JP3093187B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電トランスを用
いて交流電圧を生成する電源装置に関し、詳しくは、冷
陰極蛍光管などの負荷回路に供給するための交流信号を
圧電トランスによって生成する電源装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】この種の電源装置として、出願人は、図
３に示すインバータ装置３１を既に提案している（特願
平１０−１５８５２２号）。このインバータ装置３１
は、液晶用バックライトなどに用いられる冷陰極蛍光管
２に供給する疑似正弦波の交流電圧を圧電トランス３に
よって生成する。具体的構成として、インバータ装置３
１は、圧電トランス３と、圧電トランス３の駆動回路３
２とを備えている。また、駆動回路３２は、等価的に定
電流源を構成する直流電源部１０と、スイッチング信号
ＳS に同期して交互にオン状態に制御されることにより
プッシュプル動作で交流信号ＳACを生成するｎチャネル
形のＦＥＴ１３，１４と、スイッチング信号ＳS を反転
してＦＥＴ１３のゲートに供給するインバータ回路１５
と、中間端子（センタータップ）付きのスイッチング用
のコイル１６とを備えている。この場合、直流電源部１
０は、直流電源１１と、定電流源を構成するためのチョ
ークコイル１２とを備えて構成されている。また、コイ
ル１６は、内部に備えている磁気コアによって互いに磁
気的に結合する巻線１７ａ，１７ｂを直列接続して構成
されている。

【０００３】このインバータ装置３１では、スイッチン
グ信号ＳS に同期してＦＥＴ１３およびＦＥＴ１４が交
互にオン状態に制御されることにより準Ｅ級またはＥ級
の動作領域でいわゆるゼロボルトスイッチによるスイッ
チングを行う。この場合、ＦＥＴ１３およびＦＥＴ１４
の内部の寄生容量に蓄積される電荷をスイッチングする
ことに起因する電力損失がゼロボルトスイッチによって
回避され、これにより、交流信号ＳACが高効率で生成さ
れる。次いで、圧電トランス３が、入力端子３ａ，３ｂ
間に印加された交流信号ＳACを所定の利得で昇圧すると
共に、昇圧した交流出力信号ＳO を出力端子３ｃを介し
て冷陰極蛍光管２に出力する。この結果、交流出力信号
ＳO の電圧に応じた輝度で冷陰極蛍光管２が点灯する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、この出願人
が提案しているインバータ装置３１には以下の改善点が
ある。すなわち、インバータ装置３１では、本来的に
は、ＦＥＴ１３，１４を準Ｅ級またはＥ級の動作領域で
ゼロボルトスイッチによるスイッチングを行わせること
により、装置の電源効率の向上を図っている。一方、図
２に示すように、インバータ装置３１における駆動回路
３２は、値ＬO の出力インダクタンスとして等価的に表
され、圧電トランス３および冷陰極蛍光管２は、駆動回
路３２の負荷回路ＲL として等価的に表される。この場
合、負荷回路ＲL における並列のサセプタンス成分およ
び直列のリアクタンス成分をそれぞれ値Ｂおよび値Ｘと
し、抵抗成分を値Ｒとすれば、ＦＥＴ１３，１４がＥ級
動作領域で作動するためには、下記の式および式を
満たす必要がある。なお、下記の式および式の条件
をほぼ満たす場合には、ＦＥＴ１３，１４は、準Ｅ級動
作領域で作動する。 Ｂ・Ｒ＝０．１８６・・・・式 Ｘ／Ｒ＝１．１５２・・・・式

