TWI309143B - Converter circuit having class e converter modules - Google Patents

Description

1309143 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本案係關於一種轉換器電路，特別是關於具有該轉換 器電路的一種電子安定器及其對應之操作方法、以及關於 在較佳應用之架構內的一種燈系統與該燈系統的使用。 【先前技術】 可由一整流線性供應或一直流電壓供應而產生一交流 電壓電源的轉換器電路已有爲人所熟知的多種設計，特別 β 是所謂的E類轉換器或返馳式轉換器亦已爲人所熟知。 在Ε類轉換器中，儲存電感器係藉由連接至一電源供 應器的一端而充電。提供一特定電流値，流經串聯於該儲 存電感器之一開關電晶體的電流便會被中斷，因此所產生 的感應電壓脈波便可用於供應至一負載。 特別是，使用這種Ε類轉換器以供應一脈波高頻供應 電壓至介電性阻抗放電燈的技術已爲人所熟知。相關敘述 可參考ΕΡ 0 9W 5〇6 Β1號案件，其中同時記載了一 Ε類轉 ^ 換器的操作原理及應用。 另一爲人所熟知的技術係使用功率因數校正電路以確 保由一供應網路流出的電流盡可能爲正弦曲線；亦即可改 善其功率因數。此處提供相關參考文獻，尤其是針對所謂 的昇壓型轉換器，作爲一參考文獻，可參閱C.H. Strum，Ε. Klein · Betriebsgerate und Schaltungen fur elektrische

Lampen” [”用於電子燈的操作裝置及電路6th edition， 1 992，Simens AG, page 127。 1309143 昇壓型轉換器具有在設計及操作方面皆特別簡單的優 點。 【發明內容】 本案基於前述之先即技術的問題，提供一種非常適合 應用於上行功率因數校正電路的轉換器電路。 本發明係關於一種轉換器電路，其具有複數個E類轉 換器模組，該等E類轉換器模組的開關電晶體及儲存電感 器係以整體方式串聯連接’且該等開關電晶體係由一共同 •控制信號所驅動。 本發明亦係關於一種相對應的安定器，特別是具有一 功率因數校正電路的安定器’其中該轉換器電路係根據該 功率因數校正電路的未減少輸出電壓而操作。 此外，本發明亦關於申請專利範圍第1 2及1 3項之適 當的操作方法、申請專利範圍第1 4項之燈系統、及在較佳 之應用架構內，申請專利範圍第1 5項之燈系統的使用、以 及申請專利範圍第丨6項之顯示裝置。 翁 再者’本發明之較佳技術特徵係明確地陳述於申請專 利範圍獨立項’並以更爲詳細的方式說明於下，本發明之 個別特徵同時與裝置範疇及方法範疇有關、亦與本發明前 述所列舉之各種觀點有.關。 本發明的基本槪念在於了解一 E類轉換器本身並非作 爲一轉換器電路本身、而是作爲一轉換器電路的模組。根 據本發明’這種E類轉換器模組係以串聯方式連接，使得 模組內的開關電晶體及儲存電感器以串聯方式連接而整體 1309143 地形成一串聯電路。每個E類轉換器模組的開關電晶體係 由一共同控制信號所驅動，使得個別的模組以至少在相位 上同步的方式進行操作。用以開關該等儲存電感器之電流 ON與OFF的該等開關電晶體係因此同步進行開關，其作 動係藉由使用信號技術以耦合驅動該等開關電晶體的該等 控制線，藉以獲得一共同控制信號。 如此的優點在於，所使用之模組的串聯電路，如同其 一向所扮演的角色’作爲一分壓器開關，可於個別的模組 之上分配直流供應電壓，使得一減少供應電壓出現於個別 的模組之上。特別是，個別模組的直流準位可獲得提升， 其將在實施例的輔助下以更爲詳細的方式進行說明。 