JP2013141389A - ゼロ電圧スイッチング方式の圧電駆動回路 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ハーフブリッジ駆動回路により入力直流電圧を受け、ハーフブリッジ駆動により上アームスイッチセットおよび下アームスイッチセットの切り替えを行い、交流電圧に変換して圧電素子に提供し、交流電圧が圧電素子を通じて負荷を駆動し動作させる。ハーフブリッジ駆動回路と圧電素子の間はシャント回路に電気的に接続し、ゼロ電圧スイッチングに用いられる。つまり、上アームスイッチセットおよび下アームスイッチセットがいずれもオフである時、その寄生キャパシタと共振し、上アームスイッチセットおよび下アームスイッチセットがゼロ電圧スイッチングを行うようにする。これにより、非常に広い周波数範囲内および広範囲の負荷変動のもとで、ゼロ電圧スイッチングの効果を実現できる。
【選択図】図1
Description
しかし、圧電変圧器は未だ克服できない難題を抱えている。たとえば、圧電変圧器をブリッジ式スイッチ回路に応用するには、通常、インダクタをブリッジ式スイッチ回路および圧電変圧器の間に接続しないとゼロ電圧スイッチングの条件を満たすことができない。しかし、インダクタ自体はこの圧電変圧器より厚みがあり(すなわち構造がより大きく)、圧電変圧器がもともと有する薄型パッケージという利点が損なわれ、しかもインダクタはメイン回路において余分な損耗を引き起こし電磁放射妨害の問題が生じる。
実際、圧電変圧器にインダクタが搭載されているか否かにかかわらず、全体の駆動回路がゼロ電圧スイッチングを行える帯域幅は相当狭い。また、実際動作する上で、圧電変圧器は軽負荷(light load)の条件下および主共振周波数から離れた状態にあるとき、ゼロ電圧スイッチングを達成するのは難しい。このため、圧電変圧器の電源供給装置への応用および発展は制限されてしまう。
ハーフブリッジ駆動回路は入力直流電圧を受ける回路であり、ハーフブリッジ駆動回路は、直列する上アームスイッチセットおよび下アームスイッチセットを含み、上アームスイッチセットおよび下アームスイッチセットの切り替えにより交流電圧に変換する。
圧電素子はハーフブリッジ駆動回路に電気的に接続し、交流電圧を受け、負荷を駆動し動作させる。シャント回路はハーフブリッジ駆動回路と圧電素子の間を電気的に接続し、シャント回路とハーフブリッジ駆動回路は共振し、上アームスイッチセットおよび下アームスイッチセットがゼロ電圧スイッチングを行うようにする。
このため本発明は、シャント回路により体積の大きなインダクタを代替し、ハーフブリッジスイッチのデッドタイムにあるシャント回路を利用して共振を促し、負荷変動および動作周波数変動のもとで、ゼロ電圧スイッチングの効力を維持することを提案する。
また本発明によれば、主電流路において体積を占め損耗を引き起こす一般的なインダクタをシャント回路で代替し、回路全体を薄型化できるだけでなく、回路全体の機能を高め、全体的な技術の発展、応用および製品競争に役立てることができる。
圧電素子14はハーフブリッジ駆動回路12に電気的に接続し、交流電圧を受け、共振して負荷22を駆動し動作させる。ここでは、負荷22は冷陰極蛍光ランプ(CCFL)、熱陰極蛍光ランプ(HCFL)、高輝度放電ランプ(HID Lamp)、発光ダイオード(LED)、整流回路、圧電アクチュエータ、スイッチ回路等である。
シャント回路16はハーフブリッジ駆動回路12と圧電素子14の間を電気的に接続し、シャント回路16とハーフブリッジ駆動回路12は共振し、上アームスイッチセット18および下アームスイッチセット20がゼロ電圧スイッチングを行うようにする。詳細は次のとおりである。
上アームスイッチセット18は第一寄生キャパシタ(CK1)182および第一寄生ダイオード184を含む。下アームスイッチセット20は第二寄生キャパシタ(CK2)202および第二寄生ダイオード204を含む。圧電素子14は圧電変圧器または圧電共振器であり、ここでは、圧電変圧器を例として説明する。
