JP2757810B2 - 電源装置 - Google Patents
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Description
電トランスを用いた高電圧電源装置に関するものであ
る。
5−219730号公報に開示の技術がある。図7はそ
のブロック図であり、圧電トランス1の一次側には駆動
回路3から駆動電圧が印加され、その二次側出力が負荷
である冷陰極管2へ供給されている。
較器9にて基準値と比較し、この誤差出力により駆動周
波数制御回路10の駆動周波数を制御するようになって
いる。この駆動周波数制御回路10は周波数掃引回路1
3の掃引出力により出力周波数の掃引制御が可能となっ
ている。
力に応じて行うことで、この誤差出力が零となる様にす
なわち圧電トランス1の二次出力が一定になる様に駆動
周波数が制御されるものである。これにより、周囲温
度,電源電圧Vin(15),負荷の各変動に対して出力
(電流)が常に一定に維持され安定した電源装置が得ら
れるようになっている。
り、特開平4−210773号公報に開示のものであ
る。尚、図8において、図7と同等部分は同一符号によ
り示されている。
出力電流を整流増幅回路5にて直流レベルに変換し、こ
の変換出力に応じて駆動周波数制御回路10及び駆動電
圧制御回路6を制御するようになっている。駆動周波数
制御回路10は圧電トランス1の共振周波数の近傍にお
いて駆動周波数を設定制御し、駆動電圧制御回路6はこ
の駆動周波数のデューティ比を設定制御し、よって駆動
周波数のスイッチング電力の調整及び電圧・デューティ
比の調整を同時に行うことで、安定な出力制御が可能と
なっている。
9730による公知技術には次の問題がある。一般的に
圧電トランスは共振周波数付近で最大の効率を示し、こ
の周波数から離れるに従って一次側からの入力電力を二
次側に伝送する効率が低下する傾向がある。従って、二
次側で必要な電流が効率の最大周波数で動作する負荷の
場合には、圧電トランスは最大効率で動作することが可
能である。しかし入力電圧が高い場合、あるいは、二次
側が軽負荷の場合には、駆動周波数を共振周波数から高
い周波数に移し、昇圧比の低い周波数で負荷を駆動して
二次側の負荷に一定の電流を供給する制御を行うことに
なる。
供給する電源の変動が大きい場合や、負荷変動を有する
負荷に対しては、効率が悪い周波数で動作することが避
けられない欠点を有していた。
においては、前述の特開平5−219730の周波数制
御に加えて、駆動回路のデューティ比を制御することで
圧電トランスの出力を制御しているが、周波数と駆動電
圧の2つの制御を同時に行うと圧電トランスを駆動する
周波数を共振周波数から離して昇圧比を下げた状態で、
圧電トランスに大きな入力を加える制御を行う可能性が
ある。従って、圧電トランスが更に効率の悪い周波数で
動作する問題点がある。
変化する場合や負荷の状態が変化する場合に、圧電トラ
ンスを効率良く動作させる制御が行われない欠点があ
る。
対して常に効率の良い動作を行うことが可能な電源装置
を提供することである。
は、圧電効果を利用して一次側に供給された交流電圧を
二次側に出力する圧電トランスと、この圧電トランスの
駆動周波数を制御する駆動周波数制御手段と、前記圧電
トランスの一次側に供給される駆動電圧を制御する駆動
電圧制御手段と、前記圧電トランスの入力と出力とから
効率を算出する効率演算手段と、前記効率演算手段によ
り最大効率が検出されたときの前記圧電トランスの駆動
周波数を検出する最大効率周波数検出手段と、前記駆動
周波数制御手段により前記駆動周波数を制御して前記圧
電トランスの二次出力が規定出力になったときの第1の
駆動周波数を検出し、前記駆動電圧制御手段により前記
駆動電圧を制御しつつ前記駆動周波数制御手段により前
記第1の駆動周波数から駆動周波数の掃引を開始して、