【０００５】一方、上記したサセプタンス成分Ｂおよび
リアクタンス成分Ｘは、圧電トランス３の種類、製造上
の素子特性のばらつき、および交流信号ＳACの周波数な
どに応じて変動する。特に、サセプタンス成分Ｂについ
ては、積層型の圧電トランス３を中央駆動で動作させる
場合には、単板Ｒｏｓｅｎ型の圧電トランス３を一次モ
ード、二次モードまたは三次モードで動作させる場合と
比較して、数倍大きくなる。また、単板Ｒｏｓｅｎ型の
圧電トランス３と同一の厚みで積層型の圧電トランス３
を製造した場合には、積層型の圧電トランス３のサセプ
タンス成分Ｂは、単板Ｒｏｓｅｎ型の圧電トランス３よ
りもさらに数倍大きくなる。また、抵抗成分Ｒについて
も、負荷としての冷陰極蛍光管２の種類などに応じて変
動する。したがって、圧電トランス３や冷陰極蛍光管２
の種類によっては、ＦＥＴ１３，１４が、必ずしも準Ｅ
級またはＥ級の動作領域で作動するとは限らず、ゼロボ
ルトスイッチの確実化を図ることが困難となる。この場
合、ゼロボルトスイッチが行われないときには、その際
の電力損失は、ＦＥＴ１３，１４の寄生容量に蓄積され
ている電荷の電圧が高くなるに従い、二次関数的に増大
する。このため、圧電トランス３や冷陰極蛍光管２の種
類などに影響されることなく高効率で作動するインバー
タ装置の開発が要請されている。

【０００６】本発明は、かかる改善点に鑑みてなされた
ものであり、圧電トランスやその負荷回路の種類などに
影響されることなく装置の電源効率の向上が可能な電源
装置を提供することを主目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく請
求項１記載の電源装置は、入力した交流電圧を所定の昇
圧比で昇圧して出力する圧電トランスと、一対のスイッ
チング素子によるプッシュプル回路で構成され圧電トラ
ンスに供給する交流信号をスイッチング動作によって生
成するスイッチング回路とを備えている電源装置におい
て、 Ｂ・Ｒ＝０．１８６・・・・式、および Ｘ／Ｒ＝１．１５２・・・・式（ただし、交流信号の
周波数下における「Ｂ」、「Ｘ」および「Ｒ」が、それ
ぞれ、圧電トランスを含みスイッチング回路に接続され
る負荷回路における等価的な並列のサセプタンス成分、
直列のリアクタンス成分、および並列の抵抗成分とす
る）で表される条件をほぼ満たす動作領域でスイッチン
グ回路を動作させるためのトリミング用素子を備えてい
ることを特徴とする。

【０００８】請求項２記載の電源装置は、請求項１記載
の電源装置において、トリミング用素子は、誘導性素子
および容量性素子の少なくとも一方で構成されているこ
とを特徴とする。

【０００９】請求項３記載の電源装置は、請求項２記載
の電源装置において、トリミング用素子は、その値が可
変できるタイプの素子で構成されていることを特徴とす
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、本発
明に係る電源装置をインバータ装置１に適用した実施の
形態について説明する。なお、インバータ装置３１にお
ける構成要素と同一のものについては、同一の符号を付
して重複した説明を省略する。

【００１１】図１に示すように、インバータ装置１は、
圧電トランス３と、圧電トランス３を駆動するための駆
動回路４とを備えている。駆動回路４は、従来のインバ
ータ装置３１における駆動回路３２と同様にして、直流
電源１１およびチョークコイル１２からなる直流電源部
１０と、本発明におけるスイッチング素子にそれぞれ相
当するＦＥＴ１３，１４と、インバータ回路１５と、ス
イッチング用のコイル１６とを備えている。この場合、
コイル１６は、巻線１７ａ，１７ｂを直列接続して構成
され、その一端１６ａがＦＥＴ１３のドレインおよび後
述するインダクタ１８に接続され、他端１６ｂがＦＥＴ
１４のドレインおよび圧電トランス３の他方の入力端子
３ｂに接続され、両巻線１７ａ，１７ｂの接続点である
中間端子１６ｃがチョークコイル１２の一端に接続され
ている。

