專利名稱：驅(qū)動冷陰極熒光燈的高效驅(qū)動裝置的制作方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領域本發(fā)明涉及用于驅(qū)動用作液晶顯示器背光的冷陰極熒光燈(CCFL)的裝置。
2.相關(guān)技術(shù)的說明與辦公室和家庭照明所用的傳統(tǒng)熱陰極熒光燈(FL)類似，CCFL是高效、長壽命的光源。白熾燈的效率在每瓦15到20流明的范圍內(nèi)，而FL和CCFL的效率在每瓦40到60流明的范圍內(nèi)。而且，白熾燈的平均壽命僅為約一千小時。但FL和CCFL平均可達一萬小時或更長。
熱陰極FL和CCFL的主要區(qū)別在于CCFL省去了FL中含有的燈絲。由于它們更簡單的機械構(gòu)造以及高效率，小型CCFL通常用作液晶顯示器(LCD)的后照明光源。LCD，無論是彩色或單色，已廣泛用作便攜式計算機和電視機的顯示器，以及飛機和汽車儀表板的顯示器但是，啟動和操作CCFL需要高的交流(“ac”)電壓。典型的啟動電壓在1,000伏AC(Vac)左右，而典型的工作電壓在600Vac左右。為了從dc電源(例如可充電電池)產(chǎn)生這樣高的ac電壓，便攜式計算機和電視機以及儀表板包括具有升壓變壓器的dc-ac逆變器。
在

圖1所示的推挽配置中，Lk1和Lk2是變壓器T的漏電電感，DS1和CS1是開關(guān)S1的體二極管和內(nèi)部電容，DS2和CS2是開關(guān)S2的體二極管和內(nèi)部電容。繞組N3與繞組N1和N2耦合。電感器Lr是包括變壓器T的漏電電感在內(nèi)的諧振電感器。電感器Lr和電容器Cr構(gòu)成諧振回路，向負載R0提供高頻電壓。
圖2a-2d示出與圖1的電路相關(guān)聯(lián)的典型開關(guān)波形。首先參考圖2a，在開關(guān)S1斷開時(t0)，儲存在漏電電感Lk1中的能量被釋放，使電容Cs1充電，這在開關(guān)S1上引起不希望有的電壓尖峰，如圖2c所示。另一個與圖1的電路配置相關(guān)聯(lián)的問題是所述高電壓尖峰要求開關(guān)S1和S2具有高電壓擊穿電壓額定值。
在時間t1，施加允許開關(guān)S2在零電壓下接通(未示出)的開關(guān)S2的柵極信號(見圖2b)。S2傳輸初級繞組電流。
如圖2d所示，在開關(guān)S2第二次尖峰發(fā)生在時間t2，此時開關(guān)S2斷開。此電壓尖峰是從漏電電感Lk2釋放能量的結(jié)果。
現(xiàn)參考圖3，用于消除或減小不希望有的電壓尖峰的一個先有技術(shù)解決方案是分別把無源緩沖電路(R-C-D)用于開關(guān)S1和開關(guān)S2。無源緩沖電路用來吸收變壓器(Lk1，Lk2)的泄漏能量。使用緩沖電路的一個不良后果是變換器電路由于需要耗散不希望有的能量而具有較低的變換效率。
另一種類型的通用鎮(zhèn)流器方案，如圖4所示，采用半橋式逆變器電路配置。半橋式開關(guān)電路包括開關(guān)S1和S2、諧振電感器Lr和諧振電容器Cr。電感器Lr可以代表漏電電感，如果漏電電感很小，它可以代表單獨的電感。Cr可以代表繞組電容和燈的屏蔽電容的組合。Cd代表隔直流電容，輸入電壓Vin通常為12V左右。在CCFL或負載(RL)被“觸發(fā)”或點火之前，加在端子的電壓小于觸發(fā)電壓時燈不會導通電流，例如，端子電壓可高達1000伏。一旦在CCFL中觸發(fā)電弧，端子電壓就下降到運行電壓，在相當寬的輸入電流范圍內(nèi)大約是觸發(fā)電壓的1/3。