JP2006269137A

JP2006269137A - 無機ｅｌ素子用インバータ回路

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Publication number: JP2006269137A
Application number: JP2005082886A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Ushijima; 昌和牛嶋
Original assignee: CHIN KOHI
Current assignee: CHIN KOHI
Priority date: 2005-03-23
Filing date: 2005-03-23
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2025-03-23
Also published as: JP4845399B2

Abstract

【課題】電源電圧の利用効率が高く、低い電源電圧でありながらトランスレスで無機EL素子の点灯を可能とし、又、無機EL素子を正弦波点灯させることによって無機EL素子の寿命を改善することができる外、無機EL素子の量産性を改善できる無機EL素子用インバータ回路を得る。
【解決手段】主たる構成は、電流共振型の直列共振回路による昇圧回路と該昇圧回路により駆動される無機EL素子を有し、該無機EL素子は該直列共振回路の容量成分と並列に接続され、該容量成分は無機EL素子の有する特性容量と補助的に設けられた補助容量とからなり、該補助容量の値を大きく設定し、相対的にチョークコイルの値を小さく設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は本願出願人の出願に係る特願２００５−００５４０９発明の利用発明に係り、無機エレクトロルミネセンス及び熱陰極管を点灯させるための無機ＥＬ素子用インバータ回路に関する。

無機エレクトロルミネセンス（ＥＬ：Electro Luminescent）素子は長寿命であって、省電力であり、高効率であるところから表示装置や次世代の面発光表示装置として脚光を浴びている。

無機ＥＬ素子は点灯させるために２００〜３００Ｖの交流電源を必要とするために、電池電圧で点灯させるためにはインバータ回路による昇圧が必要不可欠になる。

従来の大電力用の無機EL素子用インバータ回路は、電磁トランスの飽和現象を利用して発振するロイヤー回路が主流である。その理由は、無機EL素子の駆動周波数が２００Ｈｚないし２ｋＨｚという低い周波数であるために、コレクタ共振型ロイヤー回路が使えないためである。また、よりローコストな回路として弛張発振回路が使われることもある。いずれにしてもこれらの回路は発熱が大きく、変換効率は決して良いとは言えないものである。

一方、中ないし小電力の点灯回路としては、フライバック昇圧回路とフルブリッジ・スイッチング回路とを組み合わせた図６（特開平１１−３５４２７４参照）のような構成の点灯回路が広く普及している。

この回路は前段のチョークコイル３８とトランジスタ３９によりフライバック昇圧回路を構成し、その結果得た高圧を、フルブリッジ型のスイッチング回路４１ないし４４でスイッチングすることにより無機ＥＬ素子３０に交流電圧を印加するものである。

一方で、大電力の無機EL素子用インバータ回路として、無機ＥＬ素子の有する容量成分を利用した直列共振により正弦波駆動を行う図７（特開２００３−３３２０８５参照）のような方法が提案されている。この方法はより高効率であって回路の安定度は高く故障が少ない方式であると考えられる。

また、これは高電圧の商用電源から直列共振回路を駆動するものであって無機ＥＬ素子を正弦波で駆動できるところから無機ＥＬ素子の寿命を大幅に改善するものである。
特開平１１−３５４２７４特開２００３−３３２０８５

従来から用いられているロイヤー回路型のインバータ回路は昇圧トランスの鉄心を飽和させるものであり、インバータ回路の変換効率は良くない。そのためにインバータ回路が発熱するという問題がある。

また、出力波形は矩形波であり、矩形波による駆動は図８に示すように無機ＥＬ素子の寿命を悪化させることが知られている。

さらに、無機ＥＬ素子は容量性負荷であるために矩形波駆動する場合には、電圧波形のｄｉ／ｄｔの大きい部分で駆動回路に瞬間的なピーク電流が流れることが避けられない。その結果、インバータ回路のスイッチングトランジスタに大きな負担がかかるために故障が多くなる。

