JP5357033B2 - DC low voltage power supply - Google Patents
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Description
本発明は、圧電トランスを用いた直流低電圧電源装置に関する。 The present invention relates to a DC low voltage power supply device using a piezoelectric transformer.
従来、低電圧の直流電圧を生成する直流低電圧電源装置が知られている。たとえば、そのような直流低電圧電源装置には、直流電圧をスイッチング動作により交流電圧に変換する駆動回路と、交流電圧を低い交流電圧に変換する圧電トランスと、圧電トランスの出力である交流電圧を直流電圧に変換する整流回路とによって構成されるものがある。このような直流電源装置の駆動回路には、直流交流の変換時に電圧を降圧するハーフブリッジ型の駆動回路が用いられることが多い。また、圧電トランスが出力する交流電圧を直流電圧に変換する整流回路には、降圧作用を持つ整流回路としてカレントダブラ型同期整流回路が用いられることが多い(特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art Conventionally, a DC low voltage power supply device that generates a low voltage DC voltage is known. For example, in such a DC low-voltage power supply device, a drive circuit that converts a DC voltage into an AC voltage by a switching operation, a piezoelectric transformer that converts the AC voltage into a low AC voltage, and an AC voltage that is the output of the piezoelectric transformer. Some are constituted by a rectifier circuit for converting to a DC voltage. For such a DC power supply device drive circuit, a half-bridge drive circuit that steps down the voltage during DC-AC conversion is often used. Moreover, a current doubler type synchronous rectifier circuit is often used as a rectifier circuit having a step-down action in a rectifier circuit that converts an AC voltage output from a piezoelectric transformer into a DC voltage (see Patent Document 1).
特許文献1記載のDC/DCコンバータは、ブリッジ整流回路の代わりに、カレントダブラ整流・平滑回路を用い、ダイオードによる順方向降下電圧を半分にしている。低コスト化のために、ダイオードの代わりに同期整流と特殊なゲート波形整形回路を用いている。このようにして、特許文献1記載のDC/DCコンバータは、圧電トランスを用いたDC/DCコンバータの整流・平滑回路のロスを低減し、コンバータの効率を上げている。
上記のようにカレントダブラ型の同期整流回路等を用いて低電圧を得ることで、直流低電圧電源装置は効率よく直流低電圧を発生させることができる。しかしながら、単に低電圧を得るための回路を構成しただけでは、必ずしも電源装置の効率は十分ではない。圧電トランスは、圧電トランスの出力に接続される負荷によって圧電トランスの降圧の効率(変換効率)が異なる特性を有する。したがって、負荷の仕様に適合した圧電トランスを用いなければ直流低電圧電源の効率が低下する。本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、圧電トランスによる降圧の効率が高い直流低電圧電源装置を提供することを目的とする。 As described above, by obtaining a low voltage using a current doubler type synchronous rectifier circuit or the like, the DC low voltage power supply device can efficiently generate a DC low voltage. However, simply configuring a circuit for obtaining a low voltage does not necessarily provide sufficient power supply efficiency. Piezoelectric transformers have characteristics that the step-down efficiency (conversion efficiency) of the piezoelectric transformer differs depending on the load connected to the output of the piezoelectric transformer. Therefore, the efficiency of the DC low-voltage power supply is reduced unless a piezoelectric transformer that meets the load specifications is used. The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a DC low-voltage power supply device with high step-down efficiency by a piezoelectric transformer.
(1)上記の目的を達成するため、本発明に係る直流低電圧電源装置は、スイッチング素子およびチョークコイルを有し、前記スイッチング素子の動作により直流入力電圧を交流電圧に変換する駆動回路と、前記変換された交流電圧が入力されることで駆動され、降圧された交流電圧を出力する圧電トランスと、スイッチング素子およびチョークコイルを有し、前記出力された交流電圧を直流電圧に変換する同期整流回路と、を備え、前記圧電トランスは、負荷の抵抗に基づき、前記同期整流回路の同期整流作用に応じて要求される前記圧電トランスの出力電圧、および電力保存則から導かれる前記圧電トランスの出力電流により定まる所定範囲の出力インピーダンスを有していることを特徴としている。 (1) In order to achieve the above object, a DC low-voltage power supply device according to the present invention includes a switching element and a choke coil, and a drive circuit that converts a DC input voltage into an AC voltage by the operation of the switching element; Synchronous rectification which has a piezoelectric transformer driven by inputting the converted AC voltage and outputs a stepped-down AC voltage, a switching element and a choke coil, and converts the output AC voltage into a DC voltage And the piezoelectric transformer is based on the resistance of the load, the output voltage of the piezoelectric transformer required by the synchronous rectification action of the synchronous rectifier circuit, and the output of the piezoelectric transformer derived from the power conservation law It has an output impedance within a predetermined range determined by the current.
このように、本発明の直流低電圧電源装置は、その出力電圧および出力電流に応じた出力インピーダンスを有する圧電トランスを備えている。これにより、圧電トランスの仕様が直流低電圧電源装置の負荷の仕様に適合するため、圧電トランスの降圧の効率を高くし、直流低電圧電源装置の電源効率を高くすることができる。 Thus, the DC low-voltage power supply device of the present invention includes a piezoelectric transformer having an output impedance corresponding to the output voltage and output current. Thereby, since the specification of the piezoelectric transformer conforms to the load specification of the DC low-voltage power supply device, the step-down efficiency of the piezoelectric transformer can be increased and the power supply efficiency of the DC low-voltage power supply device can be increased.
