IGBT

[금방~산(병문)]

IGBT(Insulated Gate bipolar Transistor)는 전력용 반도체의 일종으로 정확하게 고전력 스위칭용 반도체를 뜻한다.

전기의 흐름을 막거나 통하게 하는 스위칭 기능은 다른 부품이나 회로로도 구현할 수 있지만 정밀한 동작을 필요로 하는 제품일수록 동작속도가 빠르고 전력의 손실이 적은 전용부품을 필요로 하게 된다.

그러나 기존 스위칭반도체인 트랜지스터는 가격이 저렴한 대신 회로구성이 복잡하고 동작속도가 느린 단점이 있고, MOSFET는 저전력이고 속도가 빠른 대신 비싼 단점이 있다.

IGBT는 바로 이 두 제품의 장점만을 결합한 제품으로 평가받고 있다.

iGBT 무엇입니까?  

Insulated Gate Bipolar Transistor 의 약자로서 고속스위칭 소자입니.
턴오프시간이 1 ㎲로 초당 15000 번 이상 스위칭이 가능합니다. 최대정격은 1.2kV, 400A 입니다.
평활된 DC 전압을 펄스로 스위칭해서 AC 전압으로 만드는 인버터부에 사용되며 구기종인 G 시리즈 에서는 Power Transistor 를 사용했습니다.
Power Transistor 는 초당 1000 ‾ 3000 번으로 고속 스위칭이 불가능했지만 iGBT 를 사용하면은 전압파형이 안정되어 전류특성이 좋아지고 모터의 소음을 없앨수 있습니다. 

Insulated Gate Bipolar Transistor

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) Module은 입력부(Gate)의 임피이던스가 FET와 마찬가지로 무한 대에 가깝고 출력 C-E 간은 Transistor의 특성을 갖는 전력용 반도체 소자이다.

현재 인버터등에 가장 많이 사용되는 소자이며 드라이브 또한 간단하게 구동이 가능하므로 개발하는 입장에서는 사용하기 편한 반도체소자라고 볼수있다.

하지만 Transistor(이하 TR)나 SCR처럼 전류내량이 크지 않아 신뢰성있는 회로 구성을 하려면 많은 Know-How 가 필요한 소자이다.

현재 모듈식으로 많이 보급되고 있는 제품의 용량은 50A 600V에서부터 400A이며 인버터의 구동 DC 전압에 따라 1200V 내압의 제품도 사용되고 있다.

내압을 높히면 대용량에서는 구동 전류가 줄어 실장착이나 구조상 유리하나 경험상 상당한 Know-How를 요구하는 기술이라고 본다.

이것은 실장문제(배치문제)일수도 있으며 구동 드라이브의 배선등에서 문제가 될수 있고 또한 소자의 특성이 좋지 않은 경우도 있기 때문에 많은 경험 및 지식이 뒤따르지 않으면 IGBT를 깨먹기(?) 십상이다.

일례로 90년도 초 IGBT로 처음 개발당시 어느 업체의 개발실에서 파손된 IGBT가 박스상태로 상당히 많이 보관되어 있는 것을 본적도 있다.

물론 개발하는 과정의 검증단계에서 그렇다면 별 문제는 아니나 중소업체의 개발이란 것이 몇 년씩 기다려 주는 것이 아니며 경영자와 개발실장의 장사(?) 및 실적으로 인해 안정되지 않은 상태에서 제품화가 되고, 시장에 보급된 상태에서도 계속 하자가 발생하는 경우가 많다.

이제는 국내의 중소기업에서도 개발의 거품을 없애고 좀 더 개선의 여지가 있으면 생산을 중단해서라도 신뢰성 있는 제품을 생산해야만 국제 경쟁력을
가질수 있다고 생각한다.


<참조 문헌>
1. IGBT인버터형 정류기 MODEL :UIR
1. 개 요
인버터 (INVERTER) : 직류 전원을 가변전압과 가변 주파수의 교류전원으로 변환해 주는 장치이다. 통상적으로 상용 교류 전원을 직류전원으로 변환시켜주는 컨버터부를 포함해서 "인버터"라고도 한다.
인버터의 원리를 이용한 정류기로서 상용 교류 전원을 입력으로 받아 1차 정류한 후 인버터부에서 18KHz이상의 높은 주파수로 변환된 AC 전원을 만들고 이를 고주파형 트랜스를 통해 원하는 전압을 얻어내서 이를 다시 2차 정류하면 깨끗한 DC 전류를 얻어을 수 있다.

2. IGBT인버터 정류기의 특징
A. 소형,경량화 ;
변환 주파수 35KHz이상의 I.G.B.T. 전력 변환에 의해 Transformer의 최소형화로 SCR형정류기에 비해 중량을 1/4로 줄였으며 크기를 1/3로 줄여 설치면적 이 줄어들고 취급이나 이동이 용이해 졌다.

