JPH04210773A - 電気・機械変換トランスを用いたコンバータの制御法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

［０００１１

【産業上の利用分野］本発明は、電気・機械変換トラン
スを用いた高周波コンバータの出力制御法に関するもの
である。 ［０００２］ 【従来の技術】電源装置に高周波スイッチング技術を適
用することにより、著しい高効率化および小形化が計ら
れてきた。これはスイッチングによる低損失化に加えて
、コンバータ構成要素の寸法および重量の大部分を占め
るトランス、リアクタ、平滑コンデンサ等の部品がスイ
ッチング周波数に反比例して容量を小さくすることがで
きることによるものである。これら部品のうち、最も小
形化が困難なものは電源トランスであり、特に最近強く
望まれている薄形化の要望に対し、高さを低くすること
が困難な電磁形トランスがそのネックとなっていた。 ［０００３］

【発明が解決しようとする課題】上述した巻線と鉄心を
有する電磁形トランスに代って、強誘電物質の圧電効果
による電気・機械変換系を利用した圧電トランスの適用
が有力になった。例えば図３と図４に示すように、チタ
ン酸鉛セラミック等の誘電体に２組の電極を取り付け、
−次側電極に高周波電圧を加えると誘電体は特定の方向
に伸縮し、誘電体の寸法によって定まる共振周波数にお
いて機械的振動は最大になる。一方、誘電体内部に発生
した機械的応力により二次側電極の分極の強さも高周波
で変動するので、分極によって誘電体表面に生じた電荷
を二次側電極から外部に取り出すと、この系は電気振動
→機械振動→電気振動というプロセスで電気エネルギー
を一次側から二次側へ伝えることができる。誘電体や電
極の形状を変化させることにより種々の変圧比の電気・
機械変換トランス（以゛下、圧電トランスという）を実
現でき、かつ、その構造は簡単で厚さ１ｍｍの薄形化も
可能であるので、コンバータの小形化、薄形化に有効で
ある。しかし乍ら、圧電トランスは内部にＱの高い共振
回路を等価的に含んでいるので、その動作は通常の電磁
形トランスとは大きく異なっている。図５は圧電トラン
スの機械系を電気系に置き換えた等価回路を示す。この
等価回路は共振周波数の近傍で成立する近似的なもので
あり、一般に次の条件を備えている。 Ｃｄ＋　、　Ｃｄ２＞　＞　Ｃ 例えば、二次側を開放してこの回路を一次側から２端子
網として見ると、良く知られている水晶振動子の等価回
路と同じであることが分かる。圧電トランスは上述した
特性を備えているので、圧電トランスを用いたコンバー
タにおいては、通常の電磁形トランスを使用したコンバ
ータと同じ出力制御法を採用することは困難である。 図６は通常の電磁形トランスを使用したフォワード形コ
ンバータと呼ばれるもので、出力の制御は主スイツチン
グ素子２１の時比率を調整することによって行っており
、スイッチング周波数は独立した発振器２８によってき
まり、一定である。即ち、他励式である。図７は通常の
電磁形トランスを使用したもう一つの例であって、リン
ギング・チョーク・コンバータと呼ばれているものであ
る。この主スイツチング素子３１はトランス３３二次側
の電流がＯになるタイミングを検出してオンとなり、オ
フのタイミングを調整すのことによって出力を制御する
。スイッチング周波数は一定ではなく、主回路の動作状
態によってきまる。即ち、自励発振回路である。この回
路は周波数を変えることによって出力を制御しているよ
うに見えるが、出力電圧は主スイツチング素子３１の時
比率によって決定されるので、本質的には時比率制御方
式であることが分かる。図８と図９は最近注目を集めて
いる共振形コンバータの動作波形図であり、図８は電流
共振形の場合の電流波形を示し、図９は電圧共振形の電
圧波形を示している。共振コンバータにおいては、般に
スイッチング周波数を調整することによって出力を制御
するが、その内容を見ると電流共振形においては主スイ
ツチング素子（図示してない）がオンの時に共振が起り
、そのオン時間ＴＯＮは共振回路素子の定数によってほ
ぼきまり（″−，共振周期の１／２）　、常に一定であ
る。 また、電圧共振形においては主スイツチング素子（図示
してない）がオフの時に共振が起こり、そのオフ時間Ｔ
ＯＦＦ　は矢張り共振回路素子の定数によってほぼきま
り、常に一定である。従って、スイッチング周波数を変
える（スイッチング周期Ｔｓ　を変える）ということは
、実は電流共振形においてはＴＯＦＦ　を、電圧共振形
においてはＴＯＮを調整することに他ならない。出力電
圧は何れの場合も時比率Ｄ＝Ｔｏｓ／　（”Ｉ”＋＋ｓ
　　＋ＴＯＦＦ　）によってほぼ決定されるから、結局
共振コンバータにおける制御も本質的には時比率制御方
式であるといえる。以上説明したように、従来の電磁形
１〜ランスを使用したコンバータにおける出力制御は何
れも本質的には時比率制御であるが、圧電トランスを用
いたコンバータにおいては圧電トランス内部にＱの高い
共振回路が存在するため、時比率制御のみによっては効
果的な出力制御は困難である。本発明はこの点に鑑みな
されたものであって、電気・機械変換トランス（圧電ト
ランス）を使用したコンバータの出力制御に適した制御
法を提案することを目的とするものである。 ［０００４］

