CN1144350C - 压电变压器逆变器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种压电变压器逆变器，它可以抑制由变压器的振荡产生的波动，并且可以减小在逆变器中产生拍频的可能性。在这种压电变压器逆变器中，将开关元件设置在驱动放电管的逆变器电路的前级，并通过来自斩波占空比控制单元的开关信号接通和断开开关元件。然后，将输入电压转换为具有斩波电路频率的矩形波电压，以提供给逆变器电路，并如此设置逆变器电路的驱动频率的n倍频率和斩波电路的斩波器频率，从而这两个频率不相互接近。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电变压器逆变器，尤其涉及用于点亮对液晶进行背景照明的冷阴极管的压电变压器逆变器。
背景技术
由于液晶不发光，所以液晶显示器通常使用光源来显示。将冷阴极管用作背景照明的光源。例如，第722088号日本未审查专利公告揭示了一种结合压电变压器而形成的放电管驱动装置。该装置将斩波电路设置在逆变器电路(驱动用于背景照明的冷阴极管)和输入电压终端之间，并且控制斩波电路的占空比，使冷阴极管的放电管电流保持恒定，从而使背景光的照明保持恒定。
但是，在上述申请中描述的传统技术中，由于斩波电路的输出被设置为DC电压，所以要求斩波电路是一个DC-DC变换器。为了将斩波电路用作DC-DC变换器，必须设置一电感器和一电容器，用于平滑和整流。这会增加元件的数量和损耗。
另外，第9-107684号日本未审查专利公告中提供了一种逆变器电路的结构，它进行频率调光功能控制，利用压电变压器的频率增益特性以及在逆变器电路前级不包含平滑/整流元件的斩波电路，使得放电管电流值成为一所需要的值。这种结构允许输入到逆变器电路的平均输入电压保持常数。虽然在频率调光系统中，当输入到逆变器电路的电压改变时，会降低效率，但是当设置如此斩波电路时，可以在一较宽的输入电压的范围内保持相对高的效率。另外，由于不设置平滑/整流电路，所以具有不存在平滑/整流电路损耗的优点。
在上述申请的传统技术中，将斩波电路中用的振荡器的输出频率进行分频，用作逆变器电路的驱动频率。因此，在该系统中，只需要单个振荡器，用作斩波电路的振荡器和逆变器电路的振荡器。结果，必须将控制斩波电路的集成电路和控制逆变器电路的集成电路集合到单个集成电路中。
但是，在实际设计时，存在两种应用，一种是输入电压范围变化很大，另一种应用是提供恒定的输入电压。另外，当斩波电路独立于逆变器电路时，可以得到更大的设计自由度，并可以降低元件的成本。另外，在这种情况下，可以通过对于斩波电路使用具有高输入耐电压的便宜的双极性PWM IC并对于逆变器电路使用具有低耐压(约为7V)和低功耗的CMOS-IC，来降低功耗。
因此，在传统技术中，由于必须将斩波电路和逆变器电路集合到单个集成电路中，故在设计自由度、成本和性能上有限制。
同时，第10-274751号日本专利申请提供了一种通过各自的集成电路来驱动斩波电路和逆变器电路的系统。当将两个电路分开设置作为各自的集成电路时，避免了上述第9-107684号日本未审查专利公告中指出的在设计上的限制。但是，在第10-274751号日本专利申请中提供的传统技术中，在斩波电路中，逆变器电路之频率的整数倍频率与斩波电路的频率会产生拍，并且压电变压器的振荡会产生低拍频的波动。
换句话说，由于压电变压器通过机械振荡进行电压转换，所以部分机械振荡会漏到诸如印刷电路板之类的周围结件上。在这种情况下，当压电变压器的振荡以低频波动时，周围结件的振荡也以相同的拍频波动。由此，会出现通过这些结件的非线性因子(例如，在结件结合处产生的振动)检测到的低频成份，从而引起拍。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种压电变压器逆变器，它能够抑制由压电变压器的振荡引起的波动，从而减小在逆变器中产生拍的可能性。
