KR100973815B1 - 표시 장치용 광원의 구동 장치 및 인버터 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 n 단계로 변하는 출력 전압을 생성하는 인버터 장치에 관한 것으로, 상기 인버터 장치는 외부로부터 인가되는 적어도 하나의 구동 신호에 따라 2(n-1) 시간 동안 한번의 턴 온/오프 동작이 이루어지는 복수의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 스위칭 소자의 턴 온/오프 동작에 따라 n 단계로 변하는 출력 전압을 생성하는 스위칭부, 그리고 상기 출력 전압의 각 단계마다 상이한 캐리어 신호를 생성하고, 상기 캐리어 신호에 기초하여 상기 각 스위치 소자에 인가되는 구동 신호를 생성하는 캐리어 신호 생성부를 포함한다. 본 발명에서 상기 스위칭부는 n 단계 플라잉 커패시터 인버터(flying capacitor inverter)이다. 이와 같이 다단계로 변하는 정현파적인 출력 전압을 얻을 수 있으므로, 상기 인버터 장치에 연결된 부하의 동작 제어가 안정적으로 이루어진다.

액정표시장치, LCD, 백라이트, 인버터, 캐리어신호, 플라잉커패시터인버터, 다단계

Description

표시 장치용 광원의 구동 장치 및 인버터 장치{DRIVING DEVICE OF LIGHT SOURCE FOR DISPLAY DEVICE AND INVERTER}

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 블록도이다.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 분해 사시도이다.

도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 한 화소에 대한 등가 회로도이다.

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 스위칭부의 회로도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따라서 4-레벨의 출력 전압용 캐리어 신호를 생성하기 위한 펄스폭 변조 패턴이다.

도 6a 내지 도 6c, 도 7a 내지 도 7c 및 도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 실시예에 따라서 4-레벨의 출력 전압을 얻기 위해서 유효 전압에 따라 얻어지는 복수의 캐리어 신호와 각 스위칭 소자)에 인가되는 구동 신호를 나타내는 파형이다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따라서 n-레벨의 출력 전압용 캐리어 신호를 생성하기 위한 펄스폭 변조 패턴이다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따라서 n-레벨의 출력 전압을 얻기 위해서 유효 전압에 따라 각 스위칭 소자에 인가되는 캐리어 신호를 나타내는 파형이다.

도 11a 및 도 11b는 본 발명의 실시예에 따른 출력 전압 및 출력 전류의 파 형도이다.

본 발명은 표시 장치용 광원의 구동 장치 및 인버터 장치에 관한 것이다.

컴퓨터의 모니터나 TV 등에 사용되는 표시 장치(display device)에는 스스로 발광하는 발광 다이오드(light emitting diode, LED), EL(electroluminescence), 진공 형광 표시 장치(vacuum fluorescent display, VFD), 전계 발광 소자(field emission display, FED), 플라스마 표시 장치(plasma display panel, PDP) 등과 스스로 발광하지 못하고 광원을 필요로 하는 액정 표시 장치(liquid crystal display, LCD) 등이 있다.

일반적인 액정 표시 장치는 전계 생성 전극이 구비된 두 표시판과 그 사이에 들어 있는 유전율 이방성(dielectric anisotropy)을 갖는 액정층을 포함한다. 전계 생성 전극에 전압을 인가하여 액정층에 전기장을 생성하고, 전압을 변화시켜 이 전기장의 세기를 조절하고 이렇게 함으로써 액정층을 통과하는 빛의 투과율을 조절하여 원하는 화상을 얻는다.

이때의 빛은 별도로 구비된 인공 광원일 수도 있고 자연광일 수도 있다.

액정 표시 장치용 광원, 즉 백라이트(backlight) 장치는 광원으로서 통상 여러 개의 형광 램프(fluorescent lamp)를 사용하며 램프를 구동하는 인버터를 포함한다. 인버터는 외부로부터 입력되는 밝기 제어 전압에 따라 입력되는 직류 전원 을 교류 전원으로 변환한 후 승압시켜 램프에 인가하여 점등시키고 램프의 밝기를 조절하며, 램프에 흐르는 전류에 관련된 전압을 감지하고 감지된 전압에 기초하여 램프에 인가되는 전압을 피드백(feedback) 제어한다.

이때, 램프의 양 단자에는 교류 성분의 고전압이 인가되어, 정현파의 구동 전류가 램프에 흘러 램프의 점등 동작이 이루어진다. 따라서 램프에 인가되는 구동 전압을 생성하기 위해, 인버터는 인가되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 스위칭부를 포함하고 있다. 하지만 스위칭부를 통해서 변환된 신호의 레벨은 통상적으로 2단계로 나뉘어지고 이를 기초로 하여 램프의 구동 전류가 만들어진다. 따라서 실제 램프에 인가되는 구동 전류는 완전한 형태의 정현파라기 보다는 오히려 삼각파에 가깝고, 그로 인해 램프의 구동이 정밀하게 이루어지지 않아 동작 효율이 떨어진다. 또한 표시 장치의 백라이트 구동 효율이 떨어지므로 불필요한 전력 소모가 발생하고 화질에 악영향을 미친다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 램프의 동작을 미세하게 제어하여 램프의 동작 효율을 향상시키는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 표시 장치의 화질을 개선하는 것이다.

