パワー半導体デバイスの特性

パワー半導体デバイスの特性とは、電力変換装置において大電流を開閉し、高い電圧に耐えるように作られた半導体素子が、オンとオフの動作、導通時の損失、スイッチングの速さ、制御の方式によってどのように異なるかを定める考え方である。信号処理に用いる小信号用の半導体とは異なり、電力用の素子では導通時の電圧降下と遮断時の耐電圧が設計の中心になる。以下では、素子の駆動方式による分類、代表的な素子ごとの特性、ダイオードの特性の順に述べる。

駆動方式による分類

パワー半導体デバイスは、制御端子に与える信号の種類によって電流駆動形と電圧駆動形に分けられる。電流駆動形は、制御端子に電流を流し込むことで導通またはターンオフを行う素子であり、バイポーラトランジスタとGTOがこれに該当する。電圧駆動形は、制御端子の電圧によって動作を決める素子であり、MOSFETとIGBTがこれに該当する。電圧駆動形は制御端子に定常的な電流を流す必要がないため、駆動回路の構成が比較的簡単になる。

ただし、ゲートの入力容量を充放電する電流は必要になるため、スイッチングを速くするほど駆動電流は増える。この点は、電圧で制御できることと、制御に電力がまったく要らないことを同じ意味として扱うと誤りになる。電圧駆動形であっても、ゲート回路の充放電に伴う電力は発生する。

サイリスタ系の素子

サイリスタは、pnpn四層構造をもつ素子であり、ゲートに短時間の信号を与えると導通する。一度導通すると、ゲートの信号を取り除いても導通状態は続き、これを自己保持性という。そのため、サイリスタは導通後にゲートで遮断することができず、主回路の電流を保持電流より小さくすることによって遮断される。交流回路で電源の極性変化を利用して電流が切り替わる整流や位相制御に用いられるのは、この性質による。

GTOは、ゲート信号によって導通とターンオフの両方を行えるように作られたサイリスタである。ターンオフには大きな逆方向のゲート電流が必要であり、ゲート駆動回路の負担が大きくなる。サイリスタと比べて制御の自由度は高いが、その分、駆動回路の設計が難しくなる。

トランジスタ系の素子

MOSFETは、ゲートが酸化膜によって絶縁されている電圧駆動形の素子であり、多数キャリアだけで導通する。そのため、少数キャリアの蓄積による遅れが少なく、スイッチング速度が速い。一方、耐電圧を高くすると導通抵抗が大きくなり、高電圧の用途では導通損失が増える。MOSFETの導通抵抗は温度が上がると増加するため、並列接続した素子の間で電流が一つに偏りにくくなる。