特許 5774577 ゼロ電圧スイッチング方式の圧電駆動回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5774577

(24)【登録日】2015年7月10日

(45)【発行日】2015年9月9日

(54)【発明の名称】ゼロ電圧スイッチング方式の圧電駆動回路

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/24 20060101AFI20150820BHJP

【ＦＩ】

   H02M3/24 H

【請求項の数】9

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2012-278240(P2012-278240)

(22)【出願日】2012年12月20日

(65)【公開番号】特開2013-141389(P2013-141389A)

(43)【公開日】2013年7月18日

【審査請求日】2013年11月19日

(31)【優先権主張番号】100149933

(32)【優先日】2011年12月30日

(33)【優先権主張国】TW

(73)【特許権者】

【識別番号】504348415

【氏名又は名称】金威貿易有限公司

(73)【特許権者】

【識別番号】504348426

【氏名又は名称】チャンピオン エライト カンパニー リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＣＨＡＭＰＩＯＮ ＥＬＩＴＥ ＣＯＭＰＡＮＹ ＬＩＭＩＴＥＤ

(74)【代理人】

【識別番号】100082418

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 朔生

(72)【発明者】

【氏名】魏道金

(72)【発明者】

【氏名】劉元平

【審査官】 今井 貞雄

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０７−０３９１４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−３０４６８２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ３／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

入力直流電圧を受ける回路であり、直列する上アームスイッチセットおよび下アームスイッチセットを含み、前記上アームスイッチおよび下アームスイッチセットの切り替えにより交流電圧に変換するハーフブリッジ駆動回路と、
前記ハーフブリッジ駆動回路で電気的に接続するとともに、前記交流電圧を受け、負荷を駆動し動作させる圧電素子と、
前記ハーフブリッジ駆動回路と前記圧電素子の間を電気的に接続し、前記ハーフブリッジ駆動回路と共振し、前記上アームスイッチセットおよび前記下アームスイッチセットがゼロ電圧スイッチングを行うようにする、少なくとも１つのシャント回路とを備え、
前記上アームスイッチセットと前記下アームスイッチセットがいずれもオフ状態であるデッドタイムの時、前記シャント回路は導通するとともに、前記上アームスイッチセットおよび前記下アームスイッチセットと共振充電または放電を開始し、前記シャント回路の導通時においては、前記上アームスイッチセットと前記下アームスイッチセットが前記ゼロ電圧スイッチングを行うようにするため、充電電荷が前記入力直流電圧と等しくなるまたは放電電荷がゼロ電圧になることを特徴とする、
ゼロ電圧スイッチング方式の圧電駆動回路。

【請求項2】

前記上アームスイッチセットは第一寄生キャパシタを含み、前記下アームスイッチセットは第二寄生キャパシタを含み、前記上アームスイッチセットと前記下アームスイッチセットがオフの時、前記シャント回路は導通し、前記圧電素子の入力キャパシタと前記第二寄生キャパシタは前記シャント回路を経由して放電すると同時に、前記第一寄生キャパシタは充電されることを特徴とする、請求項１に記載のゼロ電圧スイッチング方式の圧電駆動回路。

【請求項3】

前記シャント回路は直列するシャントインダクタ、双方向スイッチおよびシャント電源を含み、前記シャントインダクタと前記第一寄生キャパシタ、前記第二寄生キャパシタ、前記入力キャパシタが共振を開始した時、前記圧電素子の前記入力交流電圧は徐々に低下してゼロ電圧になり、前記上アームスイッチセット上の電圧ストレスは前記直流電圧レベルまで徐々に上昇することを特徴とする、請求項２に記載のゼロ電圧スイッチング方式の圧電駆動回路。

【請求項4】

前記シャントインダクタは前記シャント回路中の導線上の寄生インダクタまたは前記シャント回路のプリント基板上の導線であることを特徴とする、請求項３に記載のゼロ電圧スイッチング方式の圧電駆動回路。

【請求項5】

前記シャント電源は前記双方向スイッチに駆動電圧を提供するものであり、前記シャント電源の直流電圧値は前記入力直流電圧の半分であることを特徴とする、請求項３に記載のゼロ電圧スイッチング方式の圧電駆動回路。

【請求項6】

前記シャント回路が第一シャント回路および第二シャント回路の２つであるとき、前記第一シャント回路は直列する第一シャントインダクタおよび第一単方向スイッチを含み、前記第二シャント回路は前記第一シャント回路に電気的に接続し、前記第二シャント回路は直列する第二シャントインダクタおよび第二単方向スイッチを含むことを特徴とする、請求項２に記載のゼロ電圧スイッチング方式の圧電駆動回路。

