單周期控制的功率因數校正電路設計

電力電子裝置的諧波污染是電力電子技術發展的一個障礙，因此，減小電力電子裝置，尤其是AC／DC整流器對電網的污染，改善網側電流波形，提高功率因數日益受到重視。傳統的有源功率因數校正電路(APFC，active power factor corrector)可以把電源的輸入電流變換為與輸入市電同相位的正弦波，從而提高電器設備的功率因數，減少對電網的諧波污染。但其電流控制需要乘法器以及檢測輸入電壓與輸入電流，控制電路復雜，乘法器的非線性失真也增加了輸入電流的諧波含量，因此，不帶乘法器的控制方式成為APFC研究中的一個熱點。90年代初期美國學者Keyue M Smedley提出了一種不需要乘法器的新穎控制方法即單周期控制。單周期控制的理念是基于實時控制開關的占空比，使每個周期內開關整流器二極管輸出的脈沖波形的平均值恰好等于或者正比于控制參考量，平均輸入電流跟蹤參考電流且不受負載電流的約束，即使負載電流具有很大的諧波也不會使輸入電流發生畸變。因而將單周期控制技術應用于PFC整流器中可以實現低電流畸變和高功率因數，這種控制方法取消了傳統控制方法中的乘法器，使整個控制電路的復雜程度降低，是一種很有發展前景的控制方法。本文基于單周期控制原理，以IR1150為控制核心，設計一種200 W的功率因數校正電路，可把功率因數提高至0．98以上。

1 單周期控制原理
單周期控制是一種大信號、非線性PWM控制技術，它具有許多傳統控制方法無法比擬的優點，如：較快的動態響應速度、良好的抗電源干擾能力以及開關誤差校正等。該控制技術的突出優點是：無論是穩態還是暫態，它都能保持受控量的平均值恰好等于或正比于給定值，即能在一個開關周期內，有效的抵制電源側的擾動，既沒有穩態誤差，也沒有暫態誤差。這種控制技術可以廣泛應用于非線性系統的場合，比如脈寬調制、諧振、軟開關的變換器等。下面以Buck變換器為例來說明單周期控制技術的原理。

圖1所示為單周期控制變換器原理圖。為分析方便，假定直流輸入電壓為vg，開關頻率fs為常數。其控制電路的工作原理如下：當開關S導通時，二極管截止，其兩端電壓Vd等于直流輸入電壓vg，當開關S關斷時，二極管D導通，其兩端電壓Vd為零。因此二極管上電壓的平均值為：

電路開始工作時，由控制器產生恒定頻率的開關脈沖，開通開關S，二極管上的電壓vd經積分器開始積分，當積分器的輸出電壓vint達到給定值vref時，比較器輸出翻轉，觸發器發出關斷信號關斷開關S，同時發出復位信號使實時積分器復位為零。由上面分析，得出：

采用單周期控制時vd電壓的平均值在每一個開關周期內都與vref完全相同，并且與輸入電壓的大小無關。
通過以上分析可知，采用單周期控制系統完全抑制了輸入電壓的干擾，具有良好的直流電壓調節特性，當開關頻率足夠高時，系統可以得到高質量的直流輸出電壓。這就是單周期控制的基本思想。