图腾柱型单相PFC转换器

技术领域

本技术涉及能够减小漏电流(触摸电流)的图腾柱型单相PFC转换器。

背景技术

传统上，在连接到AC输入的开关电源中，为了提高输入电流的功率因数并抑制谐波电流，使用PFC(功率因数校正)转换器。PFC转换器采用在用二极管桥将AC电压整流成正电压之后使用升压转换器(升压型转换器)的配置。然而，由于整流桥的二极管上的损耗致使效率下降，因此已经提出了其中省略了整流桥的无桥型PFC转换器。

图腾柱型单相PFC转换器的问题在于，过大的浪涌电流在输入电压的过零点处流过电感器，因此，在输入电流和输入电压中发生浪涌。另外，这样的浪涌电流和浪涌电压增加EMI(电磁干扰)噪声形式的转换器中的噪声以及谐波电流。

例如，PTL 1公开了通过防止输入电压的过零点附近的浪涌电流来实现噪声减少和效率提高。

[引用列表]

[专利文献]

[PTL 1]

JP 2012-070490A

发明内容

[技术问题]

除了上述浪涌电流之外，在将PFC转换器与绝缘转换器彼此连接的配置中，识别到从绝缘转换器的输出侧流向PFC转换器的输入侧的漏电流(触摸电流)的发生。从防止触电的角度出发，漏电流必须被保持在等于或低于由标准规定的值。如PTL 1中所述，利用用于减少流向AC侧的尖峰电流的技术，并不能充分且有效地减少漏电流。

考虑到这一点，本技术的目的是提供能够减少这样的漏电流的图腾柱型单相PFC转换器。

[问题的解决方案]

本技术是在AC电源的输入的极性被反转的时刻将AC电源的两个极中未连接电感器的低频侧节点电压控制为线性形状的图腾柱型单相PFC转换器。

[本发明的有利效果]

根据至少一个实施例，可以通过将低频侧节点电压控制为线性形状来抑制漏电流的峰值。应该注意的是，上述的有利效果不必是限制性的，本技术中描述的有利效果或与其不同的有利效果中的任何效果都可以应用。

附图说明

[图1]

图1是可以向其应用本技术的图腾柱型单相PFC转换器的连接图。

[图2]

图2是用于说明图腾柱型单相PFC转换器的问题的波形图。

[图3]

图3是用于说明图腾柱型单相PFC转换器中发生的漏电流的连接图。

[图4]

图4是用于说明漏电流的波形图。

[图5]

图5是本技术的第一实施例的连接图。

[图6]

图6A和图6B是用于说明本技术的第一实施例的时序图。

[图7]

图7是用于说明本技术的波形图。

[图8]

图8是示出本技术的第一实施例的占空比控制的图形。

[图9]

图9是用于说明本技术的第一实施例的有利效果的图形。

[图10]

图10是示出本技术的第一实施例的修改例的连接图。

[图11]

图11是用于说明本技术的第一实施例的另一修改例的示意图。

[图12]

图12是本技术的第二实施例的连接图。

具体实施方式

下文中，将参照附图描述本技术的实施例等。将按以下次序给出描述。

<1.传统图腾柱型单相PFC转换器>

<2.第一实施例>

<3.第二实施例>

<4.修改例>

要理解的是，下面要描述的实施例等是本技术的优选具体示例，并且本技术的内容不限于实施例等。

<1.传统图腾柱型单相PFC转换器>

图1示出了传统图腾柱型单相PFC转换器的示例的示意性配置。如图1中所示，图腾柱型单相PFC转换器(AC-DC转换器)(下文中，适当时被称为PFC转换器)被连接到AC电源1，并且绝缘转换器(DC-DC转换器)被连接到PFC转换器。PFC转换器具有电感器L、FET Q1、FETQ2、MOSFET Q3、MOSFET Q4和电容C3。FET Q1、FET Q2、MOSFET Q3和MOSFET Q4是开关元件。二极管D1和电容C1并联连接到MOSFET Q3，并且二极管D2和电容C2并联连接到MOSFET Q4。从PFC转换器的输出侧电容C3的两个端子(输出端子t1和t2)提取(draw)电压Vout。

