JPH04285479A - 共振形スイッチング電源 - Google Patents
共振形スイッチング電源Info
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- JPH04285479A JPH04285479A JP3046786A JP4678691A JPH04285479A JP H04285479 A JPH04285479 A JP H04285479A JP 3046786 A JP3046786 A JP 3046786A JP 4678691 A JP4678691 A JP 4678691A JP H04285479 A JPH04285479 A JP H04285479A
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- JP
- Japan
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- power supply
- switch
- inductor
- capacitor
- capacitive load
- Prior art date
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- Pending
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- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 19
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 2
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 abstract description 2
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 abstract description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 101000582320 Homo sapiens Neurogenic differentiation factor 6 Proteins 0.000 description 1
- 102100030589 Neurogenic differentiation factor 6 Human genes 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
- Dc-Dc Converters (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、共振形スイッチング電
源、特に容量性負荷に対して交番電界を印加するための
電源に関し、特にその駆動効率を改善した共振形スイッ
チング電源に関する。
源、特に容量性負荷に対して交番電界を印加するための
電源に関し、特にその駆動効率を改善した共振形スイッ
チング電源に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、積層型圧電素子を用いたアクチュ
エータが各種提案されており、プリンタなどに使用され
ている。その駆動条件としては、1[kHz]から数十
[kHz]の高周波数に於いて矩形波電圧駆動が要求さ
れるものが多い。積層型圧電素子は電気的には大容量の
容量性負荷なので、その駆動時には伸縮振動に従い充放
電が繰り返される。
エータが各種提案されており、プリンタなどに使用され
ている。その駆動条件としては、1[kHz]から数十
[kHz]の高周波数に於いて矩形波電圧駆動が要求さ
れるものが多い。積層型圧電素子は電気的には大容量の
容量性負荷なので、その駆動時には伸縮振動に従い充放
電が繰り返される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
容量性負荷からの放電エネルギは従来それに並列接続さ
れた抵抗により発熱消費されることが多く、すべて駆動
損失となっていた。そのために、容量性負荷の駆動効率
は非常に低く、駆動周波数が高いときには抵抗に発熱消
費される電力は数十[W]に達することがあり、周囲機
器の温度上昇などの問題があった。
容量性負荷からの放電エネルギは従来それに並列接続さ
れた抵抗により発熱消費されることが多く、すべて駆動
損失となっていた。そのために、容量性負荷の駆動効率
は非常に低く、駆動周波数が高いときには抵抗に発熱消
費される電力は数十[W]に達することがあり、周囲機
器の温度上昇などの問題があった。
【0004】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、容量性負荷の駆動効率を向上す
ることをその目的としている。
になされたものであり、容量性負荷の駆動効率を向上す
ることをその目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の共振形スイッチング電源に於いては、直流電
源と、スイッチ手段とを具備し、容量性負荷に対して交
番電界を印加するための共振形スイッチング電源におい
て、容量性負荷の静電エネルギを回収して保持するため
