原標題：何時以及如何使用無橋圖騰柱功率因數(shù)校正

無橋圖騰柱功率因數(shù)校正（Totem-Pole PFC）是一種高效能的功率因數(shù)校正方法，特別適用于高功率密度和高效率的電源應用。本文將詳細探討何時以及如何使用無橋圖騰柱功率因數(shù)校正，包括其工作原理、設計要點、主控芯片型號及其在設計中的作用。

一、無橋圖騰柱功率因數(shù)校正的背景與必要性

1. 功率因數(shù)校正的意義

功率因數(shù)（Power Factor, PF）是衡量電力系統(tǒng)中有功功率與視在功率之比的一個參數(shù)。高功率因數(shù)意味著電力系統(tǒng)的有功功率和視在功率幾乎相等，表明電力利用效率高。而低功率因數(shù)則意味著電力系統(tǒng)中有大量無功功率的存在，導致電力資源浪費和電網(wǎng)負擔加重。因此，功率因數(shù)校正（Power Factor Correction, PFC）技術被廣泛應用于電力電子設備中，以提升功率因數(shù)，提高系統(tǒng)效率，減少諧波污染。

2. 無橋圖騰柱PFC的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的PFC電路通常采用整流橋和升壓轉換器的組合，盡管這種架構簡單易實現(xiàn)，但其效率較低，主要是由于整流橋帶來的電壓降和開關損耗。無橋圖騰柱PFC架構通過省略整流橋，直接使用開關管實現(xiàn)AC-DC轉換，從而減少損耗，提升效率。這種架構特別適用于對效率要求極高的應用，如服務器電源、電動汽車充電器和數(shù)據(jù)中心電源等。

二、無橋圖騰柱PFC的工作原理

無橋圖騰柱PFC的基本架構包括兩個并聯(lián)的開關管和兩個串聯(lián)的電感器，形成圖騰柱結構。在AC電壓的正半周期和負半周期，開關管交替導通和關斷，以實現(xiàn)對電流的整流和升壓。

1. 正半周期

在AC輸入的正半周期，開關管Q1和二極管D1導通，Q2和D2關斷。電感L1儲能，并通過D1向負載供電。

2. 負半周期

在AC輸入的負半周期，開關管Q2和二極管D2導通，Q1和D1關斷。電感L2儲能，并通過D2向負載供電。

3. 電感電流控制

為了實現(xiàn)高功率因數(shù)，無橋圖騰柱PFC通常采用電感電流控制策略。通過檢測電感電流，并調(diào)節(jié)開關管的占空比，使得輸入電流與輸入電壓同相，達到功率因數(shù)校正的目的。

三、無橋圖騰柱PFC的設計要點

1. 器件選擇

在無橋圖騰柱PFC設計中，功率開關管和電感是關鍵器件。為了減少開關損耗和導通損耗，通常選擇低導通電阻和高開關速度的MOSFET或GaN器件。電感的選擇則需要綜合考慮電感值、飽和電流和溫升等因素。

2. 主控芯片的選擇與作用

主控芯片在無橋圖騰柱PFC中起著至關重要的作用，它負責電流檢測、控制策略實現(xiàn)和開關管驅動等功能。以下是幾款常用的主控芯片型號及其作用：

(1) NCP1631

NCP1631是一款專為PFC設計的控制器芯片，支持連續(xù)電流模式（CCM）和臨界導通模式（CrM）兩種工作模式。其內(nèi)置的控制算法可實現(xiàn)高精度的功率因數(shù)校正和高效的能量轉換。

(2) UCC28070

UCC28070是德州儀器推出的一款雙相CCM PFC控制器，適用于高功率應用。它具有峰值電流控制和平均電流控制功能，能夠實現(xiàn)高效的功率因數(shù)校正。