이러한 기술적 과제를 이루기 위한 인버터 장치는 n 단계로 변하는 출력 전압을 생성하는 인버터 장치로서, 외부로부터 인가되는 적어도 하나의 구동 신호에 따라 2(n-1)Ts 시간 동안 한번의 턴 온/오프 동작이 이루어지는 복수의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 스위칭 소자의 턴 온/오프 동작에 따라 n 단계로 변하는 출력 전압을 생성하는 스위칭부, 그리고 상기 출력 전압의 각 단계마다 상이한 캐리어 신호를 생성하고, 상기 캐리어 신호에 기초하여 상기 각 스위치 소자에 인가되는 구동 신호를 생성하는 캐리어 신호 생성부를 포함하고, 상기 스위칭부는 n-단계 플라잉 커패시터 인버터이다.

본 발명에서 상기 스위칭부는 4-단계 플라잉 커패시터 인버터일 수 있다. 이때, 상기 4-단계 플라잉 커패시터 인버터는 직렬로 연결된 복수의 스위칭 소자쌍, 상기 각 스위칭 소자의 입력 단자와 출력 단자 사이에 각각 연결된 복수의 다이오드, 상기 제1 스위칭 소자쌍 양단에 직렬로 연결되어 있는 복수의 제1 커패시터, 상기 제2 스위칭 소자쌍 양단에 직렬로 연결되어 있는 복수의 제2 커패시터, 그리고 상기 제3 스위칭 소자쌍 양단에 연결되어 있는 제3 커패시터를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 캐리어 신호는 유효 전압의 출력 레벨과 상기 스위칭 소자의 턴 온/오프 상태 및 스위치 상태에 따라서 변하는 것이 좋다.

본 발명에서, 상기 각 스위칭 소자를 위한 상기 캐리어 신호는 2Ts 시간만큼 시프트될 수 있다.

상기한 기술적 과제를 이루기 위하여, 표시 장치용 광원의 구동 장치는 적어도 하나의 광원을 포함하는 표시 장치용 광원의 구동 장치로서, n 단계로 변하는 구동 전압을 출력하여 상기 광원에 인가하는 인버터부를 포함하고, 상기 인버터부 는 외부로부터 인가되는 적어도 하나의 구동 신호에 따라 2(n-1) 시간 동안 한번의 턴 온/오프 동작이 이루어지는 복수의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 스위칭 소자의 턴 온/오프 동작에 따라 n 단계로 변하는 출력 전압을 생성하는 스위칭부, 그리고 상기 출력 전압의 각 단계마다 상이한 캐리어 신호를 생성하고, 상기 캐리어 신호에 기초하여 상기 각 스위치 소자에 인가되는 구동 신호를 생성하는 캐리어 신호 생성부를 포함하며, 상기 스위칭부는 n-단계 플라잉 커패시터 인버터이다.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.

이제 본 발명의 실시예에 따른 표시 장치용 광원의 구동 장치 및 인버터 장치에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 블록도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 분해 사시도이며, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 한 화소에 대한 등가 회로도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치는 액정 표시판 조립체(liquid crystal panel assembly)(300) 및 이에 연결된 게이트 구동부(400)와 데이터 구동부(500), 데이터 구동부(500)에 연결된 계조 전압 생성부(800), 액정 표시판 조립체(300)에 빛을 조사하는 램프부(940) 및 이에 연결된 인버터부(920), 그리고 이들을 제어하는 신호 제어부(signal controller)(600)를 포함한다.

한편, 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치를 구조적으로 보면, 표시부(330)와 백라이트부(340)를 포함하는 액정 모듈(350)과 액정 모듈(350)을 수납하고 고정하는 전면 및 후면 케이스(361, 362), 섀시(363) 및 몰드 프레임(364)을 포함한다.

표시부(330)는 액정 표시판 조립체(300)와 이에 부착된 게이트 FPC(flexible printed circuit) 기판(410) 및 데이터 FPC 기판(510), 그리고 해당 FPC 기판(410, 510)에 부착되어 있는 게이트 PCB(printed circuit board)(450) 및 데이터 PCB(550)를 포함한다.

액정 표시판 조립체(300)는, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 구조적으로 볼 때 하부 표시판(100) 및 상부 표시판(200)과 그 사이에 들어 있는 액정층(3)을 포함하며, 도 1 및 도 3에 도시한 바와 같이 등가 회로로 볼 때 복수의 표시 신호선(G₁-G_n, D₁-D_m)과 이에 연결되어 있으며 대략 행렬의 형태로 배열된 복수의 화소(pixel)를 포함한다.

표시 신호선(G₁-G_n, D₁-D_m)은 하부 표시판(100)에 구비되어 있으며, 게이트 신호("주사 신호"라고도 함)를 전달하는 복수의 게이트선(G₁-G_n)과 데이터 신호를 전달하는 데이터 신호선 또는 데이터선(D₁-D_m)을 포함한다. 게이트선(G₁ -G_n)은 대략 행 방향으로 뻗어 있으며 서로가 거의 평행하고 데이터선(D₁-D_m)은 대략 열 방향으로 뻗어 있으며 서로가 거의 평행하다.

