原标题：何时以及如何使用无桥图腾柱功率因数校正

无桥图腾柱功率因数校正（Totem-Pole PFC）是一种高效能的功率因数校正方法，特别适用于高功率密度和高效率的电源应用。本文将详细探讨何时以及如何使用无桥图腾柱功率因数校正，包括其工作原理、设计要点、主控芯片型号及其在设计中的作用。

一、无桥图腾柱功率因数校正的背景与必要性

1. 功率因数校正的意义

功率因数（Power Factor, PF）是衡量电力系统中有功功率与视在功率之比的一个参数。高功率因数意味着电力系统的有功功率和视在功率几乎相等，表明电力利用效率高。而低功率因数则意味着电力系统中有大量无功功率的存在，导致电力资源浪费和电网负担加重。因此，功率因数校正（Power Factor Correction, PFC）技术被广泛应用于电力电子设备中，以提升功率因数，提高系统效率，减少谐波污染。

2. 无桥图腾柱PFC的优势

传统的PFC电路通常采用整流桥和升压转换器的组合，尽管这种架构简单易实现，但其效率较低，主要是由于整流桥带来的电压降和开关损耗。无桥图腾柱PFC架构通过省略整流桥，直接使用开关管实现AC-DC转换，从而减少损耗，提升效率。这种架构特别适用于对效率要求极高的应用，如服务器电源、电动汽车充电器和数据中心电源等。

二、无桥图腾柱PFC的工作原理

无桥图腾柱PFC的基本架构包括两个并联的开关管和两个串联的电感器，形成图腾柱结构。在AC电压的正半周期和负半周期，开关管交替导通和关断，以实现对电流的整流和升压。

1. 正半周期

在AC输入的正半周期，开关管Q1和二极管D1导通，Q2和D2关断。电感L1储能，并通过D1向负载供电。

2. 负半周期

在AC输入的负半周期，开关管Q2和二极管D2导通，Q1和D1关断。电感L2储能，并通过D2向负载供电。

3. 电感电流控制

为了实现高功率因数，无桥图腾柱PFC通常采用电感电流控制策略。通过检测电感电流，并调节开关管的占空比，使得输入电流与输入电压同相，达到功率因数校正的目的。

三、无桥图腾柱PFC的设计要点

1. 器件选择

在无桥图腾柱PFC设计中，功率开关管和电感是关键器件。为了减少开关损耗和导通损耗，通常选择低导通电阻和高开关速度的MOSFET或GaN器件。电感的选择则需要综合考虑电感值、饱和电流和温升等因素。

2. 主控芯片的选择与作用

主控芯片在无桥图腾柱PFC中起着至关重要的作用，它负责电流检测、控制策略实现和开关管驱动等功能。以下是几款常用的主控芯片型号及其作用：

(1) NCP1631

NCP1631是一款专为PFC设计的控制器芯片，支持连续电流模式（CCM）和临界导通模式（CrM）两种工作模式。其内置的控制算法可实现高精度的功率因数校正和高效的能量转换。

(2) UCC28070

UCC28070是德州仪器推出的一款双相CCM PFC控制器，适用于高功率应用。它具有峰值电流控制和平均电流控制功能，能够实现高效的功率因数校正。

(3) L6562A

L6562A是一款用于CrM PFC的控制芯片，适用于中小功率应用。其简单的控制架构和低成本使其在LED驱动电源和小型开关电源中广泛应用。

(4) NCP1654

NCP1654是一款适用于CCM和CrM PFC的控制器芯片，具有高效的电流控制和保护功能，适用于各种功率等级的PFC应用。

3. 控制策略的实现

在无桥图腾柱PFC中，控制策略的实现至关重要。主控芯片通过检测输入电压和电流，计算出所需的开关管占空比，以控制电感电流的波形，使其与输入电压同相。

4. EMI滤波

无桥图腾柱PFC在高频开关过程中会产生电磁干扰（EMI），因此在设计中需要加入EMI滤波电路，以满足相关的电磁兼容性（EMC）标准。常见的EMI滤波器包括共模扼流圈和差模电容。

四、无桥图腾柱PFC的应用场景

无桥图腾柱PFC由于其高效率和高功率密度，适用于多个高端应用场景：

1. 数据中心电源

数据中心对电源效率要求极高，无桥图腾柱PFC可以有效提升电源效率，降低能源消耗。

2. 电动汽车充电器

电动汽车充电器需要处理大功率电流，无桥图腾柱PFC可以减少损耗，提高充电效率。

3. 服务器电源

服务器电源需要长时间稳定运行，且功率密度要求高，无桥图腾柱PFC可以满足其需求。

4. 通信设备电源

通信设备对电源的可靠性和效率有较高要求，无桥图腾柱PFC可以提供高效、稳定的电力供应。

五、设计无桥图腾柱PFC电路时

无桥图腾柱功率因数校正技术通过省略整流桥，实现了更高的效率和功率密度，特别适用于高功率和高效率的电力电子应用。在设计无桥图腾柱PFC电路时，需要仔细选择功率器件和主控芯片，并实现精确的控制策略，以达到最佳的性能表现。通过上述详述的设计要点和应用场景，希望能够为从事相关设计的工程师提供有价值的参考。

