JP2008099545A - 自励式共振システム - Google Patents
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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T1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WR1、スイッチング制御巻線WS1、第1の同期スイッチング制御巻線WSS1および第1の出力巻線WO1を備える。第1の出力巻線WO1は第1の共振巻線WR1、スイッチング制御巻線WS1および第1の同期スイッチング制御巻線WSS1とそれぞれ接続し、第1の同期スイッチング制御巻線WSS1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T2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WR2、第2の同期スイッチング制御巻線WSS2および第2の出力巻線WO2を備える。第2の出力巻線WO2は第2の共振巻線WR2および第2の同期スイッチング制御巻線WSS2とそれぞれ接続する。
【選択図】図2
【解決手段】自励式共振システム2は、第1のトランスT1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WR1、スイッチング制御巻線WS1、第1の同期スイッチング制御巻線WSS1および第1の出力巻線WO1を備える。第1の出力巻線WO1は第1の共振巻線WR1、スイッチング制御巻線WS1および第1の同期スイッチング制御巻線WSS1とそれぞれ接続し、第1の同期スイッチング制御巻線WSS1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T2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WR2、第2の同期スイッチング制御巻線WSS2および第2の出力巻線WO2を備える。第2の出力巻線WO2は第2の共振巻線WR2および第2の同期スイッチング制御巻線WSS2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T1、第2のトランスT2、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T1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T1は第1の共振巻線WR1、スイッチング制御巻線WS1、第1の同期スイッチング制御巻線WSS1および第1の出力巻線WO1を備える。第1の出力巻線WO1は第1の共振巻線WR1、スイッチング制御巻線WS1および第1の同期スイッチング制御巻線WSS1とそれぞれ接続する。第1の同期スイッチング制御巻線WSS1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WO1は第1の負荷23と電気的に接続する。
第2のトランスT2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T2は第2の共振巻線WR2、第2の同期スイッチング制御巻線WSS2および第2の出力巻線WO2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WO2は、第2の共振巻線WR2および第2の同期スイッチング制御巻線WSS2とそれぞれ接続する。さらに、第2の出力巻線WO2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C1および第1のスイッチ組SW1を少なくとも備える。第1のコンデンサC1は第1のスイッチ組SW1と電気的に接続している。さらに、第1のコンデンサC1は第1のトランスT1の第1の共振巻線WR1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SW1は、第1のコンデンサC1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Q1および第2のスイッチ素子Q2を有しており、かつ、第1のスイッチ素子Q1および第2のスイッチ素子Q2は第1のトランスT1のスイッチング制御巻線WS1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Q1および第2のスイッチ素子Q2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Q1および第2のスイッチ素子Q2がバイポーラトランジスタである場合、第1のトランスT1のスイッチング制御巻線WS1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Q1および第2のスイッチ素子Q2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T1のスイッチング制御巻線WS1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C2および第2のスイッチ組SW2を少なくとも備える。第2のコンデンサC2は第2のスイッチ組SW2と電気的に接続する。さらに、第2のコンデンサC2は第2のトランスT2の第2の共振巻線WR2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SW2は、第2のコンデンサC2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Q3および第4のスイッチ素子Q4を有しており、かつ、第3のスイッチ素子Q3および第4のスイッチ素子Q4は第1のトランスT1の第1の同期スイッチング制御巻線WSS1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Q3および第4のスイッチ素子Q4は第1のスイッチ素子Q1および第2のスイッチ素子Q2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WSS1が感応する周波数はスイッチング制御巻線WS1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T1の第1の共振巻線WR1と第2のトランスT2の第2の共振巻線WR2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R1および第2の抵抗R2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R3および第4の抵抗R4をさらに含む。