JP4884665B2 - 直流−交流変換装置、そのコントローラic、及び直流−交流変換装置の並行運転システム - Google Patents

直流−交流変換装置、そのコントローラic、及び直流−交流変換装置の並行運転システム Download PDF

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Description

本発明は、電気機器付属の電源アダプタや、バッテリーなどの直流電源から、負荷を駆動するための交流電圧を発生する直流ー交流変換装置(以下、インバータという)、そのコントローラIC、及びインバータの並行運転システムに関する。
ノートパソコンの液晶モニタや、液晶テレビ受像機などの液晶ディスプレイのバックライト光源として、冷陰極蛍光灯(CCFL)が用いられるようになってきている。このCCFLは、通常の熱陰極蛍光灯よりも一般的に高い効率と長い寿命を持っており、そして、熱陰極蛍光灯が持っているフィラメントを省いている。
このCCFLを起動及び動作させるためには、高い交流電圧を必要とする。例えば、起動電圧は約1000Vであり、動作電圧は約600Vである。この高い交流電圧を、インバータを用いて、ノートパソコンや液晶テレビ受像機などの直流電源から発生させる。
以前から、CCFL用インバータとして、ロイヤー(Royer)回路が一般的に用いられている。このロイヤー回路は、可飽和磁芯変圧器、制御トランジスタなどから構成され、そして、可飽和磁芯変圧器の非線形透磁率、制御トランジスタの非線形電流ゲイン特性により自己発振する。ロイヤー回路自身は外部クロックやドライバー回路を必要としない。
しかし、ロイヤー回路は、基本的には一定電圧インバータであり、入力電圧や負荷電流が変化する場合には一定出力電圧を維持できない。したがって、ロイヤー回路に電力を供給するためのレギュレータを必要とする。このようなことから、ロイヤー回路を用いたインバータは、小型化が難しく、また、電力変換効率も低い。
センタータップに直流電圧が供給される一次巻線と交流電圧出力用の二次巻線を持つセンタータップ型変圧器を用いたインバータが提案されている(特許文献1及び特許文献2参照)。
特許文献1のインバータは、一次巻線のセンタータップに直流電圧が供給され、一次巻線の各端とグランド間にそれぞれ半導体スイッチを有しており、それらの半導体スイッチが交互にオン・オフされる。そのインバータに供給する直流電圧を、PWM制御するPWM制御装置を設けている。そして、PWM制御装置による直流電流の制御により、インバータから負荷へ供給する電力の制御を行う。
特許文献2のインバータは、センタータップに直流電源が接続された1次巻線、交流電圧出力用の2次巻線、フィードバック用の3次巻線を有する昇圧トランスと、その昇圧トランスの1次巻線の両端間に接続され、この1次巻線のインダクタンスとの間でLC共振回路を構成する共振キャパシタと、一端側がその共振キャパシタの異なる端部にそれぞれ接続され他端側がアースされ、3次巻線の出力電圧により交互にオン、オフされる一対の半導体スイッチと、そのLC共振回路内に接続された可変インダクタを備えている。そして、可変インダクタのインダクタンスを制御することにより、インバータの出力電圧を制御している。
従来のロイヤー回路を用いたものでは小型化が難しく、また、変換効率も低い問題がある。特許文献1のものでは、インバータとは別に、そのインバータに供給する直流電圧をPWM制御するためのPWM制御装置を必要とするから、直流−交流変換装置全体としての構造が複雑になり、また小型化が難しい。また、特許文献2のものでは、LC共振回路内に接続された可変インダクタを備え、そのインダクタンスを制御して出力電圧を制御するから、構造が複雑になり、また小型化が難しい。
さらに、ノートパソコンの液晶モニタや、液晶テレビ受像機などの液晶ディスプレイの大画面化に伴い、バックライト光源として複数のCCFLが分散されて配置されるようになってきている。この場合、複数のCCFLからの光が干渉し合ってちらつきなどの原因となるために、各CCFLを同期して同相で点灯させることが必要となる。
このために、インバータをディスクリート回路で構成して、同相の交流電力を複数のCCFLに供給することが考えられる。
しかし、CCFLへの高電圧の配線は、その引き回し距離を短くして他の装置への影響を低減することが必要であること、また、CCFLの寄生キャパシタンスを変圧器との共振に有効に利用すること等の理由により、各CCFLを制御するためのインバータは、できるだけそのCCFLに近接して配置することが望ましい。
特表2002−500427号公報 特開平6−14556号公報
そこで、本発明は、直流電源から、負荷を駆動するための交流電圧を発生するためのインバータであって、直流電圧が供給されるセンタータップ付き一次巻線を持つ変圧器を用いて、簡素な構成で負荷への電力供給をきめ細かく調整可能にするとともに、複数個の負荷の並行運転に好適なインバータ、そのコントローラIC、及び複数個のインバータを同期して同相で制御するインバータ並行運転システムを提供することを目的とする。
本明細書中に開示されている第1の構成のコントローラICは、負荷FLを駆動する第1、第2半導体スイッチ101、102を制御するためのコントローラICであって、
周波数決定用キャパシタ及び周波数決定用抵抗器が接続されたときに、前記半導体スイッチをPWM制御するための、第1三角波信号CTと該第1三角波信号を反転した関係にある第2三角波信号CTIとを発生することができる発振器ブロック201と、
前記負荷に流れる電流を検出した検出電流に基づいて形成された帰還信号FBと前記第1三角波信号CTとを比較して第1パルス幅変調信号を発生し、前記帰還信号FBと前記第2三角波信号CTIとを比較して第2パルス幅変調信号を発生するパルス幅変調回路250とを有し、
前記第1パルス幅変調信号に基づいて前記第1半導体スイッチ101をオンさせる第1スイッチ駆動信号N1及び前記第2パルス幅変調信号に基づいて前記第2半導体スイッチ102をオンさせる第2スイッチ駆動信号N2が、前記第1半導体スイッチと前記第2半導体スイッチとが交互にオンし、且つ前記第1半導体スイッチと前記第2半導体スイッチが交互にオンする間に前記第1、第2半導体スイッチが全てオフするオフ期間を設けるタイミングで発生されることを特徴とする。
