TWI813687B - 圖騰柱型單相功因修正轉接器 - Google Patents

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Abstract

本發明之圖騰柱型單相功因修正(PFC)轉接器係於交流電源輸入之極性反轉之時序，於交流電源之2極內，直線狀控制未連接電感器之低頻側節點電壓。

Description

圖騰柱型單相功因修正轉接器
本技術係關於一種減少洩漏電流(Touch Current)之圖騰柱型單相PFC轉接器。
先前以來，連接於交流輸入之開關電源中，為改善輸入電流之功因且抑制諧波電流，而使用PFC(Power Factor Correction：功因改善電路)轉接器。PFC轉接器中，構成為以二極體電橋將交流電壓整流為正電壓後，使用升壓轉接器(Boost converter)。然而，由於整流電橋之二極體損失成為效率降低之要因，故提出無整流電橋之無電橋PFC轉接器。
該圖騰柱型單相PFC轉接器中，輸入電壓之零交叉點中，於電感器流通過大之突波電流，其結果，有於輸入電流及輸入電壓發生突波之問題。且，此種突波電流或突波電壓使轉接器之雜訊，即EMI(Electromagnetic Interference：電磁干擾)雜訊或諧波電流增大。
於例如專利文獻1，揭示有一種藉由防止輸入電壓之零交叉點附近之突波電流而謀求減少雜訊及提高效率。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1] 日本專利特開2012-070490號公報
與上述之突波電流不同，於連接有PFC轉接器與絕緣轉接器之構成中，認為會發生自絕緣轉接器之輸出側流向PFC轉接器之輸入側之洩漏電流(Touch Current)。基於防觸電之點，洩漏電流必須設為由規格所規定之值以下。如專利文獻1之減少流向AC側之尖峰電流之技術，無法充分且有效地減少該洩漏電流。
因此，本技術之目的在於提供一種可減少上述洩漏電流之圖騰柱型單相PFC轉接器。
本技術係一種圖騰柱型單相PFC轉接器，其係於交流電源輸入之極性反轉之時序，於交流電源之2極內，直線狀地控制未連接電感器之低頻側節點電壓。
根據至少一個之實施形態，可藉由直線狀地控制低頻側節點電壓而抑制洩漏電流之峰值。另，此處記載之效果未必為限定者，亦可為本技術 中記載之任一效果或與該等不同之效果。
1:交流電源
2:低頻側節點
3:高頻側節點
4:洩漏電流試驗機
11:開關部
12:變壓器
13:整流部
21:控制器
22:目標波形
23:比較放大器
24:目標波形
C1:電容
C2:電容
C3:電容
C4:電容
Cp:電容
Cy:電容
D1:二極體
D2:二極體
IC1:極性判定電路
Iin:交流電流
L:電感器
PFC:功因改善電路
POL:極性判定信號
Q1:開關元件
Q2:開關元件
Q3:開關元件
Q4:開關元件
Q1_G~Q4_G:閘極驅動信號
Vin:電壓
Vn:低頻側節點電壓
VL:電壓
Vout:電壓
Vx1:傾斜部分
Vx2:傾斜部分
t1:端子
t2:端子
t11:輸出端子
t12:輸出端子
圖1係可應用本技術之圖騰柱型單相PFC轉接器之連接圖。
圖2係用於說明圖騰柱型單相PFC轉接器之問題點之波形圖。
圖3係用於說明圖騰柱型單相PFC轉接器中發生之洩漏電流之連接圖。
圖4係用於說明洩漏電流之波形圖。
圖5係本技術之第1實施形態之連接圖。
