(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、
設定された駆動周波数で前記インバータ回路を駆動するパルス信号生成回路と、
前記インバータ回路から出力される交流電圧を昇圧又は降圧する絶縁型の圧電トランスと、
前記インバータ回路及び前記圧電トランスの間に接続された第１の共振回路と、
前記圧電トランス、及び、前記圧電トランスの出力側に接続された素子で構成され、前記第１の共振回路と同じ共振周波数を有する第２の共振回路と、
前記駆動周波数を掃引して、前記第１の共振回路及び前記第２の共振回路に起因する前記圧電トランスの共振周波数を、前記圧電トランスの入力側で検出する処理を、所定周期で実行する共振周波数検出部と、
前記共振周波数検出部が検出した共振周波数を前記駆動周波数に設定する駆動周波数設定部と、
を備えた電源装置。
【請求項２】
前記共振周波数検出部は、
異なるタイミングで検出した共振周波数の変化量が小さくなるに伴い、前記所定周期を長くする、
請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記インバータ回路に流れる電流を検出する電流検出部を備え、
前記共振周波数検出部は、前記駆動周波数を掃引した時に前記電流検出部が検出した電流値の周波数特性に基づいて、前記共振周波数を検出する、
請求項１又は２に記載の電源装置。
【請求項４】
前記圧電トランスが昇圧又は降圧した交流電圧を定抵抗負荷へ出力し、
前記インバータ回路の出力電力を検出する出力電力検出部と、
出力電力に応じた前記第１の共振回路及び前記第２の共振回路の共振周波数の検出条件を記憶する記憶部と、
を備え、
前記共振周波数検出部は、
前記出力電力検出部が検出した出力電力に応じた検出条件を前記記憶部から取得し、取得した検出条件と、前記駆動周波数を掃引したときに前記電流検出部が検出した電流値の周波数特性とに基づいて、共振周波数を検出する、
請求項３に記載の電源装置。
【請求項５】
前記圧電トランスが昇圧又は降圧した交流電圧を定電力負荷へ出力し、
前記共振周波数検出部は、
前記駆動周波数を掃引したときに前記電流検出部が検出した電流値の極小値に基づいて、共振周波数を検出する、
請求項３に記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電トランスを用いた電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、電源装置は昇圧又は降圧するための巻線トランスを備えている。巻線トランスは、出力電圧によって寸法制約があるため、小型化及び薄型化が難しい。そこで、小型化及び薄型化を実現するために、ローゼン型の圧電トランスを用いた液晶バックライト用のインバータ電源が提案されている。しかしながら、ローゼン型の圧電トランスは、構造上入力側と出力側の回路を絶縁することが不可能であり、ノイズ対策が十分に行えない。【０００３】
特許文献１には、入力側と出力側の回路を絶縁可能な絶縁型の圧電トランスを用いた定周波・定電圧発生装置が開示されている。特許文献１に記載の装置は、圧電トランスは絶縁型であるが、圧電トランスの一次側と二次側とでグランドが共通化されている。このため、グランドを介したノイズの回り込みが発生するおそれがある。【０００４】
特許文献２には、出力電圧が制御できる圧電トランスを用いた電源回路が開示されている。特許文献２に記載の電源回路は、圧電トランスの出力電圧を検出し、その検出結果に従った制御信号をフィードバックして、出力電圧を制御する構成である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−８６５５２号公報
【特許文献２】特許第２９６１８５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２では、圧電トランスの出力電圧を検出し、その出力電圧に基づいて、圧電トランスに入力する電圧の正弦波を制御する、所謂フィードバック制御を行っているため、回路構成が複雑となる。【０００７】
そこで、本発明の目的は、複雑な回路構成とすることなく、常に最適な周波数で制御できる電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る電源装置は、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、設定された駆動周波数で前記インバータ回路をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御回路と、前記インバータ回路から出力される交流電圧を昇圧又は降圧する圧電トランスと、前記インバータ回路及び前記圧電トランスの間に接続された第１の共振回路と、前記圧電トランス、及び、前記圧電トランスの出力側に接続された素子で構成され、前記第１の共振回路と同じ共振周波数を有する第２の共振回路と、前記駆動周波数を掃引して、前記第１の共振回路及び前記第２の共振回路に起因する前記圧電トランスの共振周波数を、前記圧電トランスの入力側で検出する処理を、所定周期で実行する共振周波数検出部と、前記共振周波数検出部が検出した共振周波数を前記駆動周波数に設定する駆動周波数設定部とを備えたことを特徴とする。【０００９】
