パワーエレクトロニクスとは｜サイリスタ・IGBT など半導体スイッチの違い

パワーエレクトロニクスは、半導体のスイッチを開け閉めして、電圧・周波数・交流か直流かを自由に変える技術です。電動機や変圧器の記事では、電源を決まった電圧・周波数のものとして扱いましたが、インバータエアコンも電車も、中身はこのスイッチで電力を作り変えています。この記事では、スイッチに使うサイリスタ・GTO・MOSFET・IGBT の違いを、図と例題で整理します。

• パワーエレクトロニクスとは
  • 半導体のスイッチで電力を変換する技術。整流・インバータ・チョッパなど
• スイッチに使う理由
  • オンで電圧 0、オフで電流 0 なので、損失がほとんど出ない
• 素子の種類と回路記号
  • ダイオード・サイリスタ・GTO・トランジスタ・MOSFET・IGBT
• サイリスタの動作
  • ゲート電流でオンになり、電流が保持電流以下になるとオフ。自分では切れない
• 自己消弧形と IGBT
  • ゲートでオンもオフもできる。IGBT はインバータなどで広く使われる
• 損失・例題・間違えやすいところ
  • オン損失とスイッチング損失

パワーエレクトロニクスとは？4 つの電力変換

パワーエレクトロニクスとは、パワー半導体（大きな電力を扱う半導体素子）をスイッチとして使い、電力の形を変えたり量を調整したりする技術です。変換は、変換の前後が交流か直流かで 4 種類に分けられます（図1）。

• 整流：交流を直流にする。充電器の電源の入口など
• インバータ：直流を交流にする。周波数と電圧を自由に変えられる
• チョッパ：直流の電圧を変える
• サイクロコンバータなど：交流の周波数や電圧を、直流を経由せずに変える

整流・チョッパ・インバータの 3 つは、この後の記事で 1 本ずつ扱います。どの変換も、使うのは「スイッチを入れる・切る」という動作だけです。図2の電車の床下にある箱の中にも、モーターを動かすためのインバータが収められています。

1機器箱2通風口3台車の車輪4客室

1. 機器箱　電力変換装置などが入る
2. 通風口　機器の熱を逃がす
3. 台車の車輪　電動機の力で回る
4. 客室　床下の機器とは別の部分

パワー半導体をスイッチに使う理由

電圧や電流を変えるだけなら、抵抗を直列に入れる方法もあります。ただ、抵抗には電流が流れて電圧もかかるので、その積 $v \times i$ がそのまま熱になって捨てられます。たとえば $100\ \mathrm{[V]}$ の電源から、抵抗を使って負荷に $50\ \mathrm{[V]}$・$10\ \mathrm{[A]}$ を送ると、抵抗でも $50 \times 10 = 500\ \mathrm{[W]}$ が熱になります。

スイッチなら話が変わります（図3）。

• オンのとき、スイッチの電圧 $v$ はほぼ 0。電流が流れても、損失 $p = vi$ は 0
• オフのとき、電流 $i$ は 0。電圧がかかっても、損失 $p = vi$ は 0

理想のスイッチはどちらの状態でも損失が 0 です。オンとオフの時間の割合を変えるだけで、負荷に送る電力を調整できます。実際の素子はオン電圧が少しあり、切り替える瞬間にも損失が出ますが、抵抗で調整するよりずっと小さく済みます。これが、パワーエレクトロニクスがスイッチを使う理由です。

半導体素子の種類と回路記号

パワーエレクトロニクスで使う主な素子は 6 つです。回路記号は図4のとおりです。青い囲みの素子は、制御端子の信号でオフにもでき、橙の囲みの素子は自分では切れません。ダイオードの働きはダイオード、トランジスタの働きはトランジスタの記事で確認できます。