B..높은 사용률 및 절전효과
전력변환 효율 85%이상의 이상적인 설계로 내부 발열을 극소화 하였고 전력공급중이라도 도금작업이 없을 경우 전력 손실이 거의 없다. 이것은 Transformer의 1차측에서 전력공급을 Control하기 때문이며 기존의 정류기는 60Hz의 상용변압기의 효율이 낮다

C.고속,균일한 도 금 ;
전 류의 출력주기 상태를 1초에 360번 하는 기존 SCR 정류기에 비해 1초에 30000 이상의 출력조절을 해주는 고속제어이므로 균일성과 고속도금이 가능하다.

D. 소형 정류기는 입력전원의 3상,단상 겸용사용;
1차 정류회로에서 DC로 변환 하기 때문에 3상이나 단상이나 차이가 없다. 그러나 SCR 정류기는 도금용에서 3상이 아닌 경우 맥동율이 상승되기 때문에 거의 3상으로 제작된다.

2. IGBT인버터형 정류기의 구성

1. 1차 정류뷰
상용전원 60Hz를 받아 인버터로 변환하기 위한 직류전원을 만드는 부분이다. 1차 정류부는 Diode Module 과 평활용 Capacitor로 구성 되어 있다. Diode는 Anode(+)에서 Cathode(-)로 한쪽 방향으로만 전류가 흐른다.
이런 특성을 이용 하여 AC전류의 (+)측 전류만 통과되고 반대쪽의 전위는 다른쪽에 연결된 Diode에 의해 (+)쪽으로 끌어 올린다. 이것은 전파정류 방식이라 한다.(+)쪽으로 몰린 파형을 맥류라고 하며 이것에 평활 Capacitor 가 연결되면 DC전원을 얻게 된다.

A.. 정류용 DIODE MODULE
다이오드는 전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 할 수 있는 전자부품이며 전류가 흐를 수 있는 방향을 순방향, 반대방향을 역방향이라고 부르며 띠가 둘러져 있는 쪽이 캐스오드(-)이며 반대쪽이 에노드(+)라 부른다.
본 다이오드 MODULE은 3상 브리지 다이오드로서 3상 전원을 양파 정류하는 6개의 다이오드가 복합된 것이다.

B. 콘덴서 (Capacitor)
콘덴서는 전해 콘덴서와 세라믹 콘덴서, 필름 콘덴서등 다양한 종류가 있다. 여기서 전해 콘덴서는 주로 평활용으로 사용한다. 전해 콘덴서는 극성이 있으며 아주 작은 충방전이 가능한 배터리로 생각하면 된다. 용도는 불규칙적인 맥류상태의 전원을 직류상태로 만들어 주는 역할을 한다.
세라믹 콘덴서,필름 콘덴서는 주로 NOISE FILTER용, 발진방지, 바이패스용 등으로 쓰인다. 인버터 정류기에는 이 모든 콘덴서가 고루 사용 된다.

2. 인버터 변환부
직류화된 전력을 다시 원하는 주파수로 변환하여 교류화 하는 것이다.
그 원리는 1차 정류부에서 얻은 DC 전원을 I.G.B.T 소자의 교번Switching에 의해 AC전원을 얻는다. TR1과 TR4는 동시에 구동되며 TR2와 TR3도 동시에 구동 된다. 이 회로는 Full Bridge방식의 Switching회로이다. TR이 TURN ON되는 시간에 의해 전류의 흐름 방향이 바뀌고 변압기의 1차측은 교번된 AC 출력전압을 얻게 된다. 각 TR의 TURN ON 시간을 조절함으로써 출력전압의 크기를 변화시킬 수 있다. 이것이 곧 PWM(Pulse Width Modulation)방식이 된다

A. I.G.B.T(Insulated Gate Bipolar Transistor)
I.G.B.T는 PNP Transistor와 MOSFET를 접속한 Monolithic의 BI-MOS Transistor이다.
Gate-Emitter간에 (+)의 전압을 인가하여 MOSFET를 도통시키면 PNP Transistor의 Base-Collector간에 저저항이 접속된 것으로 되어 PNP Transistor 부분이 도통상태가 된다. Turn off 동작은 GateEmitter간의 전압을 0Ⅴ로 하면 우선 MOSFET 가 차단 상태가 되고 PNP Transistor는 BASE 전류의 공급이 끊겨 차단상태로 된다. 이처럼 I.G.B.T는 POWER MOSFET와 같이 Gate의 전압신호만으로 ON.OFF 상태를 제어할 수 있다.

