1 引言
隨著電力電子技術的發展，越來越多的電力電子設備接入電網運行，電網諧波電流問題越來越嚴重。諧波電流不僅引起變壓器供電線路以及中線過熱，而且產生較強的電磁干擾，影響其它電子設備的正常運行。為此，世界各國都制定了相應的標準限制電網中的諧波電流[1]-[5]。許多專家學者對諧波電流的發生原理及其抑制做了大量的研究，促進了pfc技術的快速發展。其中單相有源pfc技術逐漸成熟, 特別是boost型pfc得到了廣泛應用。傳統的boost型pfc輸出電壓恒定，升壓電感和功率器件的體積和損耗較大。電壓跟隨式pfc的輸出電壓隨著輸入電壓和輸出功率的變化而變化，其升壓電感和功率器件的體積和損耗大大降低。本文分析了跟隨式pfc的工作原理，并在此基礎上進行了仿真分析和實驗，給出仿真和實驗結果。
2 電壓跟隨式pfc的工作原理
圖1 跟隨式pfc變換器的控制原理
圖1給出了電壓跟隨式pfc的控制原理圖。功率電路由單相橋式整流器、boost dc-dc變換器組成；控制電路包括鋸齒波發生器、輸出電壓反饋調節器m1、電感電流參考信號vm調制器m2等。與傳統pfc相比，跟隨式pfc少了電壓誤差放大器，多了一個輸出電壓反饋調節器，這是因為跟隨式pfc無需將輸出電壓控制在一個恒定的值。
圖1電路的工作原理是：輸出電壓反饋調節器控制pfc的工作狀態。其中iref為一電流參考量，它與rfb共同決定了pfc的最大輸出電壓。當輸出電壓的反饋量ifb小于96%iref時，調節器輸出一個恒定的值icontral，此時pfc工作在電壓跟隨狀態；當ifb介于96%iref與ifb之間時，調節器的輸出隨著ifb的增大逐漸減小到零，pfc工作在恒定輸出狀態；當ifb大于iref時調節器的輸出為零時，pfc停止工作。電感電流il經過檢測、濾波，得到與其平均值成正比的直流量is，vs為整流后的輸入電壓vin(一個周期內為雙半波正弦)的檢測值。is、vs以及icontral一起送入調制器m2得到電感電流的參考信號vm，vm與鋸齒波vramp疊加以后與參考電壓vref進行比較，產生pwm波(圖2)。電感電流參考信號vm的波形與vin的波形相同，從而控制電感電流il跟蹤整流電壓vin的波形。
圖2 pwm波產生原理
鋸齒波的峰值電壓vramp_p滿足：
vramp_p=vref=kt （1）
其中k為鋸齒波斜率，在t1時刻vref、vm和vramp有以下關系：
vm+vramp=vm+kt1=vref （2）
由（1）、（2）可得： 
（3）
又根據vs=k1vin，is=k2il，其中k1,k2為比例系數，由調制器m2可以得到： 
（4）
與傳統pfc一樣，跟隨式pfc的輸出電壓與輸入電壓之間的關系滿足下面關系： 
（5）
其中t為開關周期，t1為可開關管導通時間。
由（3）、（4）、（5）式可以得到： 
（6）
電壓跟隨式pfc工作時，電路的輸入功率因數近似為1。輸入電流中包含的少量高頻成分，用一個很小的濾波電容或利用輸入端的emi濾波器就可以將其濾除，最終得到的輸入電流iac近似為正弦波。此時pfc電路等效為一個純阻性負載，輸入端阻抗zin近似為一個定值： 
（7）
因為il≈iac，
，所以： 
（8）
電壓跟隨式pfc的輸入功率pin與輸出功率pout分別為： 
（9） 
（10）
由式（10）可以看出：當跟隨式pfc的輸出功率一定時，其輸出電壓與輸入電壓成正比；當跟隨式pfc的輸入電壓一定時，其輸出電壓與輸出功率成反比。相對于恒壓輸出模式，電壓跟隨模式可以大大降低升壓電感和功率器件的體積和損耗。
3 仿真與實驗結果
3.1 仿真結果
根據電壓跟隨式pfc的工作原理，利用simubbbb7.0對其控制算法進行仿真，仿真波形如圖3、4所示，其中圖3是輸入電壓為220v時輸入電流，圖4是輸出電壓波形,圖5是調制信號vm的波形。
圖3 輸入電壓與濾波后的輸入電流波形
圖4 輸出電壓的波形
圖5 調制信號 的波形
圖6 輸入電流的頻譜圖
由圖3可以看出輸入電流近似為正弦波形，對其進行fft分析（圖6），可以看到輸入電流的thd僅為3.85%，諧波成分主要為3次諧波，校正效果已經非常好。輸出電壓紋波的峰—峰值為15v，紋波較大。
3.2 實驗結果
利用專用芯片ncp1653搭建實驗電路，驗證跟隨式pfc的實際校正效果。ncp1653是安美森公司生產的一種boost有源pfc專用控制芯片，工作模式為連續導電模式，可以采用兩種控制方式：平均電流控制方式和峰值電流控制方式，實現的功能包括欠壓閉鎖、過壓保護、過流保護、上電軟啟動等。值得注意的是，它可以工作在升壓跟隨模式，也可以工作在恒壓輸出模式，開關頻率為100khz。實驗電路的主要參數：升壓電感680μh,電解電容100μf，輸出功率225w。其它參數設置參考文獻[7]。
圖7～圖9給出了實驗結果，輸入電流通過電流互感器測得，原、副邊匝數比為2∶3，由于實驗測量儀器不是十分精確，實測數值與理論值存在一定偏差。
圖7 pfc未工作時輸入電壓與輸入電流波形
圖8 pfc工作時輸入電壓與輸入電流波形
圖9 pfc輸出電壓波形
從實驗波形可以看出:pfc工作后輸入電流波形已經得到大大改善，非常接近正弦波，輸入功率因數在0.98以上，輸出電壓紋波幅值為10v左右，說明跟隨式pfc的功率因數校正效果良好。
：鞏經理
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