為了得到大約為1000伏的電壓，除了隔離變壓器要有高匝數(shù)比外，諧振逆變器需要有高的電壓增益。但如果諧振回路的峰值激勵電壓Vx僅為輸入電壓的一半，則諧振逆變器的電壓增益就受到限制。因此，獲得大約為1000伏的激勵電壓的唯一手段就是需要變壓器有非常高的匝數(shù)比。但這也成問題，因為高匝數(shù)比變壓器易于漏電，所以效率不高。故而，需要提供一種改進的鎮(zhèn)流器，它在工作中比傳統(tǒng)的推挽型或半橋型的鎮(zhèn)流器更有效，而且能降低或基本上消除尖峰電壓。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個目的是提供一種逆變器電路，所述逆變器電路消除或顯著地降低與推挽型開關(guān)配置中的開關(guān)元件相關(guān)聯(lián)的電壓尖峰。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種逆變器電路，所述逆變器電路回收與隔離變壓器相關(guān)聯(lián)的泄漏能量以提高電路效率。
本發(fā)明還有一個目的是提供一種逆變器電路，所述逆變器電路降低隔離變壓器的匝數(shù)比，以降低變壓器中的功率損耗，進一步提高電路效率。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供用于有效地將直流(DC)信號轉(zhuǎn)換為交流信號以便驅(qū)動負載例如冷陰極熒光燈的逆變器電路和方法。逆變器電路包括諧振回路，所述諧振回路具有諧振電感和諧振電容并且通過DC信號源和半橋開關(guān)配置的公共端子之間的變壓器耦合。
將電壓箝位電容連接到半橋開關(guān)配置的第二和第三端子。將電容電壓和供電(即輸入)電壓之間的電壓差加到諧振回路的端子。諧振回路兩端的電壓差名以上是先有技術(shù)配置的電壓的兩倍。
根據(jù)本發(fā)明的逆變器電路包括具有DC電壓電源的初級電路；使所述初級電路與負載電路耦合的變壓器；包括第一開關(guān)和第二開關(guān)的開關(guān)電路，用于控制所述逆變器電路的導通狀態(tài)；具有諧振電感和諧振電容的諧振回路；與諧振電容耦合的燈負載；以及與第一和第二開關(guān)耦合的電容，用于保持所述變壓器初級繞組上的電壓。
相應地，與先有技術(shù)的逆變器電路相比，所需的變壓器匝數(shù)比減少了一半，從而降低了變壓器中的功率損耗，提高了電路效率。
按照本發(fā)明的另一方面，儲存在與變壓器相關(guān)聯(lián)的漏電感中的泄漏能量由箝位電容回收或捕獲，從而避免或大大減少了構(gòu)成半橋結(jié)構(gòu)的開關(guān)上電壓尖峰的發(fā)生。如上所述，在先有技術(shù)的配置中，漏電感釋放時會使與推挽開關(guān)相關(guān)聯(lián)的電容充電，這就會在開關(guān)兩端形成電壓尖峰。捕獲漏電流的另一個優(yōu)點是開關(guān)的電壓額定值可大大降低。
附圖簡介結(jié)合附圖、參考以下對本發(fā)明的說明性實施例的詳細描述，本方面的前述特征就更明顯并易于理解，附圖中圖1示出先有技術(shù)LCD后照明逆變器電路的電路圖；圖2a-2d示出在圖1的電路中存在的代表性波形；圖3示出先有技術(shù)LCD后照明逆變器電路的電路圖；圖4示出先有技術(shù)LCD后照明逆變器電路的電路圖；圖5示出根據(jù)本發(fā)明實施例的LCD后照明逆變器電路的電路圖；圖6a-6d示出在圖5的電路中存在的代表性波形；圖7示出根據(jù)本發(fā)明實施例的LCD后照明逆變器電路的電路圖；圖8示出根據(jù)本發(fā)明實施例的LCD后照明逆變器電路的電路圖；以及圖9示出根據(jù)本發(fā)明實施例的LCD后照明逆變器電路的電路圖。
