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JP3061049B1 - 圧電トランスインバ―タ - Google Patents

圧電トランスインバ―タ

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JP3061049B1
JP3061049B1 JP11102199A JP10219999A JP3061049B1 JP 3061049 B1 JP3061049 B1 JP 3061049B1 JP 11102199 A JP11102199 A JP 11102199A JP 10219999 A JP10219999 A JP 10219999A JP 3061049 B1 JP3061049 B1 JP 3061049B1
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inverter
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voltage
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隆嗣 野間
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Abstract

【要約】 【課題】 圧電トランスの振動による脈動を抑制でき、
インバータの音鳴り発生の可能性を低下できるような圧
電トランスインバータを提供する。 【解決手段】 放電管2を駆動するインバータ回路1の
前段にスイッチング素子Q1を設け、チヨッパデューテ
ィ制御部30からスイッチング信号によりスイッチング
素子Q1をオン,オフし、入力電圧をチヨッパ回路3の
周波数を有する矩形波電圧にしてインバータ回路1に供
給し、インバータ回路1を駆動する駆動周波数のn倍の
周波数と、チヨッパ回路3のチヨッパ周波数fchopとが
近接しないようにこれらの周波数を設定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は圧電トランスイン
バータに関し、特に、液晶バックライト用冷陰極管の点
灯用途に用いられるような圧電トランスインバータに関
する。
【0002】
【従来の技術】一般に、液晶ディスプレイなどにあって
は、液晶自体が発光しないことから表示用の光源が用い
られる。このような光源はバックライトとして冷陰極管
が用いられる。圧電トランスを用いた放電管の駆動装置
としては、たとえば特開平7−220888号公報に記
載されたものがある。この公報には、バックライト用冷
陰極管を駆動するインバータ回路と入力電圧との間にチ
ヨッパ回路を有し、冷陰極管の管電流が一定になるよう
にチヨッパ回路のデューティを制御することによりバッ
クライトの輝度を一定に保つことが記載されている。
【0003】しかし、この公報の従来技術では「チヨッ
パ回路の出力は直流電圧」とされており、チヨッパ回路
はDC−DCコンバータである必要がある。ところが、
チヨッパ回路をDC−DCコンバータとするためには、
平滑整流用のインダクタおよびコンデンサが必要とな
り、部品点数が多く、かつ損失が多くなるという問題点
がある。
【0004】また、特開平9−107684号公報に
は、圧電トランスの周波数−ゲイン特性を利用して管電
流を所望の値に制御する周波数調光機能を有し、インバ
ータ回路の前段に平滑整流用部品を有しないチヨッパ回
路を挿入することで、インバータ回路への平均入力電圧
を一定化するインバータ回路の回路構成が示されてい
る。周波数調光方式ではインバータ回路への入力電圧が
変化すると効率が低下するため、チヨッパ回路を設ける
ことにより、広い入力電圧範囲に対しても比較的高効率
を維持できる。また、平滑整流回路を有しないため、平
滑整流回路の損失がないという効果をある。
【0005】上記公報の従来技術では、チヨッパ回路に
用いる発振器の出力を分周してインバータ回路の駆動周
波数としている。このため、この方式ではチヨッパ回路
の発振器とインバータ回路の発振器を1つの発振器で両
用する必要があり、チヨッパ回路を制御するICとイン
