壓電變壓器逆變器的製作方法
2023-12-03 20:01:56
專利名稱：壓電變壓器逆變器的製作方法
技術領域：
本發明涉及壓電變壓器逆變器，尤其涉及用於點亮冷陰極螢光管的壓電變壓器逆變器，這些冷陰極螢光管用於筆記本大小的個人電腦之類的液晶顯示屏(panel)中。
在6-167694號日本未審查專利公布和9-107684號日本未審查專利公布中已描述了用於點亮液晶背面照明中的冷陰極螢光管的壓電變壓器逆變器的例子。在6-167694號日本未審查專利公布中，通過控制用於背面照明的冷陰極螢光管的管電流來調節冷陰極螢光管的亮度。在此情況下，利用壓電變壓器的頻率升壓比特性，可控制管電流。例如，當需要少量的管電流或者輸入電壓高時，如此進行控制，從而可通過把逆變器頻率變成比壓電變壓器的諧振頻率高的頻率來獲得一定量的管電流。
然而，在這些系統中，當輸入電壓高時，逆變器頻率明顯地偏離壓電變壓器的諧振頻率。在壓電變壓器中，當頻率稍稍進入諧振頻率的高頻一側時，就獲得了最高的轉換效率。相反，當頻率偏離該位置時，轉換效率降低。結果，在該系統中，輸入電壓越高，則效率降低的程度越大，從而只有近似於輸入電壓兩倍的範圍可適用於實際使用。
此外，就9-107684號日本未審查專利公布中所述的壓電變壓器驅動電路而言，在逆變器單元的前級插入斬波器(chopper)電路，從而把加入逆變器單元的平均輸入電壓保持恆定。此布局解決了傳統技術的上述問題，從而即使在較寬的輸入電壓範圍內也可保持適當的效率。
然而，在此壓電變壓器驅動電路中，當把它用於筆記本大小的個人電腦或類似設備時存在以下所述的問題。例如，如圖5中的波形A所示，當把加入逆變器的輸入電壓設定為7到20V以及把斬波器電路輸出的平均電壓設定為6.5V時，提出一個假設，首先，當筆記本大小的個人電腦為電池驅動時，把輸入電壓設定為7V作為最壞的情況。在此情況下，如圖5中的波形B所示的斬波器電路輸出的佔空度由公式D＝6.5/7＝93％所示。現在，在此情況下，假設插入AC適配器，從而輸入電壓升高到20V作為最壞的情況。此時，需要如下改變斬波器電路輸出的效率如下D＝6.5/20＝33％。
然而，由於所給出的反饋控制把斬波器電路的效率的輸出電壓保持為恆定，所以在控制響應中存在時間滯後。結果，實際上如圖5的波形C所示，在輸入電壓突然變化後的某段時間內發生失控，從而逆變器的平均輸出電壓逐漸增大。此時，如圖5中的波形D所示，逆變器單元的FET的漏極電壓比正常情況下的高。結果，為了承受較高的漸增輸入電壓，必須在逆變器電壓中使用可承受如此高電壓的FET，從而導致尺寸較大這一不利因素。
圖6是示出用於防止上述漸增現象的壓電變壓器逆變器的方框圖。為了避免這種現象，可考慮圖6所示的壓電變壓器逆變器。在圖6所示的壓電變壓器逆變器中，未插入如上所述的斬波器，而是把DC-DC轉換器控制單元13插入用於驅動冷陰極螢光管11的逆變器單元12的前級。DC-DC轉換器控制單元13控制開關電晶體16，開關電晶體16控制輸入逆變器單元12的電壓。
此外，二極體17為自由轉向器件，它連接在開關電晶體16的輸出電極與地之間。在圖6所示的例子中，需要把線圈14插在開關電晶體16與逆變器單元12之間，且需要把電容器15插在逆變器單元12的輸入一側與地之間。此外，流入線圈14的電流所引起的損耗很大，就尺寸和效率而言，與插入斬波器的方法相比沒有優勢。
