JP7529261B2 - AC/DC Converters - Google Patents
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Description
本発明は、ピエゾ素子から出力された交流電力を高い効率で直流電力に変換するＡＣ／ＤＣコンバータに関するものである。 The present invention relates to an AC/DC converter that converts AC power output from a piezoelectric element into DC power with high efficiency.
機械的振動を与えることにより交流電圧を出力するピエゾ素子は、発電量が少ないことから最大限に電力を取り出すこと及び電力を取り出す回路の電力損失を低減することが求められている。このピエゾ素子から電力を取り出す手法として、定電圧出力法や等価抵抗制御法が採用されている。 Piezoelectric elements output AC voltage when subjected to mechanical vibrations, but because they generate a small amount of power, there is a need to extract the maximum amount of power possible and reduce power loss in the circuit that extracts the power. The constant voltage output method and equivalent resistance control method are used as methods for extracting power from these piezoelectric elements.
定電圧出力法は、ピエゾ素子から出力された交流電圧を整流回路で直流に変換した後に、定電圧出力回路に入力して一定の直流電圧に調整して出力する手法であり、例えば、インフィニオンテクノロジーズ社の定電圧出力ＩＣ「ＭＢ３９Ｃ８１１」等で採用されている。
この定電圧出力ＩＣにおいて、ピエゾ素子からの発電電力を最大化するためには、ピエゾ素子の出力インピーダンスと負荷側の入力インピーダンスをマッチングさせる必要があるが、この定電圧出力法では、定電圧出力回路の入力インピーダンスがその定電圧出力回路の負荷インピーダンスによって決まるので、定電圧出力回路の入力インピーダンスをピエゾ素子の出力インピーダンスとマッチングさせることができず、ピエゾ素子の発電電力を最大化することが困難であった。
The constant voltage output method is a technique in which the AC voltage output from a piezoelectric element is converted to DC using a rectifier circuit, then input into a constant voltage output circuit to adjust it to a constant DC voltage and output it. For example, this method is used in Infineon Technologies' constant voltage output IC "MB39C811".
In this constant voltage output IC, in order to maximize the power generated by the piezoelectric element, it is necessary to match the output impedance of the piezoelectric element with the input impedance on the load side. However, in this constant voltage output method, the input impedance of the constant voltage output circuit is determined by the load impedance of the constant voltage output circuit, so the input impedance of the constant voltage output circuit cannot be matched with the output impedance of the piezoelectric element, making it difficult to maximize the power generated by the piezoelectric element.
そこで、本発明者は、特許文献１（特開２０１９－２８５７８号公報）及び特許文献２（特開２０１９－３００７２号公報）に開示されているように、等価抵抗制御法を採用したＡＣ／ＤＣコンバータ回路を開発した。
この等価抵抗制御法は、ピエゾ素子から出力された交流電圧を整流回路で直流に変換した後に、整流回路から出力する電圧を入力電圧として昇圧する昇圧回路の入力インピーダンスをピエゾ素子の発電電力が最大となる出力インピーダンスとなるようにスイッチングトランジスタを制御する方法である。
この方法によれば、ピエゾ素子の出力インピーダンスと負荷側の入力インピーダンスをマッチングさせ、発電電力を最大化できるが、昇圧回路の出力電圧を制御できないために昇圧回路の出力電圧を入力として降圧回路を接続し、所望の定電圧を得る必要がある。
そして、特許文献１及び２に記載されている実施例においては、整流回路の後段に第１制御回路を含む昇圧チョッパ回路及び第２制御回路を含む降圧チョッパ回路を接続しているが、これらの回路における電力損失が大きくなってしまうという問題がある。
Therefore, the present inventor developed an AC/DC converter circuit that adopts an equivalent resistance control method, as disclosed in Patent Document 1 (JP 2019-28578 A) and Patent Document 2 (JP 2019-30072 A).
This equivalent resistance control method involves converting the AC voltage output from a piezoelectric element to DC using a rectifier circuit, and then controlling a switching transistor so that the input impedance of a boost circuit, which uses the voltage output from the rectifier circuit as an input voltage and boosts it, becomes the output impedance at which the power generated by the piezoelectric element is maximized.
According to this method, the output impedance of the piezoelectric element can be matched with the input impedance of the load, maximizing the generated power. However, because the output voltage of the boost circuit cannot be controlled, it is necessary to connect a step-down circuit using the output voltage of the boost circuit as its input to obtain the desired constant voltage.
In the embodiments described in Patent Documents 1 and 2, a step-up chopper circuit including a first control circuit and a step-down chopper circuit including a second control circuit are connected downstream of the rectifier circuit, but there is a problem in that power loss in these circuits becomes large.
この発明は、上記の問題を解決しようとするものであり、発電電力を最大化しながら定電圧を得ることが可能であるにもかかわらず、整流回路の後段に接続する回路における電力損失を抑えることのできるＡＣ／ＤＣコンバータを提供することを目的としてなされたものである。 This invention is intended to solve the above problems, and aims to provide an AC/DC converter that can obtain a constant voltage while maximizing the generated power, while suppressing power loss in the circuit connected after the rectifier circuit.
請求項１に係る発明のＡＣ／ＤＣコンバータは、
機械的振動を与えることにより交流電圧を出力するピエゾ素子と、
前記ピエゾ素子から出力された交流電圧を整流する整流回路と、
前記整流回路の出力電圧を入力電圧として昇降圧し、所望の負荷電圧を出力する昇降圧回路と、
前記昇降圧回路から出力される負荷電圧並びに前記整流回路の出力電圧及び出力電流に基づいて前記昇降圧回路を制御するための制御電圧を出力する制御回路からなるＡＣ／ＤＣコンバータであって、
前記制御回路は、
基準電圧及び前記昇降圧回路から出力される負荷電圧に基づいて定電圧制御用電圧を生成する定電圧出力制御回路と、
前記定電圧制御用電圧並びに前記整流回路の出力電圧及び出力電流に基づいて前記制御電圧を出力する制御電圧生成回路を備えており、
前記制御電圧生成回路は、
前記整流回路の出力電圧及び出力電流に基づいて等価抵抗制御用電圧を生成する等価抵抗制御回路と、
前記定電圧制御用電圧及び前記等価抵抗制御用電圧のいずれかに基づいて前記制御電圧を出力する切替回路を有していることを特徴とする。
The AC/DC converter of the present invention according to claim 1 comprises:
A piezoelectric element that outputs an AC voltage when mechanical vibration is applied to the piezoelectric element;
A rectifier circuit that rectifies the AC voltage output from the piezoelectric element;
a step-up/step-down circuit which steps up/down the output voltage of the rectifier circuit as an input voltage and outputs a desired load voltage;
a control circuit that outputs a control voltage for controlling the step-up/step-down circuit based on a load voltage output from the step-up/step-down circuit and an output voltage and an output current of the rectifier circuit,
The control circuit includes:
a constant voltage output control circuit that generates a constant voltage control voltage based on a reference voltage and a load voltage output from the step-up/step-down circuit;
a control voltage generating circuit that outputs the control voltage based on the constant voltage control voltage and the output voltage and output current of the rectifier circuit ,
The control voltage generating circuit includes:
an equivalent resistance control circuit that generates an equivalent resistance control voltage based on an output voltage and an output current of the rectifier circuit;
The power supply voltage Vcc is a voltage regulator that regulates the constant voltage and outputs the control voltage based on the constant voltage control voltage or the equivalent resistance control voltage .
