JPH08340680A - 電力変換装置 - Google Patents

電力変換装置

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JPH08340680A
JPH08340680A JP7145792A JP14579295A JPH08340680A JP H08340680 A JPH08340680 A JP H08340680A JP 7145792 A JP7145792 A JP 7145792A JP 14579295 A JP14579295 A JP 14579295A JP H08340680 A JPH08340680 A JP H08340680A
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JP
Japan
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piezoelectric transformer
voltage
inductor
input
output
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JP7145792A
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English (en)
Inventor
Toru Abe
徹 阿部
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Proterial Ltd
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Hitachi Metals Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧電トランスへの印加電圧に直流分を含まな
いようにして、電極に用いられている銀にマイグレーシ
ョンが発生しないようにする。 【構成】 直流入力電源と、前記直流入力電源と一端が
接続されるインダクタと、前記インダクタの他端と接続
される逆方向ダイオードを持つスイッチ手段と、前記イ
ンダクタに並列接続される圧電トランスと、前記スイッ
チ手段の駆動・発振手段とを備えたことを特徴とする電
力変換装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば液晶ディスプレ
イのバックライトインバータやDC−DCコンバータに
用いられる電力変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に、液晶ディスプレイにあっては液
晶自身が発光しないことから液晶表示体の背面や側面に
冷陰極管等の放電管を配置するバックライト方式が主流
となっている。
【0003】この放電管を駆動するためには、これ自体
の長さや直径にもよるが数100ボルト以上の交流高電
圧が要求される。この交流高電圧を発生させる方法とし
て圧電トランスを用いたインバータが特開平5−114
492号公報に示されている。圧電トランスは構造が非
常に簡素であるため小型・薄型化、低コスト化が可能で
ある。この圧電トランスの原理と特徴は学献社発行の専
門誌「エレクトロニク・セラミクス」1971年7月号
の「圧電トランスの特性とその応用」に示されている。
【0004】1956年に米国のC.A.Rosenが発
表したローゼン型圧電トランスを図9に示す。図9を参
照してこのローゼン型圧電トランスの原理を説明する
と、2は例えばチタン酸ジルコン酸鉛系(PZT)より
なる板状の圧電セラミックス素子であり、このセラミッ
ク素子の図中左半分の上下面に例えば銀焼付けなどによ
り設けられた入力電極4、5の対を形成し、右側端面に
も同様な方法で出力電極6を形成する。そして、セラミ
ック素子2の左半分の駆動部は厚み方向に、右半分の発
電部は長手方向に予め分極処理を行っておく。
【0005】このように形成された圧電トランスにおい
て、入力電極4、5間に交流電圧源8よりセラミック素
子2の長さ方向の固有共振周波数とほぼ同じ周波数の交
流電圧を印加するとこのセラミック素子2は長手方向に
強い機械振動を生じ、これにより右半分の発電部では圧
電効果により電荷が発生し、出力電極6と入力電極の一
方、例えば入力電極5との間に出力電圧VOが生ずる。
この圧電トランスの共振周波数近傍における等価回路を
図14に示す。このようにLC直列共振回路を有してい
るため昇圧比は駆動周波数で大きく変わる。
【0006】図10は他のタイプの積層型圧電トランス
の斜視図である。この積層型圧電トランスの作製方法
は、PZT系セラミックスのグリーンシートをドクタブ
レード法により作製し、このグリーンシート上の一部に
スクリーン印刷法を用いて内部電極(入力の内部電極)
57、58を印刷し、このシートを積層圧着して焼結す
る。その後、切断、研磨を行い、銀焼付けにより入力の
外部電極51、52と出力電極55を設け、内部電極5
7を外部電極51と接続し、内部電極58を反対側の外
部電極52と接続する。この時、内部電極57と外部電
極52及び内部電極58と外部電極51の接触を防ぐた
め、絶縁層59をこれらの電極の間に設ける。駆動部の
厚み方向と発電部の長手方向の分極処理を行い積層型圧
電トランスが完成する。積層構造とした積層型圧電トラ
ンスは昇圧比が大きいため、低入力電圧に対応できる。
【0007】図11は駆動部、発電部共に圧電横効果を
利用した他のタイプの積層型圧電トランスの斜視図であ
る。この横効果積層型圧電トランスの作製方法は前述の
積層型圧電トランスと同様であるが、発電部の構造がこ
れまでの例とは異なり、出力電極55、56をセラミッ
クス板の幅方向側面に設けて分極も幅方向に施されてい
