ハーフブリッジとフルブリッジの違いは？

ハーフブリッジは上下2個のスイッチで出力が1本、フルブリッジは2組4個で出力が2本です。フルブリッジは出力の向きを逆にできます。

貫通電流とは？

上下のスイッチが同時にONして、電源からGNDへ負荷を通らずに流れる大電流です。オン抵抗しかないので一瞬で素子が壊れます。

デッドタイムは何nsにすればいい？

素子の遅れ時間とドライバの伝搬遅延のばらつきから計算し、2割ほど余裕を足します。Si MOSFETでは数十〜数百nsが目安です。

デッドタイムを長くしすぎるとどうなる？

出力電圧が指令からずれ、効率が下がり、モータの電流がゆがみます。ずれはデッドタイム×周波数×電源電圧ほどです。

ハーフブリッジ用のゲートドライバICは必要？

使うのが定石です。上下を1つのICで駆動でき、品番によってはデッドタイムの生成や同時ONを防ぐ機能も入っています。

ハーフブリッジとフルブリッジ（Hブリッジ）の違い｜貫通電流とデッドタイムを図解

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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ほとんどないので、定格を大きく超える電流が流れ、両方のMOSFETが短い時間で壊れることがあります。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。

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。

ハーフブリッジとフルブリッジの比較

	ハーフブリッジ	フルブリッジ（Hブリッジ）
スイッチの数	2個（1レグ）	4個（2レグ）
負荷のつなぎ方	中点とGND（または中点と電源の中間点）の間	2つの中点の間
負荷にかかる電圧	0〜＋V の一方向（コンデンサで中点を作れば ±V/2）	＋V と −V の両方向
電流の向きを変える	できない（中点を作る方式を除く）	できる（モータの正転・逆転）
主な使い道	降圧DC-DC、同期整流、ハーフブリッジ型の電源	DCモータの正逆転、単相インバータ、絶縁型DC-DCの1次側

「Hブリッジ」と「フルブリッジ」は同じ回路の呼び方の違いです。モータ駆動では Hブリッジ、電源やインバータではフルブリッジと呼ぶことが多いです。

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。

ハイサイドとローサイドのスイッチを動かすには、マイコンとの間に「ゲートドライバIC」が要ります。

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）

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。

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「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。

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

デッドタイムの計算｜データシートの値から最小値を出す

「長すぎず短すぎず」のデッドタイムは、MOSFET（又はIGBT）とゲートドライバのデータシートの値から見積もれます。パワー半導体メーカーのアプリケーションノートで紹介されている、次の目安の式がよく使われます。

記号	意味
t_d(off)max	ターンオフ遅れ時間の最大値（OFFの命令から実際に切れ始めるまで）
t_d(on)min	ターンオン遅れ時間の最小値
t_{pdd max} − t_{pdd min}	ゲートドライバの伝搬遅延のばらつき（上下のドライバで遅れ方がずれる分）
× 1.2	20%の余裕

考え方は「上アームがいちばん遅く切れて、下アームがいちばん早く入る」最悪の組み合わせでも、両方ONにならない時間を確保する、というものです。データシートの遅れ時間は測定条件（ゲート抵抗・温度）で変わるので、実際のゲート抵抗と温度での値を使います。

例：Si MOSFETのハーフブリッジ

データシートの値の例として、t_d(off)max ＝ 60ns、t_d(on)min ＝ 10ns、ドライバの伝搬遅延が 30〜50ns とします。

手順	計算
素子の遅れの差	60 − 10 ＝ 50 ns
ドライバのばらつき	50 − 30 ＝ 20 ns
余裕を掛ける	(50 ＋ 20) × 1.2 ＝ 84 ns

デッドタイムが出力電圧をずらす量

デッドタイムの間は、出力の電圧が負荷電流の向きで決まり、指令どおりの電圧が出ません。1回のスイッチングでデッドタイムぶん電圧がずれるので、平均の出力電圧のずれはおよそ デッドタイム × スイッチング周波数 × 電源電圧 です。たとえば 1μs・20kHz・300V なら 1×10⁻⁶ × 20,000 × 300 ＝ 6V ずれます。デッドタイムを長くしすぎると、モータの電流がゆがむのはこのためです。

デッドタイムの計算ツール

入れた数字は画面の中で計算するだけで、どこにも送信されません。目安の式なので、最後は実機の波形（上下のゲート電圧とドレイン電流）で両方ONになっていないことを確かめてください。

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、L6491など。ただし、デッドタイムを内蔵しているかは品番によって違います（IR2104は内蔵、UCC27200は上下の入力が独立していてデッドタイムはマイコン側で作る）。必ずデータシートで確かめましょう。

② デッドタイムが内蔵されている

デッドタイムを内蔵した品番（IR2104など）なら、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。デッドタイム時間を外付け抵抗で調整できる品番もある。

③ シュートスルー保護機能が入っている

品番によっては、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（インターロック）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。

ハイサイドの MOSFET を駆動する電源を作るのが、ブートストラップ回路です。

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