專利名稱：壓電變壓器逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于通過壓電變壓器把直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓的壓電變壓器逆變器。具體地說，涉及用于點亮在背面照明液晶顯示屏中用到的冷陰極管的壓電變壓器逆變器。
近來，已采用帶有背面照明的液晶顯示器作為諸如移動電話或筆記本個人電腦一類的便攜式信息處理裝置的顯示器。采用諸如冷陰極管一類的熒光管作為背面照明的光源。為了點亮熒光管，需要采用高交流電壓。此外，一般，將電池和AC適配器用作諸如筆記本個人電腦一類的便攜式信息處理裝置的輸入電源。這種背面照明要求熒光管照明系統(tǒng)，諸如，用于把從輸入電源提供的低直流電壓轉(zhuǎn)換成能夠照明熒光管的高交流電壓的DC/AC逆變器。
近來，已發(fā)展加入比電磁變壓器體積更小的壓電變壓器的壓電變壓器逆變器，用來照明熒光管。為了這種用途，需要壓電變壓器逆變器具有下列性能能力(1)對冷陰極管的管電流進(jìn)行可變控制的能力，以調(diào)節(jié)液晶顯示屏的亮度；(2)寬輸入電壓范圍，以致由電池或電池充電器驅(qū)動；和(3)高效率以延長操作時間。
在描述傳統(tǒng)的壓電逆變器之前，描述一般用于這種系統(tǒng)的Rosen型壓電變壓器。如

圖1所示，提供一種Rosen型壓電變壓器1，其中在一側(cè)區(qū)域內(nèi)，沿著長度方向，在由壓電陶瓷材料制成的壓電基片2的前后主表面上形成主電極3，而且壓電基片2沿著與主電極3垂直的方向(即，沿著壓電基片2的厚度方向)極化。在壓電基片2的端面上形成從屬電極4，而且在從屬電極4的區(qū)域沿著長度方向極化。
在Rosen型壓電變壓器1中，當(dāng)在主電極3之間加上由輸入電源5提供的交流電壓時，把電壓轉(zhuǎn)換成機(jī)械變形。這種變形激勵沿著長度方向的振蕩，而且再次將機(jī)械振蕩轉(zhuǎn)換成從從屬電極4取出(take out)的電振蕩，以執(zhí)行變壓器升壓功能，從而把升壓電壓施于負(fù)載6(熒光管)。
圖2(a)、(b)、(c)、(d)和(e)分別示出當(dāng)負(fù)載電阻RL分別是1M、100K和20K時，Rosen型壓電變壓器1、升壓比、轉(zhuǎn)換效率、輸入/輸出相位差和輸入阻抗的頻率特性。一般，壓電變壓器1的升壓比的峰值(＝輸出電壓/輸入電壓)大約在諧振頻率fr(＝輸入阻抗是最小情況下的頻率)，而且輸入/輸出相位差(＝輸出電壓的相位和輸入電壓的相位之差)大約在升壓比的峰值處從0°逆轉(zhuǎn)為180°。此外，轉(zhuǎn)換效率的峰值是在諧振頻率fr和反諧振頻率fa(＝在輸入阻抗是最大的情況下的頻率)之間。由fd表示在轉(zhuǎn)換效率處于峰值的情況下的頻率。此外，在圖2中，諧振頻率fr、反諧振頻率fa和轉(zhuǎn)換效率處于峰值處的頻率fd與在負(fù)載阻抗是100K的情況下的這些頻率相等效。
第一傳統(tǒng)實施例下面將描述傳統(tǒng)的壓電變壓器逆變器。在用作液晶顯示屏的背景光的壓電變壓器逆變器中，如上所述，需要實行負(fù)載電流(冷陰極管的管內(nèi)電流)的可變控制，以調(diào)節(jié)液晶顯示屏的照明(上述要求(1))。在第6-167694號日本未審查專利公告中揭示了一種滿足這種要求的壓電變壓器逆變器。如圖3所示，它有利地利用壓電變壓器升壓比中的變化作為驅(qū)動頻率的函數(shù)。當(dāng)對升壓比的峰值的高頻側(cè)實行控制時，如果想要更小的負(fù)載電流，則將驅(qū)動頻率設(shè)置得更高，并且將升壓比設(shè)置得更小，但是在想要更大的負(fù)載電流的情況下，將驅(qū)動頻率設(shè)置得更低，并將升壓比設(shè)置得更大，從而控制負(fù)載電流使之恒定。這種系統(tǒng)的壓電變壓器逆變器由于其控制負(fù)載電流的方法簡單而被廣泛地使用。
但是在這樣的系統(tǒng)的壓電變壓器逆變器中，在電源電壓高，或負(fù)載電流設(shè)置得更小的情況下，在低轉(zhuǎn)換效率的頻率范圍內(nèi)驅(qū)動，該頻率范圍大大地偏離壓電變壓器的諧振點fr或者反諧振點fa附近，由此有一個問題，即效率非常地低，(即，這不滿足上述要求(3))。
第二傳統(tǒng)實施例為了解決這些問題，有一些方法，其中通過控制壓電變壓器從而壓電變壓器驅(qū)動信號中的相位差保持恒定，并通過改變開關(guān)裝置的導(dǎo)通占空度控制負(fù)載電流使其恒定，在轉(zhuǎn)換效率峰值的頻率fd附近范圍內(nèi)實行高效率驅(qū)動。在第55-98881、第1-293170、第9-237684以及第9-135573號日本未審查專利公告中揭示了具有這種系統(tǒng)的壓電變壓器逆變器。
圖4示出如第55-98881號日本未審查專利公告中揭示的壓電變壓器逆變器11。驅(qū)動振蕩變壓器12驅(qū)動壓電變壓器13，驅(qū)動電路14和推挽晶體管15和16對變壓器12執(zhí)行推挽開關(guān)驅(qū)動。在壓電變壓器逆變器11的輸出電壓Vo由分壓電阻器17和18分壓后，它與直流電源20的參考電壓E比較，由放大器19放大，然后將其輸入比較器21的一個輸入端作為誤差輸出。
相位檢測器22檢測壓電變壓器13的輸入電壓和輸入電流，并將電壓-電流相位差轉(zhuǎn)換為電壓，以輸入到壓控振蕩器23中。在壓控振蕩器23中，頻率根據(jù)相位檢測器22的輸出電壓而改變，并將壓控振蕩器23的輸出提供給比較器21的另一個輸入端。相應(yīng)于誤差電平的脈沖輸出，從比較器21輸出到驅(qū)動電路14。換句話說，當(dāng)電壓輸出Vo降低時，放大器19的輸出降低，而驅(qū)動振蕩變壓器12的驅(qū)動脈沖寬度增加。結(jié)果，在驅(qū)動振蕩變壓器12的次級側(cè)，相應(yīng)于振動頻率的基波成分的電壓升高，壓電變壓器13的輸入電流增加，使輸出升高。這樣的系統(tǒng)可以改進(jìn)相應(yīng)于負(fù)載波動的輸出穩(wěn)定性。
為了有效地使用壓電變壓器，需要以與壓電變壓器的諧振頻率fr符合的頻率驅(qū)動。另外，已知壓電變壓器的輸入電流和輸入電壓之間的相位差在諧振點上偏離90°。因此，在壓電變壓器逆變器11中，如此地控制壓電變壓器13的輸入電流和輸入電壓之間的相位差，使它們之間的相位差為90°，如上所述，在其中執(zhí)行控制以使壓電變壓器的輸出電壓(轉(zhuǎn)換效率)最大，如圖5(a)和(b)所示。