根据本发明的一个方面，提供了一种压电变压器逆变器。它包含：斩波电路，用于将DC输入电压转换成具有第一驱动频率的矩形波电压；和逆变器电路，用于接收来自所述斩波电路的所述矩形波电压，并以第二驱动频率驱动一负载。其中，所述斩波电路包括：第一开关元件，用于将所述输入电压转换成所述矩形波电压；电流环流元件，它连接在所述第一开关元件的输出端和一接地端之间；和斩波占空比控制单元，用于根据所述矩形波电压，控制所述第一开关元件的开关操作，使所述第一开关元件输出的矩形波电压的平均电压保持恒定。所述逆变器电路包括：线圈，其一端与所述第一开关元件的所述输出端相连，用于接收所述矩形波电压；压电变压器，它与所述线圈的另一端相连，用于将所述矩形波电压转换成具有第二驱动频率的AC电压，并将所述AC电压提供给所述负载；第二开关元件，它与所述线圈的所述另一端相连，用于控制将所述线圈中的能量馈送给所述压电变压器；和逆变器频率控制单元，用于根据所述负载的电流，控制所述第二开关元件的开关操作，使所述负载的电流保持恒定。还将第一驱动频率设置成远离第二驱动频率的n倍，其中n为大于或等于2的整数。
根据本发明的另一个方面，提供了一种压电变压器逆变器。它包含：
斩波电路，用于将DC输入电压转换成具有第一驱动频率的矩形波电压；和逆变器电路，用于接收来自所述斩波电路的所述矩形波电压，并以第二驱动频率驱动一负载。其中，所述斩波电路包括：第一开关元件，用于将输入电压转换成所述矩形波电压；电流环流元件，它连接在所述第一开关元件的输出端和一接地端之间；斩波占空比控制单元，用于根据所述负载的电流，控制所述第一开关元件的开关操作，使所述负载的电流保持恒定。所述逆变器电路包括：线圈，其一端与所述第一开关元件的所述输出端相连，用于接收所述矩形波电压；压电变压器，它与所述线圈的另一端相连，用于将所述矩形波电压转换成具有第二驱动频率的AC电压，并将所述AC电压提供给所述负载；第二开关元件，它与所述线圈的所述另一端相连，用于控制将所述线圈中的能量馈送给所述压电变压器；逆变器频率控制单元，用于根据所述压电变压器之输入信号与输出信号的相位差，控制所述第二开关元件的开关操作，使所述相位差保持恒定，并保持所述第二驱动频率接近于所述压电变压器的谐振频率；其中，将第一驱动频率设置成远离第二驱动频率的n倍，其中n为大于或等于2的整数。
另外，在本发明的压电变压器逆变器中，将第二驱动频率的n倍与第一驱动频率之差的绝对值设置为10kHz或更大。
另外，在本发明的的压电变压器逆变器中，逆变器电路和斩波电路由不同的集成电路驱动。
附图说明
图1是根据本发明一实施例的压电变压器逆变器的方框图；
图2是图1所示的压电变压器逆变器的更加详细的电路图；
图3A、3B和3C是当图2所示的斩波器频率fchop变化时得到的管电流波形的示图；
图4A、4B和4C是用于说明拍机制的波形的示图；
图5是用于说明斩波器频率和拍频之间的关系的示图；
图6是说明斩波器频率和拍的幅值比的关系的示图；和
图7是根据本发明另一个实施例的压电变压器逆变器的电路图。
具体实施方式
图1是一方框示意图，示出了本发明一实施例的压电变压器逆变器。在该图中，逆变器电路1驱动放电管2。斩波电路3设置在逆变器电路1的前级。斩波电路3由开关元件Q1、电流环流元件D1和斩波占空比单元30构成，其中开关元件Q1接收输入电压，并将斩波电压提供给逆变器电路1，电流环流元件D1连接在开关元件Q1的输出端和作为参考电压的地端之间，而斩波占空比单元30用于进行如此控制，从而使开关元件Q1的矩形波电压的平均电压的值是一所需的值。
斩波电路3的输出具有斩波单元频率，即，开关元件Q1的开关操作频率，它由符号fchop表示。在本例中，频率的峰值表示等于输入电压的矩形波脉冲。逆变器电路1包含一压电变压器，在该压电变压器中，从斩波电路输入的AC脉冲电压产生一个大致为正弦波的、频率为finv的AC电压，用于点亮放电管2。将频率fchop设置得高于频率finv。
在图1所示的例子中，由于斩波电路3的频率fchop不同步于逆变器电路1的频率finv，故这两个频率会产生拍频。拍频可以用表达式|fchop-finv×n|表示。在本例中，符号n是等于或大于2的整数。拍频会对压电变压器的振荡进行AM调制。