前記最大効率周波数検出手段により前記最大効率周波数
が検出されたとき、この最大効率周波数に前記駆動周波
数を設定するよう制御する制御手段と、を含むことを特
徴としている。
段が、更に前記圧電トランスの共振周波数を挟んで前記
第1の駆動周波数から前記規定出力が得られる第2の駆
動周波数の間の周波数掃引をなす様制御する構成とされ
ていることを特徴としている。
作する周波数を算出し、この周波数で固定した後、駆動
電力を制御して規定の出力電圧または出力電流に調整す
る動作を行うことにより、高圧電源装置が様々な入力電
圧条件や、負荷条件で動作する場合でも常に最高の効率
の駆動周波数を選択して動作することができる。
詳述する。
る。圧電トランス1は強誘電体の圧電効果による電気・
機械変換作用によって、電磁トランスと同様に電圧レベ
ルの変換が行える素子である。駆動回路3によって共振
周波数近傍の駆動パルスを圧電トランス1の一次側電極
へ印加し、二次側電極から出力電圧を得るようにして高
電圧電源装置が実現される。尚、二次側負荷は冷陰極管
2としている。
出力電流を検出して電圧変換するものであり、この検出
電圧は整流増幅回路5にて直流電圧とされる。
力Piを検出する入力電力検出回路41と、圧電トラン
ス1の出力電力Poを検出する出力電力検出回路42
と、Po/Piを算出する除算回路45とからなり、電
力効率ηが検出されるようになっている。
1と基準レベルVref とを比較して一致したときに一致
信号を生成し、スイッチ11の接点S1を介して制御回
路14及び周波数掃引回路13への掃引停止信号とし
て、これ等回路14,13へ印加する。
入に応答して制御モード信号Vmode1 を生成し、またス
イッチ11を介して入力される掃引停止信号に応答して
制御モード信号Vmode2,3 を生成する。
御モード信号Vmode1 を掃引開始信号として駆動周波数
制御回路10の発振周波数を最大周波数fmax から第1
の周波数f1へ向けて徐々に低下させる様な掃引信号を
生成し、またスイッチ11を介して供給される掃引停止
信号に応答して掃引信号を停止する。
介して入力される掃引信号Vf に従って周波数が可変さ
れるものであり、三角波信号を発生するものとする。
値電圧Vd とを比較して、パルス信号を生成するもので
あり、閾値電圧Vd が小であればデューティ比が大なる
パルスを、大であればデューティ比が小なるパルスを生
成するレベルコンパレータ機能を有する。
されており、固定の電圧V0と整流増幅回路5の出力電
圧V1とがこのスイッチ8により択一的に導出されるよ
うになっている。
動回路3へ入力されて圧電トランス1の一次側へ印加さ
れるものである。また、この駆動電圧制御回路6は、発
生パルスのデューティ比が予め定められたデューティ比
の最大値に達すると、それを検出して掃引停止信号を生
成してスイッチ11の接点S2,S3を介して制御回路
14や周波数掃引回路13へ供給する。
制御モード信号Vmode1-3 により制御されるようになっ
ている。
形図であり、両図を参照して以下に動作を説明する。先
ず時刻t0において、入力端子15に入力電圧が投入さ
れると、図1全体の回路の電圧が供給され、各回路が動
作状態になる。制御回路14は、まずモード信号のVmo
de1 信号を発生する。この信号によってスイッチ8,ス
イッチ11,スイッチ12はそれぞれ接点S1の入力信
号を選択する状態になる。
は、Vmode1 信号によってVmax の制御電圧を出力し、
スイッチ12を通じて駆動周波数制御回路10に入力す
る。この回路は入力電圧に比例した周波数で発振し、出
力波形は三角波を出力する形式の電圧制御発振器(VC
O)である。入力されたVmax の信号によって圧電トラ
ンス1の共振周波数より高い側の周波数であるfmax の
周波数の信号を、駆動電圧制御回路6に出力する。
つの入力信号である閾値電圧Vd によって駆動周波数制
