納秒快脈沖提高等離子體顯示平板光效研究

吳曉震，劉克富，李柳霞，姜 松

(復旦大學光源與照明工程系，上海200433)

目前等離子體電視(PDP)的主要技術瓶頸之一是發光效率不高，整機功耗過大。PDP的發光效率比較低，僅有1～2 lm/W，主要是放電單元電能到紫外光能轉化效率很低，只有3%～5%。近些年來，為了提高PDP的顯示效率，很多機構做了深入研究并取得了一些成果，包括對PDP的顯示單元結構，放電氣體組分，激發放電機理和電壓驅動方式等方面的研究。其中在改變驅動方式的研究中，主要是改變驅動電壓的幅值、波形、頻率等參數［1］。

紫外燈與PDP放電機理同屬于介質阻擋放電原理。具有較快電壓上升沿的脈沖源驅動紫外燈已經被證明可以改善介質阻擋放電中加熱陽離子的熱效應，從而顯著提高光效和能效［2］。在類比紫外燈氣體放電原理的基礎上，利用快脈沖驅動PDP，尋求電壓電流上升沿和脈寬對發光效率的影響，以期提高PDP光效。

1 快脈沖上升沿提高PDP光效的理論依據

1.1 PDP放電單元結構

如圖1所示，PDP每一彩色像素包括一對ITO透明電極。ITO電極之上制作有金屬電極，像素之間，與電極平行方向制作有黑色介質條。介質和黑條之上，是透明介質，最上層是用于降低工作電壓和對介質進行保護的MgO層。后基板上，最下層是選址電極，每個像素包括3條電極，與前基板電極呈空間正交狀態，2條電極之間障壁的底部和側面涂覆的是真空紫外光致發光熒光粉，相鄰3個障壁內分別涂RGB三基色熒光粉，形成一個彩色像素，充入的是Ne-Xe潘寧工作氣體Ne-Xe混合氣體。

圖1 PDP放電單元結構簡圖

1.2 放電氣體密度分析

PDP單元內部為低氣壓下的Ne-Xe混合氣體，在一定的外部電壓作用下產生介質阻擋放電。對于共面電極，原子態Xe激發出現的位置遠離熒光粉，它產生的147 nm的紫外輻射幾乎全部被捕獲在放電單元內部;而的有效壽命很長，如圖2所示(圖2中的值為實際計算值乘以100所得)。由二聚態產生173 nm VUV射線激發熒光粉發光［3］。因此，改進PDP單元效率的方式之一就是選擇驅動方式，將更多的能量引向。

圖2 PDP放電過程Xe各能態離子平均密度

PDP單元中的放電等離子體是一種典型的非平衡等離子體?？烀}沖上升沿可能使電子溫度和離子溫度差增大，從而發生更多的有效碰撞，粒子能夠被更有效地激發。而且快脈沖過程中，離子被加熱時間變短，吸收能量和輻射紅外光的現象都會得到改善，從而提高電能到紫外光能的轉化效率［6］。提高PDP驅動電壓上升沿，能夠有效激發產生更多高能電子同時維持Ne，Xe等離子在較低溫度，使三體碰撞過程更有效，有利于的產生。

2 PDP納秒脈沖電源裝置

自主研發的PDP納秒脈沖驅動測試平臺如圖3所示，納秒脈沖驅動源如圖3黑框內所示，由控制信號電路、信號隔離放大電路和高壓脈沖主電路3個部分組成。其中控制信號電路是由隔離開關電源給CPLD供電，控制信號由VIOLOG語言實現。信號放大電路通過具有很強的隔離干擾的光纖收發光信號，隔離電氣連接，再進行信號放大驅動MOSFET。

圖3 PDP維持期驅動脈沖電源系統模塊和結構

高壓脈沖主電路拓撲如圖4所示，工頻交流經可調變壓器和倍壓整流電路輸出直流高壓，再經過全橋功率MOSFET輸出300 V高頻脈沖信號，脈寬和電壓上升沿隨具體實驗條件設定而變。

圖4 快脈沖驅動PDP主電路(帶負載)圖

電源輸出參數為:電壓0～400 V，上升沿45～500 ns，電流0～30 A，上升沿30～300 ns。

掃描頻率50～1 000 kHz，子場頻率0～200 Hz，產生PDP分子場維持期驅動波形，在一個掃描周期內僅在維持期工作，表現為周期性脈沖陣列的形式。典型驅動波形如圖5所示。

圖5 快脈沖驅動源輸出典型波形示意圖

3 快脈沖驅動PDP實驗測量光效實驗結果與討論

3.1 快脈沖驅動PDP實驗簡述

由于本研究側重于提高PDP的白光光效，因此簡化了PDP的驅動方式，截取了ADS分子場驅動中維持期驅動部分，而且脈寬和上升沿的改變必然改變功率和光效。因此在該驅動方式下測得的功率和光效反應的是趨勢和變化率，不可與ADS驅動方式直接比較。在本文中，功率、光通量、光效都轉化成單位“1”的參考量。從圖6可以看到PDP放電特性類似于介質阻擋放電，放電電流出現在外加電場發生突變的時候，隨著時間的推移低氣壓腔室絕緣恢復后電流振蕩趨于零。通過XY端采集的電壓電流數據通過orgin積分可以得到輸入功率相對值(input power)。通過光電倍增管開窗測得PDP穩定工作在維持驅動期的白光輸出光強。單個脈沖同步產生短波紫外光，但是短波紫外經熒光粉轉化白光脈寬因余暉效應嚴重展寬形變。因此該驅動方式下測得白光信號為重頻產生的光信號疊加所得的類似包絡線的圖形。圖7所示為與光強等比例的電壓信號，通過軟件積分得到平均輸出光通量相對值(luminous flux)。兩者相對值的比值就是該工作模式下PDP的光效能(luminous efficacy)。測量在不同上升沿工作情況下的電壓上升沿，獲得輸入電功率，輸出光功率和相對光效，研究其變化規律。

