機械
電験三種 令和7年度下期 機械 問10
問題・正答・学習用解説
問題
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。選択肢
正答と解説
正答：（3）
正答の考え方
正解は(3)です。サイリスタはゲートにトリガ電流を与えるとターンオン（点弧）し，いったんオンになればゲート電流を取り去ってもアノード–カソード間の順方向電流を流し続けます（自己保持）。しかしサイリスタは逆方向には電流を流せない逆阻止形の素子であり，『順方向の電流に続いて逆方向の電流を流すことができる』という記述は誤りです。サイリスタを消弧（ターンオフ）するには，順電流を保持電流以下まで減らすか，外部回路や交流電源の電圧反転で電流を零にして逆電圧を印加する必要があります（自己消弧能力はない）。他の(1)(2)(4)(5)はそれぞれIGBT＋逆並列ダイオード，ダイオード，パワーMOSFETのボディーダイオード，IGBTの自己消弧についての正しい記述です。したがって誤りは(3)で，これが正解（誤っているもの）です。
各選択肢の解説
選択肢1
正しい記述です。IGBTと逆並列ダイオードを組み合わせると，IGBTに順方向の電流を流す期間はゲート電圧で決められ，IGBTに逆電圧が掛かるとゲート状態に関係なく逆並列ダイオードが逆方向電流（還流電流）を流します。誘導性負荷を扱うインバータの基本動作で正しいです。
選択肢2
正しい記述です。ダイオードは制御端子を持たず，導通・非導通は印加電圧の極性で決まり，順方向にバイアスされれば回路電圧と負荷で決まる順電流が流れます。受動素子としての標準的な動作です。
選択肢4
正しい記述です。パワーMOSFETはソース–ドレイン間に寄生のボディーダイオードを内蔵し，オンのゲート電圧がなくても逆電圧が印加されればこのダイオードを通して逆方向電流が流れます。逆導通可能という特徴は正しいです。
選択肢5
正しい記述です。オフ状態のIGBTに順電圧が掛かっている状態でオンのゲート電圧を与えると順電流を流し，ゲート電圧を取り去ると非導通になります。ゲートでオン・オフを制御できる自己消弧素子の動作で正しいです。
周辺知識
パワー半導体は『順阻止／逆阻止／逆導通』『点弧と消弧の制御性』で整理すると理解しやすいです。ダイオードは制御端子を持たず，印加電圧の極性だけで順方向に導通・逆方向に阻止する受動素子です。サイリスタ（SCR）はゲートで点弧できるが消弧はできない逆阻止三端子素子で，自然転流（交流の電圧反転）で電流が切れる相変換装置（位相制御整流器・交流電力調整）に向きます。一方GTO・IGBT・パワーMOSFETはゲート信号でオンもオフもできる自己消弧形（自己消弧デバイス）で，PWMインバータやチョッパに使われます。IGBTは高耐圧・大電流が得意でモータドライブや電力系統に，パワーMOSFETは高速スイッチングが得意で低圧・高周波の電源回路に多用されます。これら自己消弧素子は構造上または外付けで逆並列ダイオード（フリーホイールダイオード，MOSFETでは寄生のボディーダイオード）を持ち，誘導性負荷の還流電流を流せるので逆導通が可能です。覚え方は『サイリスタ＝点けられるが消せない・逆には流せない（逆阻止）』『IGBT/MOSFET＝点けも消しもできる・逆並列ダイオードで逆も流せる（逆導通）』。本問は各素子の通電方向と制御性を正確に区別できるかを問う典型問題で，誤り選択肢を選ぶ形式なので『どこが事実と反するか』を一語一語照合するのがコツです。