單周期控制：?jiǎn)蜗鄡杉?jí)有源功率因數(shù)校正器設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化研究一、引言1.1研究背景與意義隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在工業(yè)、交通、通信以及日常生活中的應(yīng)用日益廣泛。這些裝置多數(shù)通過整流器與電網(wǎng)接口，而經(jīng)典的整流器通常由二極管或晶閘管組成，屬于非線性電路，在運(yùn)行過程中會(huì)向電網(wǎng)注入大量的電流諧波和無功功率，對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重的諧波污染，成為電力公害。據(jù)相關(guān)研究表明，在一些工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，電網(wǎng)中的諧波含量已經(jīng)超過了國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了極大的威脅。諧波污染對(duì)電力系統(tǒng)和用電設(shè)備有著諸多負(fù)面影響。在電力系統(tǒng)中，諧波會(huì)導(dǎo)致電能的生產(chǎn)、傳輸和利用效率降低。例如，諧波電流會(huì)使輸電線路的電阻損耗增加，據(jù)計(jì)算，當(dāng)諧波含量達(dá)到一定程度時(shí)，輸電線路的損耗可增加20%-30%，同時(shí)還會(huì)引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量進(jìn)一步放大，從而造成電容器等設(shè)備燒毀。對(duì)用電設(shè)備而言，諧波會(huì)使電氣設(shè)備過熱，如變壓器的銅耗和鐵耗因諧波而顯著增加，導(dǎo)致變壓器溫度升高，壽命縮短；還會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，干擾設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至引發(fā)故障，像電動(dòng)機(jī)在諧波環(huán)境下運(yùn)行，其出力會(huì)降低，效率下降，嚴(yán)重時(shí)可能無法正常工作。功率因數(shù)作為衡量電力系統(tǒng)中電能有效利用程度的重要指標(biāo)，對(duì)節(jié)能和電網(wǎng)穩(wěn)定起著關(guān)鍵作用。低功率因數(shù)意味著負(fù)載消耗的有功功率相對(duì)視在功率較小，大量的無功功率在電網(wǎng)中傳輸，這不僅增加了電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致電壓波動(dòng)和線路損耗增大，還會(huì)降低設(shè)備的效率，造成能源的浪費(fèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在一些功率因數(shù)較低的工業(yè)企業(yè)中，其電力成本相比功率因數(shù)較高的企業(yè)要高出15%-20%。為了解決諧波污染和提高功率因數(shù)的問題，有源功率因數(shù)校正（APFC）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。APFC技術(shù)通過在整流橋和濾波電容之間加入一級(jí)功率變換電路，使輸入電流正弦化，從而有效提高功率因數(shù)，減少諧波含量。目前，APFC技術(shù)主要有兩級(jí)PFC和單級(jí)PFC兩種方案。兩級(jí)PFC方案將PFC級(jí)輸出端與DC/DC變換器相串聯(lián)，雖然能夠較好地實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正和輸出電壓調(diào)節(jié)的功能，但由于采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，電路復(fù)雜，裝置費(fèi)用高，效率低，在小功率應(yīng)用場(chǎng)合存在明顯的局限性。而單級(jí)PFC方案將PFC級(jí)和DC/DC級(jí)組合在一起，共用一個(gè)開關(guān)管和一套控制電路，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電流的整形和對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)，具有控制電路簡(jiǎn)單、成本低、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，在中小功率場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。在單級(jí)PFC技術(shù)中，單周期控制技術(shù)（One-CycleControl，OCC）以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)受到了廣泛關(guān)注。單周期控制是一種新型的非線性控制方法，其基本思想是在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)強(qiáng)迫開關(guān)變量的平均值成正比于或等于控制參考量。這種控制技術(shù)具有響應(yīng)快的特點(diǎn)，能夠快速跟蹤輸入信號(hào)的變化，當(dāng)輸入電壓或負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，單周期控制的PFC電路能夠在極短的時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)，使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定；抑制輸入和負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng)，有效抵制電源側(cè)和負(fù)載的擾動(dòng)，即使在復(fù)雜的電網(wǎng)環(huán)境下，也能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；無穩(wěn)態(tài)誤差和瞬態(tài)誤差，確保系統(tǒng)的輸出精度，為對(duì)電能質(zhì)量要求較高的設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的電源。此外，單周期控制技術(shù)無需傳統(tǒng)PFC芯片所需的模擬放大器、輸入電壓采樣以及固定的三角波振蕩器，大大簡(jiǎn)化了PFC電路的設(shè)計(jì)，縮小了裝置體積，降低了成本，為電源PFC級(jí)提供了簡(jiǎn)便、靈活、高密度的解決方案。單周期控制技術(shù)在電力電子領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景，除了在有源功率因數(shù)校正中發(fā)揮重要作用外，還在有源電力濾波器、DC-DC變換器、靜止無功發(fā)生器、開關(guān)功率放大器以及均流技術(shù)等方面得到了應(yīng)用。在有源電力濾波器中，單周期控制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)諧波電流的快速準(zhǔn)確檢測(cè)和補(bǔ)償，有效改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量；在DC-DC變換器中，可提高變換器的效率和動(dòng)態(tài)性能；在靜止無功發(fā)生器中，有助于實(shí)現(xiàn)無功功率的快速調(diào)節(jié)，增強(qiáng)電網(wǎng)的穩(wěn)定性。綜上所述，對(duì)單周期控制單相兩級(jí)有源功率因數(shù)校正器的研究具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。通過深入研究該技術(shù)，可以進(jìn)一步提高功率因數(shù)校正器的性能，降低諧波污染，提高電能利用效率，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和節(jié)能降耗做出貢獻(xiàn)。同時(shí)，隨著對(duì)能源效率和環(huán)境保護(hù)的要求越來越高，該技術(shù)的研究成果也將為新能源開發(fā)、智能電網(wǎng)建設(shè)等領(lǐng)域提供有力的技術(shù)支持。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在功率因數(shù)校正器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。早期的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要集中在基本的DC-DC變換器，如Buck、Boost、Buck-Boost等，通過對(duì)這些基本拓?fù)涞母倪M(jìn)和組合，來實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正的功能。隨著技術(shù)的發(fā)展，一些新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，如交錯(cuò)并聯(lián)BoostPFC變換器，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過將多個(gè)Boost變換器并聯(lián)運(yùn)行，有效地減小了輸入電流的紋波，提高了系統(tǒng)的功率密度和效率。在中小功率場(chǎng)合，單級(jí)PFC拓?fù)湟蚱浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛關(guān)注，常見的單級(jí)PFC拓?fù)溆蟹醇な?、正激式、SEPIC等，它們?cè)趯?shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正的同時(shí)，還能完成電壓變換的功能。在單周期控制技術(shù)研究方面，國外起步較早。1990年，K.M.Smedley和SlobodanCuk首次提出了開關(guān)變換器的單周期控制概念，并在buck變換器中進(jìn)行了驗(yàn)證，此后單周期控制技術(shù)逐漸發(fā)展成熟。在有源功率因數(shù)校正領(lǐng)域，國外學(xué)者對(duì)單周期控制的PFC電路進(jìn)行了深入研究，如IR公司推出的基于單周期控制的PFC芯片IR1150S，該芯片無需傳統(tǒng)PFC芯片所需的模擬放大器、輸入電壓采樣以及固定的三角波振蕩器，大大簡(jiǎn)化了PFC電路的設(shè)計(jì)。一些研究還將單周期控制技術(shù)應(yīng)用于三相PFC電路中，通過對(duì)三相輸入電流的控制，實(shí)現(xiàn)了更高功率等級(jí)下的功率因數(shù)校正。國內(nèi)對(duì)功率因數(shù)校正器和單周期控制技術(shù)的研究也取得了不少成果。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究上，國內(nèi)學(xué)者針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，提出了多種改進(jìn)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以滿足對(duì)效率、功率密度、成本等方面的不同需求。在單周期控制技術(shù)方面，國內(nèi)研究主要集中在對(duì)單周期控制原理的深入分析、控制算法的優(yōu)化以及在不同電力電子裝置中的應(yīng)用拓展。例如，有研究通過對(duì)單周期控制算法的改進(jìn)，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和抗干擾能力；還有研究將單周期控制技術(shù)應(yīng)用于光伏逆變器中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光伏電池輸出功率的有效控制和功率因數(shù)校正。然而，當(dāng)前的研究仍存在一些不足和空白。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，雖然已有多種拓?fù)淇晒┻x擇，但在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，如對(duì)效率和功率密度要求極高的航空航天領(lǐng)域，現(xiàn)有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還難以完全滿足需求，需要進(jìn)一步研究開發(fā)新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在單周期控制技術(shù)方面，雖然該技術(shù)在理論上具有諸多優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于受到電路參數(shù)變化、開關(guān)器件非線性等因素的影響，其性能的穩(wěn)定性和可靠性還有待進(jìn)一步提高。