但是，在壓電變壓器逆變器11中，使用電阻器24檢測輸入電流，其中壓電變壓器13的輸入電流大于其輸出電流，從而有一個問題，即由用于檢測輸入電流的電阻器24引起的損耗大。另外，在這個系統(tǒng)中，由于壓電變壓器13由矩形波驅(qū)動，故與壓電變壓器輸入電容的充電/放電有關(guān)的損耗大，這導(dǎo)致難以達(dá)到高效率。
第三傳統(tǒng)實施例下面，圖6示出第1-293170號日本未審查專利公告中揭示的系統(tǒng)。雖然這不是壓電變壓器的驅(qū)動電路，壓電振子31的輸入電壓V1和輸入電流I1之間的相位差保持恒定以達(dá)到高效率。在這個傳統(tǒng)的實施例中，如圖6所示，壓電振子31的輸入電壓V1和輸入電流I1由相位比較單元32比較，并且控制振蕩器33控制開關(guān)裝置34，以使輸入電壓V1的相位與輸入電流I1的相位相同，由此，在諧振頻率驅(qū)動壓電振子31。
但是，考慮到在壓電變壓器逆變器中使用這樣的電路和控制系統(tǒng)的嘗試，在使用它們時有困難，由于從負(fù)載電阻值的差異產(chǎn)生的輸入相位特性之間的差異。另外，在電路和控制系統(tǒng)中，在壓電振子31的前級使用升壓電磁變壓器35。因為這種變壓器的尺寸相當(dāng)大，故電路和控制系統(tǒng)不適合用于點亮冷陰極管，它需要低的高度和小的尺寸。
第四傳統(tǒng)實施例圖7示出第9-237684號日本未審查專利公告中揭示的壓電變壓器逆變器41。在壓電變壓器逆變器41中，由相位差檢測電路45檢測壓電變壓器42的輸入電壓和輸出電壓(作為兩個分壓電阻器43和44的中點電壓測量)之間的相位差，根據(jù)相位差，控制電路46控制壓控振蕩電路47的振蕩頻率，因此控制從變壓器驅(qū)動單元48提供給壓電變壓器42的輸入電壓的驅(qū)動頻率，從而壓電變壓器42的輸入電壓和輸出電壓之間的相位差是90°。
但是，在這個系統(tǒng)中，由于當(dāng)在冷陰極管被點亮的實際使用中，在升壓峰值點處的輸入電壓和輸出電壓之間的相位差不是90°(電子、信息及通信工程師學(xué)會技術(shù)報告US95-22，EMD95-18和CPM95-30)，故無法實行適當(dāng)?shù)目刂?。另外，由于在這個傳統(tǒng)系統(tǒng)中，壓電變壓器42由矩形波驅(qū)動，故有一個問題，即，與壓電變壓器輸入電容的充電/放電相關(guān)的損耗大。
第五傳統(tǒng)實施例圖8示出第9-135573號日本未審查專利公告中揭示的壓電變壓器逆變器的輸出電流相位差與轉(zhuǎn)換效率。只允許在一種情況下進(jìn)行這個實施例的壓電變壓器的占空度控制，即相位差在恒定的相位范圍內(nèi)(P1-P2)，而工作控制在一種情況下停止一段時間，即由于某些干擾相位偏離恒定的相位范圍P1-P2。
雖然如果使用微機(jī)等等裝置，則這樣的控制系統(tǒng)是可以實現(xiàn)的，但由于得到的電路的尺寸大，故生產(chǎn)成本增加，并且相應(yīng)地，就成本而言也不實際。
第六傳統(tǒng)實施例另外，當(dāng)輸入電壓高或者負(fù)載電流減小到更小時，壓電變壓器在低轉(zhuǎn)換效率的頻率范圍內(nèi)驅(qū)動，該頻率范圍大大地偏離壓電變壓器的諧振點fr和反諧振點fa。作為另一個解決效率大大地減小的問題的方法，例如，有一種方法在諧振頻率處執(zhí)行壓電變壓器的自激振蕩，如第7-162052號日本未審查專利公告、第8-47265號日本未審查專利公告中所揭示的，以及一種用于通過使用頻率控制作為負(fù)載電流的最終調(diào)節(jié)來減少頻率控制寬度以抑制轉(zhuǎn)換效率的降低，同時根據(jù)輸入電壓改變開關(guān)裝置的導(dǎo)通占空度的方法，如第9-51681號日本未審查專利公告中揭示的。
在第7-162052號日本未審查專利公告中揭示的壓電變壓器逆變器51示于圖9中，將LC諧振電路53設(shè)置在壓電變壓器輸入級，將壓電變壓器52的輸出電壓由分壓電阻器54和55分壓，并通過反饋電路56反饋到輸入端，以便實現(xiàn)自激振蕩。在這種壓電變壓器逆變器51中，由于將LC諧振電路53設(shè)置在壓電變壓器逆變器輸入級，故沒有與壓電變壓器輸入電容的充電/放電相關(guān)的損耗。
但是，由于下面的原因，這種系統(tǒng)具有一個問題，即無法以轉(zhuǎn)換效率峰值的頻率fd驅(qū)動壓電變壓器52。換句話說，如在第52-45013號日本未審查專利公告中所示的，雖然壓電變壓器輸入端52本身的升壓比具有多峰值或單峰值的形式，當(dāng)LC諧振電路53設(shè)置在壓電變壓器輸入端時，壓電變壓器輸入電壓的頻率特性為雙峰值形式，如圖10(a)所示。結(jié)果，壓電變壓器輸出電壓的頻率特性也是雙峰值形式，如圖10(b)所示。由于在自激勵振蕩電路中以反饋增益最大的頻率支持振蕩，故工作頻率等于壓電變壓器輸出電壓的雙峰值中的一個峰值的頻率。但是，由于轉(zhuǎn)換效率峰值的頻率fd是雙峰值之間的底部的頻率，故應(yīng)該知道在如圖9所示的傳統(tǒng)的實施例中，以低效率的頻率驅(qū)動壓電變壓器。
下面描述LC諧振電路產(chǎn)生雙峰值形式的壓電變壓器輸入電流的原因。如在圖2所示的壓電變壓器的電特性中可見，在離開轉(zhuǎn)換效率最大值的頻率fd的范圍內(nèi)，輸入脈沖接近于-90°，即，它表示了電容。結(jié)果，包含壓電變壓器輸入阻抗的LC諧振電路的Q值增加，從而壓電變壓器的輸入電壓升壓。同時，在轉(zhuǎn)換效率最大值的頻率fd附近的頻率處的輸入相位接近于0°。即，LC諧振電路的Q值降低，因而LC諧振的升壓作用減小，從而壓電變壓器的輸入電壓降低。結(jié)果，在轉(zhuǎn)換效率最大值的頻率fd處的輸入電壓減小，而輸入電壓在峰值頻率的兩側(cè)增加，從而形成雙峰。
第七傳統(tǒng)實施例下面，圖11示出壓電變壓器逆變器61。在這個壓電變壓器逆變器61中，將全橋式結(jié)構(gòu)的開關(guān)電路66(包含四個開關(guān)器件62、63、64和65)連接到壓電變壓器67的初級電極68之間，以提供升壓比，而輸出電壓由負(fù)載69和電阻器70分壓，并將經(jīng)分壓的反饋提供給輸入，以執(zhí)行自激振蕩。在這種系統(tǒng)中，由于輸出電壓的頻率特性不是如第7-162052號日本未審查專利公告(第六傳統(tǒng)實施例)中的雙峰形式，故可以以最高增益，在諧振頻率附近驅(qū)動變壓器。