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ために、本発明による電気・機械変換トランスを用いる
コンバータの制御法は、高周波スイッチングによる一次
側駆動回路と、この−次側駆動回路によって駆動される
内部に等価的な共振回路を有する電気・機械変換トラン
スと、このトランスの二次側に接続された出力整流回路
と、この出力整流回路の出力をフィードバックする検出
増幅回路を介して前記−次側駆動回路のスイッチング周
波数を制御する可変周波数発振器によって構成した高周
波スイッチングコンバータであって、前記電気・機械変
換トランスの有する共振周波数の近傍の周波数において
前記−次側駆動回路のスイッチング周波数を調整するこ
とによりコンバータの出力制御するものであり、また、
前記−次側駆動回路のスイッチング周波数の調整と共に
電圧・時比率変換回路を介して前記−次側駆動回路の時
比率を調整する２つの手段によりコンバータ出力制御を
行うものである。 ［０００５］

【作用】上述したように図５に示す等価回路は共振周波
数の近傍で成立するものであり、圧電トランスの二次側
に伝送される電力はスイッチング周波数が共振周波数に
等しい時に最大となり、スイッチング周波数と共振周波
数との偏差が大きい程、伝送される電力は小さくなる。 従って、定常時のスイッチング周波数を共振周波数から
若干ずれた周波数に設定しておき、出力電圧の変動に応
じてスイッチング周波数を調整すると定電圧コンバータ
を実現できる。 ［０００６］

