纳秒快脉冲提高等离子体显示平板光效研究

吴晓震，刘克富，李柳霞，姜 松

(复旦大学光源与照明工程系，上海200433)

目前等离子体电视(PDP)的主要技术瓶颈之一是发光效率不高，整机功耗过大。PDP的发光效率比较低，仅有1～2 lm/W，主要是放电单元电能到紫外光能转化效率很低，只有3%～5%。近些年来，为了提高PDP的显示效率，很多机构做了深入研究并取得了一些成果，包括对PDP的显示单元结构，放电气体组分，激发放电机理和电压驱动方式等方面的研究。其中在改变驱动方式的研究中，主要是改变驱动电压的幅值、波形、频率等参数［1］。

紫外灯与PDP放电机理同属于介质阻挡放电原理。具有较快电压上升沿的脉冲源驱动紫外灯已经被证明可以改善介质阻挡放电中加热阳离子的热效应，从而显著提高光效和能效［2］。在类比紫外灯气体放电原理的基础上，利用快脉冲驱动PDP，寻求电压电流上升沿和脉宽对发光效率的影响，以期提高PDP光效。

1 快脉冲上升沿提高PDP光效的理论依据

1.1 PDP放电单元结构

如图1所示，PDP每一彩色像素包括一对ITO透明电极。ITO电极之上制作有金属电极，像素之间，与电极平行方向制作有黑色介质条。介质和黑条之上，是透明介质，最上层是用于降低工作电压和对介质进行保护的MgO层。后基板上，最下层是选址电极，每个像素包括3条电极，与前基板电极呈空间正交状态，2条电极之间障壁的底部和侧面涂覆的是真空紫外光致发光荧光粉，相邻3个障壁内分别涂RGB三基色荧光粉，形成一个彩色像素，充入的是Ne-Xe潘宁工作气体Ne-Xe混合气体。

图1 PDP放电单元结构简图

1.2 放电气体密度分析

PDP单元内部为低气压下的Ne-Xe混合气体，在一定的外部电压作用下产生介质阻挡放电。对于共面电极，原子态Xe激发出现的位置远离荧光粉，它产生的147 nm的紫外辐射几乎全部被捕获在放电单元内部;而的有效寿命很长，如图2所示(图2中的值为实际计算值乘以100所得)。由二聚态产生173 nm VUV射线激发荧光粉发光［3］。因此，改进PDP单元效率的方式之一就是选择驱动方式，将更多的能量引向。

图2 PDP放电过程Xe各能态离子平均密度

PDP单元中的放电等离子体是一种典型的非平衡等离子体。快脉冲上升沿可能使电子温度和离子温度差增大，从而发生更多的有效碰撞，粒子能够被更有效地激发。而且快脉冲过程中，离子被加热时间变短，吸收能量和辐射红外光的现象都会得到改善，从而提高电能到紫外光能的转化效率［6］。提高PDP驱动电压上升沿，能够有效激发产生更多高能电子同时维持Ne，Xe等离子在较低温度，使三体碰撞过程更有效，有利于的产生。

2 PDP纳秒脉冲电源装置

自主研发的PDP纳秒脉冲驱动测试平台如图3所示，纳秒脉冲驱动源如图3黑框内所示，由控制信号电路、信号隔离放大电路和高压脉冲主电路3个部分组成。其中控制信号电路是由隔离开关电源给CPLD供电，控制信号由VIOLOG语言实现。信号放大电路通过具有很强的隔离干扰的光纤收发光信号，隔离电气连接，再进行信号放大驱动MOSFET。

图3 PDP维持期驱动脉冲电源系统模块和结构

高压脉冲主电路拓扑如图4所示，工频交流经可调变压器和倍压整流电路输出直流高压，再经过全桥功率MOSFET输出300 V高频脉冲信号，脉宽和电压上升沿随具体实验条件设定而变。

图4 快脉冲驱动PDP主电路(带负载)图

电源输出参数为:电压0～400 V，上升沿45～500 ns，电流0～30 A，上升沿30～300 ns。

扫描频率50～1 000 kHz，子场频率0～200 Hz，产生PDP分子场维持期驱动波形，在一个扫描周期内仅在维持期工作，表现为周期性脉冲阵列的形式。典型驱动波形如图5所示。

图5 快脉冲驱动源输出典型波形示意图

3 快脉冲驱动PDP实验测量光效实验结果与讨论

3.1 快脉冲驱动PDP实验简述

由于本研究侧重于提高PDP的白光光效，因此简化了PDP的驱动方式，截取了ADS分子场驱动中维持期驱动部分，而且脉宽和上升沿的改变必然改变功率和光效。因此在该驱动方式下测得的功率和光效反应的是趋势和变化率，不可与ADS驱动方式直接比较。在本文中，功率、光通量、光效都转化成单位“1”的参考量。从图6可以看到PDP放电特性类似于介质阻挡放电，放电电流出现在外加电场发生突变的时候，随着时间的推移低气压腔室绝缘恢复后电流振荡趋于零。通过XY端采集的电压电流数据通过orgin积分可以得到输入功率相对值(input power)。通过光电倍增管开窗测得PDP稳定工作在维持驱动期的白光输出光强。单个脉冲同步产生短波紫外光，但是短波紫外经荧光粉转化白光脉宽因余晖效应严重展宽形变。因此该驱动方式下测得白光信号为重频产生的光信号叠加所得的类似包络线的图形。图7所示为与光强等比例的电压信号，通过软件积分得到平均输出光通量相对值(luminous flux)。两者相对值的比值就是该工作模式下PDP的光效能(luminous efficacy)。测量在不同上升沿工作情况下的电压上升沿，获得输入电功率，输出光功率和相对光效，研究其变化规律。

