JP2778554B2 - 圧電トランス駆動回路 - Google Patents
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Description
用いて電圧の変換を行う為の圧電トランス駆動回路に関
し、特に入力電圧が広い範囲で変動した場合でも、効率
の高い動作を行うことが可能な圧電トランス駆動回路に
関するものである。
効果を利用して機械振動を発生させ、二次側電極側から
変換された電圧を取り出す電圧変換素子である。これは
電磁トランスと比較して小型化や薄型化を図れる特徴が
あり、冷陰極管を点灯させるインバータとして利用した
り、高圧電源として注目されている素子である。
するものであり、直流電源を交流の高電圧に変換するイ
ンバータや、直流の高電圧に変換するDC/DCコンバ
ータとして構成する際に用いるものである。例えば、
9.4インチ用のカラー液晶用のバックライトに使用す
る場合では入力電圧として5[V]から20[V]の直
流電圧をインバータに入力して、負荷となる管長220
mm管径3mmφの冷陰極管に対して管電圧が約500
[Vrms]、管電流が約5[mArms]、周波数100[k
Hz]程度の交流に変換して供給する必要がある。ま
た、レーザプリンタの静電気発生用の電源では、24
[V]程度の直流電源から、約1[kV]から5[k
V]程度の直流電圧を得る必要がある。
公知なものとしては、本願発明者による特願平7−69
207としてその技術が開示されている。図10がその
ブロック図で、圧電トランス1と、これを交流電圧で駆
動する昇圧回路4と、圧電トランス1を共振周波数付近
で駆動して一定の出力に制御する為の周波数制御回路3
から構成され、直流入力電圧VDDを印加して負荷2に交
流電圧V0[Vrms]を出力するインバータである。圧電ト
ランス1の一次側電極に共振周波数である正弦波の駆動
電圧を加えると圧電トランス1が機械的な振動を始め
る。圧電トランス1はその形状で定まる昇圧比を有して
おり、二次側電極から昇圧比だけ高くなった交流電圧と
して取り出すことが出来る素子である。
圧を加える昇圧回路4、負荷2による電気等価回路の例
を示す。圧電トランス1は一次側電極から入力した駆動
電圧をLCRの等価回路による共振回路と理想トランス
TによってAV の昇圧比を持ち、二次側電極に昇圧した
電圧を出力することが出来る。圧電トランス1を共振周
波数以外の成分で駆動した場合には、圧電トランス1が
寄生振動を発生するが、二次側では共振周波数成分しか
取り出すことが出来ずエネルギの損失となって、圧電ト
ランス1の効率を低下させることになる。従って、共振
周波数以外の成分を含まない正弦波で圧電トランス1を
駆動することが重要である。その上コイルや電磁トラン
スで入力された電源電圧より高い電圧の正弦波を発生で
きるので、より低い入力電圧で動作させることが出来る
利点がある。
スのインダクタンスと共振させて正弦波を発生させて圧
電トランス1を駆動している。図10では圧電トランス
1の一次側電極に電磁トランスT1 、T2 をオートトラ
ンスとして接続し、2位相駆動回路9から出力された逆
相のクロックによってトランジスタQ1 、Q2 が交互に
オン状態になり、電磁トランスT1 、T2 の一次側に直
流入力電圧源VDDから電流を流し電磁エネルギとしてチ
ャージする。
ャージしたエネルギを放出し、電圧エネルギとして電源
電圧より高い電圧を発生する。これは図14の圧電トラ
ンス1の一次側から見た入力等価容量Cd1と電圧共振波
形になるように設定してあり、直流入力電圧VDDの約3
倍のピーク電圧の半波正弦波になる。この半波正弦波V
d1[Vo-p ]、Vd2[Vo-p ]は電磁トランスT1 、T
2 の二次側で巻線比N+1倍に昇圧されて同じく半波正
弦波Vs1[Vo-p ]、Vs2[Vo-p ]になり圧電トラン
ス1の一次側電極に印加される。
価的に振幅Vs1+Vs2[Vp-p ]の正弦波になって圧電
トランス1を振動させ、二次側電極から圧電トランス1
の形状によって定まる昇圧された交流電圧V0[Vrms]と
して出力される。
れて交流電流I0[mArms](または交流電圧V0[Vrm
s])が周波数制御回路3に入る。この周波数制御回路3
は、2位相駆動回路9に対して圧電トランス1を駆動す
る駆動周波数を発生し、圧電トランス1から出力する交
流電流I0[mArms](または交流電圧V0[Vrms])が所
定の値になるまで駆動周波数の掃引を続け、所定の値が
得られた周波数で停止する処理を行なう回路である。
換回路10、整流回路11、比較器12、積分回路1
3、比較器14、VCO(電圧制御発振器)15から構
成されている。まず負荷2に流れる交流電流I0[mArm
s]が電流電圧変換回路10で電圧信号に変換され、さら
に整流回路11で整流され直流の検出信号として比較器
12に入力される。この比較器12で基準電圧Vref と
比較されて検出信号電圧の方が小さい場合、積分回路1
3に高レベルの信号を出力する。この積分回路13は高
レベルの電圧が入力された期間、出力電圧が一定の割合
で低下する様に構成されており、この積分回路13の出
力電圧がVCO15に入力される。VCO15は入力さ
れた制御電圧に比例した周波数のパルスを出力する電圧
制御発振器であり、このVCO15の周波数で圧電トラ
ンス1を駆動する。そこで検出信号電圧の方が基準電圧
Vref より小さい場合、駆動周波数は下がり続けること
になる。
