JPWO2009025129A1 - 直流低電圧電源装置 - Google Patents

Abstract

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。スイッチング素子１３１、１３２およびチョークコイル１１７を有し、スイッチング素子１３１、１３２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１１０と、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１２０と、スイッチング素子１３１、１３２およびチョークコイル１３６、１３７を有し、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１３０と、を備え、圧電トランス１２０は、負荷１４０の抵抗に基づき、同期整流回路１３０の同期整流作用に応じて要求される圧電トランス１２０の出力電圧、および電力保存則から導かれる圧電トランス１２０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。

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。

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）。

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。
特開平１１−５５９４１号公報

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。

（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。

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。

（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。

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。

（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Ｖ_ＯＵＴ、出力電流をＩ_ＯＵＴとするとき、前記圧電トランスの出力インピーダンスＺ_ＯＰＴ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。

（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Ｖ_ＩＮ、出力電圧をＶ_ＯＵＴ、出力電流をＩ_ＯＵＴとするとき、圧電トランスに（π^２／２）（Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ）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。

（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。

（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Ｖ_ＯＵＴ、出力電流をＩ_ＯＵＴ、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（π^２／２）（Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ）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）（Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ）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。

（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。

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。

本発明に係る直流低電圧電源装置の構成を示す図である。 本発明に係る直流低電圧電源装置の出力電圧および出力電流と圧電トランスの出力インピーダンスとの関係を示す模式図である。 本発明に係る直流低電圧電源装置の入力電圧および出力電圧と圧電トランス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。 実験結果を示すグラフである。 実験結果を示すグラフである。 実験結果を示すグラフである。

符号の説明

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
Ｃ_２ 圧電トランスの２次側の静電容量
ｆ 駆動周波数
Ｉ_ＯＰＴ 入力電流
Ｉ_ＯＵＴ 出力電流
Ｌ インダクタンス容量
Ｒ_Ｌ 抵抗
Ｖ_ＩＮ 入力電圧
Ｖ_ＯＵＴ 出力電圧
Ｖ_ＩＰＴ 圧電トランスへの入力電圧
Ｖ_ＯＰＴ 圧電トランスからの出力電圧
Ｚ_ＯＰＴ 圧電トランスの出力インピーダンス
Ｖ_ｒｅｆ 基準電圧

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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Ｖ_ＩＮ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Ｖ_ＩＰＴは（３／√２π）Ｖ_ＩＮとなる。

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。

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（π^２／８）（Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ）以上２π^２（Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ）以下、その最大昇圧比が（π^２／３）（Ｖ_ＯＵＴ／Ｖ_ＩＮ）以上（２π^２／３）（Ｖ_ＯＵＴ／Ｖ_ＩＮ）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Ｖ_ＩＮ、出力電圧をＶ_ＯＵＴと表している。

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Ｖ_ＯＰＴ、同期整流回路１３０の出力電圧をＶ_ＯＵＴ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。

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。

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Ｒ_Ｌ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。

誤差アンプ１６０は、検出された電圧と基準電圧Ｖ_ｒｅｆ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。

（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Ｚ_ＯＰＴと負荷１４０の抵抗Ｒ_Ｌ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Ｖ_ＯＰＴ、直流低電圧電源装置１００の出力電圧をＶ_ＯＵＴとすると、マッチングの条件下ではＶ_ＯＰＴ＝（π／√２）Ｖ_ＯＵＴの関係が成り立つ。

また、圧電トランス１２０の出力電流をＩ_ＯＰＴとし、直流低電圧電源装置１００の出力電流をＩ_ＯＵＴ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Ｉ_ＯＰＴ＝（√２／π）Ｉ_ＯＵＴの関係が成り立つ。直流低電圧電源装置１００の出力電圧がＶ_ＯＵＴ、出力電流Ｉ_ＯＵＴ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Ｖ_ＯＰＴは（π／√２）Ｖ_ＯＵＴ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Ｉ_ＯＰＴと直流低電圧電源装置の出力電流Ｉ_ＯＵＴの関係は、電力保存則によりＩ_ＯＰＴ＝（√２／π）Ｉ_ＯＵＴ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Ｚ_ＯＰＴの仕様が得られる。

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Ｖ_ＯＰＴ／Ｉ_ＯＰＴ、すなわち（π^２／２）（Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ）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（π^２／２）（Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ）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。

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Ｚ_ＯＰＴ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Ｚ_ＯＰＴ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Ｃ_２とすると、圧電トランス１２０の出力インピーダンスはＺ_ＯＰＴ＝１／２πｆＣ_２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Ｃ_２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Ｃ_２を制御することができる。

（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Ｖ_ＩＮとしたとき、圧電トランスに入力される交流電圧Ｖ_ＩＰＴの実効値は（３／√２π）Ｖ_ＩＮとなる。

一方、直流低電圧電源装置１００の出力電圧がＶ_ＯＵＴであるとき、同期整流回路１３０の特性からＶ_ＯＵＴ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Ｖ_ＯＰＴの実効値は（π／√２）Ｖ_ＯＵＴである。したがって、圧電トランス１２０に（π^２／２）（Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ）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（＝Ｖ_ＯＰＴ／Ｖ_ＩＰＴ）は、（π^２／３）（Ｖ_ＯＵＴ／Ｖ_ＩＮ）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。

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Ｖ_ＯＵＴ、出力電流がＩ_ＯＵＴであるとき、圧電トランス１２０の出力インピーダンスは（π^２／２）（Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ）である。チョークコイル１３６、１３７のリアクタンスは（π^２／２）（Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ）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）（Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ）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。

（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。

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Ｖ_ｒｅｆ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。

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。

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Ｖ_ＯＵＴを１０Ｖ、出力電流Ｉ_ＯＵＴ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Ｒ_Ｌを１ｏｈｍ〜１００ｏｈｍ程度で変えて実験を行った。

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。

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、Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ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（π^２／８）（Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ）以上２π^２（Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ）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。

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。

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Ｖ_ＩＮを４８Ｖ、出力電圧Ｖ_ＯＵＴ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１．４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１２０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。

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（π^２／３）（Ｖ_ＯＵＴ／Ｖ_ＩＮ）以上（２π^２/３）（Ｖ_ＯＵＴ／Ｖ_ＩＮ）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。

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Ｖ_ＯＵＴ=１０Ｖ、出力電流Ｉ_ＯＵＴ=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）（Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ）以上（π／ｆ）（Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ）以下を維持する必要があることが判明した。

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（Ｖ_ＯＵＴ、Ｉ_ＯＵＴ）であるとき、圧電トランス１２０の出力インピーダンスは（π^２／２）（Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ）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（π^２／２）（Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ）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）（Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ）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）（Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ）以上（π／ｆ）（Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ）以下で、高い電源効率を示した。

Claims (7)

1. 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する直流高電圧電源装置。
2. 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する直流高電圧電源装置。
3. 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Ｖ_ＯＵＴ、出力電流をＩ_ＯＵＴとするとき、前記圧電トランスの出力インピーダンスＺ_ＯＰＴ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。
   

   
4. 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Ｖ_ＩＮ、出力電圧をＶ_ＯＵＴ、出力電流をＩ_ＯＵＴとするとき、
   圧電トランスに（π^２／２）（Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ）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。
   

   
5. 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する直流低電圧電源装置。
   

   
6. 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Ｖ_ＯＵＴ、出力電流をＩ_ＯＵＴ、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。
   

   
7. 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する請求項１から請求項６記載のいずれかに記載の直流低電圧電源装置。
   

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