この問題は、ＩＣ回路により昇圧を行い、これをフルブリッジ型回路により低周波交流電圧に再変換する図６の回路においても同様であり、矩形波駆動による無機ＥＬ素子の寿命の悪化が避けられない問題となっており、また、大電力化しようとするとトランジスタの故障が多くなるために、大電力化には限界がある。

また、無機EL素子を矩形波駆動した場合、５００〜１０００時間を経過すると、輝度減衰率が寿命と評価される５０％にまで低下するという欠点がある。これは、無機ＥＬ素子の諸静電特性（静電容量、誘電率、誘電損等）や内部抵抗が点灯時間の経過とともに大きく変化することに起因している。即ち、従来装置では無機ＥＬ素子の輝度を長時間安定して維持することができず、無機ＥＬ素子を大電力の面発光表示装置やバックライト等として実用化する上で大きな障害になっていた。

一方で、特開２００３−３３２０８５は、無機EL素子の有する容量成分とこれに直列に接続されたチョークコイルにより、図９のような等価回路による直列共振を起こさせることによって、正弦波駆動を可能としている。この回路図においてはインダクタンス成分Lsと容量成分Csとが直列共振回路を構成する。

この方法は商用電源を利用することを前提とし、商用電源を整流して得た高電圧を利用して駆動回路に供給することによって直列共振を起こさせるものである。また、この開示例では駆動回路をハーフブリッジ型としている。

しかしながら、この回路はハーフブリッジ型の回路構成であるために直列共振回路に与えられる電圧実行値の値は電源電圧の半分になるため、電源電圧の利用効率が良くない。

次に、直列共振回路の共振容量は無機EL素子の持つ容量成分Csに依存するために、直列共振回路による昇圧比を自由に設定することができない。そのため、低電圧直流の電源からインバータ回路を介して無機EL素子を駆動することは困難であった。

また、低圧直流電源のインバータ回路による駆動を可能とするためには、直列共振回路のQを非常に大きな値としなければならず、共振電流が多く流れるところからチョークコイルの形状が非常に大きな要素になるという問題を抱えていた。

また、無機ＥＬ素子は形状の自由度が高く、加工が容易であるという特徴を有する一方で、このことがインバータ回路に対してカスタム性が高くなることを強いる結果となり、少ないロットごとに新たなインバータ回路の再設計を必要としている。

その結果、無機ＥＬ素子用インバータ回路は多品種少量生産となるために量産性が悪くなり、このことが無機ＥＬ素子の普及を阻害する大きな要因となっていた。

本発明は上記の事情に鑑みて発明されたものであり、電源電圧の利用効率が高く、低い電源電圧でありながらトランスレスで無機EL素子の点灯を可能とするものである。またさらに、無機EL素子を正弦波点灯させることによって無機EL素子の寿命を改善することのできるインバータ回路を提供しようとするものである。

また、無機EL素子の量産性を改善できるようにしようとするものである。

その具体的な手法は、無機EL素子と並列に接続された補助的な共振コンデンサを有することを特徴とし、該共振コンデンサと、無機EL素子が自ら有する容量成分を合成して共振容量とし、この容量成分とチョークコイルとを直列共振させることと、さらに、駆動回路を電流共振型回路とすることによって高いQの直列共振回路においても正確に共振周波数中心にて共振回路を駆動することにより高い昇圧比を実現することにある。

またさらに、電流共振型回路をスイッチスナバ型回路で駆動することによって、より低い電源電圧においても昇圧トランスを用いることなく無機EL素子を点灯させるものである。

そして、補助的な共振コンデンサと直列共振用のチョークコイルを脱着交換可能とすることによって、基礎となる回路部分の共通化を促進し、インバータ回路の量産性を高めようとするものである。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１及び図２は、従来のハーフブリッジ型の電流共振型回路により構成した場合の回路図であり、図３は本発明の発明者が特願２００５−００５４０９発明において、陰極管用インバータ回路として開示したスイッチスナバ回路型の電流共振型回路であり、図４は、それを無機ＥＬ素子に応用した場合の回路図である。

