- 「ハーフブリッジ」「フルブリッジ」という言葉を先輩は当たり前のように使うが、何が違うのか説明できない
- 試作機を電源ONした瞬間、「バチッ」と音がしてMOSFETが2個とも黒焦げになった
- 「貫通電流」「デッドタイム」と聞くが、なぜ必要なのか具体的な理由がわからない
- 客先レビューで「デッドタイムは何ns設定していますか？」と聞かれて答えられなかった
- ハーフブリッジとフルブリッジの違いが3秒でわかる図解
- 「貫通電流」が起きる物理的メカニズム
- デッドタイムの決め方と現実的な数値レンジ
- 専用ゲートドライバICを使うべき理由
結論を先に言います。上下のMOSFETが「同時にON」した瞬間、電源とGNDが直結します。電流を制限するものが何もないので、数百Aの電流が流れて両方のMOSFETが瞬時に破壊されます。これが「貫通電流」の正体。
この事故を防ぐために必要なのが「デッドタイム」。上のMOSFETがOFFしてから、下のMOSFETがONするまでの「両方OFF」の時間を意図的に作ります。今回の記事では、その仕組みと設計の考え方を徹底的に図解します。
目次
ハーフブリッジ・フルブリッジとは？構成の違い
名前は難しそうですが、構造はシンプル。ハイサイドMOSFETとローサイドMOSFETを「縦に積んだ1セット」がハーフブリッジ、「2セット並べた」のがフルブリッジ。それだけです。
フルブリッジ（Hブリッジ）
MOSFET 4個（ハーフブリッジを2セット）。
出力は2つの中点から2本。
DCモータの正逆転、単相インバータに使用
💡 共通する重要ワード「アーム」
パワエレの世界では、ハイサイドMOSFETを「上アーム」、ローサイドMOSFETを「下アーム」と呼びます。腕（アーム）が上下に伸びているイメージ。
そして「レグ（脚）」という言葉もよく出てきます。これは「上アーム+下アームの1セット」のこと。ハーフブリッジ=1レグ、フルブリッジ=2レグ、3相インバータ=3レグ、と数えます。
客先や上司との会話では「U相の上アームが…」「W相の下アームが…」のような言い方が頻出します。「上アーム = ハイサイド」「下アーム = ローサイド」と頭の中で即変換できるようにしておきましょう。
ハーフブリッジの動作原理｜2つのMOSFETの「シーソー」
ハーフブリッジの動作は、上アームと下アームが交互にON/OFFする「シーソー」と覚えてください。出力点の電圧は、その都度「電源電圧」か「0V」のどちらかに切り替わります。
| 状態 | 上アーム | 下アーム | 出力電圧 |
|---|---|---|---|
| 状態1 | ON 🟢 | OFF 🔴 | +V（電源電圧） |
| 状態2 | OFF 🔴 | ON 🟢 | 0V（GND） |
| 状態3 ❌ | ON 🟢 | ON 🟢 | 貫通電流発生 💥 |
| 状態4（デッドタイム） | OFF 🔴 | OFF 🔴 | 不定（負荷次第） |
出力電圧を「+V」と「0V」で高速に切り替え、その時間比率（デューティ比）を変えることで「平均電圧」を自在に操るのがPWM制御の本質です。デューティ50%なら平均電圧は+V/2、デューティ80%なら平均0.8×V。
このシーソー動作のおかげで、降圧コンバータ・昇圧コンバータ・モータ駆動など、あらゆるパワエレ回路の基礎ブロックとして使われます。
貫通電流（シュートスルー電流）のメカニズム
ここがこの記事で最も大事な部分です。上アームと下アームが同時にONした瞬間、何が起きるのかを物理的に理解しましょう。
💀 同時ONで起きること
上アームがONなら電源（+V）からスイッチングノードへ電流が流れる経路ができます。下アームがONならスイッチングノードからGNDへ電流が流れる経路ができます。
両方が同時にONすると、電源（+V）からMOSFET2個を通って、直接GNDまで一本道ができます。間にあるのは2個のMOSFETのオン抵抗（Rds(on)）だけ。例えば10mΩ×2個=20mΩしかありません。
電源48V ÷ 抵抗0.02Ω = 2400A。これが瞬間的に流れます。MOSFETの定格電流が30Aだったら、約80倍の電流。10ナノ秒も持たずに半導体が熱破壊します。
試作機の電源を入れた瞬間に「パンッ」という破裂音とともにMOSFETが黒焦げになった経験がある方は、ほぼ間違いなくこの貫通電流が原因です。制御信号のタイミング、デッドタイム設定、ゲート抵抗のバランスのどこかにバグがあります。
🔄 「同時ONしないつもり」でも起きる理由
ここが厄介なところ。マイコンが「上アームOFF、下アームON」と命令しても、現実にはMOSFETのターンオフには時間がかかる。ナノ秒単位ですが、確実に時間がかかります。
だから「上アームを切った直後に下アームを入れる」とすると、上アームがまだ完全に切れていないうちに下アームがONして、一瞬だけ両方ONの状態ができてしまうのです。これが貫通電流の典型パターン。
デッドタイムの考え方｜「両方OFF」の時間を意図的に作る
貫通電流を防ぐ唯一の方法、それがデッドタイム（dead time）です。「上アームをOFFにしてから、下アームをONにするまでに、わざと両方OFFの時間を設ける」設計手法。
上アームをOFFにする：マイコンがOFF信号を送る。MOSFETのゲート電荷が放電され、完全にOFFするまで数十〜数百ns待つ。
デッドタイム（両方OFF）：両方のMOSFETを意図的にOFFのまま保持する時間。100ns〜数μs。この間、出力電圧は負荷に依存（モータなら還流ダイオード経由）。
下アームをONにする：上アームが完全にOFFしていることを確認してから、下アームをON。安全に切替完了。