本明細書中に開示されている第2の構成のコントローラICは、上記第1の構成のコントローラICにおいて、前記発振器ブロック201は、外部から三角波信号が供給されるときにそれと反転した関係にある三角波信号を発生することを特徴とする。
本明細書中に開示されている第3の構成のコントローラICは、上記第1または第2の構成のコントローラICにおいて、前記第1スイッチ駆動信号N1は、前記第1半導体スイッチ101を、前記第1三角波信号CTの一方頂点の時点でオンし、その直後の前記第1三角波信号CTと前記帰還信号FBとが等しくなるまでオンを継続させ、
前記第2スイッチ駆動信号N2は、前記第2半導体スイッチ102が、前記第2三角波信号CTIの前記一方頂点の時点でオンし、その直後の前記第2三角波信号CTIと前記帰還信号FBとが等しくなるまでオンを継続させることを特徴とする。
本明細書中に開示されている第4の構成のインバータは、センタータップ付き一次巻線と少なくとも1つの二次巻線とを持ち、前記センタータップTが直流電源の第1電位点VDDに接続される変圧器TRと、
前記一次巻線の一端Aと前記直流電源の第2電位点GNDとの間に接続された第1半導体スイッチ101と、
前記一次巻線の他端Bと前記第2電位点GNDとの間に接続された第2半導体スイッチ102と、
前記二次巻線に接続された負荷FLに流れる電流を検出するための電流検出回路と、
第1三角波信号CTと、該第1三角波信号を反転した関係にある第2三角波信号CTIとを発生する発振回路と、
前記電流検出回路の検出電流に基づいて形成された帰還信号FBと前記第1三角波信号CTとを比較して第1パルス幅変調信号を発生し、前記帰還信号FBと前記第2三角波信号CTIとを比較して第2パルス幅変調信号を発生するパルス幅変調回路250とを有し、
前記第1パルス幅変調信号に基づいて前記第1半導体スイッチ101をオンさせる第1スイッチ駆動信号N1及び前記第2パルス幅変調信号に基づいて前記第2半導体スイッチ102をオンさせる第2スイッチ駆動信号N2が、前記第1半導体スイッチと前記第2半導体スイッチとが交互にオンし、且つ前記第1半導体スイッチと前記第2半導体スイッチが交互にオンする間に前記第1、第2半導体スイッチが全てオフするオフ期間を設けるタイミングで発生されることを特徴とする。
本明細書中に開示されている第5の構成のインバータは、上記第4の構成のインバータにおいて、前記第1半導体スイッチ101は、前記第1三角波信号CTの一方頂点の時点でオンし、その直後の前記第1三角波信号CTと前記帰還信号FBとが等しくなるまでオンを継続し、
前記第2半導体スイッチ102は、前記第2三角波信号CTIの前記一方頂点の時点でオンし、その直後の前記第2三角波信号CTIと前記帰還信号FBとが等しくなるまでオンを継続することを特徴とする。
本明細書中に開示されている第6の構成のインバータは、上記第4または第5の構成のインバータにおいて、前記一次巻線の一端Aと前記第2電位点GNDとの間に接続された第1スナバ回路と、前記一次巻線の他端Bと前記第2電位点GNDとの間に接続された第2スナバ回路とを有することを特徴とする。
本明細書中に開示されている第7の構成のインバータは、上記第4または第5の構成のインバータにおいて、前記一次巻線の一端Aと前記第1電位点VDDとの間に接続された第1スナバ回路と、前記一次巻線の他端Bと前記第1電位点VDDとの間に接続された第2スナバ回路とを有することを特徴とする。
本明細書中に開示されている第8の構成のインバータの並行運転システムは、センタータップ付き一次巻線と少なくとも1つの二次巻線とを持ち、前記センタータップTが直流電源の第1電位点VDDに接続される変圧器TRと、
前記一次巻線の一端Aと前記直流電源の第2電位点GNDとの間に接続された第1半導体スイッチ101と、
前記一次巻線の他端Bと前記第2電位点GNDとの間に接続された第2半導体スイッチ102と、
前記二次巻線に接続された負荷FLに流れる電流を検出するための電流検出回路と、
周波数決定用キャパシタ及び周波数決定用抵抗器が接続されたときに第1三角波信号CTと該第1三角波信号を反転した関係にある第2三角波信号CTIとを発生するとともに、外部から三角波信号が供給されるときにそれと反転した関係にある三角波信号を発生することができる発振器ブロックを持つ発振回路と、
前記電流検出回路の検出電流に基づいて形成された帰還信号FBと前記第1三角波信号CTとを比較して第1パルス幅変調信号を発生し、前記帰還信号FBと前記第2三角波信号CTIとを比較して第2パルス幅変調信号を発生するパルス幅変調回路250とを有し、
前記第1パルス幅変調信号に基づいて前記第1半導体スイッチ101をオンさせる第1スイッチ駆動信号N1及び前記第2パルス幅変調信号に基づいて前記第2半導体スイッチ102をオンさせる第2スイッチ駆動信号N2が、前記第1半導体スイッチと前記第2半導体スイッチとが交互にオンし、且つ前記第1半導体スイッチと前記第2半導体スイッチが交互にオンする間に前記第1、第2半導体スイッチが全てオフするオフ期間を設けるタイミングで発生される、複数N個のインバータを有し、
前記複数N個のインバータのうちの1つのインバータのみに、前記発振回路から前記第1三角波信号及び前記第2三角波信号を発生させるように、前記周波数決定用キャパシタ及び前記周波数決定用抵抗器を接続し、
当該インバータから発生された前記第1、第2三角波信号のうちの前記第1三角波信号のみを、それ以外の他インバータに供給し、
N個全てのインバータで前記第1、第2三角波信号を用いて同期して同相のPWM制御を行うことを特徴とする。
本明細書中に開示されている第9の構成のインバータの並行運転システムは、上記第8の構成のインバータの並行運転システムにおいて、前記周波数決定用抵抗器の抵抗値は、インバータの起動時にはある小さい抵抗値に設定されており、その後により大きな抵抗値に設定されることを特徴とする。
本発明によれば、直流電源から、負荷を駆動するための交流電圧を発生するためのインバータにおいて、直流電源電圧が供給されるセンタータップ付き一次巻線を持つ変圧器を用い、その一次巻線の各端と共通電位点間に交互にオンされる第1、第2半導体スイッチを設け、負荷に流れる電流を帰還して各半導体スイッチをパルス幅変調(PWM)制御することにより、簡易な構成で、負荷への電力供給をきめ細かく調整することができる。