御回路10から入力された三角波を二値のパルス信号に
変換する。この回路6はVd の信号電圧が小さい場合、
デューティ比の大きい信号を出力し、Vd が大きくなる
に従い、逆にデューティ比は小さくなる信号となる。制
御回路14がVmode1 の信号を出力する場合には、Vd
は固定値V0の信号が入力され、この信号V0で最大の
デューティ比のパルスを駆動回路3に出力する。
ワード型インバータで構成される回路であり、入力端子
15から入力された直流電圧Vinを駆動電圧制御回路6
からのパルスでスイッチングして、圧電トランス1に半
波の正弦波状のパルスを出力する回路である。この出力
電圧はデューティ比に比例するので、Vmode1 の信号が
出力されている状態では圧電トランス1を最大電圧で駆
動することになる。
て冷陰極管2は発光し、流れる電流によって抵抗16の
両端に圧電トランス1の出力電流に比例した電圧が得ら
れる。この電圧を整流増幅回路6で出力信号V1に変換
する。この信号は比較器9で基準電圧Vref と比較され
て、出力信号V1が大きくなると出力一致信号を出力す
る。この信号はスイッチ11を通過して掃引停止信号と
なり、周波数掃引回路13に入力される(時刻t2)。
max の信号を出力した後、次第に出力電圧を下げる動作
を行う。そこで圧電トランス1の駆動周波数は共振周波
数fr に近付き、冷陰極管2の電流が増加し続け、基準
値Vref に対応する電流値まで増加するが、出力一致信
号によって周波数掃引回路13の出力電圧の低下は止ま
り、一定電圧Vf1を出力するので、駆動周波数はf1で
安定する。この周波数f1が入力電圧Vinの状態におい
て圧電トランス1から得られる出力電流が、設定値Vre
f に対応する電流以上を取り出せる最大の周波数にな
る。
る。この信号に応答して一定時間T1後に(時刻t
3)、制御回路14はVmode2 の信号を出力し、各スイ
ッチは接点S2に切り換わる。またこのVmode2 信号は
周波数掃引回路13の掃引を再開させて、次第に出力電
圧を低下させる。スイッチ12は接点S2を選択してい
るので駆動周波数選択回路10の制御電圧Vf も低下し
続ける。
に近付く為に昇圧比が増加し、冷陰極管2を流れる電流
も増加し始めるが、整流増幅回路5の出力信号V1は、
スイッチ8を通じて駆動電圧制御回路6の制御信号Vd
として入力されるので、駆動回路3に対して出力するパ
ルスのデューティ比は減少し、もとの電流値を保つ動作
を行う。以上の制御によって、圧電トランス1の駆動周
波数を下げて昇圧比が変化しても、冷陰極管2に流れる
電流が変化しないことになる。
ランス1の共振周波数より低くなり、昇圧比が減少し始
めるため駆動電圧制御回路6が出力するデューティ比が
増加し、ついにこの回路6の設定値の限度になると、駆
動電圧制御回路6は入力電圧最大信号を出力する。この
信号はスイッチ11を通じて掃引停止信号となり、周波
数掃引回路13の出力電圧をVf2で停止させる(時刻t
6)。この時に圧電トランス1を駆動する周波数f2
が、圧電トランス1の共振周波数fr の下側で設定電流
(Vref に対応する電流)を取り出せる最低の周波数
で、入力電圧がVinでは、f1からf2までが設定出力
電流を取り出せる周波数範囲として求められたことにな
る。
入力電力と出力電力を測定して効率信号ηを最大効率検
出回路7に出力しており、この最大効率検出回路7はV
mode2 の間に入力した効率信号の最大値の状態の制御電
圧Vf を保持する様に構成されている。そこで、f1か
らf2までの駆動効率が最大になる周波数fηが求めら
れたことになる。
4は時刻t6より一定時間T2の後のt7でVmode3 を
出力する。この信号で各スイッチは接点S3に切り換わ
り、スイッチ12はVηを駆動周波数制御回路10に出
力するので駆動周波数はfηで固定され、冷陰極管2の
電流は駆動電力制御回路6でVmode2 と同様に制御され