この圧電変圧器は入力キャパシタ(CP)142を含む。この第一実施例においては、シャント回路16を使用した本発明を例として説明する。
シャント回路16は直列するシャントインダクタ(LS)162、双方向スイッチ(KS)164およびシャント電源(VDC/2)166を含む。シャント電源166は駆動電圧を双方向スイッチ164に提供し、シャント電源166の直流電圧値は入力直流電圧(VDC)の半分である。
まず、動作期間〔t0−t1〕において、上アームスイッチセット(K1)18は導通状態を示し、下アームスイッチセット(K2)20はオフ状態を示し、この時シャント回路16は閉じているため、入力電流iPは圧電素子14まで流れ、その入力キャパシタ142の電圧ストレスVPは入力直流電圧(VDC)に等しく、かつ電圧ストレスは正値である。この動作期間が終了する時、シャント回路16の双方向スイッチ164はオフ状態を示したままである。
ここでは、入力キャパシタ142の電圧ストレスVPは正弦勾配であり徐々にゼロ電圧まで低下し、上アームスイッチセット18の電圧ストレスは入力直流電源(VDC)の電圧レベルまで徐々に上昇することに留意されたい。これが下アームスイッチセット20のゼロ電圧スイッチングの重要な条件となる。
もちろん、〔t1−t2〕の期間に、共振放電電流の大きさが不十分である場合は、入力キャパシタ142と第二寄生キャパシタ202はゼロになるまで完全に放電することができず、下アームスイッチセット20が次の動作期間にゼロ電圧導通することもできない。シャントインダクタ162とすべてのキャパシタの〔t1−t2〕の共振期間の計算は次の数式1のとおりである。
回路全体をさらに薄型化するため、シャント回路16中の導線上の寄生インダクタンスまたはシャント回路16のプリント基板(PCB)上の導線の漏れインダクタンスから発生する微小インダクタンス値を用い、入力キャパシタ142、第一寄生キャパシタ182と第二寄生キャパシタ202を合わせて共振させる。入力キャパシタ142の電圧ストレスVPが放電してゼロになった時、この動作期間は終了する。
つまり、入力キャパシタ142の電圧ストレスVPはゼロであり、そのまま切り替え後までVPはゼロを維持するので、ゼロ電圧スイッチングが達成される。下アームスイッチセット20がオフ状態に切り替わった時、この動作期間は終了する。
入力キャパシタ142と第二寄生キャパシタ202はシャント回路16を経由して共振放電を開始し、同時に第一寄生キャパシタ182に対して共振充電が開始される。シャントインダクタ162とすべてのキャパシタの〔t4−t5〕の共振期間の計算は次の数式2のとおりである。
もちろん、〔t4−t5〕の期間に、共振放電電流の大きさが不十分である場合は、入力キャパシタ142はゼロまで完全に放電することができず、上アームスイッチセット18も次の動作期間にゼロ電圧導通することはできない。入力キャパシタ142の電圧ストレスVPの値が充電により入力直流電源(VDC)の電圧レベルに達した時、この動作期間は終了する。
同時に、上アームスイッチセット18の第一寄生ダイオード184が導通し、電流imを圧電素子14に流して提供する。上アームスイッチセット18が導通し始めた時、この動作期間は終了する。
上アームスイッチセット18がオフ状態から導通状態に切り替わる瞬間、圧電素子14の入力電圧(VP)が入力直流電源(VDC)の電圧レベルに達するまで充電され、そのまま切り替え後までVPはVDCを維持するのでゼロ電圧スイッチングが達成される。
動作期間〔t1−t2〕および〔t4−t5〕において、入力キャパシタ142、第二寄生キャパシタ202、第一寄生キャパシタ182と、シャントインダクタ162は共振充電され、またはシャント回路16により放電し、ゼロ電圧スイッチングの効果を達成する。
もう一方のゼロ電圧スイッチングの効果としては、下アームスイッチセット20の第二寄生ダイオード204および上アームスイッチセット18の第一寄生ダイオード184がそれぞれ対応する期間〔t2−t3〕および〔t5−t0〕において動作する際、電流imを圧電素子14に提供して流し、負荷22は圧電素子14の電流imが伝送するエネルギーを受け取り作動することである。
