连续导通模式图腾柱无桥PFC变换器的分析与设计

摘要

氮化镓(GaN)器件的出现使图腾柱无桥PFC(Power Factor Correction)变换器能够工作在连续导通模式。图腾柱无桥PFC变换器所用半导体开关管数量最少，工作时其原边电流只流过一个高频开关管和工频开关管，在工作运行时具有最少的通态损耗，因此图腾柱无桥PFC变换器成为效率最高的功率因数校正变换器。然而，其拓扑在交流输入电压过零点附近存在的电流尖峰，导致了更多的电流谐波畸变和电磁干扰问题，使图腾柱无桥PFC变换器难以推广应用。因此分析图腾柱无桥PFC变换器交流输入电压过零点附近的电流尖峰问题具有重要意义。
　　本文设计了一种解决交流电压过零点附近电流尖峰问题的图腾柱无桥PFC变换器，主要完成了三个方面的工作:首先，分析了图腾柱无桥PFC变换器的结构特点和工作原理，并从全桥变换器结构的角度详细分析了电流尖峰问题的产生机理。其次，针对高频桥臂最小占空比限制和低频桥臂转换延时导致的交流电压过零点附近的电流尖峰问题，采用了对低频桥臂进行死区时间补偿、对高频桥臂进行占空比数字归并的控制方法。最后，完成了一台1kw图腾柱无桥PFC变换器样机的软硬件设计。
　　基于1kw变换器样机，本文对以上分析和设计进行了验证。实测结果表明，变换器的工作频率为100kHz，在全负载范围内，变换器样机的PF值均大于0.96，且轻载时的效率达到96.4％，满载时效率达到98.1％。并且交流电压过零点附近的电流尖峰明显减少，总谐波失真(THD)最小为3.7％。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容与设计指标

1．3．1 研究内容

1．3．2 设计指标

1．4 论文组织结构

第二章 图腾柱无桥PFC变换器的基本原理分析

2．1 单相有源Boost PFC变换器的基本原理

2．2 无桥PFC变换器的原理分析与拓扑对比

2．2．1 基本无桥PFC变换器的原理分析

2．2．2 改进型无桥PFC变换器拓扑对比

2．3 基于GaN器件和同步整流技术的图腾柱无桥PFC变换器

2．4 本章小结

第三章 交流电压过零点附近电流尖峰问题的优化控制

3．1 交流电压过零点附近电流尖峰问题的传统分析

3．2 交流电压过零点附近电流尖峰问题的定量分析

3．2．1 桥臂中点输出电压和交流输入电压的相位延时

3．2．2 过零点附近的电流波形畸变

3．2．3 过零点附近电流尖峰的产生机理

3．3 一种新型的数字PFC控制方法

3．3．1 低频桥臂转换延时的死区时间补偿

3．3．2 高频桥臂占空比的数字归并

3．4 本章小结

第四章 图腾柱无桥PFC变换器的软硬件设计

4．1 变换器的硬件设计

4．1．1 功率电路设计

4．1．2 控制电路设计

4．2 变换器的软件设计

4．2．1 控制芯片的选型

4．2．2 双环PI数字控制器设计

4．2．3 变换器控制程序设计

4．3 本章小结

第五章 系统测试与结果分析

5．1 样机实物图与相关测试平台

5．2 样机测试结果分析

5．2．1 输入AC电压过零点附近的电流波形

5．2．2 变换器样机的PF值和效率测试

5．3 测试结果总结

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及研究成果