請求項３の第３の出力巻線）
Ｗ_Ｏ２’ 第２の出力巻線（出力巻線、請求項１７の第４の出力巻線）
Ｃ_Ｙ１第１のバラストコンデンサ
Ｃ_Ｙ２第２のバラストコンデンサ
Ｃ_Ｙ１’ 第１のバラストコンデンサ（請求項１１の第２のバラストコンデンサ）
Ｃ_Ｙ２’ 第２のバラストコンデンサ（請求項１６の第４のバラストコンデンサ）

Claims

第１のスイッチ組を少なくとも備える第１の自励式スイッチング回路と、
前記第１の自励式スイッチング回路と電気的に接続し、第１の共振巻線、スイッチング制御巻線、第１の同期スイッチング制御巻線および少なくとも１つの第１の出力巻線を備え、前記第１の出力巻線が前記第１の共振巻線、前記スイッチング制御巻線および前記第１の同期スイッチング制御巻線とそれぞれ接続し、前記第１の共振巻線が前記第１のスイッチ組と電気的に接続し、前記スイッチング制御巻線が前記第１のスイッチ組と電気的に接続する第１のトランスと
を含むことを特徴とする自励式共振システム。
前記第１のトランスの前記第１の同期スイッチング制御巻線と電気的に接続する第２のスイッチ組を少なくとも備える第２の自励式スイッチング回路と、
前記第２の自励式スイッチング回路と電気的に接続し、第２の共振巻線、第２の同期スイッチング制御巻線および少なくとも１つの第３の出力巻線を備え、前記第３の出力巻線が前記第２の共振巻線および前記第２の同期スイッチング制御巻線とそれぞれ接続し、前記第２の共振巻線が前記第２のスイッチ組と電気的に接続する第２のトランスと
をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の自励式共振システム。
前記自励式スイッチング回路が、前記スイッチ組および前記共振巻線と電気的に接続するコンデンサをさらに含むことを特徴とする請求項１または２記載の自励式共振システム。
前記自励式スイッチング回路の前記コンデンサが、前記トランスの前記共振巻線と並列接続されることを特徴とする請求項３記載の自励式共振システム。
前記自励式スイッチング回路の前記スイッチ組が、前記コンデンサの第１の端および第２の端とそれぞれ電気的に接続する少なくとも２つのスイッチ素子を備えることを特徴とする請求項３記載の自励式共振システム。
前記スイッチ素子がそれぞれバイポーラトランジスタまたは電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項５記載の自励式共振システム。
前記第１のトランスの前記第１のスイッチング制御巻線が、前記バイポーラトランジスタのベースまたは前記電界効果トランジスタのベースとそれぞれ電気的に接続することを特徴とする請求項６記載の自励式共振システム。
前記トランスの前記共振巻線に電源を供給する電源供給回路または直流電圧源をさらに含むことを特徴とする請求項１または２記載の自励式共振システム。
前記自励式スイッチング回路が、前記電源供給回路と前記スイッチ組との間に電気的に接続される少なくとも２つの抵抗をさらに含むことを特徴とする請求項８記載の自励式共振システム。
前記第１のトランスの前記第１の出力巻線が、少なくとも１つの第１の負荷、少なくとも１つの冷陰極蛍光ランプまたは少なくとも１つの交流電源で駆動される負荷と電気的に接続することを特徴とする請求項１記載の自励式共振システム。
第２のバラストコンデンサを介して前記第１の出力巻線と電気的に接続する第２の負荷をさらに含むことを特徴とする請求項１０記載の自励式共振システム。
前記第１のトランスが第２の出力巻線をさらに含み、かつ、少なくとも１つの第２の負荷、少なくとも１つの冷陰極蛍光ランプまたは少なくとも１つの交流電源で駆動される負荷と電気的に接続することを特徴とする請求項１０記載の自励式共振システム。
前記負荷、前記冷陰極蛍光ランプまたは前記交流電源に駆動される負荷が、バラストコンデンサを介して前記出力巻線と電気的に接続することを特徴とする請求項１０または１２記載の自励式共振システム。
前記自励式スイッチング回路がロイヤー（Royer）自励式スイッチング回路であることを特徴とする請求項１または２記載の自励式共振システム。
前記第２のトランスの前記第３の出力巻線が、少なくとも１つの第３の負荷、少なくとも１つの冷陰極蛍光ランプまたは少なくとも１つの交流電源で駆動される負荷と電気的に接続することを特徴とする請求項２記載の自励式共振システム。
第４のバラストコンデンサを介して前記第３の出力巻線と電気的に接続する第４の負荷をさらに含むことを特徴とする請求項１５記載の自励式共振システム。
前記第２のトランスが第４の出力巻線をさらに含み、かつ、少なくとも１つの第４の負荷、少なくとも１つの冷陰極蛍光ランプまたは少なくとも１つの交流電源で駆動される負荷と電気的に接続することを特徴とする請求項１５記載の自励式共振システム。
前記負荷、前記冷陰極蛍光ランプまたは前記交流電源で駆動される負荷が、バラストコンデンサを介して前記出力巻線と電気的に接続することを特徴とする請求項１５または１７記載の自励式共振システム。