關於
ZAULaS所使用的HIGH POWER他激諧振型Inverter電路

光詮科技股份有限公司Greatchip Technology Co.,Ltd牛嶋 昌和
Masakazu Ushijima

光詮科技股份有限公司Greatchip Technology Co.,Ltd)技術總監
台湾省台中市工業區2038
www.greatchip.com.tw

1.前言

図1従来型インバータ回路

  近年來,液晶電視的大型背光面板上使用了很多的冷陰極管,因此能夠容納較大電力的Inverter電路之需求也愈來愈高。
  以往大型面板光源所用的Inverter電路是以如圖1所示般,將許多小電力的Inverter電路並聯()在一起,但是這次由於ZAULaS (Zip as Uni-Lamp System)的開發大幅地改變了大型面板光源所用的Inverter電路系統,因此我們開發出了因應的HIGH POWER Inverter電路(照片1)

2.  HIGH POWER Inverter電路所要求的信賴性

  ZAULaS猶如一個將許多的冷陰極管視為一個大電力的冷陰極管後來進行並聯驅動的系統。因此僅需要一個Inverter電路便足夠,需要的是一個能夠滿足大電力容量的Inverter電路。一般說來可以將昇壓變壓器和它的驅動電路來加以大型化以達成需求,但是在大電力的Inverter電路上,縱使只有些微的電力損失也會造成極高的發熱量,因此我們必須尋求高效率、低發熱量的Inverter電路。

写真1 ZAULaS対応型ハイ・パワー・インバータ回路
 

図2 他励共振型の二次側回路
 ZAULaS所使用的Inverter電路的基本結構與以往的Inverter電路相較下並沒有很大的改變。但由於大型面板光源是一般均是使用在液晶電視上,與原來使用在筆記型電腦、液晶螢幕上的情形在基本上就有很大的不同,尤其是家電用品動不動就要求必須具有可耐用10以上之壽命。因此對於Inverter電路的面板光源系統而言,高安全性及長時間壽命是首要的基本要求。
Inverter電路發熱的話將會對電路上的零件造成損害。尤其是電解電容的耐熱性不佳,在高溫的環境下將會明顯地影響到其壽命,因此必須要儘量減少Inverter電路所散發的熱量。由於其大電力的Inverter電路,原本的電力就很大,因此縱然只有百分之幾的電力損失也會造成熱損失。其次,因為屬於是家電製品,因而也會要求其高安全性。而在安全性中,必須特別要注意的就是高壓電路,如果在這些電路中有接觸不良、斷線的現象的話,就會有造成嚴重意外事故的可能。因此對於大電力Inverter電路來說,要比使用在筆記型電腦、液晶螢幕上時,在性能上要有更高效率及更高的信賴性的要求。

3.   HIGH POWER Inverter電路所要求的性能

另一方面,Inverter電路所要求的性能也非常嚴格。由於背光系統的電力負載會依據ZAULaS,而形成與並聯驅動的冷陰極管數目成反比之阻抗(impedance),因此對於Inverter電路的output阻抗要求必須要非常低。另外,在液晶電視在設計上,Inverter電路必須要輕薄短小,同時成本也需低廉。
要達到這些性能的關鍵因素便是昇壓變壓器,但是完成能夠完全滿足以上要求的Inverter用昇壓變壓器並非易事。

4.    高效率之他激諧振型

  在此,若要考慮可滿足這些性能所要求的電路方式的話,由於對以往的collect共振型電路效率面及發熱有所疑慮,因此使用這種變換效率高且發熱低的他激諧振型電路就非常適合。他激諧振型電路是在筆記型電腦所用的Inverter電路中所非常普及之電路,而應用這種電路並將之大型化是最為合理的應用方式。除此之外,HIGH POWER的壓電型Inverter電路也具有相當的可能性,我們期待有可因應的Inverter電路出現。 他激諧振型Inverter電路利用昇壓變壓器所生之磁力,使變壓器的2次卷線側的的感應係數(Inductance)2次側電路的容量成分產生共振(2)。在此所謂的洩漏感應係數是以JIS測量法所測出之JIS洩漏感應係數。在其他的電氣學會書籍也有說明洩漏感應係數的定義。JIS洩漏感應係數乃是將變壓器1次卷線側短路後,再由2次側所測得之感應係數。
他激諧振型電路高效率的理由如下:
把變壓器輕薄短小化的話,一次卷線的感應係數會變得很小。
從前的Inverter電路中,流經昇壓變壓器的一次卷線側的激磁電流根本上乃是由一次卷線側的自我感應係數和驅動電壓來決定,因此無可避免地會流過很大的激磁電流。
そこで,
在他激諧振型中,由於使2次側回路產生共振,雖然在共振點附近會有激磁電流變小的現象,但利用這種特性,流經變壓器的一次卷線側的無效電流就會減小,一次卷線側的銅損便可大幅地減少。

因此他激諧振型的Inverter電路便可達到高效率,發熱量也能大幅地減少。另外在安全性方面,他激諧振型電路也是非常值得信賴的。這是因為我們將洩漏磁束型變壓器的2次卷線側與冷陰極管連結,卷線的電壓會與原來的冷陰極管的放電電壓相同,僅需對卷線加上低電壓即可,而且由於變壓器的發熱量小,變壓器的卷線經過長時間不至於會產生變化。對於layer short等問題也能增加其安全性。 由上述理由,所以我們在HIGH POWER Inverter電路中要採用他激諧振型的Inverter電路。