本發明可解決與傳統的壓電變壓器逆變器有關的問題，並提供一種壓電變壓器逆變器當輸入電壓發生突然變化時，該逆變器可以控制斬波器電路平均輸出的急劇增大。
此壓電變壓器逆變器包括一逆變器單元和一降壓斬波器單元。逆變器單元包括陶瓷壓電變壓器，其次級端子將連接到螢光管；驅動單元，它連接到陶瓷壓電變壓器的初級端子；以及逆變器控制電路，用於控制螢光管的亮度以設定為所需的值。降壓斬波器單元把一信號輸入逆變器單元的驅動電路，且它包括連接在輸入電壓和自由轉向器件之間的開關器件。設置了脈寬調製(PWM)反饋控制電路，用以把反饋控制提供給開關器件以使開關器件的方波電壓的平均電壓保持恆定。在此壓電變壓器逆變器中，即使在PWM反饋控制電路不可能進行反饋控制時，也設置了用於把斬波器單元的佔空比限制在不超過給定量的裝置。
為了說明本發明，在圖中示出幾個目前較佳的形式，然而，可以理解本發明不限於所示的明確布局和手段。
圖1是依據本發明一個實施例的壓電變壓器逆變器的方框圖。
圖2是示出圖1所示壓電變壓器逆變器的詳細結構的電路圖。
圖3示出依據本發明一個實施例的佔空度限制函數的圖。
圖4示出依據本發明一個實施例的斬波器單元的平均輸出電壓的限制函數的圖。
圖5是示出傳統壓電變壓器逆變器的問題的圖。
圖6是示出解決傳統壓電變壓器逆變器中的問題的一個例子的方框圖。
以下，參考附圖來詳細說明本發明的較佳實施例。
圖1是依據本發明一個實施例壓電變壓器逆變器的方框圖。在圖1中，壓電變壓器逆變器包括逆變器單元20和降壓斬波器單元30。逆變器單元20的壓電變壓器22的次級電極連接到冷陰極螢光管11，螢光管11由壓電變壓器22的輸出電壓來點亮。逆變器單元20包括逆變器單元控制電路21，其中的驅動單元包括由線圈23和開關電晶體25構成的串聯電路以及由線圈24和開關電晶體26構成的串聯電路。
換句話說，逆變器單元控制電路21以此方式控制提供給開關電晶體25和26的控制信號的驅動頻率或驅動效率，從而把冷陰極螢光管11的亮度保持恆定。開關電晶體25和26響應於來自逆變器單元控制電路21的控制信號進行切換，從而通過線圈23和24把驅動信號提供給壓電變壓器22的初級電極。
降壓斬波器單元30通過開關電晶體(FET)33和作為自由換向器件的二極體34對逆變器單元20的輸入電壓進行斬波。響應於來自PWM-IC(脈寬調製-集成電路)32的控制信號開關電晶體33導通或斷開，其中已對該控制信號進行了脈寬調製。由一低通濾波器把降壓斬波器電壓30的方波輸出信號(可通過使開關電晶體33導通或斷開來獲得)轉換成DC，此低通濾波器包括連接在逆變器單元20的輸入與地之間的電阻器R1和電容器C1。然後，此直流電壓由電阻器R2和R3分壓，以作為反饋電壓VfB輸入PWM-IC 32。
PWM-IC 32包含停滯時間(deadtime)控制端DTC，從停滯時間設定電壓產生電路31給此控制端DTC提供能相對於輸入電壓改變停滯時間設定的停滯時間設定電壓。無論反饋電壓如何，PWM-IC 32的停滯時間控制功能都起到把輸出的佔空比限制於不超過規定值的作用。
將對圖1所示本發明一個實施例的詳細操作進行描述。在正常操作中，由電阻器R1和電容器C1構成的低通濾波器把斬波器電壓(它是來自開關電晶體33的輸出)轉換成DC形式；把從電阻器R2和R3形成的分壓器獲得的反饋電壓VfB輸入PWM-IC 32。把PWM-IC 32內所產生的基準電壓與電壓VfB如此地相比較，從而兩個值相等。此布局允許把降壓斬波器單元30的輸出的平均電壓保持恆定而與輸入電壓無關。
