【摘 要】
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开关电源广泛应用于交通、娱乐、工业自动化、互联网服务和电子消费品等领域。随着功率等级的提升,电源系统的功率因数、效率和功率密度成为了衡量其性能的重要指标。作为电源系统的前级,功率因数校正（PFC）电路对提升系统功率因数有着至关重要的作用,电源系统的效率也受PFC电路的影响。图腾柱型无桥PFC具有电路简单、流过器件的电流小的优点,但由于其对功率器件的反向恢复性能要求极高,限制了该拓扑电路的发展。本文
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开关电源广泛应用于交通、娱乐、工业自动化、互联网服务和电子消费品等领域。随着功率等级的提升,电源系统的功率因数、效率和功率密度成为了衡量其性能的重要指标。作为电源系统的前级,功率因数校正（PFC）电路对提升系统功率因数有着至关重要的作用,电源系统的效率也受PFC电路的影响。图腾柱型无桥PFC具有电路简单、流过器件的电流小的优点,但由于其对功率器件的反向恢复性能要求极高,限制了该拓扑电路的发展。本文将氮化镓（GaN）器件引入图腾柱型无桥PFC电路拓扑,利用GaN器件反向恢复时间极短的优势,解决了图腾柱型PFC难以采用硅器件实现的难点,提升了电源系统的功率因数、效率和功率密度。首先,介绍了常用PFC电路的拓扑结构,着重介绍了图腾柱型无桥PFC电路拓扑的工作原理,并详细分析了电流连续模式（CCM）下该拓扑结构电路的工作模态。根据设计要求对变换器样机储能元件进行了设计。其次,对图腾柱型无桥PFC变换器进行小信号建模,推导图腾柱型无桥PFC电路拓扑的传递函数,依据模型采用输出电压与电感电流双闭环的控制方式,并将模糊PID控制引入控制系统设计图腾柱型无桥PFC变换器控制系统。基于MATLAB平台的Simulink模块搭建了电源系统的仿真模型,进行了仿真验证。最后,根据设计要求,对基于GaN的2k W图腾柱型无桥PFC电源各硬件电路和控制器软件进行了设计。GaN器件选择XGP6504 GaN HEMTs,控制器选用TMS320F28335。实验结果表明,设计的直流电源样机具备短时过载能力,其额定负载下的功率因数为0.9959,效率为98.5%。验证了所研究方法的有效性。
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