(2)また、本発明に係る直流低電圧電源装置は、スイッチング素子およびチョークコイルを有し、前記スイッチング素子の動作により直流入力電圧を交流電圧に変換する駆動回路と、前記変換された交流電圧が入力されることで駆動され、降圧された交流電圧を出力する圧電トランスと、スイッチング素子およびチョークコイルを有し、前記出力された交流電圧を直流電圧に変換する同期整流回路と、を備え、前記圧電トランスは、入力電圧をもとに前記駆動回路により変換された前記圧電トランスの入力電圧、および負荷の抵抗に基づき前記同期整流回路の同期整流作用に応じて要求される前記圧電トランスの出力電圧により定まる所定範囲の最大昇圧比を有していることを特徴としている。 (2) Moreover, the DC low-voltage power supply device according to the present invention includes a switching element and a choke coil, a drive circuit that converts a DC input voltage into an AC voltage by the operation of the switching element, and the converted AC voltage. Including a piezoelectric transformer that outputs a stepped-down AC voltage, a switching element and a choke coil, and converts the output AC voltage into a DC voltage. The piezoelectric transformer is an output of the piezoelectric transformer required according to the synchronous rectification action of the synchronous rectifier circuit based on the input voltage of the piezoelectric transformer converted by the drive circuit based on the input voltage and the resistance of the load. It has a maximum boost ratio within a predetermined range determined by the voltage.
本発明の直流低電圧電源装置では、圧電トランスに入力される電圧、圧電トランスから出力される電圧に応じて最大昇圧比が所定の範囲内になるように圧電トランスが設計されている。これにより、圧電トランスによる降圧の効率を高くし、直流低電圧電源装置の電源効率を高くすることができる。 In the DC low-voltage power supply device of the present invention, the piezoelectric transformer is designed so that the maximum step-up ratio falls within a predetermined range according to the voltage input to the piezoelectric transformer and the voltage output from the piezoelectric transformer. Thereby, the efficiency of the step-down by the piezoelectric transformer can be increased, and the power efficiency of the DC low-voltage power supply device can be increased.
(3)また、本発明に係る直流低電圧電源装置は、スイッチング素子およびチョークコイルを有し、前記スイッチング素子の動作により直流入力電圧を交流電圧に変換する駆動回路と、前記変換された交流電圧が入力されることで駆動され、降圧された交流電圧を出力する圧電トランスと、スイッチング素子およびチョークコイルを有し、前記出力された交流電圧を直流電圧に変換するカレントダブラ型の同期整流回路と、を備え、出力電圧をVOUT、出力電流をIOUTとするとき、前記圧電トランスの出力インピーダンスZOPTは、以下の式を満たすことを特徴としている。
このように、本発明の直流低電圧電源装置では、圧電トランスの出力インピーダンスが直流低電圧電源装置の出力電圧および出力電流に応じて決まる上式の範囲内に設計されている。圧電トランスの仕様が直流低電圧電源装置の負荷の仕様に適合されているため、圧電トランスの効率が高くなり、直流低電圧電源装置の電源効率を高くすることができる。 Thus, in the DC low-voltage power supply device of the present invention, the output impedance of the piezoelectric transformer is designed within the range of the above formula determined according to the output voltage and output current of the DC low-voltage power supply device. Since the specification of the piezoelectric transformer is adapted to the load specification of the DC low-voltage power supply device, the efficiency of the piezoelectric transformer is increased, and the power supply efficiency of the DC low-voltage power supply device can be increased.
(4)また、本発明に係る直流低電圧電源装置は、2つのスイッチング素子および1つのチョークコイルを有し、前記スイッチング素子の動作により直流入力電圧を交流電圧に変換するハーフブリッジ型の駆動回路と、前記変換された交流電圧が入力されることで駆動され、降圧された交流電圧を出力する圧電トランスと、スイッチング素子およびチョークコイルを有し、前記出力された交流電圧を直流電圧に変換するカレントダブラ型の同期整流回路と、を備え、入力電圧をVIN、出力電圧をVOUT、出力電流をIOUTとするとき、圧電トランスに(π2/2)(VOUT/IOUT)の負荷抵抗を接続するときの最大昇圧比Avが以下の式を満たすことを特徴としている。
圧電トランスの昇圧比は圧電トランスの形状や構造によって決まる。駆動周波数により圧電トランスの昇圧比を変えられないことはないが、圧電トランスの共振周波数から大きく離れすぎると、圧電トランスの効率が低下してしまう。したがって、圧電トランスに入力される電圧や、圧電トランスから出力される電圧に伴い、適切な昇圧比を持つ圧電トランスを用いる必要がある。本発明のハーフブリッジ型の駆動回路を用いた直流低電圧電源装置では、入力電圧、出力電圧に応じて最大昇圧比が上式の範囲内になるように圧電トランスが設計されている。これにより、圧電トランスの効率を高くし、直流低電圧電源装置の電源効率を高くすることができる。 The step-up ratio of the piezoelectric transformer is determined by the shape and structure of the piezoelectric transformer. Although it is not impossible to change the step-up ratio of the piezoelectric transformer depending on the drive frequency, the efficiency of the piezoelectric transformer decreases if it is too far from the resonance frequency of the piezoelectric transformer. Therefore, it is necessary to use a piezoelectric transformer having an appropriate step-up ratio according to the voltage input to the piezoelectric transformer or the voltage output from the piezoelectric transformer. In the DC low-voltage power supply apparatus using the half-bridge type drive circuit of the present invention, the piezoelectric transformer is designed so that the maximum step-up ratio falls within the above range according to the input voltage and output voltage. Thereby, the efficiency of a piezoelectric transformer can be made high and the power supply efficiency of a DC low voltage power supply device can be made high.