각 화소는 표시 신호선(G₁-G_n, D₁-D_m)에 연결된 스위칭 소자(Q)와 이에 연결된 액정 축전기(liquid crystal capacitor)(C_LC) 및 유지 축전기(storage capacitor)(C_ST)를 포함한다. 유지 축전기(C_ST)는 필요에 따라 생략할 수 있다.

스위칭 소자(Q)는 하부 표시판(100)에 구비되어 있으며, 삼단자 소자로서 그 제어 단자 및 입력 단자는 각각 게이트선(G₁-G_n) 및 데이터선(D₁-D _m)에 연결되어 있으며, 출력 단자는 액정 축전기(C_LC) 및 유지 축전기(C_ST)에 연결되어 있다.

액정 축전기(C_LC)는 하부 표시판(100)의 화소 전극(190)과 상부 표시판(200)의 공통 전극(270)을 두 단자로 하며 두 전극(190, 270) 사이의 액정층(3)은 유전체로서 기능한다. 화소 전극(190)은 스위칭 소자(Q)에 연결되며 공통 전극(270)은 상부 표시판(200)의 전면에 형성되어 있고 공통 전압(V_com)을 인가받는다. 도 3에서와는 달리 공통 전극(270)이 하부 표시판(100)에 구비되는 경우도 있으며 이때에는 두 전극(190, 270)이 모두 선형 또는 막대형으로 만들어진다.

액정 축전기(C_LC)의 보조적인 역할을 하는 유지 축전기(C_ST)는 하부 표시판 (100)에 구비된 별개의 신호선(도시하지 않음)과 화소 전극(190)이 절연체를 사이에 두고 중첩되어 이루어지며 이 별개의 신호선에는 공통 전압(V_com) 따위의 정해진 전압이 인가된다. 그러나 유지 축전기(C_ST)는 화소 전극(190)이 절연체를 매개로 바로 위의 전단 게이트선과 중첩되어 이루어질 수 있다.

한편, 색 표시를 구현하기 위해서는 각 화소가 삼원색 중 하나를 고유하게 표시하거나(공간 분할) 각 화소가 시간에 따라 번갈아 삼원색을 표시하게(시간 분할) 하여 이들 삼원색의 공간적, 시간적 합으로 원하는 색상이 인식되도록 한다. 도 3은 공간 분할의 한 예로서 각 화소가 화소 전극(190)에 대응하는 상부 표시판(200)의 영역에 적색, 녹색, 또는 청색의 색 필터(230)를 구비함을 보여주고 있다. 도 3과는 달리 색 필터(230)는 하부 표시판(100)의 화소 전극(190) 위 또는 아래에 형성할 수도 있다.

도 2에서 백라이트부(340)는 액정 표시판 조립체(300)의 하부에 장착되어 있는 복수의 램프(341), 조립체(300)와 램프(341) 사이에 위치하며 램프(341)로부터의 빛을 조립체(300)로 유도 및 확산하는 도광판(342) 및 복수의 광학 시트(343), 그리고 램프(341)의 하부에 위치하며 램프(341)로부터의 빛을 조립체(300) 쪽으로 반사시키는 반사판(344)을 포함한다.

본 실시예에서는 램프(341)로 CCFL(cold cathode fluorescent lamp), EEFL(external electrode fluorescent lamp) 등 형광 램프를 사용한다. 그러나 발 광 다이오드(LED) 등도 램프로서 사용될 수 있다.

도 2에는 4개의 램프만을 도시하였지만, 이 개수에 한정되지 않고, 램프의 개수는 필요에 따라 가감될 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 인버터부(920)는 캐리어 신호 생성부(921), 캐리어 신호 생성부(921)에 연결된 스위칭부(922), 그리고 스위칭부(922)와 램프부(940) 사이에 연결된 변압기(923)를 포함한다.

인버터부(920)는 별도로 장착된 인버터 PCB(도시하지 않음)에 구비될 수도 있고 게이트 PCB(450)나 데이터 PCB(550)에 구비될 수도 있다.

액정 표시판 조립체(300)의 두 표시판(100, 200)의 바깥 면에는 램프(341)에서 나오는 빛을 편광시키는 편광자(도시하지 않음)가 부착되어 있다.

도 1과 도 2를 참고하면, 계조 전압 생성부(800)는 데이터 PCB(550)에 구비되어 있으며 화소의 투과율과 관련된 두 벌의 복수 계조 전압을 생성한다. 두 벌 중 한 벌은 공통 전압(V_com)에 대하여 양의 값을 가지고 다른 한 벌은 음의 값을 가진다.

게이트 구동부(400)는 집적 회로(integrated circuit, IC) 칩의 형태로 각 게이트 FPC 기판(410) 위에 장착되어 있으며, 액정 표시판 조립체(300)의 게이트선 (G₁-G_n)에 연결되어 외부로부터의 게이트 온 전압(V_on)과 게이트 오프 전압(V _off)의 조합으로 이루어진 게이트 신호를 게이트선(G₁-G_n)에 인가한다.

