CN1832321B - 换流装置 - Google Patents
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Abstract
一种换流装置，适用于冷阴极荧光灯(CCFL)的驱动，包括有一变压器，变压器一次侧绕组的二个输入终端分别通过一第二开关与一第三开关连接到一直流电源的回路端，并一次侧绕组的一中间抽头通过一第一开关连接到该直流电源的输出端。换流装置更使用一控制信号单元控制所述开关的切换，分别控制该第二开关与该第三开关同时导通或交替导通，并搭配控制该第一开关的切换动作，以提供一交变电力到该变压器的一次侧绕组，进而于该变压器的二次侧绕组输出一交流电力给冷阴极荧光灯(CCFL)使用。通过本发明，简化了换流电路，避免了变压器的磁饱和现象，免除了直流阻隔电容器的使用。
Description
技术领域
本发明是有关于一种可以提供交流电力到冷阴极荧光灯(CCFL)的换流装置。
背景技术
TFT面板背光源的电力供应(Power Supply)主要是使用换流电路(Inverter Circuit)来达成能量的转换及驱动冷阴极荧光灯(CCFL)的发光。已知的换流电路(Inverter Circuit)因电路拓朴的不同，一般分有半桥式换流电路、全桥式换流电路及克拉克转换电路(Clark converter)等，其是将直流电转换成交流电的换流电路。
请参考图1，为已知克拉克转换电路(Clark converter)架构示意图。如图1所示，克拉克转换电路(Clark converter)使用一个具有一中间抽头的变压器401，并且该变压器401的中间抽头通过一电感器403连接到一直流电源408的正端。同时，该变压器401的二输入终端分别通过切换开关405、406连接到该直流电源408的负端。克拉克转换电路(Clark converter)的工作原理是通过控制单元407分别交替的控制切换开关405、406的切换动作，使得直流电源408可以通过切换开关405、406的切换动作进而通过电感器403将直流电力传送到该变压器401。直流电力经由该变压器401的电力转换，用以提供冷阴极荧光灯(CCFL)发光。
上述中，切换开关405、406的切换动作也可通过自激驱动方式达成。克拉克转换电路输出的电力是跟随着输入的直流电力而改变，电路本身不具输出电力调节功能。
请参考图2，为已知全桥式转换电路(full-bridge converter)架构示意图。变压器501是将电路区分成为一次侧的前级电路与二次侧的后级电路，一次侧的前级电路包括有：四个切换开关503、504、505、506，一全桥式控制模块509及一直流阻隔电容器510等，二次侧的后级电路包括有：一负载(Load)。全桥式控制模块509是输出四个控制信号用以分别控制四个切换开关503、504、505、506的切换动作，藉此将直流电源507的电压，通过电容器510提供给变压器501，并通过变压器501将直流电源507的电压升压转换到二次侧的后级电路，用以驱动负载(Load)。此全桥式转换电路架构使用于高压端的切换开关503、505，其驱动级需附有电位转移电路，该电路诱入额外的传输延迟，使其开关控制时序(timing)无法像低压端的切换开关504、506一样，于是会形成不对称的输入电压V1产生，而造成变压器501的磁饱和现象，所以为了防止此一情况发生，常于变压器的一次侧连接一直流阻隔电容器510，用以避免变压器501发生磁饱和。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种换流装置，是将变压器一次侧二个输入终端分别通过一第二开关与一第三开关连接到一直流电源的回路端，并且变压器一次侧的一中间抽头相同通过一第一开关连接到该直流电源的输出端。换流装置中是使用一控制信号单元控制该第二开关与该第三开关同时导通，并搭配控制该第一开关的切换动作的功能，以提供一交变电力到该变压器一次侧的主绕组，进而于该次绕阻输出一交流电力到负载。
通过上面所述，该控制信号单元是周期性地控制所述开关的切换，所述开关切换顺序如下：第二开关与第三开关同时导通，第一开关截止，使得变压器一次侧二个输入终端间形成零电压短路；然后，第一开关与第三开关导通，第二开关截止，使得变压器一次侧二个输入终端间取得来至直流电源的正向电压偏置；接下来，再进入第二开关与第三开关同时导通，第一开关截止，所形成的零电压短路；再来，第一开关与第二开关导通，第三开关截止， 使得变压器一次侧二个输入终端间取得来至直流电源的负向电压偏置。如此，周期性的开关切换，是可以在变压器一次侧二输入终端间得到一振幅大小相当于直流电源的交变电压，该交变电压进而通过变压器的次绕阻输出到一交流电力负载。
因此，本发明是仅需三个切换开关即可以完成换流的工作提供交流电力给负载使用，而无需使用复杂电路。同时，本发明可以提供一高度对称的正负周期性交变电力，不会在变压器一次侧上形成不对称的输入电压波型，进而避免变压器501的磁饱和现象，所以更可以免除变压器一次侧所连接的直流阻隔电容器510的使用。