図１および図２において、Ｃｓは無機ＥＬ素子の持つ特性容量であって、無機ＥＬ素子の構造上、必ず存在するものである。

本発明の特徴は並列に設けられた共振コンデンサＣａであり、特性容量Ｃｓとともに合成されて共振容量となる。共振コンデンサＣａは特性容量Ｃｓに比較して大変に大きな値が必要である。この場合の合成容量を十分に大きな値とすることにより、無機EL素子と直列に挿入されたチョークコイルＬｓとの間で直列共振を起こし、合成容量に高い電圧を発生せしめ、該電圧により無機ＥＬ素子を発光せしめるものである。

また、チョークコイルＬｓと共振コンデンサＣａは、好ましくは回路基盤から独立して脱着交換可能とし、その他の回路部分の汎用性を高めようとするものである。
以下、各部を詳しく説明する。

図１におけるスイッチングトランジスタＱ１およびＱ２で構成される回路は標準的なハーフブリッジ型の電流共振型回路であって、それぞれのベースは電流トランスによって駆動される。巻線Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３は電流トランスの各巻線である。巻線Ｗ１にはチョークコイルＬｓを介して流れる共振電流と無機ＥＬ素子に流れる負荷電流とが合成された電流が流れる。したがって、チョークコイルＬｓに直列に接続された巻線Ｗ１はチョークコイルＬｓに流れる電流を検出し、その電流の極性が反転するごとにＱ１あるいはＱ２のいずれかのトランジスタをＯＮにし、他方をＯＦＦにする動作を繰り返す。

この回路は基本的に電流共振型回路であるから、何らかの起動手段がないとインバータ回路の動作が起動しない。抵抗Ｒ１、Ｒ３、コンデンサＣ１、ツェナ-ダイオードＺｄ、サイリスタＳ１、ダイオードＤ１はその起動回路を構成するものである。

まず、インバータ回路に最初に電源が与えられた際はスイッチングトランジスタＱ１、Ｑ２のいずれもＯＮしていない。その場合、電源電圧は抵抗Ｒ１を介してコンデンサＣ１を充電する。この充電電圧がツェナーダイオードＺｄの降伏電圧を超えると、サイリスタＳ１のゲートにトリガー電流が流れ、サイリスタＳ１はターンオンする。すると、トランジスタＱ２のベースに電流が流れてトランジスタＱ２がＯＮになる。その後、コンデンサＣ１に充電された電圧はダイオードＤ１を介してトランジスタＱ２に流れて放電する。以後、インバータ回路の起動後はコンデンサＣ１に電圧は充電されなくなる。

このようにトランジスタＱ２がＯＮになった後は共振回路に発生する共振電流により、共振周波数の半サイクル後には巻線Ｗ１に流れる電流が反転し、その結果、トランジスタＱ２はＯＦＦとなり、トランジスタＱ１がＯＮとなる。電流共振型回路ははこのような動作を繰り返して発振を続ける。

起動回路をこのように構成したのは低い電源電圧に対応するためであって、電源電圧が低い場合には適当な起動用サイリスタ（一般的にはダイアックが用いられる）が入手しにくいからである。

従って、本発明の実施例は例示の起動回路に限定されることはなく、電源電圧が２４Ｖないし３６Ｖ以上のような、ある程度高い電圧の場合には、一般的なダイアックによる起動回路でも使用することが可能であって、また、その他の適切な起動手段であればなんでも良い。

次に、本発明においてはチョークコイルＬｓと大きな値を有する共振用コンデンサＣａが重要であって、これらにより構成される直列共振回路は高いＱ値を有する。共振用コンデンサＣａの値が大きく、チョークコイルＬｓの値が小さいほどＱが高くなり、直列共振回路の昇圧比は大きくなる。

次に、図２は電流検出の方法を共振用コンデンサＣａに流れる電流を検出するように変更したものである。図１においてはチョークコイルＬｓに流れる電流を検出していた。これは無機ＥＬ素子に流れる負荷電流と共振電流の合計電流を検出するものであったが、図２の方法では純粋な共振電流のみを検出している。

