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IGBT 이해하기: 언제, 어디서, 어떻게 사용될까

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글/진창 조우(Jinchang Zhou), 온세미(onsemi) 프로덕트 라인 매니저

최근 실리콘 카바이드(SiC) 및 질화 갈륨(GaN)과 같은 와이드 밴드갭 반도체의 응용 분야가 증가하면서 많은 관심이 집중되고 있다. 그러나 이러한 신기술이 등장하기 전에는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)가 많은 고전력 애플리케이션에서 효과적이고 안정적으로 사용됐다. 오늘날에도 이러한 상당수의 애플리케이션을 계속 사용하는 것이 합리적이다. 본 기고에서는 IGBT 디바이스의 구조 및 작동을 검토한다. 또한 다양한 IGBT 애플리케이션에 대한 회로 토폴로지를 고려하고, 다용도의 신뢰할 수 있는 기술을 위한 새로운 토폴로지에 대해 논의한다.

IGBT 디바이스 구조

가장 간단한 형태의 IGBT는 4개의 층(P-N-P-N)으로 구성된 전력 반도체 트랜지스터로, 금속 산화막 반도체(MOS) 게이트에 인가된 전압을 사용하여 제어된다. 시간이 지남에 따라 이 기본 구조는 스위칭 손실을 줄이고 디바이스를 더욱 얇게 만들기 위해 조정되고 개선됐다. 최근의 IGBT는 트렌치 게이트와 필드 스톱 구조의 조합을 사용하여 고유한 기생(parasitic) NPN 동작을 억제한다. 이러한 접근 방식은 디바이스의 포화 전압 및 전체 저항을 낮춰 전체 전력 밀도를 개선하는 데 도움이 된다(그림 1).

[그림 1] 필드 트렌치 스톱 IGBT 구조

애플리케이션 및 토폴로지

오늘날 IGBT는 일반적으로 고려되는 애플리케이션별 토폴로지 중 일부에 사용된다.

용접 기계

많은 최신 용접기가 기존 용접 변압기 대신 인버터를 사용한다. 그 이유는 DC 출력 전류로 용접 프로세스를 더 정확하게 제어할 수 있기 때문이다. 인버터 사용의 또 다른 장점은 DC 전류가 AC보다 덜 위험하고, 인버터 기반 용접기는 전력 밀도가 높아져 더 가볍다는 것이다. 단상 또는 3상 파워 스테이지는 AC 입력 전압을 인버터용 DC 버스 전압으로 변환한다. 출력 전압은 일반적으로 30V이지만, 용접 아크를 시작할 때 거의 0V 단락 상태까지 내려가는 개방 부하 작동 시 60V DC까지 높아질 수 있다(그림 2).

용접 인버터에 사용되는 일반적인 토폴로지에는 풀 브릿지, 하프 브릿지 및 더블 스위치 포워드가 포함되며, 가장 일반적으로 사용되는 제어 방식은 정전류이다. 듀티비(duty ratio)는 부하 레벨과 출력 전압에 따라 달라진다. 풀 브릿지 및 하프 브릿지 토폴로지를 위한 IGBT 스위칭 주파수는 일반적으로 20~50kHz이다(그림 3).

[그림 3] 풀 브릿지, 하프 브릿지 및 이중 스위치 포워드 토폴로지

요리에 사용되는 인덕션

인덕션 스토브 조리는 코일에 자극을 주어 코일에 가까운 곳에서 자기투과성이 높은 재료로 만들어진 냄비에 전류의 순환을 강제(또는 커플링)시키는 원리를 기반으로 한다. 코일이 1차측의 역할을 하고 스토브 바닥이 2차측의 역할을 하는 변압기와 거의 동일하게 작동한다. 생성된 열의 대부분은 냄비 바닥층에서 생성된 와전류의 순환에서 발생한다. 이러한 시스템의 에너지 전달 효율은 약 90%이며, 스무스 탑 비유도 전기 장치의 71% 효율과 비교했을 때(동일한 열 전달에 대해) 약 20%의 에너지를 절약할 수 있다. 인버터가 구리 코일에 전류를 유도하면 전자기장이 생성되어 냄비 바닥을 관통하여 전류를 생성하는 전자기장을 생성한다. 즉, 포트의 전기 저항에 유도 전류의 제곱을 곱한 줄(Joule) 공식을 따른다(그림 4).

유도 스토브의 가장 중요한 요구 사항은 다음과 같다.