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のＡＣ／ＤＣコンバータにおいて、
前記定電圧出力制御回路は、
基準電圧から前記負荷電圧を減算し差電圧を出力する電圧減算器と、
前記差電圧に基づいて定電圧制御用電圧を生成する比例積分制御器を有し、
前記等価抵抗制御回路は、
前記整流回路の出力電圧を入力し脈流成分を除去する電圧用ローパスフィルタと、
前記電圧用ローパスフィルタの出力電圧に基づいて基準電流を生成する除算回路と、
前記整流回路の出力電流を入力し脈流成分を除去する電流用ローパスフィルタと、
前記基準電流から前記電流用ローパスフィルタの出力電流を減算する電流減算器と、
前記電流減算器の出力電流に基づいて等価抵抗制御用電圧を生成する比例積分演算器を有し、
前記切替回路は、
前記差電圧が下限値に達しているときに第１信号を出力し、前記差電圧が下限値に達していないときに第２信号を出力する切替用リミッタと、
前記第１信号を受信すると前記定電圧制御用電圧を出力し、前記第２信号を受信すると前記等価抵抗制御用電圧を出力する切替スイッチと、
鋸歯状波発生回路と、
前記切替スイッチから出力される前記定電圧制御用電圧及び前記等価抵抗制御用電圧のいずれかと前記鋸歯状波発生回路の出力電圧に基づいて前記制御電圧を生成する比較器を有することを特徴とする。
The present invention relates to an AC/DC converter comprising :
The constant voltage output control circuit includes:
a voltage subtractor that subtracts the load voltage from a reference voltage and outputs a difference voltage;
a proportional-integral controller that generates a constant voltage control voltage based on the differential voltage;
The equivalent resistance control circuit includes:
a voltage low-pass filter which receives the output voltage of the rectifier circuit and removes pulsating components;
a division circuit that generates a reference current based on an output voltage of the voltage low-pass filter;
a current low-pass filter that receives the output current of the rectifier circuit and removes pulsating current components;
a current subtractor that subtracts an output current of the current low-pass filter from the reference current;
a proportional-integral calculator that generates an equivalent resistance control voltage based on the output current of the current subtractor;
The switching circuit includes:
a switching limiter that outputs a first signal when the differential voltage reaches a lower limit value and outputs a second signal when the differential voltage does not reach the lower limit value;
a changeover switch that outputs the constant voltage control voltage when receiving the first signal and outputs the equivalent resistance control voltage when receiving the second signal;
A sawtooth wave generating circuit;
The power supply device is characterized in that it further comprises a comparator which generates the control voltage based on either the constant voltage control voltage or the equivalent resistance control voltage output from the changeover switch and the output voltage of the sawtooth wave generating circuit.
請求項３に係る発明のＡＣ／ＤＣコンバータは、
機械的振動を与えることにより交流電圧を出力するピエゾ素子と、
前記ピエゾ素子から出力された交流電圧を整流する整流回路と、
前記整流回路の出力電圧を入力電圧として昇降圧し、所望の負荷電圧を出力する昇降圧回路と、
前記昇降圧回路から出力される負荷電圧並びに前記整流回路の出力電圧及び出力電流に基づいて前記昇降圧回路を制御するための制御電圧を出力する制御回路からなるＡＣ／ＤＣコンバータであって、
前記制御回路は、
基準電圧及び前記昇降圧回路から出力される負荷電圧に基づいて定電圧制御用電圧を生成する定電圧出力制御回路と、
前記定電圧制御用電圧並びに前記整流回路の出力電圧及び出力電流に基づいて前記制御電圧を出力する制御電圧生成回路を備えており、
前記定電圧出力制御回路は、
基準電圧から前記負荷電圧を減算し差電圧を出力する電圧減算器と、
前記差電圧に基づいて定電圧制御用電圧を生成する比例積分制御器を有し、
前記制御電圧生成回路は、
前記定電圧制御用電圧に基づいて０超１以下の出力値を生成する除算用リミッタと、
前記整流回路の出力電圧を入力し脈流成分を除去する電圧用ローパスフィルタと、
前記電圧用ローパスフィルタの出力電圧を前記除算用リミッタの出力値で除算し参照電圧を出力する除算器と、
前記参照電圧を前記ピエゾ素子の出力インピーダンス値で除算し基準電流を生成する除算回路と、
前記整流回路の出力電流を入力し脈流成分を除去する電流用ローパスフィルタと、
前記基準電流から前記電流用ローパスフィルタの出力電流を減算する電流減算器と、
前記電流減算器の出力に基づいて制御用電圧を生成する比例積分演算器と、
鋸歯状波発生回路と、
前記制御用電圧と前記鋸歯状波発生回路の出力電圧に基づいて前記制御電圧を生成する比較器を有することを特徴とする。
The AC/DC converter according to the present invention comprises :
A piezoelectric element that outputs an AC voltage when mechanical vibration is applied to the piezoelectric element;
A rectifier circuit that rectifies the AC voltage output from the piezoelectric element;
a step-up/step-down circuit which steps up/down the output voltage of the rectifier circuit as an input voltage and outputs a desired load voltage;
a control circuit that outputs a control voltage for controlling the step-up/step-down circuit based on a load voltage output from the step-up/step-down circuit and an output voltage and an output current of the rectifier circuit,
The control circuit includes:
a constant voltage output control circuit that generates a constant voltage control voltage based on a reference voltage and a load voltage output from the step-up/step-down circuit;
a control voltage generating circuit that outputs the control voltage based on the constant voltage control voltage and the output voltage and output current of the rectifier circuit,
The constant voltage output control circuit includes:
a voltage subtractor that subtracts the load voltage from a reference voltage and outputs a difference voltage;
a proportional-integral controller that generates a constant voltage control voltage based on the differential voltage;
The control voltage generating circuit includes:
a division limiter for generating an output value greater than 0 and equal to or less than 1 based on the constant voltage control voltage;
a voltage low-pass filter which receives the output voltage of the rectifier circuit and removes pulsating components;
a divider that divides an output voltage of the voltage low-pass filter by an output value of the division limiter to output a reference voltage;
a division circuit that divides the reference voltage by an output impedance value of the piezoelectric element to generate a reference current;
a current low-pass filter that receives the output current of the rectifier circuit and removes pulsating current components;
a current subtractor that subtracts an output current of the current low-pass filter from the reference current;
a proportional integral calculator that generates a control voltage based on an output of the current subtractor;
A sawtooth wave generating circuit;
The power supply circuit further comprises a comparator for generating the control voltage based on the control voltage and the output voltage of the sawtooth wave generating circuit.
請求項１に係る発明によれば、ピエゾ素子と、整流回路と、昇降圧回路と、昇降圧回路を制御するための制御電圧を出力する制御回路からなるＡＣ／ＤＣコンバータであって、
制御回路が、基準電圧及び昇降圧回路から出力される負荷電圧に基づいて定電圧制御用電圧を生成する定電圧出力制御回路と、定電圧制御用電圧並びに整流回路の出力電圧及び出力電流に基づいて制御電圧を出力する制御電圧生成回路を備えているので、負荷電圧に応じて適切な制御電圧で昇降圧回路を制御することができ、発電電力を最大化しながら定電圧を得ることが可能であるにもかかわらず、整流回路の後段に接続する回路における電力損失を抑えることができる。
そして、制御電圧生成回路が、整流回路の出力電圧及び出力電流に基づいて等価抵抗制御用電圧を生成する等価抵抗制御回路と、定電圧制御用電圧及び等価抵抗制御用電圧のいずれかに基づいて制御電圧を出力する切替回路を有しているので、単純な回路構成で昇降圧回路を適切に制御することができる。
According to the invention of claim 1, there is provided an AC/DC converter including a piezoelectric element, a rectifier circuit, a step-up/step-down circuit, and a control circuit that outputs a control voltage for controlling the step-up/step-down circuit,
The control circuit is equipped with a constant voltage output control circuit that generates a constant voltage control voltage based on a reference voltage and the load voltage output from the step-up/step-down circuit, and a control voltage generation circuit that outputs a control voltage based on the constant voltage control voltage and the output voltage and output current of the rectifier circuit.This makes it possible to control the step-up/step-down circuit with an appropriate control voltage according to the load voltage, and while it is possible to obtain a constant voltage while maximizing the generated power, it is also possible to suppress power loss in the circuit connected downstream of the rectifier circuit.
Furthermore, since the control voltage generating circuit has an equivalent resistance control circuit that generates an equivalent resistance control voltage based on the output voltage and output current of the rectifier circuit, and a switching circuit that outputs a control voltage based on either the constant voltage control voltage or the equivalent resistance control voltage, the step-up/step-down circuit can be appropriately controlled with a simple circuit configuration.