(5)また、本発明に係る直流低電圧電源装置は、スイッチング素子およびチョークコイルを有し、前記スイッチング素子の動作により直流入力電圧を交流電圧に変換する駆動回路と、前記変換された交流電圧が入力されることで駆動され、降圧された交流電圧を出力する圧電トランスと、スイッチング素子およびチョークコイルを有し、前記出力された交流電圧を直流電圧に変換するカレントダブラ型の同期整流回路と、を備え、前記圧電トランスの1次側の静電容量をC、前記圧電トランスの駆動周波数をfとするとき、前記駆動回路が有するチョークコイルのインダクタンス容量Lは、以下の式を満たすことを特徴としている。
このように、最適な仕様の圧電トランスとマッチングが採られたインダクタンス容量を有するチョークコイルを駆動回路に採用することにより、チョークコイルの機能についても効率を高めることができる。チョークコイルは、単一の巻線であって、印加される矩形波電圧を正弦波電圧に波形整形するフィルタ機能を実現するに足る小さなサイズでよい。これにより、強磁場の環境において特別な磁気遮蔽構造を採用することなく、設計時の所定の動作を維持しつつ装置の小型化軽量化を可能にする。 Thus, by adopting a choke coil having an inductance capacity matched with a piezoelectric transformer having an optimum specification for the drive circuit, the efficiency of the function of the choke coil can be increased. The choke coil is a single winding and may have a small size enough to realize a filter function for shaping the applied rectangular wave voltage into a sine wave voltage. Accordingly, it is possible to reduce the size and weight of the apparatus while maintaining a predetermined operation at the time of designing without adopting a special magnetic shielding structure in a strong magnetic field environment.
(6)また、本発明に係る直流低電圧電源装置は、スイッチング素子およびチョークコイルを有し、前記スイッチング素子の動作により直流入力電圧を交流電圧に変換する駆動回路と、前記変換された交流電圧が入力されることで駆動され、降圧された交流電圧を出力する圧電トランスと、スイッチング素子およびチョークコイルを有し、前記出力された交流電圧を直流電圧に変換するカレントダブラ型の整流回路と、を備え、出力電圧をVOUT、出力電流をIOUT、前記圧電トランスの駆動周波数をfとするとき、前記カレントダブラ型の同期整流回路が有するチョークコイルのインダクタンス容量Lは、以下の式を満たすことを特徴としている。
同期整流回路に用いるチョークコイルのリアクタンスは圧電トランスの出力インピーダンスと等しいとき、同期整流回路および圧電トランスは高効率で動作する。直流電圧電源の出力仕様および圧電トランスの出力インピーダンスに応じて、チョークコイルのリアクタンスは(π2/2)(VOUT/IOUT)の近傍であることが望ましく、同期整流回路のチョークコイルのインダクタンス容量Lは(π/4f)(VOUT/IOUT)の近傍が望ましい。したがって、チョークコイルのインダクタンス値が上式の範囲にあるとき、高い電源効率を得ることができる。When the reactance of the choke coil used in the synchronous rectifier circuit is equal to the output impedance of the piezoelectric transformer, the synchronous rectifier circuit and the piezoelectric transformer operate with high efficiency. Depending on the output impedance of the output specifications and the piezoelectric transformer of the DC voltage source, it is desirable reactance of the choke coil is in the vicinity of (π 2/2) (V OUT / I OUT), the choke coil of the synchronous rectification circuit inductance The capacitance L is preferably in the vicinity of (π / 4f) (V OUT / I OUT ). Therefore, high power supply efficiency can be obtained when the inductance value of the choke coil is in the range of the above equation.
(7)また、本発明に係る直流低電圧電源装置は、前記駆動回路が有するチョークコイルは空芯コイルであることを特徴としている。このように直流低電圧電源装置は、空芯コイルを用いることにより印加される矩形波電圧を正弦波電圧に波形整形することができる。空芯コイルはフィルタ機能を実現するに足る小さなサイズで良い。 (7) Moreover, the DC low-voltage power supply device according to the present invention is characterized in that the choke coil included in the drive circuit is an air-core coil. As described above, the DC low-voltage power supply device can shape the rectangular wave voltage applied to the sine wave voltage by using the air-core coil. The air core coil may be small enough to realize the filter function.
本発明によれば、圧電トランスの仕様が直流低電圧電源装置の負荷の仕様に適合しているため、圧電トランスによる降圧の効率を高くし、直流低電圧電源装置の電源効率を高くすることができる。 According to the present invention, since the specification of the piezoelectric transformer conforms to the load specification of the DC low-voltage power supply device, the step-down efficiency by the piezoelectric transformer can be increased and the power supply efficiency of the DC low-voltage power supply device can be increased. it can.