同時，停滯時間設定電壓產生電路31使加到PWM-IC 32的停滯時間控制端DTC的電壓隨輸入電壓而變化。該設定是這樣的，從而由停滯時間控制端DTC的電壓所確定的佔空度總是大於反饋控制正常工作情況下的佔空度。
在正常操作中，由上述反饋控制來確定輸出佔空度，從而獲得給定數量的斬波器輸出電壓。現在，當輸入電壓突然變化時，反饋控制斷開，佔空度擴大為停滯時間控制端DTC的電壓所確定的佔空度。然而，當把佔空度設定為儘可能靠近反饋所確定的佔空度時，即使在輸入電壓突然變化的情況下，降壓斬波器單元30的輸出的平均電壓也僅稍高於正常操作中的電壓。相應地，與已有技術形成對比，可降低作為逆變器單元20的開關電晶體25和26的FET的耐壓從而可以獲得小型化和高效率。
圖2示出依據本發明的實施例的更詳細的結構圖。在圖2中，逆變器單元20具有與圖1所示的相同的結構，其中更具體地示出了降壓斬波器單元30。如圖1的PWM-IC 32所示，使用TL 1451(由Texas Instruments製造)。電阻器Rref連接在停滯時間控制端DTC和基準電壓端Vref之間；電阻器RVIN連接在電源端Vcc(給它提供輸入電壓)和停滯時間控制端DTC之間；電阻器RG連接在停滯時間控制端DTC和GND之間，從而提供相對於輸入電壓而改變的停滯時間控制電壓。
由NPN電晶體和PNP電晶體組合的電路35把來自PWM-IC 32的PWM輸出電壓輸入開關電晶體33的柵極。由線圈L1和電容器C1構成的串聯電路連接在開關電晶體33的輸出一側和地之間，以對方波(它是斬波器電壓)進行整流，電阻器R2和R3對該電壓分壓以把反饋電壓Vfb提供給PWM-IC 32。
圖3示出依據本發明實施例的效率限制函數的圖，圖4示出斬波器電源平均輸出電壓的限制函數的圖。
現在參考圖2到4，將對本發明實施例的更詳細操作進行描述。降壓斬波器單元30通過開關電晶體33和自由轉向二極體34對輸入電壓進行切換；由線圈L1和電容器C1對此切換獲得的方波進行整流，然後由電阻器R2和R3進行分壓；把反饋電壓Vfb輸入PWM-IC 32。PWM-IC 32把反饋電壓Vfb與對基準電壓Vref分壓的電壓Vr相比較，從而把切換佔空度調節到使Vr等於Vfe。
在正常情況下，這種操作使恆定電壓輸出到降壓斬波器單元30的平均輸出電壓。與之對比，當輸入電壓突然變化時，反饋控制斷開，且它由停滯時間控制端DTC的電壓所確定的佔空度來切換。在圖3和4中示出此情況的一個例子。在傳統的例子中，如圖3所示，由於沒有停滯時間控制功能，所以當反饋控制斷開時，存在效率變為100％的可能性。結果，如圖4所示，當輸入電壓為20V時，斬波器輸出電壓也可能是20V。
與此相對比，依據本發明的實施例，如圖3所示，可看出輸入電壓越高，則更多地限制佔空度寬度。如圖4所示，這使得在7V到20V的整個範圍中可把斬波器平均輸出電壓基本上保持11V。如上所述，可把耐壓低且導通電阻也降低的高性能FET用作逆變器單元20的開關電晶體25和26。
此外，在本實施例中，由線圈L1和電容器C1對斬波器輸出進行整流，以給逆變器單元20的逆變器單元控制電路21提供電源。由於有極少量的用於驅動逆變器單元控制電路21的電流流入線圈L1和電容器C1，所以可使用比圖5所示DC-DC轉換器的LC(如上所述)具有較小電容的LC，從而就成本、尺寸和性能來說幾乎沒有不利因素。通常，通過反饋控制把恆定電壓提供給逆變器IC，即使在輸入電壓突然變化時，也不會產生大電壓。相應地，可降低逆變器IC的耐壓，從而可使用諸如CMOS(耐壓大約為7V)等功耗低且速度快的成本-性能比高的工藝。
