专利名称：驱动冷阴极荧光灯的高效驱动装置的制作方法
背景技术：
1.发明领域本发明涉及用于驱动用作液晶显示器背光的冷阴极荧光灯(CCFL)的装置。
2.相关技术的说明与办公室和家庭照明所用的传统热阴极荧光灯(FL)类似，CCFL是高效、长寿命的光源。白炽灯的效率在每瓦15到20流明的范围内，而FL和CCFL的效率在每瓦40到60流明的范围内。而且，白炽灯的平均寿命仅为约一千小时。但FL和CCFL平均可达一万小时或更长。
热阴极FL和CCFL的主要区别在于CCFL省去了FL中含有的灯丝。由于它们更简单的机械构造以及高效率，小型CCFL通常用作液晶显示器(LCD)的后照明光源。LCD，无论是彩色或单色，已广泛用作便携式计算机和电视机的显示器，以及飞机和汽车仪表板的显示器但是，启动和操作CCFL需要高的交流(“ac”)电压。典型的启动电压在1,000伏AC(Vac)左右，而典型的工作电压在600Vac左右。为了从dc电源(例如可充电电池)产生这样高的ac电压，便携式计算机和电视机以及仪表板包括具有升压变压器的dc-ac逆变器。
在
图1所示的推挽配置中，Lk1和Lk2是变压器T的漏电电感，DS1和CS1是开关S1的体二极管和内部电容，DS2和CS2是开关S2的体二极管和内部电容。绕组N3与绕组N1和N2耦合。电感器Lr是包括变压器T的漏电电感在内的谐振电感器。电感器Lr和电容器Cr构成谐振回路，向负载R0提供高频电压。
图2a-2d示出与图1的电路相关联的典型开关波形。首先参考图2a，在开关S1断开时(t0)，储存在漏电电感Lk1中的能量被释放，使电容Cs1充电，这在开关S1上引起不希望有的电压尖峰，如图2c所示。另一个与图1的电路配置相关联的问题是所述高电压尖峰要求开关S1和S2具有高电压击穿电压额定值。
在时间t1，施加允许开关S2在零电压下接通(未示出)的开关S2的栅极信号(见图2b)。S2传输初级绕组电流。
如图2d所示，在开关S2第二次尖峰发生在时间t2，此时开关S2断开。此电压尖峰是从漏电电感Lk2释放能量的结果。
现参考图3，用于消除或减小不希望有的电压尖峰的一个先有技术解决方案是分别把无源缓冲电路(R-C-D)用于开关S1和开关S2。无源缓冲电路用来吸收变压器(Lk1，Lk2)的泄漏能量。使用缓冲电路的一个不良后果是变换器电路由于需要耗散不希望有的能量而具有较低的变换效率。
另一种类型的通用镇流器方案，如图4所示，采用半桥式逆变器电路配置。半桥式开关电路包括开关S1和S2、谐振电感器Lr和谐振电容器Cr。电感器Lr可以代表漏电电感，如果漏电电感很小，它可以代表单独的电感。Cr可以代表绕组电容和灯的屏蔽电容的组合。Cd代表隔直流电容，输入电压Vin通常为12V左右。在CCFL或负载(RL)被“触发”或点火之前，加在端子的电压小于触发电压时灯不会导通电流，例如，端子电压可高达1000伏。一旦在CCFL中触发电弧，端子电压就下降到运行电压，在相当宽的输入电流范围内大约是触发电压的1/3。为了得到大约为1000伏的电压，除了隔离变压器要有高匝数比外，谐振逆变器需要有高的电压增益。但如果谐振回路的峰值激励电压Vx仅为输入电压的一半，则谐振逆变器的电压增益就受到限制。因此，获得大约为1000伏的激励电压的唯一手段就是需要变压器有非常高的匝数比。但这也成问题，因为高匝数比变压器易于漏电，所以效率不高。故而，需要提供一种改进的镇流器，它在工作中比传统的推挽型或半桥型的镇流器更有效，而且能降低或基本上消除尖峰电压。
发明概述本发明的一个目的是提供一种逆变器电路，所述逆变器电路消除或显著地降低与推挽型开关配置中的开关元件相关联的电压尖峰。
