TWI293770B - Method and apparatus for single-ended conversion of dc to ac power for drivimg discharge lamps - Google Patents

Description

1293770 五、發明說明（1) 發明所屬之技術領域 、、本發明關於一種用來將直流功率轉換成交流功率 法及裝置，特定言之係關於用來驅動放電燈的單端方 先前技術 換。 大多數小型冷陰極螢光燈（CCFLs)被用在電池供 *糸統中。系統電池向直流對交流換流器之一輸入供、 二，。一種用於將一較低直流輸入電壓轉換成一 ^人 =電壓的常見技術是用電力開關分切該直流輸入：父 ^ ，慮除由此分切作用產生的諧波信號，且輪出一你 'c號。用一變壓器使該交流信 ：弦 ⑽伏特。⑽Ls通常ί=ί 0=〇7；培^内的 率的交流信號驅動。 主⑽千赫辄圍内之頻 電力開關可為雙極接面電晶體（ (FET«0fET) - 在直流對父流換流器之控制電路個封體内'疋》 阻組件傾向於消耗功率且減小一 =體内。由於電 交流換流器之典型諧波濾波器 ^整體效率，直流對 化的電感和電容組件。—使用 ^、擇使功率損失最小 諧振滤波器被稱為一、、儲能雷I Π電容組件構成的第二 因為儲能電路以一特定頻率存儲能旦Unk ci^uit) π ， 一 CCFL之平均壽命取決於盆 班 例來說，以一高於額定值之較/言，％境的幾個層面。舉 燈的有效壽命。又，用一且上率位準驅動CCFL會減低 、南峰值係數的交流信號驅 1293770 五、發明說明（2) :CCFL可能導致燈過早故障。該峰值係數是流過 峰電流對平均電流的比率。 i <穴 _Ti:方面’已！用—較高頻的方形交流信號驅動-CCFL會最大化燈的有效壽命。但是，因為—交流信 波形狀可導致與被安置為緊鄰於驅動CCFL之 路=明顯干擾，燈通常是由_具有一稍微偏離最佳1 之父k信號譬如一正弦狀交流信號驅動。 雙端（全橋及推挽）換流器拓樸在驅動今日 ^相當受歡迎’因為其對正循環和負循環二者提供 f壓及電流驅動。所得燈電流是正弦曲線的且有一低‘ ΪΪ:此等拓樸非常適合於有-寬大直流輸入電壓範圍的 但是’雙端設計的成本仍是低功率和 工；ΓΓ考量。全橋電路需要四個電力開關及複雜G 挽換流器需要二個電力開關，其額定電壓3 二=倍輸入電壓’且使用一緩衝電路抑 鳴鈴（nnglng)，其中—緩衝電路被連 關 =改變其切換軌跡’通常用於減小該電力裝置内的置功 用以流器因而被考慮用在-低功率且成本敏感的靡 ?。=、、先早端換流器並不提供對稱電壓波形來驅動燈，^ 二：：义近，：樣。此外，傳統電路需要在初： 隨Τ以維㈣振電壓。因此，傳統單端換；J =能

第8頁 1293770 五、發明說明（3) 換流器好之外，也未能提供一優於雙端換流器的 j者成本優勢。今需要單端換流器以低成本有效率地驅動 放電燈，特別是用於有一窄輸入電壓範圍的應用。 實施方式、 本發明關於用來將直流功率轉換成交流功率的換流器 $路及方法’特定言之係關於用來驅動放電燈譬如冷陰極 f光燈（CCFLs)的單端換流器電路。除了其他優點 發明的電路在工作循環接近5〇%時會提供幾近 波形以驅動放電燈。 ，其亦免除初級側上的高電流高電壓諧振電容器，且將 :初級開關之額定電Μ減小成兩倍輸入電壓而不需要緩衝 電路。推薦的電路可被用來以低成本有效率地驅動放電 燈，特別是用於有-窄輸入電壓範圍的應用。燈電流可 過主開關之工作循環調制或是改變頻率而被調節。 在以下《兄明中，|項特殊細節被呈以 =實施例的透徹理解。但熟習此技藝者會理解二 =”=殊”之—或多*、或是有或沒有其他組 ，之組合4的情況下實施。在其他案例中，不以文字或圖 為人知的施行方式或作業以避免掩蓋了本發 ®各實施例的觀點。 在本說明書全文中，\\ ^ ^ 述之-特定特徵、結構、施例“指就該實施例敘 R0 ,— 傅 &仃方式、或特性被包含在本發 =少；：施例内。因此，、'在-實施例中、辭在本 洸月曰之，處的使用並不—定全都是指同一個實施例。再