請求項２に係る発明のＡＣ／ＤＣコンバータによれば、請求項１に係る発明の効果に加え、切替回路が、差電圧が下限値に達しているときに第１信号を出力し、差電圧が下限値に達していないときに第２信号を出力する切替用リミッタと、第１信号を受信すると定電圧制御用電圧を出力し、第２信号を受信すると等価抵抗制御用電圧を出力する切替スイッチと、鋸歯状波発生回路と、切替スイッチから出力される定電圧制御用電圧及び等価抵抗制御用電圧のいずれかと鋸歯状波発生回路の出力電圧に基づいて制御電圧を生成する比較器を有しているので、定電圧出力制御回路からの定電圧制御用電圧による昇降圧回路の制御と、等価抵抗制御回路からの等価抵抗制御用電圧による昇降圧回路の制御を、的確に切り替えることができる。 According to the AC/DC converter of the invention according to claim 2 , in addition to the effects of the invention according to claim 1 , the switching circuit includes a switching limiter that outputs a first signal when the differential voltage reaches a lower limit value and outputs a second signal when the differential voltage does not reach the lower limit value, a changeover switch that outputs a constant voltage control voltage when it receives the first signal and outputs an equivalent resistance control voltage when it receives the second signal, a sawtooth wave generating circuit, and a comparator that generates a control voltage based on either the constant voltage control voltage or the equivalent resistance control voltage output from the changeover switch and the output voltage of the sawtooth wave generating circuit, so that it is possible to accurately switch between control of the step-up/step-down circuit by the constant voltage control voltage from the constant voltage output control circuit and control of the step-up/step-down circuit by the equivalent resistance control voltage from the equivalent resistance control circuit.
請求項３に係る発明のＡＣ／ＤＣコンバータによれば、請求項１に係る発明と同様に、負荷電圧に応じて適切な制御電圧で昇降圧回路を制御することができ、発電電力を最大化しながら定電圧を得ることが可能であるにもかかわらず、整流回路の後段に接続する回路における電力損失を抑えることができる。
さらに、定電圧出力制御回路が、基準電圧から負荷電圧を減算し差電圧を出力する電圧減算器と、差電圧に基づいて定電圧制御用電圧を生成する比例積分制御器を有し、
制御電圧生成回路が、定電圧制御用電圧に基づいて０超１以下の出力値を生成する除算用リミッタと、整流回路の出力電圧を入力し脈流成分を除去する電圧用ローパスフィルタと、電圧用ローパスフィルタの出力電圧を除算用リミッタの出力値で除算し参照電圧を出力する除算器と、参照電圧をピエゾ素子の出力インピーダンス値で除算し基準電流を生成する除算回路と、整流回路の出力電流を入力し脈流成分を除去する電流用ローパスフィルタと、基準電流から電流用ローパスフィルタの出力電流を減算する電流減算器と、電流減算器の出力に基づいて制御用電圧を生成する比例積分演算器と、鋸歯状波発生回路と、制御用電圧と鋸歯状波発生回路の出力電圧に基づいて制御電圧を生成する比較器を有しているので、請求項２に係る発明のように切替用リミッタから第１信号と第２信号を出力することなく、また、切替スイッチを用いて定電圧制御用電圧及び等価抵抗制御用電圧のいずれかを選択することなく、昇降圧回路を負荷電圧の状態に適した制御電圧によって制御することができるので、制御の複雑化を回避でき、かつ、制御の切り替えに伴う余剰電力により昇降圧回路内のコンデンサの電圧が上昇する問題を回避できる。
According to the AC/DC converter of the invention as defined in claim 3 , like the invention as defined in claim 1, it is possible to control the step-up/step-down circuit with an appropriate control voltage according to the load voltage, and it is possible to obtain a constant voltage while maximizing the generated power, while suppressing power loss in the circuit connected downstream of the rectifier circuit.
Furthermore, the constant voltage output control circuit has a voltage subtractor that subtracts the load voltage from the reference voltage and outputs a difference voltage, and a proportional-integral controller that generates a constant voltage control voltage based on the difference voltage,
The control voltage generating circuit includes a division limiter that generates an output value greater than 0 and less than 1 based on the constant voltage control voltage, a voltage low-pass filter that receives the output voltage of the rectifier circuit and removes ripple components, a divider that divides the output voltage of the voltage low-pass filter by the output value of the division limiter and outputs a reference voltage, a division circuit that divides the reference voltage by the output impedance value of the piezoelectric element to generate a reference current, a current low-pass filter that receives the output current of the rectifier circuit and removes ripple components, a current subtractor that subtracts the output current of the current low-pass filter from the reference current, and a control voltage based on the output of the current subtractor. Since the present invention has a proportional integral calculator that generates a control voltage based on a control voltage, a sawtooth wave generating circuit, and a comparator that generates a control voltage based on the control voltage and the output voltage of the sawtooth wave generating circuit, the step-up/step-down circuit can be controlled by a control voltage suitable for the state of the load voltage without outputting a first signal and a second signal from the switching limiter as in the invention of claim 2, and without using a switch to select either the constant voltage control voltage or the equivalent resistance control voltage, so that it is possible to avoid complicating control and to avoid the problem of the voltage of the capacitor in the step-up/step-down circuit increasing due to surplus power associated with control switching.
図１は本発明の実施形態１に係るＡＣ／ＤＣコンバータのブロック図である。
本発明の実施形態１に係るＡＣ／ＤＣコンバータは、図１に示すように、機械的振動を与えることにより交流電圧vrecを出力するピエゾ素子１と、ピエゾ素子１から出力された交流電圧vrecを整流する整流回路２と、整流回路２の出力電圧を入力電圧vinとして昇降圧し、所望の負荷電圧voutを出力する昇降圧回路３と、負荷Ｒと、基準電圧voutref及び昇降圧回路３から出力される負荷電圧vout並びに整流回路２の出力電圧vin及び出力電流iL1に基づいて昇降圧回路３を制御するための制御電圧vpwmを出力する制御回路４からなっている。
そして、制御回路４は、基準電圧voutref及び昇降圧回路３から出力される負荷電圧voutに基づいて定電圧制御用電圧voを生成する定電圧出力制御回路５と、定電圧制御用電圧vo、整流回路２の出力電圧vin及び出力電流iL1に基づいて制御電圧vpwmを出力する制御電圧生成回路６を備えている。
なお、負荷電圧voutは、昇降圧回路３と負荷Ｒとを接続するラインから定電圧出力制御回路５に入力し、定電圧制御用電圧voは、定電圧出力制御回路５から制御電圧生成回路６に入力し、整流回路２の出力電圧vinは、整流回路２と昇降圧回路３とを接続するラインから制御電圧生成回路６に入力し、出力電流iL1は、整流回路２と昇降圧回路３とを接続するラインの途中に設けた電流センサCSから制御電圧生成回路６に入力し、制御電圧生成回路６から出力された制御電圧vpwmは、昇降圧回路３の制御部に入力される。
FIG. 1 is a block diagram of an AC/DC converter according to a first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the AC/DC converter according to the first embodiment of the present invention includes a piezoelectric element 1 that outputs an AC voltage vrec by applying mechanical vibration, a rectifier circuit 2 that rectifies the AC voltage vrec output from the piezoelectric element 1, a step-up/step-down circuit 3 that steps up or down the output voltage of the rectifier circuit 2 using an input voltage vin and outputs a desired load voltage vout, a load R, and a control circuit 4 that outputs a control voltage vpwm for controlling the step-up/step-down circuit 3 on the basis of a reference voltage voutref, the load voltage vout output from the step-up/step-down circuit 3, and the output voltage vin and output current iL1 of the rectifier circuit 2.
The control circuit 4 includes a constant voltage output control circuit 5 that generates a constant voltage control voltage vo based on the reference voltage voutref and the load voltage vout output from the step-up/step-down circuit 3, and a control voltage generation circuit 6 that outputs a control voltage vpwm based on the constant voltage control voltage vo, the output voltage vin of the rectifier circuit 2, and the output current iL1.
The load voltage vout is input to the constant voltage output control circuit 5 from the line connecting the step-up/step-down circuit 3 and the load R, the constant voltage control voltage vo is input from the constant voltage output control circuit 5 to the control voltage generation circuit 6, the output voltage vin of the rectifier circuit 2 is input to the control voltage generation circuit 6 from the line connecting the rectifier circuit 2 and the step-up/step-down circuit 3, the output current iL1 is input to the control voltage generation circuit 6 from a current sensor CS provided midway on the line connecting the rectifier circuit 2 and the step-up/step-down circuit 3, and the control voltage vpwm output from the control voltage generation circuit 6 is input to the control unit of the step-up/step-down circuit 3.