但是，在這種壓電變壓器逆變器61中，從驅(qū)動電路71輸出的矩形波通過轉(zhuǎn)換接通/斷開開關(guān)電路66而驅(qū)動壓電變壓器67，存在一個損耗問題，即，關(guān)于壓電變壓器輸入電容的充電/放電的損耗的問題。
第八傳統(tǒng)實施例圖12示出第9-51681號日本未審查專利公告中揭示的壓電變壓器逆變器81。在壓電變壓器逆變器81中，根據(jù)電源電壓Vcc控制開關(guān)電路84的導(dǎo)通占空度(其中兩個開關(guān)器件82和83制成半橋式)。另外，由檢測電路86檢測壓電變壓器85的輸出電壓，以通過V-f轉(zhuǎn)換電路87轉(zhuǎn)換為頻率，以便控制驅(qū)動電路88，由此，執(zhí)行輸出電壓的頻率控制。對于壓電變壓器逆變器81，由于輸入電壓波動可以由導(dǎo)通占空度吸收，故頻率控制中的工作負(fù)載減輕，由此導(dǎo)致得到一個優(yōu)點，即與輸出電壓控制相關(guān)的頻率波動寬度不增加。
但是，在這個傳統(tǒng)實施例中，由于將LC濾波器89設(shè)置在壓電變壓器逆變器85的輸入級，如參照附圖10所解釋的，故壓電變壓器輸出電壓的頻率特性是雙峰形式的，這樣的頻率控制實際上非常困難。例如，當(dāng)在轉(zhuǎn)換效率最大值的頻率fd處驅(qū)動壓電變壓器85時，如果由于某些干擾而增加逆變器輸出，壓電變壓器逆變器81試圖通過增加驅(qū)動頻率，使壓電變壓器輸出電壓降低。但是，為了使壓電變壓器85的升壓比降低，必需超過輸出電壓頻率特性的雙峰中的一個峰值，由此驅(qū)動頻率大大地增加，從而工作變得極不穩(wěn)定。
本發(fā)明要解決上述技術(shù)問題。本發(fā)明的目的是提供一種壓電變壓器逆變器，它能夠以高轉(zhuǎn)換效率將直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為交流輸出電壓，并能夠通過結(jié)合模擬控制，以穩(wěn)定的方式驅(qū)動壓電變壓器。
根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的壓電變壓器逆變器包含壓電變壓器，具有一對初級電極，其中一個初級電極接地，它對施加到初級電極之間的交流輸入電壓或直流輸入電壓實行電壓轉(zhuǎn)換，將輸出電壓提供給連接到壓電變壓器的次級電極的負(fù)載；驅(qū)動單元，用于將交流輸入電壓或直流輸入電壓提供在壓電變壓器逆的初級電極之間；低通諧振電路單元，插在驅(qū)動單元的輸出端和壓電變壓器的初級電極之間；占空度控制單元，用于控制驅(qū)動單元的導(dǎo)通占空度，從而使流入負(fù)載的電流值與目標(biāo)電流值一致；相位差檢測單元，用于檢測壓電變壓器輸入電壓和輸出電壓之間的相位差；及頻率控制單元，用于控制驅(qū)動單元的驅(qū)動頻率，以給予相位差一個特定值。
作為用于將交流電壓或直流電壓提供給初級電極的驅(qū)動單元，例如可以使用包含兩個晶體管的半橋式驅(qū)動單元。另外，作為低通諧振電路單元，可以使用包含線圈和電容器的低通濾波器。更具體地說，可以由連接到驅(qū)動單元的輸出端和壓電變壓器的初級電極之間的線圈和并聯(lián)在壓電變壓器初級電極之間的電容器構(gòu)成低通諧振電路單元。由于壓電變壓器的性質(zhì)，對于施加在其初級電極之間的直流電壓成分不執(zhí)行電壓轉(zhuǎn)換，故它可以通過使用其中直流疊加在交流上的信號來驅(qū)動。另外，即使它使用直流電壓成分為零的信號驅(qū)動，也沒有問題。
在這個壓電變壓器逆變器中，由于將低通諧振電路單元設(shè)置在驅(qū)動單元和壓電變壓器之間，可以阻擋包含在驅(qū)動單元的輸出中的諧波分量，由此，可用大致上正弦波驅(qū)動壓電變壓器，從而與壓電變壓器輸入電容的充電/放電相關(guān)的損耗大大地減小，以改進(jìn)壓電變壓器逆變器的效率。另外，由于諧振電路單元的升壓操作可以通過壓電變壓器支持升壓，故可以使用具有較小升壓比的壓電變壓器，并可以使用小尺寸壓電變壓器和低成本壓電變壓器。
另外，通過相位差檢測單元和頻率控制單元的工作，保持輸入電壓和輸出電壓之間的恒定相位差的控制允許驅(qū)動頻率固定在最高的效率的頻率附近。由此，即使當(dāng)將諧振電路單元插入驅(qū)動單元和壓電變壓器之間時，其頻率特性為雙峰的形式，可以在頻率特性的雙峰的底部以穩(wěn)定的方式驅(qū)動壓電變壓器。
由于使用用于控制的系統(tǒng)處于如此的狀態(tài)，即輸入電壓和輸出電壓之間的相位差保持恒定，效率比檢測輸入電流的系統(tǒng)更令人滿意。相應(yīng)地，可以提供一種尤其適合于需要寬輸入電壓范圍和高效率的目的的壓電變壓器逆變器。
另外，由于壓電變壓器逆變器可以通過模擬控制得到，故結(jié)構(gòu)可以簡化。
根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的壓電變壓器逆變器包含壓電變壓器，它對施加在初級電極之間的交流輸入電壓或直流電壓實行電壓轉(zhuǎn)換；將輸出電壓提供給連接到次級電極的負(fù)載；驅(qū)動單元，用于將交流輸入電壓或直流輸入電壓分別提供給壓電變壓器的兩個初級電極；低通諧振電路單元，插入驅(qū)動單元的輸出端和壓電變壓器的初級電極之間；占空度控制單元，用于控制驅(qū)動單元的導(dǎo)通占空度，從而流入負(fù)載的電流值與目標(biāo)電流值一致；相位差檢測單元，用于檢測壓電變壓器的輸入電壓和輸出電壓之間的相位差；及頻率控制單元，用于控制驅(qū)動單元的驅(qū)動頻率，以給予相位差一個特定值。
根據(jù)第二實施例的壓電變壓器逆變器除了有根據(jù)第一實施例的壓電變壓器逆變器的工作優(yōu)點外還具有以下優(yōu)點。因為這樣的壓電變壓器逆變器使用驅(qū)動單元，將交流電壓或直流電壓分開提供給壓電變壓器的兩個初級電極，作為這樣的驅(qū)動單元，例如，可使用采用四個晶體管的全橋式驅(qū)動電路。由于使用這樣的驅(qū)動電路可以增加壓電變壓器的輸入電壓，故可以減小壓電變壓器的升壓比。因此，可使用具有簡單結(jié)構(gòu)和低成本的壓電變壓器。另外，由于二次諧波成分更小，故包含在壓電變壓器輸出電壓中的畸變成分可以減小。
