交流（AC）電源の力率（PF）は、負荷に流入する有効電力（ワット）と回路の皮相電力（VA）の比として定義されます。
それは次のように与えられます:
PF = 有効電力 (W) / 皮相電力 (VA)
上記の式は、PFが0から1の間で変化する数値であることを示しています。実効電力と皮相電力が同じ場合、PFは1になります。これは、電流波形と電圧波形の両方が同位相で正弦波である場合にのみ発生します (図1)。ただし、両方が正弦波であっても位相がずれている場合は、皮相電力が実効電力よりも大きくなり、PFは電流波形と電圧波形間の位相角 θ の余弦になります。つまり、PF = Cosθ です。実際には、PF = 1は、負荷が純粋に抵抗性で線形である理想的な状況です。実際には、電子システムに見られるオフラインAC/DC電源はスイッチング モードであり、非線形負荷が発生します。
図1: 入力電流と電圧の波形が同位相で正弦波の場合、力率は1になります。（出典：インフィニオン）
今日の電源は主にスイッチング モードであるため、非正弦波形を描画し、入力電流と電圧波形の間に位相角 θ が生じます。電流波形が電圧波形に従わない場合 (図2)、Cosθ に基づいてPFは1未満になります。たとえば、θ = 45°の場合、PF = Cos45 = 0.707になります。電力損失に加えて、<1 PFでは高調波が発生し、それが中性線を通ってAC主電源ラインに接続された他のデバイスに支障をきたします。PF数が低いほど、ACライン上の高調波含有量は高くなり、逆もまた同様です。
図2: 電流波形が電圧波形に従わない場合、力率は1未満になります。（出典：インフィニオン）
したがって、AC主電源ラインで許容される高調波歪みを制限するための厳しい規制が存在します。一般的な欧州規制はEN61000-3-2で、これは電子機器から主電源に反射された高調波を送り返すことを制限するために導入されました。これは、PC (ノートパソコンやPCモニターを含む)、消費電力が75 Wを超えるラジオやテレビ受信機など、すべてのクラスD電子システムに適用されます。クラスDは、EN61000-3-2規格によって分類される4つのクラス (A、B、C、D) の1つであり、クラスごとに異なる高調波電流制限が課せられます。今では国際標準となっています。
EN61000-3-2などの規制の高調波要件に準拠し、全体的なPFパフォーマンスを高く維持するには、75 Wを超える電力を消費する電子システムで使用されるAC/DCフロントエンド コンバータ モジュールに力率補正 (PFC) を組み込む必要があります。PFCを実装すると、高いPF数を実現し、低高調波を保証します。現在、ACフロントエンドで使用されるさまざまな電源トポロジーには、パッシブおよびアクティブの技術が数多く利用可能です。
パッシブPFC
高調波電流を制御する最も簡単な方法は、インダクタとコンデンサで構成されるパッシブ フィルタを使用することです。このLCフィルタは、ライン周波数 (50 Hzまたは60 Hzなど) でのみ電流を流すことで高調波を低減し、非線形デバイスを線形負荷のように見せます。これにより、PFがほぼ1に近づくようになります。ただし、欠点は、フィルタに大容量の高電流インダクタと高電圧コンデンサが必要となり、大きくて高価になることです。
アクティブPFC
図3: アクティブPFCソリューションでは、入力整流器と蓄電コンデンサの間に配置された半導体コントローラと、その後にDC/DCコンバータを使用します。(出典: ON Semiconductor)
アクティブPFCソリューションでは、図3に示すように、入力整流器と蓄電コンデンサの間に配置された半導体コントローラ チップを使用し、その後にDC/DCコンバータを配置します。この回路は、入力電流を入力電圧波形に合わせて整形し、通常0.9を超える高いPF値を実現します。基本的に、アクティブPFCコントローラICには3つのタイプがあります。これらには、臨界伝導モード (CrM)、連続伝導モード (CCM)、不連続伝導モード (DCM) が含まれます。これらのアクティブPFCコントローラICはさまざまなメーカーから提供されており、各サプライヤは独自のバージョンとその使用理由を提供しています。