図２は本発明の実施形態２に係るＡＣ／ＤＣコンバータのブロック図である。
本発明の実施形態２に係るＡＣ／ＤＣコンバータは、図２に示すように、ピエゾ素子１、整流回路２、昇降圧回路３と、負荷Ｒと、負荷電圧vout、出力電圧vin及び出力電流iL1に基づいて昇降圧回路３を制御するための制御電圧vpwmを出力する制御回路４からなっている点並びに制御回路４が定電圧出力制御回路５を備えている点では実施形態１と共通している。
そして、実施形態２では、実施形態１の制御回路４における制御電圧生成回路６が、整流回路２の出力電圧vin及び出力電流iL1に基づいて等価抵抗制御用電圧vmを生成する等価抵抗制御回路７と、定電圧制御用電圧vo及び等価抵抗制御用電圧vmのいずれかに基づいて制御電圧vpwmを出力する切替回路８に置き換わっている点で実施形態１と異なっている。
なお、定電圧制御用電圧voは、定電圧出力制御回路５から切替回路８に入力し、整流回路２の出力電圧vinは、整流回路２と昇降圧回路３とを接続するラインから等価抵抗制御回路７に入力し、出力電流iL1は、整流回路２と昇降圧回路３とを接続するラインの途中に設けた電流センサCSから等価抵抗制御回路７に入力する。
また、切替回路８は適宜の手段によって、負荷電圧voutが所望の電圧である基準電圧voutrefに近い電圧（例えば、基準電圧の９５％）に達したか否かを判別し、基準電圧voutrefに近い電圧に達していれば定電圧制御用電圧voを制御電圧vpwmとして出力し、達していなければ等価抵抗制御用電圧vmを制御電圧vpwmとして出力し、出力された制御電圧vpwmは、昇降圧回路３の制御部に入力される。
FIG. 2 is a block diagram of an AC/DC converter according to a second embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 2 , the AC/DC converter according to the second embodiment of the present invention is similar to the first embodiment in that it includes a piezoelectric element 1, a rectifier circuit 2, a step-up/step-down circuit 3, a load R, and a control circuit 4 that outputs a control voltage vpwm for controlling the step-up/step-down circuit 3 based on the load voltage vout, the output voltage vin, and the output current iL1, and in that the control circuit 4 includes a constant voltage output control circuit 5.
The second embodiment differs from the first embodiment in that the control voltage generating circuit 6 in the control circuit 4 of the first embodiment is replaced with an equivalent resistance control circuit 7 that generates an equivalent resistance control voltage vm based on the output voltage vin and output current iL1 of the rectifier circuit 2, and a switching circuit 8 that outputs a control voltage vpwm based on either the constant voltage control voltage vo or the equivalent resistance control voltage vm.
The constant voltage control voltage vo is input from the constant voltage output control circuit 5 to the switching circuit 8, the output voltage vin of the rectifier circuit 2 is input to the equivalent resistance control circuit 7 from the line connecting the rectifier circuit 2 and the step-up/step-down circuit 3, and the output current iL1 is input to the equivalent resistance control circuit 7 from a current sensor CS provided midway on the line connecting the rectifier circuit 2 and the step-up/step-down circuit 3.
In addition, the switching circuit 8 determines by appropriate means whether or not the load voltage vout has reached a voltage close to the reference voltage voutref, which is a desired voltage (for example, 95% of the reference voltage), and if it has reached a voltage close to the reference voltage voutref, outputs the constant voltage control voltage vo as the control voltage vpwm, and if it has not reached that voltage, outputs the equivalent resistance control voltage vm as the control voltage vpwm, and the output control voltage vpwm is input to the control unit of the step-up/step-down circuit 3.
図３は本発明のピエゾ素子１、整流回路２、昇降圧回路３及び負荷Ｒの具体例を示す図である。
ピエゾ素子１は、等価キャパシタCp及び等価抵抗Rpを有しており、外部から機械的振動が加わることにより、交流電圧vpを発生し、交流電圧vrecとして出力する。
整流回路２は、ブリッジ接続のダイオードD1～D4と、平滑キャパシタCrecからなり、ピエゾ素子１から出力される交流電圧vrecを整流平滑して、平滑キャパシタCrecに整流された電圧vinを蓄積する。
昇降圧回路３は、ピエゾ素子１から最大電力を取り出すように制御又は所望の電圧（基準電圧）を負荷Ｒへ出力するように制御されるＳＥＰＩＣ回路（Single Ended Primary Inductor Converter）であり、インダクタL1、L2、ＮＭＯＳのスイッチングトランジスタM、整流用ダイオードD5、結合用キャパシタC1及び平滑用キャパシタCoutを備えている。
そして、制御回路４から出力され、昇降圧回路３に入力される制御電圧vpwmは、ＮＭＯＳのスイッチングトランジスタMをＰＷＭ制御する。
以下、実施例によって本発明の実施形態１及び２を説明する。
FIG. 3 is a diagram showing a specific example of the piezoelectric element 1, rectifier circuit 2, step-up/step-down circuit 3, and load R of the present invention.
The piezoelectric element 1 has an equivalent capacitor Cp and an equivalent resistance Rp, and generates an AC voltage vp when mechanical vibration is applied from the outside, and outputs it as an AC voltage vrec.
The rectifier circuit 2 is made up of bridge-connected diodes D1 to D4 and a smoothing capacitor Crec, and rectifies and smoothes the AC voltage vrec output from the piezoelectric element 1, and stores the rectified voltage vin in the smoothing capacitor Crec.
The step-up/step-down circuit 3 is a SEPIC circuit (Single Ended Primary Inductor Converter) that is controlled to extract maximum power from the piezoelectric element 1 or to output a desired voltage (reference voltage) to a load R, and includes inductors L1, L2, an NMOS switching transistor M, a rectifier diode D5, a coupling capacitor C1, and a smoothing capacitor Cout.
The control voltage vpwm output from the control circuit 4 and input to the step-up/step-down circuit 3 performs PWM control on the NMOS switching transistor M.
Hereinafter, the first and second embodiments of the present invention will be described with reference to examples.
図４は、実施例１に係るＡＣ／ＤＣコンバータの制御回路を示す図であり、図２に示す本発明の実施形態２における制御回路４の具体例である。
なお、実施例１に係るＡＣ／ＤＣコンバータにおけるピエゾ素子１、整流回路２及び昇降圧回路３は、図３に示した具体例と同じ構成である。
図４に示すように、実施例１における制御回路は、図２に示す定電圧出力制御回路５として、基準電圧voutrefから負荷電圧voutを減算し差電圧vdを出力する電圧減算器１０と、差電圧vdを増幅し定電圧制御用電圧voを生成する比例積分制御器１１を有している。
また、実施例１における制御回路は、図２に示す等価抵抗制御回路７として、整流回路２の出力電圧vinを入力し脈流成分を除去する電圧用ローパスフィルタ１２と、電圧用ローパスフィルタ１２の出力電圧をインピーダンスRmaxで除算し基準電流iL1refを生成する除算回路１３と、整流回路２の出力電流iL1を入力し脈流成分を除去する電流用ローパスフィルタ１４と、基準電流iL1refから電流用ローパスフィルタ１４の出力電流iL1Lを減算する電流減算器１５と、電流減算器１５の出力電流を入力して比例制御の演算結果である等価抵抗制御用電圧vmを生成する比例積分演算器１６を有している。
なお、インピーダンスRmaxには、ピエゾ素子１の出力インピーダンス値Zpを用いるのが通常である。
さらに、実施例１における制御回路は、図２に示す切替回路８として、差電圧vdが下限値（例えば、５０ｍＶ以下）に達しているときに第１信号（例えば、Ｈレベル信号）を出力し、差電圧vdが下限値に達していないときに第２信号（例えば、Ｌレベル信号）を出力する切替用リミッタ１７と、第１信号を受信すると定電圧制御用電圧voを出力し、第２信号を受信すると等価抵抗制御用電圧vmを出力する切替スイッチ１８と、鋸歯状波発生回路１９と、切替スイッチ１８から出力される定電圧制御用電圧vo及び等価抵抗制御用電圧vmのいずれかと鋸歯状波発生回路１９の出力電圧vbに基づいて制御電圧vpwmを生成する比較器２０を有している。
そして、定電圧制御用電圧vo及び等価抵抗制御用電圧vmのいずれかを、制御用電圧vaとして比較器２０に入力すると、制御電圧vpwmのデューティ比が決定され、昇降圧回路３のスイッチングトランジスタMがＰＷＭ駆動される。
FIG. 4 is a diagram showing a control circuit of an AC/DC converter according to a first embodiment, which is a specific example of the control circuit 4 in the second embodiment of the present invention shown in FIG.
The piezoelectric element 1, the rectifier circuit 2, and the step-up/step-down circuit 3 in the AC/DC converter according to the first embodiment have the same configuration as those in the specific example shown in FIG.
