JP3050203B2 - 圧電トランスインバータ - Google Patents
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Description
いて直流電圧を交流電圧に変換するための圧電トランス
インバータに関する。
コンなどの携帯用情報処理機器のディスプレイ装置とし
て、バックライト付き液晶ディスプレイが一般的に使用
されている。このバックライトの光源としては、冷陰極
管等の蛍光管が用いられている。蛍光管を点灯させるに
は高圧の交流電圧を印加する必要があり、またノートパ
ソコンなどの携帯用情報処理機器の入力電源としては、
バッテリーとACアダプターの併用が一般的である。そ
れゆえ、このようなバックライトには、入力電源から供
給される低電圧の直流電圧を蛍光管が点灯可能な高圧の
交流電圧に変換するDC/ACインバータなどの蛍光管
点灯装置が必要となる。近年、このような蛍光管点灯装
置として、電磁トランスに比較して小型の圧電トランス
を用いた圧電トランスインバータの開発が進められてき
ている。
バックライトの輝度を調整しようとすれば、蛍光管に対
する出力電圧や出力電流が所望の値となるように制御す
る必要がある。蛍光管に対する出力電圧や出力電流を安
定させる場合には、従来の圧電トランスインバータで
は、圧電トランスの昇圧比の駆動周波数依存性を利用
し、圧電トランスの駆動周波数を変化させることによっ
て蛍光管への出力電圧を変化させる方法や、入力電源
電圧をD/DコンバータやPWM(パルス幅変調)イン
バータ回路によって所望の電圧値ないし平均電圧値に変
換し、これを圧電トランス駆動回路を介して圧電トラン
スの一次電極に印加することにより蛍光管への(平均)
出力電圧を変化させる方法などが用いられている。
ータとしては、図1に示すようなものがある。この圧電
トランスインバータ11の構成を図1の回路図により説
明する。この圧電トランスインバータ11は、蛍光管1
2に電圧を印加する圧電トランス13と、圧電トランス
13の駆動周波数を制御して蛍光管12に流れる電流を
所定値に保持する周波数制御回路14と、周波数制御回
路14の出力信号の周波数を分周し、その分周周波数の
駆動電圧を圧電トランス13の一次電極に印加する昇圧
回路(圧電トランス駆動回路)15と、圧電トランス1
3に印加される駆動電圧が所定の平均電圧となるように
PWM制御する駆動電圧制御回路16とから構成されて
いる。
回路1、整流回路2、比較器3、積分回路4及びVCO
(電圧制御発振器)5からなる。この周波数制御回路1
4にあっては、蛍光管12に流れる電流を電流電圧変換
回路1によって電圧信号に変換し、さらに整流回路2に
よって直流の検知電圧に変換した後、比較器3によって
基準電圧Vrefと比較し、検出信号電圧が基準電圧Vref
よりも低い場合には比較器3から積分回路4へ高レベル
の信号を出力する。積分回路4は、高レベルの信号を入
力されている間は、出力電圧が一定の割合で低下するよ
うに構成されている。VCO5は、積分回路4から入力
された制御電圧に比例した周波数の矩形パルスを出力す
るものであり、このVCO5の周波数で昇圧回路15を
通して圧電トランス13を駆動する。
8,19と2つのコイル20,21を用いたプッシュプ
ル動作(準E級動作)となっている。VCO5からは圧
電トランス13の駆動周波数の2倍の周波数の矩形パル
スが出力されており、昇圧回路15は、周波数制御回路
14のVCO5から出力された信号の周波数を分周回路
10によって1/2の周波数に分周し、分周回路10の
出力信号によってトランジスタ18,19を交互にオ
ン、オフ制御している。トランジスタ18,19がオン
になると、入力電源からコイル20,21に電流が流れ
て電磁エネルギーがチャージされ、トランジスタ18,
19がオフになると、コイル20,21にチャージされ
ていた電磁エネルギーが放出され、圧電トランス13の
一次電極には入力電源電圧VDDよりも高い正弦波電圧が
印加される。