【請求項7】

前記下アームスイッチセットが導通する時、前記第一シャントインダクタおよび前記第二シャントインダクタと、前記第一寄生キャパシタ、前記第二寄生キャパシタおよび前記入力キャパシタは共振を開始し、前記入力キャパシタと前記第二寄生キャパシタは前記第二シャントインダクタ、第二寄生ダイオードおよび前記第二単方向スイッチを経由して放電すると同時に、前記第一寄生キャパシタは充電され、この時前記圧電素子の前記入力交流電圧は徐々に低下してゼロ電圧になり、前記上アームスイッチセット上の電圧ストレスは前記直流電圧レベルまで徐々に上昇することと、前記上アームスイッチセットが導通する時、前記第一シャントインダクタおよび前記第二シャントインダクタと、前記第一寄生キャパシタ、前記第二寄生キャパシタおよび前記入力キャパシタは共振を開始し、前記入力キャパシタと前記第二寄生キャパシタは前記第一シャントインダクタ、第一寄生ダイオードおよび前記第一単方向スイッチを経由して充電すると同時に、前記第一寄生キャパシタは放電され、この時前記圧電素子の前記入力交流電圧は前記直流電圧レベルまで徐々に上昇し、前記上アームスイッチセット上の電圧ストレスは徐々に低下してゼロ電圧になること、を特徴とする、請求項６に記載のゼロ電圧スイッチング方式の圧電駆動回路。

【請求項8】

前記圧電素子は圧電変圧器または圧電共振器であることを特徴とする、請求項１に記載のゼロ電圧スイッチング方式の圧電駆動回路。

【請求項9】

前記上アームスイッチセットは第一キャパシタに並列し、前記圧電素子は第二キャパシタに並列し、前記第一キャパシタと前記シャント回路の間にはシャントキャパシタが直列し、前記第二キャパシタは前記シャント回路中のシャント電流値および前記第一キャパシタと前記シャント回路中の共振周波数を変えるこができることを特徴とする、請求項１に記載のゼロ電圧スイッチング方式の圧電駆動回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はゼロ電圧スイッチング方式の圧電駆動回路に関するものであり、特に広帯域で広い負荷範囲のゼロ電圧スイッチングハーフブリッジ回路を実現できる圧電駆動回路に関するものである。

【背景技術】

【0002】

圧電変圧器は、薄型で放射性電磁妨害（ＥＭＩ； Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）が無いという利点を有するため、次第に電源駆動回路への応用が一般的になってきた。
しかし、圧電変圧器は未だ克服できない難題を抱えている。たとえば、圧電変圧器をブリッジ式スイッチ回路に応用するには、通常、インダクタをブリッジ式スイッチ回路および圧電変圧器の間に接続しないとゼロ電圧スイッチングの条件を満たすことができない。しかし、インダクタ自体はこの圧電変圧器より厚みがあり（すなわち構造がより大きく）、圧電変圧器がもともと有する薄型パッケージという利点が損なわれ、しかもインダクタはメイン回路において余分な損耗を引き起こし電磁放射妨害の問題が生じる。

【0003】

また、圧電変圧器駆動回路において、インダクタ無しの設計を用いた場合、特定の負荷範囲内ではゼロ電圧スイッチングの条件を満たすが、使用可能な周波数範囲は非常に狭くなり、圧電変圧器は周波数変換のフィードバック制御下および広範囲の負荷変動下では、ゼロ電圧スイッチング動作を維持することができなくなる。
実際、圧電変圧器にインダクタが搭載されているか否かにかかわらず、全体の駆動回路がゼロ電圧スイッチングを行える帯域幅は相当狭い。また、実際動作する上で、圧電変圧器は軽負荷（ｌｉｇｈｔ ｌｏａｄ）の条件下および主共振周波数から離れた状態にあるとき、ゼロ電圧スイッチングを達成するのは難しい。このため、圧電変圧器の電源供給装置への応用および発展は制限されてしまう。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明は、これらの点を考慮し、上述した公知技術の欠点に鑑みて成されたもので、上述の問題を克服するのに有効な、ゼロ電圧スイッチング方式の圧電駆動回路を提案する。

【0005】

本発明の主な目的は、ハーフブリッジスイッチのデッドタイムにあるときのシャント回路を利用して共振を促し、負荷変動および動作周波数変動のもとで、ゼロ電圧スイッチングの効力を維持することができるゼロ電圧スイッチング方式の圧電駆動回路を提供することである。