對(duì)于多電平變換器等復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，單周期控制技術(shù)的應(yīng)用研究還相對(duì)較少，需要進(jìn)一步探索合適的控制策略和方法。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本文旨在設(shè)計(jì)一種單周期控制單相兩級(jí)有源功率因數(shù)校正器，通過深入研究單周期控制技術(shù)和功率因數(shù)校正器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高功率因數(shù)校正器的性能，降低諧波污染，提高電能利用效率。具體研究?jī)?nèi)容包括：理論分析：深入研究單周期控制技術(shù)的基本原理和控制機(jī)理，分析其在功率因數(shù)校正中的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用特點(diǎn)。對(duì)單周期控制的單相兩級(jí)有源功率因數(shù)校正器的工作原理進(jìn)行詳細(xì)剖析，包括電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作模式、能量轉(zhuǎn)換過程等，為后續(xù)的電路設(shè)計(jì)和性能分析提供理論基礎(chǔ)。研究功率因數(shù)校正器的性能指標(biāo)，如功率因數(shù)、諧波含量、效率等，分析影響這些指標(biāo)的因素，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供方向。電路設(shè)計(jì)：根據(jù)理論分析結(jié)果，設(shè)計(jì)單周期控制單相兩級(jí)有源功率因數(shù)校正器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選擇合適的功率開關(guān)器件、電感、電容等元件，確定元件參數(shù)，以滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)基于單周期控制的控制電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)主電路開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)控制，確保輸入電流正弦化，提高功率因數(shù)。考慮控制電路的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力，采用合適的控制芯片和電路設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)保護(hù)電路，對(duì)功率因數(shù)校正器進(jìn)行過流、過壓、過熱等保護(hù)，確保系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。分析保護(hù)電路的工作原理和參數(shù)設(shè)計(jì)，選擇合適的保護(hù)器件，如熔斷器、過壓保護(hù)二極管等。仿真驗(yàn)證：利用MATLAB/Simulink等仿真軟件，建立單周期控制單相兩級(jí)有源功率因數(shù)校正器的仿真模型，對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真分析。通過仿真，驗(yàn)證電路的工作原理和性能指標(biāo)，分析不同參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，為電路優(yōu)化提供依據(jù)。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)，與理論分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性和可行性。根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，提高系統(tǒng)性能。實(shí)驗(yàn)研究：搭建單周期控制單相兩級(jí)有源功率因數(shù)校正器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。選擇合適的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器，如示波器、功率分析儀、信號(hào)發(fā)生器等，對(duì)實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行測(cè)試和分析。通過實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證電路的性能指標(biāo)，如功率因數(shù)、諧波含量、效率等，與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的差異，找出原因并進(jìn)行改進(jìn)。對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析和解決，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)電路，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。1.4研究方法與技術(shù)路線本文采用理論分析、仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，深入開展單周期控制單相兩級(jí)有源功率因數(shù)校正器的研究，具體技術(shù)路線如下：理論研究階段：廣泛查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，深入研究單周期控制技術(shù)的基本原理、控制機(jī)理以及在功率因數(shù)校正中的應(yīng)用特點(diǎn)。詳細(xì)剖析單周期控制的單相兩級(jí)有源功率因數(shù)校正器的工作原理，包括電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作模式、能量轉(zhuǎn)換過程等，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，為后續(xù)的電路設(shè)計(jì)和性能分析提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。研究功率因數(shù)校正器的性能指標(biāo)，如功率因數(shù)、諧波含量、效率等，運(yùn)用數(shù)學(xué)推導(dǎo)和分析方法，深入探討影響這些指標(biāo)的因素，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供明確的方向。電路設(shè)計(jì)階段：根據(jù)理論分析結(jié)果，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)單周期控制單相兩級(jí)有源功率因數(shù)校正器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。綜合考慮功率開關(guān)器件的耐壓值、導(dǎo)通電阻、開關(guān)速度等參數(shù)，以及電感、電容的電感量、電容量、耐壓值等因素，選擇合適的元件，并通過精確的計(jì)算和分析確定元件參數(shù)，以確保電路性能滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)基于單周期控制的控制電路，選擇合適的控制芯片，如IR1150S等，搭建控制電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)主電路開關(guān)管的精確驅(qū)動(dòng)控制，確保輸入電流正弦化，提高功率因數(shù)。同時(shí)，充分考慮控制電路的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力，采用合理的電路設(shè)計(jì)方法和抗干擾措施，如增加濾波電路、屏蔽措施等。設(shè)計(jì)完善的保護(hù)電路，對(duì)功率因數(shù)校正器進(jìn)行過流、過壓、過熱等保護(hù)。分析保護(hù)電路的工作原理，通過計(jì)算和仿真確定保護(hù)閾值和動(dòng)作時(shí)間，選擇合適的保護(hù)器件，如熔斷器、過壓保護(hù)二極管、熱敏電阻等，確保系統(tǒng)在各種異常情況下的安全可靠運(yùn)行。仿真驗(yàn)證階段：利用MATLAB/Simulink等專業(yè)仿真軟件，建立單周期控制單相兩級(jí)有源功率因數(shù)校正器的詳細(xì)仿真模型，對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行全面的仿真分析。通過設(shè)置不同的輸入電壓、負(fù)載條件等參數(shù)，模擬電路在各種工況下的運(yùn)行情況，驗(yàn)證電路的工作原理和性能指標(biāo)是否符合預(yù)期。分析不同參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，如電感值、電容值、開關(guān)頻率等，通過仿真結(jié)果的對(duì)比和分析，找出參數(shù)的最優(yōu)取值范圍，為電路優(yōu)化提供有力依據(jù)。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行深入分析和總結(jié)，將仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果進(jìn)行細(xì)致對(duì)比，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性和可行性。根據(jù)仿真結(jié)果中發(fā)現(xiàn)的問題，對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，如調(diào)整電感和電容的參數(shù)以改善濾波效果，優(yōu)化控制算法以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度等，進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能。實(shí)驗(yàn)研究階段：搭建單周期控制單相兩級(jí)有源功率因數(shù)校正器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，選擇合適的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器，如示波器用于觀測(cè)電路波形，功率分析儀用于測(cè)量功率因數(shù)、諧波含量等參數(shù)，信號(hào)發(fā)生器用于提供輸入信號(hào)等。對(duì)實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行全面測(cè)試和分析，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量實(shí)際的功率因數(shù)、諧波含量、效率等性能指標(biāo)，與仿真結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的差異，找出可能存在的原因，如元件的實(shí)際參數(shù)與理論值的偏差、實(shí)驗(yàn)環(huán)境的影響等，并進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)。對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行深入分析和解決，如電路的穩(wěn)定性問題、干擾問題等，通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)電路布局、增加屏蔽措施、調(diào)整控制參數(shù)等方法，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。二、功率因數(shù)校正器的理論基礎(chǔ)2.1功率因數(shù)相關(guān)概念功率因數(shù)是交流電路中一個(gè)極為重要的參數(shù)，它反映了電路中有效功率（即有功功率）與視在功率之間的關(guān)系，通常用符號(hào)cos\Phi表示。在數(shù)值上，功率因數(shù)等于有功功率P與視在功率S的比值，即cos\Phi=\frac{P}{S}。有功功率是指在交流電路中，能夠直接轉(zhuǎn)化為其他形式能量（如熱能、機(jī)械能等）的功率，例如，電燈將電能轉(zhuǎn)化為光能和熱能，電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，這些實(shí)際消耗并做功的功率就是有功功率，單位為瓦特（W）。視在功率則是交流電路中電壓有效值U與電流有效值I的乘積，即S=UI，單位為伏安（VA）。它表示電源提供的總功率，包含了有功功率和無功功率兩部分。