JP2730506B2 - 圧電トランスを用いたdc/dcコンバータ - Google Patents

圧電トランスを用いたdc/dcコンバータ

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    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
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  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、圧電トランスを用いた
DC/DCコンバータに関し、特に、電力変換効率の高
い圧電トランス型DC/DCコンバータに関する。
【0002】
【従来の技術】圧電トランスを用いた電源には大きく分
けて2つの応用がある。一つは、LCD(液晶ディスプ
レイ)のバックライト用の高圧発生(約1KV/数m
A)のインバータであり、もう一つは厚み縦振動の積層
型圧電トランスを用いた低出力電圧用(例、5V/数
A)のDC/DCコンバータである(なお積層型圧電ト
ランスの詳細については、米国特許第5,118,98
2を参照できる)。
【0003】前者の圧電トランスを用いたインバータ
は、出力電圧(実際は電流を検出している)を制御する
のに、圧電トランスのバンドパスフィルター特性を利用
して、スイッチング周波数を圧電トランスの共振点近傍
でスイープさせるという、周波数変調を用いている。圧
電トランスは、一般に、スイッチング周波数が共振点を
ずれると効率が低下するという問題がある。しかし、イ
ンバータ応用の場合、出力電流が小さい(例:冷陰極間
が付加の場合 5〜6mA)ので、インバータ全体とし
ては圧電トランス事態の効率の低下は、ほとんど問題に
ならず、周波数変調による制御は有効である。
【0004】一方、積層型圧電トランスを用いたDC/
DCコンバータは、高周波・小型・高効率化に適してお
り、例えば、MHz帯(1〜2MHz)のスイッチング
周波数で48V入力、5V/10A(50W)の要求に
対し、効率80%以上の実現を目指して開発が進められ
ている。
【0005】しかし、DC/DCコンバータの効率化に
は、圧電トランス自体の高効率化だけでは不十分で、ス
イッチング回路や整流平滑回路等の周辺回路も圧電トラ
ンスと巧くマッチングさせロスを低減させる必要があ
る。このためソフトスイッチング技術を利用し高効率な
圧電トランスを用いたDC/DCコンバータが下記の2
つの文献において提案されている。
【0006】T.Zaitsu etc ”Piezo
electric Transf−omer Oper
ating in Thickness Extens
i−onal Vibration and Its
Applicationto Switching C
onverter”,IEEE PESC94Proc
eedings,pp.585−589,Jun.19
94(文献1) T.Zaitsu etc ”2MHz Power
Converterwith Piezoelektr
ic Ceramic Transfor−mer”,
IEICE Transactions on Ele
ctron−ics,vol.E77−C,No.2,
Feb.1994(文献2) 文献1はゼロボルトスイッチングを利用し、文献2はE
級スイッチングを利用したものである。以下の説明で
は、ゼロボルトスイッチングを利用した圧電トランスD
C/DCコンバータを主に説明する。
【0007】図3は、従来のゼロボルトスイッチングを
利用した圧電トランス型DC/DCコンバータの回路図
である。
【0008】圧電トランスを電源回路として動作させる
のに最も重要なことは、入出力端子間容量Cd1 ,Cd
2 に流れ込む循環電流を、共振動作によって極力,低減
することである。さもないと、この循環電流が最終的に
は導通ロスとなり、効率の低下を招く。
【0009】図3において、S1 ,S2 ,CB ,Lr
台形波VLrを作るための回路,LSは圧電トランスの入
力端子間容量Cd1 と共振させ台形波VLrを正弦波V1
に変換する。Tは圧電トランスの等価回路,LP は圧電
トランス出力端子間容量Cd2 と共振させ圧電トランス
内の循環電流を低減する回路,Rc1 ,Rc2 ,L1
1 は一般的な整流平滑回路,RLは負荷である。図4
に各部の動作波形を示す。この回路では、インダクタと
キャパシタの値の最適値を解析で求めるのが非常に困難
であるため、便宜的にLS ,及びLP の値は、それぞれ
Cd1 ,Cd2との共振周波数が圧電トランスの直列共
振周波数に等しくなるよう設定している。
【0010】
【0011】具体的には、使用している圧電トランスは
共振周波数約2MHzで20Wクラスのものである。そ
の等価回路は、
【0012】
【0013】となる。この時のコンバータの出力電圧、
効率の周波数特性をシミュレーションする。シミュレー
ションに際して、S1 ,S2 ,CB ,Lr によって作ら
れる台形波VLrは,周波数,負荷変動に対してあまり変
化しないので交流源ACとみなす。またコンバータの整
流平滑回路の部分も入力電流・電圧波形は同相なので等
価抵抗REQ=π2 /2・RL として、図2の等価回路に
置換する。また、rs はマッチング抵抗REQM で企画化
した抵抗でREQM およびrs は各々次のように表され
る。
【0014】
【0015】PSpiceによるコンピュータシミュレ
ーション結果を図5に示す。パラメータはrs =1,
2,3,4で,AC電圧は1Vとしてある。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】この従来の圧電トラン
ス型DC/DCコンバータでは、負荷変動すなわちrs
の変化に対し出力電圧を一定に保つために周波数をスイ
ープすると、rs の値によっては効率が低下するという
問題がある。例えば図5に示す、LS =2.8μHの場
合、rs =1,2,3では効率が80%以上であるが、
s =4では80%以下となる。
【0017】本発明の目的は上述の欠点を除去し、負荷
が変動しても電力変換効率が低下しない圧電トランス型