为了使审查员能更进一步了解本发明特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1为已知克拉克转换电路(Clark converter)架构示意图；
图2为已知全桥转换电路(full-bridge converter)架构示意图；
图3为本发明电路架构示意图；
图4为本发明于工作周期小于50％的PWM信号源下的电路各部波形示意图；及
图5为本发明于工作周期大于50％的PWM信号源下的电路各部波形示意图。
图号说明：
10 控制信号单元
101 变压器
101a-101b 变压器输入终端
101c 中间抽头端
1012 漏磁电感
1013 共振电容
102 负载
103 直流电源
104 第一开关
104a 控制信号
105 第二开关
105a 控制信号
106 第三开关
106a 控制信号
107 PWM信号源
108 正反器
108a、108b 互补信号
109 逻辑电路
1091、1092 与非门
110 反相器
1041、1051、1061寄生二极管
V1 输入电压
V2 输出电压
具体实施方式
请参考图3，为本发明电路架构示意图。本发明换流装置包括有：一具有输出端与回路端的直流电源103；一具有主绕组及次绕阻，并且该主绕阻包括有二输入终端与一中间抽头端101c的变压器101。该变压器101的中间抽头端101c通过一第一开关104，连接该直流电源103的输出端，该二输入终端分别通过一第二开关105与一第三开关106连接该直流电源103的回路端。本发明换流装置是使用一控制信号单元10输出三个控制信号，分别控制该第二开关105与该第三开关106周期性地同时导通和交替导通，并搭配控制该第一开关104的切换动作，以提供一交变电力到该变压器101的主绕组，进而于该次绕阻输出一交流电力以提供负载102使用。
再参考图3，其中该控制信号单元10是使用一PWM信号源107控制该第一开关104的切换；该PWM信号源107同时传送到一具有一输入端T及二输出端Q、 的正反器108，正反器108从其输入端T接收该PWM信号源后分别从该二输出端Q、 
输出二个互补的信号108a、108b。一逻辑电路109，是由二个与非门(NAND)1091、1092组成，该二个与非门(NAND)1091、1092的一输入端分别连接到该正反器108的二输出Q、 
另一输入端同时接收该PWM信号源107，并一输出端分别输出控制信号105a、106a，用以控制该第二开关105与该第三开关106的切换。所述与非门(NAND)1091、1092可按开关105、106的控制特性，由与门(AND)所替代。
上述说明中，该正反器108为一T型正反器，再者，该T型正反器可由D型正反器、SR正反器或JK正反器搭配连接组合而成。同时，该PWM信号源107更进一步通过一反相器110传送一控制信号104a到该第一开关104用以控制其切换动作。
再参考图3，通过上面所述，该控制信号单元10是周期性的控制所述开关104、105、106的切换，所述开关104、105、106切换的顺序如下：第二开关105与第三开关106同时导通ON，第一开关104截止，使得变压器101一次侧二个输入终端101a-101b间形成零电压短路；然后，第一开关104与第三开关106导通ON，第二开关105截止OFF，使得变压器101一次侧二个输入终端101c-101b间取得正值的直流电源103，诱发二个输入终端101a-101b间的正向电压；接下来，再进入第二开关105与第三开关106同时导通ON，第一开关104截止OFF所形成的零电压短路；再来，第一开关104与第二开关105导通ON，第三开关106截止OFF，使得变压器101一次侧二个输入终端101a-101c间取得负值的直流电源103，诱发二个输入终端101a-101b间的负向电压。
如此，周期性的开关切换，可以在变压器101一次侧二输入终端101a-101b间得到一振幅大小为直流电源103两倍的交变电压。再者，该变压器101的次绕组具有一漏磁电感1012，该漏磁电感1012与一共振电容1013形成一LC串联共振效应。该变压器101在LC串联共振效应下，将交变电力转换成为正弦的交流电力，并于变压器101的次绕组输出到负载102。
再参考图3，该第一开关104、该第二开关105及该第三开关106分别具有一寄生二极管1041、1051、1061，所述寄生二极管1041、1051、1061可随时回路该变压器101绕组所产生的返驰电流到该直流电源103，回路动作与开关的控制信号无直接关系。
配合图3，请参考图4，为本发明于工作周期小于50％的PWM信号源下的电路各部波形示意图。如图4所示，在时间I期间，PWM信号源107为低电位，用以控制第一开关104截止，并且正反器108输出的二个互补信号108a、108b保持不变，此时逻辑电路109根据低电位的PWM信号源107、高电位的信号108a及低电位的信号108b，输出控制信号以控制第二开关105与该第三开关106导通，所以此时变压器101一次侧二个输入终端101a-101b为零电压。
