力率改善回路
力率改善回路は、交流入力を持つ電源装置で入力電流波形を正弦波化し、電圧と同相に近づけて力率（PF）を高めるための回路である。負荷がスイッチング電源のように非線形であると入力電流はパルス状となり、皮相電力が増大して配線やトランスの容量を無駄に消費し、配電網へ高調波を流出させる。力率低下は①位相ずれによる「変位力率」、②波形歪みによる「歪み力率」の双方で起こるため、インダクタやコンデンサによる受動補償だけでなく、スイッチング素子と制御で電流波形そのものを整形するアクティブPFCが主流である。PFCはPF≒0.9〜0.99、THD低減、効率向上、発熱抑制、配電設備の小型化に寄与する。
力率と高調波の基礎
力率PFは有効電力Pと皮相電力Sの比で定義される（PF＝P/S）。正弦波系ではPF＝cosφで表せるが、スイッチング電源のように歪みが大きい場合はPF＝cosφ×（1/√(1+THD²))で評価するのが実務的である。高調波は配電損失やトランス過熱、誤動作の原因となるため、入力電流を入力電圧に比例させる整形が重要となる。
受動PFC（パッシブ補償）
受動PFCはACライン側に大きなインダクタ（ラインチョーク）やLCフィルタを挿入して電流脈動を抑える方式である。構成が簡単で堅牢である反面、低周波での補償能力に限界があり、体積・質量が大きく、PFやTHDの改善幅も限定的である。低出力やコスト重視の用途で残るが、国際規格への適合や小型化の観点からアクティブ方式が主流化している。
アクティブPFC（ブースト形）
最も一般的なのは整流器＋ブーストコンバータで直流中間バス（例：380〜400Vdc）を生成しつつ、電圧波形に比例する電流指令を与えて入力インダクタ電流を追従させる方式である。電流ループは平均電流モード制御が多く、乗算器で電圧整流波と出力電圧誤差信号を掛け合わせて半サイクルごとの電流基準を作る。動作モードはCCM（連続電流）とCRM/BCM（境界モード）があり、CCMは低リップル・低EMI、CRMはゼロ電流スイッチングによりスイッチング損失とダイオード逆回復の影響を低減しやすい。
制御・保護の要点
電流ループ（高速）と電圧ループ（低速）の二重ループで安定化する。零交差近傍の指令歪み抑制、入力電圧ディップ時の過電流制限、出力過電圧保護、突入電流（NTCやソフトスタート）、ホールドアップ時間設計が重要である。スイッチング周波数は数十〜数百kHzで、EMI抑制のため拡散スペクトラムやスロープ補償を併用する。
ブリッジレス／トーテムポールPFC
高効率化としてブリッジ整流器の損失を除去するブリッジレス構成がある。中でもトーテムポールPFCはACラインとインダクタの間に上下アームを配置し、整流とブーストを同一ブリッジで実現する。ハイライン領域では下側ダイオードの導通損失が消え、通流素子が減るため効率が大きく向上する。近年はGaNやSiCの高速スイッチにより高周波でも逆回復が小さく、軽負荷効率とPFの両立が容易になった。
デッドタイムと同期整流
トーテムポールでは零交差付近のデッドタイム管理が肝要で、不適切だとシュートスルーやPF低下を招く。低ライン・低温時はボディダイオードの逆回復が効くため、ハードスイッチングCCMではSiC MOSFETが有利なことが多い。同期整流の導入や電流検出の歪み低減もPF維持に効く。
設計指標と部品選定
- 目標PF・THD：規格や装置カテゴリに応じPF≥0.95、THD≤20%などの目標を設定する。
- 効率：全負荷効率だけでなく、10〜20%負荷の軽負荷効率を指標化する。
- インダクタ：飽和電流、コア損、銅損、漏れ磁束、騒音まで検討する。
- スイッチ：Si/MOSFET、SiC、GaNの導通損・スイッチ損・駆動条件を総合評価。
- 整流素子：超高速ダイオードや同期整流で逆回復と損失を低減。
- コンデンサ：中間バスのリップル電流、寿命（温度・リップル）、安全規格。
- EMIフィルタ：コモン／ノーマル両モード、差動ノイズと伝導雑音のトレードオフ。
規格適合と実装
高調波規制ではIEC 61000-3-2（クラスA〜D）適合が代表的で、情報機器や照明器具で特に重要である。安全では絶縁距離、クリアランス、耐圧、ヒューズ／サージ保護（MOV、ガスアレスタ）を満たす。実装上は大電流ループの面積最小化、スイッチングノードの寄生容量抑制、ゲートドライブのコモンモード抑制、熱拡散（銅箔・サーマルビア・ヒートシンク）を行う。試作段階でボードレイアウトの電流経路可視化と電流プローブによる周波数特性の観測が有効である。
300W級フロントエンドの例
AC 90–264V入力、PFC＋LLCの二段構成を想定する。整流後にブーストPFC（CCM、f_sw=100kHz、L=微分許容から決定）で400Vdcを生成し、後段の共振コンバータに供給する。電流検出はシャント＋アンプ、電圧検出は分圧＋補償。補償設計は電流ループを数kHz、電圧ループを十数Hz〜百Hzとし、乗算器の飽和防止、零交差での指令クリップ抑制を入れる。EMIは入力にコモンチョーク＋X/Yコンデンサ、スナバでdv/dtとリンギングを抑える。実測ではPF、THD、効率、温度、EMIマージンを同時に評価し、軽負荷でのディスコン化や周波数ホッピングで待機電力を削減する。
応用と選択指針
照明・家電〜産機・サーバ電源までPFCは普遍的である。低出力・コスト重視なら受動PFCまたはCRMブースト、中出力〜高効率重視ならCCMブースト、高効率・高電力密度や80+認証上位ではトーテムポールPFCが有力候補となる。部品の可用性、熱設計余裕、EMI規格の難易度、製造バラツキ耐性まで含め全体最適で選定するのが実務である。
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