六、无桥图腾柱PFC设计实例

为了更好地理解无桥图腾柱PFC的设计，下面将以一个具体的设计实例来阐述其详细过程和关键设计考量。

1. 设计要求

假设设计一款适用于服务器电源的无桥图腾柱PFC，输入电压为85-265V AC，输出电压为400V DC，功率为1000W。

2. 器件选择

(1) 功率开关管

考虑到效率和开关速度，选择氮化镓（GaN）FET，例如EPC2021。这种器件具有低导通电阻和高开关速度，能够显著减少损耗。

(2) 主控芯片

选择NCP1631作为控制芯片。这款芯片能够在CCM和CrM模式下工作，具备高精度的功率因数校正能力。

(3) 电感器

电感的选择需要综合考虑电感值、饱和电流和温升。假设选择两个电感值为400μH、饱和电流为15A的电感器。

3. 电路设计

(1) 输入EMI滤波器

设计一个共模和差模滤波器，使用两个共模扼流圈和若干差模电容，确保电路能够满足EMC标准。

(2) 整流和升压电路

在无桥图腾柱PFC中，整流和升压电路由两个并联的GaN FET和电感组成。根据正负半周期交替导通的工作原理，设计相应的驱动电路和保护电路。

(3) 电流检测电路

电流检测可以通过电流互感器或分流电阻实现。为了提高精度和减少功率损耗，选择电流互感器。

(4) 控制电路

使用NCP1631的参考设计，根据数据手册中的应用电路图，搭建控制电路。包括输入电压检测、输出电压反馈、电流检测、驱动电路和保护电路等模块。

4. 软件设计

(1) 控制算法

NCP1631内置控制算法，支持平均电流模式控制。通过调节开关管的占空比，实现输入电流与输入电压同相，从而达到功率因数校正的目的。

(2) 保护功能

配置NCP1631的保护功能，包括过压保护、欠压保护、过流保护和过温保护，确保电路在异常情况下能够安全关断。

5. 散热设计

无桥图腾柱PFC的高效率带来了较低的功率损耗，但仍需合理的散热设计。使用大面积散热片和强制风冷相结合的方式，确保GaN FET和电感器等关键器件的温度在安全范围内。

6. PCB布局

合理的PCB布局对于无桥图腾柱PFC的性能至关重要。应注意以下几点：

• 高频开关节点应尽量靠近，减少寄生电感和电容。

• 电流检测电路与功率电路隔离，减少噪声干扰。

• 输入EMI滤波器与功率电路分离，优化EMC性能。

• 关键信号线尽量短且宽，降低电阻和感抗。

七、无桥图腾柱PFC设计中的挑战与解决方案

1. 高频开关干扰

无桥图腾柱PFC的高频开关会产生较大的电磁干扰（EMI），影响电路的正常工作和EMC性能。解决方案包括：

• 采用低噪声开关器件，如GaN FET。

• 在关键节点增加EMI滤波器，抑制高频噪声。

• 使用屏蔽措施，减少电磁辐射。

2. 电感设计

电感在无桥图腾柱PFC中起着储能和滤波的作用，其设计需要综合考虑多种因素。解决方案包括：

• 选择合适的磁芯材料，如铁氧体或粉末铁芯，确保在高频下具有良好的磁性能。

• 通过优化绕组方式和散热设计，减少电感的温升和损耗。

3. 热管理

尽管无桥图腾柱PFC效率较高，但高功率应用中仍会产生大量热量。解决方案包括：

• 使用大面积散热片，增加散热面积。

• 采用强制风冷，提升散热效率。

• 通过合理布局，优化热传导路径，确保关键器件的温度控制在安全范围内。

八、无桥图腾柱PFC的发展趋势

随着功率电子技术的发展，无桥图腾柱PFC在未来有以下几个发展趋势：

1. 更高效率

随着GaN和SiC等新型半导体材料的应用，无桥图腾柱PFC的效率将进一步提升，接近理论极限。

2. 更高功率密度

通过优化器件选择和散热设计，无桥图腾柱PFC的功率密度将不断提高，适应更小体积、更高功率的应用需求。

3. 智能控制

未来的无桥图腾柱PFC将集成更多智能控制功能，通过数字控制技术，实现更精准的功率因数校正和更高效的能量管理。

4. 更广泛的应用

随着技术的成熟和成本的降低，无桥图腾柱PFC将在更多领域得到应用，如可再生能源系统、工业电源和消费电子等。

九、总结

无桥图腾柱功率因数校正技术以其高效率、高功率密度和高可靠性，正在成为现代电力电子设计中的重要技术。通过合理的器件选择、精确的控制算法和优化的电路设计，可以实现高性能的无桥图腾柱PFC电路，满足各种高端应用的需求。

本文详细阐述了无桥图腾柱PFC的工作原理、设计要点、主控芯片选择及其在设计中的作用，并通过具体实例说明了设计过程中的关键考量和解决方案。希望本文能为从事相关设计的工程师提供有价值的指导和参考。

无桥图腾柱PFC的发展前景广阔，随着技术的不断进步和应用范围的不断扩展，必将在未来的电力电子领域发挥越来越重要的作用。