3. 변압기 및 2차 정류부
변압기는 1차측의 표준전압을(예; 220v,380v,440v) 사용자가 원하는 전압으로 변환하는 용도로 가장 많이 사용되며 회로의 절연하기 위해 사용 되기도 한다.
변압기의 원리는 뒤에서 다시 설명 하기로 한다. 2차 정류부는 1차 정류부에서 설명한 Diode가 사용 되고 소용량인경우는 평활용 Reactor과 Capacitor를 사용하여 평활시킨다. 그러나 중용량이상 (500A)이상급은 Reactor 단독으로 사용 되는데 이것은 도금용 전원은 낮은 전압의 대전류가 사용 되기 때문이다. 보통 대전류의 평활회로는 Reactor가 쓰인다.

A) 변압기 TTransformer)
인버터(Inverter)정류기가 소형화 ,경량화 되는 결정적인 요인은 바로 Transformer에 있다. 변압기는 전자유도작용을 이용하여 교류전압이나 전류의 값을 바꾸는 것으로서 정류기에 서는 1차와 2차간의 변압비를 조정하여 원하는 용접전압과 전류를 얻을 수 있다.

변압기는 자속을 효율적으로 통해주기 위한 철심코아와 1차,2차 두 권선으로 구성된다. 변압기의 용량과 크기와 무게를 결정하는 중요 요소는 변압기의 단면적이다.

S=E/4.44f*N*Bm

E : 1차 전압 (Vac)
f : 주파수 (Hz)
N : 권수 (Turn)
Bm : 자속밀도 (Wb)
S : 철심단면적 (mm )

여기서 60Hz용 철심 코아와 인버터에 적용되는 30,000Hz와의 차이는 무려 주파수(f)가 500배나 커지므로 상기 수식에서 f가 커지면 단면적은 반비례하여 500배나 적어질수 있다. 주로 인버터 정류기에 사용되는 코어는 일반 철심코아에를 사용치 않고 훼라이트 코어 (Ferrite Core) 를 사용한다.

4. PWM 제어 회로
펄스폭 변조 (Pulse Width Modulation)의 원리는 기본적으로 출력전압이나 전류의 오차를 검출하여 증폭하는 오차 증폭기와 검출된 오차 전압과 톱니파(Saw tooth wave)를 비교하여 펄스를 발생시키는 비교기(Comparator), DC-DC Converter의 스위치를 구동하는 구동회로 등으로 구성되어 있다.
동작 설명을 간단히 하면 출력에서 검출된 오차 전압의 전위에 따라 톱니파와 비교하여 교차되는 부분에서 톱니파보다 전위가 높은 부분만 출력하게 됨으로 펄스의 폭이 조절되어 원하는 오차증폭기의 기준전압(Vc)과 일치되도록 출력이 조절된다.
이때의 Pulse 폭은 출력의 크기를 결정하게 되는데 그 원리는 Pulse폭과 휴지시간의비에 의해 Pulse폭의 시간과 높이(전압)의 적분값으로 평균출력을 얻게 된다.

5. 출력정류부
A. 2차측 정류 다이오드
2차측 정류 다이오드는 1차측과는 달리 고속 다이오드여야 한다.
통상 Ultra Fast Recovery 혹은 Schottky Barrier Diode와 같은 것을 사용한다.
1차측의 정류 Diode는 통상 60Hz의 주파수이지만 2차측의 정류 Diode는 30000Hz에서 40000Hz이므로 Diode가 순방향으로 Turn ON 할 때는 문제가 안되지만 Turn OFF시 단락 전류가 크게 생겨 잡음의 원인 및 효율 저하의 원인이 된다. Diode의 역회복 시간을 다이오드 리커버리 특성(trr)이라 하는데 이것은 짧을수록 단락 전류의 발생량를 적게 하여 손실을 줄일 수 있다.

6.. 리액터(Reactor)
소형정류기(300A 이하급)은 평활회로로 리액터와 콘덴서를 병행하여 평활을하는데 반해 중형급 이상은 Reactor를 사용하여 평활하거나 동,니켈등의 일반도금에서는 평활하지 않고 사용하여도 무방하다.

*******인버터가 3상 모터에서 쓰일 경우에 주파수를 변환해서 원하는 속도를 맞춰주는걸로
알고는 있는데 이것의 구체적인 동작원리는 모르겠습니다. 인버터에 대한 책도 사보고
사이리스터, 바이폴라 트렌지스터, I GBT등 각각 의 부품들에대해서도 알아봤는데
전체적인 인버터의 작동원리에 대해서는 자세한 설명이 없더군요.
사용자가 원하는 값을 셋팅했을때 인버터 내부에서 일어나는 일에 대해 알고 싶습니다.
주파수의 설정이 정해지면 어떤 부품에서 무슨 일을 해서 그다음은 뭐가 작동하고 무엇과 무엇이 이렇게 저렇게 작동해서 모터까지 가는 경로에 대해 아시는 분은 좀 알려주세여. 삼각파는 어디서 나오고 정현파는 어디서나오고 등등.......
꼭 아무것도 모르는 초등학생이라 생각하시고 제발 좀 자세히여 감사합니다.

