CN100539382C - 逆变器及使用它的发光装置和图像显示装置、电源装置 - Google Patents

Abstract

稳定地驱动负载而不使用光电耦合器。原级侧区域(402)和次级侧区域(404)被电绝缘。第1、第2脉冲变压器(30、32)被设置在开关电路(10)内部的每个晶体管上，其次级绕组(30b、32b)连接到晶体管的控制端子。控制电路(20)根据反馈线路(16)反馈的反馈信号(Vfb)，对脉冲变压器的原级绕组(30a、32a)供给开关电压(Vsw1、Vsw2)。在原级侧区域(402)上，配置了变压器(12)的原级绕组(12a)、开关电路(10)和次级绕组(30b、32b)，在次级侧区域(404)上，配置了变压器(12)的次级绕组(12b)、原级绕组(30a、32a)、反馈线路(16)和控制电路(20)。

Description

逆变器及使用它的发光装置和图像显示装置、电源装置

技术领域

本发明涉及对荧光灯等供给驱动电压的逆变器装置，特别涉及在包括了应相互电绝缘的原级侧区域和次级侧区域的电源装置中所使用的逆变器装置。

背景技术

近年来，取代布劳恩管电视机，薄型、可大型化的液晶电视的普及不断推进。液晶电视在显示图像的液晶板的背面上，配置多个冷阴极荧光灯(ColdCathode Fluorescent Lamp，以下称为CCFL)、外部电极荧光灯(ExternalElectrode Fluorescent Lamp，以下称为EEFL)，作为背光而发光。

液晶电视等包括将商用交流电压通过AC/DC变换而变换为数百V的直流电压的电源装置。这样的电源装置被分离为应该相互电绝缘的原级侧区域和次级侧区域。

下面对于与这样的电源装置一同的，将数百V的直流电压升压而变换为交流电压，并供给荧光灯的逆变器(DC/AC变换器)进行考察。图1是表示包括了原级侧区域和次级侧区域的电源系统的结构的方框图。电源系统500包括：将商用交流电压Vac变换为直流电压Vdc的AC/DC变换器410；以及将从AC/DC变换器410输出的直流电压Vdc变换为交流的驱动电压Vdrv，并供给作为负载的荧光灯430的逆变器装置420。

例如，AC/DC变换器410包括：全波整流电路412；以及功率改善电路(Power Factor Control)414。来自AC/DC变换器410的输出电压作为直流电压Vdc被输出到逆变器装置420。

逆变器装置420包括控制电路422、变压器424。控制电路422监视作为驱动对象的荧光灯430中流过的电流或其被施加的电压等的电状态，对变压器424的原级绕组上施加的开关电压进行反馈控制。

图1的电源系统500被分离为原级侧区域510和次级侧区域520。在这样的电源系统500中，AC/DC变换器410被配置在原级侧区域510，荧光灯430被配置在次级侧区域520。此外，逆变器装置420如图示那样，其一部分被配置在原级侧区域510，其另一部分被配置在次级侧区域520。具体地说，控制电路422和变压器424的原级绕组被配置在原级侧区域510，连接到荧光灯430的变压器424的次级绕组被配置在次级侧区域520。控制电路422需要监视荧光灯430的电状态，但如上述那样，原级侧区域510和次级侧区域520需要电绝缘。

在这样的电源系统500中，使用光电耦合器440等，以便将次级侧区域520上配置的荧光灯430的电状态反馈到原级侧区域510中所配置的控制电路422。例如，荧光灯430中流过的电流通过电阻元件432而被变换为电信号Sfb1。电信号Sfb1被输入到光电耦合器440，通过发光二极管等而被一次变换为光信号。变换后的光信号由原级侧区域510中所配置的光电二极管或光电晶体管等进行光接收，再次被变换为电信号Sfb2，从而被反馈到控制电路422。在专利文献1中，记载了相关技术。此外，还有利用变压器的电磁耦合而从次级侧区域520向原级侧区域510反馈信号，取代光电耦合器的情况。

