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以模態壓電變壓器研製液晶顯示器背光模組用換流器的理論與驗證

為了解決奇美電視電源燈不亮的問題，作者黃耀田 這樣論述：

本研究論文主要的研究內容在於開發創新的壓電變壓器，並利用所開發的創新壓電變壓器來完成液晶顯示器(Liquid Crystal Display)背光所需的壓電式換流器(Piezoelectric Inverter)製作。由於針對不同尺寸、不同用途的液晶顯示器，其所需要的換流器規格也會不同，因此本論文分別針對大尺寸液晶電視背光和中小型可攜式液晶顯示器背光的需求，分別開發出不同規格之壓電式換流器。對大尺寸液晶電視所需的壓電式換流器而言，在本論文中提出利用單層壓電變壓器來製作升壓元件的創新架構，所使用的單層壓電變壓器可以降低壓電式換流器的製作成本，因此可以提高市場競爭力。同時為了彌補單層壓電變壓器升

壓比不足的限制，所以在本研究論文中所開發完成的壓電式換流器中，提出藉由系統內部的功率因子校正電路(Power Factor Correction, PFC)將一般市電電壓直接轉換成為可供系統使用的高直流工作電壓。對於中小型可攜式液晶顯示器背光用換流器，由於其電壓源通常來自電池，因此其所能提供的電壓仍為低直流電壓，所以為了增加壓電變壓器的升壓比，本論文採用了多層壓電變壓器來完成具有高升壓比的壓電式換流器。在創新壓電變壓器的設計上，本研究論文導入模態感應子與致動器(Modal Sensor and Actuator)的設計理念到創新壓電變壓器的輸入電極形狀(Input Electrode)設計。透

過壓電變壓器表面電極形狀的設計，可以使壓電變壓器具有在頻率域上過濾輸入電壓內部高頻成分的特性，以增進壓電變壓器的整體能量傳輸效率。為了能夠設計出適合不同壓電變壓器的模態電極形狀，本論文從傳統的壓電力學理論分析其機械結構的共振振形出發，在以機械結構振動的偏微分方程式(Partial Differential Equation, PDE)為理論基礎，利用正交基底將偏微分方程式轉換成常微分方程式(Ordinary Differential Equation, ODE)以求能表示出壓電變壓器在共振頻率附近的振動狀態。同時在經由對壓電變壓器作力學分析的過程，本論文分別設計出具有全模態濾波(Full Mo

dal Filtering Effect)和準模態濾波(Quasi Modal Filtering Effect)特性的輸入電極形狀。透過準模態電極的使用，可以提供過濾輸入電壓內部奇數倍基頻的濾波效果，使壓電變壓器可以直接採用方形或是類似方形的梯形輸入電壓直接驅動。透過全模態電極的使用，可以提供完全的模態過濾效果，因此可以提升壓電變壓器的能量傳輸效率和增加壓電變壓器的最佳工作頻率範圍(Optimal Operating Region)。為了降低壓電式換流器內部場效電晶體(MOSFET)的開關損失(Switching Loss)，在本論文中還引入了過去在研究切換式電源供應器(Switching

Power Supply)所使用的軟切換技巧(Soft Switching Technology)來設計壓電換流器的驅動電路。過去在分析壓電變壓器時，最常使用的方析方式是利用等效電路的模型來分析壓電變壓器的特性，但在本研究論文中，為了分析場效電晶體是否可以達到零電壓切換的工作狀態，因此導入了壓電變壓器等效電路模型來作分析。基本上，壓電變壓器的等效電路是利用一個電容和電感來構成LC共振電路，並透過壓電變壓器內部的電感和調整換流器內切換電路的開關時間，進而讓負責切換的場效電晶體(MOSFET)達到零電壓切換(Zero Voltage Switch)的目的，因此可以降低開關損失(Switching

Loss)，進而提升整體系統的能量傳輸效率。除此之外，為了簡化達到零電壓切換狀態的設計考量，本論文中採用一了個小電感串接在壓電變壓器前，並利用小電感幫助場效電晶體完成零電壓切換的工作狀態，而後再透過壓電變壓器的準模態電極來對輸入電壓的波形進行濾波。綜合上述各種設計參數，本論文嘗試融合歷史上針對壓電變壓器所完成的力學與電學的分析方式，逐步完成足以突破過去世界各國對壓電變壓器所設下的專利藩籬，透過準模態電極和零電壓切換的開關設計，順利完成了驅動液晶顯示器背光冷陰極燈管所需使用之無線圈壓電式換流器。除此之外，本論文還提出如何採用具有全模態電極的多層壓電變壓器，來提升可攜式液晶顯示器用壓電換流器的整體

系統效率的創新架構。