領域で駆動されているため、蛍光管12に流れる電流が
低下すると、VCO5の周波数が低下して圧電トランス
13の昇圧比が大きくなり、逆に、蛍光管12に流れる
電流が大きくなると、VCO5の周波数が高くなって圧
電トランス13の昇圧比が小さくなり、この結果蛍光管
12に流れる電流が安定するように圧電トランス13の
昇圧比が制御される。
ランジスタ6、フライホイールダイオード7、比較器
8、整流回路9から構成されている。周波数制御回路1
4のVCO5から比較器8には、圧電トランス13の駆
動周波数の2倍の周波数の三角波信号が出力されてお
り、整流回路9は昇圧回路15のトランジスタ18のド
レイン電圧を整流平滑して比較器8に入力しており、比
較器8はVCO5からの三角波信号電圧と整流器出力を
比較することによってスイッチングトランジスタ6を制
御し、入力電源から昇圧回路15に供給される電圧のデ
ューティー比を調整し、圧電トランス13の駆動電圧が
一定となるように制御する。よって、駆動電圧制御回路
16は、入力電源電圧VDDが変化しても圧電トランス1
3に印加される駆動電圧が所定の平均電圧で安定するよ
うに制御する。
への出力電圧や出力電流を制御する調光方式のうち、圧
電トランスの昇圧比の駆動周波数依存性を利用する方法
では、入力電源電圧が高くなったときには、圧電トラン
スの駆動周波数を高くして昇圧比の小さなところで圧電
トランスを動作させなければならず、そのため圧電トラ
ンスの効率が低下するという問題がある。
源電圧VDDをPWM制御する方式の圧電トランスインバ
ータ11では、駆動電圧制御回路16でデューティー比
を制御することにより駆動電圧が所望の平均電圧値とな
るように制御しているので、入力電源電圧VDDの範囲が
広い場合(特に、入力電源電圧が高い場合)でも、圧電
トランス13を共振周波数に近いところで動作させるこ
とができ、圧電トランス13の効率を大きく低下させる
ことがない。
動電圧制御回路16により、駆動電圧が所望の平均電圧
値となるように制御し、周波数制御回路14により、圧
電トランス駆動周波数を変化させて調光している。周波
数駆動回路14は、管電流を小さくする場合には、圧電
トランス13の昇圧比を小さくして管電流を低下させる
ように駆動周波数を制御するので、周波数駆動回路14
から出力される駆動周波数が高くなり、圧電トランス1
3は共振周波数から外れた効率の悪い周波数で駆動され
ることになる。そのため、この圧電トランスインバータ
11では、蛍光管12に流れる電流が小さい場合には、
圧電トランス13が効率の悪い周波数で駆動され、圧電
トランスインバータ全体の効率が低下するという問題が
あった。
れたものであり、その目的とするところは、入力電源電
圧が変動した場合にも負荷電流が変動した場合にも、圧
電トランスを効率良く駆動し、高効率で所望の出力電流
を得ることができる圧電トランスインバータを提供する
ことにある。
タは、一次電極間に印加された交流電圧を電圧変換して
二次電極に接続された負荷に供給する圧電トランスと、
直流入力電源から供給される直流電圧をオン、オフして
その平均電圧値を所定の値に制御する駆動電圧制御手段
と、前記駆動電圧制御手段の出力電圧を交流電圧に変換
して圧電トランスを駆動する圧電トランス駆動手段と、
前記圧電トランス駆動手段を圧電トランスの共振周波数
近傍で発振させる発振手段と、前記発振手段の発振周波
数を調光電圧に応じて変化させて前記圧電トランスの昇
圧比を変化させることにより負荷電流が所望の値になる
よう制御する周波数調光手段と、前記調光電圧に応じて
前記駆動電圧制御手段から前記圧電トランス駆動手段へ
供給する平均電圧値を制御する駆動電圧可変手段とを備
え、前記駆動電圧可変手段が調光電圧に応じて駆動電圧
を変化させることにより、前記周波数調光手段は、常に
圧電トランスをその共振周波数近傍で駆動するよう、前
記発振手段の発振周波数を制御することを特徴としてい
る。特に、前記周波数調光手段は、調光電圧が負荷電流
を小さくする方向に変化した場合には、前記駆動電圧可