この構成では絶縁型の圧電トランスを用いているが、圧電トランスは駆動に伴う自己発熱により特性が変化する。このため、第１の共振回路及び第２の共振回路の共振周波数を駆動周波数に設定すれば、効率の良い電源装置を実現できるが、電源装置を駆動し続けるに伴い、共振周波数がずれ、特性が劣化する。本発明に係る構成では、周期的に圧電トランスの共振周波数を検出し、その共振周波数を駆動周波数に設定するため、常に最適な動作点（駆動周波数）で電源装置を制御することができる。また、周期的な共振周波数の検出は、圧電トランスの入力側で行うため、絶縁側の圧電トランスの出力側から入力側へのフィードバック制御が必要としないため、回路構成が複雑になることもない。【００１０】
前記共振周波数検出部は、異なるタイミングで検出した共振周波数の変化量が小さくなるに伴い、前記所定周期を長くすることが好ましい。【００１１】
この構成では、共振周波数の変化量が小さいと、共振周波数の検出処理の周期を長くする。これにより、周波数を掃引（スイープ）することにより生じる不要なノイズによる影響を防止できる。【００１２】
前記インバータ回路に流れる電流を検出する電流検出部を備え、前記共振周波数検出部は、前記駆動周波数を掃引した時に前記電流検出部が検出した電流値の周波数特性に基づいて、前記共振周波数を検出することが好ましい。【００１３】
この構成では、インバータ回路に流れる電流を検出することで、共振周波数を検出するため、圧電トランスの状態を直接監視せずに共振周波数を検出できる。【００１４】
前記圧電トランスが昇圧又は降圧した交流電圧を定抵抗負荷へ出力し、前記インバータ回路の出力電力を検出する出力電力検出部と、出力電力に応じた前記第１の共振回路及び前記第２の共振回路の共振周波数の検出条件を記憶する記憶部と、を備え、前記共振周波数検出部は、前記電力検出部が検出した出力電力に応じた検出条件を前記記憶部から取得し、取得した検出条件と、前記駆動周波数を掃引したときに前記電流検出部が検出した電流値の周波数特性とに基づいて、共振周波数を検出することが好ましい。【００１５】
電流検出部が検出した電流値の周波数特性は、インバータ回路の出力電力に応じて特性カーブが異なるため、上記構成のように、インバータ回路の出力電力に応じた共振周波数の検出条件を予め記憶しておくことで、インバータ回路の出力電力が変化しても、圧電トランスを直接監視することなく、容易に適切な共振周波数を検出できる。【００１６】
前記圧電トランスが昇圧又は降圧した交流電圧を定抵抗負荷へ出力し、前記共振周波数検出部は、前記駆動周波数を掃引したときに前記電流検出部が検出した電流値の極小値に基づいて、共振周波数を検出することが好ましい。【００１７】
この構成では、圧電トランスを直接監視することなく、適切な共振周波数を容易に検出できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、周期的に圧電トランスの共振周波数を検出し、その共振周波数を駆動周波数に設定するため、共振周波数がずれる場合でも、常に最適な動作点（駆動周波数）で電源装置を制御することができる。また、周期的な共振周波数の検出は、圧電トランスの入力側で行うため、絶縁側の圧電トランスの出力側から入力側へのフィードバック制御が必要としないため、回路構成が複雑になることもない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施形態１に係る電源装置の回路図
【図２】図１の等価回路を示す図
【図３】図１に示す圧電トランスの接続構成を示す図
【図４】圧電トランスの斜視図
【図５】図４のＶ−Ｖ線における断面図
【図６】図４のＶＩ−ＶＩ線における断面図
【図７】制御回路の機能ブロック図
【図８】入力電流ＩＤＣの周波数特性を示す図
【図９】インバータ回路の駆動周波数の変化に対する電力変換効率を示す図
【図１０】インバータ回路のゲート信号幅の変化に対する入力電流ＩＤＣを示す図
【図１１】インバータ回路のゲート信号幅の変化に対する電力変換効率を示す図
【図１２】制御部が実行する処理を示すフローチャート
【図１３】駆動周波数設定処理を示すフローチャート
【図１４】電源装置の別の例の回路図
【図１５】実施形態２に係る電源装置の回路図
【図１６】制御回路の機能ブロック図
【図１７】入力電流ＩＤＣの周波数特性を示す図
【図１８】定抵抗負荷である場合に、インバータ回路からの出力電圧の周波数の変化に対する変圧比を示す図
【図１９】実施形態２に係る駆動周波数設定処理を示すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る電源装置の回路図である。図２は、図１の等価回路を示す図である。
【００２１】
本実施形態に係る電源装置１は、入力端Ｐｉ１，Ｐｉ２に商用電源１０１が接続され、出力端Ｐｏ１，Ｐｏ２に定電力負荷ＲＬ１が接続される。電源装置１は、商用電源１０１から交流電圧（例えば１００〜２４０Ｖ）を入力し、その交流電圧を直流電圧（例えば１９Ｖ）に変換して定電力負荷ＲＬ１へ出力する。定電力負荷ＲＬ１としては、例えば、携帯電話機又はパソコン等の二次電池が挙げられる。
【００２２】
電源装置１は、４つのダイオードからなるダイオードブリッジ回路ＤＢ、及び、平滑コンデンサＣ１を備えている。ダイオードブリッジ回路ＤＢは、商用電源１０１から入力される交流電圧を全波整流する。
【００２３】
なお、図１では、電源装置１は、ダイオードブリッジ回路ＤＢ、及び、平滑コンデンサＣ１を備えた構成としているが、これらを備えなくてもよい。すなわち、電池、又はＤＣ−ＤＣコンバータ等から出力される直流電圧が電源装置１に入力される場合には、ダイオードブリッジ回路ＤＢ、及び、平滑コンデンサＣ１は不要である。
【００２４】
