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。

出典：一般財団法人 電気技術者試験センター「令和5年度上期 第三種電気主任技術者試験」機械科目 A問題10

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単体は逆方向に流せない

(1)の記述が誤りです。IGBTは逆方向の電流を流せません——逆並列ダイオードを付けて初めて流れるようになります。

	IGBT	パワーMOSFET
逆方向の電流	★流れない（別途ダイオードが必要）	流れる（ボディダイオード内蔵）
キャリア	バイポーラ（電子と正孔）	ユニポーラ（電子のみ）
ターンオン時間	長い	短い
ターンオフ時	テイル電流が流れる	速やかに切れる
流せる電流	大きい	小さい

この違いは構造から来ています。MOSFETはソースとドレインの間に寄生ダイオードが必然的にできる——意図せず内蔵されているのです。

IGBTにはその構造がないので、逆方向に流したければ外付けのダイオードを逆並列に接続します。市販のIGBTモジュールには、たいてい最初から組み込まれている——ただしIGBT「単体」の性質としては逆阻止です。

本問が「両者の特性を比較した記述」と断っているのは、まさにこの違いを問うため——(1)はMOSFETの性質をIGBTのものとして述べていることになります。

正しい4つの記述を確認する

(2) パワーMOSFETは電圧駆動形

ゲート・ソース間に正の電圧をかけるとチャネルができ、導通します。ゲートは絶縁されているので電流はほとんど流れない——だから駆動回路が簡単で消費電力も小さいのです。

(3) ユニポーラで高速だが電流は小さい

MOSFETは電子だけで電流を運びます（ユニポーラ）。少数キャリアの蓄積がないので高速にスイッチングできる——ただしオン抵抗が大きく、大電流には向きません。

IGBTはバイポーラなので伝導度変調が起き、オン電圧が低くなります——だから大電流を流せるのです。速さと容量のトレードオフがここにあります。

(4) テイル電流でオフ時間が長くなる

IGBTのオフ時、蓄積された少数キャリアが消えるまで電流が尾を引きます——これがテイル電流です。その間も電圧が加わっているので損失が生じ、スイッチング損失の主因になります。

MOSFETにはこの現象がない——ユニポーラだから蓄積するキャリアがないのです。(3)と(4)は同じ構造の違いを、別の側面から述べていることになります。

(5) SiCで高耐圧化・高耐熱化

SiC（炭化ケイ素）はシリコンよりバンドギャップが約3倍広い材料です。絶縁破壊電界が約10倍なので、同じ耐圧なら層を薄くでき、オン抵抗を大幅に下げられます。

また高温でも動作するので、冷却装置を小さくできる——機器全体の小型化につながります。高耐圧・高耐熱・低損失を同時に実現する材料として実用化が進んでいます。

SiCが変えつつあること

	Si（シリコン）	SiC（炭化ケイ素）
バンドギャップ	1.1 eV	3.3 eV（約3倍）
絶縁破壊電界	基準	約10倍
動作温度の上限	150 ℃程度	200 ℃以上も可能
高耐圧MOSFET	オン抵抗が大きく不利	★高耐圧でも低オン抵抗

従来「高耐圧ならIGBT、低耐圧ならMOSFET」という住み分けでした。SiC-MOSFETはその境界を押し上げつつある——高耐圧でもMOSFETの高速性が使えるようになってきたのです。

電気自動車の充電器や鉄道車両、太陽光パワコンなどで採用が進んでいます。損失が減れば冷却も小さくでき、機器全体が軽くなる——デバイスの進歩が機器の姿を変えていく好例だと言えます。

スイッチング周波数はどこまで上げられるか

MOSFETが高速だという長所は、具体的にどれくらいの周波数を意味するのでしょうか。デバイスごとの実用的な周波数範囲を見ておきましょう。

デバイス	実用的なスイッチング周波数	主な用途
サイリスタ	商用周波数程度（50〜60 Hz）	位相制御、大容量整流
GTO	数百Hz〜1 kHz	大容量インバータ（現在は減少）
IGBT	数kHz〜20 kHz	汎用インバータ、電車、エアコン
パワーMOSFET	数十kHz〜数MHz	スイッチング電源、小容量DC-DC

周波数を上げると、リアクトルやコンデンサを小さくできます——だから機器が小型・軽量になる。スマートフォンの充電器が年々小さくなっているのは、スイッチング周波数の高周波化が進んだからです。

一方で、スイッチング損失は周波数に比例して増えます。1秒間に何回切り替えるかがそのまま損失の回数——だから無闇に上げられません。

もう1つの制約がノイズです。高速で電圧・電流が変化すると電磁ノイズが発生し、周辺機器に影響します。インバータのキャリア周波数を可聴域（20 kHz以下）に置くと騒音になる——だから可聴域を避けて設計することもあります。

SiCデバイスが期待されているのは、スイッチング損失が小さいので高周波化しやすいから。同じ損失なら数倍の周波数で動かせる——その分だけ機器を小さくできます。

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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