変手段の働きにより、圧電トランスの駆動周波数を圧電
トランスの共振周波数に近づけるように働く。また、前
記駆動電圧可変手段は、調光電圧に応じて、前記駆動電
圧制御手段から前記圧電トランス駆動手段へ供給される
平均電圧値を段階的に変化させるようにしてもよい。
調光電圧による負荷電流の制御は、圧電トランスインバ
ータによる調光、すなわち負荷電流の制御は駆動周波数
による圧電トランスの昇圧比の制御と、駆動電圧可変手
段による駆動電圧の制御とによって行われる。この結
果、調光電圧が負荷電流を小さくする方向に調整された
場合でも、駆動電圧可変手段により圧電トランスの駆動
周波数が共振周波数から外れるのを抑制すると共に、周
波数調光手段によって圧電トランスの駆動周波数を共振
周波数側へ近づけることができ、調光電圧を調整したと
きの圧電トランスの駆動周波数の変化幅を小さくでき、
圧電トランスインバータを効率良く働かせることができ
る。
圧電トランスインバータ31の構成を示す回路ブロック
図である。この圧電トランスインバータ31は、蛍光管
を駆動する圧電トランス32、圧電トランス駆動回路
(圧電トランス駆動手段)35、発振回路(発振手段)
36、周波数制御回路(周波数調光手段)38、PWM
(パルス幅変調)インバータ回路(駆動電圧制御手段)
34及びPWMインバータ出力可変回路(駆動電圧可変
手段)48からなる。
3から供給された直流入力電源電圧VDDをPWM制御し
て圧電トランス駆動回路35へ出力し、入力電源電圧V
DDが変動してもPWM制御のデューティー比を自己調整
することによって圧電トランス駆動回路35へ一定の平
均出力電圧を供給する。すなわち、入力電源33では直
流電圧が発生し、PWMインバータ回路34によって駆
動周波数(例えば60kHz)よりも高い周波数(例え
ば240kHz)の矩形パルス信号45を発生させ、そ
のデューティー比を変化させて平均出力電圧を所望の値
に安定化させている。ここで、PWMインバータ回路3
4のデューティー比ηは、 η=Ton/(Ton+Toff) ただし、Ton: PWMインバータ回路34のオン時間 Toff: PWMインバータ回路34のオフ時間 で表わされ、PWMインバータ回路平均出力電圧V
0は、入力電源電圧をVDDとすれば、V0=ηVDDとな
る。
バータ回路34から供給された矩形パルス信号45を、
発振回路36から入力されている発振周波数と等しい駆
動周波数の交流電圧信号46に変換して圧電トランス3
2の一次電極43間に印加する。圧電トランス32は、
一次電極43に入力された駆動電圧をその駆動周波数に
応じた昇圧比で昇圧し、昇圧した交流電圧信号47を二
次電極44から蛍光管37に印加する。
39、整流回路40、比較器41及びV−F(電圧/周
波数)コンバータ42からなる。この周波数制御回路3
8にあっては、蛍光管37に流れる電流を電流電圧変換
回路39によって管電流に比例した電圧信号に変換し、
さらに整流回路40によって直流の検知電圧に変換した
後、比較器41によって検出信号電圧と調光電圧を比較
する。比較器41は、検出信号電圧と調光電圧とを比較
して検出信号電圧と調光電圧との差電圧を増幅してV−
Fコンバータ42へ出力する。V−Fコンバータ42
は、比較器41からの出力すなわち検出信号電圧と調光
電圧との差電圧に対応した周波数の矩形波パルス信号を
発振回路36へ出力する。発振回路36から圧電トラン
ス駆動回路35へは、V−Fコンバータ42から入力さ
れた周波数と等しい発振周波数の信号が出力される。
32がその共振周波数よりも高い周波数領域で駆動され
ている場合で考えると、蛍光管37に流れる管電流が増
加した場合には、周波数制御回路38の働きで圧電トラ
ンス32の駆動周波数は高周波数側へシフトして圧電ト
ランス32の昇圧比が小さくなり、蛍光管37に流れる
電流が減少する。蛍光管37に流れる管電流が減少した
場合には、圧電トランス32の駆動周波数は低周波数側
へシフトして圧電トランス32の昇圧比が大きくなり、