【0006】

本発明のもう１つの目的は、主電流路において体積を占め損耗を引き起こす一般的なインダクタをシャント回路で代替し、回路全体を薄型化するだけでなく、回路全体の機能を高め、全体的な技術の発展、応用および製品競争に役立つゼロ電圧スイッチング方式の圧電駆動回路を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上述の目的を達成するために、本発明が提供するゼロ電圧スイッチング方式の圧電駆動回路は、ハーフブリッジ駆動回路、圧電素子および少なくも１つのシャント回路を備える。
ハーフブリッジ駆動回路は入力直流電圧を受ける回路であり、ハーフブリッジ駆動回路は、直列する上アームスイッチセットおよび下アームスイッチセットを含み、上アームスイッチセットおよび下アームスイッチセットの切り替えにより交流電圧に変換する。
圧電素子はハーフブリッジ駆動回路に電気的に接続し、交流電圧を受け、負荷を駆動し動作させる。シャント回路はハーフブリッジ駆動回路と圧電素子の間を電気的に接続し、シャント回路とハーフブリッジ駆動回路は共振し、上アームスイッチセットおよび下アームスイッチセットがゼロ電圧スイッチングを行うようにする。

【発明の効果】

【0008】

従来の圧電変圧器の駆動回路においては、周波数変換のフィードバック制御下および広範囲の負荷変動下では、ゼロ電圧スイッチング動作を維持することができず、使用可能な周波数範囲も狭すぎるため、技術全体に対する批判を払拭できず、発展と応用の妨げになってきた。
このため本発明は、シャント回路により体積の大きなインダクタを代替し、ハーフブリッジスイッチのデッドタイムにあるシャント回路を利用して共振を促し、負荷変動および動作周波数変動のもとで、ゼロ電圧スイッチングの効力を維持することを提案する。
また本発明によれば、主電流路において体積を占め損耗を引き起こす一般的なインダクタをシャント回路で代替し、回路全体を薄型化できるだけでなく、回路全体の機能を高め、全体的な技術の発展、応用および製品競争に役立てることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明第一実施例の構造図。

【図2】本発明第一実施例の波形図。

【図3】本発明第二実施例の構造図。

【図4】本発明第二実施例の波形図

【図5】本発明第三実施例の構造図。

【図6】本発明第四実施例の構造図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明の目的、技術内容、特徴および達成される効果の更なる理解のため、以下に具体的実施例を挙げて詳細な説明をする。

【実施例】

【0011】

図１は本発明第一実施例の構造図である。圧電駆動回路１０はハーフブリッジ駆動回路１２、圧電素子１４および少なくとも１つのシャント回路１６を備える。ハーフブリッジ駆動回路１２は直列する上アームスイッチセット１８および下アームスイッチセット２０を含み、ハーフブリッジ駆動回路１２は入力直流電圧（Ｖ_DC）を受け、上アームスイッチセット１８および下アームスイッチセット２０の切り替えにより方形波の交流電圧に変換する。
圧電素子１４はハーフブリッジ駆動回路１２に電気的に接続し、交流電圧を受け、共振して負荷２２を駆動し動作させる。ここでは、負荷２２は冷陰極蛍光ランプ（ＣＣＦＬ）、熱陰極蛍光ランプ（ＨＣＦＬ）、高輝度放電ランプ（ＨＩＤ Ｌａｍｐ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、整流回路、圧電アクチュエータ、スイッチ回路等である。
シャント回路１６はハーフブリッジ駆動回路１２と圧電素子１４の間を電気的に接続し、シャント回路１６とハーフブリッジ駆動回路１２は共振し、上アームスイッチセット１８および下アームスイッチセット２０がゼロ電圧スイッチングを行うようにする。詳細は次のとおりである。

【0012】

後の回路動作方式を理解しやすくするために、ここではまず上述の素子の細部回路について説明する。
上アームスイッチセット１８は第一寄生キャパシタ（Ｃ_K1）１８２および第一寄生ダイオード１８４を含む。下アームスイッチセット２０は第二寄生キャパシタ（Ｃ_K2）２０２および第二寄生ダイオード２０４を含む。圧電素子１４は圧電変圧器または圧電共振器であり、ここでは、圧電変圧器を例として説明する。
この圧電変圧器は入力キャパシタ（Ｃ_P）１４２を含む。この第一実施例においては、シャント回路１６を使用した本発明を例として説明する。
シャント回路１６は直列するシャントインダクタ（Ｌ_S）１６２、双方向スイッチ（Ｋ_S）１６４およびシャント電源（Ｖ_DC／２）１６６を含む。シャント電源１６６は駆動電圧を双方向スイッチ１６４に提供し、シャント電源１６６の直流電圧値は入力直流電圧（Ｖ_DC）の半分である。

