令和5年度第三種電気主任技術者下期試験　機械科目 問100 解説 問10 問10

サイリスタは一度順方向に導通すると、ゲート電流を遮断しても導通状態が維持されますが、逆方向の電圧が印加された場合には素子としての阻止能力によって電流を遮断するため、逆方向の電流を流すことはできません。この物理的な特性に反している選択肢(2)が、誤った記述となります。

パワー半導体デバイスの動作原理と特性

パワー半導体は、電力変換回路において高速なスイッチングを行うための半導体素子です。それぞれのデバイスは構造によって異なる導通制御特性を持っています。

サイリスタは、アノードからカソードへ流れる順方向の電流を制御する素子です。一度ゲートからトリガ信号を入力して導通（ターンオン）させると、その後にゲート信号を取り去っても、順方向の電流が流れている限りは導通状態が保持されます。これを自己保持作用と呼びます。しかし、サイリスタは逆方向の電圧に対しては高い阻止能力を持つように設計されており、回路電圧の極性が反転して逆方向の電圧がかかると、内部の接合部で電流がブロックされます。

一方、パワーMOSFETやIGBTといった自己消弧能力を持つ素子は、ゲートに与える電圧を制御することでオン・オフのスイッチングを自由に行えます。また、パワーMOSFETは構造上、ソースとドレインの間に寄生的なダイオード（ボディーダイオード）を有しており、特定の条件下では素子単体で逆方向の電流を流すことが可能です。IGBTは単体では逆方向の電流を流せないため、逆並列ダイオードを組み合わせて回路を構成するのが一般的です。

サイリスタの導通特性に基づく判断

選択肢の記述を、各デバイスの性質に照らし合わせて整理します。

1. サイリスタは、順方向の電圧が印加された状態でゲート信号が入力されると導通を開始します。一度オン状態に移行すれば、ゲート信号の有無にかかわらず、アノード電流が保持電流を上回る限り順方向の導通が維持されます。このとき、回路の極性が入れ替わり逆電圧が印加されると、サイリスタは即座に非導通状態へ移行するため、逆方向の電流を流すことはできません。したがって、ゲート電流を取り去った後に逆方向の電流が流れるという記述は、サイリスタの阻止特性に矛盾します。

2. パワーMOSFETは、ゲート電圧がゼロであっても、ドレインに対してソース側が高い電位（逆電圧）になると、内蔵されているボディーダイオードを経由して電流が流れます。これは電力変換回路において誘導性負荷を駆動する際の還流経路として利用されます。

3. IGBTは、ゲートに正の電圧を与えることで順方向の導通状態を制御します。ゲート電圧をオフにすれば素子は非導通状態となります。IGBT単体では逆方向の電圧に対しては電流を阻止しますが、逆並列ダイオードを並列接続することで、逆方向電流の流れる経路を確保できます。

サイリスタの構造におけるゲート端子と各層の接合部に目を向けると、順方向での導通維持と、逆方向での阻止という相反する性質が見えてきます。

参考リンク

• パワーエレクトロニクスにおける半導体素子の基礎
• 【パワエレ】パワー半導体の種類と特徴を解説
• サイリスタ（Thyristor）の定義 - 電気工学用語辞典