また、第1三角波信号CTと帰還信号FBとの比較により第1半導体スイッチを制御するための第1パルス幅変調信号を発生し、第1三角波信号を反転した関係にある第2三角波信号CTIと帰還信号FBとの比較により第2半導体スイッチを制御するための第2パルス幅変調信号を発生する。したがって、インバータを並行運転する際に、インバータ間で第1三角波信号のみを伝送すれば良いから、インバータ間の同期を従来のものに比して簡単に採ることができる。
また、一次巻線の端部A、Bと低インピーダンス点(即ち、第2電位点GNDもしくは、
第1電位点)との間に、それぞれスナバ回路を設けるから、切替時に第1、第2半導体スイッチに印加される異常な高電圧の発生を抑制することができる。特に、本発明のプッシュプル構成のものでは、常時、電源電圧VDDの2倍の電圧が印加されているから、その異常電圧の抑制は特に有効である。
以下、図面を参照して、本発明の、直流電源から負荷を駆動するための交流電圧を発生するインバータ、及びそのインバータの並行運転システムの実施例について説明する。
図1は、センタータップ付き一次巻線と二次巻線とを持つ絶縁変圧器TR、半導体スイッチ回路を用いてPWM制御する、本発明の実施例に係るインバータの全体構成を示す図である。図2は、そのためのインバータ制御用IC200の内部構成を示す図である。
図1において、変圧器TRは、一次巻線107がセンタータップTと一端の端子(以下、第1端子)Aと他端の端子(以下、第2端子)Bを持ち、負荷に交流電力を供給する二次巻線108を持つ絶縁変圧器である。この変圧器TRのセンタータップTに電池電源BATからの電源電圧VDDが供給される。この直流電源電圧VDDは、共通電位点であるグランドGNDとの間の電圧である。
また、電池電源BATの電圧VDDを、抵抗器121、ツェナーダイオード122及びNPN型バイポーラトランジスタ(以下、NPN)123とからなるシリーズレギュレータで、IC200の所定の電源電圧VCC(例、5〜14V)に調整して、IC200に供給する。なお、キャパシタ124は安定用キャパシタである。
第1半導体スイッチであるN型MOSFET(以下、NMOS)101は、変圧器TRの一次巻線107への第1方向の電流経路を形成するためのスイッチである。また、第2半導体スイッチであるNMOS102は、変圧器TRの一次巻線107への第2方向の電流経路を形成するためのスイッチである。このNMOS101とNMOS102が交互にオンされることにより、変圧器TRの一次巻線107に交番電流が流れる。
また、一次巻線107の第1端子Aとグランドとの間に、第1抵抗器103と第1キャパシタ104との直列回路からなる第1スナバ回路が接続される。同様に、一次巻線107の第2端子Bとグランドとの間に、第2抵抗器105と第2キャパシタ106との直列回路からなるスナバ回路が接続される。これらの第1、第2スナバ回路は、第1、第2端子A、Bに発生するサージ電圧などの異常高電圧を抑制する。
これらのNMOS101、NMOS102は、それぞれボディダイオード(即ち、バックゲートダイオード)を有している。このボディダイオードにより、本来の電流経路と逆方向の電流を流すことができる。なお、ボディダイオードと同様の機能を果たすダイオードを別に設けてもよい。
直流電源BATの電源電圧VDDがNMOS101、NMOS102を介して変圧器TRの一次巻線107に供給され、その2次巻線108に巻線比に応じた高電圧が誘起される。この誘起された高電圧が負荷である冷陰極蛍光灯FLに供給されて、冷陰極蛍光灯FLが点灯する。
キャパシタ111、キャパシタ112は、抵抗器117、抵抗器118とともに、冷陰極蛍光灯FLに印加される電圧を検出して、コントローラIC200にフィードバックするものである。抵抗器114、抵抗器115は、冷陰極蛍光灯FLに流れる電流を検出して、コントローラIC200にフィードバックするものである。また、キャパシタ111は、そのキャパシタンスと変圧器TRのインダクタンス成分とで共振させるためのものであり、この共振には冷陰極蛍光灯FLの寄生キャパシタンスも寄与する。113、116、119、120は、ダイオードである。
コントローラIC200は複数の入出力ピンを有している。第1ピン1Pは、PWMモードと間欠動作(以下、バースト)モードの切替端子であり、外部からそれらモードの切替及びバーストモード時のデューティ比を決定するデューティ信号DUTYが入力される。第2ピン2Pは、バーストモード発振器(BOSC)の発振周波数設定容量接続端子であり、設定用キャパシタ131が接続され、バースト用三角波信号BCTが発生する。第3ピン3Pは、BOSCの発振周波数設定抵抗接続端子であり、設定用抵抗器132が接続される。
第4ピン4Pは、PWMモード発振器(OSC)の発振周波数設定容量接続端子であり、設定用キャパシタ133が接続され、PWM用三角波信号CTが発生する。第5ピン5Pは、第4ピン4Pへの充電電流を設定する抵抗接続端子であり、設定用抵抗器134が接続され、その電位RTと抵抗値に応じた電流が流れる。
第6ピン6Pは、第4ピン4Pへの充電電流を設定する抵抗接続端子であり、設定用抵抗器135が接続され、内部回路の制御によりこの抵抗器135が設定用抵抗器134に並列に接続されるかあるいは切り離され、その電位SRTはグランド電位GNDか、第5ピン5Pの電位RTになる。第7ピン7Pは、接地端子であり、グランド電位GNDにある。
第8ピン8Pは、第1誤差増幅器出力端子であり、この第8ピン8Pと第9ピン9Pとの間にキャパシタ136が接続される。第8ピン8Pの電位が帰還電圧FBとなり、PWM制御のための制御電圧になる。以下、各電圧は、特に断らない限り、グランド電位を基準としている。
第9ピン9Pは、抵抗器138を介して、冷陰極蛍光灯FLに流れる電流に応じた電流検出信号(以下、検出電流)ISが入力され、第1誤差増幅器に入力される。
第10ピン10Pは、抵抗器139を介して、冷陰極蛍光灯FLに印加される電圧に応じた電圧検出信号(以下、検出電圧)VSが入力され、第2誤差増幅器に入力される。第10ピン10Pには、キャパシタ137が第8ピン8Pとの間に接続される。
