JP4535813B2 - 圧電トランスを用いた電源装置 - Google Patents

Description

本発明は圧電トランスを用いた電源装置に関する。

圧電トランスは、圧電効果を応用し入力部と出力部を電気的に絶縁して電力伝達と電圧変換を行う素子であって、巻線式の電磁トランスと比べて小型化，高効率化，安全性の点で優れており、高電圧発生用の電源装置に広く用いられている。例えば、パーソナルコンピュータ等の液晶ディスプレイのバックライトとして用いられる冷陰極管の駆動用である。

この種の圧電トランスを用いた電源装置の第１の例（例えば、特許文献１参照）を図４に示す。図４において、駆動回路１０は、入力電源１からの直流電圧を交流の高周波電圧に変換して圧電トランス３に出力する。圧電トランス３は、これを電圧変換し整流平滑回路６を経て負荷に出力する。出力電圧は、入力電源１からの直流電圧や負荷電流の変動により変動するが、その安定化のために、共振特性を有する圧電トランス３の共振周波数の上下の周波数で電圧増幅率が変化するという特性（図５の下段に示す）を活用する。

電圧検出回路７は、出力電圧を検出して検出結果信号を周波数変調回路１１に出力する。周波数変調回路１１は、この検出結果信号に従って周波数制御信号を駆動回路１０に出力する。駆動回路１０は、周波数制御信号に従って、圧電トランス３に出力する正弦波電圧の周波数を変化させる。すると、圧電トランス３は電圧増幅率を変化させ、これによって本電源装置の出力電圧の安定化を達成できる。

また、この種の圧電トランスを用いた電源装置の第２の例（例えば、特許文献２参照）における駆動系を等化回路形式で図６に示す。この電源装置は、圧電トランス３を共振周波数近傍の固定周波数で駆動することで低損失化駆動を行う。そのために、圧電トランスの入力駆動部に４個のスイッチ１２〜１５を設けたフルブリッジ構成としている。

図７は、この駆動系の動作波形図である。図７において、スイッチ１２とスイッチ１３は交互にオンとオフを繰り返し、スイッチ１５とスイッチ１４も交互にオンとオフを繰り返す。スイッチ１２とスイッチ１５、スイッチ１３とスイッチ１４の各駆動タイミングに位相差θaが設けられる。スイッチ１３とスイッチ１５は入力電源１の直流電圧、スイッチ１２とスイッチ１４はグランド電圧を圧電トランス３にそれぞれ入力する。その結果、圧電トランス３には印加電圧Viが入力されることになる。そして、位相差θaを調整することで印加電圧Viのパルス幅を変化させ出力電圧の安定化を図る。

なお、複数の圧電トランスを同一の入力同士、出力同士をそれぞれ並列接続することにより、小型でありながら大出力電力を維持するようにした例（例えば、特許文献３参照）が知られている。

特許第2961851号（第１頁ー第２頁、図１） 特開2003-244964（第１８頁、図１、図２） 特開2000-228546（第１頁、図１）

上述した特許文献１記載の技術では、圧電トランスの周波数特性を活用し周波数を変調することによって圧電トランスの電圧増幅率を変化させているが、動作周波数が共振点から大きくずれると圧電トランスの効率（図５の上段に示す）も低下し損失増大を生じるという問題点がある。

また、特許文献２記載の技術では、圧電トランスをデジタル駆動するが、出力電圧を安定化させるために位相差θaを調整するので、パルス幅が変化し、その結果として異なる周波数で駆動することになり、やはり上述の問題点が生じる。

また、特許文献３記載の技術においても、この圧電トランスを電源装置に搭載する場合には電力安定化のために、第１の例と同様に圧電トランスの周波数特性を活用した周波数変調制御方式の採用が考えられ、同様な問題点がある。

本発明の目的は、低損失化を図りつつ出力電圧を安定に制御することを可能とした圧電トランスを用いた電源装置を提供することにある。

さらに、本発明の他の目的は、出力電力が高くて小型でスペース効率の良い圧電トランスを用いた電源装置を提供することにある。

本発明の圧電トランスを用いた電源装置は、１つの直流入力電源に並列接続され同一固定周波数の周波数制御信号によって直流電圧を交流の高周波電圧に変換する２つの駆動回路（図１の２，４）と、駆動回路によって駆動され出力が直列接続された駆動回路と１対１対応の圧電トランス（図１の３，５）と、直列接続により合成された電圧を整流・平滑する整流平滑回路（図１の６）と、該整流平滑回路を介して出力される直流電圧を検出する電圧検出回路（図１の７）と、該電圧検出回路からの検出結果信号に応答して、出力電圧を安定化させるように２つの駆動回路への周波数制御信号に逆方向の位相差を設ける駆動回路と１対１対応の位相制御回路（図１の８）とを有することを特徴とする。

