IGBT

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IGBT: Insulated/Isolated gate bi-polar transistor
한국어: 절연 게이트 양극성 트랜지스터

철도를 사랑하는 분들에게 있어 없어지면 큰일 날 물건. 그러면 GTO로 다시 바꿔
사실 다른 분야는 MOSFET / 3극진공관으로도 해결 가능.

1 개요

일반적으로 쓰이는 MOSFET에 P형 주입층이 더해져 캐리어를 형성하도록 해서 만드는데, 실제 제조 과정은 복잡하니 더 이상 자세한 설명은 생략한다.

일반적인 실리콘 계열 MOSFET / BJT와 달리 IGBT는 고전압 스위칭이 가능하며, 드레인/소스 부분은 일반적인 트랜지스터 형식으로 되어 있어 FET와 달리 PTC 특성을 가지므로 병렬 운전에 유리하다. 또한, 게이트가 "일단" 절연되어 있기 때문에 회로 상 분리에도 유리하다.
덕분에 초 대형 모듈 제품군이 상당히 많으며, 개별 모듈 하나가 kV 단위의 내전압에 500A 이상의 드레인 전류를 소화할 수 있다.

다만, IGBT가 불리한 부분도 있는데, 일단 P형 주입층 덕분에 케리어가 많이 들어가게 되고, 절연된 게이트는 충전용량을 가지기 때문에 턴-온 시간은 몰라도 턴-오프 시키는 데 일반적인 스위칭 기법(즉, 게이트 전압이 0에서 문턱 전압(Threshold)을 왔다갔다 하는)으로는 kHz 이상의 속도를 내기 힘들다. 그래서 전용 드라이버 IC도 있으며, IGBT의 구동단은 트랜스를 이용해 절연할 뿐만 아니라, 구동 전압 역시 게이트 전압이 -15~+15V로 움직여야 해서 복잡하다.

정말 거대하고 거대한 대형 전동기를 구동해야 하면서도 크기는 작아야 하고 무게도 경량화 되어야 하며 구동 회로와 절연이 요구되는 등의 분야(는 결국 철도)에 적용되기 시작했으며, 값이 많이 싸진 2012년에는 용접기나 가정용 대전력 제품군에 쓰이고 있다.

실질적으로 저압이면 몰라도 가정용 220V 1상의 전원을 바로 받아 310V로 변환한 뒤 이 전압으로 기타 여러가지를 하는 제품들은 거의 다 IGBT가 들어간다 생각하면 편하다. FET는 고전압일수록 드레인-소스 Rds(on) 이 증가하여 약간만 전류가 높아져도 손실이 40~50W를 넘어서나 IGBT는 저압이든 고압이든 항상 일정한 소스-컬렉터 전압강하를 가지고 있어 고전압일 경우 에너지 효율이 미친듯이 높아진다.[1] 덤으로 IGBT의 고압 내구성이 상당히 보장되어 있다. 특히, 세탁기나 에어컨의 압축기 기타 여러가지 고전압 BLDC 전동기가 들어가는 게 요즘 가정용 어플리케이션의 대세이다. 저소음, 저진동 및 속도 조절에 있어 편의성이 높기 때문인데, 이로 인해 고전압 BLDC 전동기가 참 많아진 가정용 어플리케이션에는 이를 잘 만족 시키기 위해 다 IGBT 가 들어가게 되었다. (하지만 저압 어플리케이션에선 역으로 FET 의 효율이 매우 높아져서 FET에 발린다.) [2]

최근의 IGBT(2015년 4/4기준) 는 발전한 MOSFET의 특성에 상당수 추격 당하다 보니 조금 다른 방향으로 발전하고 있다.

  • MOSFET의 고전압 Rds 값이 밀리 옴 정도로 많이 낮아졌다 -> IGBT 자체의 Vce 및 Vds 값을 1.5v 대로 낮추었다. 기존 3V 대에 비해 엄청나게 낮아진 값이다.
  • MOSFET의 게이트 면적이 작아 낮은 충전 용량을 가져 고속 스위칭이 가능하다 -> IGBT 의 경우 게이트를 광전자식으로 구성하며 게이트의 크기를 키워 높은 전류로 게이트를 드라이브, MOSFET 에 비해 손색 없을 정도로 높은 스위칭이 가능하도록 하였다. 일례로 인피니온 사의 RENCHSTOP™ 5 라인업 제품군 중 F5 군 제품은 최고 효율 구동주파수가 120kHz 에 달하는 엄청난 스위칭 성능을 가진다.
  • MOSFET은 특성 상 병렬운전이 어렵지만 IGBT는 병렬 운전에 더욱 더 최적화된 열-전기 특성을 가지고 있다.

오디오용 앰프에도 IGBT의 사용이 가능하며, 일부 SR용 파워앰프에 도입되었다.

2 철도차량

이 외에 2000년대 들어 개통한 거의 모든 노선에서 IGBT를 채용한 전동차가 절찬리에 운행 중에 있으며, 2000년대 전에 개통한 노선에서 운행 중이던 GTO 채용 차량 중에도 IGBT 방식으로 교체한 차량들이 있다. 물론 대부분은 코레일과 서울메트로의 초창기 VVVF 차량들.(혹시나 IGBT 개조를 받은 경우 확인 될 때마다 추가바람)

  • [1] 기본적인 원리를 알 수 있다.

3 세탁기

4 용접기

  1. ↑ 예시. 300V/10A 통전시 1200V IGBT 의 강하는 1.7V로 컬렉터 손실은 17W가 된다. FET의 경우 400V FET가 설계 상 마지노선인데, 400V FET의 드레인-소스 도통 저항값은 약 15옴이다. P=R^2/I 에 따라 22.5W가 된다. 물론 이 열은 다 소자의 발열로 바뀐다.
  2. ↑ 600V IGBT가 구할 수 있는 IGBT 중 가장 전압이 낮다. 어차피 IGBT는 고전압이든 저전압이든 제조 회사에 따라 전압 강하가 달라지는 편이라 민감한 부분은 아니다. 여튼 이럴 때 48V/200A를 스위칭한다고 보자. IGBT의 경우 340W의 발열을 보일 것이다. 그러나 FET의 경우 60V FET의 드레인-소스 도통저항이 무려 0.00425 로 매우 낮아 소수 7자리부터 손실이 뜬다. 즉 열이 거의 안 난다.
  3. ↑ 여기 나와있는 차량 중 319000호대부터 371000호대까지도 우진산전에서 라이센스 생산한다.
  4. ↑ 대한민국 제조사 중에서는 최초로 3300V 1200A IGBT 소자를 양산했다#.
  5. ↑ 서울시메트로9호선 9000호대 전동차, 공항철도주식회사 1000호대 전동차, 공항철도주식회사 2000호대 전동차, 대전도시철도공사 1000호대 전동차, 대구도시철도공사 2000호대 전동차, 부산교통공사 3000호대 전동차, 광주도시철도공사 1000호대 전동차
  6. ↑ 일부모델인 이유는 대다수의 모델이 MOSFET 로 구동되기 때문이다.