第11ピン11Pは、起動信号入力端子であり、起動信号STBが印加される。第12ピン12Pは、この例では空き端子である。
第13ピン13Pは、レギュレータ用端子であり、その内部でレギュレータブロックに接続される。ピン13Pに接続されるキャパシタ142は、レギュレータの安定動作用である。
第14ピン14Pは、スロースタート設定容量接続端子であり、キャパシタ141がグランドとの間に接続され、起動時に徐々に上昇するスロースタート用の電圧SSが発生する。
第15ピン15Pは、タイマーラッチ設定容量接続端子であり、内部の保護動作用の動作時限を決定するためのキャパシタ140が接続され、キャパシタ140の電荷に応じた電位SCPが発生する。
第16ピン16Pは、NMOS102のゲート駆動信号N2を出力する端子である。第17ピン17Pは、外付けFETドライブ回路のグランド端子PGNDである。第18ピン18Pは、NMOS101のゲート駆動信号N1を出力する端子である。
第19ピン19Pは、内部で検出された故障検出信号を外部へ出力するための端子FAILである。第20ピン20Pは、IC200での電源電圧VCCを入力する電源端子である。
コントローラIC200の内部構成を示す図2において、OSCブロック201は、第4ピン4Pに接続されたキャパシタ133と第5ピン5Pに接続された抵抗器134、135により周期等が決定されるPWM用の第1三角波信号CT及びその第1三角波信号を反転した関係にある第2三角波信号CTIとを発生し、PWM比較器を含むPWMブロック250に供給すると共に、第1三角波信号CTに同期している内部クロックCLKを発生しロジックブロック203に供給する。このOSCブロック201、キャパシタ133及び抵抗器134、135により、PWM用の発振回路が構成される。
この第1三角波信号CT及びそれと反転した関係にある第2三角波信号CTIは、上がり区間の時間と下がり区間の時間とが等しい三角形状(即ち、2等辺三角形状)であることがよい。
また、OSCブロック201は、第5ピン5Pに抵抗器134等が接続されないときには、三角波信号CT、CTIを発生しない。しかし、外部から、第5ピン5Pに例えば第1三角波信号CTが入力されると、それと反転した関係にある第2三角波信号CTIを形成する。また、クロックCLKも形成する。したがって、この場合にも、IC200内部において、第1、第2三角波信号CT、CTI及びクロックCLKを使用できる。
BOSCブロック202は、第2ピン2Pに接続されたキャパシタ131や第3ピン3Pに接続された抵抗器132等により決定される周期のバースト用三角波信号BCTを発生する。バースト用三角波信号BCTの周波数(BCT周波数)は、第1三角波信号CTの周波数(CT周波数)より、著しく低く設定される(BCT周波数<CT周波数)。
第1ピン1Pに供給されるアナログ(直流電圧)のデューティ信号DUTYとバースト用三角波信号BCTを比較器221で比較し、この比較出力でオア回路239を介して、NPN234を駆動する。なお、第1ピン1Pにディジタル(PWM形式)のデューティ信号DUTYが供給される場合には、第2ピン2Pに抵抗器を接続しBOSCブロック202からバースト用所定電圧を発生させる。
ロジックブロック203は、第1、第2PWM制御信号、クロック信号などが入力され、所定のロジックにしたがって第1、第2スイッチ制御信号を生成する。また、出力ブロック204は、その第1、第2スイッチ制御信号にしたがって、第1、第2スイッチ駆動信号(ゲート駆動信号)N1、N2を形成し、それをNMOS101、102のゲートに印加する。
起動信号STBが入力されると、比較器217への入力がその基準電圧Vref6を越えるから、比較器217の出力によりシステムオフが解除されてIC200内部が動作状態になる。また、比較器217の出力は、ロジックブロック203に向けて反転回路249を介して供給され、ロジックブロック203を駆動可能にする。
同時に、比較器217の出力により、スロースタートブロック205が起動する。スロースタートブロック205は、起動すると、外付けキャパシタ141を充電しつつ、スロースタート電圧SSが緩やかに上昇する。このスロースタート電圧SSは、PWMブロック250に供給されて、PWM制御のスロースタートに使用される。したがって、起動時には、PWM制御は、スロースタート電圧SSにしたがって行われる。
また、比較器217の出力により、オア回路243を介してフリップフロップ(FF)回路242をリセットする。
なお、起動時に、検出電流ISが比較器213の基準電圧Vref4を越えた時点で、NMOS246をオフする。これにより、抵抗器135を切り離し、PWM用の第1、第2三角波信号CT、CTIの周波数を変更する。
REGブロック207は、電源電圧VCCから、より安定した所定電圧レベルの調整電圧VREGを発生し、所要の各回路に供給する。
第1誤差増幅器211には、冷陰極蛍光灯FLを流れる電流に比例した検出電流ISが入力され、基準電圧Vref2(例、1.25V)と比較され、その誤差に応じた出力により、定電流源I1に接続されたNPN235を制御する。このNPN235のコレクタは第8ピン8Pに接続されており、この接続点の電位が帰還電圧FBとなり、PWMブロック250に比較入力として入力される。
PWMブロック250では、第1三角波信号CTと、第2三角波信号CTIと、帰還電圧FBと、スロースタート電圧SSとが入力される。
図3は、PWMブロック250の回路構成例を示す図である。図3において、PWMブロック250は、第1PWM比較器251と、第2PWM比較器252とを有している。
第1PWM比較器251には、第1三角波信号CTと、帰還電圧FBと、スロースタート電圧SSとが入力され、帰還電圧FBとスロースタート電圧SSとの低い方の電圧と、第1三角波信号CTとを比較して、第1比較結果出力(第1パルス幅変調信号)n1を出力する。
第2PWM比較器252には、第2三角波信号CTIと、帰還電圧FBと、スロースタート電圧SSとが入力され、帰還電圧FBとスロースタート電圧SSとの低い方の電圧と、第2三角波信号CTIとを比較して、第2比較結果出力(第2パルス幅変調信号)n2を出力する。
