IGBT에 대한 모든 것

일부 사람들은 IGBT를 "기존" 기술로 간주하지만, IGBT는 여전히 고전력 애플리케이션에서 중요한 역할을 합니다.

오늘날 반도체 업계의 뉴스와 논의는 대부분 탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN)과 같은 새로운 와이드 밴드갭(WBG) 소재 기반 소자를 중심으로 이루어집니다. 그러나 불과 몇 년 전만 해도 많은 애플리케이션에서 선호되는 솔루션은 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)였습니다.

IGBT를 활용하는 중전력 및 고전력 애플리케이션이 여전히 존재하며, 디바이스 자체도 계속해서 발전하고 있습니다. 이 글에서는 IGBT에 대해 자세히 살펴보고 기존 및 신규 애플리케이션을 살펴보겠습니다.

IGBT: 물리적 구조

IGBT는 네 개의 반도체 물질층(PNPN)이 교대로 배열된 반도체 트랜지스터 또는 스위치입니다. 소자의 게이트에 적절한 전압이 인가되면 전류가 흐르게 되며, 전압이 제거되면 전류 흐름이 멈춥니다.

IGBT는 출시 이후 지속적인 개선과 발전을 거쳐 왔으며, 특히 스위칭 손실 감소와 더 얇은 구조 구현에 중점을 두었습니다. 오늘날 IGBT는 일반적으로 트렌치 게이트와 필드 스톱 구조를 결합하여 소자 내 기생 NPN 특성을 억제합니다. 이러한 개선을 통해 도통 손실과 포화 전압이 감소하여 전력 밀도 향상과 같은 이점을 얻을 수 있습니다.

그림 1: 트렌치 채널 차단 기능이 있는 필드 스톱 IGBT의 구조

IGBT 활용 및 기술 사례

IGBT는 태양광 인버터, 에너지 저장 시스템, 무정전 전원 공급 장치(UPS), 모터 드라이브, 전기차 충전기, 산업용 용접, 가전제품 등 다양한 분야에 폭넓게 적용됩니다. 일반적으로 토폴로지 구조는 특정 애플리케이션의 요구 사항을 충족하도록 선택됩니다. 몇 가지 주요 애플리케이션을 비교 및 대조해 보겠습니다.

산업용 용접

고품질 용접에 대한 요구를 고려하면 용접 공정에 대한 정밀한 제어가 필요합니다. 따라서 DC 출력 전류는 필요한 정확도를 달성할 수 있기 때문에 일반적인 용접 변압기 대신 인버터가 일반적으로 사용됩니다.

일반적으로 DC 전류가 더 안전한 것으로 간주되므로 안전 측면도 있습니다. 사용자 입장에서 볼 때 인버터는 변압기에 비해 크기가 작고 가벼워서 용접기를 휴대하고 사용하기 편리합니다.

일반적인 용접기에서는 단상 또는 30상 AC 전원을 정류하여 DC 버스 전압을 형성합니다. 정류기는 또한 제어 장치에 필요한 전압을 생성하는 소형 변환기에 전원을 공급합니다. DC 버스 전압은 일반적으로 약 0VDC의 공칭 출력 전압을 갖는 인버터에 전원을 공급합니다. 그러나 작동 중 개방 회로 부하 조건에서는 용접 아크가 발생할 때 전압이 두 배로 증가하여 거의 XNUMXV(실제로는 단락)로 떨어질 수 있습니다."

그림 2: 일반적인 용접기 개요

인버터 기반 용접 기계에는 다양한 토폴로지 구조가 적합합니다. 그러나 가장 일반적인 것에는 풀 브리지(FB), 하프 브리지(HB) 및 20-스위치 포워드가 있습니다. FB 및 HB 토폴로지에서 스위칭 주파수는 일반적으로 수십 kHz 범위, 일반적으로 약 50~XNUMXkHz입니다. 듀티 사이클은 부하 레벨과 출력 전압에 따라 제어됩니다. 제어 방식의 측면에서 보면 정전류인 경우가 많습니다.

그림 3: 일반적인 토폴로지에는 FB, HB 및 XNUMX-스위치 포워드가 포함됩니다.

산업용 모터 드라이버

가장 일반적인 산업용 애플리케이션 중 하나는 로봇, 대형 기계 또는 기타 모션 종속 애플리케이션에 사용할 수 있는 산업용 모터 드라이버입니다. 대부분의 모터 드라이버 애플리케이션은 2kHz에서 15kHz 사이의 주파수를 갖는 HB로 구성됩니다. 결과적인 출력 전압은 스위치 상태와 전류 극성에 따라 달라집니다.

그림 4: 양극 및 음극 출력 전류를 표시하는 하프 브리지 토폴로지.

모터는 유도성 부하이므로 전류가 급격히 증가합니다. 양의 전류가 흐르면(Ig > 0) 하이사이드 트랜지스터(T1)가 켜지고 부하(Vg)에 에너지를 전달합니다. 그러나 부하 전류 Ig가 반대 방향(음극성)으로 흐를 경우 전류는 D1을 통해 역류하여 에너지를 DC 소스로 반환합니다.

로우 측 트랜지스터가 도통하고(T4가 켜짐) 하이 측 트랜지스터(T1)가 꺼지면 Vbus의 절반(-Vbus/2)에 해당하는 전압이 부하에 적용되어 전류가 감소합니다. Ig가 4보다 크면 전류는 DXNUMX를 통해 흐르고 에너지는 버스 소스로 반환됩니다.

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