【0013】

続いて、本発明第一実施例の波形図である図２を同時に参照されたい。ここでは、圧電駆動回路１０の動作過程でどのようにゼロ電圧スイッチングの効果を達成するかを説明する。
まず、動作期間〔ｔ₀−ｔ₁〕において、上アームスイッチセット（Ｋ₁）１８は導通状態を示し、下アームスイッチセット（Ｋ₂）２０はオフ状態を示し、この時シャント回路１６は閉じているため、入力電流ｉ_Pは圧電素子１４まで流れ、その入力キャパシタ１４２の電圧ストレスＶ_Pは入力直流電圧（Ｖ_DC）に等しく、かつ電圧ストレスは正値である。この動作期間が終了する時、シャント回路１６の双方向スイッチ１６４はオフ状態を示したままである。

【0014】

続いて、動作期間〔ｔ₁−ｔ₂〕において、上アームスイッチセット１８と下アームスイッチセット２０が同時にオフ状態になった時、この期間は即ち従来のハーフブリッジ回路のデッドタイムである。この時、シャント回路１６は導通しており、入力キャパシタ１４２、第二寄生キャパシタ２０２、第一寄生キャパシタ１８２とシャントインダクタ１６２は共振し始め、入力キャパシタ１４２と第二寄生キャパシタ２０２はシャント回路１６を経由して共振放電を開始する。同時に第一寄生キャパシタ１８２に対しては共振充電が開始される。
ここでは、入力キャパシタ１４２の電圧ストレスＶ_Pは正弦勾配であり徐々にゼロ電圧まで低下し、上アームスイッチセット１８の電圧ストレスは入力直流電源（Ｖ_DC）の電圧レベルまで徐々に上昇することに留意されたい。これが下アームスイッチセット２０のゼロ電圧スイッチングの重要な条件となる。
もちろん、〔ｔ₁−ｔ₂〕の期間に、共振放電電流の大きさが不十分である場合は、入力キャパシタ１４２と第二寄生キャパシタ２０２はゼロになるまで完全に放電することができず、下アームスイッチセット２０が次の動作期間にゼロ電圧導通することもできない。シャントインダクタ１６２とすべてのキャパシタの〔ｔ₁−ｔ₂〕の共振期間の計算は次の数式１のとおりである。

【0015】

【数1】

【0016】

〔ｔ₁−ｔ₂〕の時間は通常とても短く、共振期間には、直接シャント回路１６上に小インダクタンス値（シャントインダクタ１６２）を用いて圧電駆動回路１０上のすべてのキャパシタに合わせることができる。
回路全体をさらに薄型化するため、シャント回路１６中の導線上の寄生インダクタンスまたはシャント回路１６のプリント基板（ＰＣＢ）上の導線の漏れインダクタンスから発生する微小インダクタンス値を用い、入力キャパシタ１４２、第一寄生キャパシタ１８２と第二寄生キャパシタ２０２を合わせて共振させる。入力キャパシタ１４２の電圧ストレスＶ_Pが放電してゼロになった時、この動作期間は終了する。

【0017】

続いて、動作期間〔ｔ₂−ｔ₃〕において、上アームスイッチセット１８、下アームスイッチセット２０およびシャント回路１６は同時にオフ状態を示す。この期間、下アームスイッチセット２０の第二寄生ダイオード２０４は導通し、電流ｉ_mを圧電素子１４に流して提供する。下アームスイッチセット２０が導通し始めた時、この動作期間は終了する。

【0018】

続いて、動作期間〔ｔ₃−ｔ₄〕において、上アームスイッチセット１８はオフ状態を示し、下アームスイッチセット２０は導通状態を示し、この時、シャント回路１６はまだ閉じている。上アームスイッチセット１８がオフ状態から導通状態に切り替わる瞬間、圧電素子１４の入力電圧はゼロになる。
つまり、入力キャパシタ１４２の電圧ストレスＶ_Pはゼロであり、そのまま切り替え後までＶ_Pはゼロを維持するので、ゼロ電圧スイッチングが達成される。下アームスイッチセット２０がオフ状態に切り替わった時、この動作期間は終了する。

【0019】

続いて、動作期間〔ｔ₄−ｔ₅〕において、上アームスイッチセット１８および下アームスイッチセット２０はいずれもオフ状態を示し、この時シャント回路１６は導通し始め、動作期間〔ｔ₁−ｔ₂〕と同様に、入力キャパシタ１４２、第二寄生キャパシタ２０２、第一寄生キャパシタ１８２とシャントインダクタ１６２は共振し始める。
入力キャパシタ１４２と第二寄生キャパシタ２０２はシャント回路１６を経由して共振放電を開始し、同時に第一寄生キャパシタ１８２に対して共振充電が開始される。シャントインダクタ１６２とすべてのキャパシタの〔ｔ₄−ｔ₅〕の共振期間の計算は次の数式２のとおりである。

