パワエレ11【電験3種機械】IGBT単相ブリッジ電圧形インバータの通電・還流デバイス！令和4年下期 B問題16 完全解説

2026年7月7日2026年8月8日

電験3種機械科目パワーエレクトロニクス令和4年度下期 B問題16 スイッチを切った後の電流経路！どこを流れる？

今回は令和4年度下期機械科目 B問題16を解説します。パワエレ9(令和6年度上期B16)と同じ形式の単相ブリッジ接続の電圧形インバータで、区間①〜④で電流が流れるデバイスの組合せ(a)と、電流が増加する時定数(b)を求める問題です。

通電区間（②Q1-Q4、④Q2-Q3）とインダクタンスによる還流区間（①D1-D4、③D2-D3）を見分けるのがポイントです。時定数はτ=L/Rで求めます。

🔁 この問題は繰り返し出題されています
ほぼ同じ問題が【機械】令和6年度上期B問題16 でも出題されています。出題パターンが固定なので、セットで解けば確実な得点源になります。

令和4年度下期機械科目 B問題16：問題文と選択肢

まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。

電験3種機械科目パワーエレクトロニクス令和4年度下期 B問題16 問題文 — 令和4年度下期機械科目 B問題16 問題文

出典：一般財団法人電気技術者試験センター「令和4年度下期第三種電気主任技術者試験」機械科目 B問題16

電験3種機械科目【パワーエレクトロニクス】令和4年度下期 B問題16

　図1は，IGBTを用いた単相ブリッジ接続の電圧形インバータを示す。直流電圧 E_d〔V〕は，一定値と見なせる。出力端子には，インダクタンス L〔H〕で抵抗値 R〔Ω〕の誘導性負荷が接続されている。この電圧形インバータの出力電圧 v₀，出力電流 i₀ が図2のようになった。インバータの動作モードを図2に示す①〜④として本モードは周期 T〔s〕で繰り返されるものとする。なお，上下スイッチの短絡を防ぐデッドタイムは考慮しない。次の(a)及び(b)の問に答えよ。

（a）図2に示した区間①〜④において電流が流れているデバイスの組合せとして正しいものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

① ② ③ ④
(1) D2−D3 Q2−Q3 D1−D4 Q1−Q4
(2) D1−D4 Q1−Q4 D2−D3 Q2−Q3
(3) Q1−Q4 Q1−Q4 Q2−Q3 Q2−Q3
(4) Q1−D3 Q1−Q4 Q2−D4 Q2−Q3
(5) Q2−Q3 Q2−Q3 Q1−Q4 Q1−Q4

（b）電源電圧 E_d が100〔V〕，インダクタンス L を2〔mH〕とし，抵抗 R を1〔Ω〕とすると，区間①②の電流は −I_p〔A〕から I_p〔A〕まで時定数 τ〔s〕で増加する。τに最も近い値を次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

（1）0.001　（2）0.002　（3）0.0032　（4）0.0063　（5）0.02

	①	②	③	④
(1)	D2−D3	Q2−Q3	D1−D4	Q1−Q4
(2)	D1−D4	Q1−Q4	D2−D3	Q2−Q3
(3)	Q1−Q4	Q1−Q4	Q2−Q3	Q2−Q3
(4)	Q1−D3	Q1−Q4	Q2−D4	Q2−Q3
(5)	Q2−Q3	Q2−Q3	Q1−Q4	Q1−Q4

出題のポイント：電圧と電流の符号を並べるだけ

(a)は4つの区間で導通するデバイスを答える問題です。判定基準はたったひとつ——出力電圧と出力電流の符号が同じか違うか。

	電圧と電流が同符号	電圧と電流が異符号
電力の向き	直流側 → 負荷（力行）	負荷 → 直流側（回生）
導通するもの	IGBT（Q）	★逆並列ダイオード（D）
電流の変化	指数関数的に増加	指数関数的に減少

IGBTは一方向にしか流せません。電圧の向きに逆らう電流が流れるとき、それを通せるのはダイオードだけ——だから異符号の区間は必ずダイオードになります。

区間	出力電圧 v₀	出力電流 i₀	導通デバイス
①	＋E_d	負（まだ前の向き）	D₁−D₄
②	＋E_d	正	Q₁−Q₄
③	−E_d	正（まだ前の向き）	D₂−D₃
④	−E_d	負	Q₂−Q₃