端子の名前は素子ごとに違います。

素子	主電流の端子	制御端子
ダイオード	A（アノード）→ K（カソード）	なし
サイリスタ・GTO	A → K	G（ゲート）
トランジスタ	C（コレクタ）→ E（エミッタ）	B（ベース）
パワー MOSFET	D（ドレイン）→ S（ソース）	G（ゲート）
IGBT	C → E	G（ゲート）

実際のパワー半導体は、素子のチップを樹脂の外装に収め、大電流用のねじ端子と放熱用の底板を付けた「モジュール」の形で使われます（図5）。

1主端子2外装3底板4取付け穴

1. 主端子　大電流をつなぐねじ
2. 外装　中に素子のチップが入る
3. 底板　熱を放熱器へ伝える
4. 取付け穴　放熱器にねじで固定する

サイリスタのターンオンとターンオフ

サイリスタは、アノード A・カソード K・ゲート G の 3 つの端子をもつ素子です。

• ターンオン（オンになる）：A が K より高い電圧（順電圧）のとき、ゲートに小さな電流を短時間流すと、A から K へ電流が流れ始める。いったんオンになれば、ゲート電流を止めてもオンのままで続く
• ターンオフ（オフになる）：アノード電流が保持電流（オンを保てる最小の電流）以下に下がるか、逆電圧がかかるとオフになる。ゲートからは切れない

交流電源につないだ半波回路で、動作を見てみます（図6）。電源電圧 $e$ が正になってから、角度 $\alpha$ だけ遅れてゲートパルスを入れると、サイリスタがオンになって負荷に電流が流れます。電源電圧が 0 になる 180° で電流も 0 になってオフになり、逆電圧のあいだは電流が流れません。

この遅れの角度 $\alpha$ を制御角といいます。$\alpha$ を大きくすると電流の流れる時間が短くなり、負荷に送る電力が小さくなります。制御角と出力電圧の関係は、整流回路の記事で式にして確かめます。

交流では電流が自然に 0 になるので、サイリスタはオフになれます。直流では電流が 0 にならないため、サイリスタだけでは切れません。

自己消弧形の比較：GTO・トランジスタ・MOSFET・IGBT

ゲート（ベース）の信号で、オンもオフもできる素子を自己消弧形といいます。サイリスタと違い、直流でも自分で電流を切れるので、インバータやチョッパに使えます。素子は、ゲートで切れるかどうかと、駆動の方式で分けて整理できます（図7）。

オンにする方法とオフにする方法を、素子ごとに比べます。

素子	オンにする方法	オフにする方法
ダイオード	順電圧を加える	逆電圧、または電流が 0 になる
サイリスタ	ゲート電流（パルス）	電流を保持電流以下に、または逆電圧
GTO	ゲートに正の電流	ゲートに負の電流（引き抜く）
トランジスタ	ベース電流を流す	ベース電流を 0 にする
パワー MOSFET	ゲート電圧を加える	ゲート電圧を 0 にする
IGBT	ゲート電圧を加える	ゲート電圧を 0 にする

トランジスタと GTO は、電流を流し続けて駆動する電流駆動です。MOSFET と IGBT は、ゲートに電圧を加えるだけで駆動できる電圧駆動で、駆動に必要な電力が小さく済みます。

扱える電力とスイッチングの速さの、おおまかな目安は次のとおりです。

素子	扱える電力	スイッチングの速さ
サイリスタ	非常に大きい	遅い
GTO	大きい	遅い〜中程度
トランジスタ	中程度	中程度
パワー MOSFET	小〜中	速い
IGBT	中〜大	中程度〜速い

IGBT が広く使われる理由と損失

IGBT は、入力側のゲートは MOSFET と同じ電圧駆動で、出力側は大きな電流と電圧を扱えます。駆動が簡単で、中容量から大容量まで対応でき、スイッチングも十分に速いので、インバータエアコン、電車、太陽光発電のパワーコンディショナ、電気自動車の充電器など、幅広い装置に使われています。