100 直流低電圧電源装置
110 駆動回路
111、112 スイッチング素子
117 チョークコイル
120 圧電トランス
130 同期整流回路
131、132 スイッチング素子
136、137 チョークコイル
140 負荷
150、155 検出用抵抗
160 誤差アンプ
170 電圧制御発振回路
C 圧電トランスの1次側の静電容量
C2 圧電トランスの2次側の静電容量
f 駆動周波数
IOPT 入力電流
IOUT 出力電流
L インダクタンス容量
RL 抵抗
VIN 入力電圧
VOUT 出力電圧
VIPT 圧電トランスへの入力電圧
VOPT 圧電トランスからの出力電圧
ZOPT 圧電トランスの出力インピーダンス
Vref 基準電圧DESCRIPTION OF
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In order to facilitate understanding of the description, the same reference numerals are given to the same components in the respective drawings, and duplicate descriptions are omitted.
(直流低電圧電源装置の構成)
図1は、直流低電圧電源装置100の構成を示す図である。図1に示すように、直流低電圧電源装置100は、駆動回路110、圧電トランス120、同期整流回路130、負荷140、検出用抵抗150、155、誤差アンプ160および電圧制御発振回路170を備えている。直流低電圧電源装置100は、たとえば入力段の整流回路と組み合わせてACアダプタとして用いられる。(Configuration of DC low-voltage power supply)
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a DC low-voltage
駆動回路110は、直流電圧から交流電圧を生成し、生成された交流電圧を圧電トランス120の入力部に印加する。交流電圧は、電圧制御発振回路170の発振信号に応じて生成される。駆動回路110は、2つのスイッチング素子111、112および1つのチョークコイル117を有し、ハーフブリッジ型の駆動回路として構成されている。駆動回路110は、電圧制御発振回路170からの発振信号を受けて、スイッチング素子111とスイッチング素子112とを交互にオン、オフすることにより圧電トランスの入力端子に正弦波の入力電圧を印加する。このようなスイッチング動作により直流電圧が矩形波上の交流電圧に変換される。なお、各スイッチング素子111、112には、たとえばMOSFETが用いられる。本発明では高効率で低電圧を得ることが重要であるため、スイッチング素子111、112は、スイッチング素子が持つ寄生容量が小さくスイッチング速度の速いものであることが好ましい。また、電力損失を小さくするため、スイッチング素子111、112はオン抵抗の小さいものであることが好ましい。
The
圧電トランス120については共振振動を利用しているため、その形状に起因する共振周波数で駆動する必要がある。その共振周波数は、素子形状にもよるが大体100〜200kHzであり、商用周波数の50Hzや60Hzの交流電圧では当然ながら駆動できない。したがって、入力される交流電圧を一旦直流電圧に変換し、その直流電圧を圧電トランスの共振周波数に合わせた100〜200kHzの交流電圧に変換するスイッチング駆動回路が必要となる。
Since the
駆動回路110では、入力される直流電圧をFET等のスイッチング素子111、112をスイッチングすることで交流電圧を発生させている。チョークコイル117は、回路と圧電トランス120の整合をとり、圧電トランス120に入力される波形を正弦波状に波形整形している。チョークコイル117には、圧電トランス120の1次側の容量の周波数に合わせた特性を有するものが用いられる。チョークコイル117は空芯コイルとすることができる。ハーフブリッジ型の駆動回路110は、FETを2個、チョークコイルを1個有しており、部品点数が少ないため、実装面積やコストの面で有利である。
In the
また、プッシュプル型およびフルブリッジ型の駆動回路とは異なり、ハーフブリッジ型のものは降圧作用があり、降圧回路に適した駆動回路110である。ハーフブリッジ型の駆動回路を用いることにより、駆動回路110で電圧を降圧できればその分圧電トランスで降圧する必要がなくなる。また、駆動回路110としてフルブリッジ型、プッシュプル型およびハーフブリッジ型の中では、降圧作用を有するハーフブリッジ型の駆動回路110が好適である。また、上記の実施形態では駆動回路110としてフルブリッジ型の駆動回路またはプッシュプル型の駆動回路が用いられているが、その他の駆動回路を用いることも可能である。
Further, unlike the push-pull type and full-bridge type drive circuits, the half-bridge type has a step-down action and is a
チョークコイル117は、スイッチング素子111、112と圧電トランス120との間に接続されている。上記の矩形波電圧は、チョークコイル117および圧電トランス120の1次側の容量のフィルタ効果によりほぼ正弦波波形の交流電圧に変換され、圧電トランス120に入力される。ハーフブリッジ型の駆動回路の特性から、駆動回路110に入力される直流電圧をVINとしたとき、圧電トランス120に入力される交流電圧の実効値VIPTは(3/√2π)VINとなる。The
