随着传统能源危机与可持续发展问题的日益突出,在相关技术发展的推动下,电力电子技术得到了快速发展。越来越多的电力电子设备接入单相电网,提供直流输出电压或交流输出电压,获得了显著的经济效益和社会效益。但是其带来的网侧谐波电流污染问题也是比较严重的。特别是采用整流桥和电解电容作为前级电路的开关电源电路和交直交变频电路,对电网造成了严重的谐波电流污染。功率因数校正,特别是有源功率因数校正(APFC)技术已成为解决谐波电流污染的重要技术,采用模拟APFC专用控制芯片设计的APFC电路已经在工业中得到了广泛的应用,取得了良好的校正效果。不过随着单相设备的功率等级日趋增加,一些应用场合,例如大功率变频柜机空调,在额定输入电压供电下,输入电流已经接近50A,额定功率达到10kW。对模拟APFC专用控制芯片提出了新的更高的功率支持要求。此外,在谐波电流标准制定方面,以往的针对单相电流16A以下的谐波标准IEC61000-3-2已经不能满足要求,单相电流高于16A小于75A应该采用新的谐波电流标准IEC61000-3-12。为了迎合这一趋势,许多半导体公司相继开发出不同工作原理的多级交错APFC的模拟控制芯片,可以支持更高的输出功率,同时克服了大功率单级APFC的缺点,如功率器件选型、成本、在板安装、整机功耗、EMI抑制水平等方面的不足。多级交错APFC必须解决通道间均流问题,现有模拟控制芯片都采用了合适的均流策略,获得了良好的均流效果,当然也存在这许多值得继续研究的地方。基于以上考虑,本论文从多级交错APFC的大功率化设计、均流策略、控制原理、电路工作特性研究、仿真实验分析等方面,对大功率APFC展开了深入的研究,具有理论意义和实际应用价值。主要研究工作如下:(1)详细分析了多级交错APFC系统的组成部分,基于APFC的开环控制理论,建立了单相APFC的无需输出电压检测控制电路。指出APFC的控制本质,从中发现单相APFC为一种“准变换器”,因为理论上的在网压过零点附近占空比大于1,而其最大占空比也不能大于一个小于1的上限,该理论与单相电压源整流器VSR的工作原理相同;(2)在分析单级APFC的电压与电流双闭环控制策略、电感电流合成原理、两级交错APFC中IGBT占空比与电感纹波电流的关系的基础上,设计了电压环和电流环,并采用MATLAB/SIMULINK进行了较为全面的仿真分析。最后基于TI公司推出的模拟控制器UCC28070,设计和实现了额定输出功率3kW,开关频率为35kHz,电感量为350μH的两级交错PFC。结果表明,采用双闭环控制、电流合成原理实现高性能和低成本的交错APFC是可行的,具有很好的纹波电流抑制效果和高性价比;(3)在分析了交错APFC改进的单周期控制、四级交错APFC工作特性的基础上,采用两只RENESAS推出的模拟控制器R2A20104设计和实现了两级交错4kW、四级交错8kW的PFC。实验结果表明,四级交错PFC能够满足谐波电流限度标准,可以作为大功率家用空调、通讯电源等前级PFC的首选方案,具有功率器件电流应力成倍下降、网侧纹波电流抑制和高性价比的优点,而能够提高效率2%以上;(4)根据四级交错功率因数校正器(PFC)功率电路拓扑结构,建立了电流连续模式(CCM)下变换器的EL(Euler-Lagrange)数学模型。证明了四级交错PFC的无源性,采用状态反馈和阻尼注入的方法设计了无源控制器。所提控制方案不需要比例积分环节,控制简单,对与输入电压,负载及系统元件参数的扰动具有较强的鲁棒性。特别在负载变化范围较宽的应用场合中,其电流的动态响应快速,输出直流电压保持不变,很好地实现了PFC的功率因数校正和直流恒压输出功能。采用无源控制策略的多级PFC具有非常好的均流效果。仿真结果证明了所提无源控制器性能优越、方法可行。