無功功率Q是用于電路內(nèi)電場(chǎng)與磁場(chǎng)的交換，并用來在電氣設(shè)備中建立和維持磁場(chǎng)的電功率，它不對(duì)外做功，但在能量轉(zhuǎn)換過程中起著重要作用，單位為乏（Var）。這三者之間存在著直角三角形的關(guān)系，即S^2=P^2+Q^2，這個(gè)三角形被稱為功率三角形。在理想的純電阻電路中，電壓與電流同相位，此時(shí)相位差\Phi=0^{\circ}，cos\Phi=1，視在功率等于有功功率，無功功率為零，電路能夠最有效地利用電能。然而，在實(shí)際的電力系統(tǒng)中，大量存在的是電感性負(fù)載，如交流異步電動(dòng)機(jī)、變壓器、日光燈等。以交流異步電動(dòng)機(jī)為例，在額定負(fù)載時(shí)其功率因數(shù)一般為0.7-0.8，若處于輕載狀態(tài)，功率因數(shù)會(huì)更低。電感性負(fù)載的電流相位滯后于電壓相位，使得相位差\Phi\neq0^{\circ}，cos\Phi<1，導(dǎo)致電路中出現(xiàn)無功功率。無功功率的存在使得電源提供的視在功率大于有功功率，這意味著電源需要輸出更多的功率來滿足負(fù)載的需求，但其中一部分功率并沒有被有效利用，而是在電源和負(fù)載之間來回交換，形成了能量的浪費(fèi)。低功率因數(shù)會(huì)給電力系統(tǒng)和用電設(shè)備帶來諸多危害：增加線損：根據(jù)焦耳定律P_{???}=I^{2}R（其中P_{???}為線路損耗功率，I為線路電流，R為線路電阻），當(dāng)功率因數(shù)較低時(shí)，為了傳輸相同的有功功率，根據(jù)I=\frac{P}{Ucos\Phi}，線路電流I會(huì)增大。因?yàn)榫€路電阻R是固定的，所以電流I的增大必然導(dǎo)致線路損耗功率P_{???}增加。據(jù)相關(guān)研究和實(shí)際數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)功率因數(shù)從0.9下降到0.7時(shí)，在相同的輸電條件下，線路損耗可增加約40%。這不僅造成了能源的浪費(fèi)，還增加了供電成本，降低了電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。降低設(shè)備容量利用率：視在功率S代表了電氣設(shè)備的額定容量，即設(shè)備能夠提供的最大功率。當(dāng)功率因數(shù)較低時(shí)，由于P=Scos\Phi，在視在功率S一定的情況下，功率因數(shù)cos\Phi越小，有功功率P就越小，設(shè)備實(shí)際能夠輸出的有效功率降低，設(shè)備的容量得不到充分利用。例如，一臺(tái)容量為1000kVA的變壓器，若功率因數(shù)為1，它能夠輸出1000kW的有功功率；而當(dāng)功率因數(shù)為0.7時(shí)，它只能輸出700kW的有功功率，這使得變壓器的實(shí)際輸出能力大幅下降，造成了設(shè)備資源的浪費(fèi)。導(dǎo)致電壓波動(dòng)：低功率因數(shù)會(huì)使線路電流增大，而線路存在一定的阻抗，根據(jù)歐姆定律U=IR（U為線路電壓降，I為線路電流，R為線路阻抗），電流增大必然導(dǎo)致線路電壓降增大。這會(huì)使得電網(wǎng)末端的電壓降低，影響用電設(shè)備的正常運(yùn)行。例如，當(dāng)大量電動(dòng)機(jī)同時(shí)啟動(dòng)時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)功率因數(shù)較低，會(huì)導(dǎo)致線路電流急劇增大，使得電網(wǎng)電壓瞬間下降，可能會(huì)造成其他設(shè)備如燈光閃爍、電子設(shè)備工作異常等問題。此外，電壓波動(dòng)還會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，增加了系統(tǒng)發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)。增加設(shè)備損耗和發(fā)熱：對(duì)于用電設(shè)備而言，低功率因數(shù)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部電流增大，從而使設(shè)備的銅損（P_{é??}=I^{2}R_{é??}，R_{é??}為設(shè)備繞組電阻）和鐵損（與磁通密度等因素有關(guān)，電流增大也會(huì)間接影響鐵損）增加。這些損耗的增加會(huì)使設(shè)備發(fā)熱嚴(yán)重，降低設(shè)備的絕緣性能，縮短設(shè)備的使用壽命。以變壓器為例，長(zhǎng)期在低功率因數(shù)下運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致變壓器油溫升高，加速絕緣材料的老化，可能引發(fā)變壓器故障，影響電力系統(tǒng)的正常供電。2.2功率因數(shù)校正技術(shù)分類功率因數(shù)校正技術(shù)主要分為無源功率因數(shù)校正（PassivePowerFactorCorrection，PPFC）和有源功率因數(shù)校正（ActivePowerFactorCorrection，APFC）兩大類。無源功率因數(shù)校正技術(shù)是一種基于電感、電容和二極管等無源元件的被動(dòng)式校正技術(shù)。它通過在電路中合理配置這些無源元件，利用電感和電容的相位差來補(bǔ)償負(fù)載和線路中的無功功率消耗，從而改善電流和電壓的相位差，達(dá)到提高功率因數(shù)的目的。例如，在一些早期的電源設(shè)計(jì)中，會(huì)在整流橋堆和濾波電容之間串聯(lián)一個(gè)電感，利用電感上電流不能突變的特性來平滑電容充電強(qiáng)脈沖的波動(dòng)，改善供電線路電流波形的畸變。同時(shí)，利用電感上電壓超前電流的特性補(bǔ)償濾波電容電流超前電壓的特性，使功率因數(shù)、電磁兼容和電磁干擾得以一定程度的改善。還有一種“填谷電路式”無源PFC，它利用整流橋后面的填谷電路來大幅度增加整流管的導(dǎo)通角，通過填平谷點(diǎn)，使輸入電流從尖峰脈沖變?yōu)榻咏谡也ǖ牟ㄐ?，將功率因?shù)提高到0.9左右，顯著降低總諧波失真。無源PFC的優(yōu)點(diǎn)是成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、維護(hù)方便，不需要復(fù)雜的控制電路和額外的能源供應(yīng)，在一些對(duì)成本敏感、功率要求不高的場(chǎng)合，如一些小型家電設(shè)備中得到了應(yīng)用。然而，無源PFC也存在明顯的缺點(diǎn)，其效率較低，通常功率因數(shù)只能達(dá)到0.7-0.9，難以滿足對(duì)功率因數(shù)要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景；調(diào)整范圍小，對(duì)不同負(fù)載和電網(wǎng)條件的適應(yīng)性較差，容易受到負(fù)載變化和電網(wǎng)變化的影響；而且由于其元件的特性，裝置體積和重量較大，不利于設(shè)備的小型化和輕量化。有源功率因數(shù)校正技術(shù)則是一種基于電子元件的主動(dòng)式校正技術(shù)。它通過控制電路中的開關(guān)器件，如功率晶體管（MOSFET、IGBT等），并結(jié)合PWM（脈沖寬度調(diào)制）等控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的調(diào)整和電流限制，使電路中電壓和電流之間同相，進(jìn)而提高功率因數(shù)。有源PFC通常采用開關(guān)電源和直流-直流轉(zhuǎn)換器作為核心元件，當(dāng)電路中的電流和負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓和電流，以保持功率因數(shù)的校正效果。以常見的Boost型有源PFC電路為例，在交流輸入電壓經(jīng)過整流后，通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，使電感在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存能量，開關(guān)管斷開時(shí)釋放能量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電流的整形，使其接近正弦波，并與輸入電壓同相位，大大提高了功率因數(shù)。有源PFC具有諸多優(yōu)勢(shì)，首先，它能夠?qū)⒐β室驍?shù)調(diào)整到接近1的水平，有效降低了無功功率的傳輸，減輕了電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性和電能利用效率；響應(yīng)速度快，能夠?qū)崟r(shí)跟蹤負(fù)載的變化，快速調(diào)整電流波形以適應(yīng)負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化，這使得它在負(fù)載頻繁變化的場(chǎng)合，如計(jì)算機(jī)電源、通信設(shè)備電源等中表現(xiàn)出色；對(duì)諧波失真的抑制能力強(qiáng)，通過精確控制開關(guān)器件的工作，可以有效減少電流中的諧波成分，降低對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，滿足日益嚴(yán)格的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)；效率高，由于減小了無功功率的損耗，系統(tǒng)的整體效率得到顯著提升，在大功率應(yīng)用場(chǎng)合，能夠節(jié)省大量的能源。當(dāng)然，有源PFC也存在一些缺點(diǎn)，如成本較高，需要使用價(jià)格相對(duì)昂貴的開關(guān)器件和復(fù)雜的控制電路；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)和調(diào)試難度較大；并且由于開關(guān)器件的高頻動(dòng)作，會(huì)產(chǎn)生一定的高頻噪聲和電磁干擾，需要采取額外的措施進(jìn)行屏蔽和濾波。與無源功率因數(shù)校正技術(shù)相比，有源功率因數(shù)校正技術(shù)在提高功率因數(shù)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠更好地滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)對(duì)電能質(zhì)量和節(jié)能的要求。雖然有源PFC存在成本和復(fù)雜性等問題，但隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，開關(guān)器件性能的提升和成本的降低，以及控制算法的優(yōu)化，有源功率因數(shù)校正技術(shù)在越來越多的領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成為功率因數(shù)校正的主流技術(shù)。2.3常用功率因數(shù)校正器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在功率因數(shù)校正技術(shù)中，選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)高效功率因數(shù)校正的關(guān)鍵。不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有各自獨(dú)特的工作原理、特點(diǎn)和適用場(chǎng)景，下面將對(duì)幾種常用的功率因數(shù)校正器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析。2.3.1Boost電路Boost電路是一種常用的直流-直流（DC-DC）變換器，在功率因數(shù)校正領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。其基本結(jié)構(gòu)主要由開關(guān)管（通常為MOSFET或IGBT）、電感、二極管和電容組成。Boost電路的工作原理基于電感的儲(chǔ)能特性。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓直接加在電感兩端，電感電流逐漸增大，電感儲(chǔ)存能量。此時(shí)，二極管反偏截止，負(fù)載由電容供電。以一個(gè)實(shí)際的電路為例，假設(shè)輸入電壓為12V，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感電流以一定的斜率上升，在導(dǎo)通時(shí)間t_{on}內(nèi)，電感儲(chǔ)存的能量E_{L}=\frac{1}{2}Li_{L}^{2}（其中L為電感值，i_{L}為電感電流）不斷增加。當(dāng)開關(guān)管斷開時(shí)，電感電流不能突變，電感產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，使二極管導(dǎo)通，電感釋放儲(chǔ)存的能量，與輸入電壓一起向電容充電，并為負(fù)載供電。