圧電トランス120の前段には、チョークコイル117が接続されている。チョークコイル117は、たとえば合成樹脂製のボビンに巻線コイルが巻かれた空芯チョークコイルであり、強磁場の環境での使用に適している。チョークコイル117は、圧電トランス120の効率の高い共振を実現すべく、圧電トランス120とのマッチングが採られている。チョークコイル117のインダクタンス容量Lは、圧電トランス120の1次側の静電容量Cに基づくマッチングした値であり、下の数式の関係を満足する。チョークコイル117は、補助昇圧機能を担うトランスではないため、単一の巻線であって、印加される矩形波電圧を正弦波電圧に波形整形するフィルタ機能を実現するに足る小さなサイズでよい。これにより、直流低電圧電源装置100は、強磁場の環境において特別な磁気遮蔽構造を採用することなく、設計時の所定の動作を維持しつつ装置の小型化軽量化を可能にする。
圧電トランス120には、たとえば平面形状を有し、厚み方向に分極された2枚の圧電セラミックス板が厚み方向で積層された形態のものを用いることができる。各圧電セラミックス板はその表裏面に電極を有し、一方の圧電セラミックス板が入力部であり、他方の圧電セラミックス板が出力部である。駆動回路110は、入力部を挟んで設けられた入力電極に接続されている。圧電トランス120は、入力電極に入力される交流電圧を降圧し、出力部を挟んで設けられた出力電極から降圧された交流電圧を出力する。圧電トランス120の出力インピーダンスは、その材料の誘電率や電極形状により調整可能であり、その昇圧比は積層数により調整可能である。圧電トランス120は、回路サイズを小型化し、液晶パネル等の小型化や軽量化を図るのに有効である。
As the
圧電トランス120の出力端子は、同期整流回路130に接続されている。圧電トランス120は、圧電体の振動により入力電圧を降圧して出力する。圧電トランス120には、たとえば一般的なローゼン型の圧電トランスを用いることができる。圧電トランス120は単層型であってもよいし、積層型であってもよい。圧電トランス120は、後述のように、その出力インピーダンスが(π2/8)(VOUT/IOUT)以上2π2(VOUT/IOUT)以下、その最大昇圧比が(π2/3)(VOUT/VIN)以上(2π2/3)(VOUT/VIN)以下となるように設計されていることが好ましい。なお、直流低電圧電源装置100の入力電圧をVIN、出力電圧をVOUTと表している。The output terminal of the
同期整流回路130は、カレントダブラ型の同期整流回路で、2つのスイッチング素子131、132および2つのチョークコイル136、137を有している。同期整流回路130は、これらのスイッチング素子131、132を使って電流の流れを切り替え、整流する。スイッチング素子131、132にはFETを用いることができる。圧電トランス120からの出力電圧、すなわち同期整流回路130への入力電圧の実効値をVOPT、同期整流回路130の出力電圧をVOUTとすると、この同期整流回路130での入出力の関係は理論的に次式で表される。
この式に示すようにカレントダブラ型の同期整流回路では降圧作用があり、その分だけ圧電トランス120で降圧する必要がなくなる。このようにして、圧電トランス120から出力される交流電圧を直流電圧に変換し、降圧する。
As shown in this equation, the current doubler type synchronous rectifier circuit has a step-down action, and it is not necessary to step down by the
整流回路には、ダイオードを用いるのが一般的であるが、ダイオードを用いた整流回路ではダイオードによる電圧降下が電力の損失となる。整流回路の出力電圧が10〜20V程度であり、約2Vのダイオードの電圧降下があれば、電圧降下により10〜20%の電力の損失が生じてしまう。そこで、本発明では同期整流方式の整流回路を採用し、ダイオードの代わりにスイッチング素子を用いて電流の流れをスイッチングで整流する。 A diode is generally used for the rectifier circuit, but in a rectifier circuit using a diode, a voltage drop due to the diode causes a loss of power. If the output voltage of the rectifier circuit is about 10 to 20 V and there is a voltage drop of the diode of about 2 V, a power loss of 10 to 20% occurs due to the voltage drop. Therefore, in the present invention, a synchronous rectification type rectifier circuit is adopted, and a current flow is rectified by switching using a switching element instead of a diode.
