電験三種 学習ノート

はじめに

エアコンのインバータは、中で何をしているのか

手のひらほどの部品が、モーターの速さを変える

入れる・切るをすばやく繰り返し、割合で電圧を作る

主役は、大きな電力をオン・オフする半導体スイッチ

電力変換の考え方から、デバイスと損失まで学ぶ

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「エアコンのインバータって、中で何をしているんだろう……」

前回の記事では、同期電動機を学びました。同期速度でぴったり回り、界磁電流で力率まで変えられる、太い巻線と鉄心でできた大きな機械でした。

ところが、いまの家電や電車の中をのぞくと、モーターの速さや電圧を細かく調整しているのは、手のひらにのるほどの小さな部品です。エアコンが静かに回転数を変えられるのも、電車がなめらかに加速できるのも、この部品のおかげです。

実は、この部品がしていることは、とても単純です。電気の通り道を、1秒間に何千回、何万回というすばやさで「入れる・切る」と切りかえているだけなのです。入れている時間と切っている時間の割合を変えることで、電圧や周波数を自在に作り出します。

そこで登場するのが、今回の主役 パワー半導体デバイス です。大きな電力をオン・オフする、半導体でできたスイッチです。

今回の記事では、パワーエレクトロニクスの考え方と、ダイオード・サイリスタ・GTO・パワーMOSFET・IGBTという代表的なデバイスの性質、そしてオン・オフの切りかえで生まれる損失について解説します。

パワーエレクトロニクス：電力をスイッチで操る

半導体のスイッチで電力の形を変える技術

電力変換は順変換・逆変換・直流変換・交流変換

抵抗で50Vに下げると、電流は100÷10で10A

電源の1000Wのうち、半分の500Wが熱になる

スイッチはオンで電圧ほぼ0、オフで電流0

オンとオフを半分ずつで、平均の電圧は50V

蛇口を絞らず、全開と全閉をすばやく繰り返す

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はじめに、パワーエレクトロニクスについて紹介します。

半導体のスイッチを使って、電力の形（直流か交流か、電圧、周波数）を変える技術を パワーエレクトロニクス と呼びます。電力（パワー）を、電子回路（エレクトロニクス）の技術で扱う、という意味です。

電力の変換には、大きく4つの種類があります。

【電力変換の4つの種類】

• 順変換（整流）： 交流 → 直流。スマホの充電器など
• 逆変換： 直流 → 交流。インバータ。エアコンや電車のモーターの駆動など
• 直流変換： 直流 → 別の電圧の直流。チョッパ
• 交流変換： 交流 → 別の電圧や周波数の交流

それぞれの回路は、次の記事以降で学びます。今回は、その中で使うスイッチそのものに注目します。

なぜスイッチを使うのでしょうか？ 電圧を下げるだけなら、抵抗を直列に入れてもできます。ところが、抵抗では、下げたぶんの電力がすべて熱になってしまいます。

具体的に計算してみましょう。100V の直流電源から、5Ω の負荷に 50V をかけたいとします。抵抗で下げるなら、5Ω を直列に入れ、電流は $100 \div 10 = 10$ A です。負荷が使う電力は $50 \times 10 = 500$ W ですが、直列の抵抗でも $50 \times 10 = 500$ W が熱になります。電源から出る 1000W のうち、半分を捨てているのです。

一方、スイッチなら、オンのときは電圧がほぼ 0、オフのときは電流が 0 です。電圧と電流のどちらかがほぼ 0 なので、スイッチ自身で消費する電力はわずかです。オンとオフを半分ずつにすれば、負荷にかかる電圧の平均は 50V になります。水道の蛇口を少しだけ開けて水を絞るのではなく、全開と全閉をすばやく繰り返して平均の水量を調整する、というイメージです。

このように、パワーエレクトロニクスは半導体のスイッチで電力の形を変える技術で、オン・オフで調整するので、むだな熱がほとんど出ません。

以上が、パワーエレクトロニクスについてです。

ダイオードとサイリスタ：オンだけ選べるスイッチ

オフからオンがターンオン、その逆がターンオフ

ダイオードは、アノードからカソードへ一方向に流す

水道管の逆止弁と同じで、一方向にしか通さない

順方向の電圧で流れ、逆方向では流れない

サイリスタはゲートに電流を流すとターンオンする

一度オンになると、電流がほぼ0になるまでオンのまま

ばね付きの扉は、人の流れが途切れるまで閉まらない

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次に、ダイオードとサイリスタについて紹介します。

パワー半導体デバイスは、「オンとオフを、外から指令できるかどうか」で性格が分かれます。ここで、スイッチがオフからオンに変わることを ターンオン、オンからオフに変わることを ターンオフ と呼びます。1つずつ見ていきましょう。

