高效率过渡模式（TM）无桥 PFC 电源设计实战 - 杨月昌的硬件开发技术博客

1. 从传统 PFC 到无桥 PFC：损耗的重构#

传统的两级电源系统（整流桥 + Boost PFC）在任何时刻都有三个半导体器件处于导通路径上：两个整流二极管和一个开关管（或续流二极管）。

传统损耗瓶颈：整流桥二极管的典型压降为 1.0~1.4V。在 120VAC 输入下，仅整流桥产生的损耗就可能占据总损耗的 25%~35%。
无桥架构优势：通过消除整流桥，导通路径上的半导体器件减少至两个，显著降低了传导损耗，在大功率应用中效率提升通常在 0.8%~1.5% 以上。

2. 改进型无桥拓扑：解决 EMI 与控制难题#

纯粹的无桥 PFC 虽然效率高，但存在严重的电磁干扰（EMI）和共模噪声问题，原因是其输出地（DC Bus Ground）相对于输入线是悬浮的。

推荐方案：带回流二极管（Return Diodes）的无桥拓扑

原理：引入两个慢恢复回流二极管，将输出地在半个周期内参考到输入线的某一端。
优势：

降低 EMI：有效抑制 MOSFET 寄生电容产生的共模噪声。
简化控制：可以使用单个模拟控制器同步驱动两个 MOSFET，因为在正半周或负半周，只有一个 Boost 电感和开关组合在真正工作。

3. 关键硬件设计细节#

3.1 电流感应（Current Sensing）的优化#

在传统 PFC 中，分流电阻（Shunt）置于地回路上即可测量电流。但在无桥架构中，地回路是分立的。

方案选择：建议使用电流变压器（CT）。
实现：将两个小型 CT 分别放置在两个 MOSFET 的漏极路径上，通过二极管 OR 逻辑汇总信号。这不仅实现了信号隔离，还避免了采样电阻在大电流下的额外功耗。

3.2 零电流检测（ZCD）的创新实现#

TM 模式的核心在于电感电流归零后立即开启下一个开关周期。

传统方法：使用电感辅助绕组，但会增加磁性元件的复杂度与成本。
简化方案：RC 耦合检测。通过在升压电感前端和后端之间连接一个简单的串联 RC 电路，利用电容两端的电位差变化捕捉电感电压的反转。该方法无需辅助绕组，显著降低了电感设计与加工难度。

3.3 过渡模式下的电感计算#

TM 模式是频率随负载和电压变化的变频系统。电感量 L 决定了系统的最低开关频率：

[ L = \frac{V_{\text{in,rms}}^2 \cdot (V_{\text{out}} - \sqrt{2} \cdot V_{\text{in,rms}})}{2 \cdot P_{\text{out}} \cdot f_{\text{min}} \cdot V_{\text{out}}} ]

工程建议：需确保在最大输入电压下，开关频率不会超过模拟控制器的上限（通常为 150kHz），否则会进入非连续导通模式（DCM），导致功率因数（PF）下降及 THD 恶化。

4. 实验结果与性能对比#

基于两块 800W 样板的对比测试：

指标	传统 Boost PFC	无桥 TM PFC	效率增益
120VAC (100% Load)	96.5%	97.8%	+1.3%
240VAC (100% Load)	97.6%	98.1%	+0.5%
功率因数 (PF)	0.995	0.996	持平

结论分析：无桥 PFC 在低压输入（120VAC）时的效率提升尤为明显，因为低压时输入电流更大，整流桥的导通压降损耗占总功耗的比例更高。

5. 总结#

过渡模式无桥 PFC 结合了模拟控制器的经济性和无桥拓扑的高效性。通过合理设计回流二极管路径和电流变压器采样，可以有效解决 EMI 和电流检测难题。该方案是研发满足“白金级”及以上认证电源的高性价比选择。