如此的結果爲能具有另外的自由度在於使用一相對高 的直流供應電壓，而不必非得使用與個別的E類轉換器相 匹配的直流供應電壓。如此與開關電晶體及其他組件的負 載能力兩者有關、亦主要與變壓器在轉換器輸出端的設計 有關。 此外，在本發明技術的輔助之下一方面可使用相對高 的直流供應電壓，另一方面亦可獨立地最佳化模組內的轉 換器拓樸，特別是其實施效率。接著，便能夠決定使用多 少個串聯連接模組以符合整體需求。 本發明之實質的觀點在於時常傾向於使用功率因數校 正電路在輸出電壓的選擇並非永遠不受限制的情況。舉例 來說，已於剛開始所提到的升壓型轉換器雖無法產生低於 線電壓之峰値的輸出電壓，但卻因爲其他的原因而受到採 1309143 用。舉例來說’另一種升壓型轉換器已經被應用於 壓型轉換器的輸出端’藉以使得該直流供應電壓， 己存在’帶至該轉換器所需的一電壓準位。該種難 本發明所消除。再者，本發明所提供之轉換電路能 使用於一升壓型轉換器的輸出端，直接表示無須匹 準位。 前述模組中開關電晶體之個別控制線藉助於信 耦合，較佳地係經由電容器而完成。電容器的直流 離所具有的優點爲不會使得模組的不同電位準位發 ;也就是說’可使用一共同驅動電路以取代與個別 配的個別驅動電路。 其他較佳的實施方式係於每個模組中使用一基 體’其係原則上設置於開關電晶體的控制端以及參 端之間；也就是說，於共同源極連接之一 F E T中的 以及源極端之間。需要了解的是，在此例中於串聯 架構中的參考電位端，也就是意謂由位在較低之該 的直流電壓振幅所提升的一參考電位。即爲，由重 別模組的觀點來看是參考電位。該基納二極體限制 制端的電壓準位，並且在連接於前述控制線之耦合 的情況下’被用以調整其直流電壓準位。再者，在 一適合設計中，藉由高於其開啓狀態（on-state)電壓 電路成份，它們可具有一有效的”濾波作用”以濾除 信號中的干擾成份，這並非意謂一低通濾波器型態 波作用，尤有甚者，當高頻成份之振幅的信號成份 此種升 實際上 題可爲 夠直接 配電壓 號技術 電壓分 生干擾 電位匹 納二極 考電位 聞極端 電路之 等模組 要之個 了該控 電容器 給定的 之短路 該控制 的一濾 高於該 1309143 基納二極體的開啓狀態電壓之時，該高頻成份便會被短路 。"截止"高於該開啓狀態電壓之該等成份亦與該高頻成份 相關連。因此，閘極驅動成獨立於供應電壓調變及控制信 號干擾。 一 E類轉換器一般皆具有用以穩定供應電壓的一供應 側電容器，其通常爲一電解電容器。在本發明一實施例中 所提供的每一模組皆具有這樣一種供應電容器。然而，在 •本發明另一實施例中，這些供應電容器係由應用於整個串 ® 聯電路的一單一電容器所取代。在一第三實施例中，係將 這兩種方式混合實施，其可能的實施方式係將模組內的供 應電容器設計爲相對應地較小形式、而若是可能的話，亦 可設計爲一箱電容器（f 〇 i 1 c a p a c i t 〇 r )。實施例中的描述可作 爲參考。 再者，應用於電壓整形的電容器的較佳實施方式係並 聯於模組中個別開關電晶體的開關路徑。 本發明另一改良係於個別的開關電晶體及個別的儲存 ¥ 電感器之間的每個模組的接點處提供一電容性短路電路。 如此可藉由一高頻短路電路達成在個別模組上之交流電壓 信號的平衡，如此亦可避免經由電容性耦合之影響以及二 次側電壓分配所造成的後果之問題。更精確地說，該等開 關及儲存電感器上的一次側電壓並不絕對需要相同。其次 ，在一次側繞組及二次側繞組之間電容性耦合的結果、以 . .及二次側之連接方式的影響會產生不對稱的情況。這種不 對稱會被前述高頻短路電路所排除。 -9- 1309143 個別模組之輸出的較佳地具有一變壓器，該等變壓器 的二次繞組雖無須一定要彼此以串聯內接，但較佳地係以 實施例所述般地彼此連接。， 本發明較佳之應用範疇爲在介電性阻抗放電燈的操作 ;也就是應用於這種燈之電子安定器中轉換器電路的使用 。再者’這種燈系統亦可應用於電腦或電視之監視器、或 是其他顯不裝置的背光源之中。其他重要的應用場合爲紫 外線放射器，也就是被應用於無須使用螢光物質的情況下 由放電產生原始紫外線放射線的燈，或是應用於藉由使用 一適當螢光物質而將該螢光物質轉換爲具有較長波長的紫 外線放射線的燈。這種紫外線輻射器係應用於不同的技術 作業’特別是應用於材料處理、表面處理、以及水質淨化 和消毒。 本案的其他觀點與優點將藉由以下所述較佳實施例及 所附圖示而進行詳細說明。 【實施方式】‘ 第1圖係爲用於供電於介電性阻抗放電燈之安定器的 四個E類轉換器模組的串聯電路圖。繪於第1圖頂端並處 於一高電位的一第一模組係由一開關電晶體S丨（此處爲一 功率MOSFET)、具有二次側繞組L2的一儲存電感器L1、 一供應電解電容器C 1 1、一驅動耦合電容器C7以及一基納 二極體Z 1所構成’儲存電感器l 1與開關電晶體S 1係串聯 連接’開關電晶體S 1的源極端係位於該模組內參考電位的 底部，形成了位於其下之該模組（s 2、L 3、L 4、C 1 2、C 8、 -10- 1309143 Z2)的正供應電位。 開關電晶體S 1的汲極端耦合於儲存電感器L 1的較低 端，儲存電感器L 1的較高端係處於約4 5 0 V的一中間電路 直流電壓。這個中間電路直流電壓係以一固有的傳統方式 產生；亦即，藉由一升壓型轉換器的幫助由一線性供應電 壓進行整流及轉換。但此處並不加以詳述。 ’ 供應電容器c 1 1係並聯於由儲存電感器L 1及開關電晶 體S 1所構成的該串聯電路，供應電容器C 1 1係用以供應該 供應電壓，並因此而被設計爲一相對大的電解電容器。 一中央控制信號SE由第1圖的左下方輸入’此處該中 央控制信號S E係以一方波波形作爲代表’其係經由電阻 (未標示圖號）及驅動耦合電容器C7-C 10(在上方模組C7的 情況下）而至開關電晶體的閘極端’因此’該控制信號係純 粹以交流電壓的方式被耦接。連接於開關電晶體S 1之閘極 端與源極端之間的爲一基納二極體Z 1 ’其可調整耦合電容 器C7的直流電壓準位並可防止閘極端的過電壓。此外’藉 I 由技巧性地設定該耦入驅動信號’便有可能在開關電晶體 S 1開路的情形下，造成該驅動信號稍微大於基納二極體Z 1 的開啓狀態電壓，因此可引發疊加於該驅動信號之上的基 納二極體z 1中干擾的短路。位於該共同驅動線上的電阻 (也就是例中連接於耦合電容器c 7左側的電阻）便是爲了因 應這種短路狀況而提供。 位於所述該第一模組下方的是具有相同設計的一第二 模組，其所包含之元件符號較大’該第一模組之內部（較低） -11- •1309143 參考電位形成該第二模組之正供應電位，其他如第二 Ξ模組、第三與第四模組之間亦具有對應的關係。如 圖所示，第四模組的內部參考電位係處於框電位，其 由一分流器Rm而耦合至框，此處分流器RM係爲第四 電晶體S 4的源極端。 在一電壓分在電路的情況下，450V的該供應電壓 配至四個供應電容器C11-C14,使得每個該電容器皆 電至約1 1 2 · 5 V。該値被視爲一較佳値，這是因爲介於 與1 20V之間的直流電壓在傳統上皆被視爲用以操作 性阻抗放電燈之E類轉換換器的較佳値。個別的模組 電壓亦可能會因爲增加適當之較多數量的模組而相對 減少。 關於材料公差具有某種疑慮，特別是在電解電 Cl 1-C14的不同電容値及/或不同的電感値，實際上會 個別模組中不同的供應電壓直到組件毀壞。