JP2000511040A - 変換器、電源及びバッテリー充電器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 例えば、再充電可能バッテリー用の充電器に適当に使用され得る変換器は入力及び負荷出力を有し、上記変換器は、トランスデューサ入力及び上記負荷出力に接続されたトランスデューサ出力を備えた共振トランスデューサ手段と、上記負荷出力に接続された出力整流器回路と、上記入力と上記トランスデューサ入力との間に接続されたトランスデューサ制御手段とを含み、上記トランスデューサ制御手段は制御可能なトランスデューサ制御手段である。かかる変換器は、意図された用途に適するように柔軟に枠組みが定められ、実現され得る。特に、出力整流器回路は、多様な実現可能な実施例を提示する。

Description

【発明の詳細な説明】 変換器、電源及びバッテリー充電器 本発明は、入力及び負荷出力を有する変換器であって、トランスデューサ入力 及び上記負荷出力に接続されたトランスデューサ出力を具備した共振トランスデ ューサ手段と、上記負荷出力に接続された出力整流器回路と、上記変換器の入力 と上記トランスデューサ入力との間に接続されたトランスデューサ制御手段とを 含む変換器に関する。 また、本発明は、かかる変換器を具備した電源及びバッテリー充電器に関する 。 このような変換器は、ＤＣ電流電源に適用された変換器を開示するドイツ国特 許第ＤＥ−Ｃ−３３ ００ ６６９号により公知である。公知の変換器は、共振 トランスデューサ手段の共振周波数に一致するパルスレートで自走パルス供給手 段の形をなすトランスデューサ制御手段に接続された入カインピーダンスを有す る共振圧電変成器の形をなす共振トランスデューサ手段を含む。入力変換器のＡ Ｃ電圧は整流され、確立され、自走発振パルス供給手段を介して共振トランスデ ューサ手段に供給される。共振トランスデューサ手段のトランスデューサ出力は 、実質的に負荷の開回路又は短絡回路の状態とは無関係に変換器の負荷出力に高 性能出力電力を供給するため出力整流器回路及び電圧安定化回路に接続される。 特に、公知の変換器は、負荷手段上での出力電力の利用可能性を高めるため、交 互に動作される２個の圧電トランスデューサ手段の並列配置を具備する。この公 知の変換器の欠点は、変換器全体、特に出力整流器回路の可変性及び配置に関す る柔軟性が制限されることである。 したがって、本発明の目的は、実際的に要求されるアプリケーションの範囲に 容易に適合させ得る実施態様及び特性を有する変換器を提供することである。 上記の目的を達成するため、本発明による変換器は、トランスデューサ制御手 段が制御可能なトランスデューサ制御手段であることを特徴とする。本発明の変 換器によれば、制御可能なトランスデューサ手段を用いることにより、変換器の 特性の安定性及び統計的分散は、実際上大きな統計的分散を示す圧電トランスデ ューサ手段の入力インピーダンスに殆ど依存しなくなるために改善される利点が 得られる。また、本発明による変換器の実際のアプリケーションに重要である変 形は非常に容易に実現されることが判る。特に、本発明による変換器は、多数の 実現可能な実施例において、例えば、急速バッテリー充電器のアプリケーション に容易に適合させることができる。 以下の説明を参照することにより、本発明の上記及び他の局面が明らかにされ 、解明される。 図面中、 図１は本発明による変換器の第１の実施例を示す図であり、 図２は、電源のバッテリー充電器に適用された図１の変換器の概要図であり、 図３は、図１及び２に示された変換器の第２の実施例を表わす図であり、 図４、５、６及び７は、図１及び２の変換器に適用するための出力整流器回路 の実現可能な実施例を示す図であり、 図８は、図６の実施例に適用される電圧と電圧比の相関図であり、 図９、１０及び１１は本発明による変換器の関連部品の別の実現可能な実施例 を示す図であり、 図１２は圧電トランスデューサの等価回路図である。 図１は変換器１の第１の実施例の概要図である。変換器１は、入力２及び負荷 出力３を有する。変換器１は、入力整流器回路４と、入力整流器回路４に接続さ れたで電圧安定化キャパシタ５とを含む。変換器１は、トランスデューサ入力７ と、出力整流器回路９を介して負荷出力３に接続されたトランスデューサ出力８ とを具備した共振トランスデューサ手段６を更に有する。変換器１に収容された トランスデューサ制御手段１０は、変換器の入力２とトランスデューサ入力７の 間に接続される。