素子で生じる損失は 2 種類あります。

• オン損失：オンのあいだ、オン電圧と電流の積で生じる損失
• スイッチング損失：オンとオフの切り替えの短いあいだ、電圧と電流が同時に大きくなって生じる損失

図8は、電圧 $v$ と電流 $i$ を線形に変化させた簡単なモデルで、損失 $p = vi$ を描いたものです。切り替えの瞬間だけ大きな山ができ（スイッチング損失）、オンのあいだは電圧が小さいので損失も小さく平らです（オン損失）。

平均の損失は、次のように求められます。

$$\begin{gathered} P_{\mathrm{on}} = V_{\mathrm{on}} \times I \times D \\ P_{\mathrm{sw}} = E_{\mathrm{sw}} \times f \end{gathered}$$

$V_{\mathrm{on}}$ はオン電圧、$I$ はオン中の電流、$D$ は 1 周期のうちオンの時間の割合、$E_{\mathrm{sw}}$ は 1 周期（オンとオフを 1 回ずつ）の切り替えで生じる損失のエネルギー、$f$ はスイッチング周波数です。周波数を上げると、1 秒間の切り替えの回数が増えるので、スイッチング損失も増えます。

損失はすべて熱になります。素子が壊れないように、放熱器（ヒートシンク）で熱を空気へ逃がします（図9）。

1フィン2ベース板3ねじ穴

1. フィン　表面積を広げて熱を逃がす
2. ベース板　素子を取り付ける面
3. ねじ穴　素子を固定する

電気自動車の急速充電器のように、交流を直流に変換して大きな電力を送る装置でも、パワー半導体が使われます（図10）。

1ケーブル2充電器本体3充電口

1. ケーブル　変換した電力を車へ送る
2. 充電器本体　電力変換の装置が入る
3. 充電口　車の電池につながる

例題と間違えやすいところ

解答と解説を見る

正解は (2) です。

• (1) サイリスタは、ゲート電流を止めてもオンのままです。オフにするには、電流を保持電流以下にするか、逆電圧を加えます。
• (2) GTO は、ゲートに負の電流を流すと自分でオフになれる自己消弧形です。
• (3) MOSFET は電圧駆動で、ゲートに電圧を加えます。ゲートの電流はほとんど流れません。
• (4) ダイオードにゲートはありません。順電圧がかかるとオンになります。

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アノード電流が保持電流以下に下がったときです。抵抗負荷では、電源電圧が 0 になる 180° で電流も 0 になります。その後は逆電圧がかかるので、ゲートパルスが入っても流れません（図6）。

ゲート電流を止めただけでは、オフになりません。

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正解は (4) です。直流は電流が 0 にならないので、普通のサイリスタはいったんオンになると自分では切れません。インバータには、ゲートで切れる IGBT などの自己消弧形を使います。

(1) は MOSFET が高速で小〜中容量に向くこと、(2) はサイリスタが非常に大きな電力を扱えること、(3) は IGBT が広く使われることに合っています。

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オン損失は、オン電圧・電流・オンの時間の割合の積です。

$$\begin{gathered} P_{\mathrm{on}} = 2.0 \times 50 \times 0.6 \\ = 60\ \mathrm{[W]} \end{gathered}$$

スイッチング損失は、1 周期のエネルギーに周波数を掛けます。

$$\begin{gathered} P_{\mathrm{sw}} = 5 \times 10^{-3} \times 10 \times 10^{3} \\ = 50\ \mathrm{[W]} \end{gathered}$$

合計は $60 + 50 = 110\ \mathrm{[W]}$ です。

間違えやすい点を表にまとめます。

よくある間違い	正しくは
サイリスタはゲートを切ればオフになる	ゲートでは切れない。電流が保持電流以下か、逆電圧でオフ
MOSFET も IGBT も電流で駆動する	どちらも電圧駆動。電流駆動はトランジスタと GTO
スイッチング損失はオンのあいだも出る	切り替えの短いあいだに出る。周波数が高いほど増える
直流でも、サイリスタは自然にオフになる	直流は電流が 0 にならない。切るには転流回路が必要