但是，当将拍频设置到足够高的频率时，此频率会变得听不见。由此，可以避免噪声的问题。
图2是图1所示压电变压器逆变器的更为详细的电路图。在图2中，将输入电压施加到斩波电路3的开关元件Q1。利用斩波占空比控制单元30提供的开关信号，打开或关闭开关元件Q1，并且将输入电压转换为矩形波AC电压Vchop。自由滚动二极管D1作为电流环流元件连接在开关元件Q1的输出端和接地端之间。矩形波AC电压Vchop经串联的电阻器R1和R2分压，电容器C1平滑，施加在比较器31的倒相输入端。
将参考电压Vref1提供给比较器30的非倒相输入端，并将比较器31的输出提供给比较器32的倒相输入端。斩波单元振荡器33输出频率为fchop的三角形波，将该输出提供给比较器32的非倒相输入端。比较器32的输出驱动上述开关元件Q1。
另外，将矩形波AC电压Vchop提供给逆变器电路1的线圈L11的一端。线圈L11的另一端连接到开关元件Q11和压电变压器PT。压电变压器PT驱动放电管2，并且放电管电流由电阻器R11检测，并通过二极管D2和电容器C2进行整流，提供给比较器12的倒相输入端。比较器12将经整流的信号与参考电压Vref2比较。比较器12的输出提供给可调频振荡器11。可调频振荡器11以频率finv驱动开关元件Q11。
下面将描述图2所示的压电变压器的详细操作。已知当压电变压器PT在高于其谐振频率的频率下工作时，变压器PT表现出良好的效率。本实施例使用了一个可以良好效率的区域，即当频率较高时可以减小压电变压器PT之电压升高比的区域。
假设由于某种外部干扰，使得放电管的电流值大于一目标值，这时逆变器电路1中电阻器11和电容器2每一端的电压也都会增加。结果，当比较器12的电压变得大于参考电压Vref2时，比较器12的输出减小。在本例中，假设将可调频振荡器11设计成当振荡器11的输入电压减小时，频率增加，那么可调频振荡器11允许改变频率，从而增加频率finv。利用这样的结构，可以减小压电变压器PT的电压升高比，于是也减小了管电流。结果，沿着抑制初始外部变化的方向进行控制。
通过这样的方式，在上述实施例的逆变器中，虽然其频率根据周围的环境稍稍有变化，但是由于压电变压器PT具有陡直的谐振特性，故频率变动的宽度非常小。因此，可以认为变压器逆变器在接近于恒定的频率finv下工作。
即使输入电压起伏，斩波电路3也能控制输出的平均电压，使其保持恒定。现在假设斩波器的输出而某种外部干扰而增加。由于比较器31的倒相输入增加，所以比较器31的输出减小。由于斩波单元振荡器33输出频率为fchop的三角形波，比较器31之输出的减小允许增加比较器32之输出处于高电平的比例。换句话说，开关元件Q1的接通比例变小，控制使得初始外部干扰最小化。由此可见，通过使用斩波电路3，逆变器电路1的平均输入电压可以保持常数，并且逆变器可以在压电变压器PT的效率处于其峰值的频率附近驱动。
图3A到3C是图2所示的压电变压器逆变器的管电流波形，这是在将频率finv设置在56.4kHz并改变频率fchop时得到的。在图3A中，将频率fchop设置为170.6kHz；在图3B中，将频率fchop设置为171.9kHz；而在图3C中，将频率fchop设置为173.2kHz。如图3A到3C所示，由压电变压器PT的振荡所引起的波动会产生拍，并且压电变压器PT的波动会引起管电流的波动。因此，对管电流波动的测量等效于直接测量由压电变压器PT的振荡引起的波动。
在图3A到3C中发现当改变频率fchop时，波动的周期(它等于拍的周期)和波动的幅值(ΔI0)会改变。
图4A到4C分别示出了一个波形，用于说明在图2所示压电变压器逆变器中每一个部分的拍的机制。图4A表示斩波电路输出Vchop的波形，图4B表示逆变器电路1中开关元件Q11之栅电压Vg的波形，图4C说明开关元件Q11之漏电压Vd的波形。
在栅电压Vg处于高电平期间，开关元件Q11将斩波电路3提供的脉冲能量存储在线圈L11中，而在栅电压Vg处于低电平值期间，即开关元件Q11关闭的期间，开关元件Q11将所存储的能量反馈到压电变压器PT中。在图2所示的结构中，由于线圈L11与压电变压器PT的输入电容产生一谐振波形，以便执行零伏切换，所以可以得到良好的效率。结果，通常将图2所示的电路结构用于具有“semi-E”类操作的驱动电路。