本発明は、２つの圧電トランスを使用して、２つの圧電トランスの出力を直列加算し、２つの圧電トランスを駆動する駆動回路への同一固定周波数の周波数制御信号に位相差を設ける構成を採用したため、圧電トランス固有の共振周波数近傍の固定周波数で圧電トランスを駆動することによる圧電トランスの低損失化を実現しつつ、出力電圧を安定に制御することが可能となる。さらに、２個の圧電トランスを使用することにより小型で大出力を獲得することが可能であるという効果がある。

本発明の圧電トランスを用いた電源装置は、１つの入力電源に並列接続された２つの駆動回路と、２つの圧電トランスを備え、この２つの圧電トランスの出力を直列に接続し、合成された２つの圧電トランスの出力電圧は整流平滑回路を介して、整流・平滑された直流電圧として出力する。２つの駆動回路は同一の固定周波数で動作するが、２つの駆動回路へは位相差をつけて供給可能とする。位相差は、出力電圧を検出した結果によって、出力電圧を安定させるように制御される。高出力電力を必要とする場合には２つの駆動回路は同相で動作する。一方、高出力電力を必要としない場合には、２つの駆動回路には必要な位相差を設けて動作させる。

次に、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の圧電トランスを用いた電源装置の一実施例のブロック図である。この電源装置は、入力電源１と、２つの駆動回路２，４と、２つの圧電トランス３，５と、整流平滑回路６と、電圧検出回路７と、位相制御回路８と、発振回路９とで構成されている。

駆動回路２と駆動回路４とは入力電源１に並列接続され、圧電トランス３は駆動回路２で、圧電トランス５は駆動回路４でそれぞれ駆動される。圧電トランス３と圧電トランス５の出力は直列に接続され、合成された圧電トランスの出力電圧は整流平滑回路６を経て負荷へ出力される。この直流電圧は電圧検出回路７で検出され、電圧検出回路７は位相制御回路８に検出結果信号を出力する。

発振回路９は駆動回路２と位相制御回路８に接続され周波数制御信号を供給している。駆動回路２は発信回路９からの直接の周波数制御信号により固定な周波数で動作する。他方の駆動回路４は、電圧検出回路７からの検出結果信号を入力とする位相制御回路８により発振回路９からの信号に位相差を設けられた信号で動作する。

入力電源１は駆動回路２および駆動回路４に直流電圧を供給する。駆動回路２は、発振回路９からの周波数制御信号によって入力電源１からの直流電圧を交流の高周波電圧に変換に変換して圧電トランス３に出力する。一方、駆動回路４は、位相制御回路８からの周波数制御信号によって入力電源１からの直流電圧を交流の高周波電圧に変換に変換して圧電トランス５に出力する。駆動回路２と駆動回路４は同一周波数の周波数制御信号により動作することになり、この周波数は、圧電トランス３および圧電トランス５の共振周波数近傍に選定される。

圧電トランス３と圧電トランス５は、電気信号を圧電逆効果により機械振動に変換し、さらに機械振動を圧電効果により電気信号に変換する素子であり、入力部に印加された交流電圧は出力部では電圧変成され出力される。２つの圧電トランス３，５の出力は直列に接続される。これにより、圧電トランス３の交流出力電圧vaと圧電トランス５の交流出力電圧vbは合成されて交流出力電圧（va＋vb）となる。この合成された交流出力電圧は整流平滑回路６において整流・平滑され直流電圧に変換され負荷に出力される。

この出力電圧は入力電源１からの直流電圧や負荷電流変動により変動する。本発明では、一方の駆動回路への周波数制御信号と他方の駆動回路への周波数制御信号との間の位相差を出力電圧の変動に連動して制御することによって出力電圧の変動を抑制する。ここで、各駆動回路３，５に対する周波数制御信号の周波数は不変であることに留意すべきである。

