论文总字数：32522字

摘 要

随着电力电子技术和通信技术的飞速发展，开关电源广泛应用于各个领域。随之而来的则是更加严峻的环境问题和能源危机。因此，对开关电源的效率提出的要求也变得更高。另一方面，电子设备小型化的潮流要求体积更小的开关电源。故高效率、高功率密度成为开关电源发展的重要指标和方向。与此同时，在开关电源的设计中，为满足电能质量的要求，功率因数矫正电路成为电源中必不可少的一部分。

本文基于对功率因数校正器工作原理的了解，通过相关的仿真、计算以及硬件设计，研究AC-DC功率变换器的实现方法，设计一款超高功率密度AC-DC功率变换器，实现PFC电路功能，高效率以及高功率密度（不小于1W/cm³）的指标。

PFC电路拓扑多种多样，本文从拓扑入手，通过仿真分析，对比不同拓扑结构的功率，效率，元件利用率以及控制难度，结合硬件设计要求，确定了无桥的电路设计方案。

确定拓扑结构后，根据性能指标进行参数计算，筛选合适器件，设计电感，并在充分考虑功率密度的前提下，使用Altium Designer设计PCB。

最后，焊接硬件，进行性能测试，验证不同输入和不同负载情况下变换器的效率，功率因数，THD等指标。完成一款超高功率密度AC-DC变换器的设计，对当前工作进行总结并对后续工作进行展望。

关键词：开关电源，PFC，高效率，功率密度，无桥

DESIGN OF ULTRA-HIGH POWER DENSITY AC-DC CONVERTER

Abstract

As power electronics technology and communicate technology developing rapidly, switching power supply(SMP) has been widely used in all fields. What following is even more severe environmental problems and energy crisis. Hence, there is an eager requirement of enhance the efficiency of SMP. On the other hand, the trend of miniaturization of electronic equipment requires more compact size of the SMP. Therefore, high efficiency and high power density are the most important development direction and targets of the SMP. Meanwhile, in order to meet the requirement of power quality, power factor correction becomes the essential part of the SMP design.

Based on the understanding of the principle of power factor correction, this paper, through simulation, calculation and hardware design, study of the method to design an ultra-high power density AC-DC power converter, completed an ultra-high power density AC-DC power converter design, realized PFC circuit and high power density (not less than 1W/cm³).

PFC circuit has variety of topology, this paper started from the topology through simulation analysis, comparing different topological of power, efficiency, component utilization and control difficulties, combined with hardware design requirements, the bridgeless topology is determined.

After determining the topology, based on required performance to calculate parameters to select components, design indicators, with due regard to the premise of power density, using Altium Designer to design PCB.

Finally, welding hardware, testing performance, verifying the efficiency of the converter, power factor, THD, and so on with different input and different load conditions, finally achieve an ultra-high power density converter design, summarize the present work and look into the future work.

KEY WORDS: Switching power supply, PFC, high efficiency, power density, bridgeless

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪 论 1

1.1课题背景及研究意义 1

1.2有源功率因数校正的工作模式和控制策略 4

1.3国内外研究历程及发展趋势 4

1.4本文主要工作 5

第二章 PFC变换器拓扑研究 6

2.1简介 6

2.2设计思路 6

2.3控制模式 7

2.3.1峰值电流控制(Peak Current Control) 8

2.3.2滞环电流控制(Hysteresis Current Control) 9

2.3.3平均电流控制(Average Current Control) 9

2.4拓扑对比 10

2.4.1单相Boost PFC变换器(Single Boost PFC Converter) 10

2.4.2交错并联PFC变换器(Interleaved PFC Converter) 13

2.4.3无桥PFC变换器(Bridgeless PFC Converter) 16

2.4.4半无桥PFC变换器(Semi-Bridgeless PFC Converter) 18

2.4.5图腾柱式无桥PFC变换器(Totem-Pole PFC Converter) 20

2.4.6两相无桥PFC变换器(Two-Phase Bridgeless PFC Converter) 22

2.5拓扑选择 22

第三章 PFC变换器硬件设计 24

3.1功率级 24

3.1.1电感设计 24

3.1.2输出电容 26

3.1.3 MOSFET 27

3.1.4升压二极管 28

3.2控制级 28

3.3热分析 29

第四章 基于半无桥PFC电路的仿真 31

4.1 控制环仿真 31

4.1.1数学模型 31

4.1.2电流环反馈 32

4.1.3电压环反馈 33

4.2 电力仿真 33

4.2.1输出电压仿真 34

4.2.2电感电流仿真 34

第五章 EMI滤波器与PCB设计 36

5.1 EMI滤波器设计 36

5.2 PCB原理图 36

5.3 PCB布局 37

5.4实物 38

第六章 实验结果 39

第七章 总结与展望 43

7.1总结 43

7.2展望 43

致 谢 47

参考文献（References） 48

附 录 49

第一章 绪 论

1.1课题背景及研究意义

现代电力电子技术发展迅猛，随之带来的，是对传统电力变换技术的挑战。其中，AC-DC变换器是电力系统中极为重要的一类装置，作为开关电源，其应用也极为广泛。另一方面，半导体技术的崛起使得电力电子设备步入高频领域，开关频率越高，开关电源体积越小，当功率处于同一级别时，其功率密度也就越高，但同时带来的是损耗的增加。处理这类问题的方法，通常是使用谐振软开关技术，减少开关损耗，降低电磁干扰^[1]。另外，目前热门的新兴材料氮化镓(GaN)的出现，为电力电子高频化开启了新的篇章。氮化镓器件的低反向恢复电荷和低电容，将更进一步实现高频和高效的目的。

然而，AC-DC变换器等电源设备的大规模使用，也给电力系统带来了严重的谐波污染。

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