電源装置１はインバータ回路１１を備えている。インバータ回路１１は、ＭＯＳ−ＦＥＴのスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４を備えている。インバータ回路１１では、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２が直列接続され、スイッチ素子Ｑ３，Ｑ４が直列接続されている。スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２の接続点、及び、スイッチ素子Ｑ３，Ｑ４の接続点は、後述の並列共振回路１４の入力端に接続されている。
【００２５】
インバータ回路１１の各スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４は、パルス信号生成回路１２により駆動される。なお、図２ではパルス信号生成回路１２の図示は省略している。パルス信号生成回路１２は、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４とスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３とのゲートに交互に信号を入力し、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４とスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３とを交互にオンオフする。これにより、インバータ回路１１は直流電圧を交流電圧に変換する。
【００２６】
パルス信号生成回路１２は、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４のゲートに入力するパルス信号を生成する。パルス信号生成回路１２は、制御回路１３からの指令に基づく周波数のパルス信号を生成する。
【００２７】
電源装置１は制御回路１３（図２では図示を省略）を備えている。制御回路１３は、パルス信号生成回路１２に、所定の周波数のパルス信号を生成させる。制御回路１３については、後に詳述する。
【００２８】
並列共振回路１４は、入力端がスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２の接続点、及び、スイッチ素子Ｑ３，Ｑ４の接続点に接続されている。並列共振回路１４は、並列接続されたキャパシタＣ２とインダクタＬ１とにより構成されている。本実施形態では、並列共振回路１４は、共振周波数が約４７２ｋＨｚとなるよう設定されている。並列共振回路１４は、本発明に係る「第１の共振回路」に相当する。
【００２９】
並列共振回路１４には、キャパシタＣ３１，Ｃ３２を介して圧電トランス１５が接続されている。なお、図１に示す圧電トランス１５は簡易的に図示したものであり、詳細な構造については後述する。圧電トランス１５は絶縁型であって、入力電極Ｅ１，Ｅ２及び出力電極Ｅ３，Ｅ４を有している。入力電極Ｅ１は、キャパシタＣ３１を介して並列共振回路１４の一端に接続され、入力電極Ｅ２は、キャパシタＣ３２を介して並列共振回路１４の他端に接続されている。出力電極Ｅ３，Ｅ４は、整流平滑回路１６に接続されている。圧電トランス１５は、入力電極Ｅ１，Ｅ２から入力された電圧を降圧して出力電極Ｅ３，Ｅ４から出力する。
【００３０】
なお、キャパシタＣ３１，Ｃ３２は、圧電トランス１５への入力電流を制限するための素子である。圧電トランス１５に流れる電流が過大になると、異常な動作をするおそれがある。そこで、キャパシタＣ３１，Ｃ３２を設けて電流制限することにより、圧電トランス１５を正常動作させるようにしている。キャパシタＣ３１，Ｃ３２はキャパシタンスが同じであり、圧電トランス１５の等価入力容量であるキャパシタＣ４１よりもキャパシタンスが大きいことが好ましい。なお、圧電トランス１５への入力電流が小さく、過大となるおそれのない場合には、キャパシタＣ３１，Ｃ３２は必ずしも必要でなく、並列共振回路１４と圧電トランス１５とが直接接続されていてもよい。また、キャパシタＣ３１，Ｃ３２に代えてインダクタを設けてもよい。
【００３１】
圧電トランス１５は、図２に示すように、キャパシタＣ４１，Ｃ４２、キャパシタＣｐ、インダクタＬｐ、抵抗Ｒｐ及び理想変圧器Ｔｓ等で等価的に表される。キャパシタＣ４１は圧電トランス１５の等価入力容量であり、キャパシタＣ４２は圧電トランス１５の等価出力容量である。また、キャパシタＣｐ及びインダクタＬｐは電気機械的な結合を表すパラメータである。
【００３２】
圧電トランス１５の共振周波数は主にキャパシタＣｐとインダクタＬｐとによる直列共振回路１５１の共振で定まる。電気エネルギー変換は弾性振動を介するため、圧電体セラミックスの弾性波伝搬速度と寸法で決まる固有共振周波数を有する。この圧電トランス１５の直列共振回路１５１と、並列共振回路１４とは、互いに共振周波数が同じとなるよう回路定数が設定されている。
【００３３】
圧電トランス１５の出力側には、インダクタＬ２が接続されていて、このインダクタＬ２は、圧電トランス１５の等価出力容量であるキャパシタＣ４２と共に並列共振回路１５２を構成している。インダクタＬ２は、この並列共振回路１５２が、並列共振回路１４及び直列共振回路１５１と共振周波数が同じとなるよう回路定数が設定されている。並列共振回路１５２は、本発明に係る「第２の共振回路」に相当する。
【００３４】
圧電トランス１５は駆動に伴い自己発熱し、時間の経過と共に温度が上昇する。この発熱は、圧電トランス１５のキャパシタＣｐ等の等価的に表される各素子の定数に影響を及ぼす。本実施形態では、圧電トランス１５が発熱していない状態（すなわち、圧電トランス１５が冷めた状態）で、直列共振回路１５１と並列共振回路１５２とは、互いに共振周波数が同じとなるよう回路定数が設定されている。