トランス1の共振周波数fr より高い周波数領域を使用
するようにしたためであり、整流回路11の出力信号で
ある検出信号が基準電圧Vref より低いと周波数が下が
る方向に設定されており、共振周波数fr に近付くに従
って圧電トランス1の昇圧比が増加するため、交流電流
I0[mArms](または交流電圧V0[Vrms])が時間的に
増加することになる。この状態で比較器12に入力され
る電圧が基準電圧Vref を越えた場合には、比較器12
の出力が低レベル側になりこの信号によって積分回路1
3の積分動作は停止し、以後その出力信号は低レベルに
なる直前の電圧を保ったままになる。従ってVCO15
の出力周波数は一定になって圧電トランス1も一定の駆
動周波数で駆動される為、圧電トランス1から出力され
る交流電流I0[mArms](または交流電圧V0[Vrms])
も一定に保たれる。
れた場合や、負荷2として使用される冷陰極管が放電を
開始するまでの時間は当然、負荷2に所定の交流電流I
0[mArms](または交流電圧V0[Vrms])を供給できな
いことになる。そこでVCO15の駆動周波数が圧電ト
ランスの共振周波数以下まで低下してしまうことになる
ので、その後、直流入力電圧VDDが定格以上に上昇した
場合や、負荷2の冷陰極管が放電を開始した場合に、圧
電トランス1の昇圧比が足りず負荷2には所定の出力を
供給出来ない状態が続いてしまうことになる。そこで駆
動周波数がVCO15の最低周波数まで低下してしまっ
た場合には、新たに駆動周波数を圧電トランス1の共振
周波数より高域側に戻す必要がある。この動作を以下に
説明する。
(または交流電圧V0[Vrms])を供給できない場合に
は、比較器12の出力は高レベルのままとなり、駆動周
波数は共振周波数以下に低下し続ける。そこで、積分回
路13の出力電圧がVCO15の最低周波数に相当する
値に設定された基準電圧Vmin 以下になると、比較器1
4の出力は高レベルになり積分回路13にリセット信号
を出力する。この信号で積分回路13は最高電圧にな
り、駆動周波数がVCO15の最高周波数になって負荷
2に所定の交流電流I0[mArms](または交流電圧V
0[Vrms])が得られるまで上記の動作を繰り返すことに
なる。
に回復した場合や、負荷2として使用された冷陰極管が
放電を開始した場合には、所定の出力を供給することが
出来る。
は、負荷2には一定の交流電流I0[mArms](または交
流電圧V0[Vrms])が出力されるので周囲温度、電源電
圧、負荷の変動に対し一定の交流電流(または交流電
圧)の出力を得ることが出来る。
平4−210733が知られている。これは図11のブ
ロック図に示す様に圧電トランスを使用した高周波DC
/DCコンバータの出力制御方法であり、圧電トランス
1の駆動波形を作り出す為に一次側駆動回路31によっ
て、直流電源30から交流電圧を作り出している。この
交流電圧で駆動された圧電トランス1は昇圧した交流電
圧を出力整流回路32に出力する。この出力整流回路3
2によって直流となった電圧を負荷2に供給する。一方
出力整流回路32の直流電力電圧は検出増幅回路35に
入力して検出増幅して可変周波数発振器33に加えてそ
の周波数を調整し、圧電トランス1の昇圧比を調整して
検出増幅器35からフィードバックさせて負荷2に供給
する直流電圧を安定化させることが出来るものである。
のゼロボルトスイッチング(ZVS)または駆動電流ゼ
ロ電流スイッチング(ZCS)を行う様に共振型コンバ
ータを使用しており、スイッチング素子(図示せず)の
デューティ比(時比率)を制御して一次側駆動回路31
のスイッチングのタイミングを調整するため、電圧・時
比率変換回路34によってオン、オフのタイミングを制
御して半波の正弦波を作り出して圧電トランス1を駆動
している。
として、日経エレクトロニクス、1994年11月7日
号(NO.621)P147〜P157の記事が知られ
ている。これは図12のブロック図に示す様に直流入力
電圧を昇圧して負荷2に交流電圧を供給するインバータ
である。
タQ1 を使用してフォワード型コンバータを構成して、
デューティ比を制御してゼロ電流スイッチング(ZC
S)を行い半波の正弦波を作り圧電トランス1に駆動電
圧を印加し、圧電トランス1によって昇圧した交流出力
電圧を負荷2の冷陰極管に印加する。負荷2に流れた電
流はR10とD10で半波の正弦波の電圧波形に変換した
後、制御IC40に入力する。バッファ45を通り、積
分回路46で直流電圧に変換してVCO42に入力して
圧電トランス1の駆動周波数を作り、駆動回路43でQ
1 を駆動する。こうして圧電トランス1の駆動周波数を
制御して圧電トランス1の昇圧比を変えながら負荷2の
電流を制御することが出来るように構成されている。制
御IC40にはこの他に始動回路、負荷断線検出保護回
路47や、入力電源電圧検出回路41、異常点灯検出保
護回路、入力電圧低下検出保護回路44があり、電源電
圧や負荷の異常時に図12のインバータの動作を停止さ
せる保護回路として動作するものである。
には次の問題点がある。ここでは圧電トランスの負荷と
して例えば冷陰極管が接続されている場合、冷陰極管の
輝度を安定化する為に駆動周波数を制御して、圧電トラ
ンスの昇圧比を増減させて、冷陰極管に流れる電流が所
定値になる様に制御している。
最大の効率を示し、この周波数から離れるに従って一次
側からの入力電力を二次側に伝送する効率が低下する傾
向がある。