ここでは、圧電素子14とシャント回路16の両者は動作上直接的な関係は無く、圧電素子14は上アームスイッチセット18および下アームスイッチセット20から発生した方形波を受けて駆動し、シャント回路16はゼロ電圧スイッチングに用いられるにすぎないことに留意されたい。
シャント回路16の電流isは、入力直流電圧(VDC)と、シャントインダクタ162(LS)と、入力キャパシタ142(CP)、第一寄生キャパシタ182(CK1)および第二寄生キャパシタ202(CK2)のキャパシタンス値によって決まり、すべて固有素子の値である。
したがって、デッドタイムを固定すればゼロ電圧スイッチングの条件が固定でき、かつ動作周波数および負荷とは関係がないので、広帯域でのゼロ電圧スイッチングの効力を達成できる。時間tdが対応する周波数は1/tdであるため、シャント回路16の動作周波数の上限値は即ち1/tdである。
詳しく述べると、圧電駆動回路10において、ハーフブリッジ駆動回路12と圧電素子14の間には第一シャント回路24および第二シャント回路26の2つのシャント回路が電気的に接続しており、第一シャント回路24は直列する第一シャントインダクタ242(L1)および第一単方向スイッチ244(S1)を含む。
第二シャント回路26は第一シャント回路24に接続し、第二シャント回路26は直列する第二シャントインダクタ262(L2)および第二単方向スイッチ264(S2)を含む。ハーフブリッジ駆動回路12と圧電素子14の組成素子は第一実施例と同じであるため、ここでは再述しない。
ここでは、第一シャント回路24は入力直流電圧(VDC)に直接接続して駆動電圧V1となり、第二シャント回路26は接地(0V)に直接接続して駆動電圧V2となり、これにより、外部電源を省くことができるので、回路全体のトポロジー設計が簡素化できることに留意されたい。
まず、動作〔t0−t1〕において、上アームスイッチセット(K1)18は導通状態を示し、下アームスイッチセット(K2)20はオフ状態を示す。この時第一シャント回路24および第二シャント回路26はいずれも閉じているため、入力電流iPは圧電素子14まで流れ、その入力キャパシタ142の電圧ストレスVPは入力直流電圧(VDC)に等しく、かつ電圧ストレスは正値である。この動作期間が終了する時、第一単方向スイッチ244および第二単方向スイッチ264はオフ状態を示したままである。
ここでは、入力キャパシタ142の電圧ストレスVPは正弦勾配であり徐々にゼロ電圧まで低下し、上アームスイッチセット18の電圧ストレスは入力直流電源(VDC)の電圧レベルまで徐々に上昇することに留意されたい。これが下アームスイッチセット20のゼロ電圧スイッチングの重要な条件となる。
もちろん、〔t1−t2〕の期間に、共振放電電流の大きさが不十分である場合は、入力キャパシタ142と第二寄生キャパシタ202はゼロになるまで完全に放電することができず、下アームスイッチセット20が次の動作期間にゼロ電圧導通することもできない。第二シャントインダクタ262とすべてのキャパシタの〔t1−t2〕の共振期間の計算は次の数式7のとおりである。
同時に、第二シャントインダクタ262の余分な電流(is2)が線形放電され、第二シャントインダクタ262が完全に放電した後、第二シャント回路26は自動的に閉じる。その後、第二単方向スイッチ264はこの動作期間においてまたは次の動作期間においてゼロ電流スイッチングの条件のもとオフになる。
これはすでに第二シャント回路26に電流が流れていないためである。実際は、次の動作期間では比較的遅い切り替え速度で第二単方向スイッチ264がオフになる。下アームスイッチセット20が導通し始めた時、この動作期間は終了する。
したがって、共振期間において、入力キャパシタ142の電圧ストレスVPは正弦勾配であり徐々に入力直流電源(VDC)の電圧レベルまで上昇し、上アームスイッチセット18の電圧ストレスは正弦勾配であり徐々に低下してゼロ電圧になる。これが上アームスイッチセット18のゼロ電圧スイッチングの重要な条件となる。