在開關(guān)管斷開時(shí)間t_{off}內(nèi)，電感釋放的能量一部分用于維持電容電壓，一部分供給負(fù)載。通過不斷地控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，使得輸出電壓高于輸入電壓，實(shí)現(xiàn)升壓功能。輸出電壓U_{o}與輸入電壓U_{i}之間的關(guān)系為U_{o}=\frac{1}{1-D}U_{i}，其中D為開關(guān)管的占空比。Boost電路在功率因數(shù)校正方面具有諸多優(yōu)點(diǎn)。首先，它能夠?qū)崿F(xiàn)高功率因數(shù)，通過合理控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，使輸入電流能夠跟蹤輸入電壓的變化，從而實(shí)現(xiàn)輸入電流正弦化，功率因數(shù)可接近1。例如，在一個(gè)實(shí)際的應(yīng)用中，采用Boost型PFC電路，經(jīng)過測(cè)試，功率因數(shù)從原來的0.6提升到了0.98，大大提高了電能的利用效率。其次，在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下，電感電流連續(xù)，這使得輸入電流紋波較小，對(duì)電網(wǎng)的諧波污染也相應(yīng)減小，有利于提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。此外，Boost電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，成本較低，在中小功率的功率因數(shù)校正應(yīng)用中具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。然而，Boost電路也存在一些局限性。在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，二極管會(huì)承受較高的反向電壓，這對(duì)二極管的耐壓值要求較高，增加了元件的成本和選擇難度。由于電感電流連續(xù)，在輕載時(shí)，電感電流下降較慢，會(huì)導(dǎo)致開關(guān)管的導(dǎo)通損耗增加，從而降低了電路的效率。2.3.2Buck電路Buck電路也是一種基本的DC-DC變換器，其主要功能是將較高的輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為較低的輸出直流電壓。Buck電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由功率開關(guān)管（如MOSFET）、電感、電容和續(xù)流二極管組成。Buck電路的工作原理如下：當(dāng)功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓直接加在電感上，電感電流線性增加，電感儲(chǔ)存能量，同時(shí)電容向負(fù)載供電，續(xù)流二極管截止。假設(shè)輸入電壓為24V，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感電流i_{L}在時(shí)間t_{on}內(nèi)按照i_{L}=\frac{U_{i}}{L}t（U_{i}為輸入電壓，L為電感值）的規(guī)律上升，電感儲(chǔ)存能量。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感電流不能突變，電感產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，使續(xù)流二極管導(dǎo)通，電感釋放儲(chǔ)存的能量，與電容一起為負(fù)載供電，電感電流逐漸減小。在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)間t_{off}內(nèi)，電感電流i_{L}按照i_{L}=i_{L0}-\frac{U_{o}}{L}t（i_{L0}為開關(guān)管關(guān)斷瞬間的電感電流，U_{o}為輸出電壓）的規(guī)律下降。通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比D，可以控制輸出電壓的大小，輸出電壓U_{o}=DU_{i}。在功率因數(shù)校正應(yīng)用中，Buck電路可以通過一些特殊的控制策略來實(shí)現(xiàn)一定程度的功率因數(shù)校正。通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，使電感電流跟蹤輸入電壓的變化，從而使輸入電流波形接近正弦波，提高功率因數(shù)。然而，Buck電路在功率因數(shù)校正方面存在一定的局限性。由于Buck電路本身是降壓型變換器，其輸出電壓必然低于輸入電壓，這限制了它在一些需要輸出電壓高于輸入電壓的場(chǎng)合的應(yīng)用。Buck電路在實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正時(shí)，對(duì)控制電路的要求較高，需要精確控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，以確保輸入電流的正弦化和功率因數(shù)的提高，這增加了電路的復(fù)雜性和成本。在一些對(duì)輸出電壓要求較高且輸入電壓波動(dòng)較大的場(chǎng)合，Buck電路可能無法滿足功率因數(shù)校正和輸出電壓調(diào)節(jié)的雙重要求。2.3.3Buck-Boost電路Buck-Boost電路是一種既可以實(shí)現(xiàn)降壓又可以實(shí)現(xiàn)升壓功能的DC-DC變換器，它結(jié)合了Buck電路和Boost電路的特點(diǎn)，在功率因數(shù)校正應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。Buck-Boost電路的基本結(jié)構(gòu)由開關(guān)管、電感、電容、二極管組成。Buck-Boost電路的工作原理如下：當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓加在電感上，電感電流逐漸增大，電感儲(chǔ)存能量，二極管截止，負(fù)載由電容供電。以一個(gè)實(shí)際的電路參數(shù)為例，假設(shè)輸入電壓為10V，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感電流i_{L}在時(shí)間t_{on}內(nèi)逐漸上升，電感儲(chǔ)存能量E_{L}=\frac{1}{2}Li_{L}^{2}。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感電流不能突變，電感產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，使二極管導(dǎo)通，電感釋放儲(chǔ)存的能量，為電容充電并向負(fù)載供電，此時(shí)電感電流逐漸減小。在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)間t_{off}內(nèi)，電感電流i_{L}逐漸下降，電感釋放的能量一部分用于維持電容電壓，一部分供給負(fù)載。輸出電壓U_{o}與輸入電壓U_{i}的關(guān)系為U_{o}=\frac{D}{1-D}U_{i}，通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比D，可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓高于或低于輸入電壓。當(dāng)D\lt0.5時(shí)，輸出電壓低于輸入電壓，實(shí)現(xiàn)降壓功能；當(dāng)D\gt0.5時(shí)，輸出電壓高于輸入電壓，實(shí)現(xiàn)升壓功能。Buck-Boost電路的特點(diǎn)使其在一些特定的應(yīng)用場(chǎng)景中具有適用性。在需要升降壓功能的場(chǎng)合，Buck-Boost電路能夠靈活地滿足不同的電壓需求，例如在一些電池供電的設(shè)備中，當(dāng)電池電壓變化時(shí)，Buck-Boost電路可以將電池電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的輸出電壓，為設(shè)備供電。Buck-Boost電路的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，在中小功率的功率因數(shù)校正應(yīng)用中具有一定的優(yōu)勢(shì)。然而，Buck-Boost電路也存在一些缺點(diǎn)，其輸出電壓極性與輸入電壓相反，這在一些對(duì)電壓極性有要求的場(chǎng)合限制了其應(yīng)用。在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，二極管承受的反向電壓較高，對(duì)二極管的耐壓值要求較高，增加了元件的成本和選擇難度。2.3.4Flyback電路Flyback電路，也稱為反激式電路，是一種隔離式的DC-DC變換器，在小功率應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在需要功率因數(shù)校正的場(chǎng)合，F(xiàn)lyback電路展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。Flyback電路主要由開關(guān)管、變壓器、二極管和電容等元件組成。Flyback電路的工作原理基于變壓器的儲(chǔ)能和能量傳遞特性。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓加在變壓器的初級(jí)繞組上，初級(jí)繞組電流逐漸增大，變壓器儲(chǔ)存能量，此時(shí)二極管截止，負(fù)載由電容供電。假設(shè)輸入電壓為220V（經(jīng)整流后為直流電壓），開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器初級(jí)繞組電流i_{p}在時(shí)間t_{on}內(nèi)逐漸上升，變壓器儲(chǔ)存能量E_{T}=\frac{1}{2}L_{p}i_{p}^{2}（L_{p}為初級(jí)繞組電感）。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器初級(jí)繞組電流迅速減小，由于變壓器的電磁感應(yīng)作用，在次級(jí)繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使二極管導(dǎo)通，變壓器儲(chǔ)存的能量通過次級(jí)繞組傳遞給負(fù)載，同時(shí)為電容充電。在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)間t_{off}內(nèi)，變壓器釋放儲(chǔ)存的能量，為負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓。Flyback電路在小功率應(yīng)用中具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，F(xiàn)lyback電路具有隔離功能，通過變壓器將輸入和輸出隔離，提高了電路的安全性，這在一些對(duì)電氣安全要求較高的場(chǎng)合，如開關(guān)電源中非常重要。其次，F(xiàn)lyback電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，元件數(shù)量較少，成本較低，適合小功率的應(yīng)用場(chǎng)景，如手機(jī)充電器、LED驅(qū)動(dòng)電源等。在實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正時(shí)，F(xiàn)lyback電路可以通過一些控制策略，使輸入電流跟蹤輸入電壓的變化，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的提高。例如，采用峰值電流控制模式，通過檢測(cè)變壓器初級(jí)繞組電流的峰值，控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，使輸入電流接近正弦波，從而提高功率因數(shù)。然而，F(xiàn)lyback電路也存在一些不足之處。由于變壓器的漏感和寄生電容等因素的影響，在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰，這對(duì)開關(guān)管的耐壓值要求較高，需要采取一些措施，如增加緩沖電路來抑制電壓尖峰，這增加了電路的復(fù)雜性和成本。Flyback電路的效率相對(duì)較低，在大功率應(yīng)用中，能量損耗較大，不太適合高功率需求的場(chǎng)合。三、單周期控制技術(shù)原理3.1單周期控制的基本原理單周期控制（One-CycleControl，OCC）技術(shù)是一種由美國學(xué)者提出的新型PWM控制算法，它同時(shí)綜合了調(diào)制算法與控制策略，是一種非線性控制技術(shù)。