图7 单次放电输出光脉冲典型波形

3.2 调节脉冲电源输出电压上升沿测光效实验结果

在图4中的全桥开关电路的输出端串入合适的可调电感，不引入损耗的条件下利用电感调节XY电极间加高压驱动的上升沿。图8所示为调节上升沿电路局部图。图9反应在该组试验下不同上升沿情况下光效的变化值。

图8 调节上升沿电路局部图

串入可调绕线电感调节电压电流上升沿的实验表明:如图9中输入功率曲线所示，随着电压上升沿从170 ns到290 ns，PDP消耗的电功率先增后减，并在上升沿为220 ns时出现峰值。影响电功率的因素有放电时间、等离子体温度和密度、放电特性等。随着上升沿的增加，等离子体温度升高，更多的能量用于加热稀有气体离子，这种影响使得输入电功率增大。在220 ns以后而上升沿的持续变缓会影响放电的有效性，更少的气体原子被电离，等离子体密度降低，因此放电腔的等效阻抗增大，功率减小。

图9 电压上升沿-光通量，功率，光效(相对值)

如图9中光通量曲线所示，总体光通量的测量呈线性下降的趋势，在测量范围内下降率为9%/100 ns。可以认为在此范围内影响紫外光效的因素是脉冲上升沿变缓，使得电子和离子相对有效碰撞减少，并且高能电子的碰撞截面较小，导致Xe不能被有效激发。最后得出图9所示光效曲线，是总体下降趋势的平滑曲线，快上升沿对光效的提高显著。

3.3 实验讨论

通过改变mosfet门极驱动信号改变输出高压的脉宽，同时保证脉冲数和上升沿相同，测量输出光效。

改变脉宽测量光效的实验表明:脉宽对PDP发光效率的影响是比较大的，而且两者的相关关系式较复杂。如图10所示，在单个电压脉冲的上升沿和下降沿均存在放电对应电流出现峰值。由图11可发现，实验测得的光通量和电功率均在脉宽＜800 ns的情况下较小并且存在峰值，对应于峰值为效率极低点，应当避免PDP工作在此脉宽情况下;而当脉宽＞800 ns则光通量和电功率均直线上升。以上变化可以从PDP一次放电过程中得到解释:在一次放电前，放电单元中存储有记忆壁电荷，形成壁电场，且电场方向与放电所加外场方向一致。当外加电压与内建壁电压叠加值超过点火电压时，该单元产生放电而发光。新的壁电荷逐渐产生，电场与外加电场相反，经几百纳秒后其合成电场已不足以维持本次放电，放电终止。如图11所示，550 ns之前壁电荷还未形成，放电时间太短，所以出光量和电功率都较低。550～800 ns壁电荷逐渐形成，存在壁电荷阻碍放电发展和在壁电荷形成期气体放电消耗能量相抗衡的过程。在700 ns左右认为壁电荷完全形成，一次放电中的气体放电辐射紫外光的值达到最大，此时放电过程完整。在700～800 ns出现电功率极小值的原因暂时无合理解释。在900 ns以后，波长为173 nm的真空紫外线也是产生可见光的重要来源。在一个脉宽范围内，电压上升沿放电熄灭后，作为储存库，内吸入能量产生，增加了单元中的有效寿命达数微秒，因此在这个阶段对可见光有着重要贡献，甚至远大于Xe*谐振态的贡献。因而此时的紫外发光量和电功率都有持续增加，而折合光效并未有较大变化，因为此时亚稳态Xe*的密度由前次放电决定，不受脉宽持续时间影响。如脉宽继续增加，则可能发生变化。从800～1 050 ns光通量增加50%，光效变化不大，较为稳定。图11中光效曲线给出折合光效，可以看到在800 ns以后，脉宽对光效的影响逐渐变小。

4 小结和展望

本文概要介绍了PDP显示发光和驱动原理，提出了利用快脉冲上升沿驱动提高PDP发光效率的思路并给出实验结果。本文给出不同上升沿、脉宽与光效和能效的对应关系，以及硬开关阶段上升沿参数的选取的实验结果分析。综合对PDP单元放电机理分析和试验研究表明，快上升沿脉冲驱动能够显著地改善PDP的发光效率，在试验范围内，提高光效达13%/100 ns。PDP的脉宽应选择在800 ns或以上，避开短脉冲低光效区。

驱动电路是PDP技术中难度最大的部分，目前，对PDP的驱动技术研究虽然取得了很大的成绩，但是PDP的技术指标还不尽如人意。本文对于快脉冲作用的结论可以应用于现有的PDP维持驱动电路的硬开关部分设计，以期进一步降低整机功耗，最终提高可见光效。

［1］张瑞华，谢智波，陆光华.一种新型的AC-PDP能量恢复电路［J］.光电子技术，2002，8(2):139-140.

［2］陈古源，刘克富.纳秒脉冲电源驱动提高KrCl*准分子灯辐射效率的实验研究［J］.2011，22(5):7-10.

［3］耿艳霞，王建琪，何锋，等.彩色PDP发光效率的分析及改善方法［J］.真空电子技术，2004(1):41-44.

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［6］徐学基.气体放电物理［M］.上海:复旦大学出版社，1996.