【００３５】
圧電トランス１５で降圧された電圧は、整流平滑回路１６へ出力される。整流平滑回路１６は、キャパシタ及びインダクタからなる平滑回路及びダイオードブリッジを含んでいる。整流平滑回路１６は、交流電圧を整流平滑し、定電力負荷ＲＬ１へ出力する。整流平滑回路１６には所定値の電圧に変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータが接続されていてもよい。
【００３６】
以下に、圧電トランス１５について詳述する。
【００３７】
図３は、図１に示す圧電トランス１５の接続構成を示す図である。図４は、圧電トランス１５の斜視図である。図５は、図４のＶ−Ｖ線における断面図である。図６は、図４のＶＩ−ＶＩ線における断面図である。
【００３８】
圧電トランス１５は矩形板状の圧電体板３０を備えている。この圧電体板３０は、例えばＰＺＴ系セラミックスシートが積層されて形成されている。以下では、圧電トランス１５の長さ方向をＸ軸方向、幅方向をＹ軸方向、厚み方向をＺ軸方向とする。
【００３９】
圧電トランス１５は、（７λ／２）共振モードで長さ方向に振動するものとする。ここで、λは長さ方向の振動の１波長である。したがって、圧電トランス１５のＸ軸方向の長さは（７λ／２）としている。ここで、Ｙ軸方向の幅及びＺ軸方向の厚みは（λ／２）未満とすることが好ましい。そうすることで、幅方向及び厚み方向の振動が長さ方向の振動に結合せず、圧電トランス１５全体の振動が不安定とならない。
【００４０】
圧電体板３０は、Ｘ軸方向に沿って、第１低電圧領域３１、第１高電圧領域３２、第２高電圧領域３３、第２低電圧領域３４、第３高電圧領域３５、第４高電圧領域３６及び第３低電圧領域３７が形成されている。各領域３１〜３７のＸ軸方向の長さは、何れもλ／２である。
【００４１】
図３では、各領域３１〜３７の分極方向を示している。第１低電圧領域３１、第２低電圧領域３４及び第３低電圧領域３７は、Ｚ軸方向（厚み方向）に分極されている。第１低電圧領域３１と第３低電圧領域３７とは同方向に分極され、第２低電圧領域３４は、第１低電圧領域３１及び第３低電圧領域３７と逆方向に分極されている。分極処理の方法としては、例えば、圧電体板を１７０℃の絶縁油中で２ｋＶ／ｍｍの電圧を印加する方法等が挙げられる。
【００４２】
第１低電圧領域３１には、一対の第１出力電極Ｅ３１，Ｅ３２がＹ軸方向に対向するよう圧電体板３０の側面に設けられている。また、第１低電圧領域３１には、Ｚ軸方向に積層された複数の内部電極Ｅ３３が設けられている。この内部電極Ｅ３３は、図６に示すように、交互に第１出力電極Ｅ３１，Ｅ３２に接続している。
【００４３】
同様に、第２低電圧領域３４、及び、第３低電圧領域３７には、一対の第２出力電極Ｅ４１，Ｅ４２、及び、第３出力電極Ｅ５１，Ｅ５２がＹ軸方向に対向するよう圧電体板３０の側面に設けられている。また、第２低電圧領域３４、及び、第３低電圧領域３７には、Ｚ軸方向に積層された複数の内部電極Ｅ４３，Ｅ５３が設けられている。この内部電極Ｅ４３は、交互に第２出力電極Ｅ４１，Ｅ４２に接続し、内部電極Ｅ５３は、交互に第３出力電極Ｅ５１，Ｅ５２に接続している。
【００４４】
第１高電圧領域３２、第２高電圧領域３３、第３高電圧領域３５及び第４高電圧領域３６は、Ｘ軸方向に分極されている。第１高電圧領域３２には、一対の第２入力電極Ｅ２１，Ｅ２２がＹ軸方向に対向するよう圧電体板３０の側面に設けられている。また、第１高電圧領域３２には、Ｚ軸方向に積層された複数の内部電極Ｅ２３が設けられている。この内部電極Ｅ２３は、第２入力電極Ｅ２１，Ｅ２２それぞれに接続している。
【００４５】
第４高電圧領域３６には、一対の第１入力電極Ｅ１１，Ｅ１２がＹ軸方向に対向するよう圧電体板３０の側面に設けられている。また、第４高電圧領域３６には、Ｚ軸方向に積層された複数の内部電極Ｅ１３が設けられている。この内部電極Ｅ１３は、第１入力電極Ｅ１１，Ｅ１２それぞれに接続している。
【００４６】
以上のように構成された圧電トランス１５において、第１入力電極Ｅ１１，Ｅ１２は、図１に示す入力電極Ｅ１に相当する。第２入力電極Ｅ２１，Ｅ２２は、図１に示す入力電極Ｅ２に相当する。そして、第１入力電極Ｅ１１，Ｅ１２がキャパシタＣ３１を介して、並列共振回路１４に接続され、また、第２入力電極Ｅ２１，Ｅ２２がキャパシタＣ３１を介して、並列共振回路１４に接続されている。
【００４７】
また、第１出力電極Ｅ３１、第２出力電極Ｅ４１及び第３出力電極Ｅ５１は、図１に示す出力電極Ｅ３に相当する。第１出力電極Ｅ３２、第２出力電極Ｅ４２及び第３出力電極Ｅ５２は、図１に示す出力電極Ｅ４に相当する。そして、第１出力電極Ｅ３１、第２出力電極Ｅ４１及び第３出力電極Ｅ５１、並びに、第１出力電極Ｅ３２、第２出力電極Ｅ４２及び第３出力電極Ｅ５２は、整流平滑回路１６に接続されている。
【００４８】
第１入力電極Ｅ１１，Ｅ１２及び第２入力電極Ｅ２１，Ｅ２２に電圧が印加されると、圧電体板３０のＸ軸方向（長さ方向）に電圧が印加される。このため、第１高電圧領域３２、第２高電圧領域３３、第３高電圧領域３５及び第４高電圧領域３６には分極方向に電界が加えられる。そして、逆圧電効果により分極方向に沿う方向、すなわち、圧電体板３０のＸ軸方向に縦振動が励振される。
【００４９】
縦振動が励振されると、第１低電圧領域３１、第２低電圧領域３４及び第３低電圧領域３７ではＺ軸方向（分極方向）に機械的歪みが生じ、圧電横効果により分極方向に電位差が発生する。この電位差により第１低電圧領域３１、第２低電圧領域３４及び第３低電圧領域３７から取り出された低電圧が並列に合成され定電力負荷ＲＬ１に印加される。