然而，所 的是所產生的波動相對地較輕微亦爲可控制，且電路 作於一穩定狀態。其理由爲，在實施例中，當一個別 供應電壓被提升時，由此模組所轉換的脈波電壓亦會 ，對應的供應電容器亦會因此而被更爲強烈地放電。 再者，在第1圖所繪製之電路的情形中，個別開 晶體S 1 - S 4的汲-源極電壓並不會被加在一起。而是將 汲-源極電壓加至低於每個直流電壓準位”低’’，參考電 考點；也就是說，如實施例所示，開關電晶體S2的\ 極電壓被加至電容器C13之較高端的225V。因此，此 與第 第1 係經 開關 被分 被充 40 V 介電 供應 應地 容器 引發 顯示 會運 模組 升高 關電 個別 路參 δ -源 處所 -12- -1309143 涉及的並不是一般如習用之用於提升總關閉狀態電壓 個別開關電晶體的一串聯電路。 除了電壓穩定度之外，供應電容器C11-C14也意 收由個別E類轉換器模組之二次側電路反饋至一次側 的能量。其相關技術可參考E P 0 9 2 7 5 0 6 B 1號案件， 之外，E類轉換器之操作的模式爲熟習本項技術者所 〇 •在本實施例中，儲存電感器係耦合至二次側線圈 ® L 4、L 6及L 8，這些形成串聯電路。因此，二次側的 電壓亦會因爲開關電晶體S 1 - S 4的驅動而被加在一起 中開關電晶體S1-S4係如第1圖般地暫時同步。 當然，二次側電感器L2、L4、L6及L8亦可以不 式互相連接，例如可以並聯方式連接，這是爲了要使 抗匹配於所供應的介電性阻抗放電燈，在此例中一串 路是較佳的，這是因目的是爲了產生相對高的電壓。 ^ 輸出電路爲較佳地，因爲主要在並聯電路的情形下， 公差可能會引起補償電流的流動，而補償電流則不利 磁相容性（electromagnetic compatibility)以及損耗（即 的振鈴（ringing))，個別模組的電力在每種情形下會相 形成一總電力。 本發明在此情況下亦具有的另一優點在於，由於 模組的分配（特別是多個電感器及/或變壓器的分配）之 配合燈需要相當大的輸入電力的情形下，能夠獲得更 佳的設計尺寸（特別是設計高度）。說到設計，多個小 般的 圖吸 電路 除此 熟知 L2、 電感 ，其 同方 得阻 聯電 串聯 製造 於電 所謂 加以 多個 故， 多較 型變 -13- ‘1309143 壓器相較於一相對大的變壓器時常較爲有利。 第2圖係爲第1圖的一變形例。 第2圖與第1圖相較下極大部份的結構皆相似’且相 對應的組件使用相同的參考符號。此外，每個模組在基納 二極體的較高端與開關電晶體的閘極端之間分別包括一整 流二極體以及一雙載子電晶體，該整流二極體的陽極端連 接於基納二極體的陰極，該雙載子電晶體的射極端連接於 該整流二極體與該開關電晶體的閘極端之間，該雙載子電 ^ 晶體的基極端連接於該整流二極體與該基納二極體之間， 該雙載子電晶體的集極端連接於個別開關電晶體的源極端 。該等整流二極體的代表符號爲D1-D4，然而，該等雙載 子電晶體的代表符號爲S 5 - S 8。這種連接可以藉由引導低 於閘極電壓門檻値之閘極端上的電位特別快速地通過個別 雙載子電晶體S 1 - S 8而確保該等開關電晶體S 1 - S 4能夠被 特別快速地關閉。二極體D Γ- D 4可確保開關電晶體s 1 - S 4 φ 經由雙載子電晶體S 5 - S 8而被關閉以及確保開關電晶體 S1-S4經由二極體D1-D4而被開啓。 再者’並聯於該基納二極體且以R1 _r4所表示的電阻 可確保E類轉換器模組的整個串聯電路在沒有一驅動信號 S E的狀況下自動關閉。 桌3圖係爲本發明之第二實施例，其與前兩個實施例 不同’第一個不同之處爲僅使用三個模組。