再び、図2に戻って説明する。PWMブロック250からの第1比較結果出力n1と反転回路249からの信号とが、反転入力端子付のアンド回路247を介してロジックブロック203に入力される。また、PWMブロック250からの第2比較結果出力n2と反転回路249からの信号とが、反転入力端子付のアンド回路248を介してロジックブロック203に入力される。
これらの第1、第2比較結果出力n1、n2やクロックCLKに基づいて、ロジックブロック203、出力ブロック204により、第1、第2スイッチ駆動信号N1、N2が形成される。
また、第8ピン8Pと第9ピン9Pとの間には、キャパシタ136が接続されているから、帰還電圧FBは滑らかに増加あるいは減少する。したがって、PWM制御はショックなく、円滑に行われる。
第2誤差増幅器212には、冷陰極蛍光灯FLに印加されている電圧に比例した検出電圧VSが入力され、基準電圧Vref3(例、1.25V)と比較され、その誤差に応じた出力により、ダブルコレクタの一方が定電流源I1に接続されたダブルコレクタ構造のNPN238を制御する。このNPN238のコレクタはやはり第8ピン8Pに接続されているから、検出電圧VSによっても 帰還電圧FBが制御される。なお、帰還電圧FBが基準電圧Vref1(例、2.4V)を越えると、PNPトランジスタ(以下、PNP)231がオンし、帰還電圧FBの過上昇を制限する。
比較器215は、電源電圧VCCを抵抗器240、241で分圧した電圧と基準電圧Vref7とを比較し、電源電圧VCCが所定値に達した時点でその出力を反転し、オア回路243を介してFF回路242をリセットする。また、比較器215の出力は、ロジックブロック203にも供給される。
比較器218は、スロースタート電圧SSを基準電圧Vref8(例、2.2V)と比較し、スロースタート電圧SSが大きくなるとアンド回路244及びオア回路239を介してNPN234をオンする。NPN234のオンにより、ダイオード232が電流源I2により逆バイアスされ、その結果第1誤差増幅器211の通常動作を可能にする。なお、ダイオード237とPNP236との直列回路が、NPN234のコレクタとグランド間に接続され、PNP236のベースに基準電圧Vref2が印加される。
比較器219は、ダブルコレクタの他方が定電流源I3に接続されたNPN238が第2誤差増幅器212によりオンされると、その電圧が基準電圧Vref9(例、3.0V)より低下し、比較出力が反転する。比較器220は、帰還電圧FBを基準電圧Vref10(例、3.0V)と比較し、帰還電圧FBが高くなると、比較出力が反転する。
比較器219、220の出力及び比較器213の出力がオア回路245を介してアンド回路244に入力される。アンド回路244の出力をタイマーブロック206に印加し、所定時間を計測して出力する。このタイマーブロック206の出力により、FF242をセットし、このFF回路242のQ出力によりロジックブロック203の動作を停止する。また、FF回路242のQ出力を反転回路222を介して、FAIL信号として第19ピンP19に供給する。
次に、以上のように構成されるインバータの動作を、図4のタイミングチャートをも参照して説明する。
デューティ信号DUTYがバースト用三角波信号BCTを越えている間は、PWM制御が行われる。一方、デューティ信号DUTYがバースト用三角波信号BCTを下回っている間は、PWM制御が停止され、冷陰極蛍光灯FLへの電力供給は停止される。
PWM用三角波信号CTの周波数は例えば50kHzであり、これを周波数が例えば150Hzの三角波信号BCTでバースト制御するから、視覚上で何らの問題はない。そして、デューティ信号DUTYの大きさを制御することにより、PWM制御のみによって冷陰極蛍光灯FLへ供給可能な範囲を超えて、さらに広範囲に電力供給、即ち光量の制御を行うことができる。
具体的に回路動作を見ると、デューティ信号DUTYがバースト用三角波信号BCTを下回っている間は、比較器221の出力は低(L)レベルにあり、NPN234はオフしている。
これにより、ダイオード232が定電流源I2により順バイアスされ、第1誤差増幅器211の入力は高い値になり、NPNトランジスタ235がオンされ、帰還電圧FBは低い電圧に規制される。
第1PWM比較器251は、2つの負(−)入力のうちのより低い方の電圧と、正(+)の第1三角波信号CTとが比較される。また、第2PWM比較器252は、2つの負(−)入力のうちのより低い方の電圧と、正(+)の第2三角波信号CTIとが比較される。従って、この場合には、第1、第2比較結果出力(第1、第2パルス幅変調信号)n1、n2は出力されない。
次に、デューティ信号DUTYがバースト用三角波信号BCTを上回ると、NPN234はオンし、ダイオード232は逆バイアスされてオフする。このとき、検出電流ISは低い値にあるから、第1誤差増幅器211は入力される検出電流ISに応じた出力を発生し、NPN235の導通度を制御する。
そのNPN235のコレクタ電圧、即ち帰還電圧FBは、第8、第9ピン間に接続されているキャパシタ136の作用により、緩やかに上昇して行き、本来の帰還に応じた定常値に達する。これにより、PWMブロック250から第1、第2パルス幅変調信号n1、n2がロジックブロック203に供給されて、ゲート駆動信号N1、N2が出力されて、NMOS101、102がPWM制御される。
次に、以上のように構成されるインバータの並行運転システムの構成及び動作を、図5をも参照して説明する。図5は、図1及び図2からインバータの並行運転システムの動作に関係する部分を取り出し、各インバータ間の相互接続関係を示した説明用の回路図である。
並行運転される複数のインバータは、液晶ディスプレイの各所に配置されている複数のCCFLに、それぞれ近接して設けられている。勿論、1つのインバータで2本以上のCCFLに対応させても良い。この場合には、図1の変圧器TRの二次巻線を複数とし、それぞれの二次巻線から冷陰極蛍光灯FLに給電する。或いは、図1のコントローラIC200に複数系統のPWM制御回路部を設け、複数系統のPWM駆動信号を出力するようにしてもよい。
図5において、各インバータのコントローラIC200A〜2OONは全て、内部構成は同一であるので、代表してコントローラIC200Aについて説明する。
