オンラインシミュレーターによるPFC回路設計

AC-DC電源では、整流・平滑によって入力電流が電圧のピーク付近に集中し、電流波形の歪みや高調波電流が発生しやすくなります。高調波電流は、配線や部品の発熱、電源系統への影響につながるため、後段のDC-DC回路だけでなく、一次側 (入力側) の設計段階から対策を検討することが重要です。
PFC (Power Factor Correction: 力率改善) 回路は、入力電圧に同期して入力電流を制御し、電流波形を正弦波に近づけることで、力率改善と高調波電流の低減を図る回路です。IEC 61000-3-2では、公共の低圧配電系統に接続される定格入力電流16A/相以下の電気・電子機器について、高調波電流成分の制限が規定されています。こうした背景から、PFC回路は効率向上だけでなく、規格適合や電源品質の観点でも設計初期に確認すべき重要な要素です。

*1: IEC 61000-3-2 (定格入力電流16A/相以下)、IEC 61000-3-12 (16A超～75A/相以下) など。

一般的な整流・平滑回路 (ブリッジ整流＋平滑コンデンサー) のみの場合、入力電流は交流電圧が平滑コンデンサー電圧を上回るタイミングに集中して流れます。そのため、入力電流はパルス状となり、正弦波から大きくずれます。電流波形が歪むと、同じ出力電力でも入力電流の実効値が増加し、配線・部品の発熱や高調波電流の増加につながります。PFC回路は、インダクターとスイッチング素子を用いて入力電流を制御し、入力電圧と同相の正弦波に近づけます。これにより、力率を1に近づけるとともに、高調波電流を低減します。

現在のPFC回路では、MOSFETを用いたアクティブ (スイッチング) 方式が広く使われています。代表的な昇圧型PFCでは、インダクター、MOSFET、ダイオードを組み合わせ、入力電圧の瞬時値に応じてインダクター電流を制御します。設計では、インダクター電流を連続的に流すか、ゼロ電流点でスイッチングするかといった通電モード、電流リップル、ピーク電流、スイッチング損失、EMIフィルターへの影響などを確認する必要があります。オンラインシミュレーターは、これらの波形変化を画面上で把握し、MOSFETや回路定数の違いを比較するための事前検証に有効です。

PFC回路には、構成や制御方式の違いにより複数のトポロジーがあります。用途、出力電力、効率要求、部品点数、設計難度などに応じて選択します。オンラインシミュレーターでは、AC-DC電源の一次側 (PFC段) として、次のような方式を選択して動作を確認できます。

• Single PFC: 単相昇圧型PFC。基本となる構成で、回路理解や小～中電力電源の検討に適しています。
• Interleaved PFC: 2相構成のPFC。各相を位相差付きで動作させ、電流分担、リップル低減、熱分散を確認できます。
• Totem-Pole PFC: MOSFETで整流とPFC動作を行う高効率志向の構成です。
• Semi-Bridgeless PFC: ブリッジ損失を一部低減しながら、構成を抑えたブリッジレス系の構成です。

PFC回路では、トポロジーだけでなく、インダクター電流の流れ方 (通電モード) も重要です。代表的なモードには、CCM (Continuous Conduction Mode: 連続電流モード)、CRM/BCM (Critical/Boundary Conduction Mode: 臨界電流モード)、DCM (Discontinuous Conduction Mode: 不連続電流モード) があります。
CCMはインダクター電流が途切れず、リップルを比較的小さく抑えやすいため中～大電力用途で使われます。一方、CRM/BCMはゼロ電流点でスイッチングするため、スイッチング損失やダイオード逆回復の面で利点がありますが、電流ピークや制御の考慮が必要です。DCMは小電力用途で扱いやすい一方、ピーク電流が大きくなりやすい点に注意が必要です。波形上のリップル、ピーク、歪みは設計判断に直結するため、方式と通電モードの両面から確認することが重要です。

オンラインシミュレーターでは、入力電圧・入力電流、出力電圧・出力電流、インダクター電流などの波形を表示し、回路方式やMOSFET、回路定数を変更したときの影響を比較できます。
設計初期には、実機評価の前に「入力電流が電圧に追従しているか」「インダクター電流のピークやリップルが許容範囲にあるか」「出力電圧が目標値付近で安定しているか」といった観点を確認できます。また、Accurateモードを使用すると、波形だけでなく効率や素子損失も確認でき、部品選定や回路定数見直しの当たり付けに活用できます。

本記事では、PFC回路の一例としてInterleaved PFCを取り上げます。Interleaved PFCは、昇圧PFC回路を2相 (または多相) に分割し、各相を位相差付きで動作させる方式です。2相構成では一般に180°位相をずらして駆動し、各相で電流を分担します。
各相のインダクター電流リップルは互いに重なり合い、入力側でリップル成分が部分的に相殺されます。これにより、入力電流リップルや出力コンデンサーのリップル電流を低減しやすくなり、EMIフィルターや熱設計の面でもメリットが期待できます。ROHM Tech WebやNXPの技術資料でも、Interleaved PFCはリップル低減、電流分担、フィルター小型化、効率改善に有効な方式として説明されています。
このように、Interleaved PFCは波形上で効果を確認しやすく、オンラインシミュレーターによる理解・事前検証の題材として適しています。

本検証で使用したTK125U60Z1の主な仕様は以下の通りです。

• NチャネルパワーMOSFET (DTMOSⅥ世代)、パッケージ: TOLL
• ドレイン・ソース間電圧 V_DSS = 600V
• ドレイン電流 (DC) I_D = 20A
• ドレイン・ソース間オン抵抗 R_DS(ON) = 125mΩ (最大)
• ゲート入力電荷量 Q_g = 28nC (標準)
• 入力容量 C_iss = 1620pF (標準)
• 参考 (ボディダイオード特性) : 逆回復時間 t_rr = 285ns (標準)、逆回復電荷量 Q_rr = 3100nC (標準)
  
  製品情報 (参照) : TK125U60Z1

PFC回路は、入力電流を入力電圧に同期した正弦波に近づけることで、高調波電流を低減し、力率を改善する回路です。方式 (Single/Interleaved/Totem-Pole/Semi-Bridgeless) や通電モード (CCM/CRM/DCM) によって、電流リップル、ピーク電流、素子ストレス、損失・効率、設計難度が変わります。
オンラインシミュレーターを活用すると、環境構築や素子モデルの準備を行わずに、方式、MOSFET、回路定数を切り替えながら波形を比較できます。さらにAccurateモードでは、効率や素子損失も確認できるため、設計初期の当たり付けや部品選定の検討を効率化できます。
本記事で示したInterleaved PFCの例では、 (1) 180°位相差による電流分担、 (2) リップル低減効果、 (3) 入力電流の整形と出力電圧制御、 (4) 効率および損失評価を、一連の流れで確認できることを示しました。PFC回路の動作を波形と数値の両面から確認できる点が、オンラインシミュレーターの大きな利点です。

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