スイッチング損失とは？導通損失との違いとMOSFETでのざっくり計算

※本記事にはプロモーション（広告）が含まれています。

結論を先に言います。スイッチング損失とは「ON/OFFが切り替わる一瞬」に発生する熱の損失です。一方、導通損失は「ONしている間ずっと」発生する熱の損失です。両者は発生するタイミングも、計算方法も全く違います。

この記事では、なぜスイッチングのたびに損失が出るのかを波形の絵で完全に理解し、MOSFETでざっくり損失を計算できるところまで一気に解説します。読み終わる頃には、データシートの「Eon」「Eoff」「R_DS(on)」が何を意味するのか、迷わず読めるようになります。

そもそもパワー素子の「損失」って何？

MOSFETやIGBTといったスイッチング素子は、理想的には「電気を100%通す」か「100%遮断する」のどちらかです。しかし現実の素子は、ONしているときも少しだけ抵抗があり、OFFに切り替わる瞬間も電圧と電流が同時にかかる時間があります。

この「電圧 × 電流 × 時間」が熱として捨てられる分が、損失です。損失は最終的にすべて熱になり、素子の温度を上げます。温度が上がりすぎると素子が壊れるので、設計者は損失を必死で減らそうとするわけです。

本記事では、このうち最も影響が大きい「導通損失」と「スイッチング損失」の2つに絞って解説します。

導通損失｜「ONしている間ずっと出続ける熱」

導通損失（Conduction Loss）は、素子がONしている間、電流が抵抗を流れることで発生する熱です。MOSFETの場合、ON時の抵抗を「R_DS(on)」と呼びます。

これは中学校で習ったP = I²R（ジュール熱の式）そのものです。デューティ比Dをかけているのは、「ONしている間だけ発生する」ためです。

三角形の式に入らない損失｜出力容量と逆回復、SiC・GaNで何が変わるか

ハードスイッチング（電圧がかかったままONする方式）では、三角形近似の損失のほかに、次の2つが毎回のスイッチングで加わります。周波数を上げると、これも比例して増えます。

計算例：V＝48V、Qrr＝100nC、fsw＝100kHz なら、48×100×10⁻⁹×100×10³＝0.48W。この記事の例の三角形近似（1.2W）に、さらにこれが加わる計算です（Qrr は品種と条件で大きく違うので、データシートで確かめます）。

SiC・GaNで何が変わるか：SiCのショットキーダイオードやGaNトランジスタは、逆回復の電荷がほとんどありません。逆回復の損失とノイズが小さくなるので、Siでは難しかった高い周波数や、電流が途切れない動作のトーテムポールPFCのような回路をハードスイッチングでも使えるようになりました。立ち上がり・立ち下がりも速く、三角形近似の損失そのものも小さくできます。

よくある質問

スイッチング損失｜「切り替わる一瞬」に発生する熱

ここが本記事の核心です。スイッチング損失（Switching Loss）は、OFF→ON、ON→OFFに切り替わる「ほんの一瞬」に発生する損失です。

理想的なスイッチは、ONになる瞬間に「電圧が0V、電流が最大」へ瞬時に切り替わります。ところが現実のMOSFETは、電圧が下がりきる前に電流が流れ始めるのです。

ターンオン時の波形イメージ

OFFからONへ切り替わるとき、波形は以下のように動きます。

ターンOFF時はこの逆の動きですが、やはり「電圧と電流が同時に存在する瞬間」が発生し、損失が出ます。

2つの損失の決定的な違いを比較する

ここで一旦、両者の違いを整理しましょう。

項目	導通損失	スイッチング損失
いつ出る？	ON中ずっと	ON↔OFFの瞬間
周波数の影響	影響なし	周波数に比例
減らす方法	低R_DS(on)を選ぶ	高速素子・ゲート抵抗最適化
主な計算パラメータ	R_DS(on)、I、D	V、I、t_r、t_f、f_sw

MOSFETのスイッチング損失をざっくり計算する

スイッチング損失を厳密に計算するには寄生容量や逆回復特性を含めた複雑な式が必要ですが、設計初期の検討では三角形近似のざっくり計算で十分です。

なぜ「1/2」がかかるのか？

スイッチング中の電圧と電流の重なりを三角形で近似するからです。三角形の面積は「底辺×高さ÷2」ですよね。底辺が時間（t_r + t_f）、高さが電圧×電流（V×I）と考えると、損失エネルギーが三角形の面積になります。

実際に計算してみる｜DC-DCコンバータの例

具体的な数字を入れて、損失を計算してみましょう。

STEP 1：導通損失を計算

STEP 2：スイッチング損失を計算

STEP 3：合計損失と発見

スイッチング損失を減らす5つの方法

P_sw = (1/2) × V × I × (t_r + t_f) × f_sw の式を見れば、減らす方法は自然にわかります。

MOSFETとIGBTで損失の特徴は違う

スイッチング素子といってもMOSFETとIGBTで損失の特徴が異なります。素子選定でしばしば議論になるので押さえておきましょう。

ざっくり言えば「低電圧×高周波 = MOSFET」「高電圧×低周波×大電流 = IGBT」という棲み分けです。スイッチング損失の観点では、IGBTのほうがテール電流（ターンOFF時に電流が尾を引く現象）の影響でロスが大きくなりがちです。

まとめ｜「いつ・なぜ熱が出るか」を理解すれば設計が変わる

スイッチング損失を理解できると、「なぜこの周波数なのか」「なぜこの素子を選んだのか」という設計判断の根拠が見えてきます。設計レビューで黙らずに済むレベルになるはずです。