其基本概念是在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)強(qiáng)迫開關(guān)變量的平均值成正比于或等于控制參考量。這一核心思想使得單周期控制在電力電子領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。以一個(gè)簡(jiǎn)單的Buck變換器為例來闡述其工作原理。在Buck變換器中，開關(guān)管的控制是實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。在單周期控制中，通過對(duì)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間的精確控制，使得在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，輸出電壓的平均值能夠精確地跟蹤參考電壓。具體來說，假設(shè)參考電壓為V_{ref}，在一個(gè)開關(guān)周期T內(nèi)，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間為t_{on}，關(guān)斷時(shí)間為t_{off}，則輸出電壓V_{out}的平均值為V_{out}=\frac{t_{on}}{T}V_{in}（V_{in}為輸入電壓）。單周期控制的目標(biāo)就是通過調(diào)整t_{on}，使得V_{out}=V_{ref}。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，單周期控制采用了獨(dú)特的控制機(jī)制。它通常包含一個(gè)積分器和一個(gè)比較器。積分器對(duì)輸入信號(hào)和反饋信號(hào)的誤差進(jìn)行積分，得到一個(gè)與誤差積分成正比的信號(hào)。比較器將這個(gè)積分信號(hào)與一個(gè)固定的參考信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)積分信號(hào)達(dá)到參考信號(hào)時(shí)，比較器輸出一個(gè)信號(hào)，用于控制開關(guān)管的關(guān)斷。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷后，積分器復(fù)位，開始下一個(gè)周期的積分。這樣，在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，都能夠根據(jù)輸入信號(hào)和反饋信號(hào)的誤差，及時(shí)調(diào)整開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的精確控制。在實(shí)際應(yīng)用中，單周期控制的實(shí)現(xiàn)還需要考慮一些實(shí)際因素。開關(guān)管的導(dǎo)通電阻、開關(guān)速度等參數(shù)會(huì)影響電路的效率和性能；電感、電容等元件的參數(shù)也會(huì)對(duì)電路的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生影響。因此，在設(shè)計(jì)基于單周期控制的電路時(shí)，需要綜合考慮這些因素，選擇合適的元件參數(shù)，并進(jìn)行精確的計(jì)算和仿真，以確保電路能夠滿足設(shè)計(jì)要求。3.2單周期控制技術(shù)的特點(diǎn)單周期控制技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在電力電子領(lǐng)域脫穎而出，成為功率因數(shù)校正器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。單周期控制技術(shù)具有算法簡(jiǎn)單的顯著特點(diǎn)。相較于傳統(tǒng)的控制算法，它摒棄了復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算和繁瑣的控制環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的功率因數(shù)校正控制算法，如平均電流控制法，通常需要通過乘法器來獲取參考電流，涉及到較多的模擬電路和復(fù)雜的信號(hào)處理過程。而單周期控制技術(shù)僅需一個(gè)復(fù)位積分器，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)變量的有效控制，大大簡(jiǎn)化了控制電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)難度。這種簡(jiǎn)單的算法結(jié)構(gòu)不僅降低了硬件成本，還減少了由于復(fù)雜電路帶來的潛在故障點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的可靠性。響應(yīng)速度快是單周期控制技術(shù)的又一突出優(yōu)勢(shì)。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，它能夠迅速對(duì)輸入信號(hào)的變化做出響應(yīng)，快速調(diào)整開關(guān)狀態(tài)，以適應(yīng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)需求。當(dāng)輸入電壓或負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，傳統(tǒng)的控制方法可能需要多個(gè)開關(guān)周期才能使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定，而單周期控制技術(shù)能夠在極短的時(shí)間內(nèi)完成調(diào)整，使系統(tǒng)快速回到穩(wěn)定狀態(tài)。以一個(gè)實(shí)際的功率因數(shù)校正器為例，當(dāng)輸入電壓突然從220V變化到180V時(shí)，采用單周期控制的系統(tǒng)能夠在幾個(gè)微秒內(nèi)做出響應(yīng)，調(diào)整輸出電壓和電流，確保功率因數(shù)保持在較高水平，而傳統(tǒng)控制方法可能需要幾十微秒甚至更長(zhǎng)時(shí)間才能完成同樣的調(diào)整。單周期控制技術(shù)的控制精度高，能夠有效抑制輸入和負(fù)載擾動(dòng)，保證系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。在實(shí)際應(yīng)用中，電源側(cè)的電壓波動(dòng)和負(fù)載的變化是不可避免的，這些擾動(dòng)會(huì)對(duì)功率因數(shù)校正器的性能產(chǎn)生影響。單周期控制技術(shù)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整開關(guān)變量，能夠在一個(gè)周期內(nèi)有效地抵制這些擾動(dòng)，使系統(tǒng)輸出不受干擾的影響。在電網(wǎng)電壓波動(dòng)較大的情況下，單周期控制的功率因數(shù)校正器能夠保持輸出電壓的穩(wěn)定，功率因數(shù)始終維持在0.99以上，為負(fù)載提供高質(zhì)量的電能。此外，單周期控制技術(shù)還具有魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)，對(duì)電路參數(shù)變化和環(huán)境因素的影響具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。即使在電路參數(shù)發(fā)生一定變化，如電感值、電容值因溫度變化而略有改變，或者在復(fù)雜的電磁環(huán)境下，單周期控制技術(shù)依然能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，維持良好的控制性能。然而，單周期控制技術(shù)也并非完美無缺。它對(duì)某些參數(shù)變化存在一定的敏感性。電感和電容等元件的參數(shù)變化雖然在一定范圍內(nèi)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生致命影響，但當(dāng)變化超過一定程度時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至出現(xiàn)失控的情況。開關(guān)器件的導(dǎo)通電阻、開關(guān)速度等參數(shù)的變化也會(huì)對(duì)單周期控制的效果產(chǎn)生影響，需要在設(shè)計(jì)和應(yīng)用中加以關(guān)注和補(bǔ)償。單周期控制技術(shù)在輕載情況下，由于負(fù)載電流較小，信號(hào)的檢測(cè)和處理難度增加，可能會(huì)導(dǎo)致控制精度下降，影響系統(tǒng)的性能。3.3單周期控制在功率因數(shù)校正中的應(yīng)用原理在功率因數(shù)校正中，單周期控制技術(shù)的核心目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)輸入電流對(duì)輸入電壓的精確跟蹤，從而使輸入電流正弦化，提高功率因數(shù)。以常用的Boost型功率因數(shù)校正電路為例，其工作原理基于電感電流的控制。在Boost型PFC電路中，交流輸入電壓經(jīng)過整流后得到直流電壓V_{in}，通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，使電感電流i_{L}跟蹤輸入電壓V_{in}的變化。在單周期控制中，通過一個(gè)復(fù)位積分器來實(shí)現(xiàn)這一跟蹤過程。假設(shè)輸入電壓為V_{in}，參考電流為i_{ref}，在每個(gè)開關(guān)周期T內(nèi)，積分器對(duì)輸入電壓和參考電流的誤差進(jìn)行積分。當(dāng)積分值達(dá)到一定閾值時(shí)，控制開關(guān)管關(guān)斷，電感電流開始下降；當(dāng)積分值小于閾值時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，電感電流上升。這樣，通過不斷地調(diào)整開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，使得電感電流在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值能夠跟蹤輸入電壓的變化，從而實(shí)現(xiàn)輸入電流的正弦化。為了更深入地理解單周期控制在功率因數(shù)校正中的應(yīng)用原理，下面進(jìn)行控制方程的推導(dǎo)。在一個(gè)開關(guān)周期T內(nèi)，設(shè)開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間為t_{on}，關(guān)斷時(shí)間為t_{off}，則T=t_{on}+t_{off}。根據(jù)電感的伏秒平衡原理，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，電感兩端的電壓伏秒積為零，即V_{in}t_{on}=(V_{o}-V_{in})t_{off}，其中V_{o}為輸出電壓。整理可得：\frac{t_{on}}{t_{off}}=\frac{V_{o}-V_{in}}{V_{in}}（1）又因?yàn)檎伎毡菵=\frac{t_{on}}{T}，將T=t_{on}+t_{off}代入可得：D=\frac{t_{on}}{t_{on}+t_{off}}，即t_{off}=\frac{t_{on}}{D}-t_{on}（2）將（2）式代入（1）式可得：\frac{t_{on}}{\frac{t_{on}}{D}-t_{on}}=\frac{V_{o}-V_{in}}{V_{in}}，進(jìn)一步化簡(jiǎn)可得：D=\frac{V_{in}}{V_{o}}（3）在單周期控制中，通過控制開關(guān)管的占空比D，使其滿足（3）式，就可以實(shí)現(xiàn)輸入電流對(duì)輸入電壓的跟蹤。當(dāng)輸入電壓V_{in}變化時(shí)，控制電路根據(jù)（3）式實(shí)時(shí)調(diào)整占空比D，從而使電感電流i_{L}跟隨輸入電壓的變化，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。例如，當(dāng)輸入電壓V_{in}升高時(shí)，根據(jù)（3）式，占空比D應(yīng)增大，即開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間t_{on}增加，電感電流i_{L}增大，從而使輸入電流能夠跟隨輸入電壓的升高而增大；反之，當(dāng)輸入電壓V_{in}降低時(shí)，占空比D減小，開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間t_{on}減小，電感電流i_{L}減小，輸入電流也隨之減小。