1293770 五、發明說明（4) ----〜

者、’此等特定特徵、結構、施行方式、或特性可被以任何 適當方式組合在一或多個實施例中。 W 第1A圖是一傳統直流對交流換流器的電路簡圖，其中 R1代表負載。儘管此電路需要在初級侧上有一昂貴的^電 壓高電流諧振電容器且需要一高電壓M0SFET以維持謂&電 壓，其並不提供一對稱電壓波形來驅動燈，就算工作循環 接近50 %也一樣。第1B圖示出第ία圖之傳統電路的實驗二 果。 〜 第2A圖是一依據本發明一實施例之直流對交流換流器 馨^電路簡圖。在此實施例中，L1、L 2和L 3構成三繞組變^ 器。當一主開關Μ1接通，輸入源能量及被存儲在一初級倒 電容器C1内之能量被輸送至次級側。通過主開關μ 1的電流 是該變壓器之磁化感應電流及L4内之反射諧振電感器電济 的總和。在此狀態下，初級側二極體D1是斷開的。 當主開關Μ1斷開’反射的L 4電流流過二極體J) 1以繼芦 其諧振。然後主開關Ml之汲極電壓被提高到Vin +VC，其中 vc是跨電容器ci的電壓。通常ci被設計為夠大致使Vc幾乎 是常數且等於Vin。因此，主開關上的最大電壓應力約為 2Vin。通過二極體D1的電流是該磁化電流及該反射諧振電 &器（L4 )電流的總和。由於L4電流改變極性，所以有日夺 候通過二極體D1的淨電流會減小至零。主開關Ml之汲極電 壓亦可能減小至Vin且在此電平附近振盪。振盈作用得為由 二個初級繞組間之漏洩電感及初級側上之寄生電容造成。 如第2B圖之波形所明示，在接近5 0 %工作循環的情况

1293770____ 五、發明說明（5) 下，諧振儲能電路L4、C1及的電壓驅動波形相當好地以 零為中心對稱。因此，燈電流（通過R1 )非常接近於正弦 曲線。第2 A圖之電路可被用於驅動一外接電極螢光燈 (EEFL )，其整合一串聯電容器至電路内。第2C圖示出此 電路在一 3 0 %工作循環的行為。 像CCFL之類的燈不允許有任何直流電流。最好加入一 鎮流電容器（C 3 )與燈串聯。此電路及其實驗波形示於第 3圖。有些時候，鎮流電容器也被用於平衡多燈應用内的 電流。第3B、3C及3D圖顯示在30%或45%工作循環下的燈 鲁電流振幅小於在5 0 %工作循環下的燈電流振幅。因此燈電 流得經由主開關之工作循環而被調節。 就高功率應用來說，通過二極體D1的電流可能大到足 以使二極體D1因其功率損失而過度加熱。在此例中，最好 將二極體D1換成一低RDSon M0SFET，其中RDSon代表當 M0SFET被完全接通時從汲極到源極的電阻。 第4A圖示 一種排列。Μ 2 從源極流到沒 基本電路，差 主開關Ml相 在一推挽換流 的諧振儲能電 之電壓應力永 4C、4D圖示出 出二極體D1被換成低RDSon M0SFET (M2)的 之閘控得以數種方式施行。其一為僅在電流 極時接通該M2。所得電路會相似於之前所述 別在於功率損失減小。另一方式是將M2接通 f的0N時間。而且將Ml和M2脈衝穿插成如同 斋内。，所得電路會達成如同推挽電路之相同 ，對稱電壓和電流驅動。此外，Ml和M2開關 ，不曰超過2Vin且不需要緩衝電路。第“、 以㈣路在不同條件下的行為。