데이터 구동부(500)는 IC 칩의 형태로 각 데이터 FPC 기판(510) 위에 장착되 어 있으며, 액정 표시판 조립체(300)의 데이터선(D₁-D_m)에 연결되어 계조 전압 생성부(800)로부터의 계조 전압 중에서 선택한 데이터 전압을 데이터선(D₁-D_m)에 인가한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면 게이트 구동부(400) 및/또는 데이터 구동부(500)는 IC 칩의 형태로 하부 표시판(100) 위에 장착되며, 또 다른 실시예에 따르면 하부 표시판(100)에 다른 소자들과 함께 집적된다. 이 두 가지 경우 게이트 PCB(450) 및/또는 게이트 FPC 기판(410)은 생략될 수 있다.

게이트 구동부(400) 및 데이터 구동부(500) 등의 동작을 제어하는 신호 제어부(600)는 데이터 PCB(550) 또는 게이트 PCB(450)에 구비되어 있다.

그러면 이러한 액정 표시 장치의 표시 동작에 대하여 상세하게 설명한다.

신호 제어부(600)는 외부의 그래픽 제어기(도시하지 않음)로부터 RGB 영상 신호(R, G, B) 및 이의 표시를 제어하는 입력 제어 신호, 예를 들면 수직 동기 신호(V_sync)와 수평 동기 신호(H_sync), 메인 클록(MCLK), 데이터 인에이블 신호(DE) 등을 제공받는다. 신호 제어부(600)는 입력 영상 신호(R, G, B)와 입력 제어 신호를 기초로 영상 신호(R, G, B)를 액정 표시판 조립체(300)의 동작 조건에 맞게 적절히 처리하고 게이트 제어 신호(CONT1) 및 데이터 제어 신호(CONT2) 등을 생성한 후, 게이트 제어 신호(CONT1)를 게이트 구동부(400)로 내보내고 데이터 제어 신호(CONT2)와 처리한 영상 신호(DAT)는 데이터 구동부(500)로 내보낸다.

게이트 제어 신호(CONT1)는 게이트 온 전압(V_on)의 출력 시작을 지시하는 수 직 동기 시작 신호(STV), 게이트 온 전압(V_on)의 출력 시기를 제어하는 게이트 클록 신호(CPV) 및 게이트 온 전압(V_on)의 지속 시간을 한정하는 출력 인에이블 신호(OE) 등을 포함한다.

데이터 제어 신호(CONT2)는 수평 주기의 시작을 알려주는 수평 동기 시작 신호(STH)와 데이터선(D₁-D_m)에 해당 데이터 전압을 인가하라는 로드 신호(LOAD), 공통 전압(V_com)에 대한 데이터 전압의 극성(이하 "공통 전압에 대한 데이터 전압의 극성"을 줄여 "데이터 전압의 극성"이라 함)을 반전시키는 반전 신호(RVS) 및 데이터 클록 신호(HCLK) 등을 포함한다.

데이터 구동부(500)는 신호 제어부(600)로부터의 데이터 제어 신호(CONT2)에 따라 한 행의 화소에 대응하는 영상 데이터(DAT)를 차례로 입력받아 시프트 시키고, 계조 전압 생성부(800)로부터의 계조 전압 중 각 영상 데이터(DAT)에 대응하는 계조 전압을 선택함으로써 영상 데이터(DAT)를 해당 데이터 전압으로 변환하고, 이를 해당 데이터선(D₁-D_m)에 인가한다.

게이트 구동부(400)는 신호 제어부(600)로부터의 게이트 제어 신호(CONT1)에 따라 게이트 온 전압(V_on)을 게이트선(G₁-G_n)에 인가하여 이 게이트선(G ₁-G_n)에 연결된 스위칭 소자(Q)를 턴온시키면 데이터선(D₁-D_m)에 인가된 데이터 전압이 턴온된 스위칭 소자(Q)를 통하여 해당 화소에 인가된다.

화소에 인가된 데이터 전압과 공통 전압(V_com)의 차이는 액정 축전기(C_LC)의 충전 전압, 즉 화소 전압으로서 나타난다. 액정 분자들은 화소 전압의 크기에 따라 그 배열을 달리한다.

인버터부(920)는 외부로부터 인가되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환 및 변압하여 램프부(940)에 인가하고, 이 전압에 따라 램프부(940)가 점멸되고 램프부(940)의 밝기가 제어된다. 본 발명의 실시예에서, 인버터부(920)는 인가되는 직류 전압을 다단계의 교류 전압으로 변환하여 램프부(940)에 인가한다. 이러한 인버터부(920)의 동작에 대해서는 다음에 상세하게 설명한다.

이와 같은 인버터부(920)의 동작에 따라서, 램프부(940)에서 나온 빛은 액정층(3)을 통과하면서 액정 분자의 배열에 따라 그 편광이 변화한다. 이러한 편광의 변화는 편광자에 의하여 빛의 투과율 변화로 나타난다.