負荷140は、同期整流回路130の出力端子に接続されており、抵抗RLを有している。検出用抵抗150、155は、直流電源の出力電圧を検出するための抵抗である。このように、抵抗を用いることにより簡易に電圧検出回路を構成することができる。検出用抵抗150、155は、得られた電圧を検出信号として、誤差アンプ160に伝える。The
誤差アンプ160は、検出された電圧と基準電圧Vrefとの差に応じた差動信号を生成する。誤差アンプ160は、電圧制御発振回路170に接続され、電圧制御発振回路170に差動信号を伝える。電圧制御発振回路170は、差動信号を受けて発振信号の周波数またはデューティー比を制御する。電圧制御発振回路170は、発振信号を生成する。発振信号は、一定の周波数およびデューティー比を有する矩形波である。電圧制御発振回路170は、誤差アンプ160から出力される差動信号に応じた周波数またはデューティー比の発振信号を出力する。The
(圧電トランスの出力インピーダンス)
図2は、直流低電圧電源装置100の出力電圧および出力電流と圧電トランス120の出力インピーダンスとの関係を示す模式図である。圧電トランス120は、圧電トランス120の2次側の持つ出力インピーダンスZOPTと負荷140の抵抗RLとがマッチングしたとき、高い効率で動作する。圧電トランス120の出力電圧の実効値をVOPT、直流低電圧電源装置100の出力電圧をVOUTとすると、マッチングの条件下ではVOPT=(π/√2)VOUTの関係が成り立つ。(Output impedance of piezoelectric transformer)
FIG. 2 is a schematic diagram showing the relationship between the output voltage and output current of the DC low-voltage
また、圧電トランス120の出力電流をIOPTとし、直流低電圧電源装置100の出力電流をIOUTとすると、同期整流回路130で損失が無いと仮定した場合、電力保存則により、互いの値にはIOPT=(√2/π)IOUTの関係が成り立つ。直流低電圧電源装置100の出力電圧がVOUT、出力電流IOUTであるとき、カレントダブラ型の同期整流回路130の入力電圧、すなわち圧電トランス120の出力電圧VOPTは(π/√2)VOUTである。また、同期整流回路の損失を零と仮定した場合、同期整流回路の入力電流IOPTと直流低電圧電源装置の出力電流IOUTの関係は、電力保存則によりIOPT=(√2/π)IOUTとなる。この式により、圧電トランス120の最も効率の高い出力インピーダンスZOPTの仕様が得られる。Also, assuming that the output current of the
上記の関係から、圧電トランス120の出力側から同期整流回路130を見たときの等価負荷抵抗はVOPT/IOPT、すなわち(π2/2)(VOUT/IOUT)となる。この結果、圧電トランス120の出力インピーダンスを(π2/2)(VOUT/IOUT)になるように圧電トランス120を設計することが好ましいことが分かる。From the above relation, the equivalent load resistance looking into the
ただし、実際には効率の高い圧電トランス120の出力インピーダンスZOPTはある程度の幅を有している。後述の実験結果を考慮すると、圧電トランス120の出力インピーダンスZOPTを以下の数式を満たす範囲とするのが好ましい。これにより、直流低電圧電源装置100は高い効率で動作する。なお、以下の式は、駆動回路110の種類によらず適用可能である。
一方、駆動周波数をf、圧電トランス120の2次側の容量をC2とすると、圧電トランス120の出力インピーダンスはZOPT=1/2πfC2で与えられる。駆動周波数fには、圧電トランス120の共振周波数が用いられる。たとえば、圧電トランス120が円板状の圧電セラミックス板を積層したものである場合には、径広がり振動モードの共振周波数が、正方体の圧電セラミックス板を積層したものである場合には、輪郭広がり振動モードの共振周波数が用いられる。それぞれの場合には、半波長で振動するλ/2モードの他に、1波長で振動するλモードがあるが、一般的にはλ/2モードが共振モードとして使用される。したがって、平面形状を有し、厚み方向に分極された2枚の圧電セラミックス板が厚み方向で積層された形態の圧電トランス120を設計する際には、各圧電セラミックス板の分極軸に垂直な面方向の大きさを調整することで上記のfを制御することができる。また、圧電トランス120の2次側の静電容量C2は、圧電トランス120に用いられる圧電材料、圧電トランス120の電極間距離および電極面積により値が決まる。したがって、これらを制御することで容量C2を制御することができる。On the other hand, the driving frequency f, and the capacitance of the secondary side of
(圧電トランスの昇圧比)
ハーフブリッジ型の駆動回路110では入力される差動信号によりスイッチング動作が行われ、それにより直流電圧が矩形波上の交流電圧に変換される。さらに、駆動回路110のチョークコイル117と圧電トランス120の1次側の容量によるフィルタ効果により矩形波電圧はほぼ正弦波波形の交流電圧に変換され、圧電トランス120に入力される。このとき、ハーフブリッジ型の駆動回路110に入力される直流電圧をVINとしたとき、圧電トランスに入力される交流電圧VIPTの実効値は(3/√2π)VINとなる。(Pressure ratio of piezoelectric transformer)
In the half-bridge
一方、直流低電圧電源装置100の出力電圧がVOUTであるとき、同期整流回路130の特性からVOUTの直流電圧を出力するのに必要な圧電トランス120の出力電圧VOPTの実効値は(π/√2)VOUTである。したがって、圧電トランス120に(π2/2)(VOUT/IOUT)の負荷抵抗を接続したとき、圧電トランス120に必要な最大昇圧比Av(=VOPT/VIPT)は、(π2/3)(VOUT/VIN)である。図3は、直流低電圧電源装置100の入力電圧および出力電圧と圧電トランス120の入力電圧および出力電圧との関係を示す模式図である。On the other hand, when the output voltage of the DC low-voltage
ただし、実際には効率を高く維持できる圧電トランス120の昇圧比の範囲はある程度の幅を有している。後述の実験結果を考慮すると、圧電トランス120の最大昇圧比Avを以下の数式を満たす範囲として圧電トランス120を設計するのが好ましい。
(チョークコイルのインダクタンス容量)
同期整流回路130に用いるチョークコイル136、137のリアクタンスが圧電トランス120の出力インピーダンスと等しいとき、同期整流回路130および圧電トランス120は高効率で動作する。ここで、直流低電圧電源装置100の出力電圧がVOUT、出力電流がIOUTであるとき、圧電トランス120の出力インピーダンスは(π2/2)(VOUT/IOUT)である。チョークコイル136、137のリアクタンスは(π2/2)(VOUT/IOUT)周辺であることが好ましい。したがって、この関係より、好適な同期整流回路のチョークコイルのインダクタンス容量はL=(π/4f)(VOUT/IOUT)と求まる。実際に、チョークコイルのインダクタンス値をこの近傍で変えて効率を測定したところ、下式の範囲で、高い電源効率を示した。なお、fは駆動周波数である。
