《機械》〈パワーエレクトロニクス〉[R2:問10]パワー半導体スイッチングデバイスの比較に関する論説問題

【問題】

【難易度】★★★☆☆(普通)

パワー半導体スイッチングデバイスとしては近年,主に\( \ \mathrm {IGBT} \ \)とパワー\( \ \mathrm {MOSFET} \ \)が用いられている。両者を比較した記述として,誤っているものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。

(1) \( \ \mathrm {IGBT} \ \)は電圧駆動形であり,ゲート・エミッタ間の電圧によってオン・オフを制御する。

(2) パワー\( \ \mathrm {MOSFET} \ \)は電流駆動形であり,キャリア蓄積効果があることからスイッチング損失が大きい。

(3) パワー\( \ \mathrm {MOSFET} \ \)はユニポーラデバイスであり,バイポーラ形のデバイスと比べてオン状態の抵抗が高い。

(4) \( \ \mathrm {IGBT} \ \)はバイポーラトランジスタにパワー\( \ \mathrm {MOSFET} \ \)の特徴を組み合わせることにより,スイッチング特性を改善している。

(5) パワー\( \ \mathrm {MOSFET} \ \)ではシリコンのかわりに\( \ \mathrm {SiC} \ \)を用いることで,高耐圧化をしつつオン状態の抵抗を低くすることが可能になる。

【ワンポイント解説】

電力用半導体デバイスに関する問題で,少し発展的な内容を入れた選択肢もありますが,誤りは非常に重要な部分が間違いとなっています。
しっかりと参考書を学習されている方であれば解ける問題なので,電験受験者のレベルを考えると正答したい問題と言えるでしょう。

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:(2)
(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,\( \ \mathrm {IGBT} \ \)はゲート―エミッタ間電圧による電圧駆動形の素子です。

(2)誤り
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,パワー\( \ \mathrm {MOSFET} \ \)はゲート―ソース間電圧による電圧駆動形の素子です。キャリア蓄積効果があることから,スイッチングが瞬時に行われず,スイッチング損失が発生します。

(3)正しい
パワー\( \ \mathrm {MOSFET} \ \)は電子もしくは正孔のどちらかがキャリアであり,ユニポーラデバイスであるといいます。バイポーラトランジスタと比べてオン状態における抵抗値は高いです。

(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,\( \ \mathrm {IGBT} \ \)は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,バイポーラトランジスタのスイッチング特性を改善している特徴があります。

(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,パワー\( \ \mathrm {MOSFET} \ \)では,高電圧で発熱するため,大容量に向かないという特徴がありますが,シリコンのかわりに\( \ \mathrm {SiC} \ \)を用いることで,高耐圧化をしつつオン状態の抵抗を低くすることが可能になるようになってきています。