もちろん、〔t4−t5〕の期間に、共振放電電流の大きさが不十分である場合は、入力キャパシタ142はゼロになるまで完全に放電することができず、上アームスイッチセット18も次の動作期間にゼロ電圧導通することはできない。入力キャパシタ142の電圧ストレスVPの値が充電により入力直流電源(VDC)の電圧レベルに達した時、この動作期間は終了する。
同時に、上アームスイッチセット18の第一寄生ダイオード184が導通し、電流imを圧電素子14に流して提供する。また、第一シャントインダクタ242の余分な電流(is1)は線形放電されゼロになり、第二シャント回路26は自動的に閉じられる。下アームスイッチセット20が導通し始めた時、この動作期間は終了する。
もう一方のゼロ電圧スイッチングと効果としては、下アームスイッチセット20の第二寄生ダイオード204および上アームスイッチセット18の第一寄生ダイオード184がそれぞれ対応する期間〔t2−t3〕および〔t5−t0〕において動作する際、第一シャント回路24と第二シャント回路26の余分な電流(is1とis2)が放電されることである。
図中の等価回路が示すように、第一キャパシタ28とシャント回路16の間にはシャントキャパシタ32が直列する。第二キャパシタ30はシャント回路16中のシャント電流値is、および第一キャパシタ28とシャント回路16の共振周波数(fs)を変えることができる。
第一キャパシタ28と第二キャパシタ30を用いて共振周波数(fs)を下げ、シャント回路16中の電流isを増大することができる。シャントキャパシタ32は共振周波数(fs)を増大させ、シャント回路16中の電流isを減少させることができる。上述のキャパシタを加えることにより、圧電駆動回路10のゼロ電圧スイッチング条件に設計上の柔軟性をもたらすことができる。
詳しく述べると、もとの圧電変圧器中の電流imは出力キャパシタ(Cout)と負荷22に流れ、圧電共振器34の例では、電流imは直接負荷22に流れる。 電流im(振動速度)は圧電共振器の物理的制限であり、同じ電流im条件のもと、圧電共振器34は負荷22上でより大きな出力ワット数を得ることができるので、回路全体がさらに簡素化される。
12 ハーフブリッジ駆動回路
14 圧電素子
142 入力キャパシタ
16 シャント回路
162 シャントインダクタ
164 双方向スイッチ
166 シャント電源
18 上アームスイッチセット
182 第一寄生キャパシタ
184 第一寄生ダイオード
20 下アームスイッチセット
202 第二寄生キャパシタ
204 第二寄生ダイオード
22 負荷
24 第一シャント回路
242 第一シャントインダクタ
244 第一単方向スイッチ
26 第二シャント回路
262 第二シャントインダクタ
264 第二単方向スイッチ
28 第一キャパシタ
30 第二キャパシタ
32 シャントキャパシタ
34 圧電共振器
36 第三キャパシタ
Claims (10)
- 入力直流電圧を受ける回路であり、直列する上アームスイッチセットおよび下アームスイッチセットを含み、前記上アームスイッチおよび下アームスイッチセットの切り替えにより交流電圧に変換するハーフブリッジ駆動回路と、
前記ハーフブリッジ駆動回路で電気的に接続するとともに、前記交流電圧を受け、負荷を駆動し動作させる圧電素子と、
前記ハーフブリッジ駆動回路と前記圧電素子の間を電気的に接続し、前記ハーフブリッジ駆動回路と共振し、前記上アームスイッチセットおよび前記下アームスイッチセットがゼロ電圧スイッチングを行うようにする、少なくとも1つのシャント回路とを備えることを特徴とする、
ゼロ電圧スイッチング方式の圧電駆動回路。 - 前記上アームスイッチセットと前記下アームスイッチセットがいずれもオフ状態であるデッドタイムの時、前記シャント回路は導通するとともに、前記上アームスイッチセットおよび前記下アームスイッチセットと共振充電または放電を開始し、前記シャント回路の導通時においては、前記上アームスイッチセットと前記下アームスイッチセットが前記ゼロ電圧スイッチングを行うようにするため、充電電荷が前記入力直流電圧と等しくなるまたは放電電荷がゼロ電圧になることを特徴とする、請求項1に記載のゼロ電圧スイッチング方式の圧電駆動回路。