When the reactance of the choke coils 136 and 137 used in the
(直流低電圧電源装置の動作)
次に、上記のように構成される直流低電圧電源装置100の動作を以下に説明する。まず、駆動回路110に電圧制御発振回路170から発振信号が伝えられる。そして、駆動回路110は、発振信号によりスイッチング素子111、112のオン、オフにより圧電トランス120に正弦波電圧を出力する。一般的には、圧電トランス120の駆動周波数をλ/2モードとする。(Operation of DC low voltage power supply)
Next, the operation of the DC low-voltage
この正弦波電圧により、圧電トランス120が駆動される。同期整流回路130は、圧電トランス120から入力される交流電圧を整流し、直流電圧として出力する。負荷140には、低圧の直流電圧が出力される。検出用抵抗150、155は、負荷140に印加される出力電圧(管電圧)を電圧として検出する。誤差アンプ160は、その検出電圧と基準電圧Vrefとを比較し、その比較結果の差分を増幅し、差分に応じた差動信号を生成する。The
電圧制御発振回路170は、誤差アンプ160から伝えられる差動信号に応じた周波数またはデューティー比の発振信号を出力する。発振信号としての矩形波の信号を駆動回路110のスイッチング素子111、112に対して伝える。このようにして、直流低電圧電源装置100は高い電源効率で負荷140に直流低電圧を出力する。
The voltage controlled
直流低電圧電源装置100に対して、効率の高い圧電トランス120の出力インピーダンスを求める実験を行った。直流低電圧電源装置100の出力電圧VOUTを10V、出力電流IOUTを1Aとし、出力インピーダンスを50ohmに設計した圧電トランスを用いて、負荷140の抵抗RLを1ohm〜100ohm程度で変えて実験を行った。An experiment for obtaining the output impedance of the
その結果、負荷140の抵抗が2.5ohm以上40ohm以下の範囲では、95%以上の電源効率(極大点に対する相対値)が得られた。図4は、実験結果を示すグラフである。電源効率として95%以上が得られる範囲とすることにより、圧電トランス120の過熱を防止することができる。
As a result, in the range where the resistance of the
上記の結果を言い換えると、負荷140の抵抗10ohmに対しその1/4倍以上4倍以下の範囲で高い効率を示している。したがって、VOUT/IOUTの負荷条件に対し、直流低電圧電源装置100に使用する圧電トランス120の出力インピーダンスを(π2/8)(VOUT/IOUT)以上2π2(VOUT/IOUT)以下になるように設計することが好ましいことが実証された。In other words, the efficiency is high in a range from 1/4 to 4 times the
たとえば、出力電圧が10V、出力電流が1Aの直流低電圧電源装置には、出力インピーダンスが50ohmの圧電トランスが最適であり、また直流電源を高い効率にするにはその1/4から4倍程度の出力インピーダンス12.5〜200ohmを有する圧電トラ
ンスを用いることが好適である。For example, a piezoelectric transformer with an output impedance of 50 ohms is optimal for a DC low-voltage power supply device with an output voltage of 10 V and an output current of 1 A, and about 1/4 to 4 times the DC power supply for high efficiency. It is preferable to use a piezoelectric transformer having an output impedance of 12.5 to 200 ohms.
また、直流低電圧電源装置100に対して、効率の高い圧電トランス120の最大昇圧比を求める実験を行った。実験では、誤差アンプ160からの制御信号により周波数を可変する電圧制御発振回路170を用いた。同期整流回路130には、2つのスイッチング素子131、132と2つのチョークコイル136、137を有する同期整流回路を使用した。条件として、入力電圧VINを48V、出力電圧VOUTを10V、とした。図5は、実験結果を示すグラフである。最大昇圧比が約0.6倍より小さい圧電トランス120では昇圧比が足らず動作しなかった。また、最大昇圧比が1.2倍より大きい圧電トランス120を使用した場合は昇圧比が1.0倍の圧電トランス120を用いた場合に比べ電源効率が5%以上低下した。これは、圧電トランス120が駆動される周波数とその固有の周波数との差が大きくなることに起因する。
In addition, an experiment was performed on the DC low-voltage
これらの結果をまとめると、最大効率を示す圧電トランス120の最大昇圧比は最低限必要な昇圧比の約1.4〜1.5倍である。そして、圧電トランス120の最大昇圧比が最低限必要な昇圧比の約2倍を超えると、圧電トランス120は固有の周波数よりも高周波側で駆動されるようになるために、電源効率が低下する。したがって、高い効率で動作可能な直流低電圧電源装置100を実現するには、最大昇圧比が(π2/3)(VOUT/VIN)以上(2π2/3)(VOUT/VIN)以下の圧電トランス120を用いることが好ましいということが実証された。To summarize these results, the maximum step-up ratio of the
また、直流低電圧電源装置100に対して、同期整流回路130に用いるチョークコイル136、137のインダクタンス容量を求める実験を行った。出力電圧VOUT=10V、出力電流IOUT=1Aにおける同期整流回路130に用いるチョークコイルのインダクタンスを22uH〜270uHで変えて電源効率(相対値)を測定した。共振周波数が130kHzの圧電トランス120を使用した。図6は、実験結果を示す図である。図6に示すように、33uH以上220uH以下では95%以上の効率を示しており、これより直流電源の効率を高くするには(π/8f)(VOUT/IOUT)以上(π/f)(VOUT/IOUT)以下を維持する必要があることが判明した。In addition, an experiment was performed on the DC low-voltage
同期整流回路130に用いるチョークコイル136、137のリアクタンスが圧電トランス120の出力インピーダンスと等しいとき、同期整流回路130および圧電トランス120は高効率で動作する。ここで、直流電圧電源の出力仕様(VOUT、IOUT)であるとき、圧電トランス120の出力インピーダンスは(π2/2)(VOUT/IOUT)である。したがって、チョークコイル136、137のリアクタンスは(π2/2)(VOUT/IOUT)の近傍であることが望ましいと言える。したがって、この関係より、同期整流回路130のチョークコイルのインダクタンス容量はL=(π/4f)(VOUT/IOUT)と求まる。実際に、チョークコイルのインダクタンス値をこの近傍で変えて効率を測定したところ、(π/8f)(VOUT/IOUT)以上(π/f)(VOUT/IOUT)以下で、高い電源効率を示した。
