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单周期控制PFC原理单周期控制PFC（Power Factor Correction，功率因数校正）是一种电力电子技术，旨在改善交流电源的功率因数（Power Factor，PF）。
传统的交流电源通常具有低功率因数，这会导致能源浪费和对电力网络的污染。
单周期控制PFC通过实时监测输入电压和电流，在每个输入电压周期内调整开关器件的导通时间，以实现校正功率因数的目的。
1.采样：在交流电源的输入端采样电压和电流信号。
一般来说，电流传感器和电压传感器被用于测量电流和电压的值。
2.整流：将输入电压经过整流器后转换为直流信号。
整流器主要包含二极管或整流桥等器件，将输入交流电压转换为等效的直流电压，用于后续的处理。
3.参考电流生成：参考电流是根据输入电压和电流的波形来产生的。
参考电流的波形通常与输入电压的波形相位补偿。
4.比较和判断：将采样的电压和电流信号和参考电流进行比较，并判断是否需要调整开关器件的导通时间。
5. PWM（Pulse Width Modulation）控制：当判断出需要调整开关器件导通时间时，通过PWM控制信号调整开关器件的导通时间。
PWM信号的占空比和频率将根据输入电压和电流的实时变化进行调整，以实现功率因数的校正。
6.控制开关器件：通过PWM控制信号，控制开关器件（如MOSFET、IGBT等）的导通和截止，以控制输出电压和电流的波形。
7.输出滤波和反馈：通过输出滤波电路去除PWM调制过程引入的高频噪声，并将输出电压和电流信号反馈给比较和判断部分，形成闭环控制。
然而，单周期控制PFC也存在一些缺点。
首先，其实时性和稳定性受到输入电压和负载的变化影响。
另外，由于单周期控制PFC的负荷无法预测，这种控制方法需要通过不断调整开关器件的导通时间来实现功率因数校正，这可能引入一定的开关损耗。
综上所述，单周期控制PFC是一种基于实时监测和调整开关器件导通时间的电力电子控制技术，用于实现交流电源的功率因数校正。
单周控制原理及其应用0 引言20 世纪90 年代初，美国加州理工学院的K.M.Smedley 博士提出一种大信号非线性控制理论方法———单周控制理论（One Cycle Control），它是在开关放大器的PWM控制基础上发展起来的。
其突出优点是无论在稳态还是在暂态情况下，都能保持受控量的平均值恰好等于或正比于控制参考信号，即能在一个周期内，有效地抵制电源侧的扰动，既没有静态误差也没有动态误差，动态响应快速，对输入扰动抑制能力强。
开关变换器是脉冲式的非线性动态系统，大多数采取的控制方案是首先通过线性化控制方程逼近这个非线性动态系统，然后再采用线性反馈技术进行控制。
这种方法限制了开关非线性系统的功能。
而单周控制没有这种限制，因而得到了学术界的广泛认可，也成为了学者们研究的热点。
单周控制与其它现有PWM控制方法相比，结构简单、响应速度快、稳定性好，可适应高精度、高速度和高抗干扰的控制要求。
单周控制已在DC-DC变换器、功率因数校正、有源电力滤波器、逆变器、开关功率放大器、不间断电源、交流稳压电源、静止无功发生器以及功率放大和光伏电源最大功率点跟踪控制等方面得到大量应用。
在国外，己有公司开始致力于将单周控制模块化并投入到商业运营。
1 单周控制原理将单周控制的基本原理应用于各种电流控制上，就可以得到电荷控制（Charge Control），准电荷控制（Quasi-Charge Control），非线性载波控制（Nonlinear Carrier Control）和输入电流整形技术（Input Current Control）等新型控制技术。
从形式上看电荷控制是电流型的单周期控制，其控制思想是控制开关的电流量，使之在一个周期内达到期望值。
准电荷控制也是一种电流型的单周控制。
准电荷控制是在电荷控制的基础上，用RC 网络代替电荷控制时电路中的C 网络。
非线性载波控制的控制电流可为开关电流、二极管电流或电感电流，从电路的拓扑结构上讲非线性载波控制技术是在电荷控制的基础上增加了一个外加的非线性补偿，提高了系统的稳定性。
功率因数校正论文：单周期控制软件开关Boost变换器PFC技术的研究【中文摘要】开关电源是为用电设备提供直流电源的一种电力电子装置,获得越来越广泛的应用。
但由此产生的网侧输入功率因数降低和谐波污染等问题也日趋严重,功率因数校正(Power Factor Correction, PFC)技术可有效地减少网侧输入电流谐波含量并提高电源功率因数,正成为电力电子研究的热点之一。
在各种用于PFC变换器的电路拓扑中,Boost变换器因其拓扑结构简单、变换效率高、控制策略易实现等优点,被广泛应用于PFC电路中。