で動作させると図13(b)のグラフによる共振周波数
付近の駆動周波数になるので、圧電トランスは最大の昇
圧比Av で動作することになる。ここで圧電トランスの
駆動電圧が低下すると先ほどの管電流は維持出来ないこ
とになる。
ピーク電圧Vs1[Vo-p ] は、トランジスタQ1 のドレ
イン電圧のピーク電圧Vd1[Vo-p ] に比例するが、図
13(a)の様にこの電圧は直流入力電圧VDDのおよそ
3倍のピーク電圧になるので、VDDにも比例することに
なる。そこで直流入力電圧が最低入力電圧(VDDmin[V]
)の場合、駆動周波数は圧電トランスの共振周波数f
r になり、圧電トランスは高い効率で動作することにな
る。
1の駆動周波数を共振周波数から高い周波数に移し、昇
圧比の低い状態にして二次側の負荷に一定の電流を供給
する制御を行うことになる。例えば、入力電圧が前記の
最低入力電圧の2倍の2VDDmin[V]になると圧電トラン
ス1の昇圧比が半分になるような駆動周波数f1 に制御
し、3倍の3VDDmin [V] なら3分の1の昇圧比になる
ような周波数f2 で動作することになる。
路に供給する電源電圧が高い電圧の場合、圧電トランス
を効率悪い駆動周波数で動作させることが避けられず、
広い電源の入力範囲で動作する場合には、平均的な効率
が低下する欠点を有していた。
圧VDDが最大の場合に発生するピーク電圧でブレークダ
ウンを発生させないように耐圧を上げる必要があり、入
力電圧範囲が広い場合には耐圧の高いトランジスタが必
要になり、オン抵抗が増加し効率が低下する原因となっ
たり、コストアップの要因になる問題点があった。
DDを高くすると圧電トランス1の昇圧比を下げるため駆
動周波数を上げるので、駆動波形が電圧共振波形を保つ
ことが出来なくなり、圧電トランスの一次側電圧がゼロ
にならない内にトランジスタQ1 、Q2 がオンになり、
ゼロボルトスイッチング(ZVS)を満足しなくなる現
象が発生する。
な電流が流れ発熱が大きくなり、ついにはトランジスタ
を破損する原因になるため、入力電圧範囲を大きくする
には上限があった。
に2倍程度(例えば直流電圧で8〜16[V])の入力
電圧範囲を大きく越えることは困難となる。一方電磁ト
ランスを利用したものは、駆動周波数を広く取れるこ
と、さらに電圧共振型や電流共振型の駆動せずに済むの
で、3〜4倍程度(例えば直流電圧で5〜20[V])
の入力電圧範囲を取ることも出来、それに比べて圧電ト
ランスを用いたインバータやDC/DCコンバータは入
力電圧範囲が狭く、用途が限られる等の欠点を有してい
た。
開平4−210733と日経エレクトロニクス、199
4年11月7日号(NO.621)P147〜P157
の記事による図12の圧電トランスの駆動回路において
も、圧電トランスの共振周波数範囲が狭くQが高い特性
の為に駆動周波数が数%程度しか変えられず、一トラン
ジスタ型のフォワード型コンバータのトランジスタのオ
ン、オフのデューティ比もほとんど変えることが出来な
い。従って、入力電圧に比例して圧電トランスの駆動電
圧が大きくなる現象は同じである為に、圧電トランスの
駆動周波数を共振周波数から離して昇圧比の低い領域で
駆動させなければならない問題点は同じである。
が最大時において、電磁トランスの一次側に流れる電流
によって、磁気飽和を発生しない様に設定する必要があ
るため、電磁トランスの容量に余裕のあるものを使用す
る必要がある。電磁トランス一次側に流れる電流は入力
電圧に比例するので、駆動回路の入力電圧が2倍になる
と電磁トランスに流れる電流は2倍になり、最低電圧の
みで動作させる場合に比較して2倍の電流が流せる電磁
トランスが必要になる。
に巻線に大きい電流を流す為には、形状が大型化する欠
点があった。圧電トランスは電磁トランスより薄い形状
にすることが出来るが、駆動用の電磁トランスが大型化
すればその特徴が活かせず薄型のインバータや電源が出
来ない問題点があった。
圧範囲で動作させる為には効率が低下したり駆動回路が
大型化する欠点があり、入力電圧範囲を大きく出来ない
問題点があった。
イトを点灯させる高圧電源とする場合には、バックライ
トの輝度を変える為、冷陰極管に流れる電流値を制御す
る必要がある。冷陰極管は、管電流値が小さくなるとイ
ンピーダンスが増加する負性抵抗の性質を持つ上に、電
気等価回路で表わすと抵抗成分と容量成分によって構成
される。
くなると、浮遊容量に流れる電流が無視出来ず冷陰極管
の高圧側と低圧側の電流値に差が発生する。そこで輝度
が不均一になりバックライトを構成した場合、不具合を
発生することになる。
バースト調光方式(またはPWM制御:Pulse w
idth Modulation)が知られている。こ
れは、冷陰極管の管電流を人間の目にちらつきを感じさ
せない所定の周期(例えば210[Hz]で点滅させ、
その点灯時間と消灯時間の比を変化させて等価的に輝度
を低下させる手法である。
技術でこのバースト調光方式を採用する為には、二つの
トランジスタQ1 、Q2 を交互にオン、オフする動作を
停止させて、圧電トランスに入力する駆動波形を周期的
に止める必要があるが、負荷のインダクタンスの片側を
解放するので、これに蓄えられた電流エネルギーを電圧
エネルギーとして放出するため、圧電トランスの駆動電
圧よりはるかに大きい電圧サージを発生する。
ない様に保護を行う必要があり、ツェナーダイオード等
を用いた保護回路が必要になる欠点があった。
い入力電圧範囲であっても効率良く動作することの可能