這個(gè)控制方程的意義在于，它明確了輸入電壓、輸出電壓和開關(guān)管占空比之間的關(guān)系，為單周期控制在功率因數(shù)校正中的實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)。通過精確控制占空比，使得輸入電流能夠緊密跟蹤輸入電壓的變化，從而有效地提高功率因數(shù)，降低諧波含量，改善電能質(zhì)量。四、單周期控制單相兩級(jí)有源功率因數(shù)校正器設(shè)計(jì)4.1主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1.1整體結(jié)構(gòu)選型在設(shè)計(jì)單周期控制單相兩級(jí)有源功率因數(shù)校正器時(shí)，主電路結(jié)構(gòu)的選型至關(guān)重要，它直接影響到功率因數(shù)校正器的性能、成本和可靠性。常見的單相兩級(jí)有源功率因數(shù)校正器主電路結(jié)構(gòu)主要有Boost+Buck結(jié)構(gòu)、Boost+Flyback結(jié)構(gòu)、Sepic+Flyback結(jié)構(gòu)等。Boost+Buck結(jié)構(gòu)是一種較為常見的兩級(jí)結(jié)構(gòu)。其前級(jí)Boost電路主要負(fù)責(zé)功率因數(shù)校正，通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，使輸入電流正弦化，提高功率因數(shù)。在輸入電壓為220V交流電時(shí)，經(jīng)過整流后得到直流電壓，Boost電路通過控制開關(guān)管的工作，使電感電流跟蹤輸入電壓的變化，實(shí)現(xiàn)輸入電流的正弦化，功率因數(shù)可達(dá)到0.95以上。后級(jí)Buck電路則用于輸出電壓的調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比，將前級(jí)輸出的電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的所需輸出電壓。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是功率因數(shù)校正效果好，能夠有效提高輸入電流的正弦度，降低諧波含量；輸出電壓調(diào)節(jié)范圍較寬，可以滿足不同負(fù)載對(duì)輸出電壓的要求。然而，它也存在一些缺點(diǎn)，如電路結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，需要兩個(gè)獨(dú)立的開關(guān)管和控制電路，增加了成本和控制難度；兩級(jí)電路之間的能量傳遞效率較低，會(huì)導(dǎo)致整體效率有所下降，在一些對(duì)效率要求較高的場(chǎng)合可能不太適用。Boost+Flyback結(jié)構(gòu)中，前級(jí)Boost電路同樣用于功率因數(shù)校正，而后級(jí)Flyback電路作為隔離式變換器，不僅可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)，還能提供電氣隔離功能。以一個(gè)實(shí)際的開關(guān)電源應(yīng)用為例，輸入交流電壓經(jīng)過Boost電路進(jìn)行功率因數(shù)校正后，再通過Flyback電路將電壓轉(zhuǎn)換為適合負(fù)載的直流電壓，同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入和輸出的隔離，提高了電路的安全性。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于具有隔離功能，適用于一些對(duì)電氣安全要求較高的場(chǎng)合，如開關(guān)電源、充電器等；電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，元件數(shù)量較少，成本較低。但是，F(xiàn)lyback電路在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰，需要增加緩沖電路來抑制，這增加了電路的復(fù)雜性和成本；而且Flyback電路的效率相對(duì)較低，在大功率應(yīng)用中能量損耗較大。Sepic+Flyback結(jié)構(gòu)結(jié)合了Sepic電路和Flyback電路的特點(diǎn)。Sepic電路是一種升降壓變換器，其輸入電流連續(xù)，輸出電壓極性與輸入電壓相同，在功率因數(shù)校正方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。前級(jí)Sepic電路實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正和初步的電壓轉(zhuǎn)換，后級(jí)Flyback電路實(shí)現(xiàn)隔離和進(jìn)一步的電壓調(diào)節(jié)。在一些需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)升降壓、功率因數(shù)校正和隔離功能的場(chǎng)合，Sepic+Flyback結(jié)構(gòu)能夠很好地滿足需求。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是輸入電流連續(xù)，對(duì)輸入電源的干擾較?。豢梢詫?shí)現(xiàn)升降壓功能，適應(yīng)不同的輸入和輸出電壓要求；具有隔離功能，提高了電路的安全性。然而，Sepic電路本身元件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高；而且兩級(jí)電路的協(xié)同控制難度較大，需要精確的控制策略來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。綜合考慮單周期控制的特點(diǎn)以及功率因數(shù)校正器的性能要求，選擇Boost+Flyback結(jié)構(gòu)作為單周期控制單相兩級(jí)有源功率因數(shù)校正器的主電路結(jié)構(gòu)。單周期控制技術(shù)具有響應(yīng)速度快、控制精度高、算法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，與Boost+Flyback結(jié)構(gòu)相結(jié)合，能夠充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)。單周期控制技術(shù)可以快速準(zhǔn)確地控制Boost電路的開關(guān)管，使輸入電流更加精確地跟蹤輸入電壓，進(jìn)一步提高功率因數(shù)校正效果；同時(shí)，簡(jiǎn)單的算法也有利于簡(jiǎn)化控制電路的設(shè)計(jì)，降低成本。對(duì)于Flyback電路，單周期控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其開關(guān)管的精確控制，提高電路的效率和穩(wěn)定性。Boost+Flyback結(jié)構(gòu)的隔離功能和相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，與單周期控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)相匹配，能夠在保證功率因數(shù)校正效果的前提下，降低成本，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，如手機(jī)充電器等小功率設(shè)備，采用單周期控制的Boost+Flyback結(jié)構(gòu)功率因數(shù)校正器，能夠在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的功率因數(shù)校正和電壓轉(zhuǎn)換，滿足設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量和安全性的要求。4.1.2關(guān)鍵元件選型在確定了主電路結(jié)構(gòu)為Boost+Flyback結(jié)構(gòu)后，對(duì)功率開關(guān)、二極管、電感、電容等關(guān)鍵元件進(jìn)行合理選型是確保單周期控制單相兩級(jí)有源功率因數(shù)校正器性能的關(guān)鍵。功率開關(guān)在電路中起著控制電流通斷的關(guān)鍵作用，其性能直接影響到電路的效率和可靠性。對(duì)于前級(jí)Boost電路的功率開關(guān)，通常選用金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）。MOSFET具有導(dǎo)通電阻低、開關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)功率小等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足Boost電路高頻開關(guān)的要求。在選型時(shí)，需要考慮其耐壓值、導(dǎo)通電阻和開關(guān)速度等參數(shù)。根據(jù)Boost電路的工作原理，功率開關(guān)在關(guān)斷時(shí)需要承受較高的電壓，因此耐壓值應(yīng)大于電路中的最大電壓，一般選擇耐壓值為600V-800V的MOSFET，以確保在輸入電壓波動(dòng)和電路異常情況下的安全工作。導(dǎo)通電阻直接影響到功率開關(guān)的導(dǎo)通損耗，導(dǎo)通電阻越低，導(dǎo)通損耗越小，電路效率越高，因此應(yīng)選擇導(dǎo)通電阻盡可能低的MOSFET。開關(guān)速度也是一個(gè)重要參數(shù)，快速的開關(guān)速度可以減少開關(guān)損耗，提高電路的工作頻率，一般選擇開關(guān)速度在幾十納秒以內(nèi)的MOSFET。對(duì)于后級(jí)Flyback電路的功率開關(guān)，同樣可選用MOSFET，由于Flyback電路在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰，因此對(duì)耐壓值的要求更高，通常選擇耐壓值為800V-1000V的MOSFET。二極管在電路中用于整流和續(xù)流，其性能對(duì)電路的穩(wěn)定性和效率也有重要影響。在Boost電路中，輸出二極管需要承受較高的反向電壓和電流，因此應(yīng)選用快恢復(fù)二極管或肖特基二極管?？旎謴?fù)二極管具有反向恢復(fù)時(shí)間短、耐壓值高的特點(diǎn)，能夠快速地切換電流方向，減少反向恢復(fù)損耗；肖特基二極管則具有正向?qū)▔航档?、開關(guān)速度快的優(yōu)勢(shì)，能夠降低導(dǎo)通損耗，提高電路效率。在選型時(shí)，需根據(jù)電路的工作電壓和電流來選擇合適的二極管。對(duì)于輸出電壓為400V的Boost電路，可選擇耐壓值為600V-800V、正向電流滿足電路需求的快恢復(fù)二極管或肖特基二極管。在Flyback電路中，次級(jí)二極管用于整流，同樣需要考慮反向耐壓值和正向電流等參數(shù)，由于Flyback電路的輸出電流相對(duì)較小，可選擇耐壓值為100V-200V、正向電流合適的快恢復(fù)二極管。電感在功率因數(shù)校正器中起著儲(chǔ)存能量和濾波的重要作用，其電感值和飽和電流等參數(shù)直接影響到電路的性能。對(duì)于Boost電路的電感，電感值的選擇應(yīng)根據(jù)輸入電壓、輸出電壓、開關(guān)頻率和電流紋波等因素來確定。根據(jù)電感電流連續(xù)模式（CCM）下的電感值計(jì)算公式L=\frac{V_{in}(V_{o}-V_{in})}{V_{o}f_{s}\DeltaI_{L}}（其中V_{in}為輸入電壓，V_{o}為輸出電壓，f_{s}為開關(guān)頻率，\DeltaI_{L}為電感電流紋波），在輸入電壓為220V、輸出電壓為400V、開關(guān)頻率為100kHz、電感電流紋波設(shè)定為0.2A的情況下，計(jì)算可得電感值約為1mH。同時(shí)，電感的飽和電流應(yīng)大于電路中的最大電流，以防止電感飽和導(dǎo)致電路性能下降，一般選擇飽和電流為最大電流1.5倍-2倍的電感。對(duì)于Flyback電路的電感，其電感值的計(jì)算較為復(fù)雜，需要考慮變壓器的匝數(shù)比、輸入輸出電壓和功率等因素。通過變壓器的設(shè)計(jì)公式N_{p}=\frac{V_{in}t_{on}}{\DeltaBA_{e}}（其中N_{p}為初級(jí)繞組匝數(shù)，t_{on}為開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，\DeltaB為磁芯的磁通密度變化量，A_{e}為磁芯的有效截面積）和電感值公式L_{p}=\frac{N_{p}^{2}\mu_{e}A_{e}}{l_{e}}（其中L_{p}為初級(jí)繞組電感，\mu_{e}為磁芯的有效磁導(dǎo)率，l_{e}為磁芯的有效磁路長(zhǎng)度），結(jié)合電路的具體參數(shù)，計(jì)算得到合適的電感值。電容在電路中主要用于濾波和儲(chǔ)能，其電容值和耐壓值的選擇對(duì)電路的穩(wěn)定性和輸出電壓的紋波有重要影響。