の容量性素子と、容量性負荷と容量性素子との間に設け
られ、それら相互のエネルギ転送を行なうためのインダ
クタ、第1及び第2のスイッチ手段と、容量性素子と直
流電源との間に設けられた第3のスイッチ手段と、第1
ないし第3のスイッチ手段のON・OFFタイミングを
制御するための制御手段とを備え、容量性負荷とインダ
クタ及び容量性素子とインダクタの共振周波数は、スイ
ッチング手段の駆動周波数よりも大きくなるようにして
ある。
に本発明の共振形スイッチング電源に於いては、直流電
源と、スイッチ手段とを具備し、容量性負荷に対して交
番電界を印加するための共振形スイッチング電源におい
て、容量性負荷の静電エネルギを回収して保持するため
の容量性素子と、容量性負荷と容量性素子との間に設け
られ、それら相互のエネルギ転送を行なうためのインダ
クタ、第1及び第2のスイッチ手段と、容量性素子と直
流電源との間に設けられた第3のスイッチ手段と、第1
ないし第3のスイッチ手段のON・OFFタイミングを
制御するための制御手段とを備え、容量性負荷とインダ
クタ及び容量性素子とインダクタの共振周波数は、スイ
ッチング手段の駆動周波数よりも大きくなるようにして
ある。
【0006】
【作用】第3のスイッチをONすると、直流電源により
コンデンサに充電される。容量性素子に並列に接続され
た電圧計により測定される電圧が所定値になったら、第
2のスイッチをOFFして第2のスイッチをONすると
、コンデンサの静電エネルギがインダクタに移送され、
磁気エネルギとして蓄積される。このエネルギ移送に要
する時間は、コンデンサの静電容量とインダクタのイン
ダクタンスとの直列共振周波数により決定されるので、
共振形スイッチング電源の駆動周波数よりも十分速いこ
とが必要である。
コンデンサに充電される。容量性素子に並列に接続され
た電圧計により測定される電圧が所定値になったら、第
2のスイッチをOFFして第2のスイッチをONすると
、コンデンサの静電エネルギがインダクタに移送され、
磁気エネルギとして蓄積される。このエネルギ移送に要
する時間は、コンデンサの静電容量とインダクタのイン
ダクタンスとの直列共振周波数により決定されるので、
共振形スイッチング電源の駆動周波数よりも十分速いこ
とが必要である。
【0007】容量性素子に並列に接続された電圧計によ
り測定される電圧がほぼゼロになったら、第2のスイッ
チをOFFして第1のスイッチをONする。すると、イ
ンダクタの磁気エネルギが容量性負荷に移送され、静電
容量の静電エネルギとして蓄積される。電圧計により測
定される電圧が所定値になったら、第3のスイッチをO
FFする。すると、容量性負荷の前記静電容量の静電エ
ネルギが内部損失により消費され、電圧が小さくなって
いく。
り測定される電圧がほぼゼロになったら、第2のスイッ
チをOFFして第1のスイッチをONする。すると、イ
ンダクタの磁気エネルギが容量性負荷に移送され、静電
容量の静電エネルギとして蓄積される。電圧計により測
定される電圧が所定値になったら、第3のスイッチをO
FFする。すると、容量性負荷の前記静電容量の静電エ
ネルギが内部損失により消費され、電圧が小さくなって
いく。
【0008】再び第1のスイッチをONすると、容量性
負荷の静電容量に残っていた静電エネルギがインダクタ
に移送される。電圧計により測定される電圧がほぼゼロ
になったら、第1のスイッチをOFFして第2スイッチ
をONする。すると、上記現象と逆の状態となり、容量
性素子にエネルギが移送される。
負荷の静電容量に残っていた静電エネルギがインダクタ
に移送される。電圧計により測定される電圧がほぼゼロ
になったら、第1のスイッチをOFFして第2スイッチ
をONする。すると、上記現象と逆の状態となり、容量
性素子にエネルギが移送される。
【0009】容量性素子とインダクタ間に接続された電
流計により測定される電流がほぼゼロになったら、第2
スイッチをOFFして第1スイッチをONすると、コン
デンサには前記内部損失で消費された電力が直流電源に
より充電される。このように上記の構成を有する本発明
の共振形スイッチング電源においては、スイッチ手段の
タイミング調節により、容量性負荷から放電される静電
エネルギをいったんインダクタの磁気エネルギとして蓄
積し、更に容量性素子に回生する。この時、前記容量性
負荷の内部損失による電力消費分を、電源により充電す
る。そして、再びインダクタを介して容量性負荷にエネ
ルギを転送すると言う行程を繰り返す。その結果、容量
性負荷で不要となった静電エネルギ回生が可能となり、
駆動損失がほぼ負荷の内部損失のみとなるので、容量性
負荷の駆動効率を向上することができる。
流計により測定される電流がほぼゼロになったら、第2
スイッチをOFFして第1スイッチをONすると、コン
デンサには前記内部損失で消費された電力が直流電源に
より充電される。このように上記の構成を有する本発明
の共振形スイッチング電源においては、スイッチ手段の
タイミング調節により、容量性負荷から放電される静電
エネルギをいったんインダクタの磁気エネルギとして蓄
積し、更に容量性素子に回生する。この時、前記容量性
負荷の内部損失による電力消費分を、電源により充電す
る。そして、再びインダクタを介して容量性負荷にエネ
ルギを転送すると言う行程を繰り返す。その結果、容量
