新幹線の制御方式は、0系の変圧器低圧タップ切り替え式、100、200、400系のサイリスタ連続位相制御から300系以降はVVVFインバータ制御方式になりました。その主変換装置に使われるスイッチング素子として最近はIGBTという素子を使うことが一般的になっています。
Field Effect Transistor
絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）
ゲート電極にある一定以上の電圧を加えるとＡ−Ｋ間に電流が流れます（ターンオン）。
切る（ターンオフ）するためには、主電流の流れるＡ−Ｋ間に逆電圧を加えて、一旦オフ状態にする必要があります。
このように、サイリスタには逆電圧を加えるための転流回路が必要であり、自己消弧能力がないため、主回路の構成が複雑です。
200系などにはこの素子が使われて、連続位相制御による直流出力電圧制御が行われましたが、VVVF制御となった300系には右のGTOサイリスタが使われました。
ターンオフのためのゲート電流は、主電流の1/3〜1/5程度と大きな値です。
構造的には、ゲートでターンオフさせるためにカソードの周囲をゲートが取り囲み、AK間の主電流を引き抜きやすくしてあります。
カソードセグメントは幅が200μm、長さが2〜3mm程度で、制御電流3000Aクラスの素子では、セグメントの数は数千本になります。そこでゲートとカソードに段差をつけ、各カソードセグメントに、1枚の共通電極を圧接しています。
制御回路が複雑高価なものとなるため、パワートランジスタでは対応できない高耐圧大電力の用途に使われています。
主回路構成を簡単にするため、サイリスタからGTOサイリスタの適用が進みましたが、更にスイッチング周波数が大きくとれるIGBTに置き換えられつつあります。
ゲートに正電圧を加えると、図の場合、p形半導体基板の表面部分に基板中の少数キャリヤである電子が引きつけられn形に変わります。この現象を電界効果（Field Effect）による反転といい、表面の薄いn形層を反転層といいます。
ソースとドレーン領域は電子密度を大きくしてある（これをn+と書く）ので、反転層が形成されると、ソース・ドレーン間を電子が移動できるようになり、電流が流れます（nチャネル）。
チャネルの厚さはゲート電圧によって変わり、それに従ってドレーン電流が変わります。すなわち、MOSFETはゲート電圧によってドレーン電流を制御するデバイスです。
MOSFETでは信号電圧によって、ただちにドレーン電流、出力電圧と変化し、入力側に電流が流れないため、消費電力が少なくてすむこと、入力抵抗が非常に大きいことなど、バイポーラトランジスタにない特長があります。
IGBTはMOSゲートで制御されるバイポーラデバイスで、図の場合、MOSFETの基板であるドレーン層のn+が、コレクタのp+に変わった以外は、縦形MOSFETと基本的には同一構造です。
コレクタに正の電圧を加えた状態でゲート信号を加えなければ、MOSFETと同様電流は流れませんが、ゲートに正の電圧を加えると、ゲート電極の下のpベース層表面にnチャネルが形成され、コレクタ・エミッタ間はp+n-nn+構造のpn接合ダイオードとなり、それに順方向の電圧が加わった状態ですので、コレクタ・エミッタ間がオン状態となります。
パワーMOSFETのオン抵抗のほとんどは、高抵抗のn-層によるものでしたが、エミッタから電子が、コレクタから正孔が注入され、n-層に過剰のキャリヤが蓄積、伝導度変調が起こるので、IGBTのオン電圧はMOSFETより大幅に小さくなります。
鉄道車両用としては大容量、高耐圧化、高速化、低損失化が進められており、現在の主流です。