在Boost電路中，輸入電容用于濾除輸入電流的高頻紋波，提高輸入電流的質(zhì)量，一般選擇電容值較大的電解電容和陶瓷電容組合，電解電容提供大容量的儲(chǔ)能，陶瓷電容用于濾除高頻噪聲，輸入電容的電容值可根據(jù)輸入電流和紋波要求來確定，通常在幾微法到幾十微法之間。輸出電容用于平滑輸出電壓，減小輸出電壓的紋波，可選擇電容值較大的電解電容和薄膜電容組合，輸出電容的電容值根據(jù)輸出電流和紋波要求計(jì)算，一般在幾十微法到幾百微法之間。耐壓值應(yīng)大于電路中的最大電壓，對(duì)于輸出電壓為400V的Boost電路，輸出電容的耐壓值應(yīng)選擇500V以上。在Flyback電路中，輸出電容同樣用于平滑輸出電壓，可根據(jù)輸出電壓和電流的要求選擇合適的電容值和耐壓值，由于Flyback電路的輸出電壓相對(duì)較低，輸出電容的耐壓值一般選擇50V-100V。4.2控制電路設(shè)計(jì)4.2.1控制芯片選擇對(duì)于單周期控制單相兩級(jí)有源功率因數(shù)校正器的控制電路，控制芯片的選擇至關(guān)重要。目前，市場(chǎng)上有多種適合單周期控制的控制芯片，其中IR1150S和ICE1PCS01是較為典型的兩款芯片。IR1150S是IR公司推出的一款專用于AC/DC功率因數(shù)校正電路的控制芯片，它采用了單周期控制（One-CycleControl，OCC）技術(shù)，無需傳統(tǒng)PFC芯片所需的模擬乘法器、輸入電壓采樣以及固定的三角波振蕩器，大大簡(jiǎn)化了PFC電路的設(shè)計(jì)，縮小了裝置體積。IR1150S具有集成度高的顯著特點(diǎn)，內(nèi)部集成了誤差放大器、比較器、驅(qū)動(dòng)電路等多種功能模塊，僅需少量的外圍元件即可構(gòu)成完整的控制電路。這不僅減少了元件數(shù)量，降低了成本，還提高了電路的可靠性和穩(wěn)定性。其控制功能強(qiáng)大，能夠精確地控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電流的有效控制，使輸入電流緊密跟蹤輸入電壓，從而實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)校正。在實(shí)際應(yīng)用中，使用IR1150S設(shè)計(jì)的300W功率因數(shù)校正器，功率因數(shù)可達(dá)到0.99以上，總諧波失真小于5%。IR1150S還具有過壓保護(hù)、過流保護(hù)等多種保護(hù)功能，能夠有效保護(hù)電路在異常情況下的安全運(yùn)行。ICE1PCS01是英飛凌公司推出的一款基于單周期控制技術(shù)的PFC控制芯片，它在單周期控制的基礎(chǔ)上采用了平均電流控制方式，增強(qiáng)了電路的抗擾性。ICE1PCS01的控制精度高，通過精確控制電感電流，使輸入電流能夠更好地跟蹤輸入電壓，提高功率因數(shù)校正效果。在一些對(duì)功率因數(shù)要求較高的場(chǎng)合，使用ICE1PCS01的PFC電路能夠?qū)⒐β室驍?shù)提高到0.995以上。它還具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，當(dāng)輸入電壓或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，能夠快速調(diào)整控制信號(hào)，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)穩(wěn)定。在輸入電壓突然變化時(shí)，ICE1PCS01能夠在幾個(gè)開關(guān)周期內(nèi)使系統(tǒng)重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，保證輸出電壓和電流的穩(wěn)定性。綜合考慮單周期控制的特點(diǎn)以及功率因數(shù)校正器的性能要求，選擇IR1150S作為單周期控制單相兩級(jí)有源功率因數(shù)校正器的控制芯片。IR1150S的單周期控制技術(shù)與本文所設(shè)計(jì)的功率因數(shù)校正器的控制需求高度契合，能夠充分發(fā)揮單周期控制的優(yōu)勢(shì)。其簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的控制功能，有利于簡(jiǎn)化控制電路的設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。IR1150S的成本相對(duì)較低，在滿足性能要求的前提下，能夠有效降低整個(gè)功率因數(shù)校正器的成本，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。4.2.2外圍電路設(shè)計(jì)為了使控制芯片IR1150S能夠正常工作并實(shí)現(xiàn)對(duì)主電路的有效控制，需要設(shè)計(jì)與之配合的外圍電路，主要包括采樣電路和驅(qū)動(dòng)電路等。采樣電路的作用是采集主電路中的電壓和電流信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為適合控制芯片處理的信號(hào)。電壓采樣電路用于采集輸入電壓和輸出電壓信號(hào)，為控制芯片提供反饋信息，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的穩(wěn)定控制和功率因數(shù)校正。采用電阻分壓的方式來實(shí)現(xiàn)電壓采樣，通過合理選擇電阻的阻值，將輸入電壓和輸出電壓按一定比例降低后輸入到控制芯片的相應(yīng)引腳。在輸入電壓采樣中，選用兩個(gè)高精度的電阻R1和R2組成分壓電路，輸入電壓VIN經(jīng)過R1和R2分壓后得到VIN_S，VIN_S=VIN×R2/(R1+R2)。將VIN_S輸入到IR1150S的電壓采樣引腳，控制芯片根據(jù)該信號(hào)來調(diào)整開關(guān)管的占空比，以實(shí)現(xiàn)輸入電流對(duì)輸入電壓的跟蹤。對(duì)于輸出電壓采樣，同樣采用電阻分壓的方式，選用電阻R3和R4，輸出電壓VOUT經(jīng)過分壓后得到VOUT_S，VOUT_S=VOUT×R4/(R3+R4)。將VOUT_S輸入到控制芯片的反饋引腳，通過與內(nèi)部參考電壓比較，控制芯片調(diào)整開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，以穩(wěn)定輸出電壓。在設(shè)計(jì)電壓采樣電路時(shí)，要注意電阻的精度和穩(wěn)定性，選擇溫度系數(shù)小、精度高的電阻，以確保采樣信號(hào)的準(zhǔn)確性。電流采樣電路用于采集主電路中的電感電流信號(hào)，為控制芯片提供電流反饋，實(shí)現(xiàn)對(duì)電感電流的控制。通常采用電流互感器或采樣電阻來實(shí)現(xiàn)電流采樣。采用采樣電阻的方式，在主電路中串聯(lián)一個(gè)小阻值的采樣電阻RS，電感電流IL流過RS時(shí)會(huì)在其兩端產(chǎn)生電壓降VRS=IL×RS。將VRS輸入到控制芯片的電流采樣引腳，控制芯片根據(jù)該電壓信號(hào)來檢測(cè)電感電流的大小，并通過調(diào)整開關(guān)管的占空比來控制電感電流，使其跟蹤輸入電壓，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。在選擇采樣電阻時(shí)，要考慮電阻的功率和精度，采樣電阻的功率應(yīng)能夠承受主電路中的最大電流，同時(shí)要保證電阻的精度，以準(zhǔn)確檢測(cè)電感電流。驅(qū)動(dòng)電路的作用是將控制芯片輸出的控制信號(hào)進(jìn)行放大和隔離，以驅(qū)動(dòng)主電路中的功率開關(guān)管。由于功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電流較大，控制芯片輸出的信號(hào)無法直接驅(qū)動(dòng)，因此需要驅(qū)動(dòng)電路來增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力。采用專用的驅(qū)動(dòng)芯片來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能，如IR2110。IR2110是一款高電壓、高速的功率MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)器，具有獨(dú)立的高端和低端輸出通道，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)功率開關(guān)管的快速驅(qū)動(dòng)。IR1150S的輸出信號(hào)經(jīng)過電阻R5和R6限流后輸入到IR2110的輸入引腳，IR2110將輸入信號(hào)進(jìn)行放大后，通過其高端輸出引腳HO和低端輸出引腳LO分別連接到主電路中功率開關(guān)管的柵極，驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷。在驅(qū)動(dòng)電路中，還需要添加一些保護(hù)元件，如穩(wěn)壓二極管、電阻等，以防止功率開關(guān)管在開關(guān)過程中受到過電壓和過電流的沖擊。在功率開關(guān)管的柵極和源極之間并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓二極管，當(dāng)柵極電壓過高時(shí)，穩(wěn)壓二極管導(dǎo)通，將柵極電壓鉗位在一定值，保護(hù)功率開關(guān)管的柵極不被擊穿。在設(shè)計(jì)外圍電路時(shí)，還需要考慮電路的抗干擾能力，采取一些抗干擾措施，如增加濾波電容、合理布線等，以確保控制電路的穩(wěn)定運(yùn)行。在控制芯片的電源引腳和地引腳之間并聯(lián)一個(gè)小容量的陶瓷電容和一個(gè)大容量的電解電容，組成π型濾波電路，以濾除電源中的高頻噪聲和低頻紋波，為控制芯片提供穩(wěn)定的電源。在布線時(shí)，要將模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)分開布線，避免相互干擾；同時(shí)，要縮短信號(hào)傳輸線的長(zhǎng)度，減少信號(hào)的傳輸延遲和干擾。4.3電路參數(shù)計(jì)算4.3.1電感值計(jì)算電感在功率因數(shù)校正器中起著關(guān)鍵作用，其電感值的準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)于電路性能至關(guān)重要。在單周期控制單相兩級(jí)有源功率因數(shù)校正器中，前級(jí)Boost電路和后級(jí)Flyback電路的電感值計(jì)算方法有所不同。對(duì)于前級(jí)Boost電路，假設(shè)輸入電壓范圍為V_{in(min)}到V_{in(max)}，輸出電壓為V_{o}，開關(guān)頻率為f_{s}，最大輸出功率為P_{o}，效率為\eta。根據(jù)電感電流連續(xù)模式（CCM）下的電感值計(jì)算公式L=\frac{V_{in}(V_{o}-V_{in})}{V_{o}f_{s}\DeltaI_{L}}，其中\(zhòng)DeltaI_{L}為電感電流紋波。首先，計(jì)算輸入電壓最高時(shí)和最低時(shí)對(duì)應(yīng)的電流有效值I_{in(min)}和I_{in(max)}：I_{in(min)}=\frac{P_{o}}{\eta\timesV_{in(max)}}I_{in(max)}=\frac{P_{o}}{\eta\timesV_{in(min)}}假設(shè)輸入電壓范圍為110V-220V，輸出電壓V_{o}=400V，開關(guān)頻率f_{s}=100kHz，最大輸出功率P_{o}=300W，效率\eta=0.9。當(dāng)V_{in(max)}=220V時(shí)，I_{in(min)}=\frac{300}{0.9\times220}\approx1.52A；當(dāng)V_{in(min)}=110V時(shí)，I_{in(max)}=\frac{300}{0.9\times110}\approx3.03A。通常，電感電流紋波\DeltaI_{L}可設(shè)定為最大輸入電流有效值的一定比例，假設(shè)取\DeltaI_{L}=0.2I_{in(max)}，則\DeltaI_{L}=0.2\times3.03=0.606A。以最低輸入電壓V_{in(min)}=110V為例，代入電感值計(jì)算公式：L=\frac{110\times(400-110)}{400\times100\times10^{3}\times0.606}\approx1.31mH對(duì)于后級(jí)Flyback電路，其電感值的計(jì)算較為復(fù)雜，需要考慮變壓器的匝數(shù)比、輸入輸出電壓和功率等因素。設(shè)變壓器初級(jí)繞組電感為L(zhǎng)_{p}，次級(jí)繞組電感為L(zhǎng)_{s}，匝數(shù)比為n=\frac{N_{p}}{N_{s}}（N_{p}為初級(jí)繞組匝數(shù)，N_{s}為次級(jí)繞組匝數(shù)）。在Flyback電路中，根據(jù)變壓器的伏秒平衡原理，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的伏秒積相等，即V_{in}t_{on}=nV_{o}t_{off}。