As shown in FIG. 4, the control circuit in the first embodiment has, as the constant voltage output control circuit 5 shown in FIG. 2, a voltage subtractor 10 that subtracts the load voltage vout from the reference voltage voutref and outputs a difference voltage vd, and a proportional-integral controller 11 that amplifies the difference voltage vd and generates a constant voltage control voltage vo.
Furthermore, the control circuit in the first embodiment includes, as the equivalent resistance control circuit 7 shown in FIG. 2, a voltage low pass filter 12 which receives the output voltage vin of the rectifier circuit 2 and removes ripple components, a division circuit 13 which divides the output voltage of the voltage low pass filter 12 by the impedance Rmax to generate a reference current iL1ref, a current low pass filter 14 which receives the output current iL1 of the rectifier circuit 2 and removes ripple components, a current subtractor 15 which subtracts the output current iL1L of the current low pass filter 14 from the reference current iL1ref, and a proportional integral calculator 16 which receives the output current of the current subtractor 15 and generates an equivalent resistance control voltage vm which is the calculation result of proportional control.
Incidentally, the output impedance value Zp of the piezoelectric element 1 is usually used for the impedance Rmax.
Furthermore, the control circuit in the first embodiment has, as the switching circuit 8 shown in FIG. 2 , a switching limiter 17 that outputs a first signal (e.g., an H-level signal) when the differential voltage vd reaches a lower limit value (e.g., 50 mV or less) and outputs a second signal (e.g., an L-level signal) when the differential voltage vd does not reach the lower limit value, a changeover switch 18 that outputs a constant voltage control voltage vo when it receives the first signal and outputs an equivalent resistance control voltage vm when it receives the second signal, a sawtooth wave generating circuit 19, and a comparator 20 that generates a control voltage vpwm based on either the constant voltage control voltage vo or the equivalent resistance control voltage vm output from the changeover switch 18 and the output voltage vb of the sawtooth wave generating circuit 19.
When either the constant voltage control voltage vo or the equivalent resistance control voltage vm is input to the comparator 20 as the control voltage va, the duty ratio of the control voltage vpwm is determined and the switching transistor M of the step-up/step-down circuit 3 is PWM-driven.
図５は、比較器２０における制御電圧vpwmの生成を説明する図である。
例えば、等価抵抗制御用電圧vmが制御用電圧vaとして比較器２０に入力されるときであって、出力電流iL1Lが基準電流iL1refより大きい場合（iL1L＞iL1ref）には、図５（ａ）に示すように制御電圧vpwmのデューティ比が小さくなって、出力電流iL1Lが減少するように昇降圧回路３が制御され、逆に、出力電流iL1Lが基準電流iL1refより小さい場合（iL1L＜iL1ref）には、図５（ｂ）に示すように制御電圧vpwmのデューティ比が大きくなって、出力電流iL1Lが増大するように昇降圧回路３が制御される。
そして、iL1L＝iL1refになったとき、昇降圧回路３の入力インピーダンスがRmaxに制御されることになり、ピエゾ素子１から昇降圧回路３に向けて取り出される電力が最大値を示すことになる。
FIG. 5 is a diagram for explaining the generation of the control voltage vpwm in the comparator 20. As shown in FIG.
For example, when the equivalent resistance control voltage vm is input to the comparator 20 as the control voltage va, if the output current iL1L is larger than the reference current iL1ref (iL1L>iL1ref), the duty ratio of the control voltage vpwm is reduced as shown in FIG. 5(a), and the step-up/step-down circuit 3 is controlled so that the output current iL1L decreases. Conversely, if the output current iL1L is smaller than the reference current iL1ref (iL1L<iL1ref), the duty ratio of the control voltage vpwm is increased as shown in FIG. 5(b), and the step-up/step-down circuit 3 is controlled so that the output current iL1L increases.
When iL1L=iL1ref, the input impedance of the step-up/step-down circuit 3 is controlled to Rmax, and the power extracted from the piezoelectric element 1 toward the step-up/step-down circuit 3 exhibits a maximum value.
iL1L＝iL1refになった時点における整流回路２の出力電流iL1は、iL1＝vinref／Rmaxとなる。つまり、整流回路２の出力電流iL1がこの値となるように昇降圧回路３が制御されることによって、ピエゾ素子１から最大電力が取り出される。
図６に最大電力取り出し時における昇降圧回路３への入力電圧vin、入力電流iL1及びインピーダンスRmaxの関係を示す。
図６から分かるように、最大電力取り出し時には、入力電流iL1と入力電圧vinは同相であり、それらの大きさの比率はiL1：vin＝１：Rmaxとなっている。
また、差電圧vdが安定的に０となった後においては、制御用電圧vaは差電圧vdが０となった時点の比例積分制御器１１の出力値となり、その出力値に対応する制御電圧vpwmによって負荷電圧vout及び負荷電流iRは一定の状態に保持されることとなる。
The output current iL1 of the rectifier circuit 2 at the point in time when iL1L=iL1ref is iL1=vinref/Rmax. In other words, the maximum power is extracted from the piezoelectric element 1 by controlling the step-up/step-down circuit 3 so that the output current iL1 of the rectifier circuit 2 becomes this value.
FIG. 6 shows the relationship between the input voltage vin, the input current iL1, and the impedance Rmax to the step-up/step-down circuit 3 when maximum power is extracted.
As can be seen from FIG. 6, at the time of maximum power extraction, the input current iL1 and the input voltage vin are in phase, and the ratio of their magnitudes is iL1:vin=1:Rmax.
Furthermore, after the differential voltage vd has stably become 0, the control voltage va becomes the output value of the proportional-integral controller 11 at the time when the differential voltage vd became 0, and the load voltage vout and load current iR are maintained at constant states by the control voltage vpwm corresponding to that output value.
実施例１に係るＡＣ／ＤＣコンバータの制御回路は上記のように構成されているので、定電圧制御用電圧voが下限値に達していないとき（負荷電圧voutが基準電圧voutrefに近い電圧に達していないとき）には、インピーダンスRmaxをピエゾ素子１の特性から求めて基準電流iL1refを演算し、iL1＝iL1refになるようにスイッチングトランジスタMをＰＷＭ制御するので、昇降圧回路３の入力インピーダンス（vin／iL1）がRmaxになるように制御される。
このため、昇降圧回路３の入力インピーダンスをピエゾ素子１の出力インピーダンスにマッチングさせることができ、ピエゾ素子１から最大電力を取り出すことができる。
また、定電圧制御用電圧voが下限値に達しているとき（負荷電圧voutが基準電圧に近い電圧に達しているとき）には、制御電圧vpwmによって、スイッチングトランジスタMがＰＷＭ制御されるので、安定的に基準電圧（所望の電圧）に等しい負荷電圧voutが得られる。
そして、特許文献１及び２のように、２つの電圧調整回路（昇圧チョッパ回路と降圧チョッパ回路）及び２つの制御回路（第１制御回路と第２制御回路）によらず、１つの昇降圧回路及び１つの制御回路によって、負荷電圧vout及び負荷電流iRを適切に制御できるので、回路構成が簡素化されるとともに、消費電力も小さくなる。
Since the control circuit of the AC/DC converter according to the first embodiment is configured as described above, when the constant voltage control voltage vo has not reached its lower limit value (when the load voltage vout has not reached a voltage close to the reference voltage voutref), the impedance Rmax is found from the characteristics of the piezoelectric element 1 to calculate the reference current iL1ref, and the switching transistor M is PWM-controlled so that iL1=iL1ref, and the input impedance (vin/iL1) of the step-up/step-down circuit 3 is controlled to become Rmax.
Therefore, the input impedance of the step-up/step-down circuit 3 can be matched to the output impedance of the piezoelectric element 1 , and the maximum power can be extracted from the piezoelectric element 1 .
In addition, when the constant voltage control voltage vo reaches its lower limit (when the load voltage vout reaches a voltage close to the reference voltage), the switching transistor M is PWM-controlled by the control voltage vpwm, so that a load voltage vout equal to the reference voltage (desired voltage) can be stably obtained.
Furthermore, unlike Patent Documents 1 and 2, which use two voltage adjustment circuits (a step-up chopper circuit and a step-down chopper circuit) and two control circuits (a first control circuit and a second control circuit), the load voltage vout and the load current iR can be appropriately controlled using one step-up/step-down circuit and one control circuit, which simplifies the circuit configuration and reduces power consumption.