图4A到4C示出通过对finv乘以3.5来得到斩波电路频率fchop的例子。在A阶段，由于开关元件Q11处于接通状态，输入了斩波电路之输出Vchop的两个脉冲，所以将两个脉冲的能量存储在线圈L11中。但是，在B阶段，由于仅输入了斩波电路之输出Vchop的1.5个脉冲，所以线圈L11中存储的能量小于A阶段存储的能量。结果，如图4C所示，在开关元件Q11的漏电压Vd中，电压峰值在每一个波处都变化，从而产生了拍。当开关元件Q11的漏电压Vd作为压电变压器的输入电压产生拍时，拍的分量自然会叠加在由这些拍所激励的变压器振荡上。
图5示出了斩波器频率和拍频之间的关系，图6示出了斩波器频率和拍的幅值比之间的关系。
在图5中，计算值是利用表达式|fchop-finv×n|求得的，其中符号n是等于或大于2的整数。如这里所见，显然斩波器频率fchop和逆变器电路频率finv所产生的拍会引起管电流的波动，仍至变压器振荡的波动。当把拍频的范围设置为10kHz或更大时，发现可以使拍的幅值比充分的小。即，在本实施例中，当将斩波电路频率fchop设置为“拍窗口”的频率时，诸如180到215kHz的频率，或236到272kHz的频率，可以在实践中抑制拍的发生。
在这种情况下，尽管拍频为0kHz时不产生拍，但很难使斩波电路频率fchop与逆变器电路频率finv的整数倍频率精确地一致。事实上，这是不现实的。
接着，假设将本实施例应用于笔记本型个人电脑中使用的逆变器。通常，在这种类型的计算机中会使用三个锂电池，其中规定的输入电压通过在大约7-20V的范围内。结果，在这种情况下，要求驱动开关元件Q11的斩波占空比控制单元30具有20V或更大的耐压，以便输出7-20V的驱动信号。
同时，由于逆变器电路1仅用作驱动开关元件Q11，所以可以用大约3-5V的电压来驱动它。例如，当为斩波占空比控制单元30使用一种运用高压双极化处理的集成电路，而为逆变电路1使用一种运用CMOS处理(在CMOS处理中，耐压小于7V)的集成电路时，逆变器的整个效率，包括控制单元功耗，都可以得到提高。
图7是根据本发明另一个实施例的压电变压器逆变器的电路图。在该图中，将放电管电流反馈到逆变器电路1，并且还将其反馈到斩波占空比控制单元30。具体地说，将输入电压提供给斩波电路3的开关元件Q21，由此接通或断开开关元件Q21，然后将输入电压转换为矩形波AC电压Vchop，提供给逆变器电路1的线圈L21的一端。
另外，用于电流环流的自由滚动二极管D21连接在开关元件Q21的输出端与接地端之间。线圈L21的另一端连接到开关元件Q21和压电变压器PT。压电变压器PT驱动放电管2。放电管电流流过电阻器R21，并且电压经二极管D22和电容器C22整流，提供给比较器31的倒相输入端和相位差检测器13。参考电压Vref21提供给比较器31的非倒相输入端，比较器31比较两个电压，并将输出提供给比较器32的倒相输入端。斩波单元振荡器33将具有斩波电路频率fchop的三角形波提供给比较器32的非倒相输入端。比较器32比较两个电压，然后用其输出驱动开关元件Q21。
在逆变器电路1中，相位差检测器13检测压电变压器PT输入电压与输出电流之间的相位差。相位差检测器13检测得到的输出提供给可调频振荡器11，以便实行控制，使得输入信号和输出信号之间的相位差值保持为一所需要的值。虽然压电变压器PT的谐振频率随着负载起伏而变化，但是当相位差保持恒定时，逆变器电路频率finv可以保持接近于谐振频率，即使负载变动也如此。
下面，将给出对图7所示的压电变压器逆变器的详细描述。在本实施例中，通过保持压电变压器PT的相位差恒定，使得在接近于谐振频率的逆变器电路频率finv下驱动逆变器电路1。斩波占空比控制单元30检测放电管电流，并控制斩波占空比，以便保持检测的放电管电流值恒定。