蛍光管37に流れる電流が増加する。よって、蛍光管3
7に流れる電流が変動した場合には、周波数制御回路3
8により圧電トランス32の昇圧比が調整され、蛍光管
37に流れる電流が安定する。
と、検出信号電圧と調光電圧との電圧差が小さくなるの
で、周波数制御回路38の働きで圧電トランス32の駆
動周波数は低周波数側へシフトして圧電トランス32の
昇圧比が大きくなり、蛍光管37に流れる電流が増加す
る。小さな値の調光電圧が入力されると、圧電トランス
32の駆動周波数は高周波数側へシフトして圧電トラン
ス32の昇圧比が小さくなり、蛍光管37に流れる電流
が減少する。よって、周波数駆動回路は、調光電圧の大
小に応じて圧電トランス32の昇圧比を変化させ、蛍光
管37に流れる管電流を増加または減少させ、蛍光管3
7を調光する。
光電圧に応じて蛍光管37に流れる電流を制御するもの
であり、蛍光管37の輝度を高くすべく調光電圧を大き
くすると、PWMインバータ回路34から圧電トランス
駆動回路35へ供給される平均電圧値を大きくし、蛍光
管37の輝度を低くすべく調光電圧を小さくすると、P
WMインバータ回路34から圧電トランス駆動回路35
へ供給される平均電圧値を小さくする。調光電圧に応じ
て圧電トランス駆動回路35へ供給する平均電圧値を変
化させるためには、PWMインバータ回路34から圧電
トランス駆動回路35へ供給する電圧(Hレベル電圧
値)を変化させてもよく、デューティー比を変化させて
もよい。
では、調光電圧を基準電圧代わりにPWMインバータ出
力可変回路48へ入力し、調光電圧を調整したときに蛍
光管37に流れる電流をPWMインバータ回路34によ
っても制御している。従来の圧電トランスインバータの
ように、PWMインバータ出力可変回路48に入力する
基準電圧(調光電圧)を一定に保つ場合の調光電圧と駆
動電圧との関係が図4に破線で示されるとすれば、本発
明のように調光電圧をPWMインバータ出力可変回路4
8に入力して基準電圧を可変にした場合には、図4に実
線で示すように駆動電圧の変化は大きくなる。このた
め、調光電圧を小さくした場合には、PWMインバータ
出力可変回路48(駆動電圧可変手段)と周波数制御回
路38(周波数調光手段)によって蛍光管37は調光さ
れるが、PWMインバータ出力可変回路48により駆動
電圧は低下する(図4)ので、PWMインバータ出力可
変回路48(駆動電圧可変手段)の働きで管電流が減少
させられ、その結果、圧電トランス32の駆動周波数が
高周波側へシフトする量は小さくなる。よって、調光電
圧を変化させても、圧電トランス32の駆動周波数がほ
とんど変化しないようにすることができ、圧電トランス
32を常に効率の良好な周波数(共振周波数近傍の周波
数)で駆動することができる。
具体化した圧電トランスインバータ51の構成を示す回
路図である。この圧電トランスインバータ51において
は、両波駆動の圧電トランス駆動回路35を用いてい
る。すなわち、圧電トランス駆動回路35は、2つのト
ランジスタ58,60と2つのコイル57,59により
プッシュプル動作(準E級動作)する。発振回路36か
ら発振周波数のパルス信号が出力されると、2つのトラ
ンジスタ58,60が交互にオン、オフすることによっ
て圧電トランス32の一次電極43に正弦波電圧を印加
する。
電源33と圧電トランス駆動回路35の間に挿入された
トランジスタ52、トランジスタ52と圧電トランス駆
動回路35の中間に接続されたフライホイールダイオー
ド53及びD/Dコンバータ54、PWM制御回路5
5、比較器56によって構成されており、比較器56に
はD/Dコンバータ54の出力分圧と調光電圧が入力さ
れ、比較器56の出力はPWM制御回路55に送られ、
トランジスタ52はPWM制御回路55によってオン、
オフ制御される。PWMインバータ出力可変回路48
は、比較器56とPWM制御回路55によって構成され
ている。
ス駆動回路35に供給される平均出力電圧は、D/Dコ
ンバータ54によって平均出力電圧に比例した直流電圧
に変換され、比較器56に入力される。比較器56は、