第1の抵抗R1および第2の抵抗R2は電源供給回路25と第1のスイッチ組SW1との間に電気的に接続され、第3の抵抗R3および第4の抵抗R4は電源供給回路25と第2のスイッチ組SW2との間に電気的に接続される。ここで、第1の抵抗R1、第2の抵抗R2、第3の抵抗R3および第4の抵抗R4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R1は、一端が電源供給回路25と第1のトランスT1の第1の共振巻線WR1とにそれぞれ電気的に接続し、他端が第1のスイッチ組SW1の第1のスイッチ素子Q1と第1のトランスT1のスイッチング制御巻線WS1とに電気的に接続する。第2の抵抗R2は、一端が電源供給回路25と第1のトランスT1の第1の共振巻線WR1とにそれぞれ電気的に接続し、他端が第1のスイッチ組SW1の第2のスイッチ素子Q2と第1のトランスT1のスイッチング制御巻線WS1とに電気的に接続する。第3の抵抗R3は、一端が電源供給回路25と第2のトランスT2の第2の共振巻線WR2とにそれぞれ電気的に接続し、他端が第2のスイッチ組SW2の第3のスイッチ素子Q3と第1のトランスT1の第1の同期スイッチング制御巻線WSS1とに電気的に接続する。第4の抵抗R4は、一端が電源供給回路25と第2のトランスT2の第2の共振巻線WR2とにそれぞれ電気的に接続し、他端が第2のスイッチ組SW2の第4のスイッチ素子Q4と第1のトランスT1の第1の同期スイッチング制御巻線WSS1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T1の第1の出力巻線WO1と第1の負荷23との間に第1のバラストコンデンサCY1を直列接続し、第2のトランスT2の第2の出力巻線WO2と第2の負荷24との間に第2のバラストコンデンサCY2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T2の第2の同期スイッチング制御巻線WSS2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CY1’(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WO1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CY2’(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WO2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T1が別の第1の出力巻線WO1’(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T2が別の第2の出力巻線WO2’(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CY1’および第1の負荷23’は第1の出力巻線WO1’に電気的に接続され、第2のバラストコンデンサCY2’および第2の負荷24’は第2の出力巻線WO2’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。
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)
C1 第1のコンデンサ(コンデンサ)
R1 第1の抵抗
R2 第2の抵抗
SW1 第1のスイッチ組(スイッチ組)
Q1 第1のスイッチ素子
Q2 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)
C2 第2のコンデンサ(コンデンサ)
R3 第3の抵抗
R4 第4の抵抗
SW2 第2のスイッチ組(スイッチ組)
Q3 第3のスイッチ素子
Q4 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
T1 第1のトランス(トランス)
WR1 第1の共振巻線(共振巻線)
WS1 スイッチング制御巻線
WSS1 第1の同期スイッチング制御巻線
WO1 第1の出力巻線(出力巻線)
WO1’ 第1の出力巻線(出力巻線、請求項12の第2の出力巻線)
T2 第2のトランス(トランス)
WR2 第2の共振巻線
WSS2 第2の同期スイッチング制御巻線
WO2 第2の出力巻線(出力巻線、請求項3の第3の出力巻線)
WO2’ 第2の出力巻線(出力巻線、請求項17の第4の出力巻線)
CY1 第1のバラストコンデンサ
CY2 第2のバラストコンデンサ
CY1’ 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)
CY2’ 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)
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)
C1 第1のコンデンサ(コンデンサ)
R1 第1の抵抗
R2 第2の抵抗
SW1 第1のスイッチ組(スイッチ組)
Q1 第1のスイッチ素子
Q2 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)
C2 第2のコンデンサ(コンデンサ)
R3 第3の抵抗
R4 第4の抵抗
SW2 第2のスイッチ組(スイッチ組)
Q3 第3のスイッチ素子
Q4 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
T1 第1のトランス(トランス)
WR1 第1の共振巻線(共振巻線)
WS1 スイッチング制御巻線
WSS1 第1の同期スイッチング制御巻線
WO1 第1の出力巻線(出力巻線)
WO1’ 第1の出力巻線(出力巻線、請求項12の第2の出力巻線)
T2 第2のトランス(トランス)
WR2 第2の共振巻線
WSS2 第2の同期スイッチング制御巻線
WO2 第2の出力巻線(出力巻線、請求項3の第3の出力巻線)
WO2’ 第2の出力巻線(出力巻線、請求項17の第4の出力巻線)
CY1 第1のバラストコンデンサ
CY2 第2のバラストコンデンサ
CY1’ 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)
CY2’ 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 (18)
- 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。
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