JP5064346B2 - 圧電トランスを用いた高電圧電源回路 - Google Patents
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Description
圧電トランスを使用して直流の高電圧を発生させる場合には、圧電トランスの出力端子に、ダイオ−ド、コンデンサ、抵抗等によって構成された整流回路が接続される。このような整流回路に負荷を接続した場合、電源回路の最大出力電圧は、圧電トランスの昇圧比によって定められる。従って、電源回路の出力を高電圧にするためには、圧電トランスへ入力する駆動電圧を高くする、または当該駆動電圧の周波数を高くする必要がある。
圧電トランスと、前記圧電トランスへ供給する駆動電圧の周波数を制御する周波数制御部と、前記周波数制御部の出力信号に応じて前記駆動電圧を発生する駆動部と、前記駆動電圧が供給された圧電トランスの出力電圧を直流電圧へ整流する整流部と、前記整流部に接続して該整流部の出力電圧を高める出力特性調整用コンデンサとを有し、
前記出力特性調整用コンデンサは、前記周波数制御部が前記圧電トランスの出力短絡電流に基づいて設定された周波数を用いて前記駆動電圧の周波数制御を行うことが可能なように、前記圧電トランスの共振周波数をシフトする容量を有する、
圧電トランスを用いた高電圧電源回路が提供される。
<第1の実施形態>
[高電圧電源回路の構成]
図1は、本発明の第1の実施形態による圧電トランスを用いた高電圧電源回路の構成を示すブロック図である。
図1の高電圧電源回路1は、出力端子T5,T6に負荷2を外部接続している。高電圧電源回路1は、信号変換部3、基準電圧生成部4、比較部5、周波数制御部6、駆動部7、共振部8、圧電トランス9、整流部10、電圧検出部11、および、電流検出部12を有している。
基準電圧生成部4は、高電圧電源回路1の入力端子T1を介して外部から入力電圧VINを入力し、生成した基準電圧Vrefを比較部5および周波数制御部6へ出力するように構成されている。
周波数制御部6は、所定の周波数で発振する発振部6aを有する。また、周波数制御部6は、基準電圧Vrefと比較部5の出力信号とを入力し、駆動部7の動作を制御するように構成されている。
駆動部7は、周波数制御部6の制御に応じて共振部8を動作させるように構成されている。
圧電トランス9は、1次側端子に共振部8からの駆動電圧を入力し、2次側端子に発生した出力電圧を整流部10へ出力するように構成されている。
電圧検出部11は、整流部10において生成された直流電圧、即ち高電圧電源回路1もしくは圧電トランス9の出力電圧を検出し、この出力電圧検出値を比較部5へ入力するように構成されている。
電流検出部12は、整流部10において生成された直流電流、即ち高電圧電源回路1もしくは圧電トランス9の出力電流を検出し、この出力電流検出値を、比較部5および高電圧電源回路1の出力端子T4へ入力するように構成されている。
図2は、第1の実施形態による圧電トランスを用いた高電圧電源回路の構成を示す説明図である。図1に示したものと同一部分に同じ符号を使用し、図2に用いた各符号の説明を省略する。この図は、図1に示した高電圧電源回路1の出力部の構成を示しており、整流部10、圧電トランス9、共振部8を構成するインダクタL1およびコンデンサC1、駆動部7の一部分をなすスイッチングトランジスタTr1、および抵抗R100の電気接続を示している。また図2には、高電圧電源回路1の出力端子T5,T6に接続される負荷2の電気接続を示している。なお、図2の整流部10は、図1に示した電圧検出部11および電流検出部12の回路接続部分について図示を省略している。
ダイオ−ドD1のアノ−ドとダイオ−ドD2とのカソ−ドの接続点、即ち圧電トランス9の出力端子には、コンデンサC0(出力特性調整用コンデンサ)の一端が接続されている。コンデンサC0の他端は、GNDに接続されている。
次に動作について説明する。
[通常の高電圧出力動作]
