JP5681493B2 - 電子パワーコンバータ及び電子パワーコンバータを作成する方法 - Google Patents
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Description
共振コンバータの一般的な特徴は、開ループ(open-loop)ゲインが励振周波数(excitation frequency),機械的減衰,誘電損失および電気的負荷の関数であるということである。図1の圧電トランスの等価回路に基づいて、機械的減衰が損失抵抗Rによって表され、誘電損失がRd1,Rd2によりモデル化されている。
ゲインに関して、圧電トランスの開ループ効率は、励振周波数,機械的減衰,誘電損失,および電気的負荷の関数である。誘電損失および機械的減衰は装置特有のパラメータと考えられ、励振周波数のみが電気的負荷と共に、与えられたトランスに対して変えることができる。
さらに、励磁周波数ωは、共振周波数ωrによって近似できる。
電力コンバータの効率と電力密度を最適化するという目的により、焦点は、圧電トランス自体の上のみならず周辺電子回路の形態の上にもある。電力回路が1つ以上の補助磁気要素に依存するか、又は制御技術が圧電トランス又は電力回路に最適でない作動条件を要求する場合には、効率のよいトランスは効率のよい電力コンバータと同等ではない。この発明は、最新技術の電力回路のための設計交換条件に基づくものであり、遭遇される問題の一般的な説明が行われる。
この形態は、その単純性が好ましく、一般的にステップアップCCFLバラストコンバータに使用される。安定状態モード(システムの時定数よりも長い時間における状態)において、インダクタに蓄えられた無効(reactive)エネルギーは、電力スイッチをソフトスイッチングモードで作動させ、スイッチング損失を最小にすることができる。インダクタの両端の電圧−第2バランスが満たされなければならない場合には、スイッチング要素の両端のピーク電圧は、供給電圧Vccの4倍のオーダーにある。スイッチング要素に課せられる高いストレスは、誘導損失上の負の衝撃を有する。すべての型のスイッチング要素、とくに100kHzより高いスイッチングに最も適したMOSFETに対して、装置のブレークダウン電圧とON抵抗との間で折り合いがつけられる。与えられたダイ領域(die-area)に対して、ON抵抗はブレークダウン電圧の2乗だけ増大する。
並列インダクタ形態について、ゼロボルトスイッチングは、正しい作動条件の基で達成される。一般的にこれは、トランスの入力容量に整合した完全なインピーダンスを有するインダクタを備えることを意味する。さらに小さい又は大きいインダクタ値を使用することができるが、そのインダクタ値は一般的に循環電流による伝導損失の増大を要求したり、電力回路のソフトスイッチング能力を制限したりする。
閉ループ(closed-loop)制御回路の目的は、異なる出力電力レベルや入力電圧のような異なる作動条件のもとで一定の出力電圧を保証することである。さらに、圧電トランスのゲインは、図2に示すように負荷と励振周波数に著しく依存するので、十分考慮しなければならない。負荷が変化したときに、圧電トランスのゲインを制御するいくつかの閉ループ制御技術がある。周波数変調(FM),パルス幅変調(PWM),およびバーストモード変調(BMM)として一般に知られた全般的に3つの基本的に異なるタイプの変調がある。他の変調技術は、通常これら3つのタイプから引出され、例えばFM+PWMの組合せが報告されている。電力回路は変調なしで作動させることができる。例えば、ランプバラストの用途において、非調整電力回路は、圧電トランスの負荷依存ゲインがランプを点火するために利用できるという利点を有する。
さらに、圧電トランスは、その厚さモード(thickness mode)においてそのエネルギーの主な部分を伝達し、同時に、第2電極の体積を、第1電極の体積よりも少なくとも13%、例えば、少なくとも15%、少なくとも20%、少なくとも30%、又は少なくとも35%大きくすることによって、どのような負荷インピーダンスに対しても完全ゼロボルトスイッチング条件を満たすように適合することができる。
Claims (22)
- 入出力ポートを備える圧電トランス、バースト周波数と実質的に一定の励振周波数とを有する入力電圧信号を電源電圧Vccから生成して圧電トランスの入力ポートへ供給するように配置された駆動回路、圧電トランスの出力ポートに作動的に結合される入力ポートと負荷に出力電圧Voutを供給するように適合される出力ポートとを備える整流器モジュールを備え、励振周波数が圧電トランスの基本共振周波数より高く、励振周波数は、閉ループバーストモード動作下の等価負荷抵抗Reqが圧電トランスの出力インピーダンスに整合して圧電トランスにおける電力損失を最小にするように、複数の励振周波数の中から選択され、選択された励振周波数は、圧電トランスのゼロボルトスイッチング能力を考慮した最適の励振周波数範囲内にあり、圧電トランスがどのような負荷インピーダンスに対しても完全にゼロボルトスイッチングするように適合され、圧電トランスの等価出力キャパシタンスCd2が、変換比nの2乗倍の等価入力キャパシタンスCd1より少なくとも13%大きい電子パワーコンバータ。