な小型薄型で、しかも保護回路の不要なバースト調光方
式を構成出来る圧電トランス駆動回路を提供することに
ある。
範囲の圧電トランス駆動回路の構成は、圧電効果を利用
して、一次側から入力した交流電圧を二次側に出力する
圧電トランスと、前記圧電トランスの一次側電極の一方
の電極に接続された第一のコイルと第一のトランジスタ
と、前記圧電トランスの他方の一次側電極に片側を接続
した第二のコイルと第二のトランジスタと、これら第
一、第二のトランジスタを交互に駆動する分周回路から
構成された昇圧手段と、前記第一及び第二のコイルの他
方に、電源に接続された第三のトランジスタと電流保持
手段をそれぞれ接続し、前記第一または第二のトランジ
スタのオン時間内でデューティ比を可変した信号で前記
第三のトランジスタをオン、オフすることによって、前
記圧電トランスの駆動電圧を所定の電圧に制御する駆動
電圧制御手段と、前記第一及び第二のトランジスタ駆動
周波数を変化させて前記圧電トランスの二次電極から所
定の出力電流または出力電圧が得られるよう、前記圧電
トランスの昇圧比を制御する周波数制御手段から構成さ
れることを特徴とする。
イオードによって構成されることを特徴とする。
トランジスタによって構成され、前記第三のトランジス
タと排他的にスイッチングすることを特徴とする。
割にオフすることによって、前記圧電トランスの入力電
圧を停止させ、前記圧電トランスに接続された負荷に供
給する交流電流または交流電圧の実効値を可変すること
を特徴とする。
トランス駆動回路の構成は、圧電効果を利用して、一次
側から入力した交流電圧を二次側に出力する圧電トラン
スと、前記圧電トランスの一次側電極の一方の電極に二
次側端子を接続し中間端子を第一のトランジスタに接続
した第一のオートトランスと、前記圧電トランスの他方
の一次側電極に二次側端子を接続し中間端子を第二のト
ランジスタに接続した第二のオートトランスと、これら
第一、第二のトランジスタを交互に駆動する分周回路か
ら構成された昇圧手段と、前記第一及び第二のオートト
ランスのそれぞれの一次側端子に、電源に接続された第
三のトランジスタと電流保持手段を接続し、前記第一ま
たは第二のトランジスタのオン時間内でデューティ比を
可変した信号で前記第三のトランジスタをオン、オフす
ることによって前記圧電トランスの駆動電圧を所定の電
圧に制御する駆動電圧制御手段と、前記第一及び第二の
トランジスタの駆動周波数を変化させて前記圧電トラン
スの二次電極から所定の出力電流または出力電圧が得ら
れるよう、前記圧電トランスの昇圧比を制御する周波数
制御手段から構成されることを特徴とする。
イオードによって構成されることを特徴とする。
トランジスタによって構成され、前記第三のトランジス
タと排他的にスイッチングすることを特徴とする。
時分割にオフすることによって、前記圧電トランス入力
電圧を停止させ、前記圧電トランスに接続された負荷に
供給する交流電流または交流電圧の実効値を可変するこ
とを特徴とする。
トランス駆動回路の構成は、圧電効果を利用して、一次
側から入力した交流電圧を二次側に出力する圧電トラン
スと、前記圧電トランスの1駆動周期内で第一のトラン
ジスタをオンして電源から電流エネルギを入力し、前記
第一のトランジスタをオフして前記圧電トランス一次側
に電圧エネルギとして出力するコイルとを有した昇圧手
段と、前記コイルの他方に接続された電流保持手段と第
二のトランジスタとを有し、前記圧電トランスの1駆動
周期内において、前記コイルの片側に接続された前記第
一のトランジスタがオンする時間内で、前記第二のトラ
ンジスタをオン、オフして前記コイルに流れる電流を保
持する電流保持手段が動作するデューティ比を変化させ
て前記圧電トランスの駆動電圧を所定の電圧に制御する
駆動電圧制御手段と、前記昇圧手段の駆動周波数を変化
させて前記圧電トランスの二次電極から所定の出力電流
または出力電圧が得られるよう、前記圧電トランスの昇
圧比を制御する周波数制御手段を有することを特徴とす
る。
結合した二次側コイルによって、前記コイルから昇圧し
た電圧を前記圧電トランスに印加することを特徴とす
る。
ダイオードによって構成されることを特徴とする。
三のトランジスタによって構成され、前記第二のトラン
ジスタと排他的にスイッチングすることを特徴とする。
時分割にオフすることによって、前記圧電トランスの入
力電圧を停止させ圧電トランスに接続された負荷に供給
する交流電圧または交流電流の実効値を可変することを
特徴とする。
れた電圧が変動しても、コイルや、電磁トランス一次側
に入力する電流の最大値が一定に制御される為に、圧電
トランスを駆動する正弦波の電圧が一定に保たれる効果
があり、広い入力電圧でも駆動周波数が共振周波数付近
で駆動出来るので効率が悪化しない作用がある。
ンス一次側に流れる電流の最大値を一定に制御すること
が出来るので、電磁トランスの容量に余裕のあるものを
使用する必要がなく小型薄型のものが使用できる作用が
ある。
化しないので、圧電トランスの駆動波形が変化せず、ゼ
ロボルトスイッチング(ZVS)の条件が保たれる為
に、入力電圧が大きくなった場合でもトランジスタの発
熱を防止することができ、効率の低下や、トランジスタ
の破損を防止することが出来る。
場合、入力電源側のトランジスタをオフにすれば駆動回
路の電力を容易に切断することが出来るので、インバー
タやDC/DCコンバータの動作を停止し、低消費電力
の状態にすることが出来る作用がある。