本发明的另一个目的是提供一种逆变器电路，所述逆变器电路回收与隔离变压器相关联的泄漏能量以提高电路效率。
本发明还有一个目的是提供一种逆变器电路，所述逆变器电路降低隔离变压器的匝数比，以降低变压器中的功率损耗，进一步提高电路效率。
根据本发明的实施例，提供用于有效地将直流(DC)信号转换为交流信号以便驱动负载例如冷阴极荧光灯的逆变器电路和方法。逆变器电路包括谐振回路，所述谐振回路具有谐振电感和谐振电容并且通过DC信号源和半桥开关配置的公共端子之间的变压器耦合。
将电压箝位电容连接到半桥开关配置的第二和第三端子。将电容电压和供电(即输入)电压之间的电压差加到谐振回路的端子。谐振回路两端的电压差名以上是先有技术配置的电压的两倍。
根据本发明的逆变器电路包括具有DC电压电源的初级电路；使所述初级电路与负载电路耦合的变压器；包括第一开关和第二开关的开关电路，用于控制所述逆变器电路的导通状态；具有谐振电感和谐振电容的谐振回路；与谐振电容耦合的灯负载；以及与第一和第二开关耦合的电容，用于保持所述变压器初级绕组上的电压。
相应地，与先有技术的逆变器电路相比，所需的变压器匝数比减少了一半，从而降低了变压器中的功率损耗，提高了电路效率。
按照本发明的另一方面，储存在与变压器相关联的漏电感中的泄漏能量由箝位电容回收或捕获，从而避免或大大减少了构成半桥结构的开关上电压尖峰的发生。如上所述，在先有技术的配置中，漏电感释放时会使与推挽开关相关联的电容充电，这就会在开关两端形成电压尖峰。捕获漏电流的另一个优点是开关的电压额定值可大大降低。
附图简介结合附图、参考以下对本发明的说明性实施例的详细描述，本方面的前述特征就更明显并易于理解，附图中图1示出先有技术LCD后照明逆变器电路的电路图；图2a-2d示出在图1的电路中存在的代表性波形；图3示出先有技术LCD后照明逆变器电路的电路图；图4示出先有技术LCD后照明逆变器电路的电路图；图5示出根据本发明实施例的LCD后照明逆变器电路的电路图；图6a-6d示出在图5的电路中存在的代表性波形；图7示出根据本发明实施例的LCD后照明逆变器电路的电路图；图8示出根据本发明实施例的LCD后照明逆变器电路的电路图；以及图9示出根据本发明实施例的LCD后照明逆变器电路的电路图。
优选实施例说明提供一种消除在逆变器电路的每个推挽开关断开时发生的电压尖峰的电路配置。另外，所述电路配置比传统的逆变器电路配置更为有效。
参考图5，逆变器电路10的所述示范示意图显示了连接到负载RL的逆变器电路配置的实施例。负载RL可以是(但不限于)冷阴极型荧光灯。负载RL发出的光可用来照明计算机的液晶显示器(LCD)。负载RL连接到变压器T的次级绕组。变压器T包括初级绕组Np和次级绕组Ns。谐振电路由谐振电感Lr和谐振电容Cr构成。除了谐振电感Lr和谐振电容Cr外，不再包括会实质上影响谐振电路的谐振频率的其他分立电感或电容。也没有分立的镇流元件(通常为电容)与负载RL串联。省去谐振电路中或与负载串联的这些分立元件减少了逆变器电路10的零件数和成本。
半桥式开关电路(即开关级)包括开关S1和S2。由驱动控制电路(未示出)接通和断开这些开关。开关S1和S2从来不在同一时间接通，且ON(接通)的时间占空比略小于50％，如图5所示。需要有一个两个开关都断开的小的空载时间，以允许实现零电压切换。变压器T的初级绕组Np的输出端连接到半桥式开关电路的中间点连接端子(见图5的B点)。箝位电容C0与半桥式开关电路并联。逆变器电路10由连接到谐振电感Lr一侧的12伏直流电源，即电池供电。
图5所示的电路配置的工作如下。当开关S1在第一个半开关周期(S1接通/S2断开)接通时，输入电压Vin加到谐振回路的端子A和B上。也就是说，Vx＝Vin。在这第一个半开关周期中，电感Lr储存了在下一个(第二)半开关周期(S1断开/S2接通)中要释放的能量。