1293770 • 五、發明說明（6) ----- •、第5圖是一依據本發明一實施例之直流對交流轉換方 法的流程圖。在步驟5〇1，對一單端換流器電路提供一Μ 輸入信號。在步驟502，一具備由該DC信號提供之能量的 譜振子電路打開及關閉一開關裝置譬如一MOSFET。在步驟 5 〇 3 ’忒開關裝置定期地分切一 d c信號。在步驟& 〇 4，該d c 、信號之分切作用在該換流器電路之變壓器部分之初級繞組 内產生一交流信號。在步驟5〇5，該變壓器之初級繞組之 交流信號被該變壓器之次級繞組升壓。在步驟5 〇 6，該已 升壓信號在供應給放電燈之前被濾波。在步驟5 〇 7，將該 馨已濾波升壓交流信號提供給該放電燈。 以上已說明較佳實施例及數個替代實施例。在閱覽過 本說明書後，熟習此技藝者會有能力不脫離本發明揭示之 廣義概念進行多樣變化、修改、組合、及等效物之替代。 因此希望被授予專利權的範圍僅受隨附申請專利範圍中所 含的定義及其等效内容限制，並不侷限於說明書提出的實 施例。

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圖式簡單說明 第1A圖是一傳統直流對交流換流器的電路簡圖。 第1B圖是第1A圖傳統換流器電路在工作循環接近5 〇 %之條 件下的實驗結果。 ^ 第2Α圖是一依據本發明一實施例之直流對交流換流器的電 路簡圖。 第2Β、2C圖是第2Α圖所示換流器電路分別在工作循環是 3 0 %和5 0 %之條件下之行為的實驗結果。 第3 Α圖是一依據本發明一實施例之直流對交流換流器的電 路簡圖。 y 3B、3C、3D圖是第3A圖所示換流器電路分別在工作循環 是30%、45 %及50 %之條件下之行為的實驗結果, 第4A圖是一依據本發明一實施例之直流對交流換流器 路簡圖。 、 第4B、4C、4D圖是第4A圖所示換流器電路分別在工作循 日是3。％、45%及之條件下之行為的實驗結果。 第5圖疋一依據本發明一實施例之直流對交流轉換方法 流程圖。 主要元件符號說明 C3鎮流電容器 DC直流 L4反射禮振電感器 M2 RDSon M0SFET R1負載 時從汲極到源極的電阻 C1初級側電容器 雜 初級側二極體 LI、L2、L3繞組變壓器 Ml主開關 M0SFET場效電晶體 RDSon當MOSFET被完全接通

1293770 圖式簡單說明 V。跨電容器Cl的電壓

圓國 第14頁

Claims (1)

1293770 六 3· 5· 6· 申請專利範圍 一種用於使直流（DC )信號轉換成交流（ac 裝置，其包括： 至少一開關之一網路，其用於從一直流信號產生 流信號，該交流信號是由該網路之一第一部八& 一交 打開及關閉而產生； 力又期地 濾波裝置，其被連結在該至少一開關之網路輿負、 間，該濾波裝置過濾被輸送給該負載的該交济^栽之 其中該遽波裝置包含一升壓變壓器，其具有從=號’ 一開關之該網路接收該交流信號的至少一初、級^至少 且具有連結於該負載之一次級繞組；及 ''繞級’ 阻抗裝置，與該至少一變壓器初級繞組輪成以< 諧振電路，用來大致以該濾波裝置之.一妓粝相，成一 ，、娠頻率定期 地打開及關閉該開關，使得交流電力在由兮古/ 提供之一電壓範圍下被供應給該負載。 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該負載是—放 燈。 電 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該負載是一冷 螢光燈（CCFL )。 飞 如申請專利範圍第1項之裝置’其中該負载是一 極螢光燈（EEFL)。 如申請專利範圍第1項之裝置，其中濾波器被安置在 升壓變壓器之一次級繞組與該負載之間。 χ 如申請專利範圍第1項之裝置，其中濾波器是一包含一 電感組件及一電容組件的第二階濾波器。 匕3 信說 的 極