[专利文献1]特开2003-153529号公报

如上述那样，使用光电耦合器，从次级侧区域520向原级侧区域510传输信号时，由于将电信号变换为光信号，所以存在反馈的精度下降的问题。此外，在光电耦合器中，存在发光元件和光接收元件之间的耦合效率变动时，发光管的发光亮度变动的问题。

而且，作为液晶电视的背光使用的荧光灯，由于个数多，所以从次级侧区域520向原级侧区域510的反馈信号的传输需要通过多个路径进行。这种情况下，由于需要对每个路径设置光电耦合器，所以还存在高成本和安装面积增大的问题。

发明内容

本发明鉴于这样的课题而完成，其目的是，提供可稳定地驱动负载而不使用光电耦合器的逆变器装置。

本发明的一个方案涉及逆变器装置，它被内置在包含了应相互电绝缘的原级侧区域和次级侧区域的电源装置中，将直流的输入电压变换为交流的驱动电压，并供给负载。该逆变器包括：变压器，在其次级绕组侧，连接了所述负载；开关电路，包含变压器的原级绕组上连接的多个晶体管，在变压器的原级绕组上，交替地施加输入电压和比输入电压低的固定电压；按开关电路的多个晶体管分别而设的多个脉冲变压器，其各自的次级绕组分别连接到对应的晶体管的控制端子侧；反馈线路，反馈表示负载的电状态的反馈信号；以及控制电路，接受反馈线路反馈的反馈信号，根据该反馈信号，对多个脉冲变压器的原级绕组供给开关电压。在原级侧区域，配置变压器的原级绕组、开关电路和多个脉冲变压器的次级绕组，同时在次级侧区域，配置了变压器的次级绕组、多个脉冲变压器的原级绕组、反馈线路和控制电路。

根据该方案，通过将控制电路配置在次级侧区域，将来自负载的反馈信号通过反馈线路直接接受，所以能够实现稳定的负载的驱动。

开关电路所包含的多个晶体管是MOSFET(Metal Oxide SemiconductorField Effect Transistor)，多个脉冲变压器的次级绕组也可以被设置在从对应的多个晶体管的栅极至源极的路径上。

开关电路也可以包含：高侧晶体管和低侧晶体管，串联连接在被施加了输入电压的输入端子和被施加了固定电压的接地端子之间。这种情况下，变压器对于高侧晶体管和低侧晶体管，被半桥式连接就可以。

开关电路也可以包括：第1高侧晶体管和第1低侧晶体管，串联连接在被施加了输入电压的输入端子和被施加了固定电压的接地端子之间的第1路径上；以及第2高侧晶体管和第2高侧晶体管，串联连接在输入端子和接地端子之间的第2路径上。这种情况下，变压器对于开关电路被全桥式连接就可以。

负载的电状态包含负载中流过的电流，控制电路也可以对多个脉冲变压器的原级绕组供给开关电压，以使该负载中流过的电流接近期望的电流值。

负载也可以为荧光灯。荧光灯可以是冷阴极荧光灯，也可以是外部电极荧光灯。

本发明的另一方案是发光装置。该装置包括：荧光灯；以及以荧光灯作为负载，并供给交流的驱动电压的上述任何一个方案的逆变器装置。

根据该方案，可以将作为负载的荧光灯的电状态通过反馈线路而直接监视，所以能够可靠地使荧光灯点亮，而且能够最佳地调节发光亮度。

本发明的再一方案是液晶电视或液晶监视器等的图像显示装置。该图像显示装置包括：液晶板；以及在液晶板的背面上作为背光配置的上述发光装置。

本发明的再一方案涉及电源装置，它包含了应相互电绝缘的原级侧区域和次级侧区域。该电源装置包括：被配置在原级侧区域中，将输入的商用交流电压变换为直流电压的AC/DC变换器；以及将AC/DC变换器所变换的直流电压作为输入电压而变换为交流电压，并供给被配置在次级侧区域中的负载的前述逆变器装置。