共振回路のＱを大きく設定する場合、両者の違いはごく僅かであるが、図２の検出方法の方がより正確に共振周波数を反映して発振する。

次に、図４は、上記のハーフブリッジ型の駆動回路よりもさらに低い電源電圧に対応させようとするものであって、本発明の発明者が特願２００５−００５４０９発明において冷陰極管用インバータ回路として開示したスイッチスナバ回路型の電流共振型回路における冷陰極管を無機ＥＬ素子に置き換えたものである。またさらに、無機EL素子を熱陰極管に置き換えることも可能である。この回路の動作原理を示せば以下のようになる。

図４において、スイッチング素子であるMOS-FETのＱ１およびＱ２は相補的な動作をする。即ちMOS-FETＱ１がＯＮの期間においてはMOS-FETＱ２はＯＦＦであり、MOS-FETＱ２がＯＮのときはMOS-FETＱ１はＯＦＦである。ただし、MOS-FETＱ１、Ｑ２のＯＮ動作の際に過度的な大電流が流れないように適切な休止期間（デッドタイム）を設けた方がより好ましい。例示の回路でこのような休止期間は共振電流検出素子Ｒ２に発生するｄｉ／ｄｔの緩やかな電圧変化をトランジスタＱ４により反転し、これをＱ１、Ｑ２のゲートに与えることで、適切なデッドタイムを発生させている。

また、例示のスイッチスナバ型回路においては、カップリングコンデンサ（直流に対してはデカップリングコンデンサ）Ｃｃは十分に大きな容量を有することが好ましく、共振に関与させない方がより好ましい。

MOS-FETＱ１がＯＮになると、電流は電源からフライバック用チョークコイルＬｃを介してＧＮＤに流入し、チョークコイルＬｃにフライバックエネルギーを蓄積する。次に、MOS-FETＱ１がＯＦＦになり、MOS-FETＱ２がＯＮになると、チョークコイルＬｃに蓄積されたフライバックエネルギーはカップリングコンデンサＣｃに蓄積されるとともに、チョークコイルＬｓと共振コンデンサＣａ，特性容量Ｃｓで構成される直列共振回路を駆動する。

この場合、チョークコイルＬｃの値を小さく設定するほどチョークコイルＬｃに蓄積されるフライバックエネルギーは大きくなる。また、例示の回路ではMOS-FETＱ１とＱ２の流通角（デューティー比）は概ね等しいが、この流通角を変化させることにより、チョークコイルＬｃに蓄積されるエネルギー量を制御することが可能であり、無機ＥＬ素子を調光することが可能である。

また、スイッチスナバ型回路は電源電圧を中心として、電源電圧よりも高い振幅の電圧でＬＣ直列共振回路を駆動することができ、実行値電圧を振幅の半分として計算しても、ハーフブリッジ型回路よりも高い電圧で直列共振回路を駆動することができる。その結果ハーフブリッジ型回路よりも、より低い電圧の電源電圧に対応することができる。

尚、本願における直列共振回路は、図５のように、容量成分である合成容量（Ca＋Cs）に対して並列に無機EL素子の等価インピーダンスZが接続された回路と等価となる。当業者においてはこれをParallel loaded serial resonance回路と称している。

並列に接続された容量Caに流れる電流、即ち、共振電流の位相は、図５の等価回路で明らかなように、容量Ｃｓに流れる共振電流の位相と等しくなる。したがって、容量Ｃａに流れる電流の位相を検出することにより、共振回路の共振電流の位相を検出することが可能となる。

また、チョークコイルＬｓと補助的に加えられた共振コンデンサＣａの値を調整することにより、無機ＥＬ素子の等価インピーダンスと入力電圧Ｅｉと出力電圧Ｅｏとの関係は自由に調整できる。
このため、この二つの素子、チョークコイルＬｓと共振コンデンサＣａを、インバータ回路の他の回路部分と独立させて脱着交換可能とすることによって、幅広い無機ＥＬ素子の等価インピーダンスＺに対応することが可能となる。

