【摘 要】
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开关模式AC/DC变换器广泛用于计算机，数据中心和电信设备的现代电源中。实现功率因数校正(PFC)和高效率是两个最重要的要求，在许多情况下，高功率密度也是衡量变换器性能的一项重要指标。一般来说，变换器的效率和功率密度受功率器件，拓扑和控制策略的影响很大。GaN图腾柱无桥PFC变换器由于电路简单，导通损耗低，且GaN器件具有零反向恢复损耗、低开关损耗和驱动损耗等优异性能，使之成为目前效率最高的PFC变换器。然而若要保持高效率运行，变换器硬开关频率须低于100kHz，因此限制了变换器体积的减小和功率密度的提高
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开关模式AC/DC变换器广泛用于计算机，数据中心和电信设备的现代电源中。实现功率因数校正(PFC)和高效率是两个最重要的要求，在许多情况下，高功率密度也是衡量变换器性能的一项重要指标。一般来说，变换器的效率和功率密度受功率器件，拓扑和控制策略的影响很大。GaN图腾柱无桥PFC变换器由于电路简单，导通损耗低，且GaN器件具有零反向恢复损耗、低开关损耗和驱动损耗等优异性能，使之成为目前效率最高的PFC变换器。然而若要保持高效率运行，变换器硬开关频率须低于100kHz，因此限制了变换器体积的减小和功率密度的提高。
本文将多电平结构引入图腾柱式无桥PFC中，提出了一种五电平飞跨电容无桥PFC变换器，该变换器允许使用更经济有效的低压GaN晶体管。首先，本文分析了五电平无桥PFC变换器的拓扑结构与工作原理，与GaN图腾柱无桥PFC变换器相比，该拓扑具有更低的器件成本、降低的电压应力和高有效开关频率等优点，因此变换器在保持高效率的同时大幅减小主电感和EMI滤波电感的体积，从而提高功率密度。
其次，五电平拓扑由于增加了额外的飞跨电容以及主电感的减小，也给PFC控制带来了挑战。本文通过对电流环和电压环的小信号建模，分析了多电平的参数变化对系统动态性能的影响；同时针对小电感所引起的输入电流过零点畸变问题引入了部分前馈控制，定性分析了前馈控制对系统性能的影响，通过部分前馈控制消除了电感所带来的电流相移，改善了输入电流波形畸变等问题；并通过MATLAB仿真平台，验证了控制策略的有效性。
最后，本文根据变换器设计要求，对其硬件电路参数和关键电路进行了设计，并制作了一台1.6kW五电平飞跨电容无桥PFC变换器样机，对上述分析和设计进行了实验验证。实验结果表明，该样机具有高效率，高功率因数和低输入电流THD等优良性能。
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