其次，此處變 壓器的一次側及二次側線圏L 1及L 2、L 3及L4、L 5及L 6 係以彼此分離的方式繪製，這僅係爲了圖示繪製時表達上 -14- .1309143 的清晰而並不代表相對於第1圖及第2圖之任何技術上的 改變。最後，依第2圖所執行之開關電晶體S卜S 3的驅動 在本圖中亦加以省略。 首先，額外的電容器C 1、C3及C5係分別並聯於開關 電晶體S 1、S 2及S 3，用以對通過該等電晶體的信號進行 整形。與該等電容器並聯的整流二極體D 1 - D 3構成開關電 晶體S1-S3之內在的本體二極體（intrinsic body diode)。當 使用的雙載子電晶體而不是MO SFET時，便必須使用此種 分離的二極體。 再者，，位於儲存電感器L 1、L 3及L 5與經由耦合電容 器C2、C4及C6分別相關之開關電晶體SI、S2及S3之間 的分接頭係形成短路電路。此一高頻短路電路平衡了交流 電壓信號並藉此防止因二次側電壓分配及電容性耦合所產 生的問題。 最後，第4圖係本發明之第四實施例的電路示意圖， 其相對於第3圖之實施例但具有下列差別：個別之E類轉 換器模組的供應電容器C 1 1、C 1 2及C 1 3係由並聯於整個 串聯電路的一單一供應電容器C 2 1所取代，如此大的電解 電容器相較於數個小的電容器在成本上是較爲經濟的。 將第3圖及第4圖結合亦可產生另一優異的實施例， 結果一相對大的共同儲存電容器C 2 1與相對小的儲存電容 器C 1 1、C 1 2及C 1 3被一起使用於個別的模組中，也就是 說四個電容器的總和被應用於現在的三個模組中。.由於考 量到組件的價格，這種解決方法相較於第1圖至第3圖中 -15- 1309143 僅以個別模組爲基礎的解決方法更佳。特別是，箔電容器 可用來當作個別模組的儲存電容器。 _ 綜上所述，本發明所提出最佳化的E類轉換器模組係 <依據可用之直流電壓供應而進行裝配，其簡單的模組設計 具有高度的適應性。其可藉由適當的連接方式（串聯或並聯） 而與供應於二次側上的燈完美地配合，亦無須爲了減少升 壓型轉換器之輸出的直流電壓準位而再多引入一轉換器。 相反地，本案第1圖至第4圖的轉換器電路可以直接運作 ® 於升壓型轉換器之輸出。最後，對於多個儲存電感器及/或 變壓器的分配亦在每種情形中提供高度之使用空間的靈活 性，特別是一較佳的設計設計高度。 本發明特別適用於供應至介電性阻抗放電燈（例如監 視器的'背光源），更特別適用於相對高之燈電力（例如大尺 寸電視螢幕）的情形。 【圖式簡單說明】 _ 第1圖係爲本發明轉換器電路之第一實施例的電路示 意圖； 第2圖係爲本發明轉換器電路之第二實施例的電路示 意圖，與第1圖相較其具有數個額外的特徵； 第3圖係爲本發明轉換器電路之第三實施例的電路示 意圖；及 第4圖係爲本發明轉換器電路之第四實施例的電路示 意圖。 -16- 1309143 【主要元件符號說明】 C 1 、C3、 C5 額 外 的 電 容 器 C2 、C4、 C6 耦 合 電 容 器 C7 -CIO 屠區 動 親 合 電 容 器 C 1 1 -C 1 4 供 應 電 解 電 容 器 C2 1 單 一 供 應 電 容 器 D 1 -D4 整 流 一 極 體 L 1 、L3、 L5、L7 一 次 側 繞 組 L2 、L4、 L6、L8 一 次 側 繞 組 R 1 -R4 電 組 R Μ 分 流 器 S 1 -S4 開 關 電 晶 體 S 5 -S 8 雙 載 子 電 晶 體 SE S E中央控制信號 Ζ 1 -Z4 基 納 二 極 體

Claims (1)

