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研究生:張珈華
研究生(外文):Jia-Hua Chang
論文名稱:使用壓電變壓器於多支冷陰極管安定器的設計
論文名稱(外文):Design of Electronic Ballast with Piezoelectric Transformer for Multiple Cold Cathode Fluorescent Lamps
指導教授:何金滿何金滿引用關係
指導教授(外文):Chin-Man Ho
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:電機工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:157
中文關鍵詞:冷陰極管半橋升壓式換流器壓電變壓器
外文關鍵詞:Half-Bridge InverterPiezoelectric TransformerCCFL
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摘 要
本論文提出一組半橋升壓式換流器架構來驅動冷陰極管,其整體架構主要是由半橋升壓式換流器再加上壓電變壓器所組成,利用壓電變壓器內部高升壓比的特性來提供冷陰極管啟動前的高輸出電壓與啟動後穩定的正常工作電壓與電流。
壓電變壓器比傳統電磁式變壓器在使用上具有許多優點,如它無電磁干擾、有高效率與低發熱量等優點,再加上壓電變壓器能完全的供應冷陰極管所需的高啟動電壓,所以很適合用來驅動冷陰極管,但是,因為壓電變壓器有許多種形式,也就是說可能會因為升壓比或是額定功率不同,使得在驅動多根冷陰極管時會有燈管亮度不一致,甚至會有無法完全點亮冷陰極管的缺點。所以提出以高頻升壓變壓器結合低升壓比高功率輸出的壓電變壓器,經由適當的電路設計使得單一壓電變壓器可以成功的驅動多支冷陰極管。
最後,針對本論文所提出的驅動電路分別應用於不同長度的冷陰極管,再藉由電容均流的技術來達到燈管亮度一致的效果,以符合不同尺寸的背光模組,並以實驗來證明所提出之架構的可行性。
Abstract
This thesis presents a study of using a half-bridge step up structure to drive Cold Cathode Fluorescent Lamp (CCFL). The system is assembled as a set of inverter with a Piezoelectric Transformer (PT). By means of the high step-up property of PT, it supplies the high voltage output required for starting up CCFL and also provides the stable working voltage and current after that.
PT has several advantages over the conventional transformers, for instance, it does not induce EMI, it works with high efficiency, and it also results in low heat generation. PT is capable of supply sufficiently high voltage to driving CCFL, and therefore it is adequate for driving CCFL. However, owing to PT has several types with different step-up ratios or rated powers, it could cause uneven brightness of the lamps and even fail to drive when multiple CCFLs are operated. Therefore, this paper proposed a high frequency transformer series with a PT which has low step-up ratio and high power. By suitable circuit design, the system drives multiple CCFLs successfully.