5.   HIGH POWER化的問題點


図3 トランスの並列接続による低インピーダンス化

  其次,要將Inverter電路HIGH POWER化就必須要將零件大型化。大電力化會產生的問題是半導體(NP Channel MOS-FET)、電解電容、陶瓷電容、Coupling 電容以及變壓器,其中以變壓器的大型化最為困難。
  首先,由於使用 ZAULaS來並聯驅動冷陰極管,負載的阻抗與冷陰極管的數量成反比,冷陰極管的支數越多阻抗越低。例如使用於大型背光的冷陰極管的阻抗為250kΩ400 kΩ,但是集合16支或20支的冷陰極管時,合成之阻抗會成為15 kΩ25 kΩ。如此的話,在他激諧振型的Inverter電路所必要之變壓器洩漏感應係數也就必須具有與負載成比例之低值。
  在此的HIGH POWER Inverter電路必須要有50W或者250W左右的昇壓變壓器,但是要讓這樣大電力的變壓器達到很低的洩漏感應係數(Inductance)的話,其外型體積必然會變大。另一方面,若要使變壓器變得輕薄短小,那麼洩漏感應係數又會變高。也就是說要使變壓器既輕薄,且洩漏感應係數又要很小是非常困難的。
  在他激諧振型的情況,對於負荷的阻抗來說,洩漏磁束型變壓器的洩漏感應係數約在60~70%左右時對負載是較為適當的,雖然高效率的Inverter電路可以達到,但在液晶電視用的HIGH POWER Inverter電路中,僅使用一個變壓器而要得到那麼低的洩漏感應係數是非常困難的。但是在液晶電視用的Inverter電路中,卻有著不得不對變壓器要求必須輕薄短小的一個問題。因此我們面臨到要減低洩漏感應係數,卻又不能使用太大的變壓器的矛盾狀態。

6.  由變壓器的並聯接續來解決

  ZAULaS Inverter電路中,為了解決這樣的問題,我們採用了將洩漏磁束型變壓器並聯接續的方法(3)
  這種電路的特徵是變壓器的2次卷線側被並聯來連接。除了因應大電力之外的電路以外,其它部分與以往在筆記型電腦上所用使的他激諧振型Inverter電路基本上是相同的,我們可以將在筆記型電腦所實現的高效率化、小型化手法原封不動地移至大型面板光源上來加以利用。
  為了要能達成這樣的變壓器接續法,我們必需對洩漏磁束型變壓器的洩漏感應係數來精確地加以管控,但由於洩漏感應係數值具有良好的安定性,因此對以並聯接續為目的進行管控之變壓器來說,在並聯接續上並不是一個難題。負載便會被各個變壓器平均分散。另外,由於並聯接續後的洩漏感應係數之值會與並聯接續之數目呈反比而造成值變小,因此即使由於為了使變壓器形狀小型化而不得不加大洩漏感應係數時,我們可經由增加並聯接續之變壓器的數目,如此便可以得適合負載的合成洩漏感應係數。
  變壓器以這種方式接續時,可以變換的電力是以各個變壓器的能力加總後而得。用這種方式,就可將用一個變壓器所難以實現之大電力變壓器以多個變壓器並聯接續的方法來輕易地實現。也就是說,面板光源需要大電力而以將許多冷陰極管並聯點亮時,籍由增加必要之變壓器的數量,不必破壞變壓器的2次卷線側的參數和放電管的阻抗及寄生容量等之關係,以正比或反比去調整或匹配,把這個原理擴張的話,也可應用到大電力的面板光源上面。
  從另一方面來看,是在2次卷線側上所發生之進行波的速度也非常重要。首先,隨著大電力化變壓器的外形變大,2次卷線側的自我共振頻率會變低。還有將變壓器薄形化結果也使得2次卷線的自我共振頻率變低。在冷陰極管用Inverter電路,2次卷線側的自我共振頻率與昇壓有關係,此為一項重要的要素。
  此外,籍由這種接續法,為了要使變壓器的2次卷線的自我共振頻率(周波數)不會產生變化,把多個小型或者中型的變壓器接續在一起後,不但可以維持高的自我共振頻率(周波數)又可獲得大電力。

7.  總結

  總合以上說明,籍由著ZAULaS,我們可以將許多個冷陰極管統合為一個,另一方面,籍由變壓器的並聯接續,我們可以將許多個昇壓變壓器來當作一個大電力變壓器般來加以統合,如此便可容易地實現Inverter電路的大電力化。也就是說,在大電力Inverter電路,變壓器的電力容量不足時,只要將其不足數量以小型或中型的變壓器並聯接續後,則不論要操作多大的容量或等級之變壓器都成為可能。還有,此法並不須讓變壓器的數量和放電管的數量保持在整數倍的關係。這和以往的多燈用Inverter電路的概念有很大的不同。


図4 エッジ・インバータ回路

  以往隨著冷陰極管的支數不同,Inverter電路的組成就必須加以定製化,由於每2支或者每4支冷陰極管就必須用一個變壓器,因此冷陰極管的支數和Inverter電路的變壓器的數量非成整數倍的比例不可。但是對應於ZAULaSInverter電路就可以不必保持在整數比,例如您要用5個變壓器對12支的放電管的非整數比例的對應關係也是可以的,因此變壓器的選擇及Inverter電路的設計自由度也變大了不少。
  從前往往要依面板光源的種類或所使用放電管的性能之不同,而須去開發適合的新變壓器,而我們這種新的系統,幾乎不需因用於液晶背光之冷陰極管的支數的不同,而特別去設計製作變壓器。而且從Inverter電路到放電管的配線可以非常自由,對於Inverter電路的layout再也不需受到限制,不論是面板光源的裡側或是深處您都可自由地將Inverter電路layout到你喜歡的位置上。


←HOME,←技術資料 ,ZAULaS解説→
大型面板光源的並聯點燈系統 「ZAULaS」→