- 前記上アームスイッチセットは第一寄生キャパシタを含み、前記下アームスイッチセットは第二寄生キャパシタを含み、前記上アームスイッチセットと前記下アームスイッチセットがオフの時、前記シャント回路は導通し、前記圧電素子の入力キャパシタと前記第二寄生キャパシタは前記シャント回路を経由して放電すると同時に、前記第一寄生キャパシタは充電されることを特徴とする、請求項1に記載のゼロ電圧スイッチング方式の圧電駆動回路。
- 前記シャント回路は直列するシャントインダクタ、双方向スイッチおよびシャント電源を含み、前記シャントインダクタと前記第一寄生キャパシタ、前記第二寄生キャパシタ、前記入力キャパシタが共振を開始した時、前記圧電素子の前記入力交流電圧は徐々に低下してゼロ電圧になり、前記上アームスイッチセット上の電圧ストレスは前記直流電圧レベルまで徐々に上昇することを特徴とする、請求項3に記載のゼロ電圧スイッチング方式の圧電駆動回路。
- 前記シャントインダクタは前記シャント回路中の導線上の寄生インダクタまたは前記シャント回路のプリント基板上の導線であることを特徴とする、請求項4に記載のゼロ電圧スイッチング方式の圧電駆動回路。
- 前記シャント電源は前記双方向スイッチに駆動電圧を提供するものであり、前記シャント電源の直流電圧値は前記入力直流電圧の半分であることを特徴とする、請求項4に記載のゼロ電圧スイッチング方式の圧電駆動回路。
- 前記シャント回路が第一シャント回路および第二シャント回路の2つであるとき、前記第一シャント回路は直列する第一シャントインダクタおよび第一単方向スイッチを含み、前記第二シャント回路は前記第一シャント回路に電気的に接続し、前記第二シャント回路は直列する第二シャントインダクタおよび第二単方向スイッチを含むことを特徴とする、請求項3に記載のゼロ電圧スイッチング方式の圧電駆動回路。
- 前記下アームスイッチセットが導通する時、前記第一シャントインダクタおよび前記第二シャントインダクタと、前記第一寄生キャパシタ、前記第二寄生キャパシタおよび前記入力キャパシタは共振を開始し、前記入力キャパシタと前記第二寄生キャパシタは前記第二シャントインダクタ、第二寄生ダイオードおよび前記第二単方向スイッチを経由して放電すると同時に、前記第一寄生キャパシタは充電され、この時前記圧電素子の前記入力交流電圧は徐々に低下してゼロ電圧になり、前記上アームスイッチセット上の電圧ストレスは前記直流電圧レベルまで徐々に上昇することと、前記上アームスイッチセットが導通する時、前記第一シャントインダクタおよび前記第二シャントインダクタと、前記第一寄生キャパシタ、前記第二寄生キャパシタおよび前記入力キャパシタは共振を開始し、前記入力キャパシタと前記第二寄生キャパシタは前記第一シャントインダクタ、第一寄生ダイオードおよび前記第一単方向スイッチを経由して充電すると同時に、前記第一寄生キャパシタは放電され、この時前記圧電素子の前記入力交流電圧は前記直流電圧レベルまで徐々に上昇し、前記上アームスイッチセット上の電圧ストレスは徐々に低下してゼロ電圧になること、を特徴とする、請求項7に記載のゼロ電圧スイッチング方式の圧電駆動回路。
- 前記圧電素子は圧電変圧器または圧電共振器であることを特徴とする、請求項1に記載のゼロ電圧スイッチング方式の圧電駆動回路。
- 前記上アームスイッチセットは第一キャパシタに並列し、前記圧電素子は第二キャパシタに並列し、前記第一キャパシタと前記シャント回路の間にはシャントキャパシタが直列し、前記第二キャパシタは前記シャント回路中のシャント電流値および前記第一キャパシタと前記シャント回路中の共振周波数を変えるこができることを特徴とする、請求項1に記載のゼロ電圧スイッチング方式の圧電駆動回路。
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