並びは「D → Q → D → Q」——電圧を切り替えた直後は必ずダイオード、電流の符号が追いついてからIGBTという規則的な繰り返しです。この並びになっている選択肢を選ぶだけで(a)は解けます。

選択肢(3)(5)のように4区間すべてがQだけの組合せは、そもそもありえません。誘導性負荷なら必ずダイオードが導通する区間がある——この一点で2肢が落ちます。

出力電圧と出力電流の符号、導通デバイス、電力方向を区間1から4で整理した表 — 電圧と電流が同符号ならIGBT、異符号なら逆並列ダイオードが導通します。

(b) 時定数を求める

電流が増加する区間は、直流電圧E_dがR-L直列回路に加わった状態です。その過渡応答の時定数は τ＝L/R——理論科目で学んだ関係がそのまま使えます。

R-L直列回路の時定数

\( \tau=\dfrac{L}{R}\ [\mathrm{s}] \)

Lが大きいほど、Rが小さいほど電流はゆっくり立ち上がる——τの間に最終値の約63 % まで達します。

\( \tau=\dfrac{L}{R}=\dfrac{2\times10^{-3}}{1}=0.002\ [\mathrm{s}] \)

時定数
L＝2 mH、R＝1 Ω

区間1から4の導通デバイスと時定数0.002秒を計算して両問の正解2を示した図 — (a)は(2)、(b)もτ=0.002sで(2)です。

答え(a)の正解は (2)、(b)の正解は (2) 0.002 sです。(b)は単位の換算だけ——2 mH を 2×10^-3 H に直すのを忘れなければ確実に取れます。

時定数と周期の関係が波形を決める

τ＝2 ms という値が、波形の形にどう効くのかを考えてみましょう。スイッチングの半周期 T/2 と τ の大小関係が鍵です。

関係	電流波形	負荷の性質
τ ≪ T/2	方形波に近い（すぐ飽和する）	抵抗的
τ ≒ T/2	はっきりした指数関数の曲線	本問のような中間
τ ≫ T/2	三角波に近い（直線的に増減）	強い誘導性

τが大きいほど電流が平らになり、リプルが小さくなります。誘導電動機を駆動する場合、巻線のインダクタンスが大きいので電流は正弦波に近づく——方形波の電圧を加えても、電流はなめらかになるのです。

これがインバータで誘導電動機を回せる理由でもあります。電圧が方形波でも、電動機が作るトルクは電流で決まる——電流がなめらかならトルクの脈動も小さくなるわけです。

⏱️ 本番での進め方
①(a) 電圧と電流が同符号ならQ、異符号ならD。並びは D→Q→D→Q。
② 4区間すべてQの選択肢は誘導性負荷ではありえない。即除外。
③(b) τ＝L/R。2 mH は 2×10^-3 H。
④ 2×10^-3/1＝0.002 s。単位換算だけの得点源。

💡 覚え方
「同符号はトランジスタ、異符号はダイオード」——電力の向きで導通する素子が決まる。そして「時定数は L/R」——理論科目の知識がそのまま得点になる設問です。

本問は令和6年度上期 B問題16と同じ形式です（パワエレ9：単相ブリッジ電圧形インバータの導通デバイス）。数値だけ差し替えて繰り返し出題されている典型——解き方を覚えれば確実な得点源になります。

単相ブリッジ電圧形インバータの区間1から4における電圧と電流の符号および導通素子を示した波形図 — 電圧反転後も誘導性負荷の電流が同じ向きを保つ区間では逆並列ダイオードが導通します。

デッドタイムを「考慮しない」と断ってある理由

問題文には「上下スイッチの短絡を防ぐデッドタイムは考慮しない」とわざわざ書かれています。実機には必ずあるものを、あえて無視させている——そこには理由があります。

実際のインバータでは、上下のIGBTを同時にオンすると直流電源が短絡します。これを防ぐため、切り替えの瞬間は両方をオフにする短い期間（デッドタイム）を設けるのです。

	デッドタイムなし（本問の前提）	デッドタイムあり（実機）
区間の境目	瞬時に切り替わる	数マイクロ秒の空白がある
その間の導通	—	電流の向きに応じてダイオードが導通
出力電圧	指令どおり	わずかにずれる