【0020】

【数2】

【0021】

共振期間において、入力キャパシタ１４２の電圧ストレスＶ_Pは正弦勾配であり徐々に入力直流電源（Ｖ_DC）の電圧レベルまで上昇し、上アームスイッチセット１８の電圧ストレスは正弦勾配であり徐々に低下してゼロ電圧になる。これが上アームスイッチセット１８のゼロ電圧スイッチングの重要な条件となる。
もちろん、〔ｔ₄−ｔ₅〕の期間に、共振放電電流の大きさが不十分である場合は、入力キャパシタ１４２はゼロまで完全に放電することができず、上アームスイッチセット１８も次の動作期間にゼロ電圧導通することはできない。入力キャパシタ１４２の電圧ストレスＶ_Pの値が充電により入力直流電源（Ｖ_DC）の電圧レベルに達した時、この動作期間は終了する。

【0022】

続いて、動作期間〔ｔ₅−ｔ₀〕において、上アームスイッチセット１８、下アームスイッチセット２０およびシャント回路１６は同時にオフ状態を示し、この時、入力キャパシタ１４２の電圧ストレスＶｐの充電が始まり、入力直流電源（Ｖ_DC）の電圧レベルに達するまで充電される。
同時に、上アームスイッチセット１８の第一寄生ダイオード１８４が導通し、電流ｉ_mを圧電素子１４に流して提供する。上アームスイッチセット１８が導通し始めた時、この動作期間は終了する。
上アームスイッチセット１８がオフ状態から導通状態に切り替わる瞬間、圧電素子１４の入力電圧（Ｖ_P）が入力直流電源（Ｖ_DC）の電圧レベルに達するまで充電され、そのまま切り替え後までＶ_PはＶ_DCを維持するのでゼロ電圧スイッチングが達成される。

【0023】

上述の動作期間からわかるように、上アームスイッチセット１８および下アームスイッチセット２０はそれぞれ動作期間〔ｔ₀−ｔ₁〕および〔ｔ₃−ｔ₄〕に導通し、その他の動作期間においては、上アームスイッチセット１８および下アームスイッチセット２０はいずれもオフになり、これがハーフブリッジ駆動回路１２のデッドタイムとなる。
動作期間〔ｔ₁−ｔ₂〕および〔ｔ₄−ｔ₅〕において、入力キャパシタ１４２、第二寄生キャパシタ２０２、第一寄生キャパシタ１８２と、シャントインダクタ１６２は共振充電され、またはシャント回路１６により放電し、ゼロ電圧スイッチングの効果を達成する。
もう一方のゼロ電圧スイッチングの効果としては、下アームスイッチセット２０の第二寄生ダイオード２０４および上アームスイッチセット１８の第一寄生ダイオード１８４がそれぞれ対応する期間〔ｔ₂−ｔ₃〕および〔ｔ₅−ｔ₀〕において動作する際、電流ｉ_mを圧電素子１４に提供して流し、負荷２２は圧電素子１４の電流ｉ_mが伝送するエネルギーを受け取り作動することである。
ここでは、圧電素子１４とシャント回路１６の両者は動作上直接的な関係は無く、圧電素子１４は上アームスイッチセット１８および下アームスイッチセット２０から発生した方形波を受けて駆動し、シャント回路１６はゼロ電圧スイッチングに用いられるにすぎないことに留意されたい。

【0024】

本発明はシャント回路１６を用いてハーフブリッジ駆動回路１２がゼロ電圧スイッチングを行えるようにしたものであり、それには以下の数式（３）から（６）によって示す２つの条件を満たす必要がある。

【0025】

１．十分な長さのデッドタイムｔｄ、ｔｄはつまり〔ｔ₁−ｔ₃〕または〔ｔ₄−ｔ₀〕の期間に等しい。

【0026】

【数3】

【0027】

２．十分な大きさの充電および放電電荷Ｑ

【0028】

【数4】

【0029】

【数5】

【0030】

【数6】

【0031】

ここで、Ｋ_Sは双方向スイッチ１６４であり、Ｔ_Sは動作期間〔ｔ₁−ｔ₂〕または〔ｔ₄−ｔ₅〕のような双方向スイッチ１６４の導通時間である。ｉ_sはシャント回路１６の電流である。