DC/DCコンバータを提供することにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明のDC/DCコンバータは、圧電トランス
の入力端子間容量Cd1 と共振させるため、圧電トラン
スの入力端子間容量Cd1 と共振させるため、圧電トラ
ンスの一方の入力端子に直列に接続されたインダクタン
スの値をLS とし、圧電トランスの共振周波数をfO
したとき、LSとCd1 の共振周波数がfO よりずれる
ような値に設定している。
【0019】
【0020】
【実施例】次に本発明について図面を参照して詳細に説
明する。図1は本発明の一実施例の回路図である。FE
Tスイッチ2および3はゼロボルトスイッグ(ZVS)
回路を構成する。スイッチ2,3は交互にオンし、デッ
ドタイム期間中(S1 ,S2 共にオフ)にコイルLr
流れている励磁電流でFET2,3の寄生容量を充放電
する。ZVS回路によりコイルLr の両端は台形波VLr
となる。
【0021】共振用コイルLS と圧電トランスの入力容
量Cd1 は台形波VLrを正弦波V1に変換する。この正
弦波は圧電トランス7でさらにフィルタリングおよび昇
降圧される。コイルLP は容量Cd2 と共振すること
で、圧電トランス7内の循環電流を低減する。このよう
にして得られた,圧電トランス7の出力は通常の整流平
滑回路(13〜16)を通り、負荷18へ直流として供
給される。
【0022】ここで、重要なのが、共振用コイルLS の
値である。先に説明したように、式(1)を満足するコ
イルLS の値(ここではLS =2.8μH)では、図5
に示すように、周波数が2.332MHzでrs が最大
となる電圧に設定しようとすると、rs =4では効率が
80%以下になってしまう。
【0023】そこで、図2の等価回路において、コイル
S の値を適切な値に設定してrsをパラメータとし、
出力電圧,効率の周波数特性をシミュレーションする。
具体的には、LS =1μHから0.4μH間隔で3.8
μHの値とし、パラメータrs をrs =1,2,3,4
とした。
【0024】この時のシミュレーション結果を図6〜1
3に示す。これより、LS =1.4μH(図7),1.
8μH(図8),3μH(図11)の時がrs =1〜4
全ての負荷に対して出力電圧を一定に保ったとき効率が
80%を越えていることが分かる。特にLS =1.4μ
H(図7)の場合,最大効率が実現できることが分か
る。LS =3.0μH(図11)もかなりよい効率が示
しているが、現実的にはLS の値は小さい方が巻線抵抗
が小さいので、実際的な問題としても、LS =1.4μ
Hが好ましい。
【0025】なお、LP に関しては、特性にあまり影響
を与えないことがシミュレーションにより分かっている
ので、ここでは触れない。
【0026】次に、出力電圧の制御を行う場合、負荷が
重くなると(例rs =4→rs =1)周波数を下げるよ
う帰還をかければ良い。制御回路は、図1に示すよう
に、出力電圧と基準電圧との誤差を増幅する増幅器19
と、誤差電圧で周波数を変化させる電圧制御発振器(V
CO)21と、VOC21の出力によりスイッチ2,3
のオン,オフ周波数を制御するドライバー25,26か
ら構成される。
【0027】尚、以上に延べた実施例では、主回路がE
級共振を用いたようなものでも、図2に示すフィルター
の等価回路に置換することで適用可能である。
【0028】
【発明の効果】以上のべたように、本発明は、圧電トラ
ンスの周辺回路、特に入力の共振用コイルの値を適切な
値に設定することで、負荷抵抗が変動しても効率が高い
状態で出力電圧を一定に制御することができるという効
果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す回路図。
【図2】図1の主要部の等価回路図。
【図3】従来のコンバータを示す回路図。
【図4】図3に示す従来回路の各部動作の波形図。
【図5】図3に示す従来回路のシミュレーションによる
特性図。
【図6】本発明のシミュレーションによる特性図。
【図7】本発明のシミュレーションによる特性図。
【図8】本発明のシミュレーションによる特性図。
【図9】本発明のシミュレーションによる特性図。
【図10】本発明のシミュレーションによる特性図。
【図11】本発明のシミュレーションによる特性図。
【図12】本発明のシミュレーションによる特性図。
【図13】本発明のシミュレーションによる特性図。
【符号の説明】
1 入力電源 2,3 スイッチ 4 コンデンサ 5 コイル 6 コイル 7 圧電トランス等価回路 8 等価入力コンデンサ 9 等価抵抗 10 等価コイル 11 等価コンデンサ 12 等価出力コンデンサ 13 コイル 14,15 ダイオード 16 コイル 17 コンデンサ 18 負荷抵抗 19 誤差増幅器 20 基準電圧 21 VOC 22 パルス発生器 23 時定数用抵抗 24 時定数用コンデンサ 25,26 ドライバー

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ゼロボルトスイッチングを利用した圧電
    トランス型DC/DCコンバータにおいて、前記圧電ト
    ランスの入力端子間容量Cd1 と共振させるため、前記
    圧電トランスの一方の入力端子に直列に接続されたイン
    ダクタンスの値をLS とし、前記圧電トランスの共振周
    波数をfO としたとき、LSとCd1の共振周波数fR が
    fO よりずれるような値に設定したことを特徴とする
    ロボルトスイッチングを利用した圧電トランス型DC/
    DCコンバータ。
  2. 【請求項2】 前記ゼロボルトスイッチングを利用した
    圧電トランス型DC/DCコンバータの出力電圧と基準
    電圧の誤差電圧によって、発振周波数を変化させ、出力
    電圧を一定に保つようにしたことを特徴とする請求項1
    記載のゼロボルトスイッチングを利用した圧電トランス
    DC/DCコンバータ。
  3. 【請求項3】 前記共振周波数fR が前記圧電トランス
    の共振周波数fOより低くなるよう異ならせた請求項1
    ゼロボルトスイッチングを利用した圧電トランス型
    C/DCコンバータ。
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