- バースト周波数が励振周波数より低い請求項1記載の電子パワーコンバータ。
- バースト周波数が所定の周波数範囲内で可変である請求項1又は2記載の電子パワーコンバータ。
- 圧電トランスの入力ポートに直接接続される1つ以上の制御可能な励振スイッチをさらに備える請求項1〜3のいずれか1つに記載の電子パワーコンバータ。
- 圧電トランスはその厚さモードにおいてエネルギーの主部分を伝達するように適合され、いかなる負荷インピーダンスに対しても完全にゼロボルトスイッチングを行う条件が、2次電極の体積を1次電極の体積より少なくとも13%大きくすることによって満たされる請求項1〜4のいずれか1つに記載の電子パワーコンバータ。
- 圧電トランスは半径モードにおいてエネルギーの主部分を伝達するように適合され、いかなる負荷インピーダンスに対しても完全にゼロボルトスイッチングを行う条件が、1次電極の体積を2次電極の体積より少なくとも13%大きくすることによって満たされる請求項1〜4のいずれか1つに記載の電子パワーコンバータ。
- 駆動回路は、第1および第2制御可能励振スイッチを備えるハーフブリッジ電力回路を備える請求項1〜6のいずれか1つに記載の電子パワーコンバータ。
- 駆動回路は、第1,第2,第3および第4制御可能励振スイッチを備えるフルブリッジ電力回路を備える請求項1〜6のいずれか1つに記載の電子パワーコンバータ。
- 制御可能励振スイッチの各々は、電界効果トランジスタからなる請求項7又は8記載の電子パワーコンバータ。
- 圧電トランスがリング形圧電トランスである請求項1〜9のいずれか1つに記載の電子パワーコンバータ。
- 入出力ポートを備える圧電トランスを設け、バースト周波数と実質的に一定の励振周波数とを有する入力電圧信号を電源電圧Vccから生成して圧電トランスの入力ポートへ供給するように配置された駆動回路を設け、圧電トランスの出力ポートに作動的に結合されるようになっている入力ポートと負荷に出力電圧Voutを供給するように適合される出力ポートとを備える整流器モジュールを設け、励振周波数を、閉ループバーストモード動作下の等価負荷抵抗Reqが圧電トランスの出力インピーダンスに整合して圧電トランスにおける電力損失を最小にするように、複数の励振周波数の中から選択し、選択された励振周波数は、圧電トランスのゼロボルトスイッチング能力を考慮した最適の励振周波数範囲内にあり、圧電トランスがどのような負荷インピーダンスに対しても完全にゼロボルトスイッチングするように適合され、圧電トランスの等価出力キャパシタンスCd2が、変換比nの2乗倍の等価入力キャパシタンスCd1より少なくとも13%大きい電子パワーコンバータを作成する方法。
- バースト周波数が励振周波数より低い請求項11記載の電子パワーコンバータを作成する方法。
- バースト周波数が所定の周波数範囲内で可変である請求項11又は12記載の電子パワーコンバータを作成する方法。
- 1つ以上の制御可能な励振スイッチが、圧電トランスの入力ポートに直接接続される請求項11〜13のいずれか1つに記載の電子パワーコンバータを作成する方法。
- 圧電トランスはその厚さモードにおいてエネルギーの主部分を伝達するように適合され、いかなる負荷インピーダンスに対しても完全にゼロボルトスイッチングを行う条件が、2次電極の体積を1次電極の体積より少なくとも13%大きくすることによって満たされる請求項11〜14のいずれか1つに記載の電子パワーコンバータを作成する方法。
- 圧電トランスは半径モードにおいてエネルギーの主部分を伝達するように適合され、いかなる負荷インピーダンスに対しても完全にゼロボルトスイッチングを行う条件が、2次電極の体積を1次電極の体積より少なくとも13%大きくすることによって満たされる請求項11〜14のいずれか1つに記載の電子パワーコンバータを作成する方法。
- 励振周波数が圧電トランスの基本共振周波数よりも高い請求項11〜16のいずれか1つに記載の電子パワーコンバータを作成する方法。
- 駆動回路は、入力電圧信号を圧電トランスの入力ポートに直接供給する請求項11〜17のいずれか1つに記載の電子パワーコンバータを作成する方法。
- 駆動回路は、第1および第2制御可能励振スイッチを備えるハーフブリッジ電力回路を備える請求項11〜18のいずれか1つに記載の電子パワーコンバータを作成する方法。
- 駆動回路は、第1,第2,第3および第4制御可能励振スイッチを備えるフルブリッジ電力回路を備える請求項11〜18のいずれか1つに記載の電子パワーコンバータを作成する方法。
- 制御可能励振スイッチの各々は、電界効果トランジスタからなる請求項19又は20記載の電子パワーコンバータを作成する方法。
- 圧電トランスがリング形圧電トランスである請求項11〜21のいずれか1つに記載の電子パワーコンバータを作成する方法。
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