(3) L6562A

L6562A是一款用于CrM PFC的控制芯片，適用于中小功率應用。其簡單的控制架構和低成本使其在LED驅動電源和小型開關電源中廣泛應用。

(4) NCP1654

NCP1654是一款適用于CCM和CrM PFC的控制器芯片，具有高效的電流控制和保護功能，適用于各種功率等級的PFC應用。

3. 控制策略的實現(xiàn)

在無橋圖騰柱PFC中，控制策略的實現(xiàn)至關重要。主控芯片通過檢測輸入電壓和電流，計算出所需的開關管占空比，以控制電感電流的波形，使其與輸入電壓同相。

4. EMI濾波

無橋圖騰柱PFC在高頻開關過程中會產(chǎn)生電磁干擾（EMI），因此在設計中需要加入EMI濾波電路，以滿足相關的電磁兼容性（EMC）標準。常見的EMI濾波器包括共模扼流圈和差模電容。

四、無橋圖騰柱PFC的應用場景

無橋圖騰柱PFC由于其高效率和高功率密度，適用于多個高端應用場景：

1. 數(shù)據(jù)中心電源

數(shù)據(jù)中心對電源效率要求極高，無橋圖騰柱PFC可以有效提升電源效率，降低能源消耗。

2. 電動汽車充電器

電動汽車充電器需要處理大功率電流，無橋圖騰柱PFC可以減少損耗，提高充電效率。

3. 服務器電源

服務器電源需要長時間穩(wěn)定運行，且功率密度要求高，無橋圖騰柱PFC可以滿足其需求。

4. 通信設備電源

通信設備對電源的可靠性和效率有較高要求，無橋圖騰柱PFC可以提供高效、穩(wěn)定的電力供應。

五、設計無橋圖騰柱PFC電路時

無橋圖騰柱功率因數(shù)校正技術通過省略整流橋，實現(xiàn)了更高的效率和功率密度，特別適用于高功率和高效率的電力電子應用。在設計無橋圖騰柱PFC電路時，需要仔細選擇功率器件和主控芯片，并實現(xiàn)精確的控制策略，以達到最佳的性能表現(xiàn)。通過上述詳述的設計要點和應用場景，希望能夠為從事相關設計的工程師提供有價值的參考。

六、無橋圖騰柱PFC設計實例

為了更好地理解無橋圖騰柱PFC的設計，下面將以一個具體的設計實例來闡述其詳細過程和關鍵設計考量。

1. 設計要求

假設設計一款適用于服務器電源的無橋圖騰柱PFC，輸入電壓為85-265V AC，輸出電壓為400V DC，功率為1000W。

2. 器件選擇

(1) 功率開關管

考慮到效率和開關速度，選擇氮化鎵（GaN）FET，例如EPC2021。這種器件具有低導通電阻和高開關速度，能夠顯著減少損耗。

(2) 主控芯片

選擇NCP1631作為控制芯片。這款芯片能夠在CCM和CrM模式下工作，具備高精度的功率因數(shù)校正能力。

(3) 電感器

電感的選擇需要綜合考慮電感值、飽和電流和溫升。假設選擇兩個電感值為400μH、飽和電流為15A的電感器。

3. 電路設計

(1) 輸入EMI濾波器

設計一個共模和差模濾波器，使用兩個共模扼流圈和若干差模電容，確保電路能夠滿足EMC標準。

(2) 整流和升壓電路

在無橋圖騰柱PFC中，整流和升壓電路由兩個并聯(lián)的GaN FET和電感組成。根據(jù)正負半周期交替導通的工作原理，設計相應的驅動電路和保護電路。

(3) 電流檢測電路

電流檢測可以通過電流互感器或分流電阻實現(xiàn)。為了提高精度和減少功率損耗，選擇電流互感器。

(4) 控制電路

使用NCP1631的參考設計，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊中的應用電路圖，搭建控制電路。包括輸入電壓檢測、輸出電壓反饋、電流檢測、驅動電路和保護電路等模塊。

4. 軟件設計

(1) 控制算法

NCP1631內(nèi)置控制算法，支持平均電流模式控制。通過調(diào)節(jié)開關管的占空比，實現(xiàn)輸入電流與輸入電壓同相，從而達到功率因數(shù)校正的目的。