• 고주파 스위칭

• 1에 가까운 역률

• 넓은 부하 범위

유도 가열 애플리케이션을 위한 출력 전력 제어는 일반적으로 가변 주파수 체계를 기반으로 한다. 이는 부하 또는 라인 주파수의 변동에 대해 적용되는 기본적인 방법이다. 그러나 이 방법의 주요 단점은 넓은 범위에서 출력 전력을 제어하는 데 필요한 주파수 변동이 크다는 것이다. 

유도 가열에 사용되는 가장 일반적인 토폴로지는 공진 탱크(resonant tank)를 기반으로 한다. 공진형 컨버터의 주요 장점은 효율 저하 없이 작동할 수 있는 높은 스위칭 주파수 범위이다. 공진형 컨버터의 전력 손실을 줄이기 위해 제로 전류 스위칭(ZCS) 또는 제로 전압 스위칭(ZVS)과 같은 제어 기술을 사용하여 공진 컨버터의 전력 손실을 줄일 수 있다.

가장 널리 사용되는 토폴로지는 공진형 하프 브릿지(RHB) 컨버터와 유사 공진형(QR) 인버터이다. RHB 구성의 장점은 최대 전력을 공급할 수 있는 능력과 결합된 높은 범위의 부하 작동이 가능하다는 점이다(그림 5).

QR 컨버터의 주요 이점은 비용이 저렴하다는 점이다. 이는 20~35kHz 범위의 주파수 작동으로 저전력 및 최대 2kW 피크 중전력 범위에 이상적이다. 

[그림 5] RHB 및 QR 토폴로지

모터 드라이브

하프 브리지 컨버터(HB)는 모터 드라이브 애플리케이션에서 가장 많이 사용되는 토폴로지 중 하나이며, 주파수는 2kHz~15kHz 범위이다. HB 출력 전압은 스위칭 상태와 전류 극성에 따라 달라진다(그림 6).

유도 부하를 고려하면 전류는 그 이후에 증가한다. 부하가 양의 전류(Ig>0)를 사용하는 경우, T1을 통해 흐르고 부하에 에너지를 공급한다(Vg). 반대로 부하 전류 Ig가 음수인 경우, 전류는 D를 통해 역류하여 에너지를 DC 소스로 반환한다. 마찬가지로 T4가 켜져 있고 T1이 꺼져 있으면, 부하에 전압 -Vbus/2가 적용되고 전류가 감소한다. Ig가 양수이면 전류가 D4를 통해 흐르면서 에너지를 버스 소스로 반환한다.

[그림 6] 양, 음의 출력 전류 흐름을 보여주는 하프 브리지 토폴로지

IGBT 애플리케이션용 멀티 전압 레벨 토폴로지

고속 스위칭으로 인한 HB 토폴로지의 제한 사항은 다음과 같다.

• 단 두 개의 출력 전압 레벨

• 수동 및 능동 부품의 스트레스

• 높은 스위칭 손실

• 어려운 게이트 드라이브

• 더 높은 리플 전류

• 높은 EMI

• 전압 핸들링(고전압 버스에서 작동할 수 없음)

• 장치의 직렬 연결로 인해 구현이 복잡함

• 열 균형을 달성하기 어려움

• 높은 필터링 요구

이러한 한계를 극복하기 위해 무정전 전원 공급장치(UPS) 및 태양광 인버터와 같은 애플리케이션에서 멀티 전압 레벨을 가진 새로운 토폴로지가 설계됐다. 가장 일반적인 구조는 더 높은 버스 전압에서 작동할 수 있는 단극성 스위칭 I-Type 및 T-Type 컨버터이다. 더 많은 출력 상태를 사용할 수 있기 때문에 필터 구성 요소의 전압이 감소하여 필터 손실이 적고 구성 요소가 줄어든다. 스위칭 손실은 감소하고 전도 손실은 약간 증가하여 최대 98%의 높은 효율로 16kHz ~ 40kHz의 고주파수에 적합하다(그림 7).

[그림 7] I-Type 및 T-Type 컨버터 토폴로지

IGBTS의 미래

IGBT는 수년간 사용되어 왔지만, 이 기술은 여전히 많은 고전압 및 전류 애플리케이션에서 이상적으로 적합하다. 기존의 설계뿐만 아니라 새로운 설계에서도 IGBT의 사용은 증가하고 있다. 이는 최신 디바이스가 Vcesat을 1V로 낮추고 전류 밀도 및 스위칭 손실을 증가시키는 새로운 구조를 계속 도입하고 있기 때문이다. IGBT 사용의 이점을 극대화하기 위한 핵심 요소는 애플리케이션 요구 사항을 이해하고 이를 적용할 올바른 회로 토폴로지를 선택하는 것이다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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