圖6A及圖6B係用於說明本技術之第1實施形態之時序圖。
圖7係用於說明本技術之波形圖。
圖8係顯示本技術之第1實施形態之占空比控制之圖表。
圖9A~D係用於說明本技術之第1實施形態之效果之圖表。
圖10係顯示本技術之第1實施形態之一變化例之連接圖。
圖11係用於說明本技術之第1實施形態之另一變化例之的示意圖。
圖12係本技術之第2實施形態之連接圖。
以下，一面參照圖式一邊對本技術之實施形態進行說明。另，說明依以下之順序進行。
<1.先前之圖騰柱型單相PFC轉接器>
<2.第1實施形態>
<3.第2實施形態>
<4.變化例>
以下說明之實施形態等為本技術之較佳之具體例，本技術之內容並非限定於該等實施形態等者。
<1.先前之圖騰柱型單相PFC轉接器>
圖1係顯示先前之圖騰柱型單相PFC轉接器之一例之概略構成。如圖1所示，對交流電源1連接有圖騰柱型單相PFC轉接器(AC-DC轉接器)(以下適當稱為PFC轉接器)，於PFC轉接器連接有絕緣轉接器(DC-DC轉接器)。PFC轉接器具有電感器L、FETQ1、FETQ2、MOSFETQ3、MOSFETQ4及電容C3。FETQ1、、FETQ2、MOSFETQ3及MOSFETQ4為開關元件。對MOSFETQ3並聯地連接有二極體D1及電容C1，對MOSFETQ4並聯地連接有二極體D2及電容C2。自PFC轉接器之輸出側之電容C3之兩端(輸出端子t1及t2)取出電壓Vout。
將FETQ1之汲極連接於端子t1，將FETQ2之源極連接於端子t2，將FETQ1之源極及FETQ2之汲極相互連接。交流電源1之一端經由電感器L連接於FETQ1之源極及FETQ2之汲極之連接點，即高頻側節點2。
MOSFETQ3之汲極與端子t1連接，MOSFETQ3之源極與MOSFETQ4之汲極連接。MOSFETQ4之源極與端子t2連接。交流電源1之另一端連接於MOSFETQ3之源極及MOSFETQ4之汲極之連接點，即低頻側節點3。
絕緣轉接器設為開關電源之構成，且具有開關部11、變壓器12及整流部13，於輸出側之電容C4之兩端連接有輸出端子t11及t12。藉由變壓器12絕緣。電容Cp為存在於變壓器12之1次側與2次側之間之寄生電容。又，於端子t2及輸出端子t12之間，插入有用於減少雜訊之電容Cy。
圖2係分別顯示將交流電源1之電壓設為Vin、MOSFETQ4之汲極及源極間電壓即低頻側節點電壓Vn、及於電感器L流通之交流電流Iin。雖未圖示，但藉由控制器形成各FET之閘極驅動信號。FETQ1及FETQ2根據高頻例如100kHz左右之頻率之開關信號而切換。MOSFETQ3及MOSFETQ4與交流電源1同步切換。
上述之圖騰柱型單相PFC轉接器中，於交流電源輸入之極性反轉時，低頻側之節點電壓(稱為低頻側節點電壓)Vn會變動PFC轉接器之輸出電壓(Vout)量。刻意追加或作為寄生成分而存在於該節點之電容成分(圖1中之C1及C2)所蓄積之電荷被充放電，而如圖2所示，作為尖峰狀之電流流向交流電源側。由於該電流會導致EMI或諧波電流，故於開頭記載之專利文獻1等中，提出減少該電流之方法。即，每當交流輸入之電壓極性反轉時，進行使升壓轉接器開關之接通時比例自零逐漸增加之控制，亦即進行軟啟動控制。
