電験三種 令和7年度下期 機械 問10｜パワーエレクトロニクス

電験三種「機械」の「パワーエレクトロニクス」からの出題（令和7年度下期 問10）。正答は(3)です。

サイリスタは、ゲート電流でオンにすると、その後ゲート電流を取り去っても順方向の電流が流れ続けます。ここまでは正しいのですが、サイリスタはダイオードと同じく一方向にしか電流を流せない素子なので、順方向の電流に続いて「逆方向の電流」を流すことはできません。逆電圧がかかると電流はゼロになってオフします。

よって(3)が誤りで、正答は(3)です。

【各選択肢の検討】

(1) 正しい。IGBT は順方向の電流をゲート電圧でオン・オフできる素子で、逆方向には電流を流せない。そこで逆並列ダイオードを組み合わせると、IGBT にとって逆方向の電圧がかかったとき、ゲートの状態に関係なくダイオードを通って逆方向の電流が流れる。インバータのアームはこの構成で作られる。

(2) 正しい。ダイオードには制御端子がなく、順電圧なら導通、逆電圧なら非導通になる。導通中の電流の大きさはダイオード自身ではなく、回路の電圧や負荷で決まる。

(3) 誤り。サイリスタは、ゲート電流でターンオンした後はゲート電流がなくても順電流を流し続ける（自己保持）。しかし逆方向の電流は流せず、電流がゼロになり逆電圧がかかるとオフする。「逆方向の電流を流すことができる」が誤り。

(4) 正しい。パワーMOSFET は構造上、ソース・ドレイン間に寄生のボディーダイオードを持つ。ゲートがオフでも、逆電圧がかかればこのダイオードを通って逆方向の電流が流れる。

(5) 正しい。IGBT は自己消弧形の素子で、順電圧のもとでゲート電圧を与えるとオン、ゲート電圧を取り去るとオフになる。

【デバイスごとの「オン・オフの決まり方」】

本問は、主なパワー半導体デバイスについて、何によって導通・非導通が決まるかを整理できているかを問う問題です。

・ダイオード：制御端子なし。電圧の極性だけで決まる（(2)）。

・サイリスタ：ゲート電流でオンにできるが、ゲートでオフにはできない。オフするには電流をゼロにして逆電圧をかける（交流電源の極性反転や転流回路を利用）。

・IGBT・パワーMOSFET：ゲート電圧でオン・オフの両方ができる自己消弧形（(5)）。

・逆方向の電流：IGBT は逆並列ダイオードを付けて流す（(1)）。MOSFET は内蔵のボディーダイオードで流れる（(4)）。

【(3)の誤りの作り方】

(3)の前半「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」は、サイリスタの自己保持の性質として正しい内容です。問題は後半の「順方向の電流に続く逆方向の電流を流すことができる」の部分です。サイリスタはアノードからカソードへの一方向にしか電流を流さないので、ゲートの状態に関係なく逆方向の電流は流れません。前半を正しい知識で読ませ、後半で性質をすり替えるという作り方なので、文の最後まで読んで判断することが大切です。

【逆方向の電流が必要になる理由】

インバータのように誘導性の負荷（電動機など）をつなぐ回路では、スイッチをオフにした直後も負荷の電流が流れ続けようとします。その電流の通り道として、IGBT には逆並列ダイオード（還流ダイオード）が組み合わされます。(1)と(4)は、この「逆方向の電流の通り道」をデバイスがどう持っているかを述べたものです。逆方向に電流を流せないサイリスタを、電圧形インバータのようにそのまま使うことはできない、という点も(3)が誤りである理由と結び付きます。

【関連する出題】

電験三種の機械では、ダイオード・サイリスタ・IGBT・パワーMOSFET について、記号、オン・オフの条件、自己消弧の可否、用途を問う正誤問題が繰り返し出題されています。「ゲートでオフできるか」「逆方向に電流を流せるか」の2つの観点で表にまとめておくと、本問のような組合せの記述でも誤りを素早く見つけられます。