(2) 保護功能

配置NCP1631的保護功能，包括過壓保護、欠壓保護、過流保護和過溫保護，確保電路在異常情況下能夠安全關斷。

5. 散熱設計

無橋圖騰柱PFC的高效率帶來了較低的功率損耗，但仍需合理的散熱設計。使用大面積散熱片和強制風冷相結合的方式，確保GaN FET和電感器等關鍵器件的溫度在安全范圍內(nèi)。

6. PCB布局

合理的PCB布局對于無橋圖騰柱PFC的性能至關重要。應注意以下幾點：

• 高頻開關節(jié)點應盡量靠近，減少寄生電感和電容。

• 電流檢測電路與功率電路隔離，減少噪聲干擾。

• 輸入EMI濾波器與功率電路分離，優(yōu)化EMC性能。

• 關鍵信號線盡量短且寬，降低電阻和感抗。

七、無橋圖騰柱PFC設計中的挑戰(zhàn)與解決方案

1. 高頻開關干擾

無橋圖騰柱PFC的高頻開關會產(chǎn)生較大的電磁干擾（EMI），影響電路的正常工作和EMC性能。解決方案包括：

• 采用低噪聲開關器件，如GaN FET。

• 在關鍵節(jié)點增加EMI濾波器，抑制高頻噪聲。

• 使用屏蔽措施，減少電磁輻射。

2. 電感設計

電感在無橋圖騰柱PFC中起著儲能和濾波的作用，其設計需要綜合考慮多種因素。解決方案包括：

• 選擇合適的磁芯材料，如鐵氧體或粉末鐵芯，確保在高頻下具有良好的磁性能。

• 通過優(yōu)化繞組方式和散熱設計，減少電感的溫升和損耗。

3. 熱管理

盡管無橋圖騰柱PFC效率較高，但高功率應用中仍會產(chǎn)生大量熱量。解決方案包括：

• 使用大面積散熱片，增加散熱面積。

• 采用強制風冷，提升散熱效率。

• 通過合理布局，優(yōu)化熱傳導路徑，確保關鍵器件的溫度控制在安全范圍內(nèi)。

八、無橋圖騰柱PFC的發(fā)展趨勢

隨著功率電子技術的發(fā)展，無橋圖騰柱PFC在未來有以下幾個發(fā)展趨勢：

1. 更高效率

隨著GaN和SiC等新型半導體材料的應用，無橋圖騰柱PFC的效率將進一步提升，接近理論極限。

2. 更高功率密度

通過優(yōu)化器件選擇和散熱設計，無橋圖騰柱PFC的功率密度將不斷提高，適應更小體積、更高功率的應用需求。

3. 智能控制

未來的無橋圖騰柱PFC將集成更多智能控制功能，通過數(shù)字控制技術，實現(xiàn)更精準的功率因數(shù)校正和更高效的能量管理。

4. 更廣泛的應用

隨著技術的成熟和成本的降低，無橋圖騰柱PFC將在更多領域得到應用，如可再生能源系統(tǒng)、工業(yè)電源和消費電子等。

九、總結

無橋圖騰柱功率因數(shù)校正技術以其高效率、高功率密度和高可靠性，正在成為現(xiàn)代電力電子設計中的重要技術。通過合理的器件選擇、精確的控制算法和優(yōu)化的電路設計，可以實現(xiàn)高性能的無橋圖騰柱PFC電路，滿足各種高端應用的需求。

本文詳細闡述了無橋圖騰柱PFC的工作原理、設計要點、主控芯片選擇及其在設計中的作用，并通過具體實例說明了設計過程中的關鍵考量和解決方案。希望本文能為從事相關設計的工程師提供有價值的指導和參考。

無橋圖騰柱PFC的發(fā)展前景廣闊，隨著技術的不斷進步和應用范圍的不斷擴展，必將在未來的電力電子領域發(fā)揮越來越重要的作用。