【００５０】
図７は制御回路１３の機能ブロック図である。制御回路１３はマイクロコンピュータを備え、ＩＤＣ検出部１３１、周波数制御部１３２及び制御部１３３等の機能を有する。
【００５１】
ＩＤＣ検出部１３１は入力電流ＩＤＣを検出する。詳しくは、ダイオードブリッジ回路ＤＢとインバータ回路１１との間に電流検出用の抵抗Ｒ１が接続されていて、ＩＤＣ検出部１３１は、その抵抗Ｒ１の降下電圧によりインバータ回路１１に流れる入力電流ＩＤＣを検出する。ＩＤＣ検出部１３１は、本発明に係る「電流検出部」に相当する。
【００５２】
周波数制御部１３２は、所定の駆動周波数でインバータ回路１１が駆動されるよう、制御信号をパルス信号生成回路１２へ出力する。パルス信号生成回路１２は、その入力された制御信号に対応する周波数のパルス信号を生成して、インバータ回路１１を駆動する。また、周波数制御部１３２は、パルス信号生成回路１２がインバータ回路１１を駆動制御する周波数を掃引（スイープ）する。例えば、パルス信号生成回路１２が４７０ｋＨｚの周波数でインバータ回路１１を駆動している場合、４６８，４６９，４７０，４７１，４７２ｋＨｚと、４７０±２ｋＨｚの周波数範囲を１ｋＨｚ刻みで掃引する。
【００５３】
制御部１３３は、ＩＤＣ検出部１３１、及び周波数制御部１３２それぞれの動作を制御する。制御部１３３は、周波数制御部１３２が周波数スイープしたときに、ＩＤＣ検出部１３１が検出した入力電流ＩＤＣの周波数特性に基づいて、インバータ回路１１を駆動する周波数を設定する。制御部１３３は、本発明に係る「共振周波数検出部」、及び「駆動周波数設定部」に相当する。
【００５４】
図８は、入力電流ＩＤＣの周波数特性を示す図である。図８の横軸は、インバータ回路１１の駆動周波数、縦軸は入力電流ＩＤＣである。図８に示すように、入力電流ＩＤＣは、周波数が共振周波数である約４７２ｋＨｚ付近で極小値となっている。
【００５５】
制御部１３３は、入力電流ＩＤＣの周波数特性から、入力電流ＩＤＣが極小値をとるときの周波数（約４７２ｋＨｚ）をインバータ回路１１の駆動周波数に設定する。そして、周波数制御部１３２が、その駆動周波数でパルス信号生成回路１２がインバータ回路１１を駆動するよう、パルス信号生成回路１２へ制御信号を出力する。
【００５６】
図９は、インバータ回路１１の駆動周波数の変化に対する電力変換効率を示す図である。図９の横軸はインバータ回路１１の駆動周波数、縦軸は電力変換効率である。インバータ回路１１の駆動周波数は、インバータ回路１１の各スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４の駆動周波数である。電力変換効率は、入力端Ｐｉ１，Ｐｉ２−出力端Ｐｏ１，Ｐｏ２間の変換効率である。この図９から、共振周波数である約４７２ｋＨｚにおいて、電力変換効率が最大となっていることが読み取れる。
【００５７】
なお、パルス信号生成回路１２は、出力するパルス信号のパルス幅（インバータ回路１１のゲート信号幅）を変えて、インバータ回路１１を駆動制御してもよい。
【００５８】
図１０は、インバータ回路のゲート信号幅の変化に対する入力電流ＩＤＣを示す図である。図１０の横軸は、インバータ回路１１のゲート信号幅、すなわちインバータ回路のゲート信号の一周期を１としたときに、その一周期のうちゲート信号がＯＮしている時間の比率であり、縦軸は入力電流ＩＤＣである。図１０に示すように、入力電流ＩＤＣは、ゲート信号幅が約０．４２付近で極小値となっている。
【００５９】
制御回路１７は、入力電流ＩＤＣの周波数特性から、入力電流ＩＤＣが極小値をとるときのゲート信号幅（約０．４２）でパルス信号生成回路１２がインバータ回路１１を制御するよう、パルス信号生成回路１２へ制御信号を出力する。
【００６０】
図１１は、インバータ回路１１のゲート信号幅の変化に対する電力変換効率を示す図である。図１１の横軸はインバータ回路１１のゲート信号幅、縦軸は電力変換効率である。この図１１から、ゲート信号幅が約０．４２のとき、電力変換効率が最大となっていることが読み取れる。
【００６１】
前記したように、駆動に伴い圧電トランス１５は自己発熱して、共振条件がずれる。このため、時間の経過に伴い、共振周波数が駆動周波数からずれていき、入力端Ｐｉ１，Ｐｉ２−出力端Ｐｏ１，Ｐｏ２間の変換効率が低下する。そこで、本実施形態では、周期的に共振周波数を検出し、駆動周波数を随時補正する。これにより、常に最適な駆動周波数で電源装置１を制御する。また、共振周波数を、圧電トランス１５よりも前の回路部で検出するため、圧電トランス１５を直接監視した結果、または圧電トランス１５の出力側で検出した結果を入力側へフィードバックする、所謂フィードバック制御が必要でないため、回路構成が複雑となることもない。
【００６２】
以下に、駆動周波数の設定方法について説明する。
【００６３】
図１２は、制御部１３３が実行する処理を示すフローチャートである。図１２に示す処理は、例えば、電源装置１に商用電源１０１及び定電力負荷ＲＬ１が接続されたときに開始される。
【００６４】
制御部１３３は、図１３に示す駆動周波数設定処理を実行する（Ｓ１）。図１３は、駆動周波数設定処理を示すフローチャートである。周波数制御部１３２は、インバータ回路１１の各スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４を制御し、インバータ回路１１の出力電圧の周波数をスイープする（Ｓ１１）。例えば、現周波数が４７０ｋＨｚである場合、４６８，４６９，４７０，４７１，４７２ｋＨｚと、４６８ｋＨｚから４７２ｋＨｚまで１ｋＨｚ刻みで掃引する。
【００６５】