应该指出，上述结构部件的任意组合或重新配置等作为本发明的实施方式都是有效的。

此外，发明内容不必论述本发明的全部必要特征，以使本发明也可以是这些论述特征的子组合。

附图说明

参照示范性而不是限定性的附图，利用实例方式来说明实施方式，在以下附图中相同的元件被附加相同的标号，其中：

图1是表示包括了原级侧区域和次级侧区域的电源系统的结构的方框图；

图2是表示本发明的实施方式的发光装置的结构的电路图；

图3是表示搭载了图2的发光装置的液晶电视的结构的方框图；以及

图4是图2的逆变器的配置的电路图。

具体实施方式

下面基于示例性说明本发明而不是限定本发明的范围的优选实施方式，来说明本发明。实施方式中论述的所有特征和其组合都不是本发明所必需的。

图2是表示本发明的实施方式的发光装置200的结构的电路图。图3是表示搭载了图2的发光装置200的液晶电视300的结构的电路图。图3的液晶电视300与天线310连接。天线310接收广播波而将接收信号输出到接收单元304。接收单元304对接收信号进行检波、放大，将其输出到信号处理单元306。信号处理单元306将对调制的数据进行解调所获得的图像数据输出到液晶驱动器308。液晶驱动器308将图像数据按每条扫描线输出到液晶板302，并显示视频、图像。在液晶板302的背面，配置了作为背光的多个发光装置200。本实施方式的发光装置200能够作为这样的液晶板302的背光而合适地使用。以下，返回到图2，详细地说明发光装置200的结构及动作。

本实施方式的发光装置200包括：荧光灯210、逆变器100。荧光灯210是EEFL或CCFL，被配置在液晶板302的背面。逆变器100是DC/AC变换器，被内置在包含了应相互电绝缘的原级侧区域和次级侧区域的电源装置中，将输入端子102上所施加的输入电压Vin变换为交流的驱动电压Vdrv，并将该电压供给到作为连接到输出端子104上的负载的荧光灯210。在本实施方式中，设输入电压Vin为100V～400V左右的高电压。

在图2中，荧光灯210示出了一个，但也可以被并排配置多个。以下，说明本实施方式的逆变器的结构。

逆变器100包括：开关电路10、变压器12、电流电压变换单元14、反馈线路16、控制电路20、第1脉冲变压器30、第2脉冲变压器32、第1电容器C1、C2、第1电平移动电阻R1、第2电平移动电阻R2。

变压器12包括原级绕组12a和次级绕组12b。变压器12的次级绕组12b上，直接或通过其他电路元件而连接到作为负载的荧光灯210。

开关电路10包括高侧晶体管M1和低侧晶体管M2，高侧晶体管和低侧晶体管被串联连接在输入端子102和被施加了作为固定电压的接地电压的接地端子之间。在本实施方式中，变压器12对于高侧晶体管M1和低侧晶体管M2，被半桥式连接。

高侧晶体管M1和低侧晶体管M2都由N沟道MOSFET构成。即，高侧晶体管M1的源极和低侧晶体管M2的漏极被连接，高侧晶体管M1的漏极连接到输入端子102，低侧晶体管M2的源极连接到接地端子。但是，高侧晶体管M1、低侧晶体管M2也可以使用P沟道的MOSFET或双极晶体管而构成。此外，开关电路10也可以构成为H桥式电路。

高侧晶体管M1、低侧晶体管M2的栅极上，被分别输入第1控制信号S1、第2控制信号S2。第1控制信号S1为高电平时，高侧晶体管M1导通，第2控制信号S2为高电平时，低侧晶体管M2导通。高侧晶体管M1导通时，连接点N1上呈现的开关电压Vsw3与输入电压Vin大致相等，低侧晶体管M2导通时，开关电压Vsw3与接地电压大致相等。

高侧晶体管M1和低侧晶体管M2的连接点N1连接到变压器12的原级绕组12a的一端。原级绕组12a的另一端N2通过第1电容器C1连接到输入端子102，通过第2电容器C2连接到接地端子。开关电路10将交替地重复输入电压Vin和接地电压的开关电压Vsw3施加到变压器12的原级绕组12a上。

在荧光灯210和变压器12的次级绕组12b的电流路径上，设置电流电压变换单元14。电流电压变换单元14将荧光灯210中流过的灯管电流Ilamp利用电阻元件等而变换为电压，进行半波整流而使其平滑，并输出直流的反馈信号Vfb。