性負荷で不要となった静電エネルギ回生が可能となり、
駆動損失がほぼ負荷の内部損失のみとなるので、容量性
負荷の駆動効率を向上することができる。
【0010】
【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例を図1乃
至図3を参照しつつ以下に説明する。図1は、本実施例
の共振形スイッチング電源の構成を示す等価回路である
。共振形スイッチング電源10は、直流電源20に第3
のスイッチ30を介してコンデンサ40が接続されてい
る。ここに、コンデンサ40の静電容量を41、絶縁抵
抗を42で示してある。又、符号51はコンデンサ40
への充電時間調節用抵抗素子である。更に、コンデンサ
40には、第2スイッッチ50を介してインダクタ60
が接続されている。ここに、インダクタ60はインダク
タンス61と、内部抵抗62からなる。そして、第1ス
イッチ70を介して容量性負荷80が接続されるように
なっている。ここでは、容量性負荷80は、静電容量8
1、絶縁抵抗82又内部損失83からなる等価回路で示
す。
至図3を参照しつつ以下に説明する。図1は、本実施例
の共振形スイッチング電源の構成を示す等価回路である
。共振形スイッチング電源10は、直流電源20に第3
のスイッチ30を介してコンデンサ40が接続されてい
る。ここに、コンデンサ40の静電容量を41、絶縁抵
抗を42で示してある。又、符号51はコンデンサ40
への充電時間調節用抵抗素子である。更に、コンデンサ
40には、第2スイッッチ50を介してインダクタ60
が接続されている。ここに、インダクタ60はインダク
タンス61と、内部抵抗62からなる。そして、第1ス
イッチ70を介して容量性負荷80が接続されるように
なっている。ここでは、容量性負荷80は、静電容量8
1、絶縁抵抗82又内部損失83からなる等価回路で示
す。
【0011】上述の等価回路に於いて、インダクタ60
のインダクタンス61の大きさは、容量性負荷80との
直列共振周波数が、該共振形スイッチング電源10の駆
動周波数よりも十分大きくなるように選択する。同様に
、コンデンサ40の静電容量41も、インダクタ60と
の直列共振周波数が該共振形スイッチング電源10の駆
動周波数よりも十分大きくなるように選択するので、結
局容量性負荷80の静電容量81の大きさに近くなる。 そして、絶縁抵抗42及び絶縁抵抗82の大きさは一般
に非常に大きくMΩオーダーであるため、それらによる
電力損失は非常に小さい。また、内部抵抗62の値も、
インダクタ60の線径を大きくすることなどによって小
さくすることが可能である。
のインダクタンス61の大きさは、容量性負荷80との
直列共振周波数が、該共振形スイッチング電源10の駆
動周波数よりも十分大きくなるように選択する。同様に
、コンデンサ40の静電容量41も、インダクタ60と
の直列共振周波数が該共振形スイッチング電源10の駆
動周波数よりも十分大きくなるように選択するので、結
局容量性負荷80の静電容量81の大きさに近くなる。 そして、絶縁抵抗42及び絶縁抵抗82の大きさは一般
に非常に大きくMΩオーダーであるため、それらによる
電力損失は非常に小さい。また、内部抵抗62の値も、
インダクタ60の線径を大きくすることなどによって小
さくすることが可能である。
【0012】また、第3スイッチ30乃至第1スイッチ
70は、実際には高速・大容量の半導体素子、例えば電
界効果トランジスタ(FET)、サイリスタ(GTOサ
イリスタ或いはIGBT)などを用いるとよい。これら
のスイッチ30、50及び70は、制御回路90により
ON・OFFタイミング調整される。制御回路90には
、共振形スイッチング電源10中に設置された電圧計1
00、101及び電流計102より測定情報が入力され
るようにしてある。
70は、実際には高速・大容量の半導体素子、例えば電
界効果トランジスタ(FET)、サイリスタ(GTOサ
イリスタ或いはIGBT)などを用いるとよい。これら
のスイッチ30、50及び70は、制御回路90により
ON・OFFタイミング調整される。制御回路90には
、共振形スイッチング電源10中に設置された電圧計1
00、101及び電流計102より測定情報が入力され
るようにしてある。
【0013】上記したような構成を有する共振形スイッ
チング電源10の動作原理につき、図2を参照しつつ動
作順に説明する。図2は、第3スイッチ30乃至第1ス
イッチ70のタイミングチャート及び図1中に示した電
圧V1 、V3 電流I2 の波形を併記したものであ
る。初期状態に於いては、第3スイッチ30乃至第1ス
イッチ70はすべてOFFとなっている。 (1)第3スイッチ30をONすると、抵抗素子51に
より調節される時定数によって直流電源20によりコン
デンサ40に充電される。 (2)電圧計100により測定される電圧V1 が所定
値になったら、第3スイッチ30をOFFして第2スイ
ッチ50をONする。すると、コンデンサ40の静電エ
ネルギがインダクタ62に移送され、磁気エネルギとし
て蓄積される。このエネルギ移送に要する時間は、コン
デンサ40の静電容量41とインダクタ60のインダク
タンス61との直列共振周波数により決定されるので、
共振形スイッチング電源の駆動周波数よりも十分速いこ
とが必要である。 (3)次に電圧計100により測定される電圧V1 が
ほぼゼロになったら、第2スイッチ50をOFFして第