與上述之電流不同，如圖3所示，對設置於PFC轉接器之後段之絕緣轉接器之變壓器之1次2次間電容(Cp)(將PFC轉接器側設為1次、將絕緣轉接器之輸出側設為2次)、或基於EMI對策而刻意設置的1次2次間電容(Cp) 之電容成分施加低頻側節點電壓Vn之變化，藉此使電流流通，如圖4所示般將該電流作為洩漏電流(Touch Current)進行觀測。即，於低頻側節點電壓Vn上升之時點，流通正脈衝狀之洩漏電流，於低頻側節點電壓Vn下降之時點，流通負脈衝狀之洩漏電流。如圖3所示，可藉由洩漏電流試驗機4測定通過浮動電容Cp及電容Cy流通之洩漏電流。先前之減少流向交流電源側之尖峰電流之技術，無法充分且有效地減少該電流。另，MOSFETQ3及Q4係於圖騰柱型PFC中為進一步減少損失而置換整流二極體者。該等MOSFETQ3及Q4包括其等之切換時序在內，與本技術之減少洩漏電流無直接關係。
<2.第1實施形態>
參照圖5對本技術之第1實施形態進行說明。第1實施形態係如下控制者：調整高頻側之FETQ1及Q2之開關之占空比，使低頻側節點電壓Vn之上升波形及下降波形變為直線狀。
對輸入交流電源1連接有極性判定電路IC1。將該判定輸出信號設為POL。對形成對PFC轉接器之開關元件(Q1、Q2、Q3、Q4)之閘極供給之信號的控制器21供給極性判定信號POL。控制器21產生針對FETQ1之閘極驅動信號Q1_G、針對FETQ2之閘極驅動信號Q2_G、針對FETQ3之閘極驅動信號Q3_G、針對FETQ4之閘極驅動信號Q4_G、並對各FET之閘極供給該等信號。當低頻側節點電壓Vn之變化結束時，FETQ1及Q2皆再次啟動切換，而返回至通常之控制。
參照圖6A及圖6B進一步進行說明。圖6B係將被圖6A中之虛線包圍之部分放大顯示者。當控制器21根據極性判定信號POL檢測到交流電源電壓Vin之極性已自正變化為負時，停止閘極驅動信號Q1_G及Q2_G，而將FETQ1及Q2設為斷開(OFF)狀態。以下之說明係Vin之極性自正變化為負時之細節，於自負變化為正之情形時，波形及控制(Q1←→Q2 Q3←→Q4)全部相反。
圖6中，閘極驅動信號Q1_G之切換早於交流電源之極性變化之時序停止的原因在於抑制隨著電感電流之減少，電感電流超過0A，而引起電流逆流之情況之故，與本技術之減少洩漏電流對策無直接關係。然而，於代替如MOSFETQ3及Q4之主動元件而使用二極體之情形時，於電感電流超過0A之時點，低頻側節點電壓Vn開始變化。因此，於本來之VnCTRL期間，為使低頻側節點電壓Vn變化，必須停止閘極驅動信號Q1_G以防止電流逆流。
於該時序至交流電源電壓Vin完全變化結束，即，低頻側節點電壓Vn自0V變化為Vout之控制期間(記述為VnCTRL期間)，僅賦予閘極驅動信號Q1_G而僅切換FETQ1。藉由該動作，包含MOSFETQ3及Q4之寄生電容成分之電容Cp及Cy僅朝一個方向充電及放電，而易於將低頻側節點電壓Vn控制為直線狀。
於VnCTRL期間中，於FETQ1為接通(ON)狀態時，施加於電感器L之電壓VL在VnCTRL期間之開始部分與結束部分不同。再者，由於包含 MOSFETQ3及MOSFETQ4之寄生電容成分之電容C1及C2之電容值有電壓依存性，故即便以單調增加對控制FETQ1之閘極驅動信號Q1_G之占空比進行控制，亦無法使Vn直線狀變化。另，占空比係開關元件為接通狀態之期間相對於接通狀態之期間與斷開狀態之期間之合計的時間幅度之時間比例。
由於洩漏電流之峰值係由變壓器12之1次2次間之寄生電容Cp、施加於寄生電容之電壓之dV/dt(電壓之變化率)之乘積(Cp×dV/dt)決定，故VnCTRL期間之dV/dt固定，即電壓變化越接近直線則洩漏電流成為變化較少之固定值，且峰值變低。