1 수평 주기(또는 "1H")[수평 동기 신호(H_sync), 데이터 인에이블 신호(DE), 게이트 클록(CPV)의 한 주기]가 지나면 데이터 구동부(500)와 게이트 구동부(400)는 다음 행의 화소에 대하여 동일한 동작을 반복한다. 이러한 방식으로, 한 프레임(frame) 동안 모든 게이트선(G₁-G_n)에 대하여 차례로 게이트 온 전압(V_on )을 인가하여 모든 화소에 데이터 전압을 인가한다. 한 프레임이 끝나면 다음 프레임이 시작되고 각 화소에 인가되는 데이터 전압의 극성이 이전 프레임에서의 극성과 반대가 되도록 데이터 구동부(500)에 인가되는 반전 신호(RVS)의 상태가 제어된다("프레임 반전"). 이때, 한 프레임 내에서도 반전 신호(RVS)의 특성에 따라 한 데이터선을 통하여 흐르는 데이터 전압의 극성이 바뀌거나("라인 반전"), 한 화소행에 인 가되는 데이터 전압의 극성도 서로 다를 수 있다("도트 반전").

그러면, 본 발명의 한 실시예에 따른 인버터부(920)의 동작을 도 4 내지 도 8을 참고로 하여 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따라서 4-레벨의 출력 전압용 캐리어 신호를 생성하기 위한 펄스폭 변조 패턴을 나타내고, 도 6a 내지 도 6c, 도 7a 내지 도 7c 및 도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 실시예에 따라서 4-레벨의 출력 전압을 얻기 위해서 유효 전압에 따라 얻어지는 캐리어 신호(CS11, CS12, CS13)와 각 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3)에 인가되는 구동 신호(Ga1, Ga2, Ga3)를 나타내는 파형이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 스위칭부(922)는 플라잉 커패시터 인버터(flaying capacitor inverter)를 구비하고, 도 4에 도시한 플라잉 커패시터 인버터는 4-레벨의 출력 전압을 갖는 플라잉 커패시터 인버터이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 4-레벨의 출력 전압을 실현하기 위한 스위칭부(922)는 직렬로 연결된 스위칭 소자(Q1, Q1', Q2, Q2', Q3, Q3')와 이 스위칭 소자(Q1, Q1', Q2, Q2', Q3, Q3')의 입력 단자와 출력 단자 사이에 각각 연결된 다이오드(D1, D1', D2, D2', D3, D3')를 포함한다. 또한 스위칭 소자(Q1, Q1') 양단에는 커패시터(C11, C12, C13)가 직렬로 연결되어 있고, 스위칭 소자(Q2, Q2') 양단에는 커패시터(C21, C22)가 직렬로 연결되어 있으며, 스위칭 소자(Q3, Q3') 양단에는 커패시터(C31)가 연결되어 있다. 각 스위칭 소자(Q1, Q1', Q2, Q2', Q3, Q3')의 입력 단자에는 각각 구동 신호(Sa1, Sa1', Sa2, Sa2', Sa3, Sa3')가 인가된다.

이러한 구성의 4-레벨 플라잉 커패시터 인버터에서 각 레벨의 출력 전압과 스위칭 소자(Q1, Q1', Q2, Q2', Q3, Q3')의 턴 온/오프 상태를 살펴보면 다음과 같다.

1) 출력 전압(Van)이 Vdc일 때,

Q1, Q2, Q3 턴 온, 그 이외의 스위칭 소자는 턴 오프

2) 출력 전압이 (2Vdc)/3일 때,

(a) Q2, Q3, Q1' 턴 온, 그 이외의 스위칭 소자는 턴 오프

(b) Q1, Q3, Q2' 턴 온, 그 이외의 스위칭 소자는 턴 오프

(c) Q1, Q2, Q3' 턴 온, 그 이외의 스위칭 소자는 턴 오프

(3) 출력 전압이 Vdc/3일 때,

(a) Q2, Q1', Q3' 턴 온, 그 이외의 스위칭 소자는 턴 오프

(b) Q3, Q1', Q2' 턴 온, 그 이외의 스위칭 소자는 턴 오프

(c) Q1, Q2', Q3' 턴 온, 그 이외의 스위칭 소자는 턴 오프

(4) 출력 전압이 0일 때,

Q1', Q2', Q3' 턴 온, 그 이외의 스위칭 소자는 턴 오프

위의 결과를 표를 이용하여 나타내면 [표 1]과 같다.

출력 전압(Van)	스위치 상태	스위치 시퀀스
		Sa1	Sa2	Sa3
Vdc	3	1	1	1
(2Vdc)/3	21	0	1	1
	22	1	0	1
	23	1	1	0
Vdc/3	11	0	1	0
	12	0	0	1
	13	1	0	0
0	0	0	0	0

[표 1]에서 각 스위치(Q1, Q1', Q2, Q2', Q3, Q3')에 입력되는 한 쌍의 신호(Sa1 및 Sa1', Sa2 및 Sa2', Sa3 및 Sa3')의 관계는 서로 반전된 관계이다. 즉, Sa1의 신호 상태가 고레벨일 경우, Sa1'의 신호 상태를 저레벨이므로, Q1이 턴 온 상태이며, Q1'는 턴 오프 상태이다.