るので一定値となる。そこで、入力電圧が変化したり圧
電トランス1の負荷の状態が変化しても常に効率が最大
の周波数で駆動されることになる。
号Vf,駆動電圧制御信号Vd,効率信号Vηのタイミ
ングチャートである。駆動周波数信号Vfは、電源投入
後にVmode1 信号でVmax の最大値になり、時間の経過
に従って電圧が低下し周波数掃引回路13に掃引停止信
号が入力されるとVf1の電圧を出力し続ける。次にVmo
de2 になり再び駆動周波数信号Vfは時間経過に従って
電圧が低下する。
らV0の電圧が入力されているので、駆動回路3は圧電
トランス1を最大電圧で駆動する状態となっており、冷
陰極管2に設定電流を流すことが可能な周波数の高域側
f1以下の周波数では、圧電トランス1に印加する電圧
を下げることができる。
御回路6に入力されるので、この信号の増域によって圧
電トランス1に加わる電圧を制御する状態になる。そこ
で周波数掃引回路13が駆動周波数をf1からf2まで
変化させる間に駆動電圧制御信号Vdは共振周波数fr
前後で最大、すなわち圧電トランス1に対して最低の電
圧で駆動を行い、その周波数以下は再び低下する信号と
なり、再びVmax すなわち圧電トランス1を最大電圧で
駆動する状態となる。この時の周波数がf2であり、効
率演算回路4はVmode2 の間、圧電トランス1の効率η
を算出するので共振周波数fr近傍で最大値をもつ電圧
を出力する。
電源投入後の駆動周波数の遷移を表現した図で、電源投
入時はfmax の周波数から駆動を始め、設定出力電流の
得られる周波数f1まで駆動周波数を低下させる。次に
f2まで出力電流を設定値に保持しながら効率を測定し
てfηを探し、最後に駆動周波数をこの周波数に上げて
動作を継続する。
御をデジタル的に行ったもので回路の幾つかはソフトウ
ェアで実現している。基本動作は図1と同等で、以下差
の部分について説明する。
使用しており、この内部は以下の回路で構成されてい
る。すなわち、出力インタフェース(I/F)14−1
と、入力インタフェース(I/F)14−2と、発振回
路14−3と、RAM14−4と、ROM14−5と、
CPU14−6と、効率レジスタ14−7と、周波数レ
ジスタ14−8とからなる。
(以下D/ACと表現)、21はD/AC、22はアナ
ログ・デジタル変換器(以下A/DCと表現)、23は
A/DCである。
のフローチャートを用いて説明する。図2の回路では整
流増幅回路5からの出力信号V1を、A/DC23でデ
ジタル信号に変換する。この信号は入力I/Fを通して
CPU14−6に読込むことができ、ROM14−5に
書込まれた制御プログラムに従って処理を行う。同様に
効率信号ηもA/DC22でデジタル化して入力I/F
14−2に入力される。
F14−1を通じてデジタル信号のVfをD/AC21
に出力し、アナログ信号の変換して駆動周波数制御を行
う。駆動電圧制御回路6も同様にD/AC20から出力
されるVd信号によって駆動電圧制御を実施する。
回路14内の初期化を行う。次に圧電トランス1の駆動
電圧を最大にするため、Vdが最低電圧V0 になるよう
に、CPU14−6がステップ101によって、出力I
/F14−1を通じてD/AC20を設定する。ステッ
プ102は駆動周波数をVmax に設定する処理である。
ステップ103,104で周波数を下げて設定電流が得
られる周波数f1まで駆動周波数を掃引する処理であ
る。この後、ステップ106から115までの処理によ
って最大効率周波数fηを検出し、ステップ115が終
了した時点で周波数レジスタ14−8には駆動周波数制
御回路10に与える制御電圧のデジタル値が保持されて
いる。
動周波数をfηに上げて駆動周波数を固定した後、圧電
トランス1に与える駆動電圧を制御して出力電流を設定
値に保つ動作を行う。この後、ステップ122によって
