1 引言
压电变压器用极化和机械振荡方式传递能量。在尺寸和重量是关键因素要求的一些功率变换器的实际应用中，PZT被用作磁性变压器的替代品。压电变压器的主要优点是高功率密度、优良的隔离性能和低的电磁干扰(EMI)特性。这些优点使得压电变压器在低功率DC-DC或AC-DC变换器中很有吸引力[1， 2]。但是PZT还是存在两个问题：一是PZT对工作环境十分敏感，例如负载状态和PZT的工作温度，因为它们的一些小小变化，如图1所示的PZT的频率响应曲线都会降低效率，而提高PZT的温度将会把驱动系统引向恶性循环；其它的缺点是PZT的工作频带很窄。由于这两个缺点，系统的工作频率将因驱动PZT需要控制。
用作驱动冷阴极荧光灯的压电变压器还另有优点。冷阴极荧光灯需要大的起动电压，而在冷阴极荧光灯在被点燃之前，其大的负载阻抗将引起压电变压器产生大的电压增益。在相同的时间内，其工作频率将随负载阻抗而变化。结果是，适合的驱动频率应该选择能够满足已运转起来的电压和稳定状态的工作电压两者的需要[3]。但是，由于要维持电压增益和压电变压器的效率，必需进行可变的频率控制和均匀的相位控制[4， 5， 6]。在这篇论文中，提出了基于压电变压器的背光逆变器。锁相控制是被用来保持压电变压器工作点的，而扫频运转电路被应用于压电变压器起动频率的搜索。
2 系统设计
a 扫频起动运转电路
冷阴极荧光灯的起动运转电压高于它的工作电压，而冷阴极荧光灯在其引燃之后，其等效阻抗从无穷大减小到大约100kΩ。变化的压电变压器的频率响应曲线恰如图2所示。FO是稳定状态时的最佳工作频率。于是，在没有负载的情况下，压电变压器的增益是高的，它有能力根据工作频率FO引燃冷阴极荧光灯。但是，由于起动冷阴极荧光灯比较容易和快速，其起动运转电路将随第一个频率FS引燃灯管，而冷阴极荧光灯被点燃之后，则以漂移的FO来保持效率。
图3示出了频扫方法的顺序，系统开始起动的频率FH是较高的，然后摆动扫描到频率FO。起动运转的工作频率FS将随着温度或压电变压器本身的变化而改善。但是，FS总是高于FO的。结果是，FS一定能穿过合适的频率FH以引燃冷阴极荧光灯。
b 压电变压器的锁相控制
图4示出了压电变压器的等效电路。其工作频率接近于CS和LS组成电路的谐振频率。但是，它可能随着不同的负载阻抗和不同压电变压器性能而变化。起动运转电路可以消除因引燃灯管导致的变化，和甚至由压电变压器的高增益所取得的优点。然而，FO将随不同的冷阴极荧光灯而变化。一些反馈回路可以应用于跟踪压电变压器狭窄的频带宽度。
图5示出了具有不同阻抗的压电变压器的频率响应仿真结果。它示出了压电变压器的增益为最大时的输入电压和输出电压两者之间的相位差接近于45°。虽然其负载阻抗的范围受限制，但对引燃冷阴极荧光灯而言，其阻抗范围足以宽阔了。
c 系统方框图
图6所示为锁相控制系统的方框图。其VCO产生两个信号。O°信号驱动压电变压器。压电变压器的输出信号电流是作为反馈信号采样的，因为冷阴极荧光灯被认为是阻抗和反馈信号仅要求相位信息。该-45°的信号是参照由相位检测仪锁定相位的反馈信号。然后，我们可以锁定输入电压和输出电压两者之间的相位差是45°。
起动运转电路是由低通滤波器组成的。当冷阴极荧光灯是断开时，相位检测仪关闭了MOS。VCO的频率随电荷容量而减小。冷阴极荧光灯被引燃之后，RC变成了滤波器，用于给VCO一个直流(DC)控制电压。FH可以由电阻器的值决定，而Fo是由相位锁相回路跟踪的。
图7是VCO的执行过程和相位检测器示意图。它包含了VCO NE566N和由D触发器组成的两个驱动器。输出电压馈送给驱动器用以驱动半桥电路，而B是参考信号。
3 实验结果
为了检验起动运转电路的功能，锁相回路被旁路，而Vop直接被应用于VCO以产生FO。图8是为了验证建立的试验电路。
通过适用于点A的Vop起动工作频率，随着电荷容量的上升，控制电压将被增大。如果电压Vop被馈送到点B，当系统接通时，输出频率应该是FO。图9所示被认为是实验结果。压电变压器随工作频率的变化仍然可以具有足够大的电压增益来点燃冷阴极荧光灯。因为没有负载，它们不存在最佳工作点。即使如此，根据图9(b)可见，它取得了若干秒时间的稳定灯电流，而冷阴极荧光灯在相同时间内产生闪烁光。一种相反的情况见图9(a)，它示出了起动运转电路更快速和更平稳地点燃了冷阴极荧光灯的情况。
图10所示为采用了锁相控制技术的实验结果。图10(a)还示出了起动运转电路的功能。VCO的控制电压从给定点向上扫描，在点燃冷阴极荧光灯以后，测出的电压增大到9V，这是FO的控制电压。然后，锁相回路替换了并维持着工作频率。图10(b)所示为在灯管被点亮时，压电变压器的输入电压和输出电压两者之间的关系。它们之间的相位差被锁定在大大小于45°的值。
4 小结
文章中提出了用于冷阴极荧光灯的、采用扫频起动运转电路的锁相控制压电变压器背光逆变器。所要求的高引燃电压可以控制压电变压器，在其高增益的工作点上达到目的。对于起动运转电路要求很宽的扫频范围，所进行的研究表明，在起动运转期间该扫频范围是确定的。在试验电路板上的实验显示了令人们满意的结果。

参考文献
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[3] H．Kakehashi，T. Hidaka，T．Ninomiya，M．Shoyama，H．Ogasawara，Y．Ohta．Electronic ballast using piezoelectric transformers for fluorescent lamps．IEEE PESC，pp. 29—35，1998．
[4] M．Prieto，J．Diaz，J．A Martin， F．Nuno．A very simple DC-DC converter using piezoelectric transformer．IEEE PESC，pp．1755—1760，2001．
[5] M．Shoyama，K．Horikoshi，T．Ninomiya，T．Zaitsu，Y．Sasaki．Steady-state characteristics of the push-pull piezoelectric inverter．IEEE PESC，PP．715—721，1997．
[6] E．Dallago and A. Danioni．Resonance frequency tracking control for piezoeiectric transformer DC-DC converter．Electronics Letters，Vol．37，No．22，PP．1317—1318，2001．