I G B T (INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR) MODULE
1. 특징
1) 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 볼 수 있다.
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 될 수 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 주
는 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 가질 수 있다고 생각한다.
2. 드라이브(Drive)회로
1) 단일전원용
현재 소중용량의 UPS에서 가장 많이 사용되고 있는 IGBT가 이방식으로의 전원을 사용한다고 볼 수 있다.
이는 단일전원(20V)을 사용하기 때문에 양전원이 필요한 소자보다 파워부분이 간단하며 소자 보급 또한 많이
되었으며, 초창기 개발당시에 Copy했던 제품에 사용했던 회로가 아닌가 생각한다.
현재 EXB841을 사용한 제품이 많이 눈에 띄고 있으며 구동상으로는 별문제가 없는 것으로 보인다.
게이트에 부전위(약 6V 제너다이오드)인가하여 노이즈나 오동작에 안정된 동작을 하도록 한 드라이브 IC 이다.
하지만 현재 구동전원을 4전원이나 3전원(에미터 공통인 IGBT는 같이 공급) 각각 10Watt 이상으로 구성하는 경우가 있으나 드라이브 IC 동작조건이 20V 10mA (IGBT 50A 600V)로 Data sheet에 기록되어 있기 때문에 실제 드라이브 파워는 1W면 충분하다고 본다.
2) 양 전원용
미쯔비시(Mitsubishi)등의 IGBT 드라이브에서 사용하는 방식이다. +15,-15V를 사용하여 구동하기 때문에 최소 6개의 다른 전원으로 구성해야 한다.
이런 이유 때문인지 아니면 다른 이유가 있어서인지 소중용량의 UPS에서 눈에 많이 띄지 않지만 대용량 직류 모타 드라이브에는 많이 사용한다고 한다. (지하철 차량의 구동모타등).
3. 회로 검토 사항
1) Control 회로 제어 방식
A방식 : OP-AMP와 Digital회로를 구성하여 IGBT를 구동하는 방식
B방식 : CPU를 사용하여 Program으로 직접 펄스까지 발생하여 IGBT를 구동하는 방식
현재 대부분 국내에서는 이 두가지 방식으로 구분되어 생산되고 있다.
4-5년 전에 B방식으로 개발된 제품도 있었으나 많은 하자가 발생한 것으로 알고 있다.
특히 이런 제품은 IGBT가 이유없이 깨진다든지 순간 정전에 인버터가 이유없이 OFF된다든지 하는 경우가 있어 확인해보면 그 당시에는 별 문제 없이 잘 사용되고 있으므로 원인을 파악할수가 없다.
어느 제품은 전면 Display에서 콘트롤 기판까지 리본 Cable을 사용, 약 1M 이상 길이로 연결되어 있는 것을 본적이 있는데 상당히 많은 노이즈에 노출이 되어 동작신뢰도를 기대하기 어렵다고 본다.
특히 제어동작 및 표시동작이 같은 CPU에서 한다면 상당히 불안정한 상태로 운전한다고 볼 수 있다.
국내 기술력도 많이 향상되어 현재 A방식으로 제작된 제품은 거의 별 문제가 없이 사용되고 있으나 B방식은 조심스럽게 개발을 진행하든지 제품생산이 되고 있는 경우는 사용상태를 개발부에서 Feedback하여 수시로 개선을 하여야 신뢰성 있는 제품이 될 것이다.
B방식의 UPS 개발시에는 특히 Program 개발자와 하드웨어 개발자간의 기술적인 검증이 수시로 이루어져야 하며 이것이 신뢰도 있는 UPS를 개발할 수 있는 바탕이 된다고 본다.
일반적으로 인버터 개발자와(기존 개발자) Program 개발자의 기술적으로의 거리감은 상당하다고 볼 수 있다.
쉽게 표현하자면 기존 하드웨어 개발자의 프로그램에 대한 무지와 프로그램 개발자의 하드웨어에 대한 무지가 상당한 경지(?)에 이르다는 것이다.
이것을 어떻게 잘 조화시켜 개발을 하느냐가 관건이라고 볼수 있다.
2) IGBT BUS-BAR
일반적으로 메인소자(IGBT) 연결은 BUS-BAR 작업을 하는데 이 구조적인 것만 잘 처리해도 스위칭 손실의 30% 정도는 줄일수 있다.
얇은 동판으로 +측과-측을 가깝게 붙여서 사용하는 경우도 있으며 이 자체를 capitor 화 하여 중간에 절연물질을 넣어 만든 미국 전력전자 교수도 있었다.