バータ回路を制御するICを1つのICとしてまとめて
しまう必要がある。
【0006】ところが、実際の設計の際には、入力電圧
範囲が大きく変化するようなアプリケーションや、一定
の入力電圧が供給されるようなアプリケーションがあ
り、チヨッパ回路とインバータ回路を別々に分離できる
方が設計自由度が大きくでき、かつ部品コストも安価に
できる。また、チヨッパ回路とインバータ回路を分離で
きると、チヨッパ回路には汎用的に安価に入手できかつ
高入力耐電圧バイポーラPWMICを使用し、インバー
タ回路には耐電圧は低い(≒7V)が消費電力の小さい
CMOS−ICを使用して低消費電力を追求することも
可能である。
【0007】このため、チヨッパ回路とインバータ回路
を1つのICにまとめなければならない前記従来技術で
は、設計自由度,コスト面および性能面で制約がある。
【0008】一方、特願平10−274751号には、
チヨッパ回路とインバータ回路をそれぞれ別のICで駆
動する方法が提案されている。このように、2つのIC
を分離することにより、上述の特開平9−107684
号公報で問題となるような設計上の制約を回避すること
ができる。しかし、特願平10−274751号の従来
技術では、チヨッパ回路部にインバータ回路部の整数倍
の周波数とチヨッパ回路の周波数とのうなりが発生し、
圧電トランスの振動が低周波数のうなり周波数で脈動す
るという問題がある。
【0009】圧電トランスは機械振動を介して電圧変換
する素子であるため、どうしても機械振動が一定程度は
周辺のプリント基板などの構造部材に漏洩してしまう。
このときに圧電トランス振動が低周波で脈動している
と、周辺構造部材も同一のうなり周波数で脈動し、構造
部材の非線形要素、たとえば構造部材の接続部分のびび
りといった要素により低周波成分が検波されて現われ、
音鳴り発生という問題を生じる場合があった。
【0010】それゆえに、この発明の主たる目的は、圧
電トランスの振動による脈動を抑制でき、インバータの
音鳴り発生の可能性を低下できるような圧電トランスイ
ンバータを提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】請求項1に係る発明は、
セラミック圧電トランスを用いて負荷に交流電圧を出力
するインバータ回路と、インバータ回路の前段に設けら
れ、インバータ回路の駆動周波数よりも高い駆動周波数
に応じて、入力された直流電圧を断続した矩形波電圧に
変換して、その矩形波電圧の平均電圧を直流電圧より低
い電圧としてインバータ回路に与えるチョッパ回路とを
有した圧電トランスインバータにおいて、インバータ回
路を駆動する駆動周波数のn倍(n=2,3,4,…)
の周波数と、チョッパ回路を駆動する駆動周波数とが近
接しないようにこれらの周波数を設定する。
【0012】請求項2に係る発明では、セラミック圧電
トランスを用いて負荷に交流電圧を出力するインバータ
回路と、インバータ回路の前段に設けられるスイッチン
グ素子,スイッチング素子の出力と基準電位との間に接
続される環流素子およびスイッチング素子の矩形波電圧
の平均電圧をインバータ回路の駆動周波数よりも高い駆
動周波数に応じて所望の一定値または可変値に制御する
ためのチョッパデューティ制御部とからなる降圧チョッ
パ回路を有した圧電トランスインバータにおいて、イン
バータ回路を駆動する駆動周波数のn倍(n=2,3,
4,…)の周波数と、降圧チョッパ回路を駆動する駆動
周波数とが近接しないようにこれらの周波数を設定す
る。
【0013】請求項3に係る発明では、請求項1または
2のインバータ回路の駆動周波数の整数倍の周波数と、
チヨッパ回路の駆動周波数との差の絶対値が10kHz
以上になるように設定される。
【0014】請求項4に係る発明では、請求項1〜3の
インバータ回路とチヨッパ回路をそれぞれ別の集積回路
で駆動する。
【0015】
【発明の実施の形態】図1はこの発明の一実施形態の圧
電トランスインバータの概略ブロック図である。図1に
おいて、インバータ回路1は放電管2を駆動する。イン
バータ回路1の前段にはチヨッパ回路3が設けられてい
る。チヨッパ回路3は入力電圧を受けてチヨッパ電圧を
インバータ回路1に与えるスイッチング素子Q1と、ス
イッチング素子Q1の出力と基準電位としてのGNDの