【実施例】以下、この発明による電気・機械変換トラン
ス（圧電トランス）を用いたコンバータの制御法の実施
例を図面によって説明する。 ［０００７］図３は圧電トランスの構成を説明するため
の断面図、図４はその斜視図であって、図３２図４にお
いて、チタン酸鉛セラミック等の誘電体１３の上下面と
両側面に２組の電極１１＋　と１１２並びに１２＋　と
１２２　を取りつけ、例えば電極１１１　と１１２を一
次端子へ、電極１２、と１２２を二次端子に接続して圧
電トランスを構成する。 ［０００８１図１は本発明による電気・機械変換トラン
スを用いたコンバータの一実施例を示すブロック図であ
る。図１において、−次側駆動回路１は直流＠源６より
直流電力を入力し、可変周波発振器５によって定まる周
波数の高周波交流電力に変換して圧電トランス２の一次
側へ高周波電力を送り込む。前記圧電トランスの２の二
次側から前記高周波電力を取り出し出力整流回路３にお
いて直流電力に変換して負荷に供給する。前記出力整流
回路３からの出力電圧を検出増幅回路４によって検出増
幅し、可変周波発振器５に加えてその周波数を調整する
。圧電トランス１の内部には共振回路が存在するので二
次側に伝送される直流電力は前記圧電トランス１の一次
側への入力電力のスイッチング周波数が共振周波数に等
しくなったときに最大となる。従って、可変周波発振器
５を調整して一次側駆動回路１から出力される高周波交
流電力の周波数を定常時は前記共振周波数から若干ずれ
た所に設定しておき、出力電圧を検出増幅器４を介して
フィードバックさせることにより前記−次側駆動回路１
の周波数を共振周波数に近づけたり遠ざけたりすること
によって出力電圧を調整することができる。 ［０００９］図２は本発明によるもう１つの実施例を示
すブロック図であって、−次側駆動回路１．圧電トラン
ス２．出力整流回路３．検出増幅器４および可変周波発
振器５は図１と同一構成であるので説明は省略する。こ
のコンバータにおいては、電圧・時比率変換回路７を備
えており、前記−次側駆動回路１のスイッチング周波数
は前記可変周波発振器５によって、またその時比率は前
記電圧・時比率変換回路７によって、夫々規定され動作
する。即ち、このコンバータにおける出力制御は周波数
制御と時比率制御の２つの手段を用いている。

【００１０】

【発明の効果】以上説明したように、この発明による電
気・機械変換トランスを用いたコンバータの制御法は、
従来の電磁形トランスに代えて圧電トランスを用い、か
つ、圧電トランスの有する共振特性を巧に利用して従来
とは異なる原理のスイッチング周波数制御と時比率制御
より成る制御方式を与えるものであり、これによって充
分な制御特性を備えた、小形で薄形のコンバータを実現
できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による一実施例を示すブロック図。

【図２】本発明による他の実施例を示すブロック図。

【図３】圧電トランスの構成を示す断面図。

【図４】圧電トランスの斜視図。

【図５】圧電トランスの等価回路。

【図６】従来のフォワード形コンバータのブロック図。

【図７】従来のリンギング・チョーク・コンバータのフ
ロック図。

【図８】電流共振コンバータの電流波形図。

【図９】電圧共振形コンバータの電圧波形図。

【符号の説明】

１−次側駆動回路 ２　圧電トランス ３　出力整流回路 ４　検出増幅回路 ５　可変周波発振器 ６　直流電源 ７　電圧・時比率変換回路

【図７】

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高周波スイッチングによる一次側駆動回路
   と、この一次側駆動回路によって駆動される内部に等価
   的な共振回路を有する電気・機械変換トランスと、この
   電気・機械変換トランスの二次側に接続され直流電力を
   出力する出力整流回路と、さらに、前記直流電力を検出
   増幅してフィードバックする検出増幅回路を介して前記
   一次側駆動回路のスイッチング周波数を制御する可変周
   波数発振器と、によって構成した高周波スイッチングコ
   ンバータであって、前記電気・機械変換トランスの有す
   る共振周波数特性を利用して前記一次側駆動回路のスイ
   ッチング周波数を前記可変周波数発振器を介して調整す
   ることによりコンバータ出力を制御することを特徴とす
   る電気・機械変換トランスを用いたコンバータの制御法
   。
2. 【請求項２】一次側駆動回路のスイッチング周波数の調
   整を電気・機械変換トランスの有する共振周波数特性を
   利用し可変周波数発振器を介して行うと共に、検出増幅
   回路からのフィードバック電圧を入力する電圧・時比率
   変換回路を介して前記一次側駆動回路の時比率を調整す
   る２つの手段によりコンバータ出力を制御することを特
   徴とする「請求項１」に記載の電気・機械変換トランス
   を用いたコンバータの制御法。