周波数制御部１３２が周波数スイープをするごとに、ＩＤＣ検出部１３１が入力電流ＩＤＣを検出して、制御部１３３は、入力電流ＩＤＣの周波数特性を取得する（Ｓ１２）。制御部１３２は入力電流ＩＤＣを検出し、その入力電流ＩＤＣが極小値を取るときの周波数を取得する。そして、制御部１３２は、取得した周波数をインバータ回路１１の駆動周波数に設定する（Ｓ１３）。
【００６６】
なお、パルス信号のパルス幅を変えてインバータ回路１１を駆動する場合には、図１３に示す処理において、パルス信号幅を掃引（スイープ）し、入力電流ＩＤＣが極小値を取るときのパルス信号幅を取得して、そのパルス信号幅でインバータ回路１１を駆動する。
【００６７】
図１２に戻り、制御部１３３は、処理を終了するか否かを判定する（Ｓ２）。例えば、電源装置１が、商用電源１０１又は定電力負荷ＲＬ１と非接続となったとき、又は、リモート信号が無効になったとき、図１２の処理が終了する。又は、図１２の処理の実行中に、電源装置１に対し、商用電源１０１又は定電力負荷ＲＬ１が非接続となったとき、強制的にこの処理が終了するようにしてもよい。
【００６８】
次に、制御部１３３は駆動周波数を設定してから時間Ｔが経過したか否かを判定する（Ｓ３）。この時間Ｔは、例えば１０ｓなど、適宜変更可能である。時間Ｔが経過していない場合（Ｓ３：ＮＯ）、制御部１３３はＳ２の処理を実行する。時間Ｔが経過した場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、制御部１３３は駆動周波数設定処理を実行する（Ｓ４）。この駆動周波数設定処理は、図１３に示す処理である。このように、本実施形態では、時間Ｔ毎に、駆動周波数を設定する。
【００６９】
圧電トランス１５を連続駆動すると、時間経過と共に圧電トランス１５が自己発熱し、その影響で共振周波数が変動する。このため、時間が経過しても常に同じ駆動周波数で圧電トランス１５を駆動し続けた場合、定電力負荷ＲＬ１への電力供給の効率が低下する。そこで、時間Ｔ毎に駆動周波数を再設定（補正）する。これにより、圧電トランス１５の共振周波数がずれても、そのずれに応じて駆動周波数が再設定されるので、定電力負荷ＲＬ１へ電力を効率よく供給し続けることができる。
【００７０】
駆動周波数を再設定した後、制御部１３３は、駆動周波数の再設定前の入力電流ＩＤＣの値と検出抵抗Ｒ１の抵抗値の積により求めた電圧値と再設定後の入力電流ＩＤＣの値と検出抵抗Ｒ１の抵抗値の積により求めた電圧値との差分が閾値（例えば、５０ｍＶ）以上であるか否かを判定する（Ｓ５）。閾値以上の場合（Ｓ５：ＹＥＳ）、制御部１３３は、Ｓ２の処理を実行する。閾値以上でない場合（Ｓ５：ＮＯ）、制御部１３３は、ＴをＴ＋Δｔとする（Ｓ６）。すなわち、周期的に検出する共振周波数の変化が小さいと判断される場合には、駆動周波数設定処理を行う周期を長くする。これにより、駆動周波数設定処理を頻繁に行うことによる不要ノイズの発生を防止できる。
【００７１】
なお、周期的に検出する共振周波数の変化が小さい場合には、共振周波数の検出周期を長くしているが、周期的に検出した共振周波数の変化が再び大きくなり、前記電圧値の差分が閾値以上となった場合には、検出周期を短くするようにしてもよい。
【００７２】
以上説明したように、本実施形態では、圧電トランス１５の自己発熱に伴い共振周波数、すなわち、駆動周波数がずれるため、周期的に共振周波数を検出し、駆動周波数を再設定することで、共振周波数のずれによる電力変換効率の低下を抑制できる。また、入力電流ＩＤＣから共振周波数を検出するため、圧電トランス１５を直接監視する必要がない。このため、制御が容易であり、回路が複雑になることもない。
【００７３】
なお、本実施形態では、圧電トランス１５は降圧トランスとして説明したが、昇圧トランスであってもよい。この場合、圧電トランス１５の接続構成が、本実施形態と異なる。具体的には、図３において、第１出力電極Ｅ３１，Ｅ３２及び第３出力電極Ｅ５１，Ｅ５２は、キャパシタＣ３１を介して並列共振回路１４に接続し、第２出力電極Ｅ４１，Ｅ４２は、キャパシタＣ３２を介して並列共振回路１４に接続する。また、第１入力電極Ｅ１１及び第２入力電極Ｅ２１、並びに、第１入力電極Ｅ１２及び第２入力電極Ｅ２２は、整流平滑回路１６に接続される。第１出力電極Ｅ３１，Ｅ３２、第２出力電極Ｅ４１，Ｅ４２及び第３出力電極Ｅ５１，Ｅ５２に電圧が印加されると、第１入力電極Ｅ１１及び第２入力電極Ｅ２１、並びに、第２入力電極Ｅ２１及び第２入力電極Ｅ２２から低電圧が取り出され定電力負荷ＲＬ１に印加される。
【００７４】
また、本実施形態では、入力電流ＩＤＣから共振周波数を検出しているが、インバータ回路１１から出力され、圧電トランス１５に印加される電圧を検出し、その電圧から共振周波数を検出するようにしてもよい。
【００７５】
さらに、本実施形態では、共振周波数が同じとなるように回路定数を設定する際、圧電トランス１５が発熱していない状態（すなわち、圧電トランス１５が冷めた状態）で行っているが、圧電トランス１５が発熱した状態（圧電トランス１５の温度が上がっている状態）で回路定数を設定するようにしてもよい。
【００７６】
また、電源装置１は並列共振回路１４，１５２を用いているが、負荷の抵抗値の変動が少ない定抵抗負荷である場合に、一定の電圧を出力したい場合には、並列共振回路１４，１５２を直列共振回路に代えてもよい。
【００７７】
図１４は、電源装置１の別の例の回路図である。図１４では、図１及び図２で示すダイオードブリッジＤＢ、平滑コンデンサＣ１、入力端Ｐｉ１，Ｐｉ２及び出力端Ｐｏ１，Ｐｏ２等は図示を省略している。
【００７８】