OSCブロック201は、PWM用の第1三角波信号CTを出力すべき、第1の信号線が外部端子4Pに接続され、また、第2の信号線が外部端子5Pに接続される。また、OSCブロック201は、PWM用の第2三角波信号CTIと、第1三角波信号CTと同期した同一周波数のクロック信号CLKを出力する。第1、第2三角波信号CT、CTIはPWMブロック250へ供給され、クロック信号CLKはロジックブロック203へ供給される。
比較器217は、外部端子11Pの電位STBを基準電圧Vref6と比較し、電位STBが基準電圧Vref6を越えている間は、コントローラIC200Aをシステム・オンする。逆に、電位STBが基準電圧Vref6より低い間は、コントローラIC200Aをシステム・オフする。
このように構成されるコントローラIC200A〜200Nにおいて、外部端子4P、外部端子11Pが、それぞれ相互に接続される。
コントローラIC200Aを主コントローラとすると、コントローラIC200Aの外部端子4Pにグランドとの間に周波数決定用コンデンサ133を接続し、その外部端子5Pにグランドとの間に周波数決定用抵抗器134を接続し、その外部端子5Pと外部端子6P間に起動抵抗器135を接続する。さらに、その外部端子11Pに、起動信号STBを供給する。副コントローラICとなるコントローラIC200B〜200Nには、これらの抵抗器及びコンデンサは接続されない。
以上のように構成されている、インバータの並行運転において、起動信号STBがHレベルに設定されると、比較器217の出力がHレベルからLレベルに反転し、各コントロールIC200A〜200Nがシステム・オンする。
システム・オンにより、主コントローラIC200AのOSCブロック201は、周波数決定用コンデンサ133及び周波数決定用抵抗器134、起動抵抗器135により決定される起動時用の比較的高い周波数の第1、第2三角波信号CT、CTIとクロック信号CLKを発生する。
副コントローラ200B〜200Nは、主コントローラIC200Aとほぼ同時にシステム・オンされるが、外部端子5Pに周波数決定用抵抗器134(勿論、起動抵抗器135も)が接続されていないので、第1、第2三角波信号CT、CTI、クロック信号CLKを自らは発生しない。
主コントローラ200Aで発生された第1三角波信号CTは、それぞれ相互接続されている副コントローラIC200B〜200Nに供給される。副コントローラIC200B〜200Nでは、主コントローラIC200Aから供給された第1三角波信号CTに基づいて、第2三角波信号CTIとクロック信号CLKが形成される。
これにより、副インバータは、主コントローラ200Aを持つ主インバータと同期して動作するから、全てのインバータは同期して同相で動作する。そして、それぞれのインバータを、分散されて配置されているCCFL(液晶ディスプレイのバックライト光源)に近接して配置できる。
したがって、複数のCCFLが同期して発光するから、光が干渉し合ってちらつきことを防止できる。また、各インバータと各CCFLとが近接配置されるから、高電圧の配線を引き回すことによる他装置への影響を低減できる。また、CCFLの寄生キャパシタンスを、変圧器との共振に有効に利用することもできる。
特に、並行運転するべき複数のインバータ間で、同期運転のために、第1三角波信号CTのみを伝送するだけでよいから、各インバータ相互間の接続線の数を少なくできる。
なお、以上の実施の形態では、全てのコントローラIC200A〜200Nの外部端子11Pを相互に接続して、全てのコントローラIC、即ち全てのインバータを共通に起動及び停止するようにしている。これに代えて、起動信号STを、個々のコントローラIC毎や、グループ化したコントローラIC群毎に与えるようにして、インバータを別々に起動・停止するようにしても良い。この場合でも、インバータの同期運転は、支障なく行うことができる。
このように、高電圧を必要とする複数個の負荷に近接して各インバータを配置するとともに、各インバータに周波数決定用抵抗器が接続されたか否かにより発振の動作・不動作が決定される。そして、外部から供給される第1三角波信号CTに基づいて第2三角波信号CTI及びクロック信号CLKを形成するOSCブロック201を設けることにより、1つのインバータを主とし、他のインバータを副として、複数負荷を容易に同期して同相で制御することができる。
また、各インバータに同一のコントローラICを用い、その同一機能の所定の端子同士を共通接続し、主となるコントローラICのみに発振動作を行わせるから、全体システムの構成が簡易になり、また、使用される負荷の数に制限を受けることがない。
次に、以上のように構成されるインバータの動作を、図4のタイミングチャートとともに、図6の各タイミングにおける動作状態図、及び、図7,図8の波形図を参照して説明する。
図4に示されるように、第1スイッチ駆動信号N1は、第1三角波信号CTの一方頂点(例、下方の頂点)の時点でオンし、その直後の第1三角波信号CTと帰還信号FBとが等しくなるまでHレベルである。第1半導体スイッチ101は、第1スイッチ駆動信号N1のHレベルでオンするから、この期間だけオンを継続する。
また、第2スイッチ駆動信号N2は、第2三角波信号CTIの一方頂点(例、下方の頂点)の時点でオンし、その直後の第2三角波信号CTIと帰還信号FBとが等しくなるまでHレベルである。第2半導体スイッチ102は、第2スイッチ駆動信号N2のHレベルでオンするから、この期間だけオンを継続する。
そして、第1、第2スイッチ駆動信号N1、N2は、第1半導体スイッチ101と第2半導体スイッチ102とが交互にオンし、且つそれらが交互にオンする間に第1、第2半導体スイッチ101、102が全てオフするオフ期間を設けるタイミングで、発生される。
図4の区間iにおいて、ゲート駆動信号N1はHレベルであり、NMOS101がオンし、一次巻線107にはセンタータップTから第1端子Aを通って第1方向に、直流電源BAT(電源電圧VDD)から電流が流れている。この状態が、図6の(i)に示されている。第1端子Aの電圧(以下、A点電圧)Vaは、図7のようにグランド電圧GNDであり、抵抗器103、キャパシタ104の直列回路からなる第1スナバ回路には電流は流れていない。
