CN1700579A - 驱动放电灯的直流/交流电功率单端转换方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种将直流(DC)功率转换成交流(AC)功率的方法和装置，特别公开用来驱动放电灯，例如，冷阴极荧光灯(CCFL)、或外电极荧光灯(EEFL)的单端反相器电路。在其他优点中，这些电路能在占空系数接近50％的时候提供几乎是对称均匀的电压波来驱动放电灯。该电路还消除了初级的高电流高电压谐振电容器，并且，在不需要缓冲电路的情况下将初级开关的额定电压减小到输入电压的两倍。本发明推荐的反相器能在低成本的条件下驱动放电灯，尤其可以应用于狭窄的输入电压范围。可以通过调整主开关的占空系数来调节放电灯电流。

Description

驱动放电灯的直流/交流电功率单端转换方法和装置
技术领域
本发明涉及将直流(DC)电功率转换成交流(AC)电功率的装置，特别涉及驱动放电灯的单端转换器和转换方法。
背景技术
许多小型冷阴极荧光灯(CCFL)使用电池电源系统，该系统电池向DC/AC反相器的输入端提供直流电。将比较低的DC输入电压转换成比较高的交流输出电压的现有技术中，是通过功率开关中断DC输入信号、滤波掉由中断所产生的谐波信号、输出正弦波AC信号来实现的。由于在0.5到6mm的电流范围工作电压可以达到500伏(V)，因此该AC信号的电压随着变压器的作用逐步升高至比较高的电压。通常用可以在50到100千赫频率范围内的交流电驱动冷阴极荧光灯。
上述功率开关可以是双极型结点晶体管(BJT)，或者是场效应晶体管(FET or MOSFET)。另外，晶体管可以是分立地或集成地封装在同一封装壳内，作为DC/AC转换器的控制电路。由于电阻元件通常是消耗功率和减小电路的总功率，因此，DC/AC转换器中的典型的谐波滤波器通常选择功耗最小的电感元件和电容组件。用电感元件和电容组件形成的二次谐振滤波器叫做“储能”电路，该“储能”电路能在特定的频率储藏电能。
冷阴极荧光灯的平均寿命取决于其工作环境的几方面。例如，以高于其额定功率的功率电平驱动冷阴极荧光灯会缩短其使用寿命。而且，用高峰值因子的交流信号驱动冷阴极荧光灯会导致该灯的过早报废。所述的峰值因子是指峰值电流与流过冷阴极荧光灯的平均电流之比。
另一方面，众所周知，以具有比较高的频率的方波形AC信号来驱动冷阴极荧光灯可以使其使用寿命达到最大。但是，因为该AC信号的方波可能导致设置在冷阴极荧光灯驱动电路附近的另一电路的重大干涉，所以冷阴极荧光灯一般是以比最佳波形略逊一筹的AC信号，例如，正弦波AC信号来进行驱动。
双端(全桥式或推挽式)反相器拓朴技术是当今普遍认为的放电灯驱动技术，因为它们均可以在正周期和逆周期提供对称的电压和电流驱动。因此该放电灯的电流为正弦电流，并具有较低的峰值因子。这些拓朴技术非常适合于具有宽DC电压输入范围的应用。
但是，双端设计的成本主要涉及到低功率和输入受控制的应用。全桥电路需要四个功率开关和复杂的驱动电路。推挽式反相器需要两个功率开关，该功率开关的额定电压必须大于输入电压的两倍，和使用一个缓冲器电路来抑制相关环的电感泄漏，缓冲器电路连接于功率装置的四周以改变其转换轨迹，从而减小功率装置的功率损失。
因此，考虑单端反相器用在低功率和低成本的应用中。尽管传统的单端反相器的占空比可达到50％，但它并不能提供对称的电压波来驱动放电灯。另外，传统电路需要一个设置在初级边上的耗资巨大的高电压和高电流的谐振电容，和高电压MOSFET，以保持其谐振电压。因此，与双端反相器相比，传统的单端反相器并不具有大的成本优势，除此之外，它的工作性能也并不理想。这就要求单端反相器能在低成本有效驱动放电灯，尤其是能应用于具有狭窄的输入电压范围的放电灯。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能低成本有效驱动放电灯并能应用于狭窄的输入电压范围的单端反相器。
本发明的另一目的在于提供上述单端反相器的使用方法。
根据上述目的，本发明提出DC/AC信号转换装置，包括：
至少一个开关的网络，用来从DC信号产生AC信号，通过周期性地开启和关闭该开关网络的第一部分产生AC信号；
滤波器，设置在有至少一个开关的网络和负载之间，该滤波器过滤输送到负载的AC信号，滤波器包括升压变压器，该升压变压器至少拥有初级绕组和次级绕组，初级绕组接收来自开关网络的AC信号，次级绕组连接至负载；和
阻抗装置，连接至所述至少一个变压器的初级绕组上，以形成谐振电路，该谐振电路周期性地(通常按滤波器的谐振频率)开启和关闭开关，从而在由DC信号所提供的一系列电压下为负载提供交流功率。
其中，负载是指放电灯，例如，冷阴极荧光灯或外电极荧光灯。该开关为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。该滤波器为二阶滤波器，它包括电感元件和电容元件，电感由变压器产生。该电容元件还包括第一电容元件和第二电容元件，其中，第二电容元件与负载串联。