初めに、出力端子T5,T6間に負荷2を接続して電圧を供給する、通常の高電圧電源回路1の動作を説明する。
高電圧電源回路1は、入力端子T1を介して外部から直流の入力電圧VINを入力する。基準電圧生成部4は、入力電圧VINを用いて所定の直流電圧値を有する基準電圧Vrefを生成する。
また高電圧電源回路1は、入力端子T2を介して外部からPWM制御信号を入力する。PWM制御信号は、圧電トランス9へ供給する駆動電圧の周波数を設定する、即ち圧電トランス9の出力電圧を設定する制御信号である。
比較部5は、PWM制御信号が示す出力電圧値、基準電圧Vref、および電圧検出部11からの出力電圧検出値を用いた比較処理、ならびに前述の比較結果に電流検出部12からの出力電流検出値を加味して、圧電トランス9が発生すべき電圧を表す信号を生成する。
駆動部7は、周波数制御部6からの周波数制御信号に応じて図2のスイッチングトランジスタTr1をON/OFFさせる。駆動部7は、前述のスイッチング動作によって共振部8を共振させ、詳しくは、コンデンサC1に圧電トランス9の入力容量を加味した容量と、インダクタL1とを共振させて駆動電圧を発生させる。
なお、本実施形態で圧電トランス9へ入力される駆動電圧は、周波数によらず、デュ−ティ比が一定である。
整流部10は、圧電トランス9から出力された電力を整流し、抵抗R100を介して直流電力を高電圧電源回路1の出力端子T5,T6へ出力する。
電圧検出部11は、整流部10において生成された直流の電圧値を検出し、前述のように比較部5へ出力する。比較部5は、前述のように比較処理を行うとき、この出力電圧値を加味して、圧電トランス9が発生する電圧値にフィ−ドバック制御を行っている。
上述のように、負荷2を外部接続した高電圧電源回路1は、通常の電圧出力動作を行う。
高電圧電源回路1は、前述の通常の出力動作を行う前に、次に説明する設定動作を行う。
圧電トランス9は、製造工程の焼成や成型において若干の個体差が生じ、完成品の出力特性に若干の差異を有する場合がある。具体的には、圧電トランス9は、製造ロット等が異なると、共振周波数に若干のばらつきを有する場合がある。
そのため、完成品の圧電トランス9を動作させて、出力電圧を広範囲にわたって変化させるとき、画一の制御を行うと圧電トランス9の共振周波数を越える場合があり、いわゆる山越えを起こして出力電圧を制御することが困難になる場合がある。圧電トランス9の個体差による共振周波数のばらつきによって生じる上記のような障害を避けるため、次のように駆動電圧の周波数を設定する。
なお、上記の駆動電圧の周波数制御は、入力端子T2へ入力するPWM制御信号を用いて行う。また、上記の様々な値の負荷2は、高電圧電源回路1が電力供給を行うことができる範囲内の値を有するものである。
そこで、予め計測しておいた出力短絡電流値を用いて駆動電圧の周波数を設定することにより、圧電トランス9の山越えを確実に防ぐことが可能になる。
前述の記憶手段に蓄積されているデ−タの中から、高電圧電源回路1へ接続可能な負荷2の範囲内において、最も高い周波数の共振周波数を圧電トランス9へ供給したときの出力短絡電流値を抽出する。出力端子T5,T6間を短絡した状態において、高電圧電源回路1を動作させる。このとき出力端子T4へ出力される電流値を監視し、この監視している電流値が上記の記憶手段から抽出した出力短絡電流値以下となるように、駆動電圧の周波数を調整する。
この駆動電圧の周波数調整は、例えば、操作者が、記憶手段から前述の出力短絡電流値を抽出し、また、出力端子T4に電流計等のモニタ機器を接続して前述の電流値を監視し、入力端子T2へ入力するPWM制御信号の内容を変更して行う。
また、CPU等の制御手段が、記憶手段から前述の出力短絡電流値を抽出し、出力端子T4へ出力される電流値を監視して当該電流値が上記の抽出した出力短絡電流値以下となるようにPWM制御信号を変化させ、駆動電圧の周波数を調整するようにしてもよい。