📊 デッドタイムの現実的な数値
| 用途 | デバイス | デッドタイム目安 |
|---|---|---|
| 小型DC-DC（〜48V） | Si MOSFET | 50〜200ns |
| 産業用インバータ（400V） | IGBT | 1〜3μs |
| EV用インバータ（800V） | SiC MOSFET | 100〜500ns |
| 小型LED駆動 | GaN HEMT | 10〜50ns |
「安全のために長めに」は半分正解。長すぎるデッドタイムは出力電圧の歪み・効率低下・モータの振動増加を招きます。短すぎず長すぎず、デバイス特性とゲート抵抗から計算で求める設計が必要です。
ハーフブリッジ専用ゲートドライバICを使う理由
ハーフブリッジ・フルブリッジを設計するなら、専用のハーフブリッジゲートドライバICを使うのが定石です。なぜか。理由は3つあります。
① 上アーム・下アームを1つのICで駆動できる
専用IC1個で、上下2個のMOSFETを駆動できます。基板面積も部品点数も少なくて済む。代表例：IR2104、UCC27200、ADuM4145、L6491など。
② デッドタイムが内蔵されている
最大のメリットがこれ。マイコンから1本のPWM信号を入れるだけで、ICが自動で「上アームOFF→デッドタイム→下アームON」を生成してくれる。デッドタイム時間も外付け抵抗で調整可能な製品が多い。
③ シュートスルー保護機能が入っている
万が一マイコンが「両方ON」の信号を出してしまっても、IC側で「両方ON状態を強制的に禁止」するロジックが入っています。これだけで初心者の試作事故が激減します。
専用ICでも単体ドライバ2個でも、回路は組めます。でも初心者ほど専用ICを使うべきです。「自分で何とかしようとする設計」は事故の元。先輩エンジニアほど「枯れた専用IC」を選びます。
フルブリッジ（Hブリッジ）の動作と用途
フルブリッジは、ハーフブリッジを2セット並べ、その中間に負荷をはさむ構成です。アルファベットの「H」の形に似ているので「Hブリッジ」とも呼ばれます。
🔄 4つのMOSFETの組み合わせで「正転・逆転・停止」
| 動作 | Q1（左上） | Q2（右上） | Q3（左下） | Q4（右下） | 負荷 |
|---|---|---|---|---|---|
| 正転 | ON | OFF | OFF | ON | → |
| 逆転 | OFF | ON | ON | OFF | ← |
| 停止（フリー） | OFF | OFF | OFF | OFF | 惰性回転 |
| ブレーキ | OFF | OFF | ON | ON | 急停止 |
| 禁止 ❌ | ON | ― | ON | ― | 貫通電流💥 |
特に重要なのは「左の上下（Q1とQ3）が同時ON」「右の上下（Q2とQ4）が同時ON」が絶対NGということ。同じレグの上下アームで貫通電流が起きるからです。
🎯 フルブリッジの代表用途
- DCモータの正逆転制御：ロボット、電動工具、リフトなど
- 単相インバータ：DC→AC変換（家庭用太陽光発電のパワコンなど）
- 絶縁型DC-DCコンバータの1次側：トランスに正負の電圧を交互にかける
- 絶縁型ハイパワーアンプ（D級アンプ）：オーディオ用
設計時のチェックリスト｜試作前に必ず確認
ハーフブリッジ・フルブリッジ回路を試作する前に、以下を必ず確認してください。1つでも見落としがあると、電源ONの瞬間にMOSFETが昇天します。
- デッドタイムは十分か？（MOSFETのターンオフ時間 + マージン）
- 専用ハーフブリッジドライバICを使っているか？（または同等のシュートスルー保護があるか）
- ゲート抵抗は適切か？（小さすぎるとリンギング、大きすぎると遅延）
- 電源ラインに大容量電解コンデンサを配置したか？（瞬間電流の供給源）
- パターンのループ面積は最小化されているか？（寄生インダクタンスの最小化）
- ハイサイド用のブートストラップ／絶縁電源は機能しているか？
- 初回投入時、低電圧（5V程度）で動作確認をする予定か？（いきなり定格電圧はNG）
- 過電流保護回路（OCP）は機能しているか？
電源を初めて入れるとき、私は必ず「電流計測器を直列に入れて、定格の1/10程度の電圧から徐々に上げる」方法を取ります。何かおかしければ電流値が異常値を示すので、即座に電源を切れば被害ゼロ。「いきなりフル電圧」は経験10年以上のベテランでもやりません。
まとめ｜「両方ONを絶対に避ける」がすべて
- ハーフブリッジ = MOSFET 2個（1レグ）。フルブリッジ = MOSFET 4個（2レグ）
- 上下アームが同時にONすると貫通電流（数百〜数千A）でMOSFETが瞬時に破壊される
- これを防ぐため「デッドタイム」を意図的に挿入する設計が必須
- デッドタイム時間はデバイス次第（Si MOSFETなら50〜200ns、IGBTなら1〜3μs）
- 専用ハーフブリッジゲートドライバICを使えば、デッドタイム生成・シュートスルー保護が標準装備
ハーフブリッジ・フルブリッジは、DC-DCコンバータからEVのインバータまで、あらゆるパワエレ回路の基礎です。「上下アームの同時ONを絶対に避ける」という1点さえ徹底すれば、設計の8割は安全圏に入れます。
次は、3相インバータ（3レグ構成）に進む準備が整いました。3つのハーフブリッジが120°ずつ位相をずらして動作する仕組みは、ハーフブリッジを完全に理解した上でこそ腑に落ちる世界です。
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