《機械》〈パワーエレクトロニクス〉[H23:問10]パワー半導体デバイスに関する論説問題

【問題】

【難易度】★★★☆☆(普通)

半導体電力変換装置では,整流ダイオード,サイリスタ,パワートランジスタ(バイポーラパワートランジスタ),パワー\( \ \mathrm {MOSFET} \ \),\( \ \mathrm {IGBT} \ \)などのパワー半導体デバイスがバルブデバイスとして用いられている。

バルブデバイスに関する記述として,誤っているものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。

(1) 整流ダイオードは,\( \ \mathrm {n} \ \)形半導体と\( \ \mathrm {p} \ \)形半導体とによる\( \ \mathrm {pn} \ \)接合で整流を行う。

(2) 逆阻止三端子サイリスタは,ターンオンだけが制御可能なバルブデバイスである。

(3) パワートランジスタは,遮断領域と能動領域とを切り換えて電力スイッチとして使用する。

(4) パワー\( \ \mathrm {MOSFET} \ \)は,主に電圧が低い変換装置において高い周波数でスイッチングする用途に用いられる。

(5)\( \ \mathrm {IGBT} \ \)は,バイポーラと\( \ \mathrm {MOSFET} \ \)との複合機能デバイスであり,それぞれの長所を併せもつ。

【ワンポイント解説】

パワー半導体デバイスに関する問題で,理論科目の電子理論の範囲でも取り扱う内容です。
基本事項を扱っている問題ですが,知識が合っても一見間違いに気づきにくい問題です。しっかりと名称やメカニズムを理解している必要があるかと思います。

1.各パワー半導体デバイスの概要
各図は半導体デバイスの概要図(左)と回路図上の記号(右)です。

①ダイオード
ダイオードは,\( \ \mathrm {n} \ \)型半導体と\( \ \mathrm {p} \ \)型半導体を\( \ \mathrm {pn} \ \)接合したデバイスで図1の順方向(\( \ \mathrm {p→n} \ \))には電流が流れますが,逆方向(\( \ \mathrm {n→p} \ \))には電流が流れません。

②バイポーラトランジスタ
\( \ \mathrm {n} \ \)型半導体と\( \ \mathrm {p} \ \)型半導体を\( \ \mathrm {npn} \ \)接合もしくは\( \ \mathrm {pnp} \ \)接合したデバイスで\( \ \mathrm {B} \ \)(ベース),\( \ \mathrm {E} \ \)(エミッタ),\( \ \mathrm {C} \ \)(コレクタ)端子があります。\( \ \mathrm {B} \ \)端子に電流が流れているとオンとなり,\( \ \mathrm {C→E} \ \)に電流が流れます。\( \ \mathrm {B} \ \)端子の電流をなくすとオフとなり,\( \ \mathrm {C→E} \ \)に電流が流れません。

③サイリスタ
\( \ \mathrm {n} \ \)型半導体と\( \ \mathrm {p} \ \)型半導体を\( \ \mathrm {pnpn} \ \)接合したデバイスで\( \ \mathrm {A} \ \)(アノード),\( \ \mathrm {K} \ \)(カソード),\( \ \mathrm {G} \ \)(ゲート)端子があります。\( \ \mathrm {A-K} \ \)間に電圧をかけ\( \ \mathrm {G} \ \)に信号を与えるとオンになり,その後\( \ \mathrm {G} \ \)電流をなくしてもオン状態のままとなります。オフにするためには,順方向の電流をさらに下げる(保持電流と言います)か\( \ \mathrm {A-K} \ \)間に逆方向電圧をかけるかをする必要があります。

④\( \ \mathrm {MOSFET} \ \)
図4のように\( \ \mathrm {n} \ \)型半導体と\( \ \mathrm {p} \ \)型半導体を接合したデバイスで,\( \ \mathrm {S} \ \)(ソース),\( \ \mathrm {D} \ \)(ドレイン),\( \ \mathrm {G} \ \)(ゲート)端子があります。\( \ \mathrm {G} \ \)に電圧をかけオンオフするため,バイポーラトランジスタと似ていますが,スイッチング速度は速い反面,高電圧で発熱するため,大容量に向かないという特性があります。

⑤\( \ \mathrm {IGBT} \ \)
バイポーラトランジスタと\( \ \mathrm {MOSFET} \ \)を組み合わせたようなデバイスで,\( \ \mathrm {MOSFET} \ \)の速度と大容量化を同時にできる良いとこどりのデバイスです。ただし,速度は\( \ \mathrm {MOSFET} \ \)の方が高速のため,小容量では\( \ \mathrm {MOSFET} \ \)を使用します。

【解答】

解答:(3)
(1)正しい
ワンポイント解説「1.各パワー半導体デバイスの概要」の通り,整流ダイオードは\( \ \mathrm {n} \ \)形半導体と\( \ \mathrm {p} \ \)形半導体を\( \ \mathrm {pn} \ \)接合し整流を行います。

(2)正しい
逆阻止三端子サイリスタは,ワンポイント解説「1.各パワー半導体デバイスの概要」の通り,ターンオンはゲート信号でオン制御が可能ですが,ターンオフするためには電流を保持電流以下にするかアノード-カソード間に逆電圧をかける必要があります。

(3)誤り
パワートランジスタは電力スイッチとして使用しますが,コレクタ電流がほとんど流れないオフの遮断領域とコレクタ-エミッタ間電圧があまり大きくならないオンの飽和領域を切り換えて使用します。
能動(活性)領域はトランジスタを増幅回路として使用する場合に利用する領域となります。

(4)正しい
ワンポイント解説「1.各パワー半導体デバイスの概要」の通り,スイッチング速度が速い特性を利用して,\( \ \mathrm {MOSFET} \ \)は電圧が低い変換装置において,高い周波数でスイッチングする用途に利用されます。

(5)正しい
ワンポイント解説「1.各パワー半導体デバイスの概要」の通り,バイポーラトランジスタと\( \ \mathrm {MOSFET} \ \)を組み合わせたようなデバイスで,それぞれの長所を併せ持つ特長があります。