イト用のインバータとして使用する時、管電流を周期的
に停止状態にするバースト調光制御を行って、冷陰極管
の明るさを変化させる場合、電源入力側のトランジスタ
をPWM制御すれば、圧電トランスの共振用コイルまた
は電磁トランスが高圧を発生しない形で圧電トランスの
駆動波形を停止できるので、ツェナーダイオード等の保
護回路を省略することが出来る作用がある。
して説明する。図1は本発明による実施の一形態による
ブロック図である。
路ブロックによってインバータを構成している。まず、
圧電トランス1の二次電極に接続された負荷2を流れる
交流電流I0[Vrms]または、印加する交流電圧V0[Vrm
s]を検出して、これらを所定の値に保持する為に圧電ト
ランス1の駆動周波数を制御する周波数制御回路3と、
直流入力電圧(VDD)から周波数制御回路3によって作
られた駆動周波数の交流信号を発生させて、圧電トラン
ス1の一次側電極に印加する昇圧回路4と、この圧電ト
ランス1に印加された正弦波の駆動電圧が、直流入力電
圧(VDD)が変化しても所定の値に制御する為の駆動電
圧制御回路5と、負荷2に流れる電流値をPWM制御す
る為の調光回路6から構成される。この構成は基本的に
は図10の従来技術による構成に駆動電圧制御回路5と
調光回路6を加えたものに相当する。
回路17、ダイオード18、トランジスタQ3 から構成
されており、昇圧回路4のコイルL1 、L2 に供給する
ピーク電流値が直流入力電圧VDDによって変化しない様
に制御して、圧電トランス1の駆動電圧を所定の値に制
御する回路である。図10に示した従来技術の場合には
VCO15の駆動周波数は駆動周波数と同じであった
が、本実施例では周波数制御回路3のVCO15の発振
周波数は圧電トランス1の駆動周波数の2倍の周波数
(2xf)の三角波fvco と、同じく周波数2xfの矩形波
fCLK とを出力する様に構成しておく。この波形を昇圧
回路4の分周回路8によって2xfの周波数を半分に分周
して位相の反転した矩形波Vg1、Vg2を出力し、トラン
ジスタQ1 、Q2 を交互にスイッチングさせる。
し、この動作を順に説明する。制御電圧Vinが最低電圧
Vmin の場合であって、かつ、比較器22の出力が直流
電源電圧VDDに等しいHレベルの場合、増幅器23の反
転入力端子にRosc を通じて電流I1 が流れ込むので、
反転入力端子の電圧が上昇する。増幅器23の非反転入
力端子には直流入力電圧VDDの約半分の基準電圧Vref2
が接続されており、増幅器23の反転入力端子の電圧よ
り高くなるので、増幅器23の出力は、電源I1 と等し
い電流が流れ込む様に電圧が低下し続ける。増幅器23
の反転入力端子と非反転入力端子の電位差がゼロになる
電流で増幅器23は安定する為I1 =−I2 となる。ま
た比較器22がHレベルの時は、Q7 がオンになるので
Q6 はオフになり、Q6 のコレクタ電流Iinが流れない
状態になる。
通じて定電流I1 =−I2 を流すため時間的に一定の割
合で低下し続けることになる。また比較器22の出力が
Hレベルの時はR2 の片側がVDDになり、R2 のもう一
方は比較器22の非反転入力端子に接続されて、さらに
R1 を通じて増幅器23の出力に接続される形になる。
そこで増幅器23の出力電圧と電源との間の電圧をR1
とR2 で分圧した電圧が、比較器22の非反転入力端子
に印加されるので、増幅器23の出力電圧が低下するの
に従って、比較器22の非反転入力端子の電圧も低下し
続けることになる。
になった場合に、比較器22の非反転入力端子の電圧が
反転入力端子の電圧が基準電圧Vref2に等しくなるよう
にR1 とR2 を設定してあるので、比較器22の出力電
圧がLレベルに反転することになる。するとI1 の向き
が逆になり、増幅器23の出力は定電流−I1 =I2を
Cosc に流すので、増幅器23の出力電圧は逆に時間的
に一定の割合で上昇することになる。
片側がグランド電位になり、R2 のもう一方は比較器2
2の非反転入力端子に接続されて、さらにR1 を通じて
増幅器23の出力に接続される形になる。そこで増幅器
23の出力電圧とグランド電位をR1 とR2 で分圧した
電圧が、比較器22の非反転入力端子に印加されるの
で、増幅器23の出力電圧が上昇するのに従って、比較
器22の非反転入力端子の電圧も上昇し続けることにな
る。
は、Q7 がオフしてQ5 、Q6 でシレントミラー回路を
構成して、制御電圧端子から流れ込む電流Iinと等しい
電流を増幅器23の反転入力端子からグランドに流すこ
とになる。このIinはVinがVmin の時にゼロになるよ
うに設定されており、Vin=Vmin の場合にはCosc に
は−I1 =I2 の電流が流れることになる。
増幅器23の出力電圧は時間的に一定の割合で上昇する
ので、増幅器23の出力に接続されたR1 と、R2 を通
じてグランドに分圧された比較器22の非反転入力端子
の電圧も上昇する。そこで増幅器23の出力電圧がVH
[V]になった場合に、比較器22の非反転入力端子の
電圧が反転入力端子につながれた基準電圧Vref2に等し
くなるようにR1 とR2 を設定してあり比較器22の出
力電圧はHレベルに戻ることになる。
角波fVCO が出力されて比較器22の出力からは矩形波
fCLK が出力されることになる。図7にVCO15の出
力する電圧波形を示す。制御電圧VinがVmin の場合、
図7(a)が三角波fvco の出力電圧波形となり、図7
(b)が矩形波fCLK の出力電圧波形になる。図7
