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(fā)光效率不高，整機功耗過大。PDP的發(fā)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(zhuǎn)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(jié)構，放電氣體組分，激發(fā)放電機理和電壓驅(qū)動方式等方面的研究。其中在改變驅(qū)動方式的研究中，主要是改變驅(qū)動電壓的幅值、波形、頻率等參數(shù)［1］。

紫外燈與PDP放電機理同屬于介質(zhì)阻擋放電原理。具有較快電壓上升沿的脈沖源驅(qū)動紫外燈已經(jīng)被證明可以改善介質(zhì)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(qū)動PDP，尋求電壓電流上升沿和脈寬對發(fā)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(jù)

1.1 PDP放電單元結(jié)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(zhì)條。介質(zhì)和黑條之上，是透明介質(zhì)，最上層是用于降低工作電壓和對介質(zhì)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(tài)，2條電極之間障壁的底部和側(cè)面涂覆的是真空紫外光致發(fā)光熒光粉，相鄰3個障壁內(nèi)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(jié)構簡圖

1.2 放電氣體密度分析

PDP單元內(nèi)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(chǎn)生介質(zhì)阻擋放電。對于共面電極，原子態(tài)Xe激發(fā)出現(xiàn)的位置遠離熒光粉，它產(chǎn)生的147 nm的紫外輻射幾乎全部被捕獲在放電單元內(nèi)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(tài)產(chǎn)生173 nm VUV射線激發(fā)熒光粉發(fā)光［3］。因此，改進PDP單元效率的方式之一就是選擇驅(qū)動方式，將更多的能量引向。

圖2 PDP放電過程Xe各能態(tài)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(fā)生更多的有效碰撞，粒子能夠被更有效地激發(fā)。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(xiàn)象都會得到改善，從而提高電能到紫外光能的轉(zhuǎn)化效率［6］。提高PDP驅(qū)動電壓上升沿，能夠有效激發(fā)產(chǎn)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(chǎn)生。

2 PDP納秒脈沖電源裝置

自主研發(fā)的PDP納秒脈沖驅(qū)動測試平臺如圖3所示，納秒脈沖驅(qū)動源如圖3黑框內(nèi)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(xiàn)。信號放大電路通過具有很強的隔離干擾的光纖收發(fā)光信號，隔離電氣連接，再進行信號放大驅(qū)動MOSFET。

圖3 PDP維持期驅(qū)動脈沖電源系統(tǒng)模塊和結(jié)構

高壓脈沖主電路拓撲如圖4所示，工頻交流經(jīng)可調(diào)變壓器和倍壓整流電路輸出直流高壓，再經(jīng)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(qū)動PDP主電路(帶負載)圖

電源輸出參數(shù)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(chǎn)生PDP分子場維持期驅(qū)動波形，在一個掃描周期內(nèi)僅在維持期工作，表現(xiàn)為周期性脈沖陣列的形式。典型驅(qū)動波形如圖5所示。

圖5 快脈沖驅(qū)動源輸出典型波形示意圖

3 快脈沖驅(qū)動PDP實驗測量光效實驗結(jié)果與討論

3.1 快脈沖驅(qū)動PDP實驗簡述

由于本研究側(cè)重于提高PDP的白光光效，因此簡化了PDP的驅(qū)動方式，截取了ADS分子場驅(qū)動中維持期驅(qū)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(qū)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(qū)動方式直接比較。在本文中，功率、光通量、光效都轉(zhuǎn)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(zhì)阻擋放電，放電電流出現(xiàn)在外加電場發(fā)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(shù)據(jù)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(wěn)定工作在維持驅(qū)動期的白光輸出光強。單個脈沖同步產(chǎn)生短波紫外光，但是短波紫外經(jīng)熒光粉轉(zhuǎn)化白光脈寬因余暉效應嚴重展寬形變。因此該驅(qū)動方式下測得白光信號為重頻產(chǎn)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(guī)律。

圖7 單次放電輸出光脈沖典型波形

3.2 調(diào)節(jié)脈沖電源輸出電壓上升沿測光效實驗結(jié)果

在圖4中的全橋開關電路的輸出端串入合適的可調(diào)電感，不引入損耗的條件下利用電感調(diào)節(jié)XY電極間加高壓驅(qū)動的上升沿。圖8所示為調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)上升沿電路局部圖

串入可調(diào)繞線電感調(diào)節(jié)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(xiàn)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(xù)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(nèi)下降率為9%/100 ns?？梢哉J為在此范圍內(nèi)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(fā)。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(qū)動信號改變輸出高壓的脈寬，同時保證脈沖數(shù)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(fā)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(xiàn)峰值。由圖11可發(fā)現(xiàn)，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(nèi)建壁電壓疊加值超過點火電壓時，該單元產(chǎn)生放電而發(fā)光。新的壁電荷逐漸產(chǎn)生，電場與外加電場相反，經(jīng)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(fā)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(xiàn)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(chǎn)生可見光的重要來源。在一個脈寬范圍內(nèi)，電壓上升沿放電熄滅后，作為儲存庫，內(nèi)吸入能量產(chǎn)生，增加了單元中的有效壽命達數(shù)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(tài)的貢獻。因而此時的紫外發(fā)光量和電功率都有持續(xù)增加，而折合光效并未有較大變化，因為此時亞穩(wěn)態(tài)Xe*的密度由前次放電決定，不受脈寬持續(xù)時間影響。如脈寬繼續(xù)增加，則可能發(fā)生變化。從800～1 050 ns光通量增加50%，光效變化不大，較為穩(wěn)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(jié)和展望

本文概要介紹了PDP顯示發(fā)光和驅(qū)動原理，提出了利用快脈沖上升沿驅(qū)動提高PDP發(fā)光效率的思路并給出實驗結(jié)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(shù)的選取的實驗結(jié)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(qū)動能夠顯著地改善PDP的發(fā)光效率，在試驗范圍內(nèi)，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(qū)。

驅(qū)動電路是PDP技術中難度最大的部分，目前，對PDP的驅(qū)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(jié)論可以應用于現(xiàn)有的PDP維持驅(qū)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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