間に接続された環流素子D1と、スイッチング素子Q1
の矩形波電圧の平均電圧を所望の値に制御するためのチ
ヨッパデューティ部30とから構成されている。
【0016】チヨッパ回路3の出力はチヨッパ部周波数
(つまりスイッチング素子Q1のON/OFFの周波数
chop)の周波数を持ち、波高値が入力電圧に等しい矩
形波パルスとなる。インバータ回路1は内部に圧電トラ
ンスを有しており、チヨッパ回路3から入力される交流
パルス電圧を用いて、放電管2を点灯させる周波数(f
INV )の略正弦波の交流電圧を発生する。ここで、f
chop>fINV の関係があるものとする。
【0017】この図1に示した例では、チヨッパ回路3
の周波数fchopと、インバータ回路1の周波数fINV
同期していないので、両周波数のうなり周波数=|f
chop−fINV ×n|(n=2,3,4,…)が発生し、
そのうなり周波数で圧電トランスの振動がAM変調され
ることになる。
【0018】しかし、うなり周波数を十分高い周波数に
設定すれば、人には聞こえない周波数になるため、音鳴
りの問題を回避できる。
【0019】図2は図1に示した圧電トランスインバー
タのより具体的な回路図である。図2において、入力電
圧はチヨッパ回路3のスイッチング素子Q1に与えられ
る。スイッチング素子Q1はチヨッパデューティ制御部
30から与えられるスイッチング信号により入り切りさ
れ、入力電圧が矩形波交流電圧Vchopに変換される。ス
イッチング素子Q1の出力とGNDの間には環流素子と
してダイオードD1が接続される。矩形波交流電圧V
chopは直列接続された抵抗R1とR2とによって分圧さ
れ、さらにコンデンサC1によって平滑された後、比較
器31の反転入力に与えられる。
【0020】比較器31の非反転入力には基準電圧V
ref1が与えられ、比較器31の出力は比較器32の反転
入力に与えられる。比較器32の非反転入力にはfchop
の周波数を有する三角波を出力するチヨッパ部発振器3
3の出力が与えられ、比較器32はその出力で前述のス
イッチング素子Q1を駆動する。
【0021】さらに、矩形波交流電圧Vchopはインバー
タ回路1のコイルL11の一端に与えられ、コイルL1
1の他端はスイッチング素子Q11および圧電トランス
PTに接続される。圧電トランスPTは放電管2を駆動
し、放電管電流は抵抗R11を介して検出され、ダイオ
ードD2とコンデンサC2によって整流され、比較器1
2の反転入力に与えられる。この整流信号は比較器12
によって基準電圧Vre f2と比較され、比較器12の出力
は周波数可変発振器11に与えられる。周波数可変発振
器11はfINV の周波数でスイッチング素子Q11を駆
動する。
【0022】次に、図2に示した圧電トランスインバー
タの具体的な動作について説明する。圧電トランスPT
はその共振周波数よりも高い周波数で動作させると効率
の良いことがよく知られており、この実施形態では、こ
の領域つまり周波数が高くなると圧電トランスPTの昇
圧比が低下する領域を用いているものとする。
【0023】今、管電流が何らかの外乱により、目標値
よりも大きくなったものとする。これにより、インバー
タ回路1の抵抗11とコンデンサC2の両端に発生する
電圧も大きくなり、比較器12の電圧が基準電圧Vref2
よりも大きくなると、その出力を低下させる。周波数可
変発振器11はその入力が低下すると周波数が高くなる
ように設計されていたとすると、fINV を上昇させるよ
うに周波数を変化させる。これにより圧電トランスPT
の昇圧比が低下し、管電流も低下して最初の外乱を抑制
する方向に制御がかかる。
【0024】このように、この実施形態のインバータ
は、周囲環境によりその周波数が若干変化するが、圧電
トランスPTの共振特性急峻さゆえに、その変動幅は非
常に小さく、ここではほぼ一定の周波数fINV で動作し
ていると考えて差し支えない。
【0025】チヨッパ回路3は入力電圧が変動しても、
その出力の平均電圧を一定に制御する。今、たとえばチ
ヨッパ出力が外乱により上昇した場合を考える。このと
き、比較器31の非反転入力が増加するため、比較器3
1の出力が低下する。チヨッパ部発振器33はfchop