壓電變壓器逆變器使用的低通諧振電路可以包含連接到驅(qū)動單元的輸出端和壓電變壓器的初級電極之間的線圈以及并聯(lián)在壓電變壓器的初級電極之間的電容器，其中電容器的電容不大于壓電變壓器輸入電容的四倍，該輸入電容值是在大大低于壓電變壓器的諧振頻率的頻率處測得的；并且諧振頻率設(shè)置在驅(qū)動頻率的±15％的范圍內(nèi)，其中諧振頻率由一個組合的電容和線圈的電感確定，所述組合的電容是電容器的電容和壓電變壓器輸入電容的和。
在使用Rosen型壓電變壓器點亮冷陰極管的應(yīng)用中，當(dāng)壓電變壓器具有輸入電容Cp和低通諧振電路單元的電容Cc與輸入電容Cp的比M(M＝Cc/Cp)用作參數(shù)，當(dāng)將M設(shè)置為M≤4時，即使LC諧振頻率從目標(biāo)頻率fd偏離15％，LC諧振升壓比的減少僅處于約-3dB的水平，從而可以得到LC諧振的實際升壓操作。
結(jié)果，即使當(dāng)諧振電路單元的線圈的電感和電容器的電容偏離額定值，諧振電路單元的升壓比可以保持在實際水平，由此對壓電變壓器逆變器的特性中的變化的抑制具有很好的效果。
另外，相位差檢測電路可以具有兩個比較器，其輸出終端相互集電極“與”CAND連接，它們是集電極開路輸出型或漏極開路輸出型。
當(dāng)使用集電極開路輸出型或漏極開路輸出型的比較器時，將輸出終端以通常的使用來連接從而自動得到AND，不需要另外的邏輯IC計算比較器的輸出信號。另外，可以低成本地得到通常包含兩個電路的比較器IC。因此，根據(jù)本實施例，可以得到低成本相位差檢測單元，由此可以壓縮壓電變壓器逆變器的生產(chǎn)成本。
壓電變壓器最好是λ/2模式的Rosen型壓電變壓器。
在本發(fā)明的壓電變壓器逆變器中，壓電變壓器不僅可以使用矩形波驅(qū)動，而且還可以使用大致上的正弦波驅(qū)動，所述正弦波經(jīng)諧振電路單元濾波面得到，由此，可以使用易于小型化的λ/2模式的Rosen型壓電變壓器。因此，使用λ/2模式的Rosen型壓電變壓器允許壓電變壓器逆變器小型化。
為了描述本發(fā)明，在附圖中示出幾種模式，它們是目前較好的模式，但是應(yīng)該知道，本發(fā)明不限于圖中所示的精確的安排和結(jié)構(gòu)。
圖1是說明Rosen-型壓電變壓器的結(jié)構(gòu)以及驅(qū)動該變壓器的方法的透視圖。
圖2示出了壓電變壓器的各種頻率特性的曲線圖，其中，(a)表示壓電變壓器的升壓比，(b)表示轉(zhuǎn)換效率，(c)表示輸入/輸出電壓中的相位差，(d)表示輸入電壓的相位，及(e)表示輸入阻抗。
圖3是描述在第一傳統(tǒng)實施例中壓電變壓器的頻率控制系統(tǒng)原理的示圖。
圖4是示出根據(jù)第二傳統(tǒng)實施例的壓電變壓器逆變器的結(jié)構(gòu)的電路圖。
圖5(a)和(b)是說明用于上述壓電變壓器逆變器中的壓電變壓器的控制系統(tǒng)的示圖，其中(a)表示壓電變壓器的輸出電壓的頻率特性，(b)表示壓電變壓器的輸入電壓和輸入電流之間的相位差的頻率特性。
圖6是示出根據(jù)第三傳統(tǒng)實施例的壓電諧振器驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)的電路圖。
圖7是示出根據(jù)第四傳統(tǒng)實施例的壓電變壓器逆變器的結(jié)構(gòu)的電路圖。
圖8是根據(jù)第五傳統(tǒng)實施例的壓電變壓器的控制系統(tǒng)的示圖。
圖9是示出根據(jù)第六傳統(tǒng)實施例的壓電變壓器逆變器的結(jié)構(gòu)的電路圖。
圖10(a)和(b)是示出在安裝了LC諧振電路的情況下，壓電變壓器的輸入電壓和輸出電壓中的變化的示圖。
圖11是示出根據(jù)第七傳統(tǒng)實施例的壓電變壓器逆變器的結(jié)構(gòu)的電路圖。
圖12是示出根據(jù)第八傳統(tǒng)實施例的壓電變壓器逆變器的結(jié)構(gòu)的電路圖。
圖13是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的壓電變壓器逆變器的結(jié)構(gòu)的電路圖。
圖14是示出壓電變壓器的輸入電壓和輸出電壓中的相位差與相位差檢測電路的輸出之間的關(guān)系的曲線圖。
圖15(a)，(b)，(c)是示出壓電變壓器的大小和壓電諧振模式之間的關(guān)系的示圖。
圖16是示出LC諧振電路的升壓比的頻率特性中大Q和小Q的情況下的差別的曲線圖。
圖17是示出當(dāng)壓電變壓器輸入電容與電容器電容之間的比M設(shè)定在一參數(shù)時得到的，LC諧振峰值頻率與在效率最大頻率fd中的升壓比之間的關(guān)系的示圖。
圖18是相位差檢測電路的詳細(xì)的電路圖。
圖19是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的壓電變壓器逆變器的結(jié)構(gòu)的電路圖。
圖20示出上述壓電變壓器逆變器中全橋驅(qū)動電路的驅(qū)動信號波形的例子的示圖。
下面，參照附圖詳細(xì)地解釋本發(fā)明的較佳實施例。
圖13是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的壓電變壓器逆變器101的結(jié)構(gòu)的電路圖。壓電變壓器102是Rosen型壓電變壓器，其中在壓電基片103區(qū)域中，初級電極104設(shè)置在壓電基片103的兩個主表面上，所述壓電基片103沿垂直于初級電極104的方向極化，而在壓電基片103的另一個區(qū)域中，將次級電極105設(shè)置在壓電基片103的端面上，所述壓電基片103沿垂直于次級電極105的方向極化。將壓電變壓器102的一個初級電極104接地；壓電變壓器102執(zhí)行對施加到初級電極104之間的交流輸入電壓的電壓轉(zhuǎn)換，以將負(fù)載電流提供給連接到次級電極105的負(fù)載106。
由兩個開關(guān)器件108和109構(gòu)成半橋式驅(qū)動電路107，有時將它稱為推挽電路。在圖13中，對于兩個開關(guān)器件108和109，使用P型溝道FET(PchFET)和N型溝道FET(NchFET)。但是，還可以使用其它類型開關(guān)器件。連接上臂的P型溝道FET(開關(guān)器件108)和下臂的N型溝道FET(開關(guān)器件109)的共同的漏極，以形成半橋式驅(qū)動電路107。在這種安排下，將來自諸如電池之類的電源的電源電壓Vcc施加到P型溝道FET的源極；N型溝道FET的源極接地；并從兩個FET的中點(漏極)取得輸出。