【0032】

数式（３）〜（６）からわかるように、ゼロ電圧スイッチングの２つの条件は十分なデッドタイムとシャント回路１６の電流ｉ_sであり、その他の因子（たとえば周波数と負荷）との関連性は大きくない。
シャント回路１６の電流ｉ_sは、入力直流電圧（Ｖ_DC）と、シャントインダクタ１６２（Ｌ_S）と、入力キャパシタ１４２（Ｃ_P）、第一寄生キャパシタ１８２（Ｃ_K1）および第二寄生キャパシタ２０２（Ｃ_K2）のキャパシタンス値によって決まり、すべて固有素子の値である。
したがって、デッドタイムを固定すればゼロ電圧スイッチングの条件が固定でき、かつ動作周波数および負荷とは関係がないので、広帯域でのゼロ電圧スイッチングの効力を達成できる。時間ｔ_dが対応する周波数は１／ｔ_dであるため、シャント回路１６の動作周波数の上限値は即ち１／ｔ_dである。

【0033】

図３は本発明の第二実施例の構造図である。第一実施例と異なるのは、第二実施例は実際の双方向スイッチとハーフブリッジ駆動回路を統合した設計であり、シャント回路が２組設計されているという点である。
詳しく述べると、圧電駆動回路１０において、ハーフブリッジ駆動回路１２と圧電素子１４の間には第一シャント回路２４および第二シャント回路２６の２つのシャント回路が電気的に接続しており、第一シャント回路２４は直列する第一シャントインダクタ２４２（Ｌ₁）および第一単方向スイッチ２４４（Ｓ₁）を含む。
第二シャント回路２６は第一シャント回路２４に接続し、第二シャント回路２６は直列する第二シャントインダクタ２６２（Ｌ₂）および第二単方向スイッチ２６４（Ｓ₂）を含む。ハーフブリッジ駆動回路１２と圧電素子１４の組成素子は第一実施例と同じであるため、ここでは再述しない。
ここでは、第一シャント回路２４は入力直流電圧（Ｖ_DC）に直接接続して駆動電圧Ｖ₁となり、第二シャント回路２６は接地（０Ｖ）に直接接続して駆動電圧Ｖ₂となり、これにより、外部電源を省くことができるので、回路全体のトポロジー設計が簡素化できることに留意されたい。

【0034】

続いて、本発明の第二実施例の波形図である図４を同時に参照されたい。ここでは、圧電駆動回路１０の動作過程においてどのようにゼロ電圧スイッチングの効果を達成するかを説明する。
まず、動作〔ｔ₀−ｔ₁〕において、上アームスイッチセット（Ｋ₁）１８は導通状態を示し、下アームスイッチセット（Ｋ₂）２０はオフ状態を示す。この時第一シャント回路２４および第二シャント回路２６はいずれも閉じているため、入力電流ｉ_Pは圧電素子１４まで流れ、その入力キャパシタ１４２の電圧ストレスＶ_Pは入力直流電圧（Ｖ_DC）に等しく、かつ電圧ストレスは正値である。この動作期間が終了する時、第一単方向スイッチ２４４および第二単方向スイッチ２６４はオフ状態を示したままである。

【0035】

続いて、動作期間〔ｔ₁−ｔ₂〕において、上アームスイッチセット１８と下アームスイッチセット２０は同時にオフ状態を示し、第一シャント回路２４もまだオフ状態を示している。しかし、下アームスイッチセット２０はｔ₁＝ｔ₂の期間に導通する。そのため、入力キャパシタ１４２、第二寄生キャパシタ２０２、第一寄生キャパシタ１８２と第二シャントインダクタ２６２は共振し始め、入力キャパシタ１４２と第二寄生キャパシタ２０２は第二シャント回路２６を経由して共振放電を開始し、同時に第一寄生キャパシタ１８２に対しては共振充電が開始される。
ここでは、入力キャパシタ１４２の電圧ストレスＶ_Pは正弦勾配であり徐々にゼロ電圧まで低下し、上アームスイッチセット１８の電圧ストレスは入力直流電源（Ｖ_DC）の電圧レベルまで徐々に上昇することに留意されたい。これが下アームスイッチセット２０のゼロ電圧スイッチングの重要な条件となる。
もちろん、〔ｔ₁−ｔ₂〕の期間に、共振放電電流の大きさが不十分である場合は、入力キャパシタ１４２と第二寄生キャパシタ２０２はゼロになるまで完全に放電することができず、下アームスイッチセット２０が次の動作期間にゼロ電圧導通することもできない。第二シャントインダクタ２６２とすべてのキャパシタの〔ｔ₁−ｔ₂〕の共振期間の計算は次の数式７のとおりである。

