電力電子功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)作為關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的創(chuàng)新直接決定了電源系統(tǒng)的能效水平與電磁兼容性。傳統(tǒng)有橋Boost PFC因整流橋的存在導(dǎo)致導(dǎo)通損耗大、效率受限，而無(wú)橋PFC通過(guò)移除整流橋、重構(gòu)功率路徑，成為提升效率的核心方案。其中，圖騰柱無(wú)橋PFC作為第三代技術(shù)，通過(guò)高頻開關(guān)優(yōu)化與電磁干擾(EMI)抑制技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)了效率與可靠性的雙重突破。

一、傳統(tǒng)Boost PFC的效率瓶頸與無(wú)橋拓?fù)涞呐d起

傳統(tǒng)Boost PFC采用“整流橋+升壓電感”結(jié)構(gòu)，其核心問(wèn)題在于整流橋的導(dǎo)通損耗。以400V輸出、1kW功率的電源為例，整流橋的導(dǎo)通壓降(約1.2V)在滿載時(shí)產(chǎn)生約12W的損耗，占系統(tǒng)總損耗的15%以上。此外，整流橋的二極管反向恢復(fù)特性會(huì)引發(fā)高頻振蕩，加劇EMI問(wèn)題，需額外增加濾波電路，進(jìn)一步降低功率密度。

無(wú)橋PFC的提出始于2000年代初期，其核心思想是直接利用開關(guān)管替代整流橋功能。第一代無(wú)橋Boost PFC采用兩個(gè)開關(guān)管與兩個(gè)二極管構(gòu)成雙向升壓路徑，消除了整流橋的導(dǎo)通損耗，效率提升約2%-3%。然而，該拓?fù)浯嬖凇案〉貑?wèn)題”——開關(guān)管與電源地之間無(wú)直接連接，導(dǎo)致電流采樣困難，且高頻開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的共模噪聲難以抑制，EMI性能劣化。

二、圖騰柱無(wú)橋PFC：效率與控制的雙重革新

圖騰柱無(wú)橋PFC通過(guò)重構(gòu)功率路徑，解決了第一代無(wú)橋拓?fù)涞母〉仉y題。其核心結(jié)構(gòu)由兩個(gè)高頻開關(guān)管(S1、S2)與兩個(gè)慢速開關(guān)管(SR1、SR2)組成，工作原理如下：

正半周模式：當(dāng)輸入電壓為正時(shí)，S1作為升壓開關(guān)高頻動(dòng)作，SR1保持導(dǎo)通提供接地路徑，電感儲(chǔ)能與釋放通過(guò)S1與二極管D1完成。

負(fù)半周模式：輸入電壓為負(fù)時(shí)，S2作為升壓開關(guān)，SR2導(dǎo)通，電感通過(guò)S2與D2實(shí)現(xiàn)能量傳輸。

軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)：通過(guò)死區(qū)時(shí)間控制，利用開關(guān)管體二極管實(shí)現(xiàn)零電壓開通(ZVS)，減少開關(guān)損耗。例如，在S1開通前，其體二極管已導(dǎo)通，將電壓鉗位至零，避免硬開關(guān)的電壓電流重疊損耗。

該拓?fù)涞男蕛?yōu)勢(shì)顯著：以安森美EliteSiC方案為例，采用碳化硅(SiC)MOSFET替代傳統(tǒng)硅基器件，開關(guān)頻率提升至150kHz，導(dǎo)通電阻降低至50mΩ以下，滿載效率達(dá)98.4%，較傳統(tǒng)Boost PFC提升4%以上。此外，圖騰柱結(jié)構(gòu)通過(guò)復(fù)用電感實(shí)現(xiàn)雙向功率流，適用于車輛到電網(wǎng)(V2G)等雙向AC-DC場(chǎng)景，進(jìn)一步拓展了應(yīng)用邊界。

三、EMI抑制技術(shù)：從被動(dòng)濾波到主動(dòng)控制

無(wú)橋拓?fù)涞腅MI挑戰(zhàn)源于高頻開關(guān)動(dòng)作與浮地結(jié)構(gòu)的耦合效應(yīng)。圖騰柱PFC通過(guò)以下技術(shù)實(shí)現(xiàn)EMI的主動(dòng)抑制：

共模噪聲路徑重構(gòu)：傳統(tǒng)無(wú)橋拓?fù)渲校_關(guān)管直接連接電源地，高頻電壓變化通過(guò)寄生電容耦合至輸出端，形成共模噪聲。圖騰柱結(jié)構(gòu)通過(guò)SR1/SR2管將開關(guān)管與地隔離，迫使共模電流通過(guò)Y電容回流，降低噪聲幅值。例如，在400V輸出系統(tǒng)中，增加10nF Y電容可使100MHz以下共模噪聲降低15dB。

差模噪聲抑制：采用單極性倍頻SPWM調(diào)制技術(shù)，通過(guò)交替控制S1/S2的開關(guān)時(shí)序，使輸出電壓波形頻率加倍，減少低頻諧波成分。實(shí)驗(yàn)表明，該調(diào)制方式可使輸入電流總諧波失真(THD)從5%降至2%以下，差模噪聲降低10dB。

布局優(yōu)化與寄生參數(shù)控制：通過(guò)三維PCB設(shè)計(jì)縮短高頻回路路徑，減少寄生電感。例如，將S1/S2與電感布局在同一平面，可使開關(guān)環(huán)路電感從10nH降至3nH，抑制開關(guān)尖峰電壓。

四、技術(shù)演進(jìn)趨勢(shì)：從分立器件到集成化方案

當(dāng)前，圖騰柱PFC技術(shù)正向高集成度、智能化方向發(fā)展。例如，TI的UCD3138數(shù)字控制器集成多模式PFC算法，支持CCM/DCM/BCM模式切換，并內(nèi)置EMI濾波器設(shè)計(jì)工具，可將開發(fā)周期縮短50%。此外，GaN Systems的GS-065-011-1-L器件將GaN HEMT與驅(qū)動(dòng)電路集成，實(shí)現(xiàn)100W/in3的功率密度，較Si方案提升3倍。

未來(lái)，隨著SiC/GaN器件成本的下降與數(shù)字控制技術(shù)的成熟，圖騰柱PFC將成為數(shù)據(jù)中心電源、電動(dòng)汽車OBC等高效率場(chǎng)景的主流方案。據(jù)Yole預(yù)測(cè)，2025年無(wú)橋PFC市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)45億美元，其中圖騰柱結(jié)構(gòu)占比超過(guò)60%，其效率與EMI性能的持續(xù)優(yōu)化將持續(xù)推動(dòng)電力電子技術(shù)向綠色、智能方向演進(jìn)。