3スイッチ70をONする。すると、インダクタ60の
磁気エネルギが容量性負荷80に移送され、静電容量8
1の静電エネルギとして蓄積される。 (4)電圧計100により測定される電圧V2 が所定
値になったら、第3スイッチ70をOFFする。すると
、前記静電容量81の静電エネルギが内部損失83によ
り消費され、電圧V3 が小さくなっていく。 (5)再び第3スイッチ70をONすると、容量性負荷
80の静電容量81に残っていた静電エネルギがインダ
クタ60に移送される。 (6)電圧計100により測定される電圧V2 がほぼ
ゼロになったら、第3スイッチ70をOFFして第2ス
イッチ50をONする。すると、上記(2)の現象と逆
の状態となり、コンデンサ40にエネルギが移送される
。 (7)電流計102により測定される電流がほぼゼロに
なったら、第2スイッチ50をOFFして第1スイッチ
30をONする。すると、コンデンサ40には前記内部
損失で消費された電力が直流電源20より充電される。 この後、上記(2)から(7)までの操作を一周期とし
て繰り返すことによって、容量性負荷80に充放電が繰
り返される。その結果、容量性負荷で不要となった静電
エネルギの回生が可能となり、駆動損失がほぼ負荷の内
部損失のみとなるので、容量性負荷の駆動効率を向上す
ることができる。又、本方式によれば、LC共振の時定
数及びスイッチングタイミングを調節することで、任意
のタイミングの駆動電圧波形を得ることができると言う
効果もある。
チング電源10の動作原理につき、図2を参照しつつ動
作順に説明する。図2は、第3スイッチ30乃至第1ス
イッチ70のタイミングチャート及び図1中に示した電
圧V1 、V3 電流I2 の波形を併記したものであ
る。初期状態に於いては、第3スイッチ30乃至第1ス
イッチ70はすべてOFFとなっている。 (1)第3スイッチ30をONすると、抵抗素子51に
より調節される時定数によって直流電源20によりコン
デンサ40に充電される。 (2)電圧計100により測定される電圧V1 が所定
値になったら、第3スイッチ30をOFFして第2スイ
ッチ50をONする。すると、コンデンサ40の静電エ
ネルギがインダクタ62に移送され、磁気エネルギとし
て蓄積される。このエネルギ移送に要する時間は、コン
デンサ40の静電容量41とインダクタ60のインダク
タンス61との直列共振周波数により決定されるので、
共振形スイッチング電源の駆動周波数よりも十分速いこ
とが必要である。 (3)次に電圧計100により測定される電圧V1 が
ほぼゼロになったら、第2スイッチ50をOFFして第
3スイッチ70をONする。すると、インダクタ60の
磁気エネルギが容量性負荷80に移送され、静電容量8
1の静電エネルギとして蓄積される。 (4)電圧計100により測定される電圧V2 が所定
値になったら、第3スイッチ70をOFFする。すると
、前記静電容量81の静電エネルギが内部損失83によ
り消費され、電圧V3 が小さくなっていく。 (5)再び第3スイッチ70をONすると、容量性負荷
80の静電容量81に残っていた静電エネルギがインダ
クタ60に移送される。 (6)電圧計100により測定される電圧V2 がほぼ
ゼロになったら、第3スイッチ70をOFFして第2ス
イッチ50をONする。すると、上記(2)の現象と逆
の状態となり、コンデンサ40にエネルギが移送される
。 (7)電流計102により測定される電流がほぼゼロに
なったら、第2スイッチ50をOFFして第1スイッチ
30をONする。すると、コンデンサ40には前記内部
損失で消費された電力が直流電源20より充電される。 この後、上記(2)から(7)までの操作を一周期とし
て繰り返すことによって、容量性負荷80に充放電が繰
り返される。その結果、容量性負荷で不要となった静電
エネルギの回生が可能となり、駆動損失がほぼ負荷の内
部損失のみとなるので、容量性負荷の駆動効率を向上す
ることができる。又、本方式によれば、LC共振の時定
数及びスイッチングタイミングを調節することで、任意
のタイミングの駆動電圧波形を得ることができると言う
効果もある。
【0014】上述の共振形スイッチング電源10を用い
れば、例えば蓄積型電圧素子を好適に利用したアクチュ
エータを高周波数の矩形波電圧で駆動する場合に於いて
も、その駆動損失を非常に小さくすることができると言
う利点がある。次に、積層型圧電体を駆動した場合の駆
動損失の測定結果を説明する。本方式の有効性を確認す
るために、形状寸法5×5×9[mm]の積層型圧電素
子を用い、周波数f=1[kHz]に於いて正弦波電圧
を印加した時の、積層型圧電素子の内部損失電力WLO
SS、静電容量Cを実測し、静電エネルギ回生による駆
動損失低減率ηを以下の式を用いて試算した。
れば、例えば蓄積型電圧素子を好適に利用したアクチュ
エータを高周波数の矩形波電圧で駆動する場合に於いて
も、その駆動損失を非常に小さくすることができると言
う利点がある。次に、積層型圧電体を駆動した場合の駆
動損失の測定結果を説明する。本方式の有効性を確認す
るために、形状寸法5×5×9[mm]の積層型圧電素
子を用い、周波数f=1[kHz]に於いて正弦波電圧
を印加した時の、積層型圧電素子の内部損失電力WLO
SS、静電容量Cを実測し、静電エネルギ回生による駆
動損失低減率ηを以下の式を用いて試算した。