1293770 六、申請專利範圍 7. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中濾波器是一包含一 電感組件及一電容組件的第二階濾波器，電感是由該 變壓器所提供。 8. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中濾波器是一包含一 電感組件、一第一電容組件及一第二電容組件的第二 階濾波器，該第二電容組件與該負載串聯。 9. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該直流信號有一窄 電壓範圍。 1 0.如申請專利範圍第1項之裝置，其中負載電流經由該開 _ 關之工作循環被調節。 11.如申請專利範圍第1項之裝置，其中負載電流藉由改變 該頻率而被調節。 1 2.如申請專利範圍第1項之裝置，其中該開關是一 M0SFET 。 1 3.如申請專利範圍第1項之裝置，其中該變壓器具有二初 級繞組。 14.如申請專利範圍第1項之裝置，其中一個二極體與該變 壓器之一初級繞組串聯。 1 5.如申請專利範圍第1項之裝置，其中不同於開關組件之 # 一半導體裝置與該變壓器之一初級繞組串聯。 1 6. —種用於使直流（DC )信號轉換成交流（AC )信號以 操作至少一放電燈的裝置，其包括： 至少一半導體裝置之一單端網路，其用於從一直流輸 入信號產生一交流信號，該交流信號是由該網路之一

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• 六、申請專利範圍 第一部分定期地打開及關閉而產生； 濾波裝置，其被連結在該至少一半導體裝置之該網路 與該負載之間，該濾波裝置過濾被輸送給該負載的該 交流信號，其中該濾波裝置包含一升壓變壓器，其具 有從該至少一半導體裝置之該網路接收該交流信|虎^ 二初級繞組，且具有連結於該負載之一次級繞組，且 其中該濾波裝置更包含一與該負載並聯的電容器；及 阻抗裝置，其被連結至該等變壓器初級繞組以^成— 諧振電路，用來大致以該濾波裝置之一共振頻率定期 Φ 地打開及關閉該開關，使得交流電力在由該直流信號 提供之一電壓範圍下被供應給該負載。 17·如申請專利範圍第16項之裝置，其中該放電燈是_冷 陰極螢光燈（CCFL ) 。 ^ 1 8·如申請專利範圍第1 6項之裝置，其中該放電燈是一外 接電極螢光燈（EEFL )。 1 9·如申請專利範圍第丨6項之裝置，其中該濾波器被安置 在該升壓變壓器之一次級繞組與該負載之間。 20·如申請專利範圍第丨6項之裝置，其中該濾波器是一包 含一電感組件及一電容組件的第二階濾波器。 籲1 ·如申請專利範圍第丨6項之裝置，其中該濾波器是一包 含一電感組件及一電容組件的第二階濾波器，電感是 由該變壓器提供。 22·如申請專利範圍第丨6項之裝置，其中該濾波器是一包 含一電感組件、一第一電容組件及一第二電容組件的

第17頁 1293770_ 六、申請專利範圍 第二階濾波器，該第二電容組件與該負載串聯。 23.如申請專利範圍第1 6項之裝置，其中該直流信號有一 窄電壓範圍。 24·如申請專利範圍第1 6項之裝置，其中該負載電流是經 由該開關之工作循環而進行調節。 25. 如申請專利範圍第1 6項之裝置，其中該負載電流是藉 由改變該頻率而進行調節。 26. 如申請專利範圍第1 6項之裝置，其中該半導體裝置是 一M0SFET 。 #7.如申請專利範圍第16項之裝置，其中一二極體與該變 壓器之一初級繞組串聯。 28.如申請專利範圍第1 6項之裝置，其中不同於開關半導 體裝置之一M0SFET與該變壓器之一初級繞組串聯。 2 9· —種使直流（DC )信號轉換成交流（AC )信號以操作 至少一放電燈的方法，其包括： 接收一直流信號； 由一諧振電路利用該直流信號打開及關閉一開關裝 置； 藉由該開關裝置之打開及關閉而分切該直流輸入信 ⑩號； 藉由分切該直流信號而在一變壓器之初級繞組内產生 一交流信號； 使該變壓器初級繞組之交流信號升壓到該變壓器的次 級繞組内；

第18頁 1293770_ 六、申請專利範圍 過濾該已升壓的交流信號；及 將該已過濾信號供應給該放電燈。 3 0.如申請專利範圍第29項之方法，其中該直流信號是由 一單端電路所接收。 31.如申請專利範圍第29項之方法，其中開關作用是由一 M0SFET 達成。 3 2.如申請專利範圍第29項之方法，其中該升壓變壓器具 有二初級繞組。 33.如申請專利範圍第29項之方法，其中過濾作用是由一 φ 包含一電感組件及一電容組件的第二階濾波器達成。 3 4.如申請專利範圍第29項之方法，其中過濾作用是由一 包含一電感組件和一電容組件及一第二電容組件的第 二階濾波器達成，電感是由該升壓變壓器提供。

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