圖7 單次放電輸出光脈沖典型波形

3.2 調節脈沖電源輸出電壓上升沿測光效實驗結果

在圖4中的全橋開關電路的輸出端串入合適的可調電感，不引入損耗的條件下利用電感調節XY電極間加高壓驅動的上升沿。圖8所示為調節上升沿電路局部圖。圖9反應在該組試驗下不同上升沿情況下光效的變化值。

圖8 調節上升沿電路局部圖

串入可調繞線電感調節電壓電流上升沿的實驗表明:如圖9中輸入功率曲線所示，隨著電壓上升沿從170 ns到290 ns，PDP消耗的電功率先增后減，并在上升沿為220 ns時出現峰值。影響電功率的因素有放電時間、等離子體溫度和密度、放電特性等。隨著上升沿的增加，等離子體溫度升高，更多的能量用于加熱稀有氣體離子，這種影響使得輸入電功率增大。在220 ns以后而上升沿的持續變緩會影響放電的有效性，更少的氣體原子被電離，等離子體密度降低，因此放電腔的等效阻抗增大，功率減小。

圖9 電壓上升沿-光通量，功率，光效(相對值)

如圖9中光通量曲線所示，總體光通量的測量呈線性下降的趨勢，在測量范圍內下降率為9%/100 ns。可以認為在此范圍內影響紫外光效的因素是脈沖上升沿變緩，使得電子和離子相對有效碰撞減少，并且高能電子的碰撞截面較小，導致Xe不能被有效激發。最后得出圖9所示光效曲線，是總體下降趨勢的平滑曲線，快上升沿對光效的提高顯著。

3.3 實驗討論

通過改變mosfet門極驅動信號改變輸出高壓的脈寬，同時保證脈沖數和上升沿相同，測量輸出光效。

改變脈寬測量光效的實驗表明:脈寬對PDP發光效率的影響是比較大的，而且兩者的相關關系式較復雜。如圖10所示，在單個電壓脈沖的上升沿和下降沿均存在放電對應電流出現峰值。由圖11可發現，實驗測得的光通量和電功率均在脈寬＜800 ns的情況下較小并且存在峰值，對應于峰值為效率極低點，應當避免PDP工作在此脈寬情況下;而當脈寬＞800 ns則光通量和電功率均直線上升。以上變化可以從PDP一次放電過程中得到解釋:在一次放電前，放電單元中存儲有記憶壁電荷，形成壁電場，且電場方向與放電所加外場方向一致。當外加電壓與內建壁電壓疊加值超過點火電壓時，該單元產生放電而發光。新的壁電荷逐漸產生，電場與外加電場相反，經幾百納秒后其合成電場已不足以維持本次放電，放電終止。如圖11所示，550 ns之前壁電荷還未形成，放電時間太短，所以出光量和電功率都較低。550～800 ns壁電荷逐漸形成，存在壁電荷阻礙放電發展和在壁電荷形成期氣體放電消耗能量相抗衡的過程。在700 ns左右認為壁電荷完全形成，一次放電中的氣體放電輻射紫外光的值達到最大，此時放電過程完整。在700～800 ns出現電功率極小值的原因暫時無合理解釋。在900 ns以后，波長為173 nm的真空紫外線也是產生可見光的重要來源。在一個脈寬范圍內，電壓上升沿放電熄滅后，作為儲存庫，內吸入能量產生，增加了單元中的有效壽命達數微秒，因此在這個階段對可見光有著重要貢獻，甚至遠大于Xe*諧振態的貢獻。因而此時的紫外發光量和電功率都有持續增加，而折合光效并未有較大變化，因為此時亞穩態Xe*的密度由前次放電決定，不受脈寬持續時間影響。如脈寬繼續增加，則可能發生變化。從800～1 050 ns光通量增加50%，光效變化不大，較為穩定。圖11中光效曲線給出折合光效，可以看到在800 ns以后，脈寬對光效的影響逐漸變小。

4 小結和展望

本文概要介紹了PDP顯示發光和驅動原理，提出了利用快脈沖上升沿驅動提高PDP發光效率的思路并給出實驗結果。本文給出不同上升沿、脈寬與光效和能效的對應關系，以及硬開關階段上升沿參數的選取的實驗結果分析。綜合對PDP單元放電機理分析和試驗研究表明，快上升沿脈沖驅動能夠顯著地改善PDP的發光效率，在試驗范圍內，提高光效達13%/100 ns。PDP的脈寬應選擇在800 ns或以上，避開短脈沖低光效區。

驅動電路是PDP技術中難度最大的部分，目前，對PDP的驅動技術研究雖然取得了很大的成績，但是PDP的技術指標還不盡如人意。本文對于快脈沖作用的結論可以應用于現有的PDP維持驅動電路的硬開關部分設計，以期進一步降低整機功耗，最終提高可見光效。

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