Finally, the balance capacitors are adapted to obtain even brightness of the lamps for different types of CCFLs. The experimental results verify the feasibility of the proposed circuit.
目 錄

摘要 I
英文摘要 II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VIII
表目錄 XVI

第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 文獻回顧 4
1.3 論文貢獻 7
1.4 論文架構 8
第二章 冷陰極管與背光模組及平面顯示器介紹 9
2.1 燈管特性介紹 9
2.1.1 燈管的組成 9
2.1.2 燈管放電原理與過程 11
2.1.3 燈管的基本特性 15
2.2 背光模組 10
2.2.1 基本結構 19
2.2.2 背光模組分類 22
2.2.3 常見背光源 24
2.3 平面顯示器種類 26
2.3.1 液晶顯示器(LCD) 26
2.3.2 電漿顯示器(PDP) 29
2.3.3 場發射顯示器(FED) 29
2.3.4 有機電激發光顯示器(OLED) 30
2.3.5 顯示器比較 31
2.4 現今背光源比較與未來發展 32
2.4.1 冷陰極管與發光二極體比較 32
2.4.2 未來背光源發展 34
第三章 壓電變壓器分析 35
3.1 壓電材料介紹 35
3.2 壓電變壓器的歷史發展與介紹 36
3.3 壓電變壓器的基本原理 36
3.4 壓電變壓器的分類 38
3.5 支撐點選定 40
3.6 壓電變壓器等效電路模型 41
3.6.1 等效電路模型 41
3.6.2 內部電路參數量測 42
3.6.3 數學模型推導 44
3.7 壓電變壓器與電磁變壓器之比較 50
第四章 換流器架構與諧振電路原理 52
4.1 換流器介紹 52
4.1.1 半橋式架構(Half-Bridge) 52
4.1.2 全橋式架構(Full-Bridge) 53
4.1.3 推挽式架構(Push-Pull) 54
4.1.4 Class-E架構 55
4.1.5 各式換流器之比較 56
4.2 諧振電路原理 57
4.2.1 串聯諧振串聯負載 57
4.2.2 串聯諧振並聯負載 60
4.2.3 串聯諧振串並聯負載 62
4.3 硬切與柔切 65
4.4 半橋換流器電路動作分析與說明 68
4.4.1 電路架構說明 68
4.4.2 電路動作分析 69
第五章 實體驅動電路架構設計 76
5.1 實體架構 76
5.2 換流器元件介紹 79
5.2.1 功率開關元件 79
5.2.2 控制信號元件 80
5.2.3 驅動隔離電路 82
5.3 升壓變壓器之設計 86
5.4 壓電變壓器參數值 90
5.5 均流技術 92
5.5.1 常用之均流技術 92
5.5.2 本文所採用之均流方式 94
5.5.3 電容均流電路設計準則 94
5.5.4 應用於其他尺寸之均流方式 96
第六章 實驗結果探討 97
6.1 控制電路PWM信號 98
6.2 功率開關柔性切換之波形量測 99
6.3 升壓變壓器與壓電變壓器 100
6.4 不同尺寸下之多支冷陰極管驅動 102
6.4.1 15cm冷陰極管之均流結果比較 102
6.4.2 20cm冷陰極管之均流結果比較 109
6.4.3 30cm冷陰極管之均流結果比較 116
6.5 改變均流電容值偏移量之電流誤差比 123
6.5.1改變均流電容值偏移量之15cm燈管均流比較 123
6.5.2改變均流電容值偏移量之20cm燈管均流比較 124
6.5.3改變均流電容值偏移量之30cm燈管均流比較 126
6.5.4模擬與實驗結果之比較 127
6.6 燈管啟動暫態波形探討 128
6.6.1 15cm冷陰極管的啟動暫態波形 128
6.6.2 20cm冷陰極管的啟動暫態波形 129
6.6.3 30cm冷陰極管的啟動暫態波形 129
第七章 結論與未來展望 131
7.1 結論 131
7.2 未來展望 132
參考文獻 133
作者簡介 140

圖目錄
圖1-1 TFT-LCD之產值 2
圖2-1 冷陰極管構造圖 9
圖2-2 電極結構圖 10
圖2-3 各種形狀的冷陰極管 10
圖2-4 氣體放電燈管在直流操作時的伏-安特性曲線 12
圖2-5 操作在不同頻率下的動態伏-安特性曲線 14
圖2-6 氣體放電發光流程圖 14
圖2-7 冷陰極管電壓與電流特性圖 15
圖2-8 冷陰極管內部等效電路圖 16
圖2-9 燈管使用壽命與亮度關係圖 16
圖2-10 燈管電流與亮度關係圖 17
圖2-11 燈管與溫度關係圖 17