由線圈111和電容器112形成的T型連接構(gòu)成LC諧振電路110，其中線圈111連接在半橋式驅(qū)動電路107的輸出端和壓電變壓器102的非接地的初級電極104之間，而將電容器112并聯(lián)在壓電變壓器102的初級電極104之間。
將占空度控制電路113的輸出端連接到兩個開關(guān)器件108和109(P型溝道FET和N型溝道FET)的柵極，形成半橋驅(qū)動電路107。當(dāng)占空度控制電路113工作時，半橋式驅(qū)動電路107接通上臂的開關(guān)器件108，并切斷下臂的開關(guān)器件109，而當(dāng)占空度控制電路113切斷時，驅(qū)動電路107切斷上臂的開關(guān)器件108，并接通下臂的開關(guān)器件109。占空度控制電路113以特定的導(dǎo)通占空度接通/切斷，以使開關(guān)器件108和109交替地接通/切斷。當(dāng)改變占空度控制電路113的導(dǎo)通占空度時，改變半橋式驅(qū)動電路107的接通/切斷時間，從而可以控制壓電變壓器102的輸入電壓的驅(qū)動頻率。
將負(fù)載106和檢測電阻器114之間的中點的電壓以及來自外邊的負(fù)載電流控制信號輸入占空度控制電路113。由于負(fù)載106和檢測電阻器114之間的中點的電壓與負(fù)載電流值成比例，故這允許占空度控制電路113檢測負(fù)載電流值。占空度控制電路113的導(dǎo)通占空度根據(jù)來自外邊的負(fù)載電流控制信號而改變，并如此地控制，從而使流入負(fù)載106的電流值根據(jù)負(fù)載電流控制信號保持在恒定值。
將負(fù)載106，諸如冷陰極管，串聯(lián)連接到檢測電阻器114，而負(fù)載106的另一端連接到壓電變壓器102的次級電極105，而檢測電阻器114的另一端接地。
相位差檢測電路115檢測壓電變壓器102的輸入電壓和輸出電壓(由負(fù)載106和檢測電阻器114分壓的電壓)，并將壓電變壓器102的輸入電壓和輸出電壓之間的相位差轉(zhuǎn)換為直流的輸出電壓。換句話說，相位差檢測電路115檢測壓電變壓器102的輸入電壓和輸出電壓之間的相位差，并且如圖14所示，它根據(jù)線性函數(shù)形式的相位差改變輸出電壓。尤其地，當(dāng)相位差是0°時，輸出輸入電壓Vcc的一半的電壓；當(dāng)相位差為90°時，輸出Vcc/4的電壓；而當(dāng)相位差為180°時，不輸出電壓。
將相位差檢測電路115的輸出輸入到頻率控制電路116，將頻率控制電路116的輸出輸入到占空度控制電路113。頻率控制電路116允許占空度控制電路113的導(dǎo)通占空度根據(jù)來自相位差檢測電路115的輸出而改變，并控制半橋式驅(qū)動電路107的驅(qū)動頻率，從而由相位差檢測電路115檢測到的壓電變壓器102的輸入電壓和輸出電壓之間的相位差具有特定的值。
下面將描述壓電變壓器逆變器101的工作。半橋式驅(qū)動電路107通過接通/斷開兩個開關(guān)器件108和109，輸出輸入電源電壓Vcc的矩形波。將半橋式驅(qū)動電路107的輸出輸入到LC諧振電路110，該諧振電路110包含線圈111和電容器112。
LC諧振電路110具有以下兩個功能(1)它消除包含在半橋式驅(qū)動電路107的矩形波輸出中的諧波分量，并通過使壓電變壓器102的輸入電壓接近于正弦波而改進(jìn)效率；及(2)幫助通過壓電變壓器102的LC諧振的升壓操作來升壓。在這種情況下，如此選擇LC諧振電路110的常數(shù)，從而LC諧振電路110的諧振頻率1/[2π√(LoCo)]由總和C0＝Cp+Cc，以及線圈111的電感Lo決定。其中，Cp為壓電變壓器102的輸入電容，從比諧振頻率fr低好多的頻率上測得，Cc是電容器112的電容，諧振頻率大致上與轉(zhuǎn)換效率峰值的頻率fd一致。
將LC諧振電路110的輸出輸入到壓電變壓器逆變器102的初級電極104，并由壓電變壓器102升壓。此后，將其從壓電變壓器102的次級電極105提供給負(fù)載106。將流入負(fù)載106的負(fù)載電流通過檢測電阻器114轉(zhuǎn)換為電壓，并在占空度控制電路113中整流和平滑，以積分并與從外邊輸入的負(fù)載電流控制信號比較。當(dāng)負(fù)載電流小時，即，當(dāng)積分信號電壓小于負(fù)載電流控制信號電壓時，占空度控制電路113增加半橋式驅(qū)動電路107的導(dǎo)通占空度，相反，當(dāng)負(fù)載電流過大時，它使半橋式驅(qū)動電路107的導(dǎo)通占空度變小。占空度控制電路113的這種操作允許將負(fù)載電流控制在某一目標(biāo)值。
同時，相位差檢測電路115比較壓電變壓器102的輸入電壓與負(fù)載電流之間的相位差，如圖14所示，根據(jù)相位差輸出直流電壓。通常，由于諸如冷陰極管之類的負(fù)載106可以看作電阻負(fù)載，故檢測負(fù)載電流的相位等效于檢測壓電變壓器102的輸出電壓的相位。另外，可以通過將分壓器電阻器設(shè)置在負(fù)載106旁邊來使用壓電變壓器102的輸出的檢測方法。
頻率控制電路116控制工作頻率，從而相位差檢測電路115的輸出與預(yù)定的目標(biāo)相位差一致。在這種情況下，將在工作頻率等于轉(zhuǎn)換效率峰值的頻率fd對得到的相位差設(shè)置為目標(biāo)相位差，由此，將工作頻率鉗持在頻率特性的雙峰值之間的峰底附近的頻率上，即，轉(zhuǎn)換效率峰值的頻率fd。實際上，由于浮動電容等因素的影響，難以預(yù)知應(yīng)該設(shè)置多大的相位差才能具有最高的轉(zhuǎn)換效率。由此，比較實際的是采用通過改變系統(tǒng)的設(shè)計開始階段的目標(biāo)相位差，找出輸入/輸出電壓之間的相位差(在效率最高時得到)的方法。在本發(fā)明的壓電變壓器101中，有一個優(yōu)點，即，可以簡單地通過改變目標(biāo)相位差的設(shè)置值，促使效率的最佳化。