反馈线路16是将作为负载的荧光灯210的电状态、即灯管电流Ilamp的反馈信号Vfb反馈到控制电路20的布线。除了表示灯管电流Ilamp的反馈信号Vfb以外，也可以取代它，而设置将表示荧光灯210上所施加的驱动电压Vdrv的反馈信号反馈到控制电路20的布线。

对开关电路10的多个晶体管M1、M2的每一个设置第1脉冲变压器30、第2脉冲变压器32。第1脉冲变压器30的次级绕组30b的一端与高侧晶体管M1的源极连接，它的另一端通过第1电平移动电阻R1而连接到高侧晶体管M1的栅极。同样地，第2脉冲变压器32的次级绕组32b的一端与高侧晶体管M2的源极连接，它的另一端通过第2电平移动电阻R2而连接到高侧晶体管M2的栅极。即，第1脉冲变压器30、第2脉冲变压器32的次级绕组30b、32b被分别设置在从高侧晶体管M1、低侧晶体管M2的栅极至源极的路径上。

控制电路20接受通过反馈线路16反馈的反馈信号Vfb。控制电路20根据反馈信号Vfb，对第1脉冲变压器30的原级绕组30a和第2脉冲变压器32的次级绕组32a供给第1开关电压Vsw1、第2开关电压Vsw2。

控制电路最好使用包含了普通的脉宽调制器的用于逆变器的控制电路。例如，控制电路20包括误差放大器、振荡器和变换器。误差放大器将通过反馈线路16反馈的反馈信号Vfb和对应荧光灯210的亮度所设定的基准电压Vref之间的误差放大，并输出误差信号Verr。振荡器输出规定的频率的三角波或锯齿波状的周期信号Vosc。变换器将周期信号Vosc和误差信号Verr进行比较，根据它们的大小关系，输出高电平和低电平变化的脉宽调制信号(以下，称为PWM信号Vpwm)。控制电路20将PWM信号Vpmw通过驱动器电路而作为第1开关电压Vsw1、第2开关电压Vsw2输出。第1、第2开关电压Vsw1、Vsw2是逻辑值相互反转的信号。

图4是表示图2的逆变器100的配置的电路图。图4表示搭载了逆变器100的电源系统400。电源系统400被分割为原级侧区域402和次级侧区域404，原级侧区域402和次级侧区域404被电绝缘。在原级侧区域402中，配置了将商用交流电压Vac变换为直流电压的AC/DC变换器410。另一方面，作为负载的荧光灯210被配置在次级侧区域404中。

在这样的电源系统400中，本实施方式的逆变器100的各块被如下配置。即，在原级侧区域402中，配置了变压器12的原级绕组12a、开关电路10、以及第1脉冲变压器30、第2脉冲变压器32的次级绕组30b、32b。而在次级侧区域404中，配置了变压器12的次级绕组12b、电流电压变换单元14、反馈线路16、控制电路20、以及第1脉冲变压器30、第2脉冲变压器32的原级绕组30a、30b。

下面说明这样构成的逆变器100的动作。根据来自电流电压变换单元14的反馈信号Vfb，第1、第2开关电压Vsw1、Vsw2以反相方式重复高电平、低电平。第1脉冲变压器30的原级绕组30a上所施加的第1开关电压Vsw1根据第1脉冲变压器30的绕组比而被放大，通过第1电平移动电阻R1而被电平移动，在高侧晶体管M1的栅极-源极之间，供给足够使高侧晶体管M1导通的电压。同样地，第2脉冲变压器32的原级绕组32a上所施加的第2开关电压Vsw2根据第2脉冲变压器32的绕组比而被放大，通过第2电平移动电阻R2而被电平移动，在低侧晶体管M2的栅极-源极之间，供给足够使低侧晶体管M2导通的电压。其结果，高侧晶体管M1、低侧晶体管M2根据由控制电路20生成的PWM信号Vpwm的占空比，交替地重复导通/截止。