인버터는 구성은 간단하게 다음과 같이 말할 수 있죠.
교류전원 - 정류 - DC 전원 - 스위칭 - 교류전원 을 만들어 주는 장치입니다.
쉽게 생각하면 발진기가 내장된 고출력 앰프라고 생각하면 됩니다.
내장된 사인파 발진기로 원하는 주파수의 사인파를 만들수 있죠. 이것을 스피커가 아닌 모터를 구동한다고 생각하면 됩니다.
단지 일반 앰프와 다른점은 앰프는 리니어 동작을 하기때문에 효율이 떨어지지만
인버터는 PWM으로 스위칭 시켜 교류를 만들기 때문에 효율이 높죠.
이해가 쉽지 않을 수 있는데 일단은 PWM에 대한 지식을 쌓아보세요.
그리고 SMPS전원원리등을 이해하고 나면 인버터에 대한 원리를 알수 있을 것입니다.

그러나 모터 제작이 끝난상태에서 속도를
조정할려면 극수를 조정하기 어렵고 한데도 조정폭이 넓어서
별 효과가 없기 때문에
주파수를 조정하면 속도를 부드럽게 조정가능합니다.
그래서 주파수 변환장치를 이용하는 것입니다.
인버터 즉 주파수 변환기를 사용하는 것입니다.
인버터의 내용 자체는 잘 알지 못합니다.
저는 전기를 전공하였으나 인버터 자체는
거의 전자에 가깝습니다.
전자전공 하신분의 추가 답변이 요구됩니다.

전력소자의 발전은..크게 SCR -> PTR -> IGBT 로 발달되었습니다..이 소자들의 동작원리는 쉽게 설명하면..TR 의 동작 원리와 비슷하다고 할수 있습니다..
TR 은 BASE 에 전류를 흘리면서 동작을 시킨반면..SCR 이나 IGBT 는 GATE 에 ON,OFF SIGNAL 을 줌으로써..스위칭 작용을 하는것이죠..
질문과 상관없는 내용이지만.. SCR 과 IGBT 의 장단점을 비교한다면..

SCR : 장점 - 내량이 강하여 쉽게 손실되지 않는다.
대용량에 사용할수 있다.
제어하기가 쉽다.(Noise 에 강하다.)
단점 - 스위칭 속도가 느려 유소음이다.
SCR 을 이용하여 회로를 구성할때..조립이 어렵다.(방열판 등등..)
IGBT : 장점 - 내량이 SCR 보다 약하여 손실성이 높다.
회로 구성할때..조립하기가 손쉽다.
스위칭 속도가 빨라 무소음이다.
단점 - 대용량으로 사용하기에는 개발된 용량이 작다.
제어하기가 어렵다.(Noise 에 약하다.)

다시 본론으로 돌아와서.. 펄스폭변조 (PWM) 은 간단히 설명하면.. 삼각파와 구형파를 비교해서 GATE ON,OFF SIGNAL 을 제어하게 되는것입니다..
예를 들면 출력을 6 PULSE 일때와 12 PULSE 일때..출력단에 P.F 를 제거하고 IGBT 의 스위칭 되는 펄스를 스코프로 체크해보면..계단파가 나오는것을 확인할수 있습니다..6 PULSE 일경우에는 위쪽 3개 아래쪽 3개의 계단파이고.. 12 PULSE 는 그 2배인 것이죠...

짭.. 글로 설명을 하려고 하니..자세한 설명을 드리지 못하는 점 양해를 구합니다..

아..그리고 IGBT 상태 TEST 는 간단히 테스터기를 이용해서 하면 되는데요.. IGBT 의 콜렉터와 에미터를 테스터기를 다이오드 체크하는곳으로 놓고.. 콜렉터를 - 에미터를 + 로 찍어보면..0.??? V 가 체크가 되고요..게이트와 에미터를 저항값으로 체크를 하면 몇십옴이 나옵니다..(정상 일때 나오는 수치이고요..꼭 이 수치가 나온다고 해서 그 소자가 양품이라고 단정지을수는 없습니다.. 적은 데미지를 입은 소자도 같은 값이 체크되거든요..)
테스터기 말고..다른 방법으로는 IGBT 상태 TEST 하는 장비가 있습니다..그런데 그 값이 수천만원이라.. ㅡ,.ㅡ

출처 : Tong - dpdms79님의 전기통