三角波波形を出力しているため、比較器31の出力が低
下すると、比較器32の出力が「H」レベルになってい
る比率が多くなる。つまり、スイッチング素子Q1のO
Nデューティが小さくなり、初期の外乱を小さくするよ
うに制御がかかる。このように、チヨッパ回路3を有し
ていることにより、インバータ回路1の平均入力電圧を
一定にし、圧電トランスPTの効率が最大となる共振周
波数の近傍で駆動できるようになる。
【0026】図3は図2に示した圧電トランスインバー
タにおいて、fINV =56.4kHzに設定し、fchop
を変化させたときの管電流波形を示す図である。図2に
おいて、(a)はfchop=170.6kHzに設定した
場合であり、(b)はfchop=171.9kHzに設定
した場合であり、(c)はfchop=173.2kHzに
設定した場合である。この図3から明らかなように、音
鳴りの原因は圧電トランスPTの振動による脈動であ
り、管電流の脈動は圧電トランスPTの振動の脈動によ
って発生することから、管電流の脈動を測定すれば、圧
電トランスPTによる振動の脈動を間接的に測っている
ことになる。
【0027】このように、図2からfchopを変化させる
と脈動の周期(=うなり周期)とその振幅(Δio)が
変化している様子がわかる。
【0028】図4は図2に示した圧電トランスインバー
タにおけるうなりのメカニズムを説明するための波形図
である。図4(a)はチヨッパ回路出力Vchopを示し、
図4(b)はインバータ回路1のスイッチング素子Q1
1のゲート電圧Vgを示し、(c)はスイッチング素子
Q11のドレイン電圧Vdを示す。スイッチング素子Q
11はゲート電圧Vgが「H」レベルの期間に、チヨッ
パ回路3から供給されるパルスエネルギーをコイルL1
1に蓄え、ゲート電圧Vgが「L」レベルの期間、つま
りスイッチング素子Q11がOFFしている期間に蓄え
られたエネルギーを圧電トランスPTにフライバックす
る。図2に示した構成では、コイルL11と圧電トラン
スPTの入力容量で共振波形とすることにより、0ボル
トスイッチングが可能となるため効率が良く、準E級駆
動回路として一般的に使用されている。
【0029】図4では、チヨッパ回路出力fchop=f
INV ×3.5の例を示しており、(A)の期間はスイッ
チング素子Q11がONしている間にチヨッパ回路出力
chopが2パルス入力されているため2パルス分のエネ
ルギーがコイルL11に蓄積される。しかし、(B)の
期間には、チヨッパ回路出力Vchopは1.5パルスしか
入力されないため、コイルL11に蓄積されるエネルギ
ーが(A)の期間に比べて小さくなる。この結果、スイ
ッチング素子Q11のドレイン電圧Vdは図4(c)に
示すように、1波ごとに波高値が変化し、うなりを生じ
る様子がわかる。圧電トランスの入力電圧であるスイッ
チング素子Q11のドレイン電圧Vdがうなりを生じる
と、それにより励起されるトランス振動にもうなり成分
が重畳することは言うまでもない。
【0030】図5はチヨッパ周波数とうなり周波数の関
係を示す図であり、図6はチヨッパ周波数とうなり振幅
比率との関係を示す図である。
【0031】図5において、計算値は|fchop−fINV
×n|(n=2,3,4,…)として求めた。これより
管電流の脈動、ひいてはトランス振動の脈動は、チヨッ
パ周波数fchopとインバータ周波数fINV のうなりに起
因していることが明らかであり、かつそのうなり周波数
を10kHz以上離してやればうなり振幅は十分小さく
できることがわかる。つまり、この実施形態において
は、チヨッパ回路周波数fchopを180〜215kH
z、または236〜272kHzといった「うなりの
窓」の周波数に設定していけば、実用的に音鳴り発生を
抑制できる。
【0032】なお、ここでうなり周波数=0Hzのとき
はうなり発生はないが、チヨッパ回路周波数fchopとイ
ンバータ回路周波数fINV の整数倍の周波数を精度よく
一致させることは実際には非常に困難であり、現実的に
はない。
【0033】次に、この実施形態をノート型パーソナル
コンピュータ用のインバータに適用した場合を考える。
ノート型パーソナルコンピュータではリウチム電池を3
セル使用する形態が一般的であり、入力電圧仕様として