1. ダイオード

ダイオード は、電流を一方向にだけ流す、端子が2つのデバイスです。電流が入る側を アノード、出る側を カソード と呼びます。

アノードがカソードより高い電圧（順方向の電圧）のときは電流が流れ、逆向きの電圧（逆方向の電圧）のときは流れません。水道管の 逆止弁 と同じで、水は一方向にしか通りません。

ダイオードには、外から指令を出す端子がありません。かかる電圧の向きだけで、オンとオフが勝手に決まります。オン・オフを選べない、制御できないスイッチです。

2. サイリスタ

サイリスタ は、アノードとカソードに加えて、指令用の ゲート という端子を持つデバイスです。

順方向の電圧がかかっていても、サイリスタはそれだけでは電流を流しません。ゲートに小さな電流を流すと、そこで初めてターンオンします。つまり、オンにするタイミングを外から選べます。

ここがポイントです。サイリスタは、一度オンになると、ゲートの電流をやめてもオンのままです。オフにするには、流れている電流をほぼ 0 にするか、逆向きの電圧をかける必要があります。交流の回路では、電圧の向きが半周期ごとに入れかわるので、自然にターンオフします。

たとえるなら、ばね付きの扉です。押せば（ゲート電流）開きますが、いったん人の流れができると、流れが途切れるまでは閉められません。

試験のポイント：サイリスタは、ゲート信号でターンオンはできますが、ゲート信号でターンオフはできません。この点が、次に学ぶデバイスとの大きな違いです。

このように、ダイオードは電圧の向きだけでオン・オフが決まり、サイリスタはゲートでターンオンだけを選べるスイッチです。

以上が、ダイオードとサイリスタについてです。

GTO・パワーMOSFET・IGBT：オフも選べるスイッチ

直流では自然にオフにならない。自己消弧が要る

GTOは、逆向きのゲート電流でターンオフできる

パワーMOSFETは、ゲート電圧だけで操る電圧駆動

MOSFETは最も速く、低い電圧・小容量向き

IGBTはMOSFETとバイポーラのよいところを合わせた

IGBTはエアコンや電車のインバータの主役

GTOは大容量、MOSFETは最速、IGBTは中〜大容量

ターンオン・ターンオフの操り方で5つを比べる

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続いて、GTO・パワーMOSFET・IGBTについて紹介します。

直流の回路では、電圧の向きが入れかわらないので、サイリスタは自然にはターンオフしません。そこで、ゲートの信号でオフにもできるデバイスが作られました。このように自分でオフにできる性質を 自己消弧 と呼びます。1つずつ見ていきましょう。

1. GTO

GTO（ゲートターンオフサイリスタ）は、ゲートに逆向きの電流を流すとターンオフできるサイリスタです。大きな電圧・大きな電流を扱えるので、かつては電車の駆動装置などで広く使われました。ただし、オフにするためのゲート電流が大きく、オン・オフの切りかえもあまり速くありません。

2. パワーMOSFET

パワーMOSFET は、ゲートに電圧をかけるだけでオン・オフを操れるデバイスです。端子は、ゲート・ドレーン・ソースの3つです。ゲートには電流がほとんど流れないので、指令を出すための電力がわずかで済みます。このような駆動のしかたを 電圧駆動 と呼びます。

最大の長所は、切りかえがとても速いことです。1秒間に数十万回を超えるオン・オフもできます。一方、高い電圧に耐える品種ほどオンのときの抵抗が大きくなり、損失が増えます。そのため、比較的低い電圧・小さな容量の用途、例えばパソコンなどの電源回路に向いています。

3. IGBT

IGBT（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）は、パワーMOSFETとバイポーラトランジスタのよいところを組み合わせたデバイスです。端子は、ゲート・コレクタ・エミッタの3つです。

入力側は MOSFET と同じ電圧駆動なので、小さな電力で操れます。出力側はバイポーラトランジスタと同じしくみで、大きな電流を流してもオンのときの電圧が低く保たれます。中容量から大容量まで扱え、切りかえも十分に速いので、エアコンや電車のインバータの主役になっています。

【代表的なデバイスのまとめ】

試験のポイント：「電圧駆動なのは MOSFET と IGBT」「最も速いのは MOSFET」「インバータで広く使われるのは IGBT」の3点がよく問われます。

このように、GTO・パワーMOSFET・IGBTはゲートの信号でオフにもできる自己消弧形のデバイスで、MOSFETとIGBTは電圧で駆動します。

以上が、GTO・パワーMOSFET・IGBTについてです。

スイッチングの損失：オン・オフの瞬間に出る熱

損失は、オンの間の導通損失と切りかえの損失

切りかえの途中は電圧と電流が重なり、熱になる

回転ドアの手間も、何万回も回せば大きくなる

2V・50A・オンが半分の時間で、導通損失は50W

4mJを1秒間に1万回失い、スイッチング損失は40W

合計90W。20kHzにするとスイッチング損失は80W

速く切りかえるほどなめらかだが、損失は増える

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最後に、スイッチングの損失について紹介します。

最初の節で、スイッチはむだな熱がほとんど出ないと説明しました。ただし、まったく 0 ではありません。損失は、大きく2つの場面で生まれます。

【パワー半導体デバイスの損失】

• 導通損失： オンの間、デバイスに少しだけ電圧が残るために出る損失
• スイッチング損失： ターンオンとターンオフの途中で、電圧と電流が同時に流れている短い時間に出る損失