高侧晶体管M1、低侧晶体管M2交替地重复导通/截止时，变压器12的原级绕组12a上，输入电压Vin和接地电压被交替地施加，变压器12被供给能量。其结果，变压器12的次级绕组12b上，呈现根据变压器12的绕组比而升压的驱动电压Vdrv，它被供给到荧光灯210。

PWM信号Vpwm的占空比通过控制电路20而被调节，以使反馈信号Vfb和基准电压Vref一致。其结果，荧光灯210的灯管电流Ilamp被保持可获得期望的亮度的一定值，稳定地发光。

根据本实施方式的逆变器100和电源系统400，能够获得以下效果。

在本实施方式，将逆变器100的控制电路20配置在次级侧区域404中。而且，通过设置第1脉冲变压器30、第2脉冲变压器32，保持原级侧区域402和次级侧区域404之间的绝缘状态，同时通过次级侧区域404中所配置的控制电路20，实现原级侧区域402中所配置的开关电路10的驱动。其结果，控制电路20能够通过反馈线路16直接接受来自负载的反馈信号Vfb，所以能够削减光电耦合器等部件。而且，本实施方式的逆变器100与通过光电耦合器进行反馈控制的情况相比，能够稳定地驱动负载。图4中仅示出了一个荧光灯210，而在实际的设置中，多个荧光灯210被安装，控制电路20也被安装多个，所以将光电耦合器用反馈线路16替换，从安装面积和成本方面来说也具有很大的优点。

在本实施方式，即使第1脉冲变压器30、第2脉冲变压器32的各个绕组比波动，原级绕组和次级绕组之间的耦合系数变化，对荧光灯210的驱动状态几乎不产生影响。其原因是，通过第1脉冲变压器30、第2脉冲变压器32从次级侧区域404传送到原级侧区域402的信息是高侧晶体管M1、低侧晶体管M2的导通/截止状态，所以没有耦合系数的变动，即使第1控制信号S1、第2控制信号S2的电压电平变动，对变压器12所传送的能量几乎不产生影响。此外，根据耦合系数的变动，即使改变了高侧晶体管M1、低侧晶体管M2的导通程度，但第1开关电压Vsw1、第2开关电压Vsw2的占空比变化，以对导通的程度的变化进行校正，并施加反馈以使灯管电流Ilamp一定地保持为期望的值，所以荧光灯210的驱动状态依然被稳定地保持。

此外，根据本实施方式，能够降低对第1脉冲变压器30、第2脉冲变压器32的原级绕组30a、32a供给开关电压Vsw1、Vsw2的驱动电路的耐压。即，在图1或图4所示的系统中，在输入电压高至100V以上时，为了使开关电路10的晶体管导通/截止，作为栅极电压而需要施加非常高的电压。在图1的系统中，由于需要直接对开关电路10的晶体管的栅极供给电压而不通过脉冲变压器，所以驱动电路也需要达到高耐压。另一方面，在本实施方式的逆变器100中，由于通过脉冲变压器30、32来驱动开关电路10的晶体管，所以驱动电路对第1脉冲变压器30、第2脉冲变压器32的原级绕组30a、32a供给数伏(V)至数十伏(V)的电压就足够了，所以不需要那样高的耐压。在本实施方式中，从这样的理由来说，具有能够将驱动电路内置在控制电路20中的优点。

实施方式是例示，本领域技术人员应该理解，这些各构成元素或各处理步骤的组合的各种各样的变形例是可能的，而且这些变形例当然也在本发明的范围内。

在实施方式中，说明了将构成开关电路10的晶体管用N沟道MOSFET构成的情况，但也可以使用P沟道MOSFET。此外，不限定于半桥式电路，也可以是全桥式电路或其他电路结构。在为全桥式电路时，开关电路10也可以包括：被串联连接在输入端子102和接地端子之间的第1路径上的第1高侧晶体管和第1低侧晶体管；以及被串联连接在输入端子102和接地端子之间的第2路径上的第2高侧晶体管和第2低侧晶体管。

在图2的电路图中，荧光灯210的一端的电位被固定，但本发明不限定于此，也可以取代将电位固定，施加与其他端上所施加的驱动电压Vdrv反相的电压而进行驱动。

在实施方式中，为了简化说明，在发光装置200中，说明了驱动一个荧光灯210的情况，但实际上也可以驱动多个荧光灯210。这种情况下，采用驱动多个荧光灯210的公知技术即可，特别是不限定于特定的拓扑结构(topology)，而可采用本发明。