図７は、実施例２に係るＡＣ／ＤＣコンバータの制御回路を示す図であり、図１に示す本発明の実施形態１における制御回路４の具体例である。
そして、実施例２に係るＡＣ／ＤＣコンバータにおけるピエゾ素子１、整流回路２及び昇降圧回路３も、実施例１と同じく図３に示した具体例と同じ構成である。
図７に示すように、実施例２における制御回路も、図１に示す定電圧出力制御回路５として、実施例１と同じく、基準電圧voutrefから負荷電圧voutを減算し差電圧vdを出力する電圧減算器２１と、差電圧vdを増幅し定電圧制御用電圧voを生成する比例積分制御器２２を有している。
また、実施例２における制御回路は、図１に示す制御電圧生成回路６として、比例積分制御器２２で生成された定電圧制御用電圧voに基づいて０超１以下の出力値voLを生成する除算用リミッタ２３と、整流回路２の出力電圧vinを入力し脈流成分を除去する電圧用ローパスフィルタ２４と、電圧用ローパスフィルタ２４の出力電圧vinLを除算用リミッタ２３の出力値voLで除算し参照電圧vinrefを出力する除算器２５と、参照電圧vinrefをインピーダンスRmax（ピエゾ素子１の出力インピーダンス値Zp）で除算し基準電流iL1refを生成する除算回路２６と、整流回路２の出力電流iL1を入力し脈流成分を除去する電流用ローパスフィルタ２７と、基準電流iL1refから電流用ローパスフィルタ２７の出力電流iL1Lを減算する電流減算器２８と、電流減算器２８の出力電流を入力して比例制御の演算結果である制御用電圧vaを生成する比例積分演算器２９と、鋸歯状波発生回路３０と、制御用電圧vaと鋸歯状波発生回路３０の出力電圧vbに基づいて制御電圧vpwmを生成する比較器３１を有している。
FIG. 7 is a diagram showing a control circuit of an AC/DC converter according to a second embodiment, which is a specific example of the control circuit 4 in the first embodiment of the present invention shown in FIG.
The piezoelectric element 1, the rectifier circuit 2, and the step-up/step-down circuit 3 in the AC/DC converter according to the second embodiment have the same configuration as the specific example shown in FIG.
As shown in FIG. 7, the control circuit in the second embodiment, like the constant voltage output control circuit 5 shown in FIG. 1, has a voltage subtractor 21 that subtracts the load voltage vout from the reference voltage voutref and outputs a difference voltage vd, and a proportional-integral controller 22 that amplifies the difference voltage vd and generates a constant voltage control voltage vo, in the same manner as the first embodiment.
The control circuit in the second embodiment includes, as the control voltage generating circuit 6 shown in FIG. 1 , a division limiter 23 that generates an output value voL greater than 0 and equal to or less than 1 based on the constant voltage control voltage vo generated by the proportional-integral controller 22, a voltage low-pass filter 24 that receives the output voltage vin of the rectifier circuit 2 and removes pulsating components, a divider 25 that divides the output voltage vinL of the voltage low-pass filter 24 by the output value voL of the division limiter 23 and outputs a reference voltage vinref, and a divider 26 that divides the reference voltage vinref by an impedance Rmax (the output impedance of the piezoelectric element 1). value Zp) to generate a reference current iL1ref; a current low-pass filter 27 which receives the output current iL1 of the rectifier circuit 2 and removes ripple components; a current subtractor 28 which subtracts the output current iL1L of the current low-pass filter 27 from the reference current iL1ref; a proportional-integral calculator 29 which receives the output current of the current subtractor 28 and generates a control voltage va which is the calculation result of proportional control; a sawtooth wave generating circuit 30; and a comparator 31 which generates a control voltage vpwm based on the control voltage va and the output voltage vb of the sawtooth wave generating circuit 30.
そして、制御用電圧vaを比較器３１に入力することで、制御電圧vpwmのデューティ比が決定され、昇降圧回路３のスイッチングトランジスタMがＰＷＭ駆動される。
ここで、負荷電圧voutが０から基準電圧voutrefに上昇していく過程では、除算用リミッタ２３の出力値voLは、１から０に向かって徐々に小さくなる。
そのため、除算回路２６で生成される参照電圧vinrefは、出力値voLの減少に反比例して大きくなり、除算回路２６で生成される基準電流iL1refも、それに伴って大きくなるので、整流回路２の出力電流iL1Lは基準電流iL1refより小さい状態（iL1L＜iL1ref）が続き、上述のとおり、図５（ｂ）に示すように制御電圧vpwmのデューティ比が大きくなって、出力電流iL1Lを増大させる制御が行われる。
その後、負荷電圧voutが基準電圧voutrefに近づくと、出力値voLは０に近づき基準電流iL1refが急激に大きくなるが、同時に出力電流iL1Lも基準電流iL1refと等しくなるように制御されるため、鋸歯状波vbより制御用電圧vaが十分大きく、制御電圧vpwmのデューティ比が１に近づき、ピエゾ素子を短絡した状態に近づくことから、負荷側へ伝送される電力が小さくなり、負荷電圧vout及び負荷電流iRは一定の状態に保持されることとなる。
なお、除算用リミッタ２３の出力値voLは０超１以下と説明したが、０に近づきすぎると参照電圧vinrefが大きくなりすぎるので、下限値を０より若干大きい値（例えば0.02）としても良い。
Then, by inputting the control voltage va to a comparator 31, the duty ratio of the control voltage vpwm is determined, and the switching transistor M of the step-up/step-down circuit 3 is PWM-driven.
Here, in the process in which the load voltage vout rises from 0 to the reference voltage voutref, the output value voL of the division limiter 23 gradually decreases from 1 toward 0.
As a result, the reference voltage vinref generated by the division circuit 26 becomes larger inversely proportional to the decrease in the output value voL, and the reference current iL1ref generated by the division circuit 26 also becomes larger accordingly. As a result, the output current iL1L of the rectifier circuit 2 remains smaller than the reference current iL1ref (iL1L < iL1ref), and as described above, the duty ratio of the control voltage vpwm becomes larger as shown in Figure 5 (b), and control is performed to increase the output current iL1L.
Thereafter, when the load voltage vout approaches the reference voltage voutref, the output value voL approaches 0 and the reference current iL1ref increases rapidly, but at the same time, the output current iL1L is controlled to be equal to the reference current iL1ref, so that the control voltage va is sufficiently larger than the sawtooth wave vb, the duty ratio of the control voltage vpwm approaches 1, and the piezoelectric element approaches a short-circuited state, so that the power transmitted to the load side decreases and the load voltage vout and load current iR are maintained at constant states.
Although the output value voL of the division limiter 23 has been described as being greater than 0 and equal to or less than 1, if it approaches 0 too much, the reference voltage vinref becomes too large, so the lower limit may be set to a value slightly greater than 0 (for example, 0.02).
実施例２に係るＡＣ／ＤＣコンバータの制御回路は上記のように構成されているので、負荷電圧voutが０から基準電圧voutrefに上昇していく過程では、出力電圧vinLを出力値voLで除算して得た参照電圧vinrefと、ピエゾ素子１の特性から求めたインピーダンスRmaxに基づいて基準電流iL1refを演算し、iL1＝iL1refになるようにスイッチングトランジスタMをＰＷＭ制御する。
このため、実施例１に係るＡＣ／ＤＣコンバータの制御回路より迅速に、昇降圧回路３の入力インピーダンス（vin／iL1）がRmaxになるように制御でき、昇降圧回路３の入力インピーダンスをピエゾ素子１の出力インピーダンスにマッチングさせ、ピエゾ素子１から最大電力を取り出すことができる。
そして、実施例１の制御回路と同様に、１つの昇降圧回路及び１つの制御回路によって、負荷電圧vout及び負荷電流iRを適切に制御できるので、回路構成が簡素化されるとともに、消費電力も小さくなる。
さらに、実施例１（実施形態２）に係るＡＣ／ＤＣコンバータでは、負荷電圧voutに応じて制御電圧vpwmを出力する切替回路８を有していたため、制御の複雑化や制御の切り替えに伴う余剰電力による結合用キャパシタC1の電圧上昇といった問題があるが、実施例２に係るＡＣ／ＤＣコンバータでは切替回路８が不要であるため、迅速な制御と電力損失の低減を達成することができる。
Since the control circuit of the AC/DC converter according to the second embodiment is configured as described above, in the process in which the load voltage vout rises from 0 to the reference voltage voutref, the reference current iL1ref is calculated based on the reference voltage vinref obtained by dividing the output voltage vinL by the output value voL and the impedance Rmax obtained from the characteristics of the piezoelectric element 1, and the switching transistor M is PWM-controlled so that iL1=iL1ref.