똑같은 단면적이지만 동판으로 ㄱ자 형태로 만들어 부착한 것과 동부스바로 만들어 부착한 것은 같은 조건에
서 실험한 결과 동부스바가 발열상태가 심했다.
3) DC Capacitor
Bus-Bar에 연결되는 Capacitor 부착상태 또한 메인손실에 중대한 영향을 끼친다.
스위칭소자에 최대한 가깝고 굵게 부착하는 것은 아무리 강조해도 지나치지 않는다.
이 구조적인 처리만 확실히 한다면 C-E간 스노바 회로가 필요없을 수도 있다.
4) DC Fuse
반도체 보호용 DC Fuse는 일반적으로 DC Capacitor과 IGBT 사이에 붙이는 경우가 대부분이나 Fuse의 임피이던스 관계로 손실을 발생하며, 심한 경우는 IGBT측에 별도로 용량이 큰 백 리플용(Back Ripple) DC Capacitor를 부착하게 되는 경우도 있다.
손실발생이 심하면 이 백 리플용 Capacitor에 열이 발생하여 여기에 대한 대비도 하여야 하는 악순환을 겪게
되는 경우도 있다.
콘트롤 제어만 확실하다면 DC Capacitor 전단에 Fuse를 부착하는 방법도 있으며 이 방법의 회로로 구성되어 있는 제품도 있다.
물론 이 경우에는 반도체의 손상이 완전히 보호되지 않으며 파손시 Capacitor의 Charging 전류로 인한 주변회로의 손상을 감수해야 한다.
5) IGBT Gate 저항
이 저항도 인버터의 구동에 많은 영향을 미친다.
저항이 크면 스위칭 시간이 길어 스위칭 손실이 증가한다.
작으면 di/dt가 높게 되기 때문에 Surge 전압이 높게 된다.
인버터 구동상태에 따라 이 저항의 적당한 값을 선정하여 부착하는 것도 매우 중요하다.
6) 인버터 Transformer 1차측 배선
이론상으로 IGBT 와 인버터 TR 1차측의 길이(L)는 길수록 좋다.
하지만 실장에 있어 자연적으로 길이가 길게 되는 경우가 대부분이지만 이 배선에는 평활되지 않은 PWM파형이실려있기 때문에 주변 회로에 상당한 노이즈원을 제공한다.
일반적으로 이 길이가 자연적으로 길어지도록 하는 경우가 있는데 이것은 자기 모순적인 발상이라고 볼 수 있
다. 차라리 공심 리액터를(아니면 배선을 코일식으로 말아서 길이는 길게하되 전체 길이는 짧게) 만드는 것이 좋은 방법이라 생각한다.
가급적 짧은 방법이 좋다고 생각되며 이 부분의 실장에 있어서는 좀 연구해볼 만한 가치가 있다고 본다.
7) 드라이브 배선
이 배선은 짧을수록 좋다.
절연된 Photo coupler Signal 보다 IGBT Gate 시그날이 가깝게 연결이 되어야 하므로 가급적 IGBT Gate에 직접 연결하고 전원은 별도로 연결되는 방법이 가장좋은 결선이라고 볼수 있다.
IGBT의 Emiter 와 Gate 구동 Transistor측의 Emiter가 가깝게 연결되어야 함은 말할 것도 없다.
보통 3Wire를 모두 꼬아서(Twjst: +선,-선,Signal선) 연결을 하는데 신호선(왕복선) 두가닥만 꼬아서 연결하
는 것이 정상적이 아닌지 이 부분 또한 시험이나 자료를 검토하여 확실한 방법을 강구하는 것이 좋을 듯 하다.
* 참고
보통 서로의 왕복선은 서로 전류방향이 반대이므로 두선을 꼬으면 상쇄되어 외부의 노이즈등에 강해진다고 하
는데 3 Wire(+선 포함)를 Twist하면 어느정도 강해지는지 아니면 역효과가 나게 되는지 시험해볼 가치가 있다.
8) Gate 전압 (FUJI IGBT)
정 전압(+Vg) : + gate 전압은 IGBT Saturation 전압(포화전압)에 영향을 준다. 그러므로 전압이 높으면 포화전압이 낮지만 일반적으로 15V 정도로 공급한다.
부 전압(-Vg) : - gate 전압은 노이즈등으로 인한 오동작 방지 정도로 공급하면 되므로 일반적으로 -5V 정도이다
* 어떤 제품에는 부 전압을 주지 않은 경우도 있는데 상당히 불안정하게 동작되는 것 같았으며 아마 TR Drive
회로를 그대로 사용한 것 아닌가 싶었다.
(주)대광전기이앤티 기술부