Boost PFC变换器根本都是工作于不连续导电模式(Discontinuous Conduction Mode, DCM)和连续导电模式(Continuous Conduction Mode, CCM)。
目前,大多采用平均电流控制来到达功率因数校正的,但平均电流控制中需要检测输入电压、电感电流、输出电压,并且使用乘法器来实现,使得系统控制复杂,投资增加。
单周期控制技术和软开关技术都是近些年来被提出的用于PFC的新型技术,单周期控制(One Cycle Control, OCC)作为一种新型的控制方式在功率因数校正(Power Factor Correction, PFC)电路中得到广泛地应用。
单周期控制是一种新兴的非线性控制技术,与传统线性控制相比,它考虑到了开关非线性的影响,更适合对开关变换器的控制,能使系统有更快的动态响应、更强的鲁棒性和更好的输入波动抑制特性,并且单周控制PFC技术不需要乘法器,无需采样输入电压,简化了控制电路的设计。
而软开关技术的应用对于降低开关损耗,进而提高开关频率,无疑起到极为重要的作用。
本文采用的基于单周期控制的软开关Boost PFC变换器,在深入分析了单周期控制原理的根底上,将无源无损软开关技术应用于Boost PFC变换器中。
本文第二章详细介绍了无源无损软开关的工作过程,第三章主要分析了用单周期控制的Boost结构有源功率因数校正电路,推导出单相Boost结构APFC的单周期控制方程,并用根本的电路实现这种控制,和其他的APFC控制电路相比,电路结构大大简化。
单周期控制功率因数校正变换器设计杨 宏3摘 要单周期控制是一种用于功率变换器的新型非线性控制策略,当输入电压发生扰动或负载快速变化时,仅在一个周期内就可实现控制目标。
本文简要分析了单周期控制的控制机理,并在Boost变换器中采用了这种新颖的控制方法用于功率因数校正。
基于I R1150研制了一台3kVA的功率因数校正实验样机,给出了设计实例和实验结果。
实验结果表明,该变换器的控制方法简单、可靠和通用。
关键词:变换器 功率因数校正 单周期控制Boost PFC/Converter w ith One Cycle Con trolYang HongAbstractOne cycle contr ol is a novel nonlinear contr ol method f or power converters.A one cyclecontr olled s witch has the ability t o reject the input voltage perturbati on only one s witchingcycle.After the analysis of one cycle contr ol mechanis m in this paper,A3VA PFC con2 verter is designed based on I R1150,the design p r ocess and experi m ental results are giv2 en.Experi m ental results p r ove that the contr ol method of this converter is si m p le,reliableand general.Key words:converter PFC one cycle contr ol一、引 言单周期控制是一种用于功率变换器的新型非线性控制。
开关变换器的单周期控制算法Keyue M. Smedley, Member, IEEE, and Slobodan Cuk,Senior Member, IEEE摘要：一种新型大信号非线性控制技术被提出来控制开关的占空比以致于在每个周期中开关控制器的开关参数的平均值能准确地等于或者正比于在稳态或暂态的控制参数。
单周期控制在一个开关周期内可以有效抑制电源干扰。
在一个开关周期内开关变量的平均值能够紧随动态参数的变化，并且在一个开关周期内控制其可以校正开关错误。
控制参数与开关变量的均值之间不存在稳态误差也不存在动态误差。
用一个在连续周期中运行的buck变换器中进行的实验演示了其控制算法的鲁棒性并且证实了理论猜想。
这种新型的控制算法适用于脉宽调制，基于共振的或者软开关的开关控制器的所有类型在连续或者断续模式下电压或者电流的控制。
而且，它可以用于物理变量的控制，也可以用于某些以开关变量形式或者可以转换为开关变量形式的抽象信号的控制。
一、介绍开关变换器用于非线性脉冲动态系统的控制。
此类系统在合理的非线性脉冲控制下可以具有更强的鲁棒性和更快的动态响应，并且在线性反馈控制下比同样的系统具有更强的电源抗干扰能力。