FET Q1的漏极被连接到端子t1，FET Q2的源极被连接到端子t2，并且FET Q1的源极与FET Q2的漏极彼此连接。AC电源1的一个端子经由电感器L连接到FET Q1的源极与FETQ2的漏极的结点，或换言之，高频侧节点2。

MOSFET Q3的漏极被连接到端子t1，并且MOSFET Q3的源极被连接到MOSFET Q4的漏极。MOSFET Q4的源极被连接到端子t2。AC电源1的另一个端子被连接到MOSFET Q3的源极与MOSFET Q4的漏极的结点，或换言之，低频侧节点3。

绝缘转换器采用开关电源的配置，并且具有开关单元11、变压器12和整流单元13，并且输出端子t11和t12被连接到输出侧电容C4的两个端子。通过变压器12实现隔离。电容Cp是存在于变压器12的初级绕组侧和次级绕组侧之间的杂散(stray)电容。另外，在端子t2和输出端子t12之间插入用于降低噪声的电容Cy。

图2分别示出了AC电源1的电压Vin、MOSFET Q4的漏极和源极之间的电压(或换言之，低频侧节点电压Vn)以及流过电感器L的AC电流Iin。尽管未图示，但每个FET的栅极驱动信号是由控制器形成的。FET Q1与FET Q2之间的切换是由具有高频(诸如约100kHz的频率)的开关信号来执行的。MOSFET Q3与MOSFET Q4之间的切换与AC电源1同步地执行。

在上述的图腾柱型单相PFC转换器中，当AC电源的输入的极性被反转时，低频侧的节点电压(被称为低频侧节点电压)Vn因PFC转换器的输出电压(Vout)而波动。储存在作为附加或寄生分量存在的电容分量(图1中的C1和C2)中的电荷被有意地充电或放电至该节点，并且作为尖峰状电流朝向AC电源的一侧流动，如图2中所示。由于电流引起EMI和谐波电流，因此在本说明书的开头处描述的PTL1等中提出了减小该电流的方法。具体地，每当AC输入的电压极性被反转时，执行用于从零开始逐渐增加升压型转换器切换的导通时间比的控制，或换言之，执行软启动控制。

除了上述电流之外，如图3所示，由于被施加到安装在PFC转换器的后级的绝缘转换器的变压器的初级绕组和次级绕组(PFC转换器侧被假定为初级绕组侧而绝缘转换器的输出侧被假定为次级绕组侧)之间的电容(Cp)或者作为EMI对策被有意提供的初级和次级绕组之间的电容(Cp)的电容分量的低频侧节点电压Vn的变化，导致有电流流动，并且如图4中所示该电流被观察为漏电流(触摸电流)。换言之，在低频侧节点电压Vn的上升时间点处有正脉冲状漏电流流动，并且在低频侧节点电压Vn的下降时间点处有负脉冲状漏电流流动。如图3中所示，流过杂散电容Cp和电容Cy的漏电流可以由漏电流测试仪4测量。利用用于减小流向AC电源侧的尖峰电流的传统技术不能充分且有效地减小该电流。应该注意的是，MOSFET Q3和Q4取代了图腾柱PFC中的整流二极管，以便进一步降低损耗。MOSFET Q3和Q4连同其开关时刻与根据本技术的漏电流减小没有直接关系。

<2.第一实施例>

将参照图5描述本技术的第一实施例。第一实施例涉及调整高频侧的FET Q1和Q2的开关占空比，使得低频侧节点电压Vn的上升波形和下降波形被控制为线性形状。

极性确定电路IC1被连接到输入AC电源1。其确定输出信号由POL表示。极性确定信号POL被供应到控制器21，控制器21形成要被供应到PFC转换器的开关元件(Q1、Q2、Q3和Q4)的栅极的信号。控制器21生成相对于FET Q1的栅极驱动信号Q1_G、相对于FET Q2的栅极驱动信号Q2_G、相对于FET Q3的栅极驱动信号Q3_G以及相对于FET Q4的栅极驱动信号Q4_G，并且向相应FET的栅极供应这些信号。当低频侧节点电压Vn的变化结束时，FET Q1和Q2二者重新启动开关并返回正常控制。