在執(zhí)行負(fù)載電流的可變控制性能的情況下，輸入/輸出電壓之間的相位差(根據(jù)每一個設(shè)置的電流值，其效率是最高的)細(xì)小地變化。但是，當(dāng)用于液晶顯示屏的背面照明時，在負(fù)載電流的變化范圍不寬于幾倍的應(yīng)用中，當(dāng)將負(fù)載電流設(shè)置在大致上為中等電平時如果將相位差調(diào)節(jié)得使效率最高，則可能足以使效率的降低最小化(即使負(fù)載電流處于最小或最大都是如此)。
如上所述，根據(jù)壓電變壓器逆變器101，由于將LC諧振電路110設(shè)置在半橋式驅(qū)動電路107的輸出端和壓電變壓器102的初級電極104之間，故可以阻擋包含在半橋式驅(qū)動電路107的輸出中的諧波分量，以便以大致上正弦波驅(qū)動壓電變壓器102。相應(yīng)地，與壓電變壓器輸入電容的充電/放電有關(guān)的損耗可以大致上為零。
輸入電壓和輸出電壓之間的相位差的恒定控制允許壓電變壓器逆變器101的驅(qū)動頻率固定在某一頻率附近，由此，即使當(dāng)使用LC諧振電路110而頻率特性形成雙峰值，驅(qū)動頻率仍然可以固定在轉(zhuǎn)換頻率峰值的頻率fd附近，從而可以在最高效率的條件下，以穩(wěn)定的方式驅(qū)動壓電變壓器逆變器101。
另外，由于使用以恒定的方式控制輸入電壓和輸出電壓之間的相位差的方法，故效率比檢測輸入電流的方法更為符合要求。另外，通過使用模擬控制(而不需使用微機(jī))達(dá)到控制，可以簡化壓電變壓器逆變器101的結(jié)構(gòu)。
壓電變壓器下面將詳細(xì)地描述壓電變壓器102。較好地，將λ/2模式Rosen型壓電變壓器102用作壓電變壓器102。下面描述其原因。
在冷陰極管的特性中，當(dāng)照明頻率太低時，冷陰極管的照明特性退化，但是當(dāng)照明頻率太高時，浮動電容引起的泄漏電流增加，并且由此而效率減低，故發(fā)生照明的不均勻性。由此，存在最為有效的驅(qū)動頻率，最希望的是幾十個KHz。
圖15(a)，(b)和(c)分別示出當(dāng)驅(qū)動頻率固定時，λ/2模式、λ模式和3λ/2模式的壓電變壓器102的尺寸。如圖所示，λ/2模式壓電變壓器102可以使尺寸最小，從而它適合于小型化。但是，在λ/2模式壓電變壓器102中，如果在輸入電壓中含有大量二次諧波分量，則激勵了λ模式的振蕩，并在輸出電壓中發(fā)生畸變，因此，難以控制負(fù)載電流。同時在λ模式中，原則上不激勵二次諧振分量，并且容易使用，故而常常使用λ模式。
但是，在本發(fā)明的壓電變壓器逆變器101中，由于用經(jīng)過LC諧振電路110濾波的大致上的正弦波驅(qū)動壓電變壓器102而不是用矩形波來驅(qū)動壓電變壓器102，故幾乎不含有二次諧波。結(jié)果，在本發(fā)明的壓電變壓器逆變器101中，可以應(yīng)用λ/2模式的Rosen型壓電變壓器，它易于小型化，從而在使壓電變壓器逆變器101更小的問題上具有有利之處。
如圖2所示，由于壓電變壓器102的輸入阻抗接近于壓電變壓器102的最高效率處的頻率附近的電阻分量，為了得到充分的濾波器操作，必需將LC諧振電路110的外部電容器112的電容量增加到某一程度。
LC諧振電路在LC諧振電路110中，可以使用電容器112(它具有不大于壓電變壓器102的輸入電容Cp的四倍的電容Cc)；較好地，將LC諧振電路110的諧振頻率1/[2π√(LoCo)](由電容Co＝Cp+Cc的總和，以及線圈111的電感Lo決定)設(shè)置在轉(zhuǎn)換效率峰值的頻率fd的±15％的范圍內(nèi)。
考慮到怎樣在如圖13所示的壓電變壓器逆變器101中確定負(fù)載電阻和壓電變壓器102，唯一地確定在轉(zhuǎn)換效率峰值的頻率fd處的壓電變壓器輸入中的電阻分量的大小。在這種情況下，如果電容器112的電容Cc增加，而線圈111的電感Lo減小，可以將LC諧振的Q設(shè)置得更高，而諧振頻率fr保持不變。換句話說，由于增加了LC諧振的升壓操作，壓電變壓器102的升壓比可以較小。為了增加壓電變壓器102的升壓比，常常采用通過初級電極104形成層疊結(jié)構(gòu)的方法。本發(fā)明的可以使升壓比較小的優(yōu)點允許減少層數(shù)，從而降低了壓電變壓器102的生產(chǎn)成本。
但是，事實上不可能無限地增加LC諧振的Q。例如，在第9-51681號未審查專利公告中所揭示的傳統(tǒng)實施例(第八傳統(tǒng)實施例)中，沒有描述要設(shè)置的LC值的問題，因此難以實施該實施例。在本實施例中，通過確定線圈111的電感Lo的大小和電容器112的電容Cc壓電變壓器逆變器101的實用性設(shè)計是可能的。下面將給出對實施例更為詳細(xì)的描述。
圖16示出當(dāng)將LC諧振電路110的Q設(shè)置得大時(即當(dāng)電容器112的電容Cc大，而線圈111的電感Lo小時)，以及當(dāng)將Q設(shè)置得小時(即當(dāng)電容器112的電容Cc小，而線圈111的電感Lo大時)，得到的LC諧振電路110的升壓比的頻率特性(稱為LC諧振升壓比)。在這種情況下，為了簡化描述，將假設(shè)壓電變壓器102沒有升壓功能，并且壓電變壓器102的輸入阻抗是純電容Cp。
在圖16中，可見當(dāng)將LC諧振電路110的Q設(shè)置得大時，LC諧振升壓比的峰值增加，而能夠升壓的頻帶寬度變窄。通常，市場上的線圈111的電感和電容器112的電容的容差大致上是線圈111的電感為±20％，電容器112的電容為±10％。假設(shè)壓電變壓器輸入電容的容差也是±10％，LC諧振電路110的諧振頻率(也即LC諧振頻率)改變?yōu)樽畲笾档腣(1.2×1.1)＝1.15倍。即，根據(jù)LC諧振電路110的常數(shù)的選擇，有一點是必需的，即，即使LC諧振頻率改變15％，在實際值處也不發(fā)生由LC諧振引起的升壓比的波動。
但是，即使LC諧振頻率的諧振頻率變化15％，在實際值處也不能發(fā)生由LC諧振引起的升壓比波動的強(qiáng)制下，難以進(jìn)行實際設(shè)計。結(jié)果，將考慮確定線圈111的電感以及電容器112的電容的大小。首先，定義“在實際值處的升壓比中沒有波動”的意思等于“由LC諧振頻率中的波動引起的升壓比波動在-3dB范圍內(nèi)”。值-3dB是用于定義Q值的值，并且實際上是一重要的數(shù)值。
