1.整流-滤波电路的缺点和PFC的引入
软件：MATLAB R2023b
在电力电子领域中，功率因数校正（PFC）技术扮演着至关重要的角色。本文将基于 MATLAB R2023b，深入探讨为何需要 PFC 以及它在电源中所能实现的功能。
整流器-滤波电路缺点和仿真
在传统的电源应用中，输入侧的交流电源通常先经过全波整流，随后连接一个大电容器，以此获取较为平直的直流电压。整流器 - 滤波电路由非线性元件和储能元件组合而成。尽管输入的交流电压呈正弦波形，但输入的交流电流却发生了严重畸变，呈现为脉冲状。
我们利用 MATLAB 的 Simulink 搭建了整流器 - 滤波电路的仿真模型，具体如下
整流器-滤波电路
仿真搭建如图：
输入参数
电容参数
电阻参数
其他参数默认即可
电力电子器件路径
仿真波形
从该图中我们能够清晰看出，此电路在工作状态下，其输入电流呈现为脉冲式。也就是说，尽管图中展示的电压为交流电压，但实际电流却是脉冲式的。在解释为何电流为脉冲式之前，我们先移除电路中的电容。假设电路中不存在这颗电容，我们运行电路观察其输出电压。可以发现，没有电容时，输出电压实际上呈现为馒头波形状，即交流电的绝对值形式。为何会这样呢？
从仿真波形中可以清晰地看到，电路在工作时，输入电流呈现出脉冲形态。即使输入电压为正弦交流电压，电流却并非与之匹配的正弦波。为了深入理解电流呈现脉冲状的原因，我们先假设移除电路中的电容。当电路中不存在电容时，运行电路后输出电压呈现出 “馒头波” 形状，即相当于输入交流电的绝对值形式。
这一现象的产生源于二极管的正向导通特性。当二极管的阳极（正端）电压高于阴极（负端）电压时，二极管导通。由于输入的交流电是正负交替的，在四个二极管组成的整流桥作用下，交流电被整流为 “馒头波”，从仿真结果来看，就如同对交流电压取了绝对值，仅保留了正半周的电压。
为了将 “馒头波” 转换为直流电，通常会在电路中加入电容。加入电容后，输入电流由原来无电容时的正弦波电流变成了脉冲电流。这是因为加入电容后，电容两端的电压不会完全跟随输入电压变化。当输入电压为交流时，电容端电压会变为相对平稳的直流电。根据二极管的特性，只有当输入电压高于电容端的平稳直流电压时，二极管才会导通并产生电流。
随着电容容量的增加，电容端电压会更加平缓。这意味着二极管导通的时间会更短。在功率不变的情况下，导通时间越短，脉冲的峰值就越高。因此，输入电流的脉冲程度与母线电压的平稳度成反比。输出电压越平稳，所需电容越大，脉冲电流就越高，进而导致输入电流的畸变程度，即电流谐波越严重。
电流谐波对于电源来说是极为不利的因素。在选择器件时，相同功率下，由于脉冲电流峰值高于正弦波峰值，需要选择容量更大的器件。此外，电流谐波会使电网中的变压器和半导体器件产生额外损耗，引发不必要的发热。
PFC引入
国家制定了相关标准，对电源输入电流的形式和电流谐波进行严格限制。要求输入电流应尽量接近正弦波，具有较高的光滑度，以降低谐波含量。此外，传统的桥式整流电路不仅会引入电流谐波，还会影响功率因数（PF 值）。PF 值反映了电流与电压之间的相角差，PF 值较低意味着电流与电压之间的相位差较大，会导致电源的无功损耗大幅增加。在一些用电场合，国家对无功损耗有严格要求，对于无功损耗超标的情况会采取电费额外收费等惩罚措施。
在众多电源应用场合，如通信电源、基站电源等，都对功率因数（PF）和总谐波失真（THD）这两个参数有明确的标准规定。传统的整流滤波电路虽然具有可靠性高的优点（主要由可靠的二极管和不易损坏的电容等被动器件组成），但其 THD 较高，PF 值较低，负面影响较大。
此外，对于后级电路（无论是负载电路还是 DC - DC 电路），通常要求电源输入端提供相对稳定的电压，如 350V 或 380V，且电压变化幅值较小。然而，在实际电网应用中，尽管国家标准规定交流电网电压为 220V，但在不同地区（包括民用和工业应用场合），电网电压范围并不统一，可能在 180V - 280V 之间波动。对于不可控的桥式整流电路，整流后的电压会因电网电压的波动而变化，无法满足后级电路对稳定电压的需求。
综上所述，大量使用整流电路会在电网端引入畸变的非正弦电流，带来诸多严重后果，如谐波电流对电网的危害以及设备输入端功率因数的大幅下降。同时，在 AC - DC 应用中，DC 输出端通常要求具备稳定的甚至可调节的直流母线电压。因此，PFC 技术的应用具有以下三大重要作用：
- 改善输入电流谐波：使输入电流更接近正弦波，降低谐波含量。
- 改善输入 PF 值：减小电流与电压之间的相位差，提高功率因数，降低无功损耗。
- 稳定输出电压：为后级电路提供稳定的直流母线电压，满足其对电压稳定性的要求。