在时间II期间，PWM信号源107为高电位，用以控制第一开关104导通，并正反器108输出的二个互补信号108a、108b仍保持不变，此时逻辑电路109根据高电位的PWM信号源107、高电位的信号108a及低电位的信号108b，输出控制信号以控制第二开关105截止与该第三开关106导通，所以变压器101一次侧二个输入终端101a-101b间是自直流电源103取得正向的电压。
在时间III期间，PWM信号源107为从高电位转态成为低电位，低电位的信号是用以控制第一开关104截止。并正反器108输出的二个互补信号108a、108b产生转态(即信号108a由高电转变为低电位；信号108b则反之)， 此时逻辑电路109根据低电位的PWM信号源107、低电位的信号108a及高电位的信号108b，输出控制信号以控制第二开关105与该第三开关导通106导通，所以变压器101一次侧二个输入终端101a-101b间再次进入零电压。
在时间IV期间，PWM信号源107为从低电位转态成为高电位，高电位的信号是用以控制第一开关104再次导通。并正反器108输出的二个互补信号108a、108b保持不变，此时逻辑电路109根据高电位的PWM信号源107、低电位的信号108a及高电位的信号108b，输出控制信号以控制第二开关105导通与该第三开关106截止，所以变压器101一次侧二个输入终端101a-101b间自直流电源103取得负向的电压。
上述说明中，本发明是使用工作周期小于50％的PWM信号源107作为周期性的工作时钟脉冲，因此，在时间IV期间后，电路各部波形又回复到时间I期间时的波形，电路组件的动作也是与之相同，如此周期性地工作下去，即可于变压器101一次侧二个输入终端101a-101b间产生对称的输入电压V1。该输入电压V1是在该变压器101的LC串联共振效应下转换成为正弦的输出电压V2，以提供连接于变压器101次绕阻的负载102使用。
请参考图5，为本发明于工作周期大于50％的PWM信号源下的电路各部波形示意图。图5所示的波形工作原理与上述图4说明相同，在此不多加赘述。在图5所示中，本发明是使用工作周期大于50％的PWM信号源107作为周期性的工作时钟脉冲，因此，在变压器101一次侧二个输入终端101a-101b间取得的输入电压V1，于时间II期间与时间IV期间较上述图4说明为长，时间I期间与时间III期间则相对为短。如此，该输入电压V1是在该变压器101的LC串联共振效应下转换成为振幅较大的正弦输出电压V2，以提供连接于变压器101次绕阻的负载102使用。
综上所述，本发明仅需三个切换开关即可以完成换流的工作，提供交流电力给负载使用，而无需使用复杂电路。同时，由于电路对正负开关周期的完全对称结构，本发明可以提供一高度对称的正负周期性交变电力，不会在 变压器一次侧上形成不对称的输入电压波型，进而避免变压器的磁饱和现象，所以更可以免除于变压器一次侧连接直流阻隔电容器的需求。
Claims (9)
1.一种换流装置，用以提供一交流电力输出，其特征在于包括有：
一直流电源，具有一输出端与一回路端；
一变压器，具有一主绕组及一次绕阻，该主绕阻包括有一第一输入端、一第二输入终端与一中间抽头端；
一第一开关跨接于该主绕组的中间抽头端与该直流电源的输出端；
一第二开关跨接于该主绕组的第一输入端与该直流电源的回路端；
一第三开关跨接于该主绕组的第二输入端与该直流电源的回路端；及
一控制信号单元，输出三个控制信号，使能所述控制信号单元具有控制该第二开关与该第三开关同时导通并搭配控制该第一开关的切换动作的功能，以提供一交变电力到该变压器的主绕组，进而于该次绕阻输出该交流电力。
2.如权利要求1所述的换流装置，其特征在于，该变压器的次绕组具有一漏磁电感，该漏磁电感与一共振电容形成一LC串联共振效应。
3.如权利要求1所述的换流装置，其特征在于，该变压器在LC串联共振效应下，将该交变电力转换成为正弦的交流电力输出。
4.如权利要求1所述的换流装置，其特征在于，其中该第一开关、该第二开关及该第三开关分别具有一寄生二极管，用以随时回路该变压器绕组所产生的返驰电流。
5.如权利要求1所述的换流装置，其特征在于，其中该控制信号单元包括有：
一PWM信号源，控制该第一开关的切换；
一正反器，具有一输入端及二输出端，由该输入端接收该PWM信号源，并分别从该二输出端输出二个互补的信号；及
一逻辑电路，连接于该正反器，接收该PWM信号源与该二个互补的信号，用以输出二控制信号控制该第二开关与该第三开关的切换。
6.如权利要求5所述的换流装置，其特征在于，其中该正反器为一T型正反器。
7.如权利要求5所述的换流装置，其特征在于，其中该逻辑电路是由二个与非门组成，该二个与非门的一输入端分别连接到该正反器的二输出端，另一输入端同时接收该PWM信号源，并一输出端分别输出控制信号，用以控制该第二开关与该第三开关的切换。
8.如权利要求7所述的换流装置，其特征在于，其中所述与非门由与门所替代。
9.如权利要求5所述的换流装置，其特征在于，其中该PWM信号源是通过一反相器控制该第一开关的切换。
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