[표 1]을 통해 알 수 있듯이, 각 출력되는 출력 전압의 크기[Vdc, (2Vdc)/3, Vdc/3, 0]에 따라서 각 스위칭 소자(Q1, Q1', Q2, Q2', Q3, Q3')의 턴 온/오프 상태가 변한다. 또한 [표 1]에 도시한 바와 같이, 모두 8개(=2³)의 스위칭 상태 중에서, (2Vdc)/3의 출력 전압은 모두 세 가지 경우의 스위치 시퀀스 상태를 통해 얻을 수 있고, Vdc/3일 경우에도 역시 세 가지 경우의 스위치 시퀀스 상태를 통해 얻을 수 있다. 하지만 Vdc와 0의 경우에는 각각 하나의 스위치 시퀀스를 통해서만 얻을 수 있다. 따라서, 출력 전압이 (2Vdc)/3일 때와 Vdc/3일 경우, 스위칭 여유도(redundancy)는 "2"이므로, 스위칭 여유도가 "0"인 다른 출력 전압(Vdc과 0)의 스위칭 여유도보다 높다.

[표 1]을 기초로 하여 n-레벨로 확장해 보면, n-레벨 플라잉 커패시터 인버터는 (n-1)개의 스위칭군을 포함하고, 이 때 얻어지는 스위칭 상태는 모두 2^(n-1)개 임을 알 수 있다. 또한 2^(n-1)개의 스위칭 상태는 스위치 시퀀스의 값 중에서 "1"의 개수에 따라서 출력 전압의 크기가 나뉘어진다. 즉, n 개의 출력 전압은 "1"의 개수가 (n-1)개인 경우, "1"인 개수가 (n-2)개인 경우, ... "1"일 개수가 0개인 경우로 나눠진다.

다음, n-레벨의 플라잉 커패시터 인버터를 구성하고 각 스위칭군의 스위칭 소자의 턴 온/오프 상태를 조정하여 n-레벨의 교류 전압을 생성할 때, 각 스위칭 소자에 구동 신호를 생성하는 캐리어 신호 생성부(921)의 동작에 대하여 도면을 참고로 하여 설명한다.

먼저, 도 5 내지 도 8을 참고로 하여, 4-레벨의 플라잉 커패시터 인버터의 경우 캐리어 신호를 생성하는 방식에 대하여 설명한다.

본 발명에 따른 새로운 캐리어 신호 생성 방식은 다음 두 가지 조건을 만족해야 한다.

첫 번째 조건은 n-레벨에서 모든 스위칭 소자는 2(n-1)Ts 동안에 한번의 턴 온과 턴 오프 동작을 해야 한다. 다른 한가지 조건은 첫 번째 조건을 만족시키는 사용 가능한 모든 스위칭 여유도를 가지고 스위칭 상태를 배치해야 한다는 것이다. 따라서, 도 5에 도시한 펄스폭 변조 패턴은 4-레벨의 출력 전압을 얻기 위한 것으로, 6Ts[=2(n-1)Ts]동안 세 개의 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3)는 한번씩 턴 온과 턴 오프 동작을 해야 하므로, 모두 6번의 스위칭 동작이 일어나며, 평균적으로 Ts 시간 동안 한번의 스위칭 동작이 일어나게 된다. 또한, 일정 주기인 6Ts 동안 모든 스 위칭 상태를 나열해야 하므로, 도 5에 도시한 것처럼, [표 1]에 기초해서 나올 수 있는 각 스위치 상태를 순차적으로 모두 기입해 놓았다. 도 5에서 51은 2Ts 주기를 갖는 삼각파 신호로서 통상적인 캐리어 신호이고, Vxs는 유효 전압이다.

이와 같이, 기본적인 삼각파 신호(51)와 유효 전압(Vxs) 및 각 스위칭 상태를 기초로 하여 새로운 캐리어 신호를 생성하기 위한 펄스폭 변조 패턴이 형성된다.

다음, 유효 전압(52)의 상태와 [표 1]에 도시한 각 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3)의 스위칭 상태를 이용하여, 각 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3)에 인가되는 구동 신호의 생성 과정에 대하여 설명한다.

먼저, 유효 전압(Vxs)이 Vdc＜Vxs＜(2Vdc)/3일 경우, 스위칭 상태는 도 5에 도시한 바와 같이, 3-2₁-3-2₂-3-2₃-3이고 이러한 각 스위칭 상태일 때의 스위칭 소자(Q1)에 인가되는 구동 신호(Sa1)의 상태는 1-0-1-1-1-1이다. 따라서, 스위칭 소자(Q1)는 3-2₁일 때와 2₁-3일 때 동작 상태가 바뀌므로 도 6a에 도시한 것과 같은 캐리어 신호(CS11)가 생성되고, 이 캐리어 신호(CS11)에 기초하여 펄스폭 변조된 스위칭 소자(Q1)의 구동 신호(Sa1)가 얻어진다.