现在，将参照图6A和图6B给出其它描述。图6B示出了由图6A中的虚线包围的部分的放大。当控制器21基于极性确定信号POL检测到AC电源电压Vin的极性已经从正变为负时，控制器21停止栅极驱动信号Q1_G和Q2_G并且将FET Q1和Q2置于截止状态。尽管以下描述提供了Vin的极性从正变为负的情况的细节，但当Vin的极性从负变为正时，所有波形和控制都要被反转(Q1←→Q2Q3←→Q4)。

在图6中，栅极驱动信号Q1_G的开关早于AC电源的极性变化的时刻停止，以便抑制电感器电流的减小导致电感器电流超过0A并反向流动的情形，并且与根据本技术的减小漏电流的对策没有直接关系。然而，当使用二极管代替诸如MOSFET Q3和Q4之类的有源元件时，一旦电感器超过0A，低频侧节点电压Vn就开始变化。因此，为了导致低频侧节点电压Vn在原始的Vn CTRL时段中变化，必须停止栅极驱动信号Q1_G并且必须防止电流反向流动。

在从该时刻开始直到AC电源电压Vin完成其变化为止的时段中，或者换言之，在低频侧节点电压Vn从0V变为Vout的控制时段(被称为Vn CTRL时段)中，只供应栅极驱动信号Q1_G并且只切换FET Q1。由于该操作，包括MOSFET Q3和Q4的寄生电容分量的电容Cp和Cy仅在一个方向上被充电和放电，从而有助于控制低频侧节点电压Vn为线性形状。

在Vn CTRL时段中，当FET Q1处于导通状态时，施加到电感器L的电压VL在Vn CTRL时段的开始部分和结束部分是不同的。此外，由于包括MOSFET Q3和MOSFET Q4的寄生电容分量的电容C1和C2的电容值的电压相关性，即使在对FET Q1进行控制的栅极驱动信号Q1_G的占空比被控制从而单调增加时，也不能导致Vn以线性形状变化。在这种情况下，占空比是开关元件处于导通状态的时段的持续时间与开关元件处于导通状态和截止状态的时段的总持续时间之比。

由于漏电流的峰值是由变压器12的初级绕组和次级绕组之间的杂散电容Cp与施加到杂散电容的电压的dV/dt(电压的变化速率)的乘积(Cp×dV/dt)来确定的，因此VnCTRL时段中的dV/dt越接近恒定(或者换言之，电压变化越接近直线)，漏电流越接近变化很小的恒定值，并且峰值越低。

如图7中所示，如表示低频侧节点电压Vn变化的粗实线所指示的，当上升和下降急速时，发生具有大峰值的尖峰状漏电流。另一方面，如虚线所指示的，当低频侧节点电压Vn的斜率恒定(该情况将被称为线性形状变化)时，如虚线所指示，可以使漏电流的峰值更小。

此外，当占空比单调增加时(PTL 1中描述的控制方法)，这表示偏离了本技术，如图7中的细线所指示，低频侧节点电压Vn具有钝上升(blunt rise)的波形。在这种情况下，与急速变化相比，可以使漏电流的峰值更小。然而，与虚线所指示的线性形状变化相比，漏电流的峰值更大，并且不能充分抑制漏电流。当持续时间相同时，由于漏电流的面积也相同，因此具有高度方向上平坦的波形的漏电流将具有最小的峰值。

图8示出了用于导致低频侧节点电压Vn以线性形状变化的高频开关信号(相对于FET Q1的栅极驱动信号Q1_G)的占空比控制的示例。横坐标表示Vn CTRL时段的时间轴而纵坐标表示占空比。在Vn CTRL时段中，尽管占空比总体上趋于增加，但并未控制占空比以线性增加，并且在一些时段中还必须减小占空比。高频开关信号的频率是诸如100kHz之类的高频，并且图8中的每个点示意性指示每个脉冲。该占空比的每个值是根据经验获得的，并将其作为表格提供在例如控制器21中。

