電力網では、AC信号によって電力が供給されます。完璧な状態では、負荷は純粋に抵抗性ですが、工場や住宅内のモーターにより、負荷は実際には誘導性になります。
グリッド内の電力と負荷内の電力の間に位相差が生じます。これは単純なRL回路として考えることができ、図1に示すように、さまざまな電力は有効電力、無効電力、皮相電力と呼ばれます。
1) 本当の力
2) 無効電力
3) 皮相電力
図1: パワートライアングルの図
電力の種類
無効電力 は、コイルに蓄えられ、その後送電網に逆流する電気エネルギーを表します。理想的なコイルは電気エネルギーを消費しませんが、大きな電流を生成します。有効電力 は抵抗負荷によって実際に消費される電力であり、 皮相電力 はグリッドが耐えなければならない電力です。実効電力の単位はワットですが、皮相電力の単位はVA（ボルトアンペア）です。
有効電力、無効電力、皮相電力の比較
ビールのグラスとビールの泡に関する有名な例え話があります。最終的に飲むものこそが本当の力です。ガラスは見かけのパワーであり、液体と泡を収容できるほどの大きさでなければなりません。
無効電力の問題は技術的なものであるだけでなく、潜在的に大きな経済的影響を及ぼす可能性があります。実際、電力会社は見かけのエネルギーを輸送できる送電網を構築する必要がありますが、請求するのは実際の電力のみです。差が大きすぎると持続不可能になります。有効電力と皮相電力の比率は力率として知られています。力率は可能な限り1に近くなければなりません。この作業には、 力率補正装置 (PFC) と呼ばれる電子部品が役立ちます。政府は、良好なエネルギーラベルを取得するために、より厳しい基準に準拠しなければならない電子機器に関する新しい規制を定期的に制定しています。
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従来の AC-DCコンバータ では、通常、ACラインから電力を引き出すために、単純なコンデンサ フィルタを備えた全波整流ブリッジが使用されます。その結果、線電流波形は狭いパルスとなり、電流の高調波歪みにより力率は低下します（0.5～0.6）（図3参照）。
図2: AC-DCコンバータ 方程式
力率改善装置を改善するにはさまざまな方法があります。低電力の場合、個別のコンポーネントを使用したパッシブ ソリューションで十分な場合がよくあります。前述のように、負荷はほとんどの場合誘導性であり、 コンデンサ を並列に配置すると力率が向上します。アプリケーションで数十ワットが必要な場合、アクティブPFCが必要になります。最も一般的なトポロジはブースト トポロジであり、次の2つのサブ カテゴリに分けられます。
- 数十ワットから数百ワットの遷移モード（TM）または臨界伝導モード（CrM）
- 数百ワットから数千ワットの連続導通モード (CCM)
図3は、PFCステージがブースト コンバータ回路としてバルク コンデンサの前に実装されていることを示しています。
図3: PFC - 力率改善回路
目標は、入力正弦波電圧と同位相で入力電流を正弦波状に成形することです。 内部正弦波リファレンスが生成されます。この基準は外部信号と比較され、誤差が大きすぎる場合はMOSFETがオフになります。その後、電流がゼロに達すると、MOSFETは再びオンになります。遷移モードには固定のオン時間期間があり、図4のような曲線を描きます。
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図4：MOSFETのタイミングとインダクタ電流波形 - 遷移モード
このシステムは、連続電流モードと不連続電流モードの境界で（厳密にではないが、非常に近いところで）動作するため、このシステムは遷移モードPFCと呼ばれます。電流の振幅は大きく、ピーク電流は平均電流の2倍になります。したがって、高電力を得るには、電流を正弦波曲線に近づける必要があります。連続導通モードは、図5に示すように、電流の変動を制限する固定周波数を適用するソリューションです。これは最も複雑な設計ですが、力率0.99を実現できます。
図5：MOSFETタイミングとインダクタ電流波形タイミング - 連続導通モード
オンタイムで変調が行われる固定オフタイム (FOT) タイミングなどの他の方法も存在します。条件によっては、遷移モードに似た実装で、現在の連続モードに似た結果を提供できます。電力を増強する必要があり、単一の遷移モードでは不十分な場合は、インターリーブPFCが解決策となります。この種のソリューションでは、より多くのコンポーネントを使用しますが、設計ははるかに簡単になります。