パワエレ24【電験3種 機械】パワー半導体デバイスの定常動作に関する記述！令和5年下期 A問題10 完全解説

今回は令和5年度下期 機械科目 A問題10を解説します。ダイオード・サイリスタ・パワーMOSFET・IGBTなど、各種パワー半導体デバイスの定常動作に関する記述の誤りを見つける問題です。

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を流し続けることはできますが、自己消弧能力がないため逆方向の電流を流すことはできません。

令和5年度下期 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年度下期 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年度下期 A問題10

　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MOSFETは，ボディ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）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，IGBTにとって順方向の電流を流すことができる期間を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。IGBTにとって逆方向の電圧が印加されると，IGBTのゲート状態にかかわらずIGBTにとって逆方向の電流が逆並列ダイオードに流れる。

出題のポイント：「オフできるか」と「逆に流せるか」は別問題

本問は、自己消弧能力と逆方向導通という2つの性質を混同させる問題です。この2つはまったく別の話——ここを切り分ければ迷いません。

性質	意味	関係する端子
自己消弧能力	ゲート（制御端子）だけでオフにできるか	制御端子の話
逆方向導通	主電流を逆向きにも流せるか	主端子の話

デバイス	ターンオン	ターンオフ	逆方向電流
ダイオード	順電圧が加わると自動	電流が0になると自動	流さない
サイリスタ	ゲート電流で制御できる	★ゲートではできない（保持電流未満か逆バイアス）	★流さない
パワーMOSFET	ゲート電圧で制御できる	ゲート電圧で制御できる	流す（ボディダイオード内蔵）
IGBT	ゲート電圧で制御できる	ゲート電圧で制御できる	流さない（逆並列ダイオードを外付け）

サイリスタは「オフできない」うえに「逆にも流せない」——2つとも×です。誤りの選択肢(2)は、この後者を「できる」と書いている点で間違っています。

(2) のどこが誤りなのか

(2)の前半「ゲート電流を取り去っても順方向の電流を流し続ける」は正しいのです。これがラッチ（自己保持）——主電流が保持電流以上なら、ゲートを切ってもオンを続けます。

誤りは後半「順方向の電流に続く逆方向の電流を流すことができる」。サイリスタの主端子は一方向導通——逆方向には流せません。

(2)の記述	正誤	理由
ゲート電流で順方向電流が流れる	正しい	ゲートでターンオンできる
ゲートを取り去っても流れ続ける	正しい	保持電流以上ならラッチする
続いて逆方向の電流も流せる	★誤り	主端子は一方向導通

「一部だけ正しい記述」に注意してください。前半が正しいと安心して読み飛ばすと、後半の誤りを見落とします——正誤問題では文を最後まで読み切るのが鉄則です。

(1)(3)(4)(5) が正しい理由

(1) ダイオードは電圧の極性で決まる

ダイオードには制御端子がありません。順電圧が加われば導通し、逆電圧なら遮断する——回路の電圧が勝手に決めるのです。導通時に流れる電流の大きさは、回路電圧と負荷が決めます。

(3) パワーMOSFETはボディダイオードを内蔵する

パワーMOSFETは構造上、ソースとドレインの間に寄生的なpn接合ができます——これがボディダイオード。ゲート電圧がなくても、逆方向には勝手に電流が流れます。

インバータではこれを逆並列ダイオードとして利用できるので、部品点数を減らせるという利点があります。ただし特性が最適化されていないので、外付けのダイオードを併用する設計も多いのが実情です。

(4) IGBTはゲート電圧でオン・オフできる

IGBTは自己消弧形素子です。ゲート電圧を与えればオン、取り去ればオフ——サイリスタとの決定的な違いがここにあります。

入力段がMOSFET、出力段がバイポーラトランジスタという構造——MOSFETの「電圧で駆動できる手軽さ」とバイポーラの「大電流を低いオン電圧で流せる能力」を組み合わせた素子です。

(5) IGBT＋逆並列ダイオードの組合せ

IGBT自身は逆方向に電流を流せません。だから誘導性負荷を扱うインバータでは、逆並列ダイオードを組み合わせる——順方向はIGBTがゲートで制御し、逆方向はダイオードが無条件に流すという分担です。

「IGBTのゲート状態にかかわらず」という表現が正確です。ダイオードは制御できない——だからこそ、電流の逃げ道として確実に働くのです。

出題履歴：3年度にわたる再出題

本問と同じ問題が平成29年度と令和7年度下期にも出題されています（平成29年度A問題10／令和7年度下期A問題10）。

年度	誤りの選択肢
平成29年度 問10	(2)
令和5年度下期 問10（本問）	(2)
令和7年度下期 問10	(3)

令和7年度下期では選択肢の並びが変わり、答えの番号が(3)になっています——番号で覚えていれば失点。「サイリスタは逆方向に流せない」という中身で覚えてください。

GTOとGCT：ゲートでオフできるサイリスタ

「サイリスタはゲートでオフできない」——この弱点を克服した素子も存在します。

素子	ターンオフの方法	用途
サイリスタ（SCR）	電流0か逆電圧（外部頼み）	位相制御整流、交流電力調整
GTOサイリスタ	ゲートに大きな逆電流を流す	大容量インバータ（旧世代）
GCT（IGCT）	GTOを改良し、より速く確実に	大容量インバータ

GTOはゲートに主電流の数分の1という大電流を逆向きに流してオフさせます。駆動回路が大がかりになるのが難点——それでも大容量ではIGBTが届かない領域を担ってきました。

ただし近年はIGBTの大容量化が進み、GTOの出番は減っています。「ゲート電圧だけで駆動できる」という手軽さが決定的——電圧駆動と電流駆動の差が、そのまま装置の複雑さの差になるからです。

試験で問われるのは「自己消弧能力があるかどうか」という一点。普通のサイリスタは×、GTO・IGBT・パワーMOSFETは○——この線引きさえ押さえておけば、記述の正誤は判断できます。

まとめ

誤りの記述	(2) サイリスタが逆方向電流も流せるとする記述
正しくは	主端子は一方向導通で、逆方向電流は流せない
答え	(2)

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