パワエレ26【電験3種 機械】IGBTとパワーMOSFETの特性比較！令和5年上期 A問題10 完全解説

今回は令和5年度上期 機械科目 A問題10を解説します。近年主に用いられるIGBTとパワーMOSFETの通常動作における特性比較に関する記述の誤りを見つける問題です。

パワーMOSFETはドレーン・ソース間にボディダイオードがあるため逆電圧印加でボディダイオード経由の逆方向電流が流れますが、IGBTは逆電流阻止のデバイスであるため逆方向の電流は流れません。

令和5年度上期 機械科目 A問題10：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5年度上期 A問題10

　パワー半導体スイッチングデバイスとしては近年，主にIGBTとパワーMOSFETが用いられている。通常動作における両者の特性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）IGBTは，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。
（2）パワーMOSFETは電圧駆動形であり，ゲート・ソース間に正の電圧をかけることによりターンオンする。
（3）パワーMOSFETはユニポーラデバイスであり，一般的にバイポーラ形のIGBTと比べてターンオン時間が短い一方，流せる電流は小さい。
（4）IGBTはキャリアの蓄積作用のためターンオフ時にテイル電流が流れ，パワーMOSFETと比べてオフ時間が長くなる。
（5）パワーMOSFETではシリコンのかわりにSiCを用いることで，高耐圧化と高耐熱化が可能になる。

出題のポイント：IGBTとパワーMOSFETの構造・速度・逆電流を比較

パワーMOSFETとIGBTはともに電圧駆動ですが、キャリア、スイッチング速度、電流容量、逆方向電流の経路が異なります。通常のnチャネルパワーMOSFETにはボディダイオードが内蔵され、ゲートOFFでも逆極性ではダイオードを通って逆方向電流が流れ得ます。一方、通常のIGBT単体にはMOSFETのような内蔵ボディダイオードがなく、主電流経路は一方向です。逆方向電流が必要な回路では逆並列ダイオードを組み合わせます。

ポイント解説：内蔵ボディダイオードと逆並列ダイオードの違い

通常のnチャネルパワーMOSFETはドレーン・ソース間にボディダイオードを内蔵しているため、ゲートOFFでも逆極性ではボディダイオード経由の逆方向電流が流れ得ます。一方、通常のIGBT単体にはMOSFETのような内蔵ボディダイオードがなく、IGBT自身の主電流経路は一方向です。逆方向電流が必要な場合は逆並列ダイオードを組み合わせます。

問題の解説：IGBT単体が逆方向電流を流す記述は誤り

STEP1　IGBTとパワーMOSFETの逆方向特性を確認する

通常のIGBT単体にはMOSFETのような内蔵ボディダイオードがなく、IGBT自身は逆方向電流を流しません。ただし、これは大きな逆方向電圧を阻止できることと同義ではありません。

STEP2　誤りの選択肢を特定する

「IGBTは，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」とする(1)は誤りです（これはパワーMOSFETの特徴）。他の(2)〜(5)は正しい記述です。

答え：(1)

まとめ

誤りの記述	(1) IGBTが逆電圧で逆方向電流を流すとする記述
正しいのは	パワーMOSFET（ボディダイオード内蔵）
答え	(1)

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