在使用Rosen型壓電變壓器102點亮冷陰極管的應(yīng)用中，將壓電變壓器輸入電容Cp和外部電容器112的電容Cc的比M＝Cc/Cp作為參數(shù)。當(dāng)通過改變線圈111的電感Lo的值而改變LC諧振頻率時得到的LC諧振升壓比的狀態(tài)示于圖17中。圖17的垂直軸表示以最高的轉(zhuǎn)換效率驅(qū)動的頻率fd處的升壓比，f表示在每一個M參數(shù)中的-3dB的帶寬。如該圖所示，當(dāng)設(shè)置M＝4時，即使LC諧振頻率偏離目標(biāo)頻率fd 15％，LC諧振升壓比的降低在大約-3dB的范圍內(nèi)。更具體地說，雖然這個結(jié)果應(yīng)該根據(jù)壓電變壓器的設(shè)計等因素變化，它在實際設(shè)計參數(shù)的范圍內(nèi)仍然是可用的。換句話說，可以通過將其電容Cc不大于壓電變壓器的輸入電容Cp的四倍的電容器用作外部電容器112來給出LC諧振電路110，以設(shè)定LC諧振的諧振頻率1/[2π√(LoCo)](它由二個電容的和Co＝Cp+Cc以及線圈111的電感Lo共同確定，其中頻率gf的范圍是±15％)，得到LC諧振的實際升壓工作。
如上所述，根據(jù)這個實施例，即使當(dāng)形成LC諧振電路110的線圈111的電感和電容器112的電容從額定值改變，LC諧振電路110的升壓工作可以抑制在實際值，從而對抑制壓電變壓器逆變器101的特性變化給出很好的效果。
相位差檢測電路對于相位差檢測電路115，可使用具有如圖18所示的電路結(jié)構(gòu)的裝置。在相位差檢測電路115中，使用集電極開路輸出型或漏極開路輸出型的兩個比較器121和122。電阻器123連接在比較器121的不反相輸入端和反相輸入端之間；并通過電阻器124和電容器125將不反相輸入端連接到壓電變壓器102的初級電極104。電阻器126連接在另一個比較器122的不反相輸入端和反相輸入端；將不反相輸入端通過電阻器127和電容器128連接到負(fù)載106和檢測電阻器114之間的中點。另外，通過將電源電壓Vcc由分壓電阻器129和130分壓得到的電壓輸入到比較器121和122的反相輸入端，它們二者通過電容器131接地。比較器121和122的相連的輸出端通過平滑電路連接到相位差檢測電路115的輸出端，其中所述平滑電路由電阻器132和接地的電容器133構(gòu)成。另外，比較器121和122的輸出端通過上拉電阻器134連接到電源電壓Vcc。
在相位差檢測電路115中，將便宜的單電源比較器用作比較器121和122。由于如果在單電源比較器中的輸入電壓是負(fù)的，則不可能進(jìn)行比較，故電源電壓Vcc由電阻器129和130分壓，其中電阻值R1和R2是相等的，以允許輸入端平均電壓由Vcc/2偏置。另外，以這種方式進(jìn)行設(shè)計，即通過適當(dāng)?shù)剡x擇電阻器129、130、124、123、127和126的電阻值R1到R6，使比較器121和122的輸入電壓處于0到Vcc的范圍內(nèi)。
在相位差檢測電路115中，由于將比較器121和122的反相輸入端固定在Vcc/2的值處，在不反相輸入端的電壓不小于Vcc/2期間比較器121和122的輸出是高電位(H)。由于不反相輸入端的平均電壓是Vcc/2，故比較器121在壓電變壓器102的輸入電壓為正半周時產(chǎn)生高電平輸出，而比較器122在壓電變壓器102的輸出電壓為正半周時產(chǎn)生高電輸出。在集電極開路輸出型或漏極開路輸出型的情況下，簡單地把兩個輸出端連接在一起而得到兩個輸出端的AND，從而對AND輸出的平滑允許0°到180°的壓電變壓器輸入/輸出相位差轉(zhuǎn)換為直流電壓。在這種情況下，如果電阻器134和132的值是R7和R8，當(dāng)壓電變壓器輸入輸出電壓具有相同的相位時，輸出電壓是Vcc/2，當(dāng)壓電變壓器輸入/輸出電壓具有相反的相位時，輸出電壓是零。由此，這樣的安排允許形成具有如圖14所示的特性的相位差檢測電路115。另外，如圖14所示的特性可以根據(jù)后級電路的特性反相，并且當(dāng)壓電變壓器輸入/輸出電壓具有相同的相位時，輸出電壓可以是零。
通常，可以以非常低的價格得到包含兩個電路的比較器IC。另外，當(dāng)將集電極開路輸出型或漏極開路輸出型比較器用作比較器時，可通過將輸出終端連接在一起使用而自動得到AND，從而不需要另外的邏輯IC。相應(yīng)地，在圖18所示的結(jié)構(gòu)的相位差檢測電路115中，可以用低成本得到相位差檢測電路115，由此對壓縮壓電變壓器逆變器101的生產(chǎn)成本具有很好的效果。
第二實施例圖19是示出根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的壓電變壓器逆變器141的結(jié)構(gòu)的電路圖。在壓電變壓器逆變器141中，壓電變壓器102的二個初級電極104都可以相對地而浮動，并將全橋式驅(qū)動電路142用作驅(qū)動電路，代替使用半橋式驅(qū)動電路。全橋式驅(qū)動電路142由四個開關(guān)器件組成。在圖19所示的實施例中，采用兩個P型溝道FET143和145和兩個N型溝道FET144和146，但是也可以應(yīng)用其他類型的開關(guān)器件。并聯(lián)地連接P型溝道FET143和N型溝道FET144的串聯(lián)單元和P型溝道FET145和N型溝道FET146的串聯(lián)單元。換句話說，上臂的P型溝道FET143和145的漏極以及下臂的N型溝道FET144和146的漏極相連，其中將來自諸如電池之類的電源的電源電壓Vcc施加給P型溝道FET143和145的源極，而N型溝道FET144和146的源極接地。
四個輸出端從占空度控制電路113延伸出來，以連接到各個FET143、144、145和146的柵極。將從P型溝道FET143和N型溝道FET144之間的中點(漏極)的輸出通過線圈147加到初級電極104中之一，而從P型溝道145和N型溝道146之間的中點(漏極)的輸出通過線圈148加到另一個初級電極104。
電容器149并聯(lián)到壓電變壓器102的初級電極104之間的壓電變壓器102的初級電極側(cè)，其中LC諧振電路110由兩個線圈147和148以及電容器149構(gòu)成。線圈147和148的電感是這樣的，即通過LC諧振頻率的計算結(jié)果得到的所需的電感等于兩個線圈147和148串聯(lián)組合的電感。在這種情況下，兩個線圈147和148的電感最好的相等的。