【００１２】さらに、インバータ装置１は、インバータ
装置３１とは異なり、必要に応じて、トリミング用素子
としてのインダクタ１８およびコンデンサ１９，２０が
配設される。これらのトリミング素子１８〜２０の各値
を調整することにより、ＦＥＴ１３，１４は、圧電トラ
ンス３および冷陰極蛍光管２の種類に影響されずに準Ｅ
級またはＥ級の動作領域で作動する。

【００１３】圧電トランス３は、例えば、チタン酸ジル
コン酸鉛系セラミック（ＰＺＴ）をベースにして第三成
分や添加物で変成されたセラミック材料を使用したロー
ゼン型（Ｒｏｓｅｎ Ｔｙｐｅ）で構成されている。こ
の圧電トランス３は、入力端子３ａ，３ｂに交流信号Ｓ
ACを印加すると、交流信号ＳACを所定の利得で昇圧し、
昇圧した出力交流信号ＳO を圧電効果により出力端子３
ｃから出力する。本発明の実施の形態では、圧電トラン
ス３は、特に限定されないが、共振周波数が１１６ＫＨ
ｚで、出力交流信号ＳO の電力値が２Ｗの仕様で構成さ
れている。

【００１４】一方、インバータ装置１の負荷回路として
の冷陰極蛍光管２は、ノート型パソコンの液晶ディスプ
レイのバックライト用などとして用いられるものであ
り、その仕様は、例えば、点灯開始時に必要とする印加
電圧が約１２００Ｖｒｍｓ、通常点灯時に必要とする印
加電圧が約５００Ｖｒｍｓで消費電流が約２．５ｍＡ〜
５ｍＡとなっている。

【００１５】次に、インバータ装置１の全体的な動作に
ついて説明する。

【００１６】最初に、トリミング用素子の調整につい
て、図２を参照して説明する。なお、同図は、駆動回路
４の等価回路と、圧電トランス３および冷陰極蛍光管２
から構成される等価的な負荷回路ＲL を示している。例
えば、圧電トランス３の入力容量が上記の式を満たす
ために必要とされるサセプタンス成分Ｂ（同図参照）よ
りも余分なときには、その余分なサセプタンス成分Ｂを
キャンセルするためのインダクタを、コンデンサ１９に
代えて圧電トランス３の入力端子３ａ，３ｂ間に接続す
る。逆に、圧電トランス３の入力容量が必要とされるサ
セプタンス成分Ｂよりも不足しているときには、その不
足分のサセプタンス成分を等価的に補うためのインダク
タ１８を配設する。この場合、インダクタ１８を配設す
ることなく、その不足分と同容量のコンデンサ１９を圧
電トランス３の入力端子３ａ，３ｂ間に並列接続しても
よい。この結果、圧電トランス３の種類に応じて特に値
が変動するサセプタンス成分Ｂを、ＦＥＴ１３，１４が
準Ｅ級またはＥ級の動作領域で作動するために最も適切
な値に調整することができる。これにより、同図に示す
サセプタンス成分Ｂと、抵抗成分Ｒとが上記の式を満
足することになる。なお、抵抗成分Ｒは、圧電トランス
３の内部抵抗および冷陰極蛍光管２の入力抵抗の合計抵
抗値を意味する。

【００１７】また、圧電トランス３内部のリアクタンス
成分が上記の式を満たすために必要とされるリアクタ
ンス成分Ｘ（図２参照）よりも余分なときには、その余
分なリアクタンス成分をキャンセルするためのコンデン
サ２０を配設する。逆に、圧電トランス３のリアクタン
ス成分が必要とされるリアクタンス成分Ｘよりも不足し
ているときには、コンデンサ２０に代えて、その不足分
と等しいインダクタンスを有するチョークコイルを配設
する。この結果、図２に示すリアクタンス成分Ｘと、抵
抗成分Ｒとで、上記の式を満足することになる。