如圖7所示，低頻側節點電壓Vn之變化如較粗之實線所示，於上升及下降急遽之情形時，尖峰狀地發生峰值較大之洩漏電流。另一方面，如虛線所示，於低頻側節點電壓Vn之斜率固定之情形(將該情形稱為直線狀變化)時，如虛線所示，可減小洩漏電流之峰值。
再者，與本技術不同，於使占空比單調增加之情形(專利文獻1記載之控制方法)，如圖7中細線所示，成為低頻側節點電壓Vn之上升較平緩之波形。於該情形時，與急遽變化相比，可減小洩漏電流之峰值。然而，若與以虛線所示之直線狀變化相比，洩漏電流之峰值更大，無法充分地抑制洩漏電流。於時間幅度相等之情形時，由於洩漏電流之面積彼此相等，故峰值以高度較平坦之波形之洩漏電流之峰值為最低。
圖8係顯示用以使低頻側節點電壓Vn直線狀變化之高頻開關信號(針對FETQ1之閘極驅動信號Q1_G)之占空比控制的一例。橫軸表示VnCTRL期間之時間軸，縱軸表示占空比。於VnCTRL期間，占空比整體上為增加之傾向，但並非使其直線增加之控制，且，於一部分期間必須使占空比減少。高頻開關信號之頻率為例如100kHz般較高之頻率，圖8之各點係模式性顯示各脈衝。此種占空比之各值係實驗性而求得，且例如作為表格而為控制器21所具備。
如圖8所示控制占空比之結果，低頻側節點電壓Vn之上升波形如圖9A所示，可設為直線狀。又，如圖9B所示，可減少洩漏電流之峰值。相對於此，如圖9C所示，於以使低頻側節點電壓Vn之上升波形成為平緩之波形之方式控制占空比之情形時，如圖9D所示，無法充分地減小洩漏電流。如圖9C所示，將上升波形控制為平緩之方式係例如開頭列舉之專利文獻1所記載者。根據本技術，有可防止過大之突波電流於輸入電壓之零交叉點中流向電感器，且有抑制洩漏電流之效果。
[第1實施形態之一變化例]
第1實施形態中係以使低頻側節點電壓Vn直線變化之方式控制FETQ1之開關的占空比者。如圖10所示，對控制器21反饋低頻側節點電壓Vn。對控制器21，供給上升波形及下降波形為直線性之目標波形(成為目標之直線基準信號)22。控制器21中以具備消除反饋之低頻側節點電壓Vn與目標波形之差異之占空比的方式形成FETQ1之閘極驅動信號Q1_G。例如，根據反饋之低頻側節點電壓Vn與目標波形之差異之極性與程度控 制閘極驅動信號Q1_G之占空比。另，雖於圖10顯示二極體D1及D2，但使存在於MOSFETQ3及MISFETQ4各者之汲極及源極間之寄生二極體作為該等二極體發揮功能。
[第1實施形態之其他變化例]
第1實施形態係於VnCTRL期間直線狀控制低頻側節點電壓Vn者。於進行該控制之VnCTRL期間，較佳將高頻開關之頻率設為與除此以外之期間相比更高者。關於該點，參照圖11進行說明。圖11係概略性顯示VnCTRL期間之低頻側節點電壓Vn之變化。顯示開關頻率較高時之低頻側節點電壓Vn之傾斜部分Vx1與開關頻率較低時之低頻側節點電壓Vn之傾斜部分Vx2。若比較兩者之電壓變化，則開關頻率較高時可獲得更順利之電壓變化。
<3.第2實施形態>
本技術不限於控制高頻開關之占空比之方式，如圖12所示，亦可直接控制低頻側節點電壓Vn。對線性放大器23供給低頻側節點電壓Vn與上升波形及下降波形為直線性之目標波形(成為目標之直線基準信號)24。以消除低頻側節點電壓Vn與目標波形24之差異之方式，藉由線性放大器23之輸出使低頻側節點之電容成分充放電。可藉由此種控制使洩漏電流減少。
<4.變化例>