優(yōu)選實施例說明提供一種消除在逆變器電路的每個推挽開關(guān)斷開時發(fā)生的電壓尖峰的電路配置。另外，所述電路配置比傳統(tǒng)的逆變器電路配置更為有效。
參考圖5，逆變器電路10的所述示范示意圖顯示了連接到負載RL的逆變器電路配置的實施例。負載RL可以是(但不限于)冷陰極型熒光燈。負載RL發(fā)出的光可用來照明計算機的液晶顯示器(LCD)。負載RL連接到變壓器T的次級繞組。變壓器T包括初級繞組Np和次級繞組Ns。諧振電路由諧振電感Lr和諧振電容Cr構(gòu)成。除了諧振電感Lr和諧振電容Cr外，不再包括會實質(zhì)上影響諧振電路的諧振頻率的其他分立電感或電容。也沒有分立的鎮(zhèn)流元件(通常為電容)與負載RL串聯(lián)。省去諧振電路中或與負載串聯(lián)的這些分立元件減少了逆變器電路10的零件數(shù)和成本。
半橋式開關(guān)電路(即開關(guān)級)包括開關(guān)S1和S2。由驅(qū)動控制電路(未示出)接通和斷開這些開關(guān)。開關(guān)S1和S2從來不在同一時間接通，且ON(接通)的時間占空比略小于50％，如圖5所示。需要有一個兩個開關(guān)都斷開的小的空載時間，以允許實現(xiàn)零電壓切換。變壓器T的初級繞組Np的輸出端連接到半橋式開關(guān)電路的中間點連接端子(見圖5的B點)。箝位電容C0與半橋式開關(guān)電路并聯(lián)。逆變器電路10由連接到諧振電感Lr一側(cè)的12伏直流電源，即電池供電。
圖5所示的電路配置的工作如下。當開關(guān)S1在第一個半開關(guān)周期(S1接通/S2斷開)接通時，輸入電壓Vin加到諧振回路的端子A和B上。也就是說，Vx＝Vin。在這第一個半開關(guān)周期中，電感Lr儲存了在下一個(第二)半開關(guān)周期(S1斷開/S2接通)中要釋放的能量。
在第二個半開關(guān)周期(S1斷開/S2接通)中，輸入電壓Vin和電容電壓V0之間的電壓差加到諧振回路的端子A和B上。假定對于半橋式開關(guān)電路，標稱的占空比為50％，可以看出在第二個半開關(guān)周期中電容電壓額定等于輸入電壓的兩倍(2*Vin)。按照標準電路分析，在第二個半開關(guān)周期，可以看出電壓(-Vin)加到了諧振回路的端子A和B上?？傊诟鱾€半周期中諧振回路50兩端、即端子A和B上的電壓分別等于Vin和-Vin。這與圖4的先有技術(shù)的電路不同，在先有技術(shù)的電路中諧振回路50兩端的電壓分別等于1/2*Vin到-1/2*Vin。
圖6a-6d示出與圖6的逆變器電路10有關(guān)聯(lián)的典型開關(guān)波形。先參考圖6a和6d，如上所述，對于第一個半開關(guān)周期(S1接通/S2斷開)，諧振回路50兩端的電壓Vx等于Vin(見圖6d)。
本專業(yè)中眾所周知，為有適當?shù)姆€(wěn)態(tài)工作，諧振回路50的端子A和B上的平均電壓必須接近于零，否則諧振電感Lr和變壓器T就會飽和。如果Vx的平均值必須是零或接近零的值，Vds(開關(guān)S1的體二極管電壓)的平均值必須等于Vin的平均值。在第二個半開關(guān)周期(S1斷開/S2接通)，Vds達到峰值，如圖6c所示。