1. J 1 ，丨·_·_·Ι· /0 CHf (更:)正替換I ----- - ttrrr-nfi^ · I *# ,ι-ίτ-Λ ··* *-*«·»'^*1*#^·^** 第94 1 3 22 79號「具有E類轉換器模組的轉換器電路」專利案 (20 0 8年9月修正） 十、申請專利範圍： 1_一種轉換器電路，具有複數個E類轉換器模組，該等E 類轉換器模組的開關電晶體（SI_S4)及儲存電感器（L1, L3，L5，L7)係以整體方式串聯連接，且該等開關電晶體 (S 1 - S 4)係由一共同控制信號（S E)所驅動。 2 ,如申請專利範圍第1項之轉換器電路，其中該等e類轉 ® 換器模組的各個開關電晶體（S 1 -S4)的個別控制線係經 由各自的電容器（C7-C 10)耦接至一共同控制線，藉以傳 輸該共同控制信號（S E ；)。 3 ·如申請專利範圍第1項之轉換器電路，其中在每個E類 轉換器模組中具有一各自的基納二極體（Z1-Z4)，其係分 別位於各個E類轉換器模組中的該等開關電晶體（S1-S4) 的一控制端及一參考電位端之間。 4 .如申請專利範圍第2項之轉換器電路，其中在每個E類 ® 轉換器模組中具有一各自的基納二極體（Z1-Z4)，其係分 別位於各個E類轉換器模組中的該等開關電晶體（S 1 -S4) 的一控制端及一參考電位端之間。 5.如前述申請專利範圍第1~4項中任一項之轉換器電路， 其中每個 E類轉換器模組具有一專屬供應電容器 (C11-C 1 4)。 6 .如申請專利範圍第1〜4項中任一項之轉換器電路，其中 該等E類轉換器模組的整個串聯電路具有一共同供應電

   Ί309143 容器（C21)。 7.如前述申請專利範圍第1~4項中任一項之轉換器電路， 其中在各個E類轉換器模組中，一電容器（Cl，C3, C5) 分別並聯連接於各自的開關電晶體（S1-S4)的開關路徑。 8 .如申請專利範圍第1〜4項中任一項之轉換器電路，其中 該等E類轉換器模組的各個開關電晶體（S1-S4)與各個儲 存電感器（Ll，L3，L5，L7)之間的接點係彼此以電容性方 式（C2，C4，C6)短路。 9.如前述申請專利範圍第1〜4中項任一項之轉換器電路， 其中該等E類轉換器模組分別具有一變壓器（L1-L 8)以作 爲輸出。 1 0 ·—種電子安定器，其係用於具有如申請專利範圍第1-9 項中任一項之轉換器電路的一介電性阻抗放電燈。 Π ·如申請專利範圍第1 0項之電子安定器，其具有一功率因 數校正電路，及其中該轉換器電路能以該功率因數校正 電路的未減少輸出電壓而操作。 12.如申請專利範圍第11項之電子安定器，其中該功率因數 校正電路係爲一升壓型轉換器。 1 3 · —種用於如申請專利範圍第丨_ 8項中任一項之轉換器電 路的操作方法，其中： 該等開關電晶體（S1-S4)經由該共同控制線（SE)而被 同步地驅動； 該等E類轉換器模組的該等儲存電感器（LI, L3, L5, L 7)以一暫態同步方式被充電及放電；以及 Ί309143 fl年”今】條(更)正替換頁 在該轉換器電路之輸出，一共同負載被該等E類轉 換器模組連帶地驅動。 1 4 . 一種用於介電性阻抗放電燈的操作方法，其中該介電性 阻抗放電燈具有如申請專利範圍第丨〇 _；! 2項中任一項之 電子安定器，該操作方法包括申請專利範圍第1 3項之方 法。 1 5 . —種燈系統，具有如申請專利範圍第丨0 _丨2項中任一項 之電子安定器以及能以該安定器而操作的一介電性阻抗 放電燈。 1 6 ·—種如申請專利範圍第1 5項之燈系統的用途，其係作爲 一監視器、電視螢幕或一顯示裝置中的背光源、一照明 器具的照明、或一工業用紫外線輻射器的紫外線使用。 17.—種顯不裝置’特別是一種監視器或電視螢幕，具有如 申S靑專利範圍第1 5項之燈系統以作爲背光源。