次に、図２ないし図４において、抵抗Ｒ２は共振電流の位相を検出するものであって、検出された共振電流の位相に基づいて、その電圧位相が電流トランス、または、トランジスタＱ４を介してスイッチングトランジスタＱ１、Ｑ２のスイッチングタイミングに帰還される。

その結果、これらの回路は高いＱ値を持つ共振回路であっても共振周波数を正確に反映して発振を継続するので、高い昇圧比を得ることが可能である。また、共振回路のＱが高いので無機ＥＬ素子の駆動電圧は、従来よりもさらに正弦波に非常に近くなる。
［発明の効果］

本発明により、無機ＥＬ素子をトランスレスの回路で直流低電圧により発光させることが可能となった。

また、インバータ回路は高効率であって、発熱がほとんどなくなった。それに伴い、インバータ回路の故障を大幅に減らすことが可能となる。

出力波形はきれいな正弦波であり、無機ＥＬ素子の点灯寿命を大幅に改善することが可能となった。

チョークコイルＬｓと補助的に加えられた共振コンデンサＣａを脱着交換可能とすることによって、いろいろなサイズの無機ＥＬ素子に対する柔軟性が高くなり、その他の回路部分の共通性が高くなった。このことは量産性が向上することにつながる。

従来、無機ＥＬ素子のインバータ回路は見込み生産と在庫は難しいとされてきたが、本発明により共通回路部分の見込み生産が可能となり、インバータ回路の生産計画の合理化が可能となる。

また、インバータ回路の流通段階での在庫も可能となり、少ないロットの注文にも柔軟に対応することが可能となる。これにより、無機ＥＬ素子の普及のための最大の障害が取り除かれることになった。

そして、また、熱陰極管の点灯用途においてもローコストなインバータ回路を実現できた。

本発明の一実施例を従来のハーフブリッジ型の電流共振型回路により構成した場合の回路図である。本発明の他の実施例を従来のハーフブリッジ型の電流共振型回路により構成した場合の回路図である。本発明の更に他の実施例を陰極管用インバータ回路であるスイッチスナバ回路型により構成した場合の電流共振型回路である。本発明に係る実施例回路を無機ＥＬ素子に応用した場合の回路図である。本発明における直列共振回路の等価回路図である。従来の中ないし小電力の点灯回路としてフライバック昇圧回路とフルブリッジ・スイッチング回路とを組み合わせた構成の一例を示す点灯回路図である。従来の大電力の無機EL素子用インバータ回路として、無機ＥＬ素子の有する容量成分を利用した直列共振により正弦波駆動を行う構成の一例を示すインバータ回路図である。従来のインバータ回路における矩形出力波形による駆動が無機ＥＬ素子の寿命を悪化させる一例を説明する関係図である。従来の無機EL素子の有する容量成分とこれに直列に接続されたチョークコイルにより直列共振を起こさせる一例を示す等価回路である。

Claims

電流共振型の直列共振回路による昇圧回路と該昇圧回路により駆動される無機EL素子を有し、該無機EL素子は該直列共振回路の容量成分と並列に接続され、該容量成分は無機EL素子の有する特性容量と補助的に設けられた補助容量とからなり、該補助容量の値を大きく設定し、相対的にチョークコイルの値を小さく設定することを特徴とする無機EL素子用インバータ回路。
前記直列共振回路において、共振電流の検出を前記補助的に設けられた補助容量に流れる電流を検出して発振を行う請求項１記載の無機EL素子用インバータ回路。
前記直列共振回路の駆動回路を、チョークコイルとスイッチスナバ回路とで構成されるフライバック回路に置き換えた請求項１又は２記載の無機EL素子用インバータ回路。
前記直列共振回路のチョークコイルと補助的に設けられた補助容量とを脱着交換可能な機構とした請求項１乃至３のいずれかに記載の無機EL素子用インバータ回路。
請求項１乃至４のいずれかに記載の無機EL素子を熱陰極管に置き換えた熱陰極管用インバータ回路。