この例では、インバータ回路１１に直列共振回路１８が接続されている。直列共振回路１８は、インダクタＬ３とキャパシタＣ２とにより構成されている。また、圧電トランス１５の出力側には、インダクタＬ４が接続されていて、このインダクタＬ４は、圧電トランス１５の等価出力容量であるキャパシタＣ４２と共に直列共振回路１５３を構成している。直列共振回路１８及び直列共振回路１５３は、いずれも直列共振回路１５１と共振周波数が同じとなるよう回路定数が設定されている。この構成では、インバータ回路１１から直列共振回路１８側を見たインピーダンスを誘導性に設定することができる。このため、インバータ回路１１における電力の損失を低減することができる。
【００７９】
（実施形態２）
図１５は、実施形態２に係る電源装置の回路図である。本実施形態に係る電源装置２は、入力端Ｐｉ１，Ｐｉ２に商用電源１０１が接続され、出力端Ｐｏ１，Ｐｏ２に定抵抗負荷ＲＬ２が接続される。定抵抗負荷ＲＬ２には、例えば、電灯等が含まれる。電源装置２の基本的な構成は、実施形態１と同じである。以下では、実施形態１と相違する点についてのみ説明する。
【００８０】
電源装置２は制御回路１７を備えている。また、インバータ回路１１の出力側にはキャパシタＣ４１，Ｃ４２が接続されている。インバータ回路１１の出力電圧Ｖ１はキャパシタＣ４１，Ｃ４２により容量分圧される。制御回路１７は、この容量分圧された交流電圧を整流し、前記出力電圧Ｖ１を検出する。
【００８１】
また、インバータ回路１１の出力側には電流検出用の抵抗Ｒ２が接続されている。制御回路１７は、抵抗Ｒ２に流れる電流であって、インバータ回路１１の出力電流Ｉ１を検出する。制御回路１７は、この出力電流Ｉ１と出力電圧Ｖ１とから、圧電トランス１５への入力電力を取得する。
【００８２】
図１６は制御回路１７の機能ブロック図である。制御回路１７は、マイクロコンピュータを備え、ＩＤＣ検出部１７１、電力取得部１７２、周波数制御部１７３、記憶部１７４及び制御部１７５等の機能を有する。
【００８３】
ＩＤＣ検出部１７１は、実施形態１のＩＤＣ検出部１３１と同様、入力電流ＩＤＣを検出する。ＩＤＣ検出部１７１は、本発明に係る「電流検出部」に相当する。
【００８４】
電力取得部１７２は、インバータ回路１１の出力電圧Ｖ１及び出力電流Ｉ１を取得し、電圧Ｖ１と電流Ｉ１とから、圧電トランス１５への入力電力を取得する。この電力取得部１７２は、本発明に係る「出力電力検出部」の一例である。
【００８５】
なお、圧電トランス１５への入力電力は、インバータ回路１１への入力電圧を検出し、その入力電圧と、ＩＤＣ検出部１７１が検出した入力電流ＩＤＣと入力電圧とから求められてもよい。
【００８６】
周波数制御部１７３は、実施形態１の周波数制御部１３２と同様、所定の駆動周波数でインバータ回路１１が駆動されるよう、制御信号をパルス信号生成回路１２へ出力する。パルス信号生成回路１２は、その入力された制御信号に対応する周波数でインバータ回路１１を駆動する。また、周波数制御部１７３は、パルス信号生成回路１２がインバータ回路１１を駆動する周波数を掃引（スイープ）する。例えば、パルス信号生成回路１２が４７０ｋＨｚの周波数でインバータ回路１１を駆動している場合、４６８，４６９，４７０，４７１，４７２ｋＨｚと、４７０±２ｋＨｚの周波数範囲を１ｋＨｚ刻みで掃引する。
【００８７】
記憶部１７４は、駆動周波数を設定する設定条件（検出条件）を記憶する。詳しくは、記憶部１７４は、圧電トランス１５への入力電力に応じて複数の設定条件を記憶している。この設定条件は、制御部１７５が、入力電流ＩＤＣの周波数特性から駆動周波数を設定する際に用いられる。
【００８８】
制御部１７５は、ＩＤＣ検出部１７１、電力取得部１７２及び周波数制御部１７３それぞれの動作を制御する。制御部１７５は、周波数制御部１７３が周波数スイープしたときに、ＩＤＣ検出部１７１が検出した入力電流ＩＤＣ、すなわち、入力電流ＩＤＣの周波数特性に基づいて、駆動周波数を設定する。
【００８９】
入力電流ＩＤＣの周波数特性は、図１７に示すように、インバータ回路１１からの出力電力によって特性カーブの凹凸が異なる。図１７は、入力電流ＩＤＣの周波数特性を示す図である。図１７の横軸はインバータ回路１１の駆動周波数、縦軸は入力電流ＩＤＣであり、４種の異なるプロットは、それぞれ定抵抗負荷ＲＬ２の値を変化させた場合の特性を示している。図１７に示すように、負荷の大きさに応じて周波数特性の特性カーブが異なる。
【００９０】
記憶部１７４に記憶されている設定条件では、例えば、得られた周波数特性の特性カーブの極大値をとる周波数を駆動周波数に設定するのか、極小値をとる周波数を駆動周波数に設定するのかが定められている。制御部１７５は、電力取得部１７２が取得した電力に対応する設定条件を記憶部１７４から取得し、その設定条件と、入力電流ＩＤＣの周波数特性とから駆動周波数を設定する。そして、周波数制御部１７３が、その駆動周波数でパルス信号生成回路１２がインバータ回路１１を駆動するよう、パルス信号生成回路１２へ制御信号を出力する。このように、インバータ回路１１からの出力電力に対応する設定条件が予め記憶されているため、圧電トランス１５への入力電力が変化しても、容易に適切な共振周波数を検出できる。
【００９１】
制御部１７５は、本発明に係る「共振周波数検出部」、及び「駆動周波数設定部」に相当する。
【００９２】
図１８は、定抵抗負荷ＲＬ２の値が異なる場合における、インバータ回路１１からの出力電圧の周波数の変化に対する変圧比、すなわち圧電トランス１５の出力電圧Ｖｏｕｔとインバータ回路の出力電圧Ｖ１との比の変化を示す図である。図１８の横軸は周波数、縦軸は変圧比である。４種の異なるプロットは、それぞれ定抵抗負荷ＲＬ２の値が異なる場合の変圧比の周波数特性を示している。この図１８から、共振周波数である約４７０ｋＨｚ付近において、定抵抗負荷ＲＬ２の値によらず変圧比が一定となる、すなわちＶ１が一定であれば出力電圧が一定となることが分かる。