作为如图8中所示的控制占空比的结果，如图9的A中所示，低频侧节点电压Vn的上升的波形可以被给以线性形状。另外，如图9的B中所示，漏电流的峰可以被降低。相比之下，当控制占空比使得低频侧节点电压Vn的上升的波形变为如图9的C中所示的平缓波形时，如9的D中所示，漏电流不能被充分减小。例如，在本说明书的开头处已经提到的PTL 1中描述了控制上升波形如图9的C中所示变为平缓的方法。根据本技术，可以防止过量的浪涌电流在输入电压的过零点处流过电感器，并且同时产生了抑制漏电流的效果。

“第一实施例的修改例”

在第一实施例中，控制FET Q1的开关占空比，从而导致低频侧节点电压Vn线性变化。如图10中所示，低频侧节点电压Vn被反馈回控制器21。控制器21被供应以目标波形(将作为目标的线性基准信号)22，在该目标波形22中上升波形和下降波形是线性的。在控制器21中，FET Q1的栅极驱动信号Q1_G被形成以至于具有消除被反馈的低频侧节点电压Vn与目标波形之间的差值的占空比。例如，根据被反馈的低频侧节点电压Vn与目标波形之间的差值的极性和电平来控制栅极驱动信号Q1_G的占空比。尽管在图10中未示出二极管D1和D2，但是存在于MOSFET Q3和MOSFET Q4相应的漏极和源极之间的寄生二极管用作二极管D1和D2。

“第一实施例的另一个修改例”

第一实施例在Vn CTRL时段中控制低频侧节点电压Vn为线性形状。在要执行控制的Vn CTRL时段中，与其它时段相比，将高频切换的频率优选地设置得更高。现在，将参照图11来说明这一点。图11示意性示出了在Vn CTRL时段中低频侧节点电压Vn的变化。图11示出了当开关频率高时低频侧节点电压Vn的倾斜部分Vx1和当开关频率低时低频侧节点电压Vn的倾斜部分Vx2。两种情况下电压变化的比较表明在开关频率高时可以获得更平滑的电压变化。

<3.第二实施例>

本技术不限于控制高频开关的占空比的方法，并且如图12中所示，可以直接控制低频侧节点电压Vn。线性放大器23被供应以低频侧节点电压Vn和目标波形(要作为目标的线性基准信号)24，在该目标波形24中上升波形和下降波形是线性的。利用线性放大器23的输出对低频侧节点的电容分量进行充电或放电，以至于消除低频侧节点电压Vn与目标波形24之间的差值。这样的控制使得漏电流能够减小。

<4.修改例>

尽管已经具体描述了本技术的实施例，但是要理解的是，本技术不限于上述实施例，并且基于本技术的技术思路可以进行各种修改。上述实施例中存在的配置、方法、步骤、形状、材料、数值等仅仅是示例，并且在必要时，可以使用不同的配置、方法、步骤、形状、材料、数值等。

本技术还可以如下地配置。

(1)一种图腾柱型单相PFC转换器，其中，在所述图腾柱型单相PFC转换器中，

AC电源的两个极中未连接电感器的低频侧节点电压被配置为在AC电源的输入的极性被反转的时刻受到线性控制。

(2)根据(1)所述的图腾柱型单相PFC转换器，其中，绝缘转换器被连接到输出级。

(3)根据(1)或(2)所述的图腾柱型单相PFC转换器，其中，低频侧节点电压被配置为通过控制连接有电感器的高频开关侧半桥的开关占空比而受到线性控制。

(4)根据(3)所述的图腾柱型单相PFC转换器，其中，高频开关侧半桥的一个开关元件的开关占空比被配置为受到控制。

(5)根据(1)至(4)中任一项所述的图腾柱型单相PFC转换器，其中，使用有源器件作为未连接电感器的低频侧整流元件，并且低频侧节点电压被配置为通过控制有源器件使得低频侧节点电压与要成为目标的线性基准信号彼此相等而受到线性控制。

(6)根据(1)所述的图腾柱型单相PFC转换器，其中，设有被配置为对低频侧节点的电容分量进行充电和放电的线性放大器，并且低频侧节点电压被配置为通过控制线性放大器使得低频侧节点电压与要成为目标的线性基准信号彼此相等而受到线性控制。

[参考符号列表]

1 AC 电源

2 低频侧节点

3 高频侧节点

21 控制器

22、24 目标波形

23 比较放大器