所望の管電流に依存した調光電圧とD/Dコンバータ5
4から出力された直流電圧(管電流に依存した電圧)と
を比較し、PWMインバータ回路34の平均出力電圧が
増加(または減少)すると、PWM制御回路55により
トランジスタ52をオン、オフするデューティー比を小
さく(大きく)し、所望の管電流値となるように圧電ト
ランスインバータ51全体としてフィードバック制御ル
ープを構成している。
に入力される基準電圧が変化することになるので、D/
Dコンバータ54によってPWMインバータ回路34の
平均出力電圧が制御される。
1にあっては、第1の実施形態でも説明したように、入
力電源電圧VDDが変動したり、調光電圧が調整されて蛍
光管37に流れる電流が変化したりしても、圧電トラン
ス32は共振周波数に近い良好な駆動周波数で駆動さ
れ、圧電トランスインバータ51を効率よく駆動するこ
とができる。
よれば、従来例の圧電トランスインバータのように圧電
トランス駆動回路に分周回路も必要ないので、回路構成
も簡単にできる。また、この圧電トランスインバータ5
1によれば、常に圧電トランス32の共振周波数近傍で
駆動している為、圧電トランス駆動用のトランジスタに
流れるサージ電流がほとんどなくなる為、それによる電
力ロスも減少する。同様に、常に圧電トランスの共振周
波数近傍で駆動している為、共振周波数より高い周波数
で起こる恐れがある、間欠点灯が発生しにくくなる。
は、図6に示す圧電トランスインバータ61のように、
1つのトランジスタ60と1つのコイル59によって構
成された片波駆動のプッシュブル駆動回路によって圧電
トランス駆動回路35を構成していてもよい。
インバータ回路34から出力される平均出力電圧は調光
電圧に対して線形関数となっていたが、図7に示すよう
に、2段階もしくは3段階以上に段階的に変化するよう
にしてもよい。
路図である。
ータを示す回路図である。
示す図である。
光電圧とPWMインバータ回路から出力される平均出力
電圧との関係を示す図である。
成を示す回路図である。
な構成を示す回路図である。
光電圧とPWMインバータ回路から出力される平均出力
電圧との別な関係を示す図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 一次電極間に印加された交流電圧を電圧
変換して二次電極に接続された負荷に供給する圧電トラ
ンスと、 直流入力電源から供給される直流電圧をオン、オフして
その平均電圧値を所定の値に制御する駆動電圧制御手段
と、 前記駆動電圧制御手段の出力電圧を交流電圧に変換して
圧電トランスを駆動する圧電トランス駆動手段と、 前記圧電トランス駆動手段を圧電トランスの共振周波数
近傍で発振させる発振手段と、 前記発振手段の発振周波数を調光電圧に応じて変化させ
て前記圧電トランスの昇圧比を変化させることにより負
荷電流が所望の値になるよう制御する周波数調光手段
と、 前記調光電圧に応じて前記駆動電圧制御手段から前記圧
電トランス駆動手段へ供給する平均電圧値を制御する駆
動電圧可変手段と、 を備え、前記駆動電圧可変手段が調光電圧に応じて駆動電圧を変
化させることにより、前記周波数調光手段は、常に圧電
トランスをその共振周波数近傍で駆動するよう、前記発
振手段の発振周波数を制御する ことを特徴とする圧電ト
ランスインバータ。 - 【請求項2】 前記周波数調光手段は、調光電圧が負荷
電流を小さくする方向に変化した場合には、前記駆動電
圧可変手段の働きにより、圧電トランスの駆動周波数を
圧電トランスの共振周波数に近づけるように働くことを
特徴とする、請求項1に記載の圧電トランスインバー
タ。 - 【請求項3】 前記駆動電圧可変手段は、調光電圧に応
じて、前記駆動電圧制御手段から前記圧電トランス駆動
手段へ供給される平均電圧値を段階的に変化させること
を特徴とする、請求項1又は2に記載の圧電トランスイ
ンバータ。
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