又因?yàn)檎伎毡菵=\frac{t_{on}}{T}（T為開關(guān)周期），則t_{off}=(1-D)T。整理可得：V_{in}D=nV_{o}(1-D)，進(jìn)一步得到D=\frac{nV_{o}}{V_{in}+nV_{o}}。假設(shè)Flyback電路的輸出電壓V_{o}=5V，匝數(shù)比n=80，當(dāng)輸入電壓V_{in}=400V時(shí)，占空比D=\frac{80\times5}{400+80\times5}=0.5。根據(jù)電感的能量公式E=\frac{1}{2}Li^{2}，在Flyback電路中，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感儲(chǔ)存和釋放的能量相等，即\frac{1}{2}L_{p}I_{p}^{2}=\frac{1}{2}L_{s}I_{s}^{2}，又因?yàn)镮_{p}=\frac{I_{s}}{n}（理想變壓器條件下，初級(jí)和次級(jí)電流關(guān)系），則L_{p}=n^{2}L_{s}。通常，先根據(jù)輸出功率和輸出電壓計(jì)算出次級(jí)電流I_{s}=\frac{P_{o}}{V_{o}}，假設(shè)P_{o}=300W，V_{o}=5V，則I_{s}=\frac{300}{5}=60A。再根據(jù)占空比和開關(guān)頻率等參數(shù)，通過迭代計(jì)算或經(jīng)驗(yàn)公式來確定初級(jí)繞組電感L_{p}的值。假設(shè)經(jīng)過計(jì)算和實(shí)際調(diào)試，選擇初級(jí)繞組電感L_{p}=500\muH。綜合考慮，選擇前級(jí)Boost電路電感值為1.5mH，后級(jí)Flyback電路初級(jí)繞組電感值為500\muH。這樣的電感值選擇能夠滿足電路在不同工作條件下的要求，保證功率因數(shù)校正器的穩(wěn)定運(yùn)行和良好性能。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要考慮電感的飽和電流、直流電阻等參數(shù)，選擇合適的電感型號(hào)，以確保電感在電路中能夠正常工作，不出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，同時(shí)盡量減小電感的功率損耗。4.3.2電容值計(jì)算電容在單周期控制單相兩級(jí)有源功率因數(shù)校正器中主要起到濾波和儲(chǔ)能的作用，其電容值的計(jì)算對(duì)于保證電路的穩(wěn)定性和輸出電壓的質(zhì)量至關(guān)重要。下面分別對(duì)輸入電容和輸出電容的計(jì)算進(jìn)行詳細(xì)闡述。輸入電容主要用于濾除輸入電流的高頻紋波，提高輸入電流的質(zhì)量。在Boost電路中，輸入電容的電容值C_{in}可根據(jù)以下公式計(jì)算：C_{in}=\frac{I_{in}}{2\pif_{r}\DeltaV_{in}}，其中I_{in}為輸入電流有效值，f_{r}為輸入電流紋波頻率，\DeltaV_{in}為允許的輸入電壓紋波。假設(shè)輸入電流有效值I_{in}在前面計(jì)算中得到的最大值I_{in(max)}=3.03A，輸入電流紋波頻率f_{r}一般為開關(guān)頻率f_{s}的整數(shù)倍，這里取f_{r}=2f_{s}=2\times100kHz=200kHz，允許的輸入電壓紋波\DeltaV_{in}設(shè)為輸入電壓的5\%，即當(dāng)輸入電壓V_{in(min)}=110V時(shí)，\DeltaV_{in}=0.05\times110=5.5V。將這些值代入公式可得：C_{in}=\frac{3.03}{2\pi\times200\times10^{3}\times5.5}\approx4.37\muF。實(shí)際選擇輸入電容時(shí)，通常會(huì)選擇電容值較大的電解電容和陶瓷電容組合，電解電容提供大容量的儲(chǔ)能，陶瓷電容用于濾除高頻噪聲。因此，可選擇一個(gè)10\muF的電解電容和一個(gè)0.1\muF的陶瓷電容并聯(lián)作為輸入電容。輸出電容用于平滑輸出電壓，減小輸出電壓的紋波。在Boost電路中，輸出電容的電容值C_{o}可根據(jù)以下公式計(jì)算：C_{o}=\frac{I_{o}}{2\pif_{o}\DeltaV_{o}}，其中I_{o}為輸出電流，f_{o}為輸出電壓紋波頻率，\DeltaV_{o}為允許的輸出電壓紋波。假設(shè)輸出電壓V_{o}=400V，輸出功率P_{o}=300W，則輸出電流I_{o}=\frac{P_{o}}{V_{o}}=\frac{300}{400}=0.75A。輸出電壓紋波頻率f_{o}一般為開關(guān)頻率f_{s}，這里f_{o}=100kHz，允許的輸出電壓紋波\DeltaV_{o}設(shè)為輸出電壓的1\%，即\DeltaV_{o}=0.01\times400=4V。將這些值代入公式可得：C_{o}=\frac{0.75}{2\pi\times100\times10^{3}\times4}\approx2.98\muF。實(shí)際應(yīng)用中，可選擇一個(gè)47\muF的電解電容和一個(gè)1\muF的薄膜電容并聯(lián)作為輸出電容，以滿足輸出電壓紋波的要求。在Flyback電路中，輸出電容同樣用于平滑輸出電壓。假設(shè)Flyback電路的輸出電壓V_{o}=5V，輸出電流I_{o}根據(jù)輸出功率P_{o}=300W計(jì)算為I_{o}=\frac{300}{5}=60A。輸出電壓紋波頻率f_{o}為開關(guān)頻率f_{s}=100kHz，允許的輸出電壓紋波\DeltaV_{o}設(shè)為輸出電壓的2\%，即\DeltaV_{o}=0.02\times5=0.1V。根據(jù)公式C_{o}=\frac{I_{o}}{2\pif_{o}\DeltaV_{o}}，可得C_{o}=\frac{60}{2\pi\times100\times10^{3}\times0.1}\approx9.55\muF。實(shí)際選擇一個(gè)10\muF的電解電容作為Flyback電路的輸出電容。通過以上計(jì)算和選擇，能夠確保輸入電容和輸出電容滿足電路對(duì)紋波電壓和電流的要求，保證功率因數(shù)校正器輸出穩(wěn)定的電壓，提高電路的性能和可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要考慮電容的耐壓值、等效串聯(lián)電阻（ESR）等參數(shù)，選擇合適的電容型號(hào)，以避免電容在工作過程中出現(xiàn)損壞或性能下降的情況。4.3.3其他參數(shù)計(jì)算除了電感值和電容值，電阻值和開關(guān)頻率等參數(shù)對(duì)于單周期控制單相兩級(jí)有源功率因數(shù)校正器的性能也有著重要影響。電阻在電路中主要用于分壓、限流和提供偏置等。在電壓采樣電路中，如前所述，采用電阻分壓的方式來采集輸入電壓和輸出電壓信號(hào)。假設(shè)輸入電壓采樣電阻R1和R2，輸出電壓采樣電阻R3和R4。為了保證采樣信號(hào)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，電阻的精度和穩(wěn)定性至關(guān)重要。以輸入電壓采樣為例，假設(shè)輸入電壓范圍為110V-220V，經(jīng)過整流后直流電壓范圍為110\sqrt{2}V-220\sqrt{2}V，即155.56V-311.13V?？刂菩酒琁R1150S的電壓采樣引腳可承受的電壓范圍有限，假設(shè)為0-5V。為了將輸入電壓信號(hào)按比例降低到合適的范圍，根據(jù)電阻分壓公式V_{out}=\frac{R2}{R1+R2}V_{in}，設(shè)R1=1M\Omega，則R2的值可通過以下計(jì)算得到：當(dāng)V_{in}=311.13V時(shí)，5=\frac{R2}{1\times10^{6}+R2}\times311.13，解方程可得R2\approx16.7k\Omega。同理，對(duì)于輸出電壓采樣電阻R3和R4，假設(shè)輸出電壓V_{o}=400V，控制芯片反饋引腳可承受的電壓范圍為0-5V。設(shè)R3=1M\Omega，則R4的值為：5=\frac{R4}{1\times10^{6}+R4}\times400，解方程可得R4\approx12.8k\Omega。在電流采樣電路中，采用采樣電阻RS來采集電感電流信號(hào)。采樣電阻的阻值一般較小，以減小功率損耗。假設(shè)電感電流最大值為I_{Lmax}，控制芯片電流采樣引腳可承受的最大電壓為V_{cs(max)}。根據(jù)V_{RS}=I_{Lmax}\timesRS，為了保證采樣信號(hào)不超過控制芯片的承受范圍，假設(shè)I_{Lmax}=5A，V_{cs(max)}=0.5V，則采樣電阻RS=\frac{V_{cs(max)}}{I_{Lmax}}=\frac{0.5}{5}=0.1\Omega。開關(guān)頻率是影響功率因數(shù)校正器性能的重要參數(shù)之一。較高的開關(guān)頻率可以減小電感和電容的尺寸，提高功率密度，但同時(shí)也會(huì)增加開關(guān)損耗。較低的開關(guān)頻率則會(huì)導(dǎo)致電感和電容尺寸增大，但開關(guān)損耗較小。在單周期控制單相兩級(jí)有源功率因數(shù)校正器中，開關(guān)頻率f_{s}的選擇需要綜合考慮多個(gè)因素。根據(jù)前面的設(shè)計(jì)，選擇開關(guān)頻率f_{s}=100kHz。這個(gè)開關(guān)頻率在保證一定功率密度的同時(shí)，能夠有效控制開關(guān)損耗。在實(shí)際應(yīng)用中，還可以通過實(shí)驗(yàn)和仿真進(jìn)一步優(yōu)化開關(guān)頻率，以達(dá)到最佳的性能和效率。例如，在不同的負(fù)載條件下，測(cè)試不同開關(guān)頻率下功率因數(shù)校正器的效率和輸出電壓紋波等性能指標(biāo)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果選擇最合適的開關(guān)頻率。五、仿真分析與驗(yàn)證5.1仿真平臺(tái)介紹為了驗(yàn)證單周期控制單相兩級(jí)有源功率因數(shù)校正器設(shè)計(jì)的正確性和性能，本文選用MATLAB/Simulink作為仿真平臺(tái)。MATLAB是一款廣泛應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算和工程領(lǐng)域的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，而Simulink是MATLAB中的一個(gè)重要附加產(chǎn)品，它提供了一個(gè)可視化的多域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)環(huán)境，在電力電子電路仿真中具有顯著優(yōu)勢(shì)。MATLAB/Simulink擁有豐富的庫函數(shù)，這為電力電子電路仿真提供了極大的便利。在Simulink的電力系統(tǒng)模塊庫中，包含了各種電力電子基本元件模型，如二極管、晶閘管、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）等，這些模型能夠精確地模擬實(shí)際元件的電氣特性。在搭建單周期控制單相兩級(jí)有源功率因數(shù)校正器的仿真模型時(shí)，可以直接從庫中調(diào)用這些元件模塊，無需自行建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，大大節(jié)省了時(shí)間和精力。庫中還包含了變壓器、電機(jī)、交流電（AC）和直流電（DC）電源等電力系統(tǒng)元件模型，以及模擬控制器和數(shù)字控制器等控制系統(tǒng)模型，如PID控制器、模糊邏輯控制器等，能夠滿足不同類型電力電子電路的仿真需求。Simulink具有強(qiáng)大的分析功能。它能夠?qū)﹄娏﹄娮与娐愤M(jìn)行全面的動(dòng)態(tài)分析，包括穩(wěn)態(tài)分析、瞬態(tài)分析、諧波分析等。在穩(wěn)態(tài)分析中，可以獲取電路在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的各種參數(shù)，如電壓、電流、功率因數(shù)等，通過這些參數(shù)可以評(píng)估電路的性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。在瞬態(tài)分析中，能夠模擬電路在啟動(dòng)、負(fù)載突變等情況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，觀察電路從一個(gè)穩(wěn)態(tài)到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)的過渡過程，分析電路的穩(wěn)定性和可靠性。諧波分析功能則可以對(duì)電路中的諧波含量進(jìn)行精確計(jì)算和分析，幫助研究人員了解電路對(duì)電網(wǎng)的諧波污染程度，為優(yōu)化電路設(shè)計(jì)提供依據(jù)。Simulink的圖形化建模方式使得用戶可以通過直觀的拖拽模塊和連接信號(hào)線的方式構(gòu)建電力電子電