【００１８】一方、作動後の定常状態においては、スイ
ッチング信号ＳS がハイレベルのときに、ＦＥＴ１４お
よびＦＥＴ１３がそれぞれオン状態およびオフ状態に制
御される。この際には、チョークコイル１２が直流電源
１１の出力電流を電流制限することにより擬似的に定電
流制御する。同時に、コイル１６の巻線１７ｂには、電
流が流れることによりエネルギーが蓄積される。一方、
コイル１６の一端１６ａからは、その直前にＦＥＴ１３
がオン状態に制御されていた時に巻線１７ａに蓄積され
たエネルギーに基づく電流ＩLaが放出される。この時
に、ＦＥＴ１３のドレインには、直流電源１１の出力電
圧Ｖｏのほぼ３．５倍程度の電圧値である電圧ＶDaが発
生する。また、電流ＩLaは、インダクタ１８、圧電トラ
ンス３の一方の入力端子３ａ、圧電トランス３の内部、
圧電トランス３の他方の入力端子３ｂ、並びにＦＥＴ１
４のドレインおよびソースからなる電流経路を導通させ
られる。これにより、圧電トランス３は、入力端子３
ａ，３ｂ間に印加された交流信号ＳACを所定の利得で昇
圧すると共に、昇圧した交流出力信号ＳO を出力端子３
ｃを介して冷陰極蛍光管２に出力する。

【００１９】次いで、スイッチング信号ＳS がローレベ
ルのときには、ＦＥＴ１３およびＦＥＴ１４がそれぞれ
オン状態およびオフ状態に制御される。この際には、コ
イル１６の巻線１７ａには、電流が流れることによりエ
ネルギーが蓄積される。一方、コイル１６の他端１６ｂ
からは、その直前にＦＥＴ１４がオン状態に制御されて
いた時に巻線１７ｂに蓄積されたエネルギーに基づく電
流ＩLbが放出される。この時に、ＦＥＴ１４のドレイン
には、直流電源１１の出力電圧Ｖｏのほぼ３．５倍程度
の電圧値である電圧ＶDbが発生する。また、電流ＩLb
は、圧電トランス３の他方の入力端子３ｂ、圧電トラン
ス３の内部、圧電トランス３の一方の入力端子３ａ、イ
ンダクタ１８、並びにＦＥＴ１３のドレインおよびソー
スからなる電流経路を導通させられる。これにより、圧
電トランス３の入力端子３ａ，３ｂ間に交流信号ＳACが
印加される。これらの過程において、両ＦＥＴ１３，１
４が準Ｅ級またはＥ級の動作領域でゼロボルトスイッチ
を行う結果、インバータ装置１の電源効率が向上されて
いる。次いで、圧電トランス３は、入力端子３ａ，３ｂ
間に印加された交流信号ＳACを所定の利得で昇圧すると
共に、昇圧した交流出力信号ＳO を出力端子３ｃを介し
て冷陰極蛍光管２に出力する。

【００２０】このように、このインバータ装置１によれ
ば、必要に応じて、インダクタ１８やコンデンサ１９，
２０などのトリミング用素子を配設することにより、両
ＦＥＴ１３，１４を確実に準Ｅ級またはＥ級の動作領域
でゼロボルトスイッチ動作を行わせることができる。こ
の結果、インバータ装置１の電源効率を向上させること
ができる。また、トリミング用素子として、電力損失を
招くおそれのある抵抗を用いずに、誘導性素子や容量性
素子を用いたことにより、トリミング用素子による電力
損失の防止が図られている。