目前，在电力电子领域已经有很多工作致力于寻找大信号非线性方法来控制开关变换器。
在传统的反馈控制中，占空比线性化为了减小误差。
当电源受到干扰时，比如说有一个大的阶跃，因为误差信号必须先变化，占空比控制无法察觉到这瞬时的变化。
所以在输出电压中，可以观察到一个很明显的瞬态超调。
而这瞬态过程的持续时长取决于回路带宽。
在重新达到稳态前需要经过大量的开关周期。
在电流控制模式下[3]-[5]，一个连续频率的时钟信号在每个开关周期的一开始将开关打开。
当到达控制参考信号时，开关电流开关增长，比较器改变其状态并关断晶体管。
通常会添加一个人为的斜坡信号来消除当占空比大于等于0.5时产生的震荡。
所以，如果这个人为加入的斜坡信号十分精准的等价于电感电流的下降斜率sf，那么系统在一个周期内将具有抗电源干扰的能力。
在buck变换器的连续控制参数下可能是可行的。
总之，在一个开关变换器中电感电流的下降斜率是一些动态参数的函数。
所以，要在一个瞬态过程中让人工加入的斜坡信号跟上电感电流的下降斜率是不可能的。
由于这不协调，电流控制模式在一个开关周期内不可能具有抗电源干扰能力。
在任何情况下，如果控制参数是可变的，无论人工信号如何选择或者选择哪种变换器，电流控制模式在一个周期内都无法跟随控制参数或具有抗电源干扰的能力。
在闭环buck变换器中，在输出电压错误发生前，电源电压直接控制占空比。
如果反馈参数设计精准并且开关时理想的话使输出信号与电源干扰相隔离将成为可能。
而在现实中，开关具有开/关瞬态变化和导通压降。
所以，这种方法也不能十分准确的抑制电源干扰。
在参考文献[6]中介绍的SADTIC变换器具有一个电容整流器将未整流的电源电压转变为三角波，“平衡交流波形”。
这种平衡电流波经整流可产生一系列单极性三角波。
输出电压由三角波的重复率控制。
控制电流包含一个对开关参数与控制参数之间的误差进行持续积分的积分器以达到一个周期内的零误差。
在文献[7]中，进行了一个将这种控制技术扩展到在一个恒开关频率下控制直升机的尝试。
在稳态下，这种连续积分的方法保证了开关变量与控制参数的一致性。
但是，在一个瞬态变化后为了达到一个新的温带将花费很多开关周期。
这种方法类似于连续时间下的线性积分控制，一种产生零稳态误差但不是零动态误差的方法。
而且，当占空比大于或等于0.5的时候这种方法是不稳定的。
滑模控制[8]是一种非线性控制方法，一种定义了滑动面经过所需控制电的方法。
两个开关状态的轨迹从两段到达滑动面并且它们的速度矢量在滑动面附近具有非零成分（达到条件的情况下）。
在滑动表面当运动发生磁滞现象时，Δ<σ<Δ,开关发生翻转，以致在恒磁滞条件下系统沿着欢动表面受到限制。
如果在每个开关周期点的速度矢量的切向分量的平均值只想工作点，那么系统运动将收敛于期望的工作点（收敛条件下）。
通常情况下，运动需要在好几个开关周期下才能收敛至工作点。
如果一个可变的磁滞被用来包络系统运动，开关频率将被锁定[9]。
总而言之，一个满足到达稳态并收敛的全局滑动面可能是不存在的。
一种新的非线性方法，单周期控制[1]，[2]，在恒开关频率工作条件下被提及。
这种方法利用了开关变换器的脉冲性和非线性的特性以及控制开关变量平均值的快速动态响应的性能，比如说电压或者电流的控制；更加特别的是，它仅需要一个开关周期就能使开关变量的平均值在经过一个瞬态变化后达到一个新的稳态。
这种方法具有快速的动态响应性能，卓越的抗电源干扰能力，鲁棒性以及自动校正开关错误等优点。
这种方法也能扩展为控制变频开关控制。
但周期控制是十分常规的病却适用于脉宽调制（PWM）变换器和基于共振的变换器对电压或者电流的控制。
基于文献[1]，[2]，文献[10]报道了一种单周期电流控制的应用。
但是，作者使用了一个新名词“电荷控制”掩饰了它的前身：单周期控制。
在文献[11]-[14]中阐述的单周期控制的扩展及应用演示了单周期控制方法的威力。
在第二章节中，单周期控制理论在进行了自主开发。
在第三章节中，实验结果提供和验证了单周期控制的可行性。
在第四章节中，单周期控制被广发应用于控制变频开关控制。
在第五章节中，结论和更深一步的讨论将被给出。
二、单周期控制这种新型的观念是一buck变换器作为例子进行陈述的。
这种方法被广泛应用于任何开关信号的控制，如物理领域，电力电子领域，机械领域等等。
更深一步在断续传导以及开关错误自动校准特性的分析将被给出。
A、单周期控制概念如图1所示为简单的buck变换器电路。
直流电源为Vg，开关S设定为恒频fs=1/Ts。
当晶体管导通时，二极管关断。
二极管电压Vs等于电源电压Vg。
当晶体管关断时，二极管导通，二极管两端电压Vs为0。
电源电压的下降由开关变量控制的开关决定。