對于配置來提供增壓功能的電路，部分地實現(xiàn)所述峰值電壓。具體地說，在第一個半開關(guān)周期中儲存在電感Lr中的部分能量在第二個半開關(guān)周期中釋放。此釋放的能量由箝位電容C0捕獲和保持。C0上的電壓由輸入電壓Vin進一步補充，在第二個半開關(guān)周期達到峰值2*Vin。應當指出，為箝位電容C0所選的電容值應能使峰值電壓保持多個周期。
假定Vx的平均電壓在整個周期中必須是零或接近零，且在第一個半周期中Vx＝Vin，則Vx在第二個半周期中必須等于(-Vin)以便在整個周期中保持零或接近零。在第二個半開關(guān)周期(S1斷開/S2接通)，逆變器電路10的電路電壓可以表示為Vin＝Vx+V0 公式1上式可改寫為Vx＝Vin-V0 公式2公式(2)表明回路激勵電壓Vx是輸入電壓Vin和箝位電容電壓之差。如上所述，在第二個半周期中，電容電壓可以表示為V0＝2*Vin公式3將公式(3)代入公式(2)，得到Vx＝Vin-(2*Vin)＝-Vin 公式4第二個半周期的電壓Vx示于圖6d。
應當理解，本發(fā)明電路的平均回路激勵電壓是圖4的先有技術(shù)電路的兩倍。結(jié)果，變壓器T的所需匝數(shù)比就減小了一半。相應地，漏電感顯著降低，從而提高了電路地總體效率。此外，半橋式開關(guān)上的最大電壓由電容電壓V0箝位，表示為V0＝Vin/(1-D) 公式5式中D是開關(guān)S1的占空比，標稱為0.5。電路10的另一個優(yōu)點是不象先有技術(shù)電路中漏電感由一個使電路效率降低的緩沖器網(wǎng)絡耗散，本發(fā)明的電路10利用升壓特征來回收泄漏能量。
圖7-9示出本發(fā)明的電路10的更多實施例，圖中所示元件的參考符號同圖6。
圖7示出本發(fā)明的電路10的一個實施例，其中示出諧振電感Lr與諧振電容Cr串聯(lián)，而負載與諧振電容并聯(lián)。
圖8示出本發(fā)明的電路10的另一個實施例。在此實施例中，開關(guān)S2是P型MOSFET，并連接到箝位電容C0的負端。
圖9示出本發(fā)明的電路10的又一個實施例。在此實施例中，諧振電感Lr與諧振電容Cr在負載電路中串聯(lián)。
總之，本發(fā)明的電路配置提供了利用以上討論的先有技術(shù)電路配置不能實現(xiàn)的優(yōu)點，本發(fā)明電路實現(xiàn)的第一個優(yōu)點是較高的效率，這部分地是由于漏電感是諧振電感的一部分。具體地說，由于漏電感是諧振電感的一部分故可以充分回收漏感能量，從而不再需要先有技術(shù)中所用的緩沖器電路。第二個相關(guān)聯(lián)的優(yōu)點是由于能量回收，半橋式開關(guān)上的電壓降低。低匝數(shù)比的結(jié)果是相關(guān)聯(lián)的漏電感可減至最小。第三個相關(guān)聯(lián)的優(yōu)點是除了泄漏能量可被回收之外，還由于變壓器的匝數(shù)比較低(即，傳統(tǒng)匝數(shù)比的一半)而使泄漏能量減小。由于本發(fā)明電路的回路激勵電壓是傳統(tǒng)激勵電壓的兩倍，故可以實現(xiàn)較低的匝數(shù)比。
權(quán)利要求
1.一種用于驅(qū)動負載電路中的氣體放電燈負載(R0)的逆變器電路(10)，所述逆變器電路(10)包括具有DC電壓源(Vin)的初級電路；將所述初級電路耦合到所述負載電路的變壓器(T)；包括第一開關(guān)(S1)和第二開關(guān)(S2)、用于控制所述逆變器電路(10)的導通狀態(tài)的開關(guān)電路；具有諧振電感(Lr)和諧振電容(Cr)的諧振電路(50)，所述燈負載(R0)耦合到所述諧振電容(Cr)；以及連接到所述第一和第二開關(guān)(S1，S2)的電容(C0)，用于保持所述變壓器(T)初級繞組(Np)兩端的電壓(Vx)。
