《機械》〈パワーエレクトロニクス〉[R05下:問10]パワー半導体デバイスの動作に関する論説問題

【問題】

【難易度】★★★★☆（やや難しい）

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\( \ \mathrm {MOSFET} \ \)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\( \ \mathrm {IGBT} \ \)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)　\( \ \mathrm {IGBT} \ \)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，\( \ \mathrm {IGBT} \ \)にとって順方向の電流を流すことができる期間を\( \ \mathrm {IGBT} \ \)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。\( \ \mathrm {IGBT} \ \)にとって逆方向の電圧が印加されると，\( \ \mathrm {IGBT} \ \)のゲート状態にかかわらず\( \ \mathrm {IGBT} \ \)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】

電力変換装置に使用されるパワー半導体デバイスの特徴に関する問題です。
少し問題文が長く，間違いが見つからないと時間がかかってしまう問題です。
パワー半導体デバイスに関する出題は比較的多めとなっていますので，概要を理解しておくようにして下さい。
本問は平成29年問10からの再出題となります。

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

②バイポーラトランジスタ
\( \ \mathrm {n} \ \)形半導体と\( \ \mathrm {p} \ \)形半導体を\( \ \mathrm {npn} \ \)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
\( \ \mathrm {n} \ \)形半導体と\( \ \mathrm {p} \ \)形半導体を\( \ \mathrm {pnpn} \ \)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\( \ \mathrm {A-K} \ \)間に逆方向電圧を加えるかをする必要があります。

④パワー\( \ \mathrm {MOSFET} \ \)
図4のように\( \ \mathrm {n} \ \)形半導体と\( \ \mathrm {p} \ \)形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
問題文の通り，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（すなわちプラスマイナス）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ます。

(2)誤り
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は流れている状態となりますが，逆方向電圧をかけるとサイリスタはオフとなってしまいます。

(3)正しい
問題文の通り，オフしているパワー\( \ \mathrm {MOSFET} \ \)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ます。

(4)正しい
問題文の通り，オフしている\( \ \mathrm {IGBT} \ \)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ります。

(5)正しい
問題文の通り，\( \ \mathrm {IGBT} \ \)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，\( \ \mathrm {IGBT} \ \)にとって順方向の電流を流すことができる期間を\( \ \mathrm {IGBT} \ \)のオンのゲート電圧を与えることで決めることができます。\( \ \mathrm {IGBT} \ \)にとって逆方向の電圧が印加されると，\( \ \mathrm {IGBT} \ \)のゲート状態にかかわらず\( \ \mathrm {IGBT} \ \)にとって逆方向の電流が逆並列ダイオードに流れます。