《機械》〈パワーエレクトロニクス〉[H29: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)

電力変換装置では,各種のパワー半導体デバイスが使用されている。パワー半導体デバイスの定常的な動作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) ダイオードの導通,非導通は,そのダイオードに印加される電圧の極性で決まり,導通時は回路電圧と負荷などで決まる順電流が流れる。

(2) サイリスタは,オンのゲート電流が与えられて順方向の電流が流れている状態であれば,その後にゲート電流を取り去っても,順方向の電流に続く逆方向の電流を流すことができる。

(3) オフしているパワーMOSFETは,ボディーダイオードを内蔵しているのでオンのゲート電圧が与えられなくても逆電圧が印加されれば逆方向の電流が流れる。

(4) オフしているIGBTは,順電圧が印加されていてオンのゲート電圧を与えると順電流を流すことができ,その状態からゲート電圧を取り去ると非導通となる。

(5) IGBTと逆並列ダイオードを組み合わせたパワー半導体デバイスは,IGBTにとって順方向の電流を流すことができる期間をIGBTのオンのゲート電圧を与えることで決めることができる。IGBTにとって逆方向の電圧が印加されると,IGBTのゲート状態にかかわらずIGBTにとって逆方向の電流が逆並列ダイオードに流れる。

【ワンポイント解説】

半導体デバイスの概要に関する内容で,数年に1回程度出題されています。各デバイスの概要は理解しておくと良いと思います。

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

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

③サイリスタ
n型半導体とp型半導体をpnpn接合したデバイスでS(ソース),D(ドレイン),G(ゲート)端子があります。A-K間に電圧をかけGに信号を与えるとオンになり,その後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A-K間に逆方向電圧をかけるかをする必要があります。

④MOSFET
図4のようにn型半導体とp型半導体を接合したデバイスで,S(ソース),D(ドレイン),G(ゲート)端子があります。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。

⑤IGBT
バイポーラトランジスタとMOSFETを組み合わせたようなデバイスで,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MOSFETの方が高速のため,小容量ではMOSFETを使用します。

【解答】

解答:(2)
逆方向電圧をかけるとサイリスタはオフになります。

(1) ダイオードの導通,非導通は,そのダイオードに印加される電圧の極性で決まり,導通時は回路電圧と負荷などで決まる順電流が流れる。

(2) サイリスタは,オンのゲート電流が与えられて順方向の電流が流れている状態であれば,その後にゲート電流を取り去っても,順方向の電流に続く逆方向の電流を流すことができる。

(3) オフしているパワーMOSFETは,ボディーダイオードを内蔵しているのでオンのゲート電圧が与えられなくても逆電圧が印加されれば逆方向の電流が流れる。

(4) オフしているIGBTは,順電圧が印加されていてオンのゲート電圧を与えると順電流を流すことができ,その状態からゲート電圧を取り去ると非導通となる。

(5) IGBTと逆並列ダイオードを組み合わせたパワー半導体デバイスは,IGBTにとって順方向の電流を流すことができる期間をIGBTのオンのゲート電圧を与えることで決めることができる。IGBTにとって逆方向の電圧が印加されると,IGBTのゲート状態にかかわらずIGBTにとって逆方向の電流が逆並列ダイオードに流れる。