区間iiになると、ゲート駆動信号N1がLレベルになり、NMOS101、102は、全てオフになる。この状態が、図6の(ii)に示されている。この区間iiでは、変圧器TRの蓄積エネルギーにより、第1方向の電流が、NMOS102のボディダイオードや、抵抗器105,キャパシタ106の直列回路からなる第2スナバ回路から、第2端子B、センタータップTを介して直流電源BAT(電源電圧VDD)に流れる。この状態では、A点電圧Vaは、図7のように電源電圧VDDの2倍に、ボディダイオードによる降下電圧Vfを加算した電圧、2×VDD+Vf、になる。
区間iiiにおいて、ゲート駆動信号N2はHレベルであり、NMOS102がオンし、一次巻線107にはセンタータップTから第2端子Bを通って第2方向に、直流電源BAT(電源電圧VDD)から電流が流れている。この状態が、図6の(iii)に示されている。A点電圧Vaは、図7のように電源電圧VDDの2倍(2×VDD)である。
区間ivになると、ゲート駆動信号N2がLレベルになり、NMOS101、102は、全てオフになる。この状態が、図6(iv)に示されている。この区間ivでは、変圧器TRの蓄積エネルギーにより、第2方向の電流が、NMOS101のボディダイオードや第1スナバ回路から、第1端子A、センタータップTを介して直流電源BAT(電源電圧VDD)に流れる。この状態では、A点電圧Vaは、図7のようにグランド電圧より、ボディダイオードによる降下電圧Vfだけ低い電圧、−Vf、になる。
図7は、第1、第2スナバ回路を設けた本発明の実施例における、A点電圧Vaと負荷電流Ioを示す図であり、図8は、図7と対応して示す、第1、第2スナバ回路を設けない場合のA点電圧Vaと負荷電流Ioを示している。
本発明の特性を示す図7では、A点電圧Vaの上限は、電源電圧VDDの2倍の電圧にボディダイオードによる降下電圧Vfを加えた電圧(2×VDD+Vf)になっている。これに対して、第1、第2スナバ回路を設けない場合の特性を示す図8では、A点電圧Vaは、区間iiに入ったときに、非常に高いスパイク状の異常電圧Vpeakが発生する。この異常電圧Vpeakは、電源電圧VDDの5〜6倍程度になることが測定されている。
この異常電圧Vpeakが発生する場合には、その異常電圧Vpeakに耐え得る高耐圧設計の素子を使用する必要があるし、また、その異常電圧Vpeakが周囲へのノイズ発生源となってしまう。
特に、本発明のようなプッシュプル構成の電源回路では、常時、電源電圧VDDの2倍の電圧が、端子A、B、即ちスイッチ素子101、102に印加されるから、電源電圧VDDの5〜6倍にも達する異常電圧の抑制は特に有効である。
図9は、スナバ回路の他の構成例を示す図である。図9では、一次巻線107の一端AとセンタータップTとの間に抵抗器103とキャパシタ104との直列回路からなる第1スナバ回路を設け、また、一次巻線107の他端BとセンタータップTとの間に抵抗器105とキャパシタ106との直列回路からなる第2スナバ回路を設けている。
この図9のインバータ回路においても、図1における第1、第2スナバ回路と同じように、一次巻線107の端子A、Bに発生する異常な過電圧を抑制することができる。即ち、第1、第2スナバ回路は、一次巻線107の各端A、Bとインピーダンスの低い電位点VDD、GNDとの間に接続すればよい。なお、図1や図9の各スナバ回路において、スナバ用の抵抗器103、105を省略してもよい。
本発明の実施例に係るインバータの全体構成を示す図 図1のためのインバータ制御用IC200の内部構成を示す図 図2のPWMブロックの回路構成例を示す図 図1のインバータのタイミングチャート 本発明のインバータの並行運転システムの構成を示す図 図4の各タイミングにおける動作状態を示す図 本発明のインバータにおける変圧器の一次巻線の電圧波形図 従来のインバータにおける変圧器の一次巻線の電圧波形図 スナバ回路の他の構成例を示す図
符号の説明
TR センタータップ付き変圧器
FL 冷陰極蛍光灯
BAT 直流電源(電池電源)
101、102 第1、第2半導体スイッチ
103、105 スナバ用 抵抗器
104、106 スナバ用キャパシタ
200、200A〜200N インバータ制御用IC
201 OSCブロック
202 BOSCブロック
203 ロジックブロック
204 出力ブロック
250 PWMブロック
251、252 第1、第2PWM比較器
VDD 電源電圧
VCC 電源電圧
N1、N2 ゲート駆動信号
STB 起動信号
CT PWM用第1三角波信号
CTI PWM用第2三角波信号
FB 帰還電圧
IS 検出電流
SS スロースタート電圧
BCT バースト用三角波信号
DUTY バースト用デューティ信号

Claims (9)

  1. 負荷を駆動する第1、第2半導体スイッチを制御するためのコントローラICであって、
    周波数決定用キャパシタ及び周波数決定用抵抗器が接続されたときに、前記第1、第2半導体スイッチをパルス幅変調制御するための、第1三角波信号と該第1三角波信号を反転した関係にある第2三角波信号とを発生することができる第1発振器ブロックと、
    前記負荷に流れる電流を検出した検出電流に基づいて形成された帰還信号と前記第1三角波信号とを比較して第1パルス幅変調信号を発生し、前記帰還信号と前記第2三角波信号とを比較して第2パルス幅変調信号を発生するパルス幅変調回路と
    前記第1、第2三角波信号よりも低い周波数のバースト用三角波信号を生成する第2発振器ブロックと、
    所定のバースト用デューティ信号と前記バースト用三角波信号とを比較する比較器と、
    前記比較器の出力に基づいて前記第1、第2半導体スイッチのパルス幅変調制御を行うか停止するかを決定するバースト制御回路と、
    を有し、
    前記第1、第2半導体スイッチのパルス幅変調制御が行われる期間において、
    前記第1パルス幅変調信号に基づいて前記第1半導体スイッチをオンさせる第1スイッチ駆動信号及び前記第2パルス幅変調信号に基づいて前記第2半導体スイッチをオンさせる第2スイッチ駆動信号は、前記第1半導体スイッチと前記第2半導体スイッチとが交互にオンするように、且つ前記第1半導体スイッチと前記第2半導体スイッチが交互にオンするように切り替わる際に前記第1、第2半導体スイッチが共にオフする同時オフ期間を設けるように発生されることを特徴とする、コントローラIC。
  2. 前記第1発振器ブロックは、外部から三角波信号が供給されるときにそれと反転した関係にある三角波信号を発生することを特徴とする、請求項1に記載のコントローラIC。