LC低通滤波器在消除不需要的开关频率成分的同时输出开关变量的平均值。
所以，输出电压中包含需要的直流电压值dvg和一部分残留的开关纹波开关变量的密切关注发现了一个简单的事实。
Buck变换器的输出电压为开关变量的平均值。
在这种情况下，二极管电压值等于被开关周期所分成的二极管电压脉冲曲线以下面积之和。
这种观察激发了一种为恒频开关变换器的控制方法，如图2所示。
一个恒频的时钟信号在每个开关周期前将开通晶体管。
二极管电压被参考信号积分和比较。
当二极管积分电压达到控制参数是，比较器改变其状态。
最后，晶体管关断并且积分其重置为0。
假如控制参数是恒定的，那么二极管电压的平均值也为恒定的，所以其输出电压信号如图3所示。
积分器的斜率直接正比于电源电压。
积分器的积分值连续不断的与恒定的控制参数进行比较。
当电源电压较高时，积分器响应斜率越陡；所以，积分器达到控制参数的值也越快。
因此，占空比越小。
当电源电压较低时，占空比则相应较高。
如果控制参数是一个时间的函数，那么二极管电压的平均值等于每个周期内随时间变化的控制参数值。
图4为控制参数有一个变化是的情况。
此时二极管电压的积分值紧随控制参数的值。
在这种控制方法下，占空比d由下式决定：电流开关周期的占空比d独立于先前的开关周期状态。
所以开关变量的瞬态平均值，即二极管电压将在一个开关周期内达到要求。
所以最能准确定义这种非线性控制方法为但周期控制。
由公式（2）决定的占空比是电源电压与控制参数的非线性函数。
在这种非线性控制下，buck变换器的输出电压变为独立于电源电压的控制参数的线性函数，在在buck变换器前面未加输入滤波器的情况下，控制的输出转换函数存在一个540度的最大相移因为右边平面零点的存在。
这回导致传统的反馈控制变得十分困难，特别是当输入滤波器的转角频率与输出滤波器最重要的转角频率相等的情况下。
在单周期控制下，变换器的动态性能对输入滤波器并非十分敏感；所以，这种控制输出的转换函数与一个输出滤波器的二次系统相当。
所以，当有必要时，输出反馈回路能十分简单的执行。
B、单周期控制理论开关有开关函数在频率fs=1/Ts下的函数运行，在每个周期内，开关导通一个连续时间Ton,关断一个连续时间Toff，且Ton+Toff=Ts。
占空比d=Ton/Ts由一个模拟控制参数Vref（t）决定。
在开关输入点输入信号x(t)由开关切断并转化为开关输出节点形成开关变量y(t)。
开关变量y(t)的频率以及脉宽与开关函数k(t)相同。
而y(t)的曲线形状与x(t)相同，如图5所示。
如果开关频率fs比输入信号x(t)或者控制参数Vref（t）的频带都要高，那么开关输出的有效信号也就是开关变量的平均值为开关变量y(t)在开关输出节点时输入信号x（t）和占空比d(t)的函数，所以，开关时非线性的。
如果开关的占空比被调制为在开关输出的开关变量的积分在每个周期内严格等于控制参数的积分也就是：那么在开关输出时，开关变量的平均值在每个周期内严格等于开关参数。
所以开关周期是恒定的。
因而，开关变量的平均值在一个周期内时刻受控制，也就是说根据这概念这种控制开关的方法被定义为单周期控制方法。
在单周期控制中，开关的有效输出信号为开关能完全一致输入信号和线性地对控制参数Vref进行全通。
所以，单周期控制能将非线性控制转化为线性控制。
恒频开关的单周期控制电路图如图6所示。
单周期控制的关键组成部分为积分器和恢复原件。
当开关被固定频率时钟脉冲开通时，积分器开始工作，积分值时刻与控制参数Vref(t)相比较，其中k为一个常数。
在积分值Vint达到控制参数值Vref(t)时，控制器发送一个命令将开关从开通状态变为关断状态。
同时，控制器重置积分器到0。
在当前周期的占空比d=Ton/Ts有下面等式决定：因为开关周期Ts是一个常数，K=1/kTs也为常数，在每个周期内，在开关输出时y(t)的值与开关变量平均值的关系保证为：图7展示了当Vref为常数时的电流波形。
注意到任何物理或者信号开关都能使用单周期控制，也就是说，开关变量可以是任何开关变量或者抽象信号。
C、电流断续模式当变换器工作在电流断续模式下时，单周期控制被保留，证明了积分器的重置时间比电杆放电时间短。
以图1中的buck变换器作为例子。
在断续模式下二极管的电压波形如图8所示。
在t=t1时刻，晶体管关断，电感电流开始下降，当时间从t1到t2，二极管导通而晶闸管仍然处于关断状态。
当t=t3时刻，开关被时钟脉冲导通，二极管电压跳变至电源电压，积分值也随之上升。
当二极管积分电压达到控制参数是，开关关断。
输出电压V0等于二极管电压在整个周期内的平均值。
所以，单周期控制尽管开关变换器工作在断续模式，但仍然是适用的。
D、开关自动较错在上述分析中，都是在假定变换器是理想的情况下进行的。