(c)は昇圧回路4の分周回路8で矩形波fCLK が分周
されてVg1になった電圧波形図である。なお分周回路8
はfCLK の立上りのタイミングで反転する形式のものを
想定している。一方、比較器22の出力がLレベルの場
合、Q5 、Q6 のカレントミラー回路によって、増幅器
23の反転入力端子からグランドに制御電圧Vinに比例
したIinを流すため、増幅器23の出力はI2 =−I1
+Iinの電流を流すことになる。そこで制御電圧Vinに
よってI2 が増加するので、Cosc を充電する電流が増
えることになり、増幅器23の出力電圧が単位時間に上
昇する割合が大きくなる。そこで三角波の立上り波形の
時間が短くなり、制御電圧Vinが大きくなるに従って、
三角fVCO の周期が短くなる。同時にfCLK の周期も短
くなるので、VCO15は入力電圧Vinに比例した周波
数の三角波fVCO 、矩形波fCLK を出力することが出来
る。
周波数高くなった状態のfVCO を図7(d)に示す。さ
らに図7(e)にfCLK 、図7(f)に昇圧回路4で矩
形波fCLK を分周してVg1になった電圧波形図をそれぞ
れ示す。図7(d)のように制御電圧が高くなると三角
波fVCO の立上り波形が急になって周波数が高くなって
いることが分かる。
周波数の三角波fVCO は駆動電圧制御回路5の比較器1
6にも入力されている。整流回路17は圧電トランス1
の一次電圧波形を入力して整流し、これを整流電圧VC
に変換した後、比較器16に入力する。
fvco 、整流電圧VC 、Q3 のゲート電圧Vg3、Q1 、
Q2 のゲート電圧Vg1、Vg2、さらにQ1 、Q2 のドレ
イン電圧Vd1、Vd2、コイル電流iL1、iL2を示す。図
8(a)のグラフは比較器16に入力される二つの信号
fVCO とVC を示し、図8(b)は比較器16の出力信
号を示し、トランジスタQ3 のゲート波形Vg3になる。
Q3 はPチャンネルトランジスタで構成されているの
で、Vg3がLレベルの時Q3 がオンになり、Hレベルの
時Q3 がオフになる。
圧VC が三角波fVCO の波形の最低電圧とほぼ等しくな
る様に設定しておく。この状態で入力電圧を上昇させる
と、整流電圧VC が上昇し三角波fVCO の振幅内に入る
ことになる。この状態を図8(a)に示す。
きい時間のt1 〜t2 の間、比較器16の出力信号Vg3
はLレベルになる。図8(c)ではこのときVg1の電圧
がHレベルのためQ1 がオンになるのでコイルL1 に電
流が流れ始める。これを等価回路として図9(a)に示
す。コイルL1 に流れる電流は、i(t)=VDD×t/
L1 で表わされ直流入力電圧VDDと時間tに比例して大
きくなる。
さくなる時間t2 〜t4 の間、Vg3はHレベルになるの
でQ3 はオフになり、L1 は電源から切り離されるがダ
イオード18を通じてグランドから供給される電流が流
れ、図8(g)のようにiL1の電流はt2 のままの電流
が流れ続ける。この時の等価回路を図9(b)に示す。
ダイオード18はコイルL1 の電流を保持する回路とし
て動作し、コイルL1に流れている電流i(t)はt2
の値を保持する為、グランド、ダイオード、L1 、Q1
を通じて流れ続けることになる。
電圧が整流電圧VC より大きくなりQ3 がオンになるの
で、コイルL1 の電流はまた時間に比例して増加し、t
5 においてIpeakの電流値になる。同様に等価回路は図
9(c)となる。
なるので図9(d)の状態になり、Q1 のドレイン電圧
はコイルL1 と、圧電トランス1の入力等価容量Cd1と
共振して図8(e)のような半波の正弦波電圧Vd1の波
形になる。
流電圧VC より小さくなるのでQ3はオフになるが、図
9(e)のようにコイルL1 から放出される電流はダイ
オード18を通して流れ、Q1 のドレイン電圧のピーク
電圧は直流入力電圧VDDの約3倍になる。
なるが、コイルL1 の電流iL1は図8(g)の様に圧電
トランスに接続した負荷による等価抵抗によってt8 に
ゼロになり、t1 〜t5 にチャージした電流エネルギを
放出する動作を行う。
場合は、整流電圧VC が増加してVg3のオフの期間が増
加し、コイルL1 、L2 に電流をチャージする期間が短
くなる。そこで以上の構成によって入力電圧VDDが変化
すると三角波fVCO に対する整流電圧VC が大きく変化
してQ3 のデューティ比が変わることによってコイルに
チャージされるピーク電流が一定に制御されて圧電トラ
ンス1の駆動電圧が所定の値に制御される。
Vd1、Vd2のピーク電圧が、直流入力電圧VDDによって
変動しないことから、図1の周波数制御回路3は、負荷
2に流れる交流電流I0[mArms](または出力電圧V
0[Vrms])が所定値になる駆動周波数を発生する。この
制御については従来技術の図10と同じである。駆動電
圧制御回路5の働きによって圧電トランス1の駆動電圧
が直流入力電圧VDDによって変動しないことから、圧電
トランス1の昇圧比が一定で済み、等価的に一定の直流
入力電圧で動作する状態になる。
る交流電流I0[mArms](または出力電圧V0[Vrms])
が所定値になる様に圧電トランス1の昇圧比を制御する
ので、駆動周波数は直流入力電圧VDDが変化しても一定
に制御されることになる。
したバックライトのように調光が必要な場合に用いられ
る回路であり、比較的低周期(例えば210Hz)の周
波数を発振する三角波発振器19と比較器20から構成