圖2-12 燈管長度與燈管電流之關係圖 18
圖2-13 燈管洩漏情況分布圖 18
圖2-14 背光模組的基本構造圖 19
圖2-15 單邊側光型背光源結構圖 22
圖2-16 雙邊側光型背光源結構圖 23
圖2-17 直下型背光源結構圖 23
圖2-18 繞光型背光源結構圖 24
圖2-19 LCD內部構造圖 28
圖2-20 CCFL和LED色域比較圖 33
圖2-21 NTSC的色彩範圍圖 33
圖3-1 正壓電效應 36
圖3-2 逆壓電效應 37
圖3-3 羅森型結構圖 38
圖3-4 厚度振動模式結構圖 39
圖3-5 徑向振動模式結構圖 39
圖3-6 與 /2模式之輸入電壓與輸出電壓之關係圖 40
圖3-7 /2與 模式之應力與位移分佈情況圖 41
圖3-8 壓電變壓器等效電路圖 41
圖3-9 次級側短路之等效阻抗圖 42
圖3-10 初級側短路之等效阻抗圖 42
圖3-11 阻抗分析儀之分析模型 43
圖3-12 HP4194A內部測試模型 43
圖3-13 次級側短路示意圖 44
圖3-14 初級側短路示意圖 44
圖3-15 內部參數實際量測圖 44
圖3-16 次級側反射回初級側的等效電路圖 45
圖3-17 並聯變串聯的等效電路圖 45
圖3-18 初級側反射至次級側的等效電路圖 46
圖4-1 半橋式架構圖 53
圖4-2 全橋式架構圖 54
圖4-3 推挽式架構圖 54
圖4-4 CLASS-E架構圖 55
圖4-5 串聯諧振串聯負載之電路圖 57
圖4-6 串聯諧振串聯負載之增益圖 59
圖4-7 串聯諧振並聯負載之電路圖 60
圖4-8 串聯諧振並聯負載之增益圖 61
圖4-9 串聯諧振串並聯負載的電路圖 62
圖4-10 串聯諧振串並聯負載的增益圖 64
圖4-11 開關上硬切狀態 65
圖4-12 柔切時電壓電流波形示意圖 66
圖4-13 柔切時電壓及電流波形之軌跡 67
圖4-14 半橋換流器電路圖 68
圖4-15 半橋換流器等效電路圖 68
圖4-16 切換週期之時序波形圖 69
圖4-17 模式I電路圖與時序圖 70
圖4-18 模式II電路圖與時序圖 71
圖4-19 模式III電路圖與時序圖 72
圖4-20 模式IV電路圖與時序圖 73
圖4-21 模式V電路圖與時序圖 74
圖4-22 模式VI電路圖與時序圖 75
圖5-1 冷陰極管驅動系統架構圖 76
圖5-2 冷陰極管驅動系統方塊圖 76
圖5-3A 半橋換流器與PWM控制電路實體圖 78
圖5-3B 高頻升壓變壓器與壓電變壓器實體圖 78
圖5-4 功率開關IRFP460 79
圖5-5 TL494內部方塊圖 80
圖5-6 TL494控制IC腳位圖 81
圖5-7 IR2110內部方塊圖 84
圖5-8 IR2110高壓側懸浮驅動電路圖 85
圖5-9 應用於半橋之IR2110隔離驅動電路圖 85
圖5-10 高頻變壓器示意圖 86
圖5-11A 利用電感與電容組成之均流電路 93
圖5-11 B 利用變壓器組成之均流電路 93
圖5-12 均流電容串聯冷陰極管架構圖(15CM) 94
圖5-13 電容均流的等效電路圖 95
圖5-14 阻抗相量分析圖 95
圖5-15 均流電容串聯冷陰極管架構圖(20CM) 96
圖5-16 均流電容串聯冷陰極管架構圖(30CM) 96
圖6-1 開關S1與S2之驅動信號波形圖 98
圖6-2 開關S1與S2之DEAD TIME區間波形圖 98
圖6-3 開關S1之零電壓切換波形圖 99
圖6-4 開關S2之零電壓切換波形圖 99
圖6-5 變壓器初級側電壓與電流波形圖 100
圖6-6 變壓器次級側電壓與電流波形圖 100
圖6-7 壓電變壓器次級側電壓與電流波形圖 101
圖6-8 四燈管均流電容為10PF之燈管1、2電流波形圖 102
圖6-9 四燈管均流電容為10PF之燈管3、4電流波形圖 102
圖6-10 四燈管均流電容為13PF之燈管1、2電流波形圖 103
圖6-11 四燈管均流電容為13PF之燈管3、4電流波形圖 103
圖6-12 四燈管均流電容為15PF之燈管1、2電流波形圖 103
圖6-13 四燈管均流電容為15PF之燈管3、4電流波形圖 103
圖6-14 四燈管均流電容為17PF之燈管1、2電流波形圖 104
圖6-15 四燈管均流電容為17PF之燈管3、4電流波形圖 104
圖6-16 四燈管均流電容為20PF之燈管1、2電流波形圖 104
圖6-17 四燈管均流電容為20PF之燈管3、4電流波形圖 104
圖6-18 四燈管均流電容為22PF之燈管1、2電流波形圖 105
圖6-19 四燈管均流電容為22PF之燈管3、4電流波形圖 105
圖6-20 四燈管均流電容為25PF之燈管1、2電流波形圖 105