【００９３】
以下に、本実施形態に係る電源装置２における駆動周波数の設定方法について説明する。駆動周波数の設定方法は、実施形態１で説明した図１３に示す駆動周波数設定処理が、実施形態１と相違する。
【００９４】
図１９は、実施形態２に係る駆動周波数設定処理を示すフローチャートである。
【００９５】
制御部１７５は、インバータ回路１１の各スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４を制御するパルス信号生成回路１２を制御し、インバータ回路１１の駆動周波数をスイープする（Ｓ２１）。例えば、現周波数が４７０ｋＨｚである場合、４６８，４６９，４７０，４７１，４７２ｋＨｚと、４６８ｋＨｚから４７２ｋＨｚまで１ｋＨｚ刻みで掃引する。
【００９６】
周波数制御部１７３が周波数スイープをするごとに、ＩＤＣ検出部１７１が入力電流ＩＤＣを検出して、制御部１７５は、入力電流ＩＤＣの周波数特性を取得する（Ｓ２２）。制御部１７５は、インバータ回路１１からの出力電圧Ｖ１と、インバータ回路１１からの出力電流Ｉ１とから、圧電トランス１５への入力電力を取得する（Ｓ２３）。制御部１７５は、入力電力に対向する設定条件を記憶部１７４から取得する（Ｓ２４）。制御部１７５は、Ｓ２２で取得した周波数特性と、Ｓ２４で取得した設定条件とから駆動周波数を設定する（Ｓ２５）。
【００９７】
入力電流ＩＤＣの周波数特性は、インバータ回路１１からの出力電力に応じて異なる。このため、インバータ回路１１からの出力電力に応じた設定条件に従い共振周波数を検出し、その検出した共振周波数を駆動周波数に設定する。例えば、図１７に示す周波数特性において、検出により得られた周波数特性が、特性カーブＲＣ１であり、取得した設定条件が得られた周波数の極大値を駆動周波数と設定するという条件である場合、図１７に示す特性カーブＲＣ１の極大値、すなわち、周波数４７０ｋＨｚを駆動周波数に設定する。また、検出により得られた周波数特性が、特性カーブＲＣ２であり、取得した設定条件が得られた周波数の極小値を駆動周波数と設定するという条件である場合、図１７に示す特性カーブＲＣ２の極小値、すなわち、周波数４７０ｋＨｚを駆動周波数に設定する。
【００９８】
なお、制御部１７５が実行する他の処理は、実施形態１と同じであるため、説明は省略する。
【００９９】
以上説明したように、本実施形態では、圧電トランス１５の自己発熱に伴い共振周波数、すなわち、駆動周波数がずれるため、周期的に共振周波数を検出し、駆動周波数を再設定することで、共振周波数のずれによる電力変換効率の低下を抑制できる。また、入力電流ＩＤＣから共振周波数を検出するため、圧電トランス１５を直接監視する必要がない。このため、制御が容易であり、回路が複雑になることもない。
【符号の説明】
【０１００】
１，２…電源装置
１１…インバータ回路
１２…パルス信号生成回路
１３…制御回路
１４…並列共振回路
１５…圧電トランス
１６…整流平滑回路
１８…直列共振回路
３０…圧電体板
３１…第１低電圧領域
３２…第１高電圧領域
３３…第２高電圧領域
３４…第２低電圧領域
３５…第３高電圧領域
３６…第４高電圧領域
３７…第３低電圧領域
１０１…商用電源
１３１…ＩＤＣ検出部
１３２…周波数制御部
１３３…制御部
１５１…直列共振回路
１５２…並列共振回路
１５３…直列共振回路
１７１…ＩＤＣ検出部
１７２…電力取得部
１７３…周波数制御部
１７４…記憶部
１７５…制御部
Ｃ１…平滑コンデンサ
Ｃ２…キャパシタ
Ｃ３１，Ｃ３２…キャパシタ
Ｃ４１，Ｃ４２…キャパシタ
Ｃｐ…キャパシタ
ＤＢ…ダイオードブリッジ回路
Ｅ１…入力電極
Ｅ１１，Ｅ１２…第１入力電極
Ｅ１３，Ｅ２３，Ｅ３３，Ｅ４３…内部電極
Ｅ２…入力電極
Ｅ２１，Ｅ２２…第２入力電極
Ｅ３…出力電極
Ｅ３１，Ｅ３２…第１出力電極
Ｅ４…出力電極
Ｅ４１，Ｅ４２…第２出力電極
Ｅ５１，Ｅ５２…第３出力電極
Ｅ５３…内部電極
Ｌ１，Ｌ２，Ｌｐ…インダクタ
Ｐｉ１，Ｐｉ２…入力端
Ｐｏ１，Ｐｏ２…出力端
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４…スイッチ素子
Ｒ１，Ｒ２，Ｒｐ…抵抗
ＲＬ１…定電力負荷
ＲＬ２…定抵抗負荷
【要約】
直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路（１１）と、設定された駆動周波数でインバータ回路（１１）を制御するパルス信号生成回路（１２）と、インバータ回路（１１）から出力される交流電圧を降圧する絶縁型の圧電トランス（１５）と、インバータ回路（１２）及び圧電トランス（１５）の間に接続された並列共振回路（１４）と、圧電トランス（１５）、及び、その出力側に接続されたインダクタ（Ｌ２）で構成され、並列共振回路（１４）と同じ共振周波数を有する並列共振回路（１５２）とを備える。駆動周波数を掃引して並列共振回路（１４）及び並列共振回路（１５２）に起因する圧電トランス（１５）の共振周波数を圧電トランス（１５）の入力側で検出する処理を、所定周期で実行する。その検出した共振周波数を駆動周波数に設定する。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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