【0015】
【数1】
【0016】ここに、WINは静電容量Cを充電するの
に要する電力であり、次式で与えられる。
に要する電力であり、次式で与えられる。
【0017】
【数2】
【0018】積層型圧電素子の駆動損失低減率ηと、印
加電圧Vp−p との関係を第3図に示した。本方式に
より、駆動損失が負荷の内部損失のみにできるので、電
力損失を1/5以下に低減できることがわかる。
加電圧Vp−p との関係を第3図に示した。本方式に
より、駆動損失が負荷の内部損失のみにできるので、電
力損失を1/5以下に低減できることがわかる。
【0019】
【発明の効果】以上説明したことから明かなように、本
発明の共振形スイッチング電源によれば、容量性負荷の
駆動効率を向上することができる。
発明の共振形スイッチング電源によれば、容量性負荷の
駆動効率を向上することができる。
【図1】本実施例の共振形スイッチング電源の構成を示
す等価回路を示す図である。
す等価回路を示す図である。
【図2】第1スイッチ30乃至第3スイッチ70のタイ
ミングチャート及び第1図中に示した電圧V1 、V3
電流I2 の波形を併記した図である。
ミングチャート及び第1図中に示した電圧V1 、V3
電流I2 の波形を併記した図である。
【図3】積層型圧電素子の駆動損失低減率ηと、印加電
圧Vp−p との関係を示す図である。
圧Vp−p との関係を示す図である。
10…共振形スイッチング電源
20…直流電源
30、50、70…スイッチ手段
40…容量性素子
60…インダクタ
80…容量性負荷
90…制御手段
Claims (2)
- 【請求項1】 直流電源と、スイッチ手段とを具備し
、容量性負荷に対して電界を印加するための共振形スイ
ッチング電源において、容量性負荷の静電エネルギを回
収して保持するための容量性素子と、容量性負荷と容量
性素子との間に設けられ、それら相互のエネルギ転送を
行なうためのインダクタ、第1及び第2のスイッチ手段
と、容量性素子と直流電源の間に設けられた第3のスイ
ッチ手段と、第1ないし第3のスイッチ手段のON・O
FFタイミングを制御するための制御手段とを備え、容
量性負荷とインダクタ、及び容量性素子とインダクタの
共振周波数は、スイッチング手段の駆動周波数よりも大
きいことを特徴とする共振形スイッチング電源。 - 【請求項2】 請求項1記載の共振形スイッチング電
源において、前記スイッチ手段は、半導体スイッチング
素子を用いることを特徴とした共振形スイッチング電源
。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3046786A JPH04285479A (ja) | 1991-03-12 | 1991-03-12 | 共振形スイッチング電源 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3046786A JPH04285479A (ja) | 1991-03-12 | 1991-03-12 | 共振形スイッチング電源 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04285479A true JPH04285479A (ja) | 1992-10-09 |
Family
ID=12757013
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3046786A Pending JPH04285479A (ja) | 1991-03-12 | 1991-03-12 | 共振形スイッチング電源 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04285479A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007037293A1 (ja) * | 2005-09-29 | 2007-04-05 | Brother Kogyo Kabushiki Kaisha | 電気機械変換素子の駆動回路及びそれを備えた網膜走査表示装置 |
| US7812503B2 (en) | 2007-08-22 | 2010-10-12 | Denso Corporation | Piezoelectric actuator drive device |
| WO2012015048A1 (ja) * | 2010-07-30 | 2012-02-02 | 株式会社MERSTech | 直列共振dc/dc変換装置及び電力変換方法 |
-
1991
- 1991-03-12 JP JP3046786A patent/JPH04285479A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US7690788B2 (en) | 2005-09-29 | 2010-04-06 | Brother Kogyo Kabushiki Kaisha | Driving circuit of electromechanical transducer device and retina scanning display device having the same |
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