  3. 前記第1スイッチ駆動信号は、前記第1半導体スイッチを、前記第1三角波信号の一方頂点の時点でオンし、その直後の前記第1三角波信号と前記帰還信号とが等しくなるまでオンを継続させ、
    前記第2スイッチ駆動信号は、前記第2半導体スイッチが、前記第2三角波信号の前記一方頂点の時点でオンし、その直後の前記第2三角波信号と前記帰還信号とが等しくなるまでオンを継続させることを特徴とする、請求項1または2に記載のコントローラIC。
  4. センタータップ付き一次巻線と少なくとも1つの二次巻線とを持ち、前記センタータップが直流電源の第1電位点に接続される変圧器と、
    前記一次巻線の一端と前記直流電源の第2電位点との間に接続された第1半導体スイッチと、
    前記一次巻線の他端と前記第2電位点との間に接続された第2半導体スイッチと、
    前記二次巻線に接続された負荷に流れる電流を検出するための電流検出回路と、
    第1三角波信号と、該第1三角波信号を反転した関係にある第2三角波信号とを発生する第1発振回路と、
    前記電流検出回路の検出電流に基づいて形成された帰還信号と前記第1三角波信号とを比較して第1パルス幅変調信号を発生し、前記帰還信号と前記第2三角波信号とを比較して第2パルス幅変調信号を発生するパルス幅変調回路と
    前記第1、第2三角波信号よりも低い周波数のバースト用三角波信号を生成する第2発振回路と、
    所定のバースト用デューティ信号と前記バースト用三角波信号とを比較する比較器と、
    前記比較器の出力に基づいて前記第1、第2半導体スイッチのパルス幅変調制御を行うか停止するかを決定するバースト制御回路と、
    を有し、
    前記第1、第2半導体スイッチのパルス幅変調制御が行われる期間において、
    前記第1パルス幅変調信号に基づいて前記第1半導体スイッチをオンさせる第1スイッチ駆動信号及び前記第2パルス幅変調信号に基づいて前記第2半導体スイッチをオンさせる第2スイッチ駆動信号は、前記第1半導体スイッチと前記第2半導体スイッチとが交互にオンするように、且つ前記第1半導体スイッチと前記第2半導体スイッチが交互にオンするように切り替わる際に前記第1、第2半導体スイッチが共にオフする同時オフ期間を設けるように発生されることを特徴とする、直流−交流変換装置。
  5. 前記第1半導体スイッチは、前記第1三角波信号の一方頂点の時点でオンし、その直後の前記第1三角波信号と前記帰還信号とが等しくなるまでオンを継続し、
    前記第2半導体スイッチは、前記第2三角波信号の前記一方頂点の時点でオンし、その直後の前記第2三角波信号と前記帰還信号とが等しくなるまでオンを継続することを特徴とする、請求項4に記載の直流−交流変換装置。
  6. 前記一次巻線の一端と前記第2電位点との間に接続された第1スナバ回路と、前記一次巻線の他端と前記第2電位点との間に接続された第2スナバ回路とを有することを特徴とする、請求項4または5に記載の直流−交流変換装置。
  7. 前記一次巻線の一端と前記第1電位点との間に接続された第1スナバ回路と、前記一次巻線の他端と前記第1電位点との間に接続された第2スナバ回路とを有することを特徴とする、請求項4または5に記載の直流−交流変換装置。
  8. センタータップ付き一次巻線と少なくとも1つの二次巻線とを持ち、前記センタータップが直流電源の第1電位点に接続される変圧器と、
    前記一次巻線の一端と前記直流電源の第2電位点との間に接続された第1半導体スイッチと、
    前記一次巻線の他端と前記第2電位点との間に接続された第2半導体スイッチと、
    前記二次巻線に接続された負荷に流れる電流を検出するための電流検出回路と、
    周波数決定用キャパシタ及び周波数決定用抵抗器が接続されたときに第1三角波信号と該第1三角波信号を反転した関係にある第2三角波信号とを発生するとともに、外部から三角波信号が供給されるときにそれと反転した関係にある三角波信号を発生することができる発振器ブロックを持つ第1発振回路と、
    前記電流検出回路の検出電流に基づいて形成された帰還信号と前記第1三角波信号とを比較して第1パルス幅変調信号を発生し、前記帰還信号と前記第2三角波信号とを比較して第2パルス幅変調信号を発生するパルス幅変調回路と
    前記第1、第2三角波信号よりも低い周波数のバースト用三角波信号を生成する第2発振回路と、
    所定のバースト用デューティ信号と前記バースト用三角波信号とを比較する比較器と、
    前記比較器の出力に基づいて前記第1、第2半導体スイッチのパルス幅変調制御を行うか停止するかを決定するバースト制御回路と、
    を有し、
    前記第1、第2半導体スイッチのパルス幅変調制御が行われる期間において、
    前記第1パルス幅変調信号に基づいて前記第1半導体スイッチをオンさせる第1スイッチ駆動信号及び前記第2パルス幅変調信号に基づいて前記第2半導体スイッチをオンさせる第2スイッチ駆動信号は、前記第1半導体スイッチと前記第2半導体スイッチとが交互にオンするように、且つ前記第1半導体スイッチと前記第2半導体スイッチが交互にオンするように切り替わる際に前記第1、第2半導体スイッチが共にオフする同時オフ期間を設けるように発生される、複数N個の直流−交流変換装置を有し、
    前記複数N個の直流−交流変換装置のうちの1つの直流−交流変換装置のみに、前記第1発振回路から前記第1三角波信号及び前記第2三角波信号を発生させるように、前記周波数決定用キャパシタ及び前記周波数決定用抵抗器を接続し、
    当該直流−交流変換装置から発生された前記第1、第2三角波信号のうちの前記第1三角波信号のみを、それ以外の他直流−交流変換装置に供給し、
    N個全ての直流−交流変換装置で前記第1、第2三角波信号を用いて同期して同相のパルス幅変調制御を行うことを特徴とする、直流−交流変換装置の並行運転システム。
  9. 前記周波数決定用抵抗器の抵抗値は、直流−交流変換装置の起動時にはある小さい抵抗値に設定されており、その後により大きな抵抗値に設定されることを特徴とする、請求項8に記載の直流−交流変換装置の並行運転システム。
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