電圧検出回路７は、出力電圧を検出して検出結果信号を位相制御回路８に出力する。位相制御回路８は、この検出結果信号に従って、発信回路９から入力している周波数制御信号の位相を変化させて駆動回路４に出力する。位相制御回路８は、検出結果が出力電圧増加を示すものである場合は、周波数制御信号の位相を大きくし、逆に検出結果が出力電圧減少を示すものである場合は、周波数制御信号の位相を小さくするように制御する。一方、駆動回路２への周波数制御信号の位相は固定されているので、駆動回路２への周波数制御信号と駆動回路４への周波数制御信号との間に位相差がつくことになる。

図３は、上述の位相差をφとして、φ＝４５度，９０度，１３５度の各場合における交流出力電圧va，交流出力電圧vbおよび交流出力電圧（va＋vb）の波形を示している。

φ＝４５度の場合を示す図３（ａ）と、φ＝９０度の場合を示す図３（ｂ）と、φ＝１３５度の場合を示す図３（ｃ）とを見比べば、合成された交流出力電圧（va＋vb）の振幅は、順次に減少していることが分かる。この結果、位相差φにより出力電圧を制御できている。

そして、交流出力電圧（va＋vb）の周波数も減少している。ただし、交流出力電圧vaと交流出力電圧vbは位相差φが変化するだけであって、その周波数に変化はなく、当然に圧電トランス３および圧電トランス５は、不変の周波数の交流電圧で駆動され続けている。そのため、圧電トランス３および圧電トランス５の電圧増幅率が変化することはなく、圧電トランスの効率が低下し損失増大を生じることはない。

つまり、２つの圧電トランスの駆動電圧に位相差を設けることで、圧電トランス固有の共振周波数近傍の固定周波数で圧電トランスを駆動しても出力電圧を安定に制御することが可能となるのである。多分、通常動作時には位相差φ＝９０度に設定されよう。そうすれば、出力電圧が増加すると位相差φを増加させ、出力電圧が減少すると位相差φを減少させるような制御が行われる。

位相差φを設定するのに、上述のように、一方の駆動回路への周波数制御信号の位相を固定として、他方の駆動回路への周波数制御信号の位相を変化させる代わりに、両方の駆動回路への周波数制御信号の位相を変化させるようにしてもよい。例えば、図２に示すように、駆動回路４に対応した位相制御回路８の上に駆動回路２に対応して位相制御回路１６を設け、各位相制御回路における位相制御を逆方向に行うようにする。

つまり、出力電圧が増加すると、位相制御回路１６は駆動回路２への周波数制御信号の位相を進め、位相制御回路８は駆動回路４への周波数制御信号の位相を遅らせる。逆に出力電圧が減少すると、位相制御回路１６は駆動回路２への周波数制御信号の位相を遅らせ、位相制御回路８は駆動回路４への周波数制御信号の位相を進める。これにより、位相制御の感度を向上させることができる。

本発明の圧電トランスを用いた電源回路の実施例１を示すブロック図 本発明の圧電トランスを用いた電源回路の実施例２を示すブロック図 図１および図２に示した圧電トランスの２次側出力電圧の動作波形図 第１の従来例の圧電トランスを用いた電源装置のブロック図 圧電トランスの電圧増幅率と効率の周波数特性を示す図 第２の従来例の圧電トランスを用いた電源装置における駆動系のブロック図 図６に示した駆動系の動作波形図

符号の説明

１ 入力電源
２ 駆動回路
３ 圧電トランス
４ 駆動回路
５ 圧電トランス
６ 整流平滑回路
７ 電圧検出回路
８ 位相制御回路
９ 発振回路
１０ 駆動回路
１１ 周波数変調回路
１２ スイッチ
１３ スイッチ
１４ スイッチ
１５ スイッチ
１６ 位相制御回路

Claims (1)

1. １つの直流入力電源に並列接続され同一固定周波数の周波数制御信号によって直流電圧を交流の高周波電圧に変換する２つの駆動回路と、
   前記駆動回路によって駆動され出力が直列接続された前記駆動回路と１対１対応の圧電トランスと、
   前記直列接続により合成された電圧を整流・平滑する整流平滑回路と、
   該整流平滑回路を介して出力される直流電圧を検出する電圧検出回路と、
   該電圧検出回路からの検出結果信号に応答して、前記出力電圧を安定化させるように前記２つの駆動回路への周波数制御信号に逆方向の位相差を設ける前記駆動回路と１対１対応の位相制御回路とを有することを特徴とする。

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