在本實施例中，壓電變壓器逆變器141的驅(qū)動電路142具有全橋式結(jié)構(gòu)，其中電源電壓Vcc交替地提供給初級電極104，由此提供給壓電變壓器102的輸入電壓可以是兩倍。結(jié)果，壓電變壓器102所需的升壓比可以較小，由此可以減小壓電變壓器102上的工作負(fù)載。相應(yīng)地，壓電變壓器102的初級側(cè)的層數(shù)可以減少，從而縮減了壓電變壓器102的生產(chǎn)成本。
另外，從P型溝道FET143和N型溝道FET144之間的中點的輸出Vsw1和從另一個P型溝道FEET145和另一個N型溝道FET146的中點的輸出Vsw2的每一個導(dǎo)通占空度都設(shè)置為如圖20(a)和(b)所示的相等的占空度，(其中將輸出Vsw1和輸出Vsw2的脈沖寬度設(shè)置成相等)，將相位差設(shè)置為180°，從而包含在壓電變壓器輸入電壓中的二次諧波可以比半橋式的情況下的二次諧波低。由此，即使在使用λ/2模式Rosen型壓電變壓器的情況下，也可以使輸出電壓波形的畸變分量更小。
雖然已經(jīng)揭示了本發(fā)明的較佳實施例，實現(xiàn)這里所揭示的原理的各種模式都在下面的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。因此，應(yīng)該知道不限制本發(fā)明的范圍，只按照所附的權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種壓電變壓器逆變器，其特征在于包含壓電變壓器，具有一對初級電極，其中一個初級電極接地，它對施加到初級電極之間的交流輸入電壓或直流輸入電壓進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，將輸出電壓提供給連接到壓電變壓器的次級電極的負(fù)載；驅(qū)動單元，用于將交流輸入電壓或直流輸入電壓提供在壓電變壓器的初級電極之間；低通型諧振電路單元，插在驅(qū)動單元的輸出端和壓電變壓器的初級電極之間；占空度控制單元，用于控制驅(qū)動單元的導(dǎo)通占空度，從而使流入負(fù)載的電流值與目標(biāo)電流值一致；相位差檢測單元，用于檢測壓電變壓器輸入電壓和輸出電壓之間的相位差；及頻率控制單元，用于控制驅(qū)動單元的驅(qū)動頻率，以給予相位差一個特定值。
2.如權(quán)利要求1所述的壓電變壓器逆變器，其特征在于相位差檢測裝置具有兩個比較器，使用集電極開路輸出型或漏極開路連接輸出型使其輸出終端相互AND連接。
3.如權(quán)利要求1所述的壓電變壓器逆變器，其特征在于將λ/2模式的Rosen型壓電變壓器用作壓電變壓器。
4.如權(quán)利要求1所述的壓電變壓器逆變器，其特征在于驅(qū)動單元是半橋式電路。
5.如權(quán)利要求1所述的壓電變壓器逆變器，其特征在于低通諧振電路包含線圈和電容器。
6.如權(quán)利要求5所述的壓電變壓器逆變器，其特征在于線圈連接在驅(qū)動單元的輸出端和壓電變壓器的初級電極中的一個初級電極之間，而電容器并聯(lián)在初級電極之間。
7.如權(quán)利要求1所述的壓電變壓器逆變器，其特征在于諧振頻率設(shè)置在驅(qū)動頻率的±15％的范圍內(nèi)，其中諧振頻率由一個組合的電容和線圈的電感確定，所述組合的電容是電容器的電容和壓電變壓器輸入電容的和。
8.如權(quán)利要求7所述的壓電變壓器逆變器，其特征在于壓電變壓器的輸入電容的電容與低通諧振電路的電容器的電容的比值等于或小于4。
9.一種壓電變壓器逆變器，其特征在于包含壓電變壓器，具有初級電極，用于執(zhí)行施加在初級電極之間的交流輸入電壓或直流電壓的電壓轉(zhuǎn)換，將輸出電壓提供給連接到次級電極的負(fù)載；驅(qū)動單元，用于將交流輸入電壓或直流輸入電壓分別提供給壓電變壓器的兩個初級電極；低通諧振電路單元，插在驅(qū)動單元的輸出端和壓電變壓器的初級電極之間；占空度控制單元，用于控制驅(qū)動單元的導(dǎo)通占空度，從而使流入負(fù)載的電流值與目標(biāo)電流值一致；相位差檢測單元，用于檢測壓電變壓器的輸入電壓和輸出電壓之間的相位差；及頻率控制單元，用于控制驅(qū)動單元的驅(qū)動頻率，以給予相位差一個特定值。
10.如權(quán)利要求9所述的壓電變壓器逆變器，其特征在于相位差檢測單元具有兩個比較器，使用集電極開路輸出型或漏極開路輸出型使其輸出端相互AND連接。
11.如權(quán)利要求9所述的壓電變壓器逆變器，其特征在于將λ/2模式Rosen型壓電變壓器用作壓電變壓器。。
12.如權(quán)利要求9所述的壓電變壓器逆變器，其特征在于驅(qū)動單元是全橋式電路。
13.如權(quán)利要求9所述的壓電變壓器逆變器，其特征在于低通諧振電路包含線圈和電容器。
14.如權(quán)利要求10所述的壓電變壓器逆變器，其特征在于線圈連接到驅(qū)動單元的輸出端和壓電變壓器的一個初級電極之間，并且電容器并聯(lián)在初級電極之間。
15.如權(quán)利要求13所述的壓電變壓器逆變器，其特征在于電容器的電容不大于壓電變壓器的輸入電容的值的四倍，該值是在低于壓電變壓器的諧振頻率的頻率處測得的。
16.如權(quán)利要求9所述的壓電變壓器逆變器，其特征在于諧振頻率設(shè)置在驅(qū)動頻率的±15％的范圍內(nèi)，其中諧振頻率由一個組合的電容和線圈的電感確定，所述組合的電容是電容器的電容和壓電變壓器輸入電容的和。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種壓電變壓器逆變器,包含壓電變壓器,其初級電極中的一個初級電極接地;驅(qū)動單元,用于在壓電變壓器初級電極之間提供交流電壓或直流電壓;低通諧振電路單元,插在驅(qū)動單元輸出端和壓電變壓器初級電極之間;占空度控制單元,用于控制驅(qū)動單元的導(dǎo)通占空度,從而使流入負(fù)載的電流值與目標(biāo)電流值一致;相位差檢測單元,用于檢測壓電變壓器的輸入電壓和輸出電壓之間的相位差;以及頻率控制單元,用于控制驅(qū)動單元的驅(qū)動頻率。
文檔編號H05B41/24GK1250348SQ99121009
公開日2000年4月12日 申請日期1999年9月30日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月5日
發(fā)明者野間隆嗣, 森島靖之, 杉本英彥 申請人:株式會社村田制作所