電験三種 令和5年度上期 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」に関する問題（令和5年度上期 問10）。正答は(1)です。

【基本公式】IGBT：バイポーラ+MOSFET複合デバイス。順電圧+Gオン→順電流。逆電圧→逆電流は逆並列ダイオードが必要。

正答(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」→誤り。

正しくは：IGBTは逆方向の電流を自ら流す能力がない（逆阻止能力がある）。逆電流を流すには逆並列ダイオードが必要。

※パワーMOSFETは内蔵ボディダイオードがあるため、Gなしでも逆電圧で逆電流が流れる（選択肢(3)の記述は正しい）。

【パワーエレクトロニクス（IGBT/MOSFET比較）の解法と要点】（令和5年度上期 問10）

【デバイス特性比較表】

特性 IGBT パワーMOSFET

構造 バイポーラ+MOS複合 ユニポーラ

駆動方式 電圧駆動（Vge） 電圧駆動（Vgs）

耐圧 中〜高（600V〜数kV） 低〜中（100〜1000V）

電流容量 大 小〜中

スイッチング速度 中（μs級） 高（ns〜μs）

逆方向電流 逆並列Dが必要 内蔵ボディDあり→可

テイル電流 あり（キャリア蓄積） なし

【各選択肢の正誤】

(1)誤り：IGBTは逆電圧で逆電流は流れない（逆阻止素子）→逆並列D必要。

(2)正しい：MOSFETはVgs>Vthでターンオン。

(3)正しい：MOSFETはユニポーラ・ターンオン速度大・電流は小さい。

(4)正しい：IGBTはGe=0でターンオフ（自己ターンオフ可）。

(5)正しい：IGBT+逆並列Dの組合せで双方向電流対応可。

→正答(1)

【パワーエレクトロニクス（IGBT/MOSFET）の深層解析と電験三種合格戦略】（令和5年度上期 問10）

【核心論点と正答根拠】

IGBTは逆阻止素子→逆電流はボディD（内蔵なし）→逆並列Dが必要。

選択肢(1)「Gなしで逆電流が流れる」が誤り→正答(1)。

【IGBTの動作原理と損失メカニズム】

IGBT構造：MOSFET（ゲート制御）+NPN/PNPバイポーラ（高耐圧・大電流）の複合。

オン特性：ゲートにVge>Vth→MOSFETがオン→ベース電流供給→バイポーラがオン→低Vce(sat)。

ターンオフ：Vge=0→MOSFETオフ→少数キャリア消滅中にテイル電流→損失増大。

スイッチング損失∝fs（スイッチング周波数）→IGBTの使用周波数は1〜20kHz（MOSFET比低い）。

【スイッチング損失の削減技術】

RCDスナバ：di/dt・dv/dtを緩和→サージ電圧抑制・損失低減。

ソフトスイッチング（ZVS/ZCS）：コンデンサ/インダクタでゼロ電圧/電流スイッチング→損失ほぼゼロ。

SiC-IGBT/SiC-MOSFET：テイル電流問題なし→50kHz以上動作可・冷却器小型化。

【電験二種・実務への接続】

電験二種：IGBT損失計算（オン損失+スイッチング損失）・熱設計（接合温度・熱抵抗）。

実務：インバータ定期点検→IGBT素子の故障診断・ゲートドライブ回路点検・冷却系統管理。