よくある質問

サイリスタと IGBT は、何が違いますか？

サイリスタは、ゲートでオンにするだけで、オフは電流が 0 近くに下がるのを待つ素子です。IGBT は、ゲート電圧でオンもオフもでき、すばやく切り替えられます。サイリスタは交流を整流する大電力の装置に、IGBT は直流から交流をつくるインバータやチョッパに向いています。

IGBT は、MOSFET とバイポーラトランジスタのどちらに近いですか？

どちらの性質ももっています。入力側（ゲート）は、MOSFET と同じ電圧駆動です。出力側（コレクタとエミッタの間）は、バイポーラトランジスタのように大きな電流を流せます。名前の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor）も、この組み合わせを表しています。

「自己消弧」とは、どういう意味ですか？

素子が、自分のゲート信号で電流を切れることです。サイリスタも交流なら、電流が自然に 0 になってオフになれます。しかし直流では電流が 0 にならないので、サイリスタを切るには、別に転流回路が必要です。自己消弧形ならゲート信号だけで切れます。

なぜ、抵抗ではなくスイッチで電力を変えるのですか？

抵抗では、$100\ \mathrm{[V]}$ を $50\ \mathrm{[V]}$ に下げるとき、下げた分の電力が熱になって失われます。スイッチは、オンのときは電圧が 0、オフのときは電流が 0 なので、スイッチ自身はほとんど熱を出しません。損失が小さく、効率よく電力を変えられるからです。

思い出してみよう

答えを見る前に、まず自分で思い出してからタップしてください。

パワーエレクトロニクスの 4 つの電力変換は何ですか？

整流（交流を直流に）、インバータ（直流を交流に）、チョッパ（直流の電圧を変える）、サイクロコンバータなど（交流の周波数や電圧を変える）です。

スイッチに使うと損失が小さいのは、なぜですか？

オンのときは電圧が 0、オフのときは電流が 0 で、損失 $p = vi$ がほぼ 0 になるからです。

サイリスタをオンにする方法と、オフになる条件は何ですか？

ゲートに電流を流してオンにします。オフは、アノード電流が保持電流以下になるか、逆電圧がかかったときで、ゲートでは切れません。

ゲートでオフにできる自己消弧形の素子を 4 つ挙げてください。

GTO、トランジスタ、パワー MOSFET、IGBT です。

電圧駆動の素子はどれで、電流駆動の素子はどれですか？

電圧駆動は MOSFET と IGBT です。トランジスタと GTO は電流駆動です。

素子の損失の 2 種類と、周波数との関係を答えてください。

オン損失とスイッチング損失です。スイッチング損失は、スイッチング周波数が高いほど増えます。

まとめ

• パワーエレクトロニクスは、半導体のスイッチで電力を変換する技術。整流・インバータ・チョッパ・サイクロコンバータなどがある
• スイッチは、オンで電圧 0、オフで電流 0 なので、損失が小さい
• サイリスタはゲート電流でオンになり、電流が保持電流以下になるか逆電圧がかかるとオフになる。ゲートでは切れない
• GTO・トランジスタ・MOSFET・IGBT は自己消弧形。IGBT はインバータなどに広く使われる
• 損失は、オン損失とスイッチング損失。スイッチング損失は周波数が高いほど増える

素子	ゲートで切れるか	駆動
サイリスタ	切れない	電流
GTO	切れる	電流
トランジスタ	切れる	電流
パワー MOSFET	切れる	電圧
IGBT	切れる	電圧

次の記事では、サイリスタの制御角と出力電圧の関係を、整流回路で計算します。直流の電圧を変えるチョッパ、直流から交流をつくるインバータもあわせて確認できます。