図3〜5は、第1の実施形態による高電圧電源回路の動作を示す説明図である。これらの図は、高電圧電源回路1の出力特性を示すグラフであり、コンデンサC0の容量をパラメ−タとしたときの出力電圧値と駆動電圧の周波数との関係を示している。これらの図において、縦軸は高電圧電源回路1の出力直流電圧値、横軸は圧電トランス9の駆動電圧の周波数を表している。なお、横軸に示した駆動電圧の周波数は、図中左側において周波数が高くなり、右側において周波数が低くなる。また、ここで例示した各特性曲線は、175[kHz]から145[kHz]の範囲の駆動電圧を任意の圧電トランス9へ供給したときに高電圧電源回路1から出力される直流電圧を表している。
図3(A)に例示した特性曲線(S)の最大値は3.5[mA]である。
また、図3(A)に例示した特性曲線(1)の最大値は0.608[kV]、特性曲線(2)の最大値は1.47[kV]、特性曲線(3)の最大値は2.47[kV]、特性曲線(4)の最大値は3.94[kV]である。
図3(B)に例示した特性曲線(S)の最大値は3.7[mA]である。
また、図3(B)に例示した特性曲線(1)の最大値は0.736[kV]、特性曲線(2)の最大値は1.97[kV]、特性曲線(3)の最大値は3.23[kV]、特性曲線(4)の最大値は4.38[kV]である。
図4(A)に例示した特性曲線(S)の最大値は3.9[mA]である。
また、図4(A)に例示した特性曲線(1)の最大値は0.832[kV]、特性曲線(2)の最大値は2.35[kV]、特性曲線(3)の最大値は3.70[kV]、特性曲線(4)の最大値は5.06[kV]である。
図4(B)に例示した特性曲線(S)の最大値は3.9[mA]である。
また、図4(B)に例示した特性曲線(1)の最大値は0.912[kV]、特性曲線(2)の最大値は2.62[kV]、特性曲線(3)の最大値は3.87[kV]、特性曲線(4)の最大値は4.94[kV]である。
図5(A)に例示した特性曲線(S)の最大値は3.5[mA]である。
また、図5(A)に例示した特性曲線(1)の最大値は1.14[kV]、特性曲線(2)の最大値は2.82[kV]、特性曲線(3)の最大値は3.54[kV]、特性曲線(4)の最大値は3.97[kV]である。
図5(B)に例示した特性曲線(S)の最大値は3.26[mA]である。
また、図5(B)に例示した特性曲線(4)の最大値は3.70[kV]、特性曲線(5)の最大値は6.64[kV]、特性曲線(6)の最大値は7.04[kV]である。
例えば、図3〜図5に示した各特性が得られる容量のコンデンサC0を高電圧電源回路1に備えたときには、当該高電圧電源回路1が安定した電圧出力を行うことが可能な程度において、圧電トランス9の共振周波数もしくは周波数特性がシフトする。
換言すると、コンデンサC0は、前述のように出力短絡電流を用いて駆動電圧の周波数を設定することが可能な範囲内において圧電トランス9の共振周波数もしくは周波数特性がシフトする程度の容量を有している。
図6(A)に例示した、特性曲線(10)の最大値は0.588[kV]、特性曲線(11)の最大値は0.696[kV]、特性曲線(12)の最大値は0.804[kV]、特性曲線(13)の最大値は0.888[kV]、特性曲線(14)の最大値は1.500[kV]である。
図6(B)に例示した、特性曲線(10)の最大値は1.46[kV]、特性曲線(11)の最大値は1.97[kV]、特性曲線(12)の最大値は2.34[kV]、特性曲線(13)の最大値は2.61[kV]、特性曲線(14)の最大値は2.80[kV]である。
図7(A)に例示した、特性曲線(10)の最大値は2.41[kV]、特性曲線(11)の最大値は3.20[kV]、特性曲線(12)の最大値は3.68[kV]、特性曲線(13)の最大値は3.83[kV]、特性曲線(14)の最大値は3.48[kV]である。
図7(B)に例示した、特性曲線(10)の最大値は3.94[kV]、特性曲線(11)の最大値は4.32[kV]、特性曲線(12)の最大値は5.00[kV]、特性曲線(13)の最大値は4.86[kV]、特性曲線(14)の最大値は3.85[kV]である。