通过改变开关的占空系数或改变频率来进行调节负载电流。
变压器一般拥有两个初级绕组，并设置二极管与变压器的初级绕组相串联，和一个半导体器件与变压器的初级绕组串联。
此外，本发明还提供DC/AC信号转换装置，用来操作至少一个放电灯，包转换装置包括：
单端网络，包含至少一个半导体器件，用于从DC电输入信号产生AC信号，通过周期性开启和关闭该网络的第一端产生AC信号；
滤波器，设置在由至少一个所述的半导体器件组成的网络组和负载之间，该滤波器滤波输送到负载的AC信号，包括升压变压器，该升压变压器至少拥有两个初级绕组和次级绕组，初级绕组用来接收来自该半导体器件网络的AC信号，次级绕组连接至负载，该滤波器还包括与负载相并联的电容器；和
阻抗装置，连接到所述变压器的初级绕组，形成谐振电路，该谐振电路周期性地(通常按滤波器的谐振频率)开启和关闭开关，从而在通经DC信号所提供的电压范围下为负载提供交流功率。
其中，半导体器件是MOSFET，该晶体管与变压器的初级绕组串联。滤波器是二阶滤波器，设置在升压变压器的次级绕组与负载之间，包括电感元件和电容元件，该电感元件是由变压器提供。电容元件还包括第一电容元件和第二电容元件，该第二电容元件是与负载串联。
另外，设置与所述变压器的初级绕组串联的二极管。
DC/AC信号转换方法，用来操作至少一个电子放电灯，该方法包括以下步骤：
接收DC信号；
通过谐振电路用DC信号开启和关闭开关装置；
通过开启和关闭开关装置来切断DC输入信号；
切断DC信号在变压器的初级绕组上产生AC信号；
升高变压器初级绕组进入次级绕组的AC信号；
滤波已升高的AC信号；以及
滤波后的AC信号提供给所述的放电灯。
其中，通过单端电路接收DC信号。升压变压器具有两个初级绕组。用包括电感元件和电容元件的二阶滤波器来完成滤波，其中，电感元件由升压变压器提供。
附图说明
通过以下结合附图对具体实施例的详细说明，更加容易接受和理解前述的本发明的各个特征和优点。
图1A是传统的DC/AC反相器的电路示意图；
图1B是图1A所示的传统反相器电路的运行状态的实验数据，占空系统接近50％；
图2A是根据本发明的一个实施例的DC/AC反相器的电路示意图；
图2B和2C是根据图2A所示的反相器电路的运行状态的实验数据，占空系数分别为50％和30％；
图3A是根据本发明的另一个实施例的DC/AC反相器的电路示意图。
图3B、3C、3D是根据图3A所示的反相器电路的运行状态的实验数据，占空系数分别为50％、45％和30％。
图4A是根据本发明的又一个实施例的DC/AC反相器的电路示意图。
图4B、4C、4D是根据图4A所示的反相器电路的实验数据，占空系数分别为50％、45％和25％。
图5是根据本发明的优选实施例的DC/AC转换方法流程图。
具体实施方式
本发明涉及一种将DC功率转换成AC功率的反相器电路和转换方法，特别涉及用来驱动放电灯，例如，冷阴极荧光灯的单端反相器电路。所述电路的众多优点中，最突出的优点在于它能在占空系数接近50％的时候提供一几乎对称的电压波来驱动放电灯。
该电路还消除了初级边上的高电流高电压谐振电容器，并且，在不需要缓冲电路的情况下将初级开关的额定电压减小到输入电压的两倍。推荐的电路能在低成本的条件下驱动放电灯，尤其可以用在狭窄的输入电压范围的应用中。可以通过调整占空系数或改变频率来调节放电灯电流。
以下通过对本发明具体实施例的描述，可以更加易于理解本发明的特征和细节。但是，本领域的技术人员可以看出，如果缺乏一个或多个具体的细节，不结合其他组件或具有其他元件，本发明也同样可以实施。在其他实施例中，本文没有详细描述公知的实施方式或操作手段，以免混淆本发明的各种技术实施方案。
如本说明书所述的“实施例”或“一个实施例”是指结合实施例描述的包含在本发明的至少一个实施例中的具体特征，结构，实施方式或特点。因此，在本说明书各处提到的“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定都是指的同一个实施例。此外，所述的特征，结构，实施方式或特点可以按任何适当的方式组合在一个或多个实施例中。
图1A为传统的DC/AC反相器的电路示意图，图中R1是负载。该电路需要初级边上的昂贵的高电压高电流谐振电容器和高电压的金属氧化物半导体场效应晶体管来提供共振电压时，甚至当占空系数接近50％时，该电路并不能提供对称的电压波形来驱动放电灯。图1B为根据图1A所示的传统反相器电路的实验数据。
图2A为根据本发明的实施例的DC/AC反相器的电路示意图。在本实施例中，L1，L2，和L3形成3绕组的变压器。当主开关M1开启时，输入电源能量和存储在初级边电容器C1里的电能传输到次级。通过主开关M1的电流为变压器产生的磁感应电流和L4中的反射谐振感应电流之和。在这种情况下，初级边上的二极管D1被截止。
