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【コラム3】PFC(力率改善回路)とは(その1)

2014.11.25 Tuesday カテゴリ:コラム

私は小さい頃からけっこう勘違いが多く、たとえば昔(50年ほど前ですが)歌謡曲で「フランシーヌの場合」という歌がはやりました(唄は新谷のりこさん)。これは焼身自殺したフランスの少女のことを唄った歌なのですが、私はずっと「フランス犬の場合」と思いこんでいました。
この勘違いの最たるものが、私の名前なのです。私はずっと名前の邦彦の邦の左側を手だと思いこんでいて、30数年間それで書き通してきました。間違いが何故わかったかというと、結婚申請書に名前を書くときに、「漢字が間違っている」と奥さんに指摘されたからです。最初は妻が間違っていると思っていたのですが、辞書で調べていくとどうも私が間違えているようです。でも30数年間これで通してきたので、まだ合点がいきません。最後は戸籍謄本で調べたところ、私の敗北が決まりました。
 


 


ワープロに慣れてしまうと、漢字の間違いが多いですね。先日も母に面会に行ったところ、受付で間柄を記載するようになっています。私は息子と書こうとしたのですが、息子の息(いき)という字が「息というのは子供とは関係ない・・・。」とつい余計なことを考えてしまいました。その結果、「臭子」と書いてしまいました(これは本当の話です)。
でもどう考えても、臭子(くさこ)は変だ。やっぱり息のほうだと気づき、修正のため受付に急ぎました。それを一緒に行った子供たちも気づいたのか、私についてくるではないですか。しっかりと「臭(くさ)→息(いき)」と書き直すのを見られてしまいました。家に帰ったら、奥さんにその一部始終が報告されたのは言うまでもありません(笑い)。
※息子のむすは生(む)すが語源で、子は男という意味らしいです。逆に、むすめのめは女という意味になるそうです。昔は、子は男だったんですね。そう言えば小野妹子さんも肖像画に髭がありますから、男だったということがわかりますね。

(心の声)
前回のコラムで、降圧タイプのDC−DCコンバータをステップダウン・コンバータと書きましたが、別名バック・コンバータと言います。最近ではこの呼び名のほうが一般的かも知れません。バックはbuckで、backではないのでご注意を(buck offで振り落とすの意味と理解しています)。
同様に、昇圧タイプのステップアップ・コンバータはブースト・コンバータと言います。ブーストはboost(押し上げる)ですね。



●PFCとは何?

私がPFC(power factor correction、力率改善)を始めて知ったのは、今から30年ほど前になります。当時トランジスタ技術編集部にいたとき私はPFCなるものを知りました。当時の記事の中ではまだPFCという言葉ではなく、アクティブ平滑フィルタと呼んでいました。確か西ドイツ シーメンス社のICだったと記憶しています。

力率改善回路が必要な理由は後で詳細に述べますが、簡単に言うと高調波電流対策のためです。スイッチング電源への入力周波数は通常50Hz(あるいは60Hz)ですが、何もしないと、この2倍、3倍、4倍、5倍、6倍・・・・という高調波電流が発生してしまいます。これが商用電源側に流出すると、電力の送配電設備(進相コンデンサなど)を損傷させるなどの問題が発生してしまいます。この問題を防ぐために考えられたのが、高調波電流規制値なのです。規制値は、IEC(国際電気標準会議)で策定されています(IEC 61000-3-2)。世界各国(地域)は、この規格を国内法に反映させて運用しています。 

●HiW電源ではPFC回路が必要

このように、PFCが必要な理由は「高調波電流抑制」なのですが、では何故高調波が発生するのでしょうか?

図1は通常良く見かける(半波)電源回路です。
 

 





図1:電源回路

 


ダイオードの後ろがコンデンサになっていますから、コンデンサ入力型と呼んでいます。それでは下記の条件でシミュレーションしてみましょう。

・100VRMS(141Vピーク)、周波数50Hzの正弦波電圧をVINに入力します
・VOUTは出力電圧です

図2が結果です。

 

 





図2:シュミレーションの結果1(VinとVout)

 

 


電源回路では良く見かける波形ですね。

まず充電期間(VIN>VOUT)では、コンデンサC1に充電電流IINが流れてコンデンサC1が充電されます。(もちろん、充電期間中もR1には電流を流せます)。
次に放電期間(VOUT>VIN)では、先ほど充電されたC1から負荷(この場合はR1)に電流が供給されます。そのため、VOUTは時間とともにだんだんと減衰していきます。この減衰はC1×R1の時定数で決まります。

ここでPFCが必要な理由を説明しないといけないので、入力電流IINを測定しましょう。電流はR2=10Ωで測定します。R2=10Ωなので、2V/divは2V/10Ω=0.2A/divになります。

図3がその結果です。

 

 

 





図3:シュミレーションの結果2

 

 


上の波形はVOUTです。放電時に負荷に流れる電流IOUTとC1を充電する充電電流IINは等しくなります。図3より放電電流を計算してみましょう(あくまでも大雑把な計算です)。

VOUTの平均電圧を/VOUTとすると、

/VOUT = (140V + 117V) / 2 ≒ 130V

ですから、IOUTの平均値は、

/IOUT = /VOUT/R1 = 130V / 10kΩ = 13mA

です。

ただし、放電期間は

20ms - 2ms = 18ms

なので、実際には

13mA(18ms/20ms) ≒ 12mA

になります。

いっぽう、IINの平均値は、IINの波形が三角なので、

/IIN=(0.22A/2)(2ms/20ms) = 11mA

となり、IIN ≒ IOUTとなることがわかります。

ここでIINのピークを見てください。

平均値が11mAなのに、ピーク値は0.22Aもあります。なんと平均値の20倍近い電流が入力には流れてしまうのです。これではたまったものではありません。このように、コンデンサ入力の電源回路では、入力電流に高調波が多数発生してしまうのです。当然ながらこのような電源回路の力率は非常に悪く、概略0.5〜0.6程度ですが、力率改善(PFC)回路を付けた電源回路では0.9〜0.99程度にできます。


それでは、ちょうど時間となってしまいました。第4回はPFCの続きです。お楽しみに。

 

 

 


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