は7〜20V程度である場合が多い。このため、スイッ
チング素子Q1を駆動するチヨッパデューティ制御部3
0は7〜20Vの駆動信号が出力できるように20V以
上の耐圧を持つことが必要になる。
【0034】一方、インバータ回路1はスイッチング素
子Q11を駆動すればよいだけなので、たとえば3〜5
Vくらいの電圧で動作させることも可能である。つま
り、チヨッパデューティ制御部30は高耐圧のたとえば
バイポーラプロセスを使ったICを使用し、インバータ
回路は耐圧<7V程度のCMOSプロセスを使ったIC
を使用すれば、制御部消費電力も含めたトータルの効率
を改善できる。
【0035】図7はこの発明の他の実施形態の圧電トラ
ンスインバータの回路図である。図7において、この実
施形態は、放電管電流をインバータ回路1に帰還させる
とともに、チヨッパデューティ制御部30にも帰還させ
るものである。より具体的に説明すると、入力電圧はチ
ヨッパ回路3のスイッチング素子Q21に与えられ、ス
イッチング素子Q21がON,OFFすることによって
入り切りされ、入力電圧が矩形発生交流電圧Vchopに変
換されてインバータ回路1のコイルL21に与えられ
る。
【0036】なお、スイッチング素子Q21の出力とG
NDとの間には環流素子としてダイオードD21が接続
される。コイルL21の他端はスイッチング素子Q21
および圧電トランスPTに接続される。圧電トランスP
Tは放電管2を駆動し、放電管電流は抵抗R21に流
れ、その両端電圧がダイオード22とコンデンサC22
により整流され、比較器31の反転入力端に与えられる
とともに位相差検出器13に与えられる。比較器31の
非反転入力端には基準電圧Vref 21が与えられ、比較
器31は両者を比較し、その出力を比較器32の反転入
力に与える。比較器32の非反転入力にはチヨッパ部発
振器33からチヨッパ回路周波数fchopの三角波が与え
られ、比較器32は両者を比較し、その出力でスイッチ
ング素子Q21を駆動する。
【0037】インバータ回路1では、圧電トランス2の
入力電圧と出力電流の位相差が位相差検出器13によっ
て検出される。位相差検出器13の検出出力は周波数可
変発振器11に与えられ、入力信号の位相差が所望の一
定になるように制御される。圧電トランス2の共振周波
数は負荷変動により変化するが、位相差を一定に保つこ
とによって負荷が変化してもインバータ回路周波数f
INV を共振周波数の近傍に保つことができる。
【0038】次に、図7に示した圧電トランスインバー
タの具体的な動作について説明する。この実施形態で
は、インバータ回路1は圧電トランスPTの位相差を一
定に保つことにより、共振周波数近傍のインバータ回路
周波数fINV で動作する。チヨッパデューティ制御部3
0は放電管電流を検出し、その電流値が一定になるよう
にチヨッパデューティを制御する。
【0039】前述の図2に示した例では、チヨッパ回路
3とインバータ回路1はそれぞれ別々に制御ループを有
していたが、この実施形態では、管電流を一定にするよ
うにチヨッパデューティ制御部30とインバータ回路1
に放電管電流を帰還させてオーバーオールの制御として
いるため、制御回路を簡単にできる。
【0040】この実施形態でも、インバータ回路周波数
INV の整数倍の周波数とチヨッパ回路周波数fchop
の差の絶対値を10kHz以上とすることにより、トラ
ンス振動の脈動に起因する音鳴り発生を抑制できる。ま
た、インバータ回路1とチヨッパデューティ制御部30
を別々のICで構成することにより、高効率でかつ設計
自由度の大きい回路構成を実現できる。
【0041】なお、今回開示された実施の形態は全ての
点で例示であって、制限的なものではないと考えられる
べきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特
許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の
意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意
図される。
【0042】
【発明の効果】上述のごとく、実施形態1では、インバ
ータ回路周波数の整数倍の周波数とチヨッパ回路周波数