トランスデューサ制御手段１０は、電流２倍器Ｑ１及びＱ２の 直列配置に接続された制御入力１１を介して制御可能であり、電流２倍器Ｑ１及 びＱ２は電流ミラーとも称される。電流２倍器Ｑ３及びＱ４を含む出力整流器回 路９は、制御信号をその制御入力／出力１２に供給し得る。Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及 びＱ４に並列接続された種々のダイオードは、上記ダイオードが電流を導通しな い場合に限り、上記ダイオードの両端に実質的な電圧を発生する。出力整流器回 路９は、平滑化コイル対のＬ１及びＬ２を介して安定化キャパシタＣ０に接続さ れ、安定化キャパシタＣ０は変換器１の負荷出力３に接続される。変換器は、ト ランスデューサ制御手段１０と共振トランスデューサ手段６の間に接続されたＬ Ｃ回路Ｌｒ、Ｃｒを有する。 図２は、バッテリー充電器に適用される変換器１の一般的な枠組みに実現可能 なループ構造を示す図であり、同図においてバッテリー１３は負荷出力３に接続 されている。ドライバ１４の他に、ループフィルタ１５が制御出力１２と制御入 力１１との間に接続される。ＬＣ回路の代替として、共振トランスデューサ手段 に並列に接続された付加キャパシタＣｓが示されている。 一般的に、共振トランスデューサ手段は、例えば、多層印刷回路基板上にリト グラフパターニングによって実現される公知の平面変成器のような、スイッチモ ード電源としても知られる共振ミニチュ ア変成器手段６として実現されるが、圧電トランスデューサを適用することも可 能である。圧電トランスデューサ又は圧電カップラは、上記の引用文献ＤＥ−Ｃ −３３ ００ ６６９号に使用されている。完璧を期すため、本明細書に記載さ れた何れの実施例にも組み込むことができるかかる圧電トランスデューサの等価 回路が図１２に示されている。 変換器１の動作は次の通りである。入力２上のＡＣ信号を整流、安定化した後 、制御入力１１は、略５０ＫＨｚと２５０ＫＨｚの間で変化する共振レートにお いて殆どパルス状の信号が共振トランスデューサ手段６に印加されるように制御 され、トランスデューサ出力８上のパルス状信号は活性的な出力整流器回路９に よって再度整流され、直流安定化され、キャパシタ又はバッテリー１３のような 与えられた出力電力を受信し得る装置であれば構わない負荷に供給される。変換 器１は大量の電流を出力することができるので、負荷は、高電力キャパシタ若し くはトラクションバッテリーのような高電力又は高電流負荷として構成してもよ い。このような変換器１のアプリケーションの場合、安全手段は最小限に抑える ことが可能であり、変換器によって占有される容積も最小限に抑えられる。 図３には、入力１１上の制御信号が付加トランスデューサカップリング１４を 用いて共振トランスデューサ手段６から獲得される非常に詳細な接続系統図が示 されている。演算増幅器ＯＰ１及びＯＰ２を用いて実行されたある種の基本的な 閾値処理と、入力２と出力３の間の最適な絶縁用の光カップラ１５における光結 合と、積分器１６における積分と、ブロック１７における操作の後、制御信号δ は、トランスデューサ手段６の共振周波数と対応させることができるようにレー トを制御するため制御入力１１に印加される。 例えは、負荷１３のタイプによって課される要求条件に依存して、出力整流器 回路９の幾つかの実施例を実現することができる。図４、５、６及び７、並びに 、図９、１０及び１１には、かかる実施例が 例示されている。 図４の実施例は、自己駆動式(self-driven)電流２倍器構造Ｑ１及びＱ２を示 す。本例において、入力／出力１２は、自己駆動されるべくトランスデューサ出 力８に交差状に接続される。また、Ｑ１若しくはＱ２の何れか一方は、平滑化コ イルＬ１及びＬ２へのＲＦ周波数パルスを阻止する。 共振トランスデューサ手段６が中央分路又はタップ１８を有する出力整流器回 路９の別の実施例は、図５に示されている。中央分路１８は、一つのコイルＬ₀ だけに接続される。回路９は、自己駆動式全波同期整流器として動作する。 自己駆動式半波同期整流器回路は図６及び７に示されている。図６の実施例は 中央分路を必要としないが、一方、図７の実施例の場合、２個の別個の共振トラ ンスデューサ６−１及び６−２が使用される。図６において、Ｖ_i、Ｖ_p、Ｖ_s、 Ｖ_r、Ｕ_o及びＵ_dc（図３を参照のこと）のように示された電圧は、一例として回 路９の本実施例の機能を説明するため、図８にも示されている。