る。この圧電トランスは入力と出力を分離でき、さらに
出力電極を最も振動の大きい長手方向端面から避けるこ
とができるので出力電極の信頼性を向上できる。
【0008】前述したような種々の圧電トランスを使っ
た電力変換回路の例を図12に示す。この回路はインダ
クタ30、MOS型電界効果トランジスタ(以下MOS
FETと記す、逆方向ダイオードを内蔵する)21、圧
電トランス50により、E級増幅回路が構成されてい
る。E級増幅回路は1975年に米国のN.O.Sok
alらにより提案されたもので、この回路はコロナ社発
行 原田耕介著「スイッチングコンバータの基礎」の1
32ページから135ページに説明されているように、
最適E級動作または準E級動作を行う。図12の回路で
は、圧電トランス50をその固有共振周波数近傍で駆動
・制御部10とMOSFET21で駆動して、出力電圧
Oを発生させている。ここで圧電トランス50の入力
電圧V3は、インダクタ30のインダクタンスL1とMO
SFET21の出力静電容量COS、圧電トランス50の
入力静電容量C01による共振により、図13のように半
波正弦波状となる。このため、MOSFET21のスイ
ッチング損失が少なくなり、良好な効率が得られるが、
半波正弦波には直流分が含まれるため、圧電トランスの
入力電極間に直流電圧が印加される。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】前述のように圧電トラ
ンスの電極には銀が用いられているが、図12の回路構
成では圧電トランスへの印加電圧に直流分が含まれてい
るため、マイグレーションが発生して絶縁性が劣化する
問題点が生じた。
【0010】本発明は、以上のような問題点に着目し、
これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明
の目的は、圧電トランスの入力電圧から直流分を除いた
電力変換装置を提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記問題点を
解決するために、直流入力電源と、前記直流入力電源と
一端が接続されるインダクタと、前記インダクタの他端
と接続される逆方向ダイオードを持つスイッチ手段と、
前記インダクタに並列接続される圧電トランスと、前記
スイッチ手段の駆動・発振手段とを備えた電力変換装置
である。
【0012】
【作用】本発明は以上のように、直流に対するインピー
ダンスが零であるインダクタと圧電トランスの入力が並
列に接続されているため、直流分は短絡され、圧電トラ
ンスへの印加電圧は交流分のみとなる。従って、圧電ト
ランスの電極に比較的安価な銀ペーストを用いてもマイ
グレーションは発生しない。
【0013】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。 (実施例1)図1は本発明に係る電力変換装置の実施例
を示す回路図である。本実施例では、圧電トランス50
とインダクタ30が並列に接続されている。このため、
圧電トランスへの印加電圧V3は、図2のように共振に
より一部が正弦波状である正負非対称波形となるが、直
流分はない。これは直流に対するインピーダンスが零で
あるインダクタと圧電トランスの入力が並列に接続され
ているため、直流分は短絡され、印加電圧V3は交流分
のみとなる。また、インダクタ30のインダクタンスL
1とMOSFET20の出力静電容量COS、圧電トラン
ス50の入力静電容量C01による共振により、印加電圧
3は一部が正弦波状となることから高調波成分が少な
く、圧電トランス50を高効率で駆動できる。さらに、
インダクタ30或いはMOSFETと並列にキャパシタ
を接続して印加電圧V3の共振部分を調整することがで
きる。
【0014】(実施例2)本発明に係るバックライトイ
ンバータの実施例の回路図を図3に示す。液晶ディスプ
レイのバックライトに用いられる冷陰極管60を発光さ
せるために圧電トランス50をその固有共振周波数近傍
で駆動・制御部10とMOSFET21で駆動して高周
波高電圧を得ている。入力電圧V1が50[V]程度の
比較的高い電圧であれば、圧電トランス50は図9に示
した単板セラミックス素子のものを用いるが、電池入力
などの低電圧では図10に示した積層型圧電トランスを
用いる。さらに圧電トランスの振動が大きく、出力電極
とリード線の接続の信頼性に問題がある場合は図11に
示した横効果積層型圧電トランスを用いる。
【0015】液晶バックライトでは冷陰極管60に流れ
る電流を制御してディスプレイ面の輝度を調整すること
が要求される。圧電トランスの出力制御法には入力電圧
を調整する方法以外に圧電トランスの周波数特性を利用
した駆動周波数を調整する方法がある。図4は冷陰極管
負荷時の圧電トランス出力電流の周波数特性である。こ
のように圧電トランスは共振特性を持つため、共振周波
数fr近傍の周波数で出力を制御できる。冷陰極管負荷
時では共振周波数frの左側(低周波側)と右側(高周
波側)では非対称となり、ここでは傾斜の緩やかな高周
波側を制御に用いた。図5は駆動周波数を可変する圧電
トランスの出力制御法の実施例を示す回路図である。出
力電流検出部70により出力電流IOを検出し、この検
出電圧に基づき周波数可変部80で駆動周波数を可変
し、駆動部11を介して主スイッチであるMOSFET
21を駆動している。
【0016】(実施例3)図6は入力電圧を調整して出
力制御を行う実施例を示す回路図である。出力電流検出
部70により出力電流IOを検出し、この検出電圧に基
づき前段電圧制御部90が圧電インバータへの供給電圧
2を調整している。前段電圧制御部は公知技術である
降圧型、昇圧型、反転型などのチョッパー制御或いはド
ロッパー制御を用いて、供給電圧V2を制御する。