在第二个半开关周期(S1断开/S2接通)中，输入电压Vin和电容电压V0之间的电压差加到谐振回路的端子A和B上。假定对于半桥式开关电路，标称的占空比为50％，可以看出在第二个半开关周期中电容电压额定等于输入电压的两倍(2*Vin)。按照标准电路分析，在第二个半开关周期，可以看出电压(-Vin)加到了谐振回路的端子A和B上。总之，在各个半周期中谐振回路50两端、即端子A和B上的电压分别等于Vin和-Vin。这与图4的先有技术的电路不同，在先有技术的电路中谐振回路50两端的电压分别等于1/2*Vin到-1/2*Vin。
图6a-6d示出与图6的逆变器电路10有关联的典型开关波形。先参考图6a和6d，如上所述，对于第一个半开关周期(S1接通/S2断开)，谐振回路50两端的电压Vx等于Vin(见图6d)。
本专业中众所周知，为有适当的稳态工作，谐振回路50的端子A和B上的平均电压必须接近于零，否则谐振电感Lr和变压器T就会饱和。如果Vx的平均值必须是零或接近零的值，Vds(开关S1的体二极管电压)的平均值必须等于Vin的平均值。在第二个半开关周期(S1断开/S2接通)，Vds达到峰值，如图6c所示。
对于配置来提供增压功能的电路，部分地实现所述峰值电压。具体地说，在第一个半开关周期中储存在电感Lr中的部分能量在第二个半开关周期中释放。此释放的能量由箝位电容C0捕获和保持。C0上的电压由输入电压Vin进一步补充，在第二个半开关周期达到峰值2*Vin。应当指出，为箝位电容C0所选的电容值应能使峰值电压保持多个周期。
假定Vx的平均电压在整个周期中必须是零或接近零，且在第一个半周期中Vx＝Vin，则Vx在第二个半周期中必须等于(-Vin)以便在整个周期中保持零或接近零。在第二个半开关周期(S1断开/S2接通)，逆变器电路10的电路电压可以表示为Vin＝Vx+V0 公式1上式可改写为Vx＝Vin-V0 公式2公式(2)表明回路激励电压Vx是输入电压Vin和箝位电容电压之差。如上所述，在第二个半周期中，电容电压可以表示为V0＝2*Vin公式3将公式(3)代入公式(2)，得到Vx＝Vin-(2*Vin)＝-Vin 公式4第二个半周期的电压Vx示于图6d。
应当理解，本发明电路的平均回路激励电压是图4的先有技术电路的两倍。结果，变压器T的所需匝数比就减小了一半。相应地，漏电感显著降低，从而提高了电路地总体效率。此外，半桥式开关上的最大电压由电容电压V0箝位，表示为V0＝Vin/(1-D) 公式5式中D是开关S1的占空比，标称为0.5。电路10的另一个优点是不象先有技术电路中漏电感由一个使电路效率降低的缓冲器网络耗散，本发明的电路10利用升压特征来回收泄漏能量。
图7-9示出本发明的电路10的更多实施例，图中所示元件的参考符号同图6。
图7示出本发明的电路10的一个实施例，其中示出谐振电感Lr与谐振电容Cr串联，而负载与谐振电容并联。
图8示出本发明的电路10的另一个实施例。在此实施例中，开关S2是P型MOSFET，并连接到箝位电容C0的负端。
图9示出本发明的电路10的又一个实施例。在此实施例中，谐振电感Lr与谐振电容Cr在负载电路中串联。
总之，本发明的电路配置提供了利用以上讨论的先有技术电路配置不能实现的优点，本发明电路实现的第一个优点是较高的效率，这部分地是由于漏电感是谐振电感的一部分。具体地说，由于漏电感是谐振电感的一部分故可以充分回收漏感能量，从而不再需要先有技术中所用的缓冲器电路。第二个相关联的优点是由于能量回收，半桥式开关上的电压降低。低匝数比的结果是相关联的漏电感可减至最小。第三个相关联的优点是除了泄漏能量可被回收之外，还由于变压器的匝数比较低(即，传统匝数比的一半)而使泄漏能量减小。由于本发明电路的回路激励电压是传统激励电压的两倍，故可以实现较低的匝数比。