此外，本实施方式的由逆变器100驱动的负载不限定于荧光灯，除此之外，可以应用于需要交流的高电压的各种各样的装置的驱动。

在本实施方式中，逻辑电路的高电平、低电平的逻辑值的设定是一例，可通过逆变器适当反转而自由地变更。

已经利用特定的术语说明了本发明的优选实施方式，但这类说明仅用于解释目的，应该指出，可以进行各种变更和改进而不脱离本发明权利要求的精神或范围。

Claims (11)

1.一种逆变器装置，内置在包含了应相互电绝缘的原级侧区域和次级侧区域的电源装置中，将输入电压变换为交流的驱动电压，并供给负载，所述逆变器包括：

变压器，在其次级绕组侧，连接了所述负载；

开关电路，包含所述变压器的原级绕组上连接的多个晶体管，在所述变压器的原级绕组上，交替地施加所述输入电压和比所述输入电压低的固定电压；

按所述开关电路的所述多个晶体管分别而设的多个脉冲变压器，其各自的次级绕组分别连接到对应的所述晶体管的控制端子侧；

反馈线路，反馈表示所述负载的电状态的反馈信号；以及

控制电路，接受所述反馈线路反馈的所述反馈信号，根据该反馈信号，对所述多个脉冲变压器的原级绕组供给开关电压，

在所述原级侧区域，配置所述变压器的原级绕组、所述开关电路和所述多个脉冲变压器的次级绕组，

同时在所述次级侧区域，配置了所述变压器的次级绕组、所述多个脉冲变压器的原级绕组、所述反馈线路和所述控制电路。

2.如权利要求1所述的逆变器装置，其特征在于，

所述开关电路所包含的多个晶体管是MOSFET，

所述多个脉冲变压器的次级绕组被设置在从对应的所述多个晶体管的栅极至源极的路径上。

3.如权利要求1或2所述的逆变器装置，其特征在于，

所述开关电路包含：

高侧晶体管和低侧晶体管，串联连接在被施加了所述输入电压的输入端子和被施加了所述固定电压的接地端子之间，

所述变压器对于所述高侧晶体管和所述低侧晶体管，被半桥式连接。

4.如权利要求1或2所述的逆变器装置，其特征在于，

所述开关电路包括：

第1高侧晶体管和第1低侧晶体管，串联连接在被施加了所述输入电压的输入端子和被施加了所述固定电压的接地端子之间的第1路径上；以及

第2高侧晶体管和第2低侧晶体管，串联连接在所述输入端子和所述接地端子之间的第2路径上，

所述变压器对于所述开关电路被全桥式连接。

5.如权利要求1或2所述的逆变器装置，其特征在于，

所述负载的电状态包含所述负载中流过的电流，所述控制电路对所述多个脉冲变压器的原级绕组供给开关电压，以使该负载中流过的电流接近期望的电流值。

6.如权利要求1所述的逆变器装置，其特征在于，所述负载为荧光灯。

7.一种发光装置，包括：

荧光灯；以及

以所述荧光灯作为负载，并供给交流的驱动电压的权利要求1或2所述的逆变器装置。

8.如权利要求7所述的发光装置，其特征在于，所述荧光灯为冷阴极荧光灯。

9.如权利要求7所述的发光装置，其特征在于，所述荧光灯是外部电极荧光灯。

10.一种图像显示装置，其特征在于，包括：

液晶板；以及

在所述液晶板的背面上作为背光配置的权利要求7所述的发光装置。

11.一种电源装置，包含了应相互电绝缘的原级侧区域和次级侧区域，其特征在于，它包括：

被配置在所述原级侧区域中，将输入的商用交流电压变换为直流电压的AC/DC变换器；以及

将所述AC/DC变换器所变换的直流电压作为输入电压而变换为交流电压，并供给被配置在所述次级侧区域中的负载的权利要求1或2所述的逆变器装置。

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