【0036】

【数7】

【0037】

〔ｔ₁−ｔ₂〕の時間は通常とても短く、共振期間には、直接第一シャント回路２４および第二シャント回路２６上に小インダクタンスを用いて圧電駆動回路１０上のすべてのキャパシタに合わせることができる。入力キャパシタ１４２の電圧ストレスＶ_Pが放電してゼロになった時、この動作期間は終了する。

【0038】

続いて、動作期間〔ｔ₂−ｔ₃〕において、上アームスイッチセット１８、下アームスイッチセット２０および第一シャント回路２４は同時にオフ状態を示し、ｔ₁＝ｔ₂の期間、第二シャント回路２６の第二単方向スイッチ２６４はまだ導通しているが、入力キャパシタ１４２の電圧ストレスＶ_Pはゼロになる。この時、下アームスイッチセット２０の第二寄生ダイオード２０４は導通し、電流ｉ_mを圧電素子１４に流して提供する。
同時に、第二シャントインダクタ２６２の余分な電流（ｉ_s2）が線形放電され、第二シャントインダクタ２６２が完全に放電した後、第二シャント回路２６は自動的に閉じる。その後、第二単方向スイッチ２６４はこの動作期間においてまたは次の動作期間においてゼロ電流スイッチングの条件のもとオフになる。
これはすでに第二シャント回路２６に電流が流れていないためである。実際は、次の動作期間では比較的遅い切り替え速度で第二単方向スイッチ２６４がオフになる。下アームスイッチセット２０が導通し始めた時、この動作期間は終了する。

【0039】

続いて、動作期間〔ｔ₃−ｔ₄〕において、上アームスイッチセット１８と下アームスイッチセット２０はいずれも導通状態を示し、この時、第一シャント回路２４と第二シャント回路２６はいずれもまだ閉じている。このため、圧電素子１４の入力電圧はゼロになる。つまり、入力キャパシタ１４２の電圧ストレスＶ_Pはゼロであり、下アームスイッチセット２０がオフ状態に切り替わった時、この動作期間は終了する。

【0040】

続いて、動作期間〔ｔ₄−ｔ₅〕において、上アームスイッチセット１８および下アームスイッチセット２０はいずれもオフ状態を示し、この時第二シャント回路２４はまだオフ状態である。しかし、第一単方向スイッチ２４４はｔ＝ｔ₄の期間に導通し始める。動作期間〔ｔ₁−ｔ₂〕と同様に、入力キャパシタ１４２、第二寄生キャパシタ２０２、第一寄生キャパシタ１８２と第二シャントインダクタ２６４は共振し始め、入力キャパシタ１４２と第二寄生キャパシタ２０２は第一シャント回路２４を経由して共振充電を開始し、同時に第一寄生キャパシタ１８２に対しては共振放電が開始される。
したがって、共振期間において、入力キャパシタ１４２の電圧ストレスＶ_Pは正弦勾配であり徐々に入力直流電源（Ｖ_DC）の電圧レベルまで上昇し、上アームスイッチセット１８の電圧ストレスは正弦勾配であり徐々に低下してゼロ電圧になる。これが上アームスイッチセット１８のゼロ電圧スイッチングの重要な条件となる。
もちろん、〔ｔ₄−ｔ₅〕の期間に、共振放電電流の大きさが不十分である場合は、入力キャパシタ１４２はゼロになるまで完全に放電することができず、上アームスイッチセット１８も次の動作期間にゼロ電圧導通することはできない。入力キャパシタ１４２の電圧ストレスＶ_Pの値が充電により入力直流電源（Ｖ_DC）の電圧レベルに達した時、この動作期間は終了する。

【0041】

続いて、動作期間〔ｔ₅−ｔ₀〕において、上アームスイッチセット１８、下アームスイッチセット２０および第一シャント回路２４が同時にオフ状態を示した時、第一単方向スイッチ２４４はまだ導通している。この時、入力キャパシタ１４２の電圧ストレスＶｐの充電が始まり、入力電源（Ｖ_DC）の電圧レベルに達するまで充電される。
同時に、上アームスイッチセット１８の第一寄生ダイオード１８４が導通し、電流ｉ_mを圧電素子１４に流して提供する。また、第一シャントインダクタ２４２の余分な電流（ｉ_s1）は線形放電されゼロになり、第二シャント回路２６は自動的に閉じられる。下アームスイッチセット２０が導通し始めた時、この動作期間は終了する。

