IGBTとMOSFETの違いと使い分け｜損失計算と選定フローチャートで即決する

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パワーエレクトロニクスの設計で避けて通れないのが「IGBTとMOSFET、どっちを使うか」という選定判断です。教科書的には「高電圧・大電流ならIGBT、高周波・低電圧ならMOSFET」と書かれていますが、実際の設計では「うちの回路は600V/20A/15kHzだけど、どっちが有利なの？」という具体的な判断が求められます。

この記事では、その判断を「損失計算」という定量的な根拠に基づいて下す方法を解説します。導通損失とスイッチング損失の計算式を使って、「この条件ならIGBTのほうが〇〇W損失が小さい」と数字で判断できるようになることをゴールにしています。

IGBTとMOSFETの本質的な違い｜「電流の流し方」がすべてを決める

IGBTとMOSFETはどちらもゲート電圧でON/OFFを制御するスイッチング素子ですが、内部で電流を流す仕組みが根本的に異なります。この違いが「導通損失」と「スイッチング損失」の特性差に直結しています。

なぜIGBTは高耐圧に強いのか？｜伝導度変調の威力

MOSFETのON抵抗Rds(on)は耐圧の約2.5乗に比例して増大します（Super Junction構造でも限界あり）。たとえば、200V耐圧で30mΩだったMOSFETが、600V耐圧になると200〜300mΩ以上に跳ね上がることがあります。大電流を流すと I²×Rds(on) の損失が膨大になります。

一方、IGBTは内部でバイポーラトランジスタの「伝導度変調」を利用するため、高耐圧化してもON電圧Vce(sat)は1.5〜3V程度に抑えられます。これが「600V以上の高耐圧領域ではIGBTが有利」と言われる理由です。

「導通損失」と「スイッチング損失」｜2つの損失の綱引き

スイッチング素子の損失は、大きく分けて導通損失（ONの間にじわじわ発生する損失）とスイッチング損失（ON/OFFの切り替え瞬間に発生する損失）の2種類です。IGBTとMOSFETの使い分けは、この2つの損失の合計（= 総損失）がどちらの素子で小さくなるかで決まります。

導通損失の計算式

スイッチング損失の計算式

損失計算の具体例｜600V / 20A の条件でIGBTとMOSFETを比較する

実際にデータシートの値を使って、同一条件でIGBTとMOSFETの総損失を比較してみましょう。以下は架空のデバイスですが、典型的なスペックに基づく計算例です。

計算条件

パラメータ	IGBT (600V/30A)	Si MOSFET (600V/30A)
導通パラメータ	Vce(sat) = 1.8V (@20A)	Rds(on) = 190mΩ (@25℃)
スイッチング損失エネルギー	Eon = 0.8mJ, Eoff = 0.5mJ	Eon = 0.15mJ, Eoff = 0.10mJ
動作条件	バス電圧 400V、電流 20A、デューティ比 50%

計算結果：スイッチング周波数を変えたときの総損失比較

周波数 (f_sw)	IGBT			Si MOSFET			有利な素子
周波数 (f_sw)	導通損失	SW損失	合計	導通損失	SW損失	合計	有利な素子
5 kHz	18.0W	6.5W	24.5W	38.0W	1.3W	39.3W	IGBT
15 kHz	18.0W	19.5W	37.5W	38.0W	3.8W	41.8W	≒ 同等
50 kHz	18.0W	65.0W	83.0W	38.0W	12.5W	50.5W	MOSFET
100 kHz	18.0W	130.0W	148.0W	38.0W	25.0W	63.0W	MOSFET

※導通損失：IGBT = 1.8V × 20A × 0.5 = 18.0W、MOSFET = 20²A × 0.190Ω × 0.5 = 38.0W（デューティ50%）
※スイッチング損失：IGBT = (0.8+0.5)mJ × fsw、MOSFET = (0.15+0.10)mJ × fsw

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選定フローチャート｜3つの質問で「どっちを使うか」を即決する

損失計算を毎回やるのは大変です。まずは以下のフローチャートで「ざっくりとした方向性」を決め、その後に候補デバイスのデータシートで損失を比較する、という2段階の進め方がおすすめです。

アプリケーション別の使い分け表｜東芝の公式データに基づく整理

東芝セミコンダクターが公開しているFAQのデータを基に、スイッチング周波数帯ごとのアプリケーションと推奨素子を整理しました。

周波数帯	〜20kHz	20〜80kHz	80kHz〜
IGBT領域	電車、HEV/EV 大容量モーター制御産業用インバータ産業用ロボット	大型UPS	─
グレーゾーン（IGBT or MOSFET）	エアコン・冷蔵庫用インバータ中小容量モーター制御家電（扇風機、掃除機）ファンモーター	IH調理器（電磁調理器）	─
MOSFET領域	─	小型UPS 電動工具 PFC回路	スイッチング電源全般 DC-DCコンバータ充電器

SiC MOSFETの登場で「IGBTの領域」が侵食されている

ここまでの話は「Si（シリコン）MOSFET vs Si IGBT」の比較でしたが、近年登場したSiC（炭化ケイ素）MOSFETがこの構図を大きく変えつつあります。

SiC MOSFETが「ゲームチェンジャー」である理由

特性	Si MOSFET	Si IGBT	SiC MOSFET
耐圧	〜600V が実用的	600V〜6500V	650V〜1700Vが主流。高耐圧でもRds(on)が低い
導通損失	高耐圧で大きい	低い（Vce(sat)一定）	高耐圧でも低い（SiCのバンドギャップが大きい）
スイッチング損失	小さい	大きい（テール電流）	非常に小さい（テール電流なし＋高速スイッチング）
コスト	安い	中程度	高い（Si比で2〜5倍）
適用例	低圧スイッチング電源	モーター駆動、インバータ	EV用OBC・インバータ、太陽光PCS、サーバー電源

SiC MOSFETは「MOSFETの高速スイッチング」と「IGBTの高耐圧」を両立する素子です。特に600V〜1200V帯で20kHz以上のスイッチングが求められるアプリケーション（EV車載充電器、太陽光パワーコンディショナなど）では、IGBTからSiC MOSFETへの置き換えが急速に進んでいます。

IGBTの「テール電流」とVce(sat) vs Eoffのトレードオフ

IGBTを選定する上で避けて通れないのが「テール電流」の問題です。これがIGBTのスイッチング損失を大きくしている根本原因であり、同時にIGBT世代間の進化を理解するカギでもあります。

テール電流とは？｜「蛇口を閉めても水が止まらない」現象

MOSFETはゲートをOFFにすると、電子が即座にチャネルから排出されて電流がゼロになります。しかしIGBTは内部にバイポーラトランジスタ構造（PNP）を持っているため、ゲートをOFFにしても、ドリフト層に蓄積された少数キャリア（正孔）が再結合するまでの間、「余韻」のように電流が流れ続けます。これがテール電流です。