《機械》〈パワーエレクトロニクス〉[R06:問5]トランジスタのスイッチングに関する空欄穴埋問題

1 【問題】
2 【ワンポイント解説】
3 【解答】

【問題】

【難易度】★★★☆☆（普通）

次の文章は，トランジスタのスイッチングに関する記述である。文中の$ \ \fbox{$\hskip3em\Rule{0pt}{0.8em}{0em}$} \ $に当てはまる最も適切なものを解答群の中から選べ。

図1はトランジスタのコレクタ・エミッタ間電圧$ \ v_{\mathrm {CE}} \ $とコレクタ電流$ \ i_{\mathrm {C}} \ $のスイッチング期間中の軌跡の模式図である。外側の実線が安全動作領域$ \ \left( \mathrm {SOA} \right) \ $を示す。トランジスタの動作点の軌跡が$ \ \mathrm {SOA} \ $の内側にあることが望ましい。動作点が点$ \ \mathrm {a} \ $から点$ \ \mathrm {b} \ $に移行するとき，軌跡$ \ \fbox {　（１）　} \ $を通るとトランジスタの損失は非常に小さい。この軌跡を求めるためには移行期間中の$ \ v_{\mathrm {CE}} \ $と$ \ i_{\mathrm {C}} \ $の$ \ \fbox {　（２）　} \ $を測定する必要がある。線分$ \ \mathrm {cd} \ $の部分は$ \ \fbox {　（３）　} \ $や二次降伏による制限である。

図2は，コンデンサ$ \ \mathrm {C} \ $，抵抗$ \ \mathrm {R} \ $及びダイオード$ \ \mathrm {D} \ $からなる$ \ \fbox {　（４）　} \ $がトランジスタに並列接続されている。$ \ \mathrm {C} \ $はターンオフするときの$ \ v_{\mathrm {CE}} \ $の上昇を$ \ \fbox {　（５）　} \ $する働きがあり，$ \ \mathrm {SOA} \ $内でのトランジスタの動作の確保，スイッチング損失の低減，$ \ \fbox {　（６）　} \ $の抑制に役立つ。$ \ \mathrm {R} \ $はオン期間に$ \ \mathrm {C} \ $の$ \ \fbox {　（７）　} \ $を制限する働きがある。

〔問5の解答群〕
\[
\begin{eqnarray}
&（イ）&　1 　　　　　&（ロ）&　2　　　　　&（ハ）&　3 \\[ 5pt ] &（ニ）&　放電電流　　　　　&（ホ）&　最小値　　　　　&（ヘ）&　環流回路 \\[ 5pt ] &（ト）&　瞬時値　　　　　&（チ）&　最大値　　　　　&（リ）&　オン電流 \\[ 5pt ] &（ヌ）&　緩やかに　　　　　&（ル）&　サージ電圧　　　　　&（ヲ）&　温度上昇 \\[ 5pt ] &（ワ）&　スイッチング周期　　　　　　　　&（カ）&　急峻に　　　　　&（ヨ）&　オン電圧 \\[ 5pt ] &（タ）&　充電電流　　　　　&（レ）&　スナバ回路　　　　　　　　&& \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\]

【ワンポイント解説】

トランジスタのスイッチング時の動作と損失に関する問題です。
電子回路の理論としては標準的な内容となりますが，電験ではスイッチング損失は無視することが多いため，$ \ 2 \ $種まではあまり出題されない問題です。
日常から電験のテキストのみでなく様々な知識をできるだけ広く吸収するようにして下さい。

1.トランジスタの安全動作領域
トランジスタは電子素子であるため，過電圧や過熱状態が継続すると素子が破壊されてしまいます。破壊や劣化をすることなく安全に使用できる領域を安全動作領域$ \ \left( \mathrm {SOA} \right) \ $といい，図3に示すようなグラフとなります。図3において，二次降伏とはトランジスタの特性により，インピーダンスが急激に下がりコレクタ電流が急激に流れる現象をいいます。

2.スナバ回路
図4のようにスイッチング回路に接続される保護回路で，抵抗とコンデンサを直列に接続し，スイッチに並列に接続する$ \ RC \ $スナバ回路が一般的で，さらに抵抗に並列にダイオードが接続されることもあります。
回路の電流を遮断すると電圧が一気に上昇しますが，スナバ回路が上昇を抑制し，スイッチや他の電子機器の損傷を防ぎます。また，サージ電圧（リプル）によるノイズを抑制する役割もあります。ただし，抑制されたエネルギーは熱損失に変換されるので，スナバ回路の影響のバランスを取り，設計することが重要となります。

【解答】

(1)解答：イ
題意より解答候補は，（イ）$ \ 1 \ $，（ロ）$ \ 2 \ $，（ハ）$ \ 3 \ $，になると思います。
電力損失は$ \ v_{\mathrm {CE}} \ $と$ \ i_{\mathrm {C}} \ $の積に比例するので，軌跡$ \ 1 \ $がトランジスタの損失が小さくなります。

(2)解答：ト
題意より解答候補は，（ホ）最小値，（ト）瞬時値，（チ）最大値，になると思います。
軌跡を求めるにはその瞬間での損失を求める必要があるため，移行期間中の$ \ v_{\mathrm {CE}} \ $と$ \ i_{\mathrm {C}} \ $の瞬時値を測定する必要があります。

(3)解答：ヲ
題意より解答候補は，（ヲ）温度上昇，（ワ）スイッチング周期，等になると思います。
ワンポイント解説「1.トランジスタの安全動作領域」の通り，線分$ \ \mathrm {cd} \ $は温度上昇や二次降伏による制限です。

(4)解答：レ
題意より解答候補は，（ヘ）環流回路，（レ）スナバ回路，になると思います。
ワンポイント解説「2.スナバ回路」の通り，図2の回路はスナバ回路がトランジスタに並列に接続された回路となります。

(5)解答：ヌ
題意より解答候補は，（ヌ）緩やかに，（カ）急峻に，になると思います。
ワンポイント解説「2.スナバ回路」の通り，$ \ \mathrm {C} \ $はターンオフするときの$ \ v_{\mathrm {CE}} \ $の上昇を緩やかにする働きがあります。

(6)解答：ル
題意より解答候補は，（リ）オン電流，（ル）サージ電圧，（ヨ）オン電圧，等になると思います。
ワンポイント解説「2.スナバ回路」の通り，スナバ回路はサージ電圧の抑制に役立ちます。

(7)解答：ニ
題意より解答候補は，（ニ）放電電流，（タ）充電電流，等になると思います。
$ \ \mathrm {R} \ $はターンオフ動作を行うまでに$ \ \mathrm {C} \ $に蓄積されている電荷を一定以上放電する条件で抵抗値が選定されます。言い方を変えればオン期間に$ \ \mathrm {C} \ $の放電電流を制限する働きがあります。