【0042】

上述の第二実施例の動作期間からわかるように、上アームスイッチセット１８および下アームスイッチセット２０はそれぞれ動作期間〔ｔ₀−ｔ₁〕および〔ｔ₃−ｔ₄〕に導通し、その他の動作期間においては、上アームスイッチセット１８および下アームスイッチセット２０はいずれもオフになり、これがハーフブリッジ駆動回路１２のデッドタイムとなる。動作期間〔ｔ₁−ｔ₂〕および〔ｔ₄−ｔ₅〕において、入力キャパシタ１４２、第二寄生キャパシタ２０２、第一寄生キャパシタ１８２と、第一シャントインダクタ２４２および第二シャントインダクタ２６２は共振充電され、または第一シャントインダクタ２４２および第二シャントインダクタ２６２が放電することにより、ゼロ電圧スイッチングの効果が達成される。
もう一方のゼロ電圧スイッチングと効果としては、下アームスイッチセット２０の第二寄生ダイオード２０４および上アームスイッチセット１８の第一寄生ダイオード１８４がそれぞれ対応する期間〔ｔ₂−ｔ₃〕および〔ｔ₅−ｔ₀〕において動作する際、第一シャント回路２４と第二シャント回路２６の余分な電流（ｉ_s1とｉ_s2）が放電されることである。

【0043】

図５は本発明の第三実施例の構造図である。第一実施例と異なるのは、第一キャパシタ（Ｃ₁）２８、第二キャパシタ（Ｃ₂）３０およびシャントキャパシタ（Ｃ_S）３２を増設する点である。ここでは、上アームスイッチセット１８は第一キャパシタ２８に並列し、圧電素子１４は第二キャパシタ３０に並列する。
図中の等価回路が示すように、第一キャパシタ２８とシャント回路１６の間にはシャントキャパシタ３２が直列する。第二キャパシタ３０はシャント回路１６中のシャント電流値ｉ_s、および第一キャパシタ２８とシャント回路１６の共振周波数（ｆ_s）を変えることができる。
第一キャパシタ２８と第二キャパシタ３０を用いて共振周波数（ｆ_s）を下げ、シャント回路１６中の電流ｉ_sを増大することができる。シャントキャパシタ３２は共振周波数（ｆ_s）を増大させ、シャント回路１６中の電流ｉ_sを減少させることができる。上述のキャパシタを加えることにより、圧電駆動回路１０のゼロ電圧スイッチング条件に設計上の柔軟性をもたらすことができる。

【0044】

図６は本発明の第四実施例の構造図である。第三実施例と異なるのは、圧電素子は圧電共振器３４であり、第三キャパシタ（Ｃ_P2）３６により第二キャパシタ（Ｃ₂）を代替し、もとの圧電変圧器の機械的共振Ｌ_m−Ｃ_m−Ｒ_mが圧電共振器３４の機械的共振Ｌ_m2−Ｃ_m2−Ｒ_m2により代替される点である。簡単にいえば、つまり圧電変圧器の代替として圧電共振器３４を用い、エネルギーを伝送する。こうしてもとの圧電変圧器の出力キャパシタ（Ｃ_out）を省略できる。
詳しく述べると、もとの圧電変圧器中の電流ｉ_mは出力キャパシタ（Ｃ_out）と負荷２２に流れ、圧電共振器３４の例では、電流ｉ_mは直接負荷２２に流れる。 電流ｉ_m（振動速度）は圧電共振器の物理的制限であり、同じ電流ｉ_m条件のもと、圧電共振器３４は負荷２２上でより大きな出力ワット数を得ることができるので、回路全体がさらに簡素化される。

【0045】

上述の記載は本発明の好ましい実施例の説明に過ぎず、本発明の実施範囲を限定するものではない。従って、本発明の出願範囲に記載された特徴と精神にもとづく変更や潤色は全て、本発明の特許請求の範囲内に含まれる。

【符号の説明】

【0046】

１０ 圧電駆動回路
１２ ハーフブリッジ駆動回路
１４ 圧電素子
１４２ 入力キャパシタ
１６ シャント回路
１６２ シャントインダクタ
１６４ 双方向スイッチ
１６６ シャント電源
１８ 上アームスイッチセット
１８２ 第一寄生キャパシタ
１８４ 第一寄生ダイオード
２０ 下アームスイッチセット
２０２ 第二寄生キャパシタ
２０４ 第二寄生ダイオード
２２ 負荷
２４ 第一シャント回路
２４２ 第一シャントインダクタ
２４４ 第一単方向スイッチ
２６ 第二シャント回路
２６２ 第二シャントインダクタ
２６４ 第二単方向スイッチ
２８ 第一キャパシタ
３０ 第二キャパシタ
３２ シャントキャパシタ
３４ 圧電共振器
３６ 第三キャパシタ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】