されており、外部から調光電圧を入力することで、三角
波発振器19の出力波形を比較器20で比較して、デュ
ーティを可変されたパルス信号を出力する。
制御回路5に接続されており、Hレベルの期間は、Q3
をオフさせて圧電トランス1の駆動電圧を停止させると
同時に、VCO15の駆動周波数が変化しないように積
分回路13の出力電圧をホールドさせる働きをする。
については、コイルL1 、L2 が電磁トランスT1 、T
2 に置き換えられた点以外では図1と同等なインバータ
である。Q1 、Q2 で発生させた電圧共振波形Vd1、V
d2はT1 、T2 の二次側巻線によって巻線比N+1倍に
比例した電圧Vs1、Vs2として圧電トランスに印加する
もので、圧電トランス1で不足した昇圧比を電磁トラン
スT1 、T2 で補うことが出来るため、より低い電圧で
動作させることが出来る特徴がある。
回路4を1トランジスタ型の電圧共振型のコンバータで
構成する場合について説明する。図3はこの実施例によ
るインバータのブロック図で、図4(a)及び(b)は
昇圧回路4の詳細な回路図と、図4(c)はこのゲート
電圧波形図、図4(d)はドレイン電圧波形図である。
図3全体の動作については前記の発明によるものと同等
であるので、昇圧回路4の動作について説明する。
個のコイルL1 を使用してQ1 でスイッチングを行い、
L1 と圧電トランス1の入力等価容量で電圧共振波形を
作り半波の正弦波によって圧電トランスを駆動するもの
で、Q1 の駆動電圧Vg1は2位相駆動回路9によって駆
動周波数に分周されたパルスを使用し、L1 と圧電トラ
ンスの入力容量を合わせることで図4(d)におけるt
6 の時間にドレイン電圧Vg1がセロ電圧になったタイミ
ングでQ1 をオンさせるもので、コイルL1 に入力され
る電流は、駆動電圧制御回路5によって前述したと同等
に制御される。そこで、広入力電圧範囲でもL1 にチャ
ージされる電流ピークが所定値に制御されるので、図
1、図2の回路と同様に効率の変動がなく動作可能であ
る。
使用してVd1を巻線比N倍の電圧に昇圧して圧電トラン
ス1を駆動しており、圧電トランス1の昇圧比を補うこ
とが出来る。これは図4(a)と同様にゼロ電圧スイッ
チング(ZVS)を行うように電磁トランスT1 の一
次、二次インダクタンスを設定する。この図3及び図4
の実施の形態では圧電トランス1を高調波成分を含んだ
半波の正弦波で駆動するため若干効率は低下するが、回
路素子が減らせる特徴がある。
トランス1の二次側出力を交流のまま負荷に印加するイ
ンバータとして説明したが、DC/DCコンバータとし
て動作させる場合には、圧電トランス1の二次側電極と
負荷2の間に整流回路を入れても回路動作は変わらない
ことは明らかである。また、負荷に出力する交流電圧V
0[Vrms]を一定値に制御する場合には、整流回路11に
交流電圧V0[Vrms]を入力すれば定電圧出力のインバー
タとして動作させることが出来る。
は、図5(a)のようにダイオード18を用い、トラン
ジスタQ3 がオフした場合にコイルL1 、L2 や電磁ト
ランスT1 、T2 に流れる電流を保持させるように構成
した例で説明したが、図5(b)の様にQ3 がオフにな
った場合にグランドに接地するトランジスタQ4 を用い
てコイル電流を保持する構成にしても構わない。この場
合には、Q3 との間で貫通電流が流れない様に貫通電流
防止回路24を用い、Q3 が完全にオフした後、Q4 を
オンさせてQ3 、Q4 のトランジスタが同時にオンにな
らないように制御する必要がある。
力電圧範囲の圧電トランス駆動回路によれば、駆動電圧
制御回路5によって直流入力電圧VDDが変化しても、圧
電トランス1を駆動する交流電圧が所定の電圧に制御さ
れるので、圧電トランス1の駆動周波数が共振周波数f
r の付近から変化しないことから、ゼロボルトスイッチ
ング(ZVS)の条件を満足して常に高い効率の周波数
で圧電トランス1を駆動出来る効果があり、入力電圧範
囲が4倍以上で安定に動作可能なことを確認出来た。
っても、コイルL1 、L2 または、電磁トランスT1 、
T2 の一次側巻線に流れる電流のピーク値が直流入力電
圧VDDが最低電圧の場合と同じ電流値に制御されること
から、磁気飽和を起こす電流値を最低の入力電圧値に合
わせて設定出来るので、小型のコイルや電磁トランスを
使用することが可能で、圧電トランスの薄さや小型化に
適した駆動回路を実現出来る効果がある。
入力電圧VDDが変化しても、Q1 、Q2 のドレイン電圧
のピーク値が一定に制御されることから、トランジスタ
の耐圧を下げることが出来るので、オン抵抗の低減によ
る効率改善や、コスト低減が出来る効果がある。
ンジスタ型の昇圧回路5による駆動回路では、簡易な回
路でも広入力電圧範囲で圧電トランス1を駆動すること
が出来る効果がある。
ースト調光を行う場合、インダクタンスの解放をダイオ
ード18によって防ぐことができるので、Q1 、Q2 の
ドレイン電圧が高圧にならず、高圧保護用の素子(例え
ばツェナーダイオード)が不要になり、コスト低減を行
うことが出来る効果がある。
図、(c),(d)はタイミングチャート
電流保持回路の回路例、(b)は図1、図2、図3のト
ランジスタによる電流保持回路の回路例
るタイミングチャート
ャート
図、(b)はその周波数特性図
回路 45 バッファ 47 始動回路・負荷断線検出保護回路 Q1 、Q2 、Q3 、Q4 、Q5 、Q6 、Q7 トラン
ジスタ L1 、L2 コイル T1 、T2 電磁トランス