図8(A)に例示した、特性曲線(20)の最大値は1.12[kV]、特性曲線(21)の最大値は1.25[kV]、特性曲線(22)の最大値は1.24[kV]、特性曲線(23)の最大値は1.05[kV]、特性曲線(24)の最大値は0.972[kV]である。
図8(B)に例示した、特性曲線(30)の最大値は1.92[kV]、特性曲線(31)の最大値は2.58[kV]、特性曲線(32)の最大値は2.68[kV]、特性曲線(33)の最大値は2.58[kV]、特性曲線(34)の最大値は2.70[kV]である。
また、コンデンサC0を備えることにより、各特性曲線のピ−ク値が大きくなり、ピ−ク値の近傍において特性曲線の立ち上がりが急峻になる。
前述のように、周波数制御部6は、山越えを生じないように駆動電圧の周波数を制御する。このような周波数制御を行うとき、適当な容量のコンデンサC0を備えると、駆動電圧の周波数をわずかに変化させる、具体的には低い周波数へシフトさせることにより、大きく出力電圧を増大させることが可能になる。
図9(A)の縦軸は、コンデンサC0が接続されていないときの高電圧電源回路1の出力電圧を1倍とし、この出力電圧に対して、各容量のコンデンサC0を接続したときの出力電圧を倍率で表している。また、図9(A)の横軸は、コンデンサC0の容量を表している。
図9(A)の特性曲線(a)は、負荷2が10[MΩ]の場合の出力倍率を示している。また、特性曲線(b)は、負荷2が20[MΩ]の場合の出力倍率を示している。
また、20[MΩ]の負荷2へ電圧を供給するときには、1[PF]のコンデンサC0を用いると最も大きな出力電圧が得られ、コンデンサC0が無い場合に比べて1.21倍の高電圧を出力することができる。
このように、負荷2の大きさに応じて一定の容量を有するコンデンサC0を備えることにより、整流部10から出力される直流電圧を増大させることができる。
図9(B)に例示した特性曲線(c)は、10[MΩ]の負荷2を高電圧電源回路1に接続し、当該高電圧電源回路1から1.5[kV]の直流電圧を出力させた場合の、圧電トランス9の入力電流とコンデンサC0の容量との関係を示している。特性曲線(c)として示した一例は、次のような値を有している。
このように、コンデンサC0は、5[PF]以下の小さい容量を有する場合、好ましくは例えば1〜3.3[PF]の場合に、圧電トランス9の出力効率を低下させず、高電圧電源回路1から出力される直流電圧を有効に増大させる。
なお、図3〜図9に示した各特性曲線は、標準的な圧電トランスの特性を例示したものであるが、製造ロット等の差異により圧電トランスが共振周波数のばらつきを有する場合でも、上記の各図に示した特性と同様な傾向を示す。
このようにすることによって、簡素な構成により、昇圧比を向上させて安定した直流電圧を出力することができる。
また、コンデンサC0を整流部10へ接続することにより、圧電トランス9の共振周波数がシフトし、圧電トランス9の駆動電圧周波数をわずかに変化させることにより出力電圧を大きく調整することが可能になる。
Claims (1)
- 圧電トランスと、
前記圧電トランスへ供給する駆動電圧の周波数を制御する周波数制御部と、
前記周波数制御部の出力信号に応じて前記駆動電圧を発生する駆動部と、
前記駆動電圧が供給された圧電トランスの出力電圧を直流電圧へ整流する整流部と、
前記整流部に接続して該整流部の出力電圧を高める出力特性調整用コンデンサと、
を有し、
前記出力特性調整用コンデンサは、前記周波数制御部が前記圧電トランスの出力短絡電流に基づいて設定された周波数を用いて前記駆動電圧の周波数制御を行うことが可能なように、前記圧電トランスの共振周波数をシフトする容量を有する、
圧電トランスを用いた高電圧電源回路。
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