当主开关M1关闭的时候，L4的反射电流流过二极管D1继续其谐振。此时主开关M1的漏电压增加到Vin+Vc，其中Vc是加在电容器C1上的电压。通常情况下C1的电容被设计成足够大，以使Vc可以保持基本恒定并与Vin几乎相等。因此，主开关的最大电压约为2Vin。通过二极管D1的电流是磁感应电流和反射谐振感应电流(L4)之和。因为L4的电流改变极性，所以流经二极管D1的净电流将减小至零。主开关M1的漏电压也可能减小至Vin并在此电平附近振荡。该振荡可能是由初级边上的两个主线圈与寄生电容之间的漏电感应引起的。
从图2B中的波形可以看出，在占空系数接近50％时，L4，C1和R1组成的谐振回路的驱动电压波形在0附近是完全对称的。因此，该灯电流(流经R1的电流)非常接近正弦曲线。如图2A所示的电路可以用来驱动外电极荧光灯(EEFL)，该荧光灯将一系列的电容器集到电路中。图2C显示出占空系数为30％时该电路的特性。
类似于冷阴极荧光灯(CCFL)的放电灯不允许任何DC电流通过。这就需要增加一个镇流电容器(C3)与放电灯串联。该电路及其实验波形如图3所示。有时，该镇流电容器也可用来平衡多个放电灯的电流。图3B、3C和3D显示出占空系数为30％或45％时的灯电流幅度小于在占空系数50％时的灯电流幅度。因此，可以通过主开关的占空系数来调节灯电流。
为了实现大功率应用，通过二极管D1的电流可能大到足以由其功率损耗而导致二极管D1过热。在这种情况下，就需要用金属氧化物半导体场效应晶体管上的低导通电阻(low RDSon MOSFET)来代替二极管D1，此处，导通电阻是指当MOSFET完全导通时从漏极到电源的电阻值。
图4A显示出由MOSFET(M2)上的低导通电阻代替二极管D1的配置电路图。可以通过多种方式实现M2的栅控制。一种方式是只有当电流从电源流到漏极时M2才导通，结果，除了上述的功率损耗降低之外，该电路与上述基本电路相似。还有其他方法控制M2的栅，如，在主开关M1开启的同时导通M2，并且，像在推挽式反相器中一样，交错M1和M2的脉冲。所构成的电路同样可以作为推挽式电路而得到驱动该谐振回路的对称电压和电流。此外，M1和M2开关的电压永远不会超过Vin的2倍，并且不需要任何的缓冲器。如图4B、4C和4D显示出在不同情况下的图4所示电路的特性。
图5是按本发明的实施例的DC/AC转换方法的流程图。在步骤501，为单端反相器电路提供DC输入信号；在步骤502，具有由DC信号提供的能量的子谐振电路打开和关闭例如MOSFET的开关装置；在步骤503，开关装置周期性地切断DC信号；在步骤504，DC信号的切断在反相器电路中的变压器初级边绕组中产生AC信号；在步骤505，变压器初级绕组的AC信号被变压器的次级绕组逐步升高；在步骤506，升高后的信号在提供给放电灯之前滤波；在步骤507，将滤波后的已升高的AC信号供给放电灯。
以上描述了优选实施例和几个其他的实施例。在阅读上述说明书后，在不脱离所公开的本发明的主要思想的前提下，本行业的技术人员可以、进行各种技术上的变化，改变，结合和有效替代，因此本发明要求保护的专利范围由权利要求书所界定，而不受本文中描述的实施例的限制。

Claims (34)

1，一种将直流(DC)信号转换成交流(AC)信号的装置，包括：
至少一个开关的网络，用来从DC信号产生AC信号，通过周期性地开启和关闭该网络的第一部分产生AC信号；
滤波器，设置在所述至少一个开关的网络与负载之间，该滤波器过滤输送到负载的AC信号，其中，滤波器包括升压变压器，该升压变压器有至少一个初级绕组和一个次级绕组，初级绕组用来接收来自所述至少一个开关的网络的AC信号，次级绕组连接至负载；和
阻抗装置，连接至所述至少一个变压器的初级绕组，以形成谐振电路，该谐振电路周期性地(通常是按滤波器的谐振频率)开启和关闭开关，从而在由DC信号所提供的电压范围下为负载提供交流功率。
2，如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的负载是放电灯。
3，如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的负载为冷阴极荧光灯(CCFL)。
4，如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的负载为外电极荧光灯(EEFL)。
5，如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的滤波器设置于升压变压器的初级绕组与负载之间。
6，如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的滤波器为二阶滤波器，包括电感元件和电容元件。
7，如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的滤波器为二阶滤波器，包括电感元件和电容元件，电感由变压器产生。
8，如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的滤波器为二阶滤波器，包括：电感元件、第一电容元件和第二电容元件，第二电容元件与负载串联。
