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带附加绕组的单级有源功率因数校正变换器：原理、设计与优化

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代电力系统中，随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置如开关电源、变频器、整流器等在工业、商业和居民领域得到了广泛应用。这些装置虽然给人们的生活和生产带来了极大的便利，但它们大多属于非线性负载，会向电网注入大量的谐波电流，导致电网谐波污染日益严重。

谐波的存在会对电力系统产生诸多负面影响。一方面，谐波会使电能的生产、传输和利用效率降低，增加电网的功率损耗。例如，谐波电流会在输电线路和变压器等设备中产生额外的焦耳热损耗，降低设备的运行效率。另一方面，谐波会导致电气设备过热、产生振动和噪声，并加速绝缘老化，缩短设备的使用寿命。同时，谐波还可能引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁，甚至引发电力系统故障，影响电力系统的安全稳定运行。此外，谐波对通信设备和电子设备也会产生严重干扰，影响其正常工作。

为了限制电流波形畸变和谐波，使电磁环境更加干净，国内外都制订了一系列限制电流谐波的标准，如IEC61000-3-2等。这些标准对电气设备的谐波含量提出了严格的要求，促使人们寻求有效的方法来解决谐波问题。

功率因数校正（PowerFactorCorrection，PFC）技术作为解决谐波污染的有效手段，受到了广泛的关注。通过功率因数校正，可以使电源的输入电流跟踪输入电压，功率因数接近为1，从而有效减少谐波电流对电网的污染，提高电能质量。目前，功率因数校正技术主要分为无源功率因数校正和有源功率因数校正两大类。无源功率因数校正通常采用电感、电容等无源元件来实现，其结构简单、成本低，但功率因数提升效果有限，且体积较大。有源功率因数校正则利用电力电子器件和控制电路来实现对输入电流的控制，能够获得较高的功率因数和较低的谐波含量，但其电路结构相对复杂，成本较高。

在有源功率因数校正技术中，单级有源功率因数校正变换器由于其结构简单、成本低等优点，特别适合小功率场合的应用。它将功率因数校正级（PFC级）和直流-直流（DC/DC）变换级集成在一起，共用一套控制电路和开关管，在实现输入电流整形的同时，还能对输出电压进行快速调节。然而，单级有源功率因数校正变换器也存在一些问题，其中最主要的是储能电容电压不可控，会随着输入电压和负载的变化而变化。在输入高压、轻载时，储能电容电压可能会达到较高的值，这不仅对电容的耐压值提出了更高的要求，增加了成本，还会影响变换器的性能和可靠性。

带附加绕组的单级有源功率因数校正变换器的出现，为解决上述问题提供了新的思路。通过在变换器中增加一个附加绕组，可以进一步降低储能电容电压，提高变换器的性能和可靠性。然而，增加附加绕组也会带来一些新的问题，如变换器功率因数随之降低等。因此，如何在保证储能电容电压较低的同时，又能使变换器输入电流谐波满足有关标准，是研究带附加绕组的单级有源功率因数校正变换器的关键问题。

对带附加绕组的单级有源功率因数校正变换器进行深入研究，具有重要的理论意义和实际应用价值。从理论意义上看，研究该变换器有助于进一步完善功率因数校正技术的理论体系，丰富电力电子变换器的拓扑结构和控制策略研究内容。从实际应用价值来看，该变换器能够有效解决小功率场合下的谐波污染和储能电容电压过高问题，提高电能质量，降低设备成本和能耗，对于促进电力电子技术在小功率领域的应用和发展具有重要的推动作用。

1.2国内外研究现状

近年来，随着电力电子技术的不断发展，带附加绕组的单级有源功率因数校正变换器受到了广泛关注，国内外学者在拓扑结构、控制策略、参数设计等方面开展了大量研究，取得了一系列成果。

在拓扑结构方面，国内外学者提出了多种带附加绕组的单级有源功率因数校正变换器拓扑。[文献作者1]提出了一种基于反激变换器的带附加绕组单级有源功率因数校正变换器拓扑，通过附加绕组的巧妙设计，有效降低了储能电容电压，提高了变换器的可靠性。实验结果表明，该拓扑在输入电压变化较大的情况下，仍能保持储能电容电压在较低水平，为解决传统单级变换器储能电容电压过高问题提供了新的途径。然而，这种拓扑也存在一定的局限性，由于附加绕组的存在，变压器的设计和制作难度增加，成本也有所上升。[文献作者2]则研究了一种基于正激变换器的带附加绕组单级有源功率因数校正变换器拓扑，该拓扑在实现功率因数校正的同时，能够实现输出电压的稳定调节，具有较高的效率和良好的动态性能。仿真和实验结果验证了该拓扑的有效性，但在实际应用中，该拓扑对控制电路的要求较高，增加了系统的复杂性。

在控制策略方面，为了提高带附加绕组的单级有源功率因数校正变换器的性能，国内外学者提出了多种控制方法。[文献作者3]提出了一种基于平均电流