【００２１】なお、本発明は、上記した発明の実施の形
態に示した構成に限定されず、適宜変更が可能である。
例えば、圧電トランス３の種類などに応じて、上記の
式および式を満足させるために、インダクタ１８に代
えてコンデンサを配設することもできる。また、各トリ
ミング用素子の配設位置は、上記した位置に限らず、
式および式を満足する位置であれば任意の位置に配設
することができる。さらに、各トリミング用素子は、そ
の値を可変できるタイプの素子であってもよい。また、
ＦＥＴ１３，１４および圧電トランス３の間のインピー
ダンス、並びに圧電トランス３および冷陰極蛍光管２の
間のインピーダンスの両者の少なくとも一方をインピー
ダンス整合する整合手段を適宜配設することもできる。

【００２２】また、負荷回路は、冷陰極蛍光管２に限ら
ず他の負荷であってもよいし、スイッチング回路は、Ｆ
ＥＴ１に限らず、トランジスタなどを用いてもよい。さ
らに、ＦＥＴ１３，１４の負荷側回路についても、コイ
ル１６に代えてトランスを用いることもできる。また、
インバータ装置１における圧電トランス３の負荷側に整
流平滑回路を配設することにより、ＤＣ／ＤＣコンバー
タを構成することもできる。

【００２３】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る電源装置に
よれば、トリミング用素子によってプッシュプル回路の
スイッチング回路を準Ｅ級またはＥ級の動作領域で作動
させることができ、これにより、高電圧かつ大電力の交
流電圧を圧電トランスに供給する場合であっても、スイ
ッチング回路の効率を高めることができる結果、電源装
置全体としての電源効率を向上させることができる。ま
た、誘導性素子および容量性素子の少なくとも一方でト
リミング用素子を構成したことにより、そのトリミング
用素子による電力損失を防止することができる。

【００２４】また、請求項２記載の電源装置によれば、
トリミング用素子によってプッシュプル回路のスイッチ
ング回路を準Ｅ級またはＥ級の動作領域で作動させるこ
とができるため、高電圧かつ大電力の交流電圧を圧電ト
ランスに供給する場合であっても、スイッチング回路の
効率を高めることができ、これにより、電源装置全体と
しての電源効率を向上させることができる。

【００２５】さらに、請求項３記載の電源装置によれ
ば、誘導性素子および容量性素子の少なくとも一方でト
リミング用素子を構成したことにより、そのトリミング
用素子による電力損失を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係るインバータ装置１の
回路図である。

【図２】本発明の実施の形態に係るインバータ装置１お
よび従来のインバータ装置３１の等価回路図である。

【図３】従来のインバータ装置３１の回路図である。

【符号の説明】

１ インバータ装置 ３ 圧電トランス ４ 駆動回路 １３ ＦＥＴ １４ ＦＥＴ １８ インダクタ １９ コンデンサ ２０ コンデンサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−93959（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−212145（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−74744（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−223945（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02M 7/538 H02M 3/24 H05B 41/24

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力した交流電圧を所定の昇圧比で昇圧
   して出力する圧電トランスと、一対のスイッチング素子
   によるプッシュプル回路で構成され前記圧電トランスに
   供給する交流信号をスイッチング動作によって生成する
   スイッチング回路とを備えている電源装置において、 Ｂ・Ｒ＝０．１８６・・・・式、および Ｘ／Ｒ＝１．１５２・・・・式（ただし、前記交流信
   号の周波数下における「Ｂ」、「Ｘ」および「Ｒ」が、
   それぞれ、前記圧電トランスを含み前記スイッチング回
   路に接続される負荷回路における等価的な並列のサセプ
   タンス成分、直列のリアクタンス成分、および並列の抵
   抗成分とする）で表される条件をほぼ満たす動作領域で
   前記スイッチング回路を動作させるためのトリミング用
   素子を備えていることを特徴とする電源装置。
2. 【請求項２】 前記トリミング用素子は、誘導性素子お
   よび容量性素子の少なくとも一方で構成されていること
   を特徴とする請求項１記載の電源装置。
3. 【請求項３】 前記トリミング用素子は、その値が可変
   できるタイプの素子で構成されていることを特徴とする
   請求項２記載の電源装置。