が近接しないようにすることによって、圧電トランス振
動の脈動を抑制でき、インバータの音鳴り発生の可能性
を低下できる。
【0043】また、請求項2および3の場合には、イン
バータ回路周波数の整数倍の周波数と、チヨッパ回路周
波数の差の絶対値を10kHz以上とすることにより、
トランス振動の脈動を事実上ゼロにでき、インバータの
音鳴り問題を防止できる。また、チヨッパ回路とインバ
ータ回路を別々のICで駆動することにより、効率を改
善でき、かつ設計自由度を大きくできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施形態の圧電トランスインバー
タの概略ブロック図である。
【図2】図1に示した圧電トランスインバータのより具
体的な回路図である。
【図3】図2に示した圧電トランスインバータにおける
チヨッパ周波数fchopを変化させたときの管電流波形を
示す図である。
【図4】うなりのメカニズムを説明するための波形図で
ある。
【図5】チヨッパ周波数とうなり周波数の関係を示す図
である。
【図6】チヨッパ周波数とうなり振幅比率を示す図であ
る。
【図7】この発明の他の実施形態の圧電トランスインバ
ータの回路図である。
【符号の説明】
1 インバータ回路 2 放電管 3 チヨッパ回路 11 周波数可変発振器 12,31,32 比較器 13 位相差検出器 30 チヨッパデューティ制御部 33 チヨッパ部発振器 Q1,Q11,Q21,Q22 スイッチング素子 D1,D21 ダイオード R1,R2,R11,R21 抵抗 C1,C2,C22 コンデンサ PT 圧電トランス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02M 7/42 - 7/98 H05B 41/24 - 41/29 H02M 3/24

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 セラミック圧電トランスを用いて負荷に
    交流電圧を出力するインバータ回路と、前記インバータ
    回路の前段に設けられ、該インバータ回路の駆動周波数
    よりも高い駆動周波数に応じて、入力された直流電圧を
    断続した矩形波電圧に変換して、前記矩形波電圧の平均
    電圧を前記入力された直流電圧より低い電圧として前記
    インバータ回路に与えるチョッパ回路とを有した圧電ト
    ランスインバータにおいて、 前記インバータ回路を駆動する駆動周波数のn倍(n=
    2,3,4,…)の周波数と、前記チョッパ回路を駆動
    する駆動周波数とが近接しないようにこれらの周波数を
    設定することを特徴とする、圧電トランスインバータ。
  2. 【請求項2】 セラミック圧電トランスを用いて負荷に
    交流電圧を出力するインバータ回路と、前記インバータ
    回路の前段に設けられるスイッチング素子,該スイッチ
    ング素子の出力と基準電位との間に接続される環流素子
    および前記スイッチング素子の矩形波電圧の平均電圧を
    前記インバータ回路の駆動周波数よりも高い駆動周波数
    に応じて所望の一定値または可変値に制御するためのチ
    ョッパデューティ制御部とからなる降圧チョッパ回路を
    有した圧電トランスインバータにおいて、 前記インバータ回路を駆動する駆動周波数のn倍(n=
    2,3,4,…)の周波数と、前記降圧チョッパ回路を
    駆動する駆動周波数とが近接しないようにこれらの周波
    数を設定することを特徴とする、圧電トランスインバー
    タ。
  3. 【請求項3】 前記インバータ回路の駆動周波数の整数
    倍の周波数と、前記チョッパ回路の駆動周波数との差の
    絶対値が10kHz以上になるように設定したことを特
    徴とする、請求項1または2に記載の圧電トランスイン
    バータ。
  4. 【請求項4】 前記インバータ回路と前記チョッパ回路
    をそれぞれ別の集積回路で制御することを特徴とする、
    請求項1から3のいずれかに記載の圧電トランスインバ
    ータ。
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