PFC（力率改善回路）の原理：高調波規制と昇圧PFC

なぜ整流平滑だけでは「電源として失格」なのか

PC やサーバーの PSU は、まず AC をダイオードブリッジで全波整流し、大容量の平滑コンデンサで脈流をならして DC バスを作ります。素朴で確実な方式ですが、この入力段がそのまま系統に与える害は深刻です。平滑コンデンサが充電される電圧ピーク付近でだけ、瞬間的に大きなパルス電流を吸い込む からです。

この尖った電流は正弦波からほど遠く、基本波に多数の高調波を重畳した波形になります。結果として総合力率は 0.5〜0.65 程度まで落ち、高調波電流が他機器や配電系に悪影響を及ぼします。だから一定以上の機器には 高調波規制（IEC 61000-3-2） が課され、それをクリアするために PFC（Power Factor Correction、力率改善回路） が事実上必須になりました。本稿は「なぜパルスになるか」から「昇圧PFCがどう正弦波に整形するか」まで原理を追います。前提となる力率・高調波・総合力率の定義は /power/power-factor-reactive-power/ を参照してください。

整流平滑が高調波を生むメカニズム

なぜパルスになるのか。鍵はダイオードの導通条件です。ブリッジの出力に平滑コンデンサが直結されていると、ダイオードは 入力の瞬時電圧がコンデンサ電圧を上回る瞬間しか導通しません。

ダイオード導通の条件:
  |Vin(t)| > Vcap  のときだけ導通して充電電流が流れる

  入力電圧がピークに向かう短い区間（電気角で数十度）でのみ
  ダイオードがオンになり、コンデンサを一気に充電する
  → 電流は鋭いパルス（導通角が狭く、ピークが高い）

  残りの大部分の区間では |Vin| < Vcap なので電流ゼロ

電流が一周期のうちごく一部に集中するため、その実効値は平均から想像するより大きく、波形は正弦波と大きく異なります。フーリエ展開すると、対称性から偶数次は消え、3次・5次・7次…の奇数次高調波 が支配的に現れます。基本波と各高調波の関係を実効値でまとめると次のとおりです。

全電流の実効値 Irms = √(I1² + I3² + I5² + I7² + …)
ひずみ率   THD = √(I3² + I5² + … ) / I1
総合力率   PF = (I1 / Irms) × cosθ1 = ひずみ力率 × 変位力率

整流平滑の典型: cosθ1 ≈ 1（基本波はほぼ同相）だが
  ひずみ力率 I1/Irms が 0.6 前後まで落ち、PF も 0.6 前後
  → 位相のずれではなく「波形の歪み」で力率が悪化している

ここが整流負荷の本質です。誘導性モーターの低力率は位相のずれ（変位力率）でしたが、整流負荷は 基本波はほぼ同相なのに、波形の歪み（ひずみ力率）で力率が落ちる。だから進相コンデンサでは直りません。コンデンサは基本波の位相を回すだけで、パルス電流の歪みそのものを減らせないからです。

IEC 61000-3-2 ── 何が規制されているのか

IEC 61000-3-2 は、相電流 16A 以下の機器が系統へ注入してよい 各次高調波電流の絶対値（クラス別の上限） を定めた規格です。「力率を上げろ」ではなく「次数ごとの高調波電流をこのmA値以下に抑えろ」という形で規定される点が重要です。

PC やサーバーの PSU はクラスD に該当しやすく、入力電力に比例した厳しい上限（mA/W 規定） が課されます。整流平滑だけの PSU はこの 3 次・5 次の上限を簡単に超えるため、規格適合のために PFC 段を追加せざるを得ません。これが「PFC が事実上必須」になった制度的な理由です。

アクティブ昇圧PFC ── 入力電流を正弦波に整形する

主流の解が アクティブPFC、その典型トポロジが 昇圧（ブースト）コンバータ を使う方式です。配置は「ブリッジ整流 → ブーストPFC段 → 一定電圧の高圧DCバス → 後段DC-DC」。ブースト段が二役を担います。一つは入力電流を正弦波に整形すること、もう一つは出力を約 400V の一定 DC へ昇圧することです。ブースト段がインダクタにエネルギーを蓄えて放出する原理そのものは /power/smps-principles/ と共通です。

なぜ「昇圧」でなければならないのか。PFC は入力電流を全波整流電圧の波形に追従させますが、整流電圧はゼロ付近まで下がる瞬間があります。降圧型では入力が出力電圧を下回る区間で電流を制御できません。昇圧型なら出力バス電圧が入力ピークより高い限り、入力電圧が低い瞬間でもインダクタ電流を立ち上げられる ため、一周期を通じて電流を正弦波に保てます。出力を入力ピーク（AC240V なら約 340V）より高い 約 400V に設定するのはこのためです。

昇圧PFCの動作（1スイッチング周期内）:

  [スイッチ ON] インダクタを整流出力に接続
     iL が増加  di/dt = |Vin| / L
  [スイッチ OFF] インダクタ電流がダイオード経由で出力バスへ
     iL が減少  di/dt = (|Vin| − Vbus) / L   （Vbus > |Vin| なので減少）