ｎ_p：ｎ_sは、ト ランスデューサ変換比を表し、δ＝Ｔ_H：Ｔである場合に、上記電圧の上側ピー ク値及び下側ピーク値は図８に示されているような値である。δ＝１／２に対し 、ＤＣ負荷電圧Ｕ_oはその最大値である（ｎ_s／４＊ｎ_p）Ｕ_dcに到達する。 図９は、上記のミニチュア平面技術を用いて、変換比が４：１である非常に効 率的な電圧変換を実現する非常に少数の別個の部品を有する実施例を示す図であ る。 特に、整流器回路９の別の自己駆動式実施例の概要は図１０及び１１に示され ている。整流器回路９の入力／出力１２の厳密な制御のため、上記の各共振トラ ンスデューサ手段６には、中央タップ１８を備えた付加トランスデューサカップ リング１４、又は、別個の付加カップリング１４−１及び１４−２が設けられ、 活性的な整流器回路９を上記の方法で自己駆動する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 入力及び負荷出力を有し、トランスデューサ入力及び上記負荷出力に接続 されたトランスデューサ出力を具備した共振トランスデューサ手段と、上記負荷 出力に接続された出力整流器回路と、上記入力と上記トランスデューサ入力との 間に接続されたトランスデューサ制御手段とを含む変換器において、 上記トランスデューサ制御手段は制御可能なトランスデューサ制御手段である ことを特徴とする変換器。 ２． 上記制御可能なトランスデューサ制御手段は、上記共振トランスデューサ 手段の共振周波数の測定量を含む制御信号を入力するため上記共振トランスデュ ーサ手段に接続された制御入力を具備したことを特徴とする請求項１記載の変換 器。 ３． 上記トランスデューサ制御手段と上記共振トランスデューサ手段との間に 接続されたＬＣ回路を更に有することを特徴とする請求項１又は２記載の変換器 。 ４． 上記共振トランスデューサ手段は共振ミニチュア変成器手段として実現さ れることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項記載の変換器。 ５． 上記共振トランスデューサ手段は平面共振トランスデューサ手段であるこ とを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項記載の変換器。 ６． 上記共振トランスデューサ手段は圧電共振トランスデューサ手段であるこ とを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項記 載の変換器。 ７． 上記出力整流器回路は、上記トランスデューサ制御手段の上記制御入力に 接続された制御出力を有する一つ以上の電流２倍器を含むことを特徴とする、請 求項２又は請求項２を引用する請求項３乃至６のうちいずれか１項記載の変換器 。 ８． 上記出力整流器回路の上記制御出力と上記トランスデューサ制御手段の上 記制御入力との間に接続されたループフィルタを更に有する請求項７記載の変換 器。 ９． 少なくとも一つの電流２倍器は自己駆動式電流２倍器として実現されるこ とを特徴とする請求項７又は８記載の変換器。 １０． 上記出力整流器回路は同期整流器として実現されることを特徴とする請 求項１乃至９のうちいずれか１項記載の変換器。 １１． 上記同期整流器は半波又は全波整流器であることを特徴とする請求項１ ０記載の変換器。 １２． 入力及び負荷出力を有し、トランスデューサ入力及び上記負荷出力に接 続されたトランスデューサ出力を備えた共振トランスデューサ手段と、上記負荷 出力に接続された出力整流器回路と、上記入力と上記トランスデューサ入力との 間に接続されたトランスデューサ制御手段とを含む変換器を具備した電源におい て、 上記トランスデューサ制御手段は制御可能なトランスデューサ制御手段である ことを特徴とする請求項１乃至１１のちいずれか１項記載の変換器を具備した電 源。 １３． 入力及び負荷出力を有し、トランスデューサ入力及び上記負荷出力に接 続されたトランスデューサ出力を備えた共振トランスデューサ手段と、上記負荷 出力に接続された出力整流器回路と、上記入力と上記トランスデューサ入力との 間に接続されたトランスデューサ制御手段とを含む変換器を具備したバッテリー 充電器において、 上記トランスデューサ制御手段は制御可能なトランスデューサ制御手段である ことを特徴とする請求項１乃至１１のちいずれか１項記載の変換器を具備したバ ッテリー充電器。