IGBT 작동 원리 – 알아야 할 모든 것

IGBT는 가장 효율적인 전자 발명품 중 하나입니다. IGBT 작동 원리는 독특하며 AC/DC 모터 드라이브, 트랙션 모터 제어, UPS(비조절 전원 공급 장치), 인버터 등과 같은 수많은 상용 애플리케이션과 함께 제공됩니다.

그러나 우리 자신보다 앞서지 맙시다. IGBT가 어떻게 완전히 작동하는지 이해해야 합니다. 이제 시작하겠습니다.

IGBT란 정확히 무엇입니까?

IGBT는 Insulated Gate Bipolar Transistor의 약자입니다. 3단자 반도체 전기소자로서 높은 효율로 빠른 스위칭 능력을 제공합니다.

IGBT를 더 잘 이해하려면 기능 측면에서 서로 다른 트랜지스터를 이해하는 것이 가장 좋습니다.

트랜지스터

트랜지스터는 두 가지 주요 기능을 가진 작은 전자 부품입니다. 조명 회로를 제어하는 ​​스위치 역할을 하며 신호를 증폭할 수 있습니다.

다른 유용성 또는 특정 적용 가능성에 따라 다양한 유형의 트랜지스터가 있습니다. 일반적으로 사용되는 트랜지스터는 BJT(Bipolar Junction Transistor), MOSFET 및 IGBT입니다.

BJT와 MOSFET 모두 선호도와 장점이 있습니다. BJT는 낮은 온 상태 강하를 선호하지만 MOSFET