For this reason, the input impedance (vin/iL1) of the step-up/step-down circuit 3 can be controlled to be Rmax more quickly than the control circuit of the AC/DC converter according to Example 1, and the input impedance of the step-up/step-down circuit 3 can be matched to the output impedance of the piezoelectric element 1, thereby enabling the maximum power to be extracted from the piezoelectric element 1.
Furthermore, similarly to the control circuit of the first embodiment, the load voltage vout and the load current iR can be appropriately controlled by one step-up/step-down circuit and one control circuit, so that the circuit configuration is simplified and power consumption is reduced.
Furthermore, the AC/DC converter according to Example 1 (Embodiment 2) has a switching circuit 8 that outputs the control voltage vpwm in response to the load voltage vout, which causes problems such as complicated control and a voltage rise in the coupling capacitor C1 due to surplus power accompanying control switching. However, the AC/DC converter according to Example 2 does not require the switching circuit 8, making it possible to achieve rapid control and reduced power loss.
図８は、実施例２に係るＡＣ／ＤＣコンバータのシミュレーション結果を示す図であり、負荷電圧vout及び負荷電流iRの変化を示している。
シミュレーションの前提条件は、ピエゾ素子１の振動周波数＝１７Ｈｚ、発電電圧＝１６Ｖrms、Zp＝３８ｋΩ、Ｒ＝５５ｋΩ、出力値voLの下限値＝０．０２とした。
図８によれば、定電圧に達する前（０．６秒以前）には、等価抵抗制御法で制御回路が動作し、ピエゾ素子１の発電電力が最大化されていることが分かり、負荷電圧voutが３．３Ｖに到達する前後でオーバーシュートなどは生じず、一定の電圧３．３Ｖが得られていることが確認できる。
図９は、等価抵抗制御法として動作している期間におけるＳＥＰＩＣ回路への入力電圧vinL及び入力電流iL1Lの拡大波形を示す図である。
図９によると、ＳＥＰＩＣ回路への入力電圧vinと入力電流iL1は同相であり、等価抵抗（vin/iL1）は約３８ｋΩとなっている。
FIG. 8 is a diagram showing the simulation results of the AC/DC converter according to the second embodiment, showing the changes in the load voltage vout and the load current iR.
The preconditions for the simulation were: vibration frequency of the piezoelectric element 1 = 17 Hz, generated voltage = 16 Vrms, Zp = 38 kΩ, R = 55 kΩ, and lower limit of the output value voL = 0.02.
According to FIG. 8, it can be seen that before the constant voltage is reached (before 0.6 seconds), the control circuit operates using the equivalent resistance control method, and the power generation of the piezoelectric element 1 is maximized. It can also be confirmed that no overshoot occurs before and after the load voltage vout reaches 3.3 V, and a constant voltage of 3.3 V is obtained.
FIG. 9 is a diagram showing enlarged waveforms of the input voltage vinL and the input current iL1L to the SEPIC circuit during the period when the circuit is operating according to the equivalent resistance control method.
According to FIG. 9, the input voltage vin and the input current iL1 to the SEPIC circuit are in phase, and the equivalent resistance (vin/iL1) is about 38 kΩ.
実施例１及び２のＡＣ／ＤＣコンバータに関する変形例を列記する。
（１）実施例１及び２では、整流回路２としてブリッジ接続のダイオードD1～D4と、平滑キャパシタCrecからなる全波整流回路を用いたが、サイリスタやトライアックからなる全波整流回路やダイオードからなる半波整流回路等を用いても良い。
（２）実施例１及び２では、昇降圧回路３としてＳＥＰＩＣ回路を用いたが、ＰＷＭ制御によって入力電圧を昇圧又は降圧して出力することのできる回路であれば、どのような回路構成のものでも良い。
（３）実施例１では、切替スイッチ１８として機械的なスイッチを用いたが、トランジスタ等の電子的なスイッチを用いても良い。
Modifications of the AC/DC converters according to the first and second embodiments will be listed below.
(1) In the first and second embodiments, a full-wave rectifier circuit consisting of bridge-connected diodes D1 to D4 and a smoothing capacitor Crec is used as the rectifier circuit 2. However, a full-wave rectifier circuit consisting of thyristors or triacs, or a half-wave rectifier circuit consisting of diodes may also be used.
(2) In the first and second embodiments, a SEPIC circuit is used as the step-up/step-down circuit 3. However, any circuit configuration may be used as long as it is a circuit that can step up or step down an input voltage and output it by PWM control.
(3) In the first embodiment, a mechanical switch is used as the changeover switch 18. However, an electronic switch such as a transistor may also be used.
１ ピエゾ素子 ２ 整流回路 ３ 昇降圧回路
４ 制御回路 ５ 定電圧出力制御回路 ６ 等価抵抗制御回路
７ 等価抵抗制御回路 ８ 切替回路 １０ 電圧減算器
１１ 比例積分制御器 １２ 電圧用ローパスフィルタ １３ 除算回路
１４ 電流用ローパスフィルタ １５ 電流減算器 １６ 比例積分演算器
１７ 切替用リミッタ １８ 切替スイッチ １９ 鋸歯状波発生回路
２０ 比較器 ２１ 電圧減算器 ２２ 比例積分制御器
２３ 除算用リミッタ ２４ 電圧用ローパスフィルタ ２５ 除算器
２６ 除算回路 ２７ 電流用ローパスフィルタ ２８ 電流減算器
２９ 比例積分演算器 ３０ 鋸歯状波発生回路 ３１ 比較器
C1 結合用キャパシタ Cout 平滑用キャパシタ Cp ピエゾ素子１のキャパシタ
Crec 平滑キャパシタ CS 電流センサ D1～D4 ダイオード
D5 整流用ダイオード iL1 整流回路２の出力電流、ＳＥＰＩＣ回路の入力電流
iL1L 電流用ローパスフィルタ１４、２７の出力電流 iL1ref 基準電流
L1、L2 インダクタ M スイッチングトランジスタ
Ｒ 負荷 Rmax インピーダンス Rp ピエゾ素子１の抵抗
va 制御用電圧 vb 鋸歯状波発生回路１９、３０の出力電圧 vd 差電圧
vin 整流回路２の出力電圧、昇降圧回路３の入力電圧 vm 等価抵抗制御用電圧
vo 定電圧制御用電圧 vout 負荷電圧 voutref 基準電圧
vp ピエゾ素子１から出力された交流電圧 vpwm 制御電圧
vrec ピエゾ素子１から出力される交流電圧
Zp ピエゾ素子１の出力インピーダンス値
REFERENCE SIGNS LIST 1 Piezo element 2 Rectifier circuit 3 Step-up/step-down circuit 4 Control circuit 5 Constant voltage output control circuit 6 Equivalent resistance control circuit 7 Equivalent resistance control circuit 8 Switching circuit 10 Voltage subtractor 11 Proportional and integral controller 12 Voltage low-pass filter 13 Division circuit 14 Current low-pass filter 15 Current subtractor 16 Proportional and integral calculator 17 Switching limiter 18 Changeover switch 19 Sawtooth wave generating circuit 20 Comparator 21 Voltage subtractor 22 Proportional and integral controller 23 Division limiter 24 Voltage low-pass filter 25 Divider 26 Division circuit 27 Current low-pass filter 28 Current subtractor 29 Proportional and integral calculator 30 Sawtooth wave generating circuit 31 Comparator
C1 Coupling capacitor Cout Smoothing capacitor Cp Capacitor of piezoelectric element 1
Crec Smoothing capacitor CS Current sensor D1 to D4 Diode
D5 Rectifier diode iL1 Output current of rectifier circuit 2, input current of SEPIC circuit
iL1L: Output current of current low-pass filter 14, 27 iL1ref: Reference current
L1, L2 Inductor M Switching transistor R Load Rmax Impedance Rp Resistance of piezo element 1
va Control voltage vb Output voltage of sawtooth wave generating circuits 19 and 30 vd Difference voltage
vin: Output voltage of rectifier circuit 2, input voltage of step-up/step-down circuit 3 vm: Voltage for controlling equivalent resistance
vo Voltage for constant voltage control vout Load voltage voutref Reference voltage
vp AC voltage output from piezoelectric element 1 vpwm Control voltage
vrec AC voltage output from piezo element 1
Zp Output impedance value of piezo element 1
Claims (3)
前記ピエゾ素子から出力された交流電圧を整流する整流回路と、
前記整流回路の出力電圧を入力電圧として昇降圧し、所望の負荷電圧を出力する昇降圧回路と、
前記昇降圧回路から出力される負荷電圧並びに前記整流回路の出力電圧及び出力電流に基づいて前記昇降圧回路を制御するための制御電圧を出力する制御回路からなるＡＣ／ＤＣコンバータであって、
前記制御回路は、
基準電圧及び前記昇降圧回路から出力される負荷電圧に基づいて定電圧制御用電圧を生成する定電圧出力制御回路と、
前記定電圧制御用電圧並びに前記整流回路の出力電圧及び出力電流に基づいて前記制御電圧を出力する制御電圧生成回路を備えており、
前記制御電圧生成回路は、
前記整流回路の出力電圧及び出力電流に基づいて等価抵抗制御用電圧を生成する等価抵抗制御回路と、
前記定電圧制御用電圧及び前記等価抵抗制御用電圧のいずれかに基づいて前記制御電圧を出力する切替回路を有している
ことを特徴とするＡＣ／ＤＣコンバータ。 A piezoelectric element that outputs an AC voltage when mechanical vibration is applied to the piezoelectric element;