  → スイッチング周期はμs オーダー（高速）
  → 各周期のオン時間を変えて、平均インダクタ電流 <iL> を
    その瞬間の |Vin(t)|（半正弦）に比例させる

  目標: iin(t) ∝ |Vin(t)|  → 入力電流が電圧と相似の正弦波になり
        負荷が「純抵抗」に見える（力率≈1、THD 数%）

PFC の仕事を一言でいえば、電源から見て負荷を純抵抗のように振る舞わせる ことです。純抵抗なら電流は電圧に比例する正弦波になり、位相ずれも歪みもないので力率は理論上 1 になります。アクティブPFC はスイッチング周期ごとに電流を細かく作り込み、低周波（系統 50/60Hz）で見たときの入力電流波形を半正弦に近づけます。

二重ループ制御 ── 速い電流ループと遅い電圧ループ

整形を成立させる制御は、役割の異なる2つのフィードバックループを入れ子にした構造です。これが昇圧PFC制御の核心です。

制御の流れ:
  1. 整流後電圧 |Vin(t)| を測り、電流基準の「形」を作る（半正弦テンプレート）
  2. 外側ループが Vbus を監視し、目標との誤差から「振幅係数 k」を出す
       負荷が重く Vbus が下がる → k を上げて電流を増やす
  3. 電流基準 iref(t) = k × |Vin(t)|
  4. 内側ループが iL を iref に一致させるようスイッチのデューティを操作
       → 平均入力電流が |Vin| に比例 = 正弦波・同相

ポイントは 電圧ループをわざと遅くする 設計です。整流後のバス電圧には 100/120Hz のリプル（全波整流の2倍周波数）が必ず乗ります。電圧ループが速いと、この 100/120Hz リプルを「誤差」と誤認して振幅係数 k を周期内で揺らし、電流基準そのものを歪めてしまう。結果として入力電流に低次高調波が混入します。だから電圧ループの帯域をリプル周波数より十分低く（20Hz 程度以下）抑え、k を一周期内ではほぼ一定に保ちます。この帯域分離が、出力を一定に保ちつつ入力を歪ませない両立の鍵です。

スイッチ素子・ダイオードの選択（ブーストMOSFETとSiCショットキーなど）は損失と高調波の両方に効きます。デバイスの使い分けは /power/power-semiconductor-map/ を参照してください。

80 PLUS の裏側 ── 効率認証とPFCの関係

サーバー/PC の PSU でよく見る 80 PLUS は「指定負荷率での効率」を保証する認証です。直接の指標は効率ですが、上位グレード（Gold 以上など）の要件には 高力率（典型的に 50% 負荷以上で PF 0.9 以上） が併記されます。この高力率を満たす手段が、まさにアクティブPFC です。

80 PLUS が間接的に要求するもの:
  ・指定負荷率（10/20/50/100%）での高い変換効率
  ・高い力率（≒入力電流を正弦波に整形 ＝ アクティブPFC前提）

PFC が効率と力率の両方に効く理由:
  ・入力電流を正弦波化 → 同じ有効電力 P を最小の電流実効値 Irms で供給
    → 配線・ヒューズ・整流ダイオードの I²R 損失が減る
  ・THD を下げる → 規制適合と、系統側の損失低減

逆にいえば、80 PLUS 認証 PSU が高力率なのは偶然ではなく、アクティブPFC段を内蔵していることの帰結 です。データセンターのラック単位で見れば、力率が 1 に近いほど受電 VA に対する実効 IT 負荷（W）が増え、配電容量を無駄にしません。PSU からラック給電までの容量設計の連鎖は /power/datacenter-power-architecture/ を参照してください。

まとめ

• ダイオードブリッジ＋平滑コンデンサは電圧ピーク付近でのみ尖ったパルス電流を流す。これが3・5・7次の奇数次高調波を生み、変位力率は1に近くてもひずみ力率で総合力率が0.6前後まで落ちる。
• IEC 61000-3-2 は各次高調波電流の絶対値（クラス別）を規制 する。PC/サーバーPSUはクラスDで電力比例の厳しい上限が課され、整流平滑だけでは適合できないため PFC が事実上必須になった。
• アクティブ昇圧PFCは入力電流を全波整流電圧と相似な正弦波に整形 し、負荷を純抵抗のように見せて力率を約1・THDを数%に下げる。昇圧なのは入力電圧が低い瞬間でも電流を制御するためにバス電圧を入力ピーク以上にする必要があるから。
• 制御は遅い電圧ループ（バス電圧一定）と速い電流ループ（瞬時電流を半正弦に追従）の二重構造。電圧ループを100/120Hzリプルより遅くすることで、出力一定と入力非歪を両立する。
• 80 PLUS の高力率要件はアクティブPFCの存在を前提 にしており、正弦波化はI²R損失低減と規制適合の両面で効く。前提知識は /power/power-factor-reactive-power/、昇圧の原理は /power/smps-principles/ を参照。