以上，已對本技術之一實施形態具體地進行說明，但本技術並非限 定於上述之一實施形態者，可有基於本技術之技術思想之各種變化。又，上述實施形態中列舉之構成、方法、步驟、形狀、材料及數值等僅為一例，可視需要而使用與此不同之構成、方法、步驟、形狀、材料及數值等。
另，本技術可採取如下之構成。
(1)
一種圖騰柱型單相PFC轉接器，其係於交流電源輸入之極性反轉之時序，於交流電源之2極內，直線狀控制未連接電感器之低頻側節點電壓。
(2)
如(1)記載之圖騰柱型單相PFC轉接器，其中對輸出段連接有絕緣轉接器。
(3)
如(1)或(2)記載之圖騰柱型單相PFC轉接器，其藉由控制連接有上述電感器之高頻開關側半橋之開關占空比，而直線狀控制上述低頻側節點電壓。
(4)
如(3)記載之圖騰柱型單相PFC轉接器，其控制上述高頻開關側半橋之一開關元件之開關占空比。
(5)
如(1)至(4)中任一項記載之圖騰柱型單相PFC轉接器，其使用主動器件作為未連接上述電感器之低頻側整流元件，以上述低頻側節點電壓與成 為目標之直線基準信號相等之方式控制上述主動器件，而直線狀控制上述低頻側節點電壓。
(6)
如(1)記載之圖騰柱型單相PFC轉接器，其中設置使上述低頻側節點之電容成分充放電之線性放大器，以上述低頻側節點電壓與成為目標之直線基準信號相等之方式控制上述線性放大器，而直線狀控制上述低頻側節點電壓。
1:交流電源
2:高頻側節點
3:低頻側節點
21:控制器
C1:電容
C2:電容
C3:電容
D1:二極體
D2:二極體
IC1:極性判定電路
POL:極性判定信號
Q1:開關元件
Q2:開關元件
Q3:開關元件
Q4:開關元件
Q1_G~Q4_G:閘極驅動信號
Vin:電壓
VL:電壓
Vout:電壓
t1:端子
t2:端子

Claims (9)

  1. 一種圖騰柱型單相PFC轉接器，其係於交流電源輸入之極性反轉之時序，於交流電源之2極內，直線狀控制未連接電感器之低頻側節點電壓；其中使用主動器件作為未連接上述電感器之低頻側整流元件，以上述低頻側節點電壓與成為目標之直線基準信號相等之方式控制上述主動器件，而直線狀控制上述低頻側節點電壓。
  2. 如請求項1之圖騰柱型單相PFC轉接器，其中對輸出段連接有絕緣轉接器。
  3. 如請求項1之圖騰柱型單相PFC轉接器，其藉由控制連接有上述電感器之高頻開關側半橋之開關占空比，而直線狀控制上述低頻側節點電壓。
  4. 如請求項3之圖騰柱型單相PFC轉接器，其控制上述高頻開關側半橋之一開關元件之開關占空比。
  5. 一種圖騰柱型單相PFC轉接器，其係於交流電源輸入之極性反轉之時序，於交流電源之2極內，直線狀控制未連接電感器之低頻側節點電壓；其中設置將上述低頻側節點之電容成分充放電之線性放大器，以上述低頻側節點電壓與成為目標之直線基準信號相等之方式控制上述線性放大 器，而直線狀控制上述低頻側節點電壓。
  6. 如請求項5之圖騰柱型單相PFC轉接器，其中對輸出段連接有絕緣轉接器。
  7. 如請求項5之圖騰柱型單相PFC轉接器，其藉由控制連接有上述電感器之高頻開關側半橋之開關占空比，而直線狀控制上述低頻側節點電壓。
  8. 如請求項7之圖騰柱型單相PFC轉接器，其控制上述高頻開關側半橋之一開關元件之開關占空比。
  9. 如請求項5之圖騰柱型單相PFC轉接器，其使用主動器件作為未連接上述電感器之低頻側整流元件。
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