When the reactance of the choke coils 136 and 137 used in the
Claims (5)
前記変換された交流電圧が入力されることで駆動され、降圧された交流電圧を出力する圧電トランスと、
スイッチング素子およびチョークコイルを有し、前記出力された交流電圧を直流電圧に変換するカレントダブラ型の同期整流回路と、を備え、
出力電圧をVOUT、出力電流をIOUTとするとき、前記圧電トランスの出力インピーダンスZOPTは、以下の式を満たすことを特徴とする直流低電圧電源装置。
A piezoelectric transformer that is driven by input of the converted AC voltage and outputs a reduced AC voltage;
A current doubler type synchronous rectifier circuit that has a switching element and a choke coil, and converts the output AC voltage into a DC voltage;
A DC low-voltage power supply apparatus characterized in that when the output voltage is V OUT and the output current is I OUT , the output impedance Z OPT of the piezoelectric transformer satisfies the following expression.
前記変換された交流電圧が入力されることで駆動され、降圧された交流電圧を出力する圧電トランスと、
スイッチング素子およびチョークコイルを有し、前記出力された交流電圧を直流電圧に変換するカレントダブラ型の同期整流回路と、を備え、
入力電圧をVIN、出力電圧をVOUT、出力電流をIOUTとするとき、
圧電トランスに(π2/2)(VOUT/IOUT)の負荷抵抗を接続するときの最大昇圧比Avが以下の式を満たすことを特徴とする直流低電圧電源装置。
A piezoelectric transformer that is driven by input of the converted AC voltage and outputs a reduced AC voltage;
A current doubler type synchronous rectifier circuit that has a switching element and a choke coil, and converts the output AC voltage into a DC voltage;
When the input voltage is V IN , the output voltage is V OUT , and the output current is I OUT ,
Piezoelectric transformer (π 2/2) (V OUT / I OUT) up to the step-up ratio Av DC low voltage power supply and satisfies the following expression when connecting the load resistor.
前記変換された交流電圧が入力されることで駆動され、降圧された交流電圧を出力する圧電トランスと、
スイッチング素子およびチョークコイルを有し、前記出力された交流電圧を直流電圧に変換するカレントダブラ型の同期整流回路と、を備え、
前記圧電トランスの1次側の静電容量をC、前記圧電トランスの駆動周波数をfとするとき、前記駆動回路が有するチョークコイルのインダクタンス容量Lは、以下の式を満たすことを特徴とする直流低電圧電源装置。
A piezoelectric transformer that is driven by input of the converted AC voltage and outputs a reduced AC voltage;
A current doubler type synchronous rectifier circuit that has a switching element and a choke coil, and converts the output AC voltage into a DC voltage;
When the capacitance on the primary side of the piezoelectric transformer is C and the drive frequency of the piezoelectric transformer is f, the inductance capacity L of the choke coil included in the drive circuit satisfies the following equation: Low voltage power supply.
前記変換された交流電圧が入力されることで駆動され、降圧された交流電圧を出力する圧電トランスと、
スイッチング素子およびチョークコイルを有し、前記出力された交流電圧を直流電圧に変換するカレントダブラ型の整流回路と、を備え、
出力電圧をVOUT、出力電流をIOUT、前記圧電トランスの駆動周波数をfとするとき、前記カレントダブラ型の同期整流回路が有するチョークコイルのインダクタンス容量Lは、以下の式を満たすことを特徴とする直流低電圧電源装置。
A piezoelectric transformer that is driven by input of the converted AC voltage and outputs a reduced AC voltage;
A current doubler type rectifier circuit that has a switching element and a choke coil, and converts the output AC voltage into a DC voltage;
When an output voltage is V OUT , an output current is I OUT , and a driving frequency of the piezoelectric transformer is f, an inductance capacity L of a choke coil included in the current doubler type synchronous rectifier circuit satisfies the following equation: DC low voltage power supply.
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