权利要求
1.一种用于驱动负载电路中的气体放电灯负载(R0)的逆变器电路(10)，所述逆变器电路(10)包括具有DC电压源(Vin)的初级电路；将所述初级电路耦合到所述负载电路的变压器(T)；包括第一开关(S1)和第二开关(S2)、用于控制所述逆变器电路(10)的导通状态的开关电路；具有谐振电感(Lr)和谐振电容(Cr)的谐振电路(50)，所述灯负载(R0)耦合到所述谐振电容(Cr)；以及连接到所述第一和第二开关(S1，S2)的电容(C0)，用于保持所述变压器(T)初级绕组(Np)两端的电压(Vx)。
2.如权利要求1所述的逆变器电路(10)，其特征在于所述初级电路包括谐振电感(Lr)。
3.如权利要求1所述的逆变器电路(10)，其特征在于所述负载电路包括谐振电感(Lr)。
4.如权利要求1所述的逆变器电路(10)，其特征在于所述灯负载(R0)与所述谐振电容(Cr)并联耦合。
5.如权利要求1所述的逆变器电路(10)，其特征在于所述灯负载(R0)与所述谐振电容(Cr)和所述谐振电感(Lr)串联耦合。
6.如权利要求1所述的逆变器电路(10)，其特征在于所述谐振电感(Lr)与变压器(T)的所述初级绕组(Np)串联耦合。
7.如权利要求1所述的逆变器电路(10)，其特征在于所述谐振电感(Lr)与变压器(T)的所述次级绕组(Ns)串联耦合。
8.如权利要求1所述的逆变器电路(10)，其特征在于所述初级电路包括电容(C0)。
9.如权利要求1所述的逆变器电路(10)，其特征在于所述谐振电感(Lr)向所述电容(C0)提供升压功能。
10.一种用消除于气体放电灯(R0)的逆变器电路(10)中的电压尖峰的方法，所述方法包括提供以下部件具有DC电压源(Vin)的初级电路；变压器(T)；包括第一开关(S1)和第二开关(S2)、用于控制所述逆变器电路(10)的导通状态的开关电路；提供具有谐振电感(Lr)和谐振电容(Cr)的谐振电路(50)，灯负载(R0)连接到所述谐振电容(Cr)；以及提供连接到所述第一和第二开关(S1，S2)的电容(C0)，用于保持所述变压器(T)的初级绕组(Np)两端的电压(Vx)。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于还包括在所述逆变器电路(10)的多个开关周期的每一周期中回收所述变压器(T)的泄漏能量的步骤。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于还包括由所述谐振电感(Lr)向所述电容(C0)提供升压功能的步骤。
全文摘要
一种用于气体放电灯的逆变器电路，它包括具有DC电压电源的初级电路；变压器；包括第一开关和第二开关的开关电路，用于控制所述逆变器电路的导通状态；具有谐振电感和谐振电容的谐振电路，灯负载耦合到所述谐振电容；连接到第一和第二开关的电容，用于保持所述变压器初级绕组上的电压。因此，变压器的匝数比降低了一半，从而减少了变压器中的功率损耗，提高了电路效率。此外，储存在漏电感中的能量，在先有技术中是在推挽式开关配置中的开关上耗散，现由箝位电容回收或捕获，从而避免在开关两端出现电压尖峰。
文档编号H05B41/24GK1516993SQ02812074
公开日2004年7月28日 申请日期2002年6月17日 优先权日2001年6月18日
发明者J·钱, J 钱, D·F·翁, 翁 申请人:皇家菲利浦电子有限公司