9，如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的DC信号拥有狭窄的电压范围。
10，如权利要求1所述的装置，其特征在于，用开关的占空系数来调节所述的负载电流。
11，如权利要求1所述的装置，其特征在于，通过改变频率来调节所述的负载电流。
12，如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的开关是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
13，如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的变压器拥有两个初级绕组。
14，如权利要求1所述的装置，其特征在于，二极管与变压器的初级绕组串联。
15，如权利要求1所述的装置，其特征在于，不同于所述开关元件的半导体器件与变压器的初级绕组串联。
16，一种将DC信号转换成AC信号的装置，用来操作至少一个放电灯，装置包括：
至少一个半导体器件的单端网络，用于从DC输入信号产生AC信号，通过该网络的第一端周期性开启和关闭产生该AC信号；
滤波器，设置在由至少一个所述的半导体器件组成的网络与负载之间，该滤波器过滤输送到负载的AC信号，滤波器包括升压变压器，该升压变压器至少拥有两个初级绕组和次级绕组，其中，初级绕组接收来自该半导体器件网络组的AC信号，次级绕组连接至负载，该滤波器还包括与负载并联的电容器；和
阻抗装置，连接至所述变压器的初级绕组，以形成谐振电路，该谐振电路周期性地(通常按滤波器的谐振频率)开启和关闭开关，从而在通过DC信号所提供的电压范围下为负载提供交流功率。
17，如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述的放电灯是冷阴极荧光灯。
18，如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述的放电灯是外电极荧光灯。
19，如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述的滤波器设置在升压变压器的次级绕组与负载之间。
20，如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述的滤波器是二阶滤波器，包括电感元件和电容元件。
21，如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述的滤波器是二阶滤波器，包括电感元件和电容元件，其中，电感由变压器产生。
22，如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述的滤波器是二阶滤波器，包括电感元件、第一电容元件和第二电容元件，第二电容元件与负载串联。
23，如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述的DC信号具有狭窄的电压范围。
24，如权利要求16所述的装置，其特征在于，通过开关的占空系数来调节所述的负载电流。
25，如权利要求16所述的装置，其特征在于，通过改变频率来调节所述的负载电流。
26，如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述的半导体器件是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
27，如权利要求16所述的装置，其特征在于，二极管与所述变压器的初级绕组串联。
28，如权利要求16所述的装置，其特征在于，不同于整流半导体器件的MOSEFT与所述变压器的初级绕组串联。
29，将DC信号转换成AC信号的方法，用来操作至少一个电子放电灯，该方法包括以下步骤：
接收DC信号；
通过谐振电路用DC信号开启和关闭开关装置；
通过开启和关闭开关装置切断DC输入信号；
切断DC信号在变压器的初级绕组产生AC信号；
升高变压器初级绕组进入次级绕组的AC信号；
滤波该升高的AC信号；以及
滤波后的信号提供给所述的放电灯。
30，如权利要求29所述的方法，其特征在于，通过单端电路接收所述的DC信号。
31，如权利要求29所述的方法，其特征在于，由MOSFET来完成所述的开关动作。
32，如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述的升压变压器具有两个初级绕组。
33，如权利要求29所述的方法，其特征在于，由包括电感元件和电容元件的二阶滤波器来完成所述的滤波操作。
34，如权利要求29所述的方法，其特征在于，通过包括电感元件和电容元件的二阶滤波器来完成所述的滤波操作，其中，电感由该升压变压器提供。
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