Claims (13)
- 【請求項1】 圧電効果を利用して、一次側から入力し
た交流電圧を二次側に出力する圧電トランスと、 前記圧電トランスの一次側電極の一方の電極に接続され
た第一のコイルと第一のトランジスタと、 前記圧電トランスの他方の一次側電極に片側を接続した
第二のコイルと第二のトランジスタと、 これら第一、第二のトランジスタを交互に駆動する分周
回路から構成された昇圧手段と、 前記第一及び第二のコイルの他方に、電源に接続された
第三のトランジスタと電流保持手段をそれぞれ接続し、 前記第一または第二のトランジスタのオン時間内でデュ
ーティ比を可変した信号で前記第三のトランジスタをオ
ン、オフすることによって、前記圧電トランスの駆動電
圧を所定の電圧に制御する駆動電圧制御手段と、 前記第一及び第二のトランジスタの駆動周波数を変化さ
せて前記圧電トランスの二次電極から所定の出力電流ま
たは出力電圧が得られるよう、前記圧電トランスの昇圧
比を制御する周波数制御手段から構成されることを特徴
とする圧電トランス駆動回路。 - 【請求項2】 前記電流保持手段がダイオードによって
構成されることを特徴とする請求項1記載の圧電トラン
ス駆動回路。 - 【請求項3】 前記電流保持手段がトランジスタによっ
て構成され、前記第三のトランジスタと排他的にスイッ
チングすることを特徴とする請求項1記載の圧電トラン
ス駆動回路。 - 【請求項4】 第三のトランジスタを時分割にオフする
ことによって、前記圧電トランスの入力電圧を停止さ
せ、前記圧電トランスに接続された負荷に供給する交流
電流または交流電圧の実効値を可変することを特徴とす
る請求項1記載の圧電トランス駆動回路。 - 【請求項5】 圧電効果を利用して、一次側から入力し
た交流電圧を二次側に出力する圧電トランスと、 前記圧電トランスの一次側電極の一方の電極に二次側端
子を接続し中間端子を第一のトランジスタに接続した第
一のオートトランスと、 前記圧電トランスの他方の一次側電極に二次側端子を接
続し中間端子を第二のトランジスタに接続した第二のオ
ートトランスと、 これら第一、第二のトランジスタを交互に駆動する分周
回路から構成された昇圧手段と、 前記第一及び第二のオートトランスの一次側端子に、電
源に接続された第三のトランジスタと電流保持手段をそ
れぞれ接続し、 前記第一または第二のトランジスタのオン時間内でデュ
ーティ比を可変した信号で前記第三のトランジスタをオ
ン、オフすることによって前記圧電トランスの駆動電圧
を所定の電圧に制御する駆動電圧制御手段と、 前記第一及び第二のトランジスタの駆動周波数を変化さ
せて前記圧電トランスの二次電極から所定の出力電流ま
たは出力電圧が得られるよう、前記圧電トランスの昇圧
比を制御する周波数制御手段から構成されることを特徴
とする圧電トランス駆動回路。 - 【請求項6】 前記電流保持手段がダイオードによって
構成されることを特徴とする請求項5記載の圧電トラン
ス駆動回路。 - 【請求項7】 前記電流保持手段がトランジスタによっ
て構成され、前記第三のトランジスタと排他的にスイッ
チングすることを特徴とする請求項5記載の圧電トラン
ス駆動回路。 - 【請求項8】 第三のトランジスタを時分割にオフする
ことによって、前記圧電トランスの入力電圧を停止さ
せ、前記圧電トランスに接続された負荷に供給する交流
電流または交流電圧の実効値を可変することを特徴とす
る請求項5記載の圧電トランス駆動回路。 - 【請求項9】 圧電効果を利用して、一次側から入力し
た交流電圧を二次側に出力する圧電トランスと、 前記圧電トランスの1駆動周期内で第一のトランジスタ
をオンして電源から電流エネルギを入力し、前記第一の
トランジスタをオフして前記圧電トランス一次側に電圧
エネルギとして出力するコイルとを有した昇圧手段と、 前記コイルの他方に接続された電流保持手段と第二のト
ランジスタとを有し、前記圧電トランスの1駆動周期内
において、前記コイルの片側に接続された前記第一のト
ランジスタがオンする時間内で、前記第二のトランジス
タをオン、オフして前記コイルに流れる電流を保持する
電流保持手段が動作するデューティ比を変化させて前記
圧電トランスの駆動電圧を所定の電圧に制御する駆動電
圧制御手段と、 前記昇圧手段の駆動周波数を変化させて前記圧電トラン
スの二次電極から所定の出力電流または出力電圧が得ら
れるよう、前記圧電トランスの昇圧比を制御する周波数
制御手段を含むことを特徴とする圧電トランス駆動回
路。 - 【請求項10】 前記コイルに磁気的に結合した二次側
コイルによって、前記コイルから昇圧した電圧を前記圧
電トランスに印加することを特徴とする請求項9記載の
圧電トランス駆動回路。 - 【請求項11】 前記電流保持手段がダイオードによっ
て構成されることを特徴とする請求項9または10記載
の圧電トランス駆動回路。 - 【請求項12】 前記電流保持手段が第三のトランジス
タによって構成され、前記第二のトランジスタと排他的
にスイッチングすることを特徴とする請求項9または1
0記載の圧電トランス駆動回路。 - 【請求項13】 前記第二のトランジスタを時分割にオ
フすることによって、前記圧電トランスの入力電圧を停
止させ圧電トランスに接続された負荷に供給する交流電
圧または交流電流の実効値を可変することを特徴とする
請求項9または10記載の圧電トランス駆動回路。
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