同時，就PWM-IC 32而言，使用DC-DC轉換器或類似設備中通常安裝的PWM-IC使得成本相對地減少，且它不難響應於筆記本大小的個人電腦的AC適配器或類似裝置的電壓(一直到20V)。此外，在本發明的實施例中，可形成包括作為PWM-IC 32和用於逆變器單元控制電路21的兩個IC的結構，雖然就尺寸而言存在缺點，但其優點是可獲得高性能，同時以低成本實現高度可靠的結構。
如上所述，依據本發明，當PWM反饋控制電路不可能進行反饋控制時，對斬波器單元的導通佔空度進行限制，使之不超過特定的量，依據輸入電壓來改變被限制的佔空度。因此，當把本發明應用於筆記本大小的個人電腦或類似設備時，即使輸入電壓突然變化，也可抑制斬波器單元平均輸出電壓的增加。此外，可把耐壓低的元件用作逆變器單元的開關電晶體，從而可實現低成本和高效率。此外，包括逆變器控制電路和PWM反饋控制電路的兩個集成電路的結構允許使用成本低且耐壓高的PWM-IC，並可把諸如CMOS等耐壓低但性能高的器件用在逆變器單元中。在此布局中，可提高逆變器的整個性能，而且可抑制成本的增加，並可響應於大範圍的輸入電壓。
雖然已揭示了本發明的較佳實施例，但認為實施這裡所揭示原理的各種模式在以下權利要求書的範圍內。因此，應理解，本發明的範圍不限於此，而是如權利要求書中所述。
權利要求
1.一種壓電變壓器逆變器，其特徵在於包括逆變器單元，包括要將其次級端子連接到螢光管的陶瓷壓電變壓器、連接到陶瓷壓電變壓器的初級端子的驅動單元以及用於把螢光管的亮度控制在所需值的逆變器控制電路；降壓斬波器單元，用於把一信號輸入逆變器單元的驅動電路，所述斬波器單元包括連接在輸入電壓和自由轉向器件之間的開關器件以及連接到開關器件用以對其提供反饋控制以把所述開關器件的方波輸出電壓的平均電壓保持恆定的脈寬調製反饋控制電路；以及用於限制斬波器單元的佔空比從而使之不超過給定量的裝置。
2.如權利要求1所述的壓電變壓器逆變器，其特徵在於逆變器控制電路和PWM反饋控制電路中每一個由各自的集成電路來控制。
3.如權利要求1所述的壓電變壓器逆變器，其特徵在於用於限制佔空比的裝置包括連接到脈寬調製電路的停滯時間設定電壓發生器電路。
4.如權利要求3所述的壓電變壓器逆變器，其特徵在於開關器件為FET。
5.如權利要求4所述的壓電變壓器逆變器，其特徵在於自由轉向器件為二極體。
6.如權利要求3所述的壓電變壓器逆變器，其特徵在於還包括低通濾波器，所述低通濾波器具有連接到FET的輸出的輸入端以及連接到逆變器單元的輸出端。
7.如權利要求6所述的壓電變壓器逆變器，其特徵在於通過分壓器把濾波器的輸出反饋到脈寬調製電路。
全文摘要
壓電變壓器逆變器包括:逆變器單元,包括陶瓷壓電變壓器、驅動單元以及逆變器控制電路;降壓斬波器單元,包括開關器件、自由轉向器件以及脈寬調製反饋控制電路。在此壓電變壓器逆變器中,即使PWM反饋控制電路不可能進行反饋控制,也可限制斬波器單元的導通佔空度,使之不超過給定的量。
文檔編號H05B41/24GK1249655SQ99121068
公開日2000年4月5日 申請日期1999年9月29日 優先權日1998年9月29日
發明者野間隆嗣, 山脅一郎, 森島靖之 申請人:株式會社村田製作所