スイッチング損失について、もう少し詳しく見てみましょう。実際のスイッチは、一瞬でオン・オフが切りかわるわけではありません。ターンオンの途中では、電流が増えていくのに電圧がまだ残っています。ターンオフの途中では、電圧が上がっていくのに電流がまだ流れています。この重なりの時間に、電圧 × 電流の電力が熱になります。

回転ドアを思い浮かべてください。ドアが回っている途中は、入るのにも出るのにも少し手間がかかります。1回ごとの手間は小さくても、1秒間に何万回も回せば、合計の手間は大きくなります。スイッチング損失は、1回あたりのエネルギーに、1秒間の切りかえの回数（スイッチング周波数）を掛けて求めます。

例題：IGBTの損失を求める

ある IGBT は、オンのときの電圧が 2V です。50A の電流を、オンとオフを半分ずつの割合で切りかえて流しています。ターンオン1回とターンオフ1回で合わせて 4mJ のエネルギーを失い、スイッチング周波数は 10kHz です。導通損失とスイッチング損失の合計は何Wでしょうか？

【解き方】

1. 導通損失： オンの時間は半分なので、$2 \times 50 \times 0.5 = 50$ W
2. スイッチング損失： 1周期で 4mJ を失い、1秒間に 10000 周期あるので、$4 \times 10^{-3} \times 10 \times 10^{3} = 40$ W
3. 合計： $50 + 40 = 90$ W

答えは 90W です。mJ を J に、kHz を Hz に直すところで、桁を間違えないようにしましょう。スイッチング周波数を2倍の 20kHz にすると、スイッチング損失は 80W に増えます。

切りかえを速くするほど、出力の電圧や電流をなめらかにできます。その一方で、スイッチング損失は増えます。そのため、1回のオン・オフにかかる時間が短いデバイスほど、高い周波数で使いやすいのです。

このように、パワー半導体デバイスの損失は、オンの間の導通損失と、切りかえの瞬間のスイッチング損失からなり、スイッチング損失は周波数に比例して増えます。

以上が、スイッチングの損失についてです。

今回のまとめ

スイッチのオン・オフで電力を操るので損失が小さい

ダイオードは電圧の向きだけで決まり、制御できない

サイリスタはゲートでターンオンだけできる

GTO・MOSFET・IGBTは自己消弧形。後の2つは電圧駆動

損失は導通とスイッチング。後者は周波数に比例

キーワードはダイオード・サイリスタ・IGBTなど

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それでは、今回の内容を振り返ります。

今回は、パワー半導体デバイスについて紹介しました。パワーエレクトロニクスは、抵抗で電力を捨てるのではなく、スイッチのオン・オフで電力を操る技術です。デバイスは、ターンオンとターンオフを外から選べるかどうかで性格が分かれます。

今回のポイントを振り返りましょう。

振り返り

• パワーエレクトロニクスは、半導体のスイッチで電力の形を変える技術。損失が小さい。
• ダイオードは電圧の向きだけでオン・オフが決まり、制御できない。
• サイリスタはゲートでターンオンできるが、ゲートではターンオフできない。
• GTO・パワーMOSFET・IGBTは自己消弧形。MOSFETとIGBTは電圧駆動。
• 損失は導通損失とスイッチング損失。スイッチング損失は周波数に比例する。

キーワードのおさらい

• パワーエレクトロニクス: 半導体のスイッチで電力の形を変える技術
• ダイオード: 電流を一方向にだけ流す、制御端子のないデバイス
• サイリスタ: ゲート電流でターンオンし、電流がほぼ 0 になるとターンオフするデバイス
• GTO: 逆向きのゲート電流でターンオフもできるサイリスタ
• パワーMOSFET: ゲート電圧で操る、最も切りかえの速いデバイス
• IGBT: MOSFETの電圧駆動とバイポーラトランジスタの大電流を兼ねたデバイス
• ターンオン: デバイスがオフからオンに変わること
• ターンオフ: デバイスがオンからオフに変わること

以上が、今回のまとめです。

さて、スイッチの性質は分かりました。では、このスイッチを組み合わせて、コンセントの交流から直流を取り出すには、どうすればよいのでしょうか？

次回は、交流を直流に変える「整流回路」について紹介します。

それでは、次の記事へ進んでいきましょう。