2.如權(quán)利要求1所述的逆變器電路(10)，其特征在于所述初級電路包括諧振電感(Lr)。
3.如權(quán)利要求1所述的逆變器電路(10)，其特征在于所述負載電路包括諧振電感(Lr)。
4.如權(quán)利要求1所述的逆變器電路(10)，其特征在于所述燈負載(R0)與所述諧振電容(Cr)并聯(lián)耦合。
5.如權(quán)利要求1所述的逆變器電路(10)，其特征在于所述燈負載(R0)與所述諧振電容(Cr)和所述諧振電感(Lr)串聯(lián)耦合。
6.如權(quán)利要求1所述的逆變器電路(10)，其特征在于所述諧振電感(Lr)與變壓器(T)的所述初級繞組(Np)串聯(lián)耦合。
7.如權(quán)利要求1所述的逆變器電路(10)，其特征在于所述諧振電感(Lr)與變壓器(T)的所述次級繞組(Ns)串聯(lián)耦合。
8.如權(quán)利要求1所述的逆變器電路(10)，其特征在于所述初級電路包括電容(C0)。
9.如權(quán)利要求1所述的逆變器電路(10)，其特征在于所述諧振電感(Lr)向所述電容(C0)提供升壓功能。
10.一種用消除于氣體放電燈(R0)的逆變器電路(10)中的電壓尖峰的方法，所述方法包括提供以下部件具有DC電壓源(Vin)的初級電路；變壓器(T)；包括第一開關(guān)(S1)和第二開關(guān)(S2)、用于控制所述逆變器電路(10)的導通狀態(tài)的開關(guān)電路；提供具有諧振電感(Lr)和諧振電容(Cr)的諧振電路(50)，燈負載(R0)連接到所述諧振電容(Cr)；以及提供連接到所述第一和第二開關(guān)(S1，S2)的電容(C0)，用于保持所述變壓器(T)的初級繞組(Np)兩端的電壓(Vx)。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于還包括在所述逆變器電路(10)的多個開關(guān)周期的每一周期中回收所述變壓器(T)的泄漏能量的步驟。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于還包括由所述諧振電感(Lr)向所述電容(C0)提供升壓功能的步驟。
全文摘要
一種用于氣體放電燈的逆變器電路，它包括具有DC電壓電源的初級電路；變壓器；包括第一開關(guān)和第二開關(guān)的開關(guān)電路，用于控制所述逆變器電路的導通狀態(tài)；具有諧振電感和諧振電容的諧振電路，燈負載耦合到所述諧振電容；連接到第一和第二開關(guān)的電容，用于保持所述變壓器初級繞組上的電壓。因此，變壓器的匝數(shù)比降低了一半，從而減少了變壓器中的功率損耗，提高了電路效率。此外，儲存在漏電感中的能量，在先有技術(shù)中是在推挽式開關(guān)配置中的開關(guān)上耗散，現(xiàn)由箝位電容回收或捕獲，從而避免在開關(guān)兩端出現(xiàn)電壓尖峰。
文檔編號H05B41/24GK1516993SQ02812074
公開日2004年7月28日 申請日期2002年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月18日
發(fā)明者J·錢, J 錢, D·F·翁, 翁 申請人:皇家菲利浦電子有限公司