다음, 유효 전압(Vxs)이 (2Vdc)/3＜Vxs＜Vdc/3일 경우, 스위칭 상태는 도 5에 도시한 바와 같이, 2₃-1₁-2₁-1₂-2₂-1 ₃-2₃이고, 이때 스위칭 소자(Q1)에 인가되는 구동 신호(Sa1) 상태는 1-0-0-0-1-1-1이다. 따라서 스위칭 소자(Q1)는 2₃-1₁때와 1₂-2₂일 때 동작 상태가 변하므로 도 6b에 도시한 것과 같은 캐리어 신호(CS12)가 얻어지면, 이 캐리어 신호(CS12)를 기초하여 펄스폭 변조 신호(Sa1)가 얻어져 스위칭 소자(Q1)의 게이트 단자에 인가된다.

또한 유효 전압(Vxs)이 Vdc/3＜Vxs＜0일 경우, 스위칭 상태는 1₃-0-1₁-0-1₂ -0-1₃이고, 이때 스위칭 소자(Q1)에 대한 구동 신호(Sa1)의 상태는 1-0-0-0-0-0-1로 변한다. 따라서 스위칭 소자(Q1)의 상태는 1₃-0과 0-1₃일 때 변하므로 도 6c에 도시한 것과 같은 캐리어 신호(CS13)와 펄스폭 변조 신호(Sa1)가 얻어진다.

이와 같이, 스위칭 소자(Q1)의 구동 신호(Sa1)를 얻기 위한 캐리어 신호는 유효 전압(Vxs)의 크기에 따라 정해진다. 다른 스위칭 소자(Q2, Q3)에 인가되는 구동 신호(Sa2, Sa3) 역시 위에 설명한 방식을 이용하여 해당하는 캐리어 신호를 산출한 후, 그에 기초하여 펄스폭 변조된 신호를 구동 신호로서 스위칭 소자(Q2, Q3)에 인가한다. 이때, 도 7a 내지 도 7c 및 도 8a 내지 도 8c에 도시한 것과 같이, 각 스위칭 소자(Q2, Q3)를 위한 캐리어 신호는 스위치 소자(Q1)를 위한 캐리어 신호를 기준으로 각각 2Ts와 4Ts만큼 시프트된 파형임을 알 수 있다.

다음, 도 9와 도 10을 참고로 하여, n-레벨의 출력 전압을 얻기 위해 확장된 n-레벨의 플라잉 커패시터 인버터일 경우 캐리어 신호를 생성하기 위한 펄스폭 변조 패턴과 그 때 생성되는 캐리어 신호에 대하여 살펴본다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따라서 n-레벨의 출력 전압을 얻기 위한 캐리어 신호를 생성하기 위한 펄스폭 변조 패턴을 나타내며, 도 10은 본 발명의 실시예에 따라서 n-레벨의 출력 전압을 얻기 위해서 유효 전압에 따라 각 스위칭 소자에 인가되는 캐리어 신호를 나타내는 파형이다.

도 9의 가로축은 2(n-1)Ts의 시간을 나타내고, 세로축은 n-레벨의 출력 전압, 예를 들면 0에서 Vdc까지의 값을 갖는 출력 전압을 나타낸다.

도 9에 도시한 바와 같이, 각 출력 전압의 레벨마다 2Ts의 주기를 갖는 삼각파 신호를 배치하고, 표현 가능한 모든 스위치 상태를 0에서부터 (n-1)까지 순차적으로 기재한다. 그런 다음, 도 5 내지 도 8을 참조하여 이미 설명한 방식에 따라 각 유효 전압의 크기에 기초하여 해당하는 캐리어 신호를 만들고, 또 이 캐리어 신호에 기초하여 각 스위칭 소자에 인가되는 구동 신호를 만든다. 도 10에는 n-레벨로 확장된 플라잉 커패시터 인버터에서, 스위칭 소자(Q1)용 캐리어 신호를 도시한다. 다른 스위칭 소자(Q2, ..., Q(n-1)]에 대한 캐리어 신호는 도 10의 도시한 캐리어 신호에서 각각 2Ts, 4Ts, ... (n-1)Ts만큼 이동시킨 파형이다.

이와 같이, 인버터부(920)의 캐리어 신호 생성부(921)에서, 삼각파 신호와 스위칭 상태 및 스위치 시퀀스의 값에 기초하여, 새로운 캐리어 신호를 생성하고, 이 캐리어 신호에 기초하여 플라잉 커패시터 인버터의 각 스위칭 소자에 인가되는 구동 신호를 생성하므로, 인버터부(920)에서 출력되는 전압은 다단계로 출력 레벨이 변하는 교류 전압이 된다.

이와 같은 방식으로 캐리어 신호를 생성하여 플라잉 커패시터 인버터를 구동시킬 경우, 인버터부(920)에 출력되는 출력 전압과 부하단에 인가되는 전류 파형을 살펴본다.

도 11a 및 도 11b는 본 발명의 실시예에 따른 출력 전압 및 출력 전류의 파형도이다.

도 11a에 도시한 바와 같이, 출력 전압을 (+) 방향과 (-) 방향으로 각각 4 단계로 순차적으로 변하는 전압이 출력된다. 이러한 출력 전압에 기초하여 램프부(940)에 인가되는 구동 전류의 파형은 도 11b에 도시한 바와 같이 안정된 형태의 정현파가 된다. 비록 본 발명의 실시예에서는 플라잉 커패시터 인버터에 대하여 설명하였지만, 다단계의 출력 전압을 생성할 수 있는 어떠한 인버터에도 본 발명은 적용될 수 있음은 자명하다.