【0017】(実施例4)図7は入力電圧V1が大きく
変動する場合の実施例を示す回路図であり、前段電圧制
御部90が圧電インバータへの供給電圧V2を一定に調
整している。出力電流制御は図5の実施例と同様に周波
数可変で行っている。
【0018】(実施例5)前述の出力制御方法は電子機
器に直流電圧を供給するDC−DCコンバータにも適用
できる。図8は本発明に係る電力変換装置をDC−DC
コンバータに用いた場合の実施例を示す回路図で、圧電
トランスの交流出力を整流ダイオード110と平滑コン
デンサ120で直流に変換している。出力電圧検出部7
1により直流出力電圧VODを検出し、この検出電圧に基
づき周波数可変部80で駆動周波数を可変し、駆動部1
1を介して主スイッチであるMOSFET21を駆動し
ている。
【0019】
【発明の効果】本発明によれば、直流に対するインピー
ダンスが零であるインダクタと圧電トランスの入力が並
列に接続されているため、直流分は短絡され、圧電トラ
ンスへの印加電圧は交流分のみとなる。従って、圧電ト
ランスの電極材料に銀を用いてもマイグレーションが発
生せず、絶縁性が劣化することがない。また、積層型圧
電トランスを用いることにより、入力電圧を低くするこ
とができる。さらに横効果積層型圧電トランスを用いて
出力電極とリード線の接続の信頼性を向上させることが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る電力変換装置の実施例を示す回路
図である。
【図2】図1の回路の圧電トランスへの印加電圧の波形
図である。
【図3】本発明に係るバックライトインバータの実施例
を示す回路図である。
【図4】冷陰極管負荷時の圧電トランス出力電流の周波
数特性図である。
【図5】本発明に係る駆動周波数を調整して出力制御を
行う実施例を示す回路図である。
【図6】本発明に係る入力電圧を調整して出力制御を行
う実施例を示す回路図である。
【図7】本発明に係る入力電圧が大きく変動する場合の
実施例を示す回路図である。
【図8】本発明に係る電力変換装置をDC−DCコンバ
ータに用いた場合の実施例を示す回路図である。
【図9】ローゼン型圧電トランスの動作原理を示す説明
図である。
【図10】積層型圧電トランスの斜視図である。
【図11】圧電横効果を利用した積層型圧電トランスの
斜視図である。
【図12】圧電トランスを使った電力変換装置の従来例
を示す回路図である。
【図13】図12の回路の圧電トランスへの印加電圧の
波形図である。
【図14】ローゼン型圧電トランスの共振周波数近傍に
おける等価回路図である。
【符号の説明】
10 駆動・発振部、11 駆動部、20、21 MO
SFET、30 インダクタ、50 圧電トランス、5
1 入力電極、52 入力電極(共通電極)、55、5
6 出力電極、57、58 内部電極、59 絶縁層、
60 放電管、65 負荷、70 出力電流検出部、8
0 周波数可変発振部、90 前段電圧制御部、110
整流ダイオード、120 平滑コンデンサ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H02M 3/24

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 直流入力電源と、前記直流入力電源と一
    端が接続されるインダクタと、前記インダクタの他端と
    接続される逆方向ダイオードを持つスイッチ手段と、前
    記インダクタに並列接続される圧電トランスと、前記ス
    イッチ手段の駆動・発振手段とを備えたことを特徴とす
    る電力変換装置。
  2. 【請求項2】 前記圧電トランスの出力電圧または出力
    電流を検出する検出手段と、前記検出手段の結果に基づ
    き発振周波数を可変する前記スイッチ手段の駆動・発振
    手段とを備えたことを特徴とする請求項1に記載の電力
    変換装置。
  3. 【請求項3】 前記直流入力電源の電圧を所定の電圧に
    調整する前段電圧制御部を備えたことを特徴とする請求
    項1又は2に記載の電力変換装置。
  4. 【請求項4】 前記圧電トランスの出力電圧または出力
    電流を検出する検出部と、この検出部の検出結果に基づ
    いて前記直流入力電源の電圧を調整する前段電圧制御部
    を備えたことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装
    置。
  5. 【請求項5】 前記圧電トランスが積層型圧電トランス
    であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記
    載の電力変換装置。
  6. 【請求項6】 前記圧電トランスが圧電横効果のみを利
    用した圧電トランスであることを特徴とする請求項1乃
    至5のいずれかに記載の電力変換装置。
JP7145792A 1995-06-13 1995-06-13 電力変換装置 Pending JPH08340680A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110890456A (zh) * 2019-12-05 2020-03-17 湖南嘉业达电子有限公司 一种可抑制银迁移的微孔雾化元件及其制备方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110890456A (zh) * 2019-12-05 2020-03-17 湖南嘉业达电子有限公司 一种可抑制银迁移的微孔雾化元件及其制备方法

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