A rectifier circuit that rectifies the AC voltage output from the piezoelectric element;
a step-up/step-down circuit which steps up/down the output voltage of the rectifier circuit as an input voltage and outputs a desired load voltage;
a control circuit that outputs a control voltage for controlling the step-up/step-down circuit based on a load voltage output from the step-up/step-down circuit and an output voltage and an output current of the rectifier circuit,
The control circuit includes:
a constant voltage output control circuit that generates a constant voltage control voltage based on a reference voltage and a load voltage output from the step-up/step-down circuit;
a control voltage generating circuit that outputs the control voltage based on the constant voltage control voltage and the output voltage and output current of the rectifier circuit ,
The control voltage generating circuit includes:
an equivalent resistance control circuit that generates an equivalent resistance control voltage based on an output voltage and an output current of the rectifier circuit;
a switching circuit that outputs the control voltage based on either the constant voltage control voltage or the equivalent resistance control voltage;
1. An AC/DC converter comprising:
基準電圧から前記負荷電圧を減算し差電圧を出力する電圧減算器と、
前記差電圧に基づいて定電圧制御用電圧を生成する比例積分制御器を有し、
前記等価抵抗制御回路は、
前記整流回路の出力電圧を入力し脈流成分を除去する電圧用ローパスフィルタと、
前記電圧用ローパスフィルタの出力電圧に基づいて基準電流を生成する除算回路と、
前記整流回路の出力電流を入力し脈流成分を除去する電流用ローパスフィルタと、
前記基準電流から前記電流用ローパスフィルタの出力電流を減算する電流減算器と、
前記電流減算器の出力電流に基づいて等価抵抗制御用電圧を生成する比例積分演算器を有し、
前記切替回路は、
前記差電圧が下限値に達しているときに第１信号を出力し、前記差電圧が下限値に達していないときに第２信号を出力する切替用リミッタと、
前記第１信号を受信すると前記定電圧制御用電圧を出力し、前記第２信号を受信すると前記等価抵抗制御用電圧を出力する切替スイッチと、
鋸歯状波発生回路と、
前記切替スイッチから出力される前記定電圧制御用電圧及び前記等価抵抗制御用電圧のいずれかと前記鋸歯状波発生回路の出力電圧に基づいて前記制御電圧を生成する比較器を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。 The constant voltage output control circuit includes:
a voltage subtractor that subtracts the load voltage from a reference voltage and outputs a difference voltage;
a proportional-integral controller that generates a constant voltage control voltage based on the differential voltage;
The equivalent resistance control circuit includes:
a voltage low-pass filter which receives the output voltage of the rectifier circuit and removes pulsating components;
a division circuit that generates a reference current based on an output voltage of the voltage low-pass filter;
a current low-pass filter that receives the output current of the rectifier circuit and removes pulsating current components;
a current subtractor that subtracts an output current of the current low-pass filter from the reference current;
a proportional-integral calculator that generates an equivalent resistance control voltage based on the output current of the current subtractor;
The switching circuit includes:
a switching limiter that outputs a first signal when the differential voltage reaches a lower limit value and outputs a second signal when the differential voltage does not reach the lower limit value;
a changeover switch that outputs the constant voltage control voltage when receiving the first signal and outputs the equivalent resistance control voltage when receiving the second signal;
A sawtooth wave generating circuit;
2. The AC/DC converter according to claim 1, further comprising a comparator that generates the control voltage based on either the constant voltage control voltage or the equivalent resistance control voltage output from the changeover switch and an output voltage of the sawtooth wave generating circuit.
前記ピエゾ素子から出力された交流電圧を整流する整流回路と、
前記整流回路の出力電圧を入力電圧として昇降圧し、所望の負荷電圧を出力する昇降圧回路と、
前記昇降圧回路から出力される負荷電圧並びに前記整流回路の出力電圧及び出力電流に基づいて前記昇降圧回路を制御するための制御電圧を出力する制御回路からなるＡＣ／ＤＣコンバータであって、
前記制御回路は、
基準電圧及び前記昇降圧回路から出力される負荷電圧に基づいて定電圧制御用電圧を生成する定電圧出力制御回路と、
前記定電圧制御用電圧並びに前記整流回路の出力電圧及び出力電流に基づいて前記制御電圧を出力する制御電圧生成回路を備えており、
前記定電圧出力制御回路は、
基準電圧から前記負荷電圧を減算し差電圧を出力する電圧減算器と、
前記差電圧に基づいて定電圧制御用電圧を生成する比例積分制御器を有し、
前記制御電圧生成回路は、
前記定電圧制御用電圧に基づいて０超１以下の出力値を生成する除算用リミッタと、
前記整流回路の出力電圧を入力し脈流成分を除去する電圧用ローパスフィルタと、
前記電圧用ローパスフィルタの出力電圧を前記除算用リミッタの出力値で除算し参照電圧を出力する除算器と、
前記参照電圧を前記ピエゾ素子の出力インピーダンス値で除算し基準電流を生成する除算回路と、
前記整流回路の出力電流を入力し脈流成分を除去する電流用ローパスフィルタと、
前記基準電流から前記電流用ローパスフィルタの出力電流を減算する電流減算器と、
前記電流減算器の出力に基づいて制御用電圧を生成する比例積分演算器と、
鋸歯状波発生回路と、
前記制御用電圧と前記鋸歯状波発生回路の出力電圧に基づいて前記制御電圧を生成する比較器を有する
ことを特徴とするＡＣ／ＤＣコンバータ。 A piezoelectric element that outputs an AC voltage when mechanical vibration is applied to the piezoelectric element;
A rectifier circuit that rectifies the AC voltage output from the piezoelectric element;
a step-up/step-down circuit which steps up/down the output voltage of the rectifier circuit as an input voltage and outputs a desired load voltage;
a control circuit that outputs a control voltage for controlling the step-up/step-down circuit based on a load voltage output from the step-up/step-down circuit and an output voltage and an output current of the rectifier circuit,
The control circuit includes:
a constant voltage output control circuit that generates a constant voltage control voltage based on a reference voltage and a load voltage output from the step-up/step-down circuit;
a control voltage generating circuit that outputs the control voltage based on the constant voltage control voltage and the output voltage and output current of the rectifier circuit,
The constant voltage output control circuit includes:
a voltage subtractor that subtracts the load voltage from a reference voltage and outputs a difference voltage;
a proportional-integral controller that generates a constant voltage control voltage based on the differential voltage;
The control voltage generating circuit includes:
a division limiter for generating an output value greater than 0 and equal to or less than 1 based on the constant voltage control voltage;
a voltage low-pass filter which receives the output voltage of the rectifier circuit and removes pulsating components;
a divider that divides an output voltage of the voltage low-pass filter by an output value of the division limiter to output a reference voltage;
a division circuit that divides the reference voltage by an output impedance value of the piezoelectric element to generate a reference current;
a current low-pass filter that receives the output current of the rectifier circuit and removes pulsating current components;
a current subtractor that subtracts an output current of the current low-pass filter from the reference current;
a proportional integral calculator that generates a control voltage based on an output of the current subtractor;
A sawtooth wave generating circuit;
a comparator for generating the control voltage based on the control voltage and an output voltage of the sawtooth wave generating circuit.
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