본 발명의 실시예에 따르면, 인버터부에서 출력되는 전압이 다단계로 변하는 정형파적인 출력 파형이 된다. 따라서 많은 수의 직류 전압원의 합성을 통하여 높은 전압 정격을 실현할 수 있고, 각 소자의 턴 /오프시 소자를 직렬로 연결하여 사용할 경우 발생할 수 있는 전압 분배 문제를 추가적인 회로없이 해결할 수 있다. 더욱이, 전압 레벨이 증가함에 따라 같은 스위칭 주파수에서 출력 전압의 왜곡이 감소하고, 스위칭 과도 상태 동안 발생하는 전압 변화율(dv/dt)과 서지 전압(surge voltage)이 발생하여 EMI(electro-magnetic interference)가 감소한다. 또한 이와 같은 정형파적인 출력 파형의 출력 전압을 이용하여 액정 표시 장치의 램프부를 구동시킬 경우, 램프부에 인가되는 구동 전류 또한 정현파에 가까운 신호 파형을 갖게 된다. 그로 인해, 램프부의 구동 동작이 안정적이고, 노이즈 성분에 의한 영향을 제거하므로 램프부의 동작 효율이 향상된다. 더욱이, 램프부의 동작이 안정적 으로 인가되므로 액정 표시 장치의 화질 또한 개선된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (6)

1. n 단계로 변하는 출력 전압을 생성하는 인버터 장치로서,

   복수의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 복수의 스위칭 소자 각각의 턴 온/오프 동작에 따라 상기 n 단계로 변하는 출력 전압을 생성하는 스위칭부, 그리고

   상기 출력 전압의 각 단계마다 캐리어 신호를 생성하고, 상기 캐리어 신호에 기초하여 상기 복수의 스위칭 소자 각각에 인가되는 구동 신호를 생성하는 캐리어 신호 생성부

   를 포함하고,

   상기 캐리어 신호는 주기가 2Ts인 삼각파 신호를 기반으로 생성하고,

   상기 구동 신호에 따라 상기 복수의 스위칭 소자 각각은 2(n-1)Ts 시간 동안 한번의 턴 온/오프 동작이 이루어지고,

   상기 스위칭부는 n-단계 플라잉 커패시터 인버터인

   인버터 장치.
2. 제1항에서,

   상기 스위칭부는 4-단계 플라잉 커패시터 인버터인 인버터 장치.
3. 제2항에서,

   상기 4-단계 플라잉 커패시터 인버터는,

   직렬로 연결된 6개의 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q1', Q2', Q3'),

   상기 6개의 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q1', Q2', Q3')의 입력 단자와 출력 단자 사이에 각각 연결된 복수의 다이오드(D1, D2, D3, D1', D2', D3'),

   상기 6개의 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q1', Q2', Q3')는 제1 스위칭 소자쌍(Q1, Q1'), 제2 스위칭 소자쌍(Q2, Q2'), 제3 스위칭 소자쌍(Q3, Q3')을 포함하고,

   상기 제1 스위칭 소자쌍(Q1, Q1') 양단에 직렬로 연결되어 있는 복수의 제1 커패시터(C11, C12, C13),

   상기 제2 스위칭 소자쌍(Q2, Q2') 양단에 직렬로 연결되어 있는 복수의 제2 커패시터(C21, C22), 그리고

   상기 제3 스위칭 소자쌍(Q3, Q3') 양단에 연결되어 있는 제3 커패시터(C31)를 포함하는 인버터 장치.
4. 제1항에서,

   상기 캐리어 신호는 상기 삼각파 신호, 유효 전압의 출력 레벨 및 상기 복수의 스위칭 소자 각각의 턴 온/오프 상태에 따라서 변하는 인버터 장치.
5. 제4항에서,

   상기 캐리어 신호는 상기 복수의 스위칭 소자 각각마다 서로 다른 특정 시간만큼 시프트되고, 상기 특정 시간은 2Ts의 정수배인 인버터 장치.
6. 적어도 하나의 광원을 포함하는 표시 장치용 광원의 구동 장치로서,

   n 단계로 변하는 구동 전압을 출력하여 상기 광원에 인가하는 인버터부를 포함하고,

   상기 인버터부는 복수의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 복수의 스위칭 소자 각각의 턴 온/오프 동작에 따라 n 단계로 변하는 출력 전압을 생성하는 스위칭부, 그리고 상기 출력 전압의 각 단계마다 캐리어 신호를 생성하고, 상기 캐리어 신호에 기초하여 상기 복수의 스위칭 소자 각각에 인가되는 구동 신호를 생성하는 캐리어 신호 생성부를 포함하며,

   상기 캐리어 신호는 주기가 2Ts인 삼각파 신호를 기반으로 생성하고,

   상기 구동 신호에 따라 상기 복수의 스위칭 소자 각각은 2(n-1)Ts 시간 동안 한번의 턴 온/오프 동작이 이루어지고,

   상기 스위칭부는 n-단계 플라잉 커패시터 인버터인

   표시 장치용 광원의 구동 장치.

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