圖6-21 四燈管均流電容為25PF之燈管3、4電流波形圖 105
圖6-22 四燈管均流電容為30PF之燈管1、2電流波形圖 106
圖6-23 四燈管均流電容為30PF之燈管3、4電流波形圖 106
圖6-24 四燈管均流電容為35PF之燈管1、2電流波形圖 106
圖6-25 四燈管均流電容為35PF之燈管3、4電流波形圖 106
圖6-26 四根冷陰極管均流實體照片圖 108
圖6-27 15CM之燈管電壓、電流波形圖 108
圖6-28 三燈管均流電容為10PF之燈管1、2電流波形圖 109
圖6-29 三燈管均流電容為10PF之燈管3電流波形圖 109
圖6-30 三燈管均流電容為13PF之燈管1、2電流波形圖 110
圖6-31 三燈管均流電容為13PF之燈管3電流波形圖 110
圖6-32 三燈管均流電容為15PF之燈管1、2電流波形圖 110
圖6-33 三燈管均流電容為15PF之燈管3電流波形圖 110
圖6-34 三燈管均流電容為17PF之燈管1、2電流波形圖 111
圖6-35 三燈管均流電容為17PF之燈管3電流波形圖 111
圖6-36 三燈管均流電容為20PF之燈管1、2電流波形圖 111
圖6-37 三燈管均流電容為20PF之燈管3電流波形圖 111
圖6-38 三燈管均流電容為22PF之燈管1、2電流波形圖 112
圖6-39 三燈管均流電容為22PF之燈管3電流波形圖 112
圖6-40 三燈管均流電容為25PF之燈管1、2電流波形圖 112
圖6-41 三燈管均流電容為25PF之燈管3電流波形圖 112
圖6-42 三燈管均流電容為30PF之燈管1、2電流波形圖 113
圖6-43 三燈管均流電容為30PF之燈管3電流波形圖 113
圖6-44 三燈管均流電容為35PF之燈管1、2電流波形圖 113
圖6-45 三燈管均流電容為35PF之燈管3電流波形圖 113
圖6-46 三根冷陰極管均流實體照片圖 115
圖6-47 20CM燈管之電壓、電流波形圖 115
圖6-48 雙燈管均流電容為13PF之燈管1、2電流波形圖 116
圖6-49 雙燈管均流電容為15PF之燈管1、2電流波形圖 117
圖6-50 雙燈管均流電容為17PF之燈管1、2電流波形圖 117
圖6-51 雙燈管均流電容為20PF之燈管1、2電流波形圖 118
圖6-52 雙燈管均流電容為22PF之燈管1、2電流波形圖 118
圖6-53 雙燈管均流電容為25PF之燈管1、2電流波形圖 119
圖6-54 雙燈管均流電容為30PF之燈管1、2電流波形圖 119
圖6-55 雙燈管均流電容為35PF之燈管1、2電流波形圖 120
圖6-56 雙燈管均流電容為40PF之燈管1、2電流波形圖 120
圖6-57 雙根冷陰極管均流實體照片圖 122
圖6-58 30CM燈管之電壓、電流波形圖 122
圖6-59 四燈管均流電容為22PF之燈管電流模擬波形圖 123
圖6-60 三燈管均流電容為25PF之燈管電流模擬波形圖 125
圖6-61 雙燈管均流電容為30PF之燈管電流模擬波形圖 126
圖6-62 15CM冷陰極管的啟動暫態波形圖-時間間隔100MS 128
圖6-63 15CM冷陰極管的啟動暫態波形圖-時間間隔10MS 128
圖6-64 20CM冷陰極管的啟動暫態波形圖-時間間隔20MS 129
圖6-65 30CM冷陰極管的啟動暫態波形圖-時間間隔20MS 130


表目錄
表2-1 各顯示器性能比較表 31
表2-2 CCFL的優缺點 32
表2-3 LED的優缺點 33
表2-4 CCFL與LED比較 33
表3-1 兩種變壓器特性比較 50
表4-1 零電壓與零電流切換的特點 67
表5-1 IRFP460規格表 80
表5-2 TL494控制IC腳位功能說明 82
表5-3 驅動隔離元件之比較 83
表5-4 IR2110腳位功能說明 84
表5-5 重薄膜絕緣線規格表 89
表5-6 ELS-80壓電變壓器內部參數值 90
表6-1 系統規格表(雙根30CM) 97
表6-2 使用不同均流電容下四根燈管電流比較 107
表6-3 使用不同均流電容下三根燈管電流比較 114
表6-4 使用不同均流電容下雙根燈管電流比較 121
表6-5 模擬偏移量為 5%之不同均流電容下四根燈管電流比較 124
表6-6 模擬偏移量為 5%之不同均流電容下三根燈管電流比較 125
表6-7 模擬偏移量為 5%之不同均流電容下雙根燈管電流比較 126
表6-8 模擬與實作之電流誤差比 127
參 考 文 獻
[1] 黃欣怡,2006光電工業年鑑,工研院產經中心出版,經濟部技術處發行,中華民國九十五年五月。
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