在上述图2所示的例子中，斩波电路3和逆变器电路1具有各自的控制回路。但是，在本实施例中，将放电管电流馈送到斩波占空比控制单元30和逆变器电路1两者，以实现总体控制，从而保持放电管电流恒定。这种结构有助于简化控制电路系统。
类似地，在本实施例中，将逆变器电路频率finv的整数倍频率与斩波电路频率fchop频率之差的绝对值设置为10kHz或更大。利用这一安排，可以抑制因变压器振荡的波动而引起的拍。另外，由于逆变器电路1和斩波占空比单元30各自由分开的集成电路形成，所以可以得到具有高效率且设计自由度较大的电路结构。
但是，虽然参照较佳实施例具体描述了本发明，但应该理解，本发明不限于本申请中任何描述细节。还应该理解，可以进行各种修改，并且所附的权利要求书试图覆盖所有落入本发明之主旨和范围内的修改。
如上所述，根据本发明的一个方面，安排逆变器电路频率的n倍频率不接近于斩波电路频率，可以抑制由压电变压器振荡引起的波动，并且由此可以减小在逆变器中产生拍的可能性。
另外，由于将逆变器电路频率的整数倍频率与斩波器频率之差的绝对值设置为10kHz或更大，所以可以将变压器的波动抑制得基本上消除，从而避免逆变器中产生拍的问题。另外，由于用分开的集成电路驱动斩波电路和逆变器电路，所以可以提高效率，并增加设计的自由度。
Claims (5)
1.一种压电变压器逆变器，其特征在于，包含：
斩波电路，用于将DC输入电压转换成具有第一驱动频率的矩形波电压；和
逆变器电路，用于接收来自所述斩波电路的所述矩形波电压，并以第二驱动频率驱动一负载；
其中，所述斩波电路包括：
第一开关元件，用于将所述输入电压转换成所述矩形波电压；
电流环流元件，它连接在所述第一开关元件的输出端和一接地端之间；和
斩波占空比控制单元，用于根据所述矩形波电压，控制所述第一开关元件的开关操作，使所述第一开关元件输出的矩形波电压的平均电压保持恒定；
所述逆变器电路包括：
线圈，其一端与所述第一开关元件的所述输出端相连，用于接收所述矩形波电压；
压电变压器，它与所述线圈的另一端相连，用于将所述矩形波电压转换成具有第二驱动频率的AC电压，并将所述AC电压提供给所述负载；
第二开关元件，它与所述线圈的所述另一端相连，用于控制将所述线圈中的能量馈送给所述压电变压器；和
逆变器频率控制单元，用于根据所述负载的电流，控制所述第二开关元件的开关操作，使所述负载的电流保持恒定；
其中，将第一驱动频率设置成远离第二驱动频率的n倍，其中n为大于或等于2的整数。
2.一种压电变压器逆变器，其特征在于，包含：
斩波电路，用于将DC输入电压转换成具有第一驱动频率的矩形波电压；和
逆变器电路，用于接收来自所述斩波电路的所述矩形波电压，并以第二驱动频率驱动一负载；
其中，所述斩波电路包括：
第一开关元件，用于将输入电压转换成所述矩形波电压；
电流环流元件，它连接在所述第一开关元件的输出端和一接地端之间；
斩波占空比控制单元，用于根据所述负载的电流，控制所述第一开关元件的开关操作，使所述负载的电流保持恒定；
所述逆变器电路包括：
线圈，其一端与所述第一开关元件的所述输出端相连，用于接收所述矩形波电压；
压电变压器，它与所述线圈的另一端相连，用于将所述矩形波电压转换成具有第二驱动频率的AC电压，并将所述AC电压提供给所述负载；
第二开关元件，它与所述线圈的所述另一端相连，用于控制将所述线圈中的能量馈送给所述压电变压器；
逆变器频率控制单元，用于根据所述压电变压器之输入信号与输出信号的相位差，控制所述第二开关元件的开关操作，使所述相位差保持恒定，并保持所述第二驱动频率接近于所述压电变压器的谐振频率；
其中，将第一驱动频率设置成远离第二驱动频率的n倍，其中n为大于或等于2的整数。
3.如权利要求1或2所述的压电变压器逆变器，其特征在于，将第二驱动频率的n倍与第一驱动频率之差的绝对值设置为10kHz或更大。
4.如权利要求1或2所述的压电变压器逆变器，其特征在于，所述逆变器电路和所述斩波电路由不同的集成电路驱动。
5.如权利要求3所述的压电变压器逆变器，其特征在于，所述逆变器电路和所述斩波电路由不同的集成电路驱动。
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