Vmode3 に入った後に所定の時間が経過したことをチェ
ックして、定期的にVmode2 の処理を実行する。そこで
最大効率周波数fηを再び測定してステップ116以後
のVmode3 の動作を実行する。
と、周囲の温度が変化した場合や、負荷の状態が変動す
ることで、最大効率周波数が変動した場合にも駆動周波
数が追従できるので、必要に応じて最大効率周波数を求
める時間間隔を設定しておけば、常に効率の良い駆動状
態を保つことが可能になる。
行っているので、調整の必要がなく、またLSI化に適
しており、小型小電力化が可能である。
ンスを駆動する周波数を最大効率となる周波数に設定
し、圧電トランスの出力電流を設定値に保つ様に圧電ト
ランスの駆動電圧を制御して動作させるようにしている
ので、入力電圧が変動した場合や、負荷状態が変動した
場合も常に効率の高い動作が可能となるという効果があ
る。
出して駆動周波数を決定するようにすることで、圧電ト
ランスの特性が温度によって変化した場合や、負荷特性
が変化して効率の良い駆動周波数が変動した場合にも、
常に最高効率で動作するという効果がある。
ャートである。
ある。
る。
Claims (5)
- 【請求項1】 圧電効果を利用して一次側に供給された
交流電圧を二次側に出力する圧電トランスと、 この圧電トランスの駆動周波数を制御する駆動周波数制
御手段と、 前記圧電トランスの一次側に供給される駆動電圧を制御
する駆動電圧制御手段と、 前記圧電トランスの入力と出力とから効率を算出する効
率演算手段と、 前記効率演算手段により最大効率が検出されたときの前
記圧電トランスの駆動周波数を検出する最大効率周波数
検出手段と、 前記駆動周波数制御手段により前記駆動周波数を制御し
て前記圧電トランスの二次出力が規定出力になったとき
の第1の駆動周波数を検出し、前記駆動電圧制御手段に
より前記駆動電圧を制御しつつ前記駆動周波数制御手段
により前記第1の駆動周波数から駆動周波数の掃引を開
始して、前記最大効率周波数検出手段により前記最大効
率周波数が検出されたとき、この最大効率周波数に前記
駆動周波数を設定するよう制御する制御手段と、 を含むことを特徴とする電源装置。 - 【請求項2】 前記制御手段は、前記駆動周波数を前記
最大効率周波数に設定した後、さらに前記最大効率周波
数検出手段により所定時間間隔で前記最大効率周波数を
検出制御してこの最大効率周波数に前記駆動周波数を設
定するよう制御することを特徴とする請求項1記載の電
源装置。 - 【請求項3】 前記制御手段は、前記第1の駆動周波数
の検出後に、前記駆動周波数制御手段を、前記圧電トラ
ンスの共振波数を挟んで少なくとも前記第1の駆動周波
数から前記規定出力が得られる第2の周波数の間の周波
数掃引をなすよう制御する様構成されていることを特徴
とする請求項1または2記載の電源装置。 - 【請求項4】 前記駆動周波数制御手段は、電圧制御発
振手段と、この電圧制御発振手段が少なくとも前記第1
の駆動周波数から前記第2の駆動周波数の間の周波数を
発振するための制御電圧を生成する制御電圧発生手段と
を有し、 前記駆動電圧制御手段は、前記電圧制御発振手段の発振
出力のレベルと比較電圧レベルとを比較するレベル比較
手段を有し、 この比較出力により前記圧電トランスの一次側を駆動制
御することを特徴とする請求項3記載の電源装置。 - 【請求項5】 前記制御手段はソフトウェアプログラム
により構成されていることを特徴とする請求項1〜4い
ずれか記載の電源装置。
Priority Applications (4)
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Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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