PCB Blog - 力率補正回路（PFC）について

一、力率補正回路の原理

力率補正回路（PFC）は、交流電源システムの力率を向上させるための技術装置である。力率は交流電源システムにおける負荷電流と電圧の間の位相差及び無効電力の占有率を測定するパラメータであり、理想的には、力率は1でなければならず、すべての電気エネルギーが有効に有用に変換されることを示す。

しかし、実際の電力システムでは、多くの電気機器（特にインダクタンスまたは容量特性の負荷を含む機器）の電流波形が電圧波形に遅れがちであり、力率が1未満になることがあり、これは以下の問題をもたらす：

効率の低下：低力率は同じ能動電力出力がより大きな電流を必要とし、送電線上の電力損失を増加させることを意味する。

電力網の負担が重くなる：電流の増大により送電ケーブル、変圧器などの電力施設の負荷が増大し、追加の電流を負荷するために電力網設備をアップグレードする必要がある可能性がある。

高調波汚染：非線形負荷（例えばスイッチング電源、インバータなど）により発生する非正弦波電流は大量の高調波を含み、電力網に汚染をもたらし、他の設備の正常な動作に影響を与え、電力網の安定性の低下を招く可能性がある。

力率補正回路の主な目的は、負荷電流の波形を調整し、できるだけ電圧波形と同期させることにより、力率を高め、力率を1に近づけ、無効電力を減らし、電力網損失を下げ、電力網負担を軽減し、高調波を抑制し、電力系統全体の利用効率と安定性を高めることである。

二、力率補正回路の分類

力率補正回路は通常、インダクタンス、容量、ダイオード、スイッチング素子などから構成される。動作原理によっては、受動式力率補正回路と能動式力率補正回路の2種類に分けることができる。

1、受動式力率補正回路

受動式力率補正回路は主にインダクタンス、容量などの受動素子からなる。その動作原理は、インダクタンスのリアクタンス特性を利用して回路中の無効電力を補償し、電流波形をできるだけ電圧波形と同期させることである。

交流電源が入力されると、インダクタンスは電流に阻害作用を与え、電流の上昇と下降速度を遅くする。インダクタンスの値を合理的に選択することにより、電流波形を電圧波形にある程度同期させ、力率を高めることができる。

受動式力率補正回路の利点は、構造が簡単で、コストが安く、信頼性が高いことである。複雑な制御回路を必要としないため、低電力のアプリケーションシーンでも広く使用されています。

しかし、受動式力率補正回路にもいくつかの欠点がある。まず、その力率補正効果は相対的に限られており、通常は0.7〜0.8程度しか達成できない。次に、インダクタンスの体積が大きいため、電源の体積と重量が増加します。また、受動式力率補正回路は入力電圧の変化に敏感であり、入力電圧の変動が大きいと力率が低下する可能性がある。

2、能動式力率補正回路

能動式力率補正回路は主にインダクタンス、容量、スイッチング素子と制御回路などから構成される。その動作原理はスイッチングデバイスのオンとオフを制御することによって、回路中の電流波形と電圧波形を厳密に同期させることである。

能動式力率補正回路は通常、高周波スイッチング技術を用いて、入力された交流電源を直流電源に変換し、その後、制御回路を通じて直流電源を調整し、その出力された電流波形を入力された交流電圧波形に同期させる。

能動式力率補正回路の利点は力率補正効果がよく、0.95-0.99以上に達することができることである。広い入力電圧範囲に適応でき、電流高調波の抑制能力が高い。

しかしながら、能動力率補正回路にもいくつかの欠点がある。まず、回路構造が複雑でコストが高い。次に、スイッチング素子と制御回路を用いているため、一定のノイズと電磁干渉が発生する。また、能動式力率補正回路の信頼性は相対的に低く、良好な放熱設計が必要である。

総括的に言えば、力率補正回路は交流電源システムの力率を改善し、電力利用効率を高め、電力網の負担を軽減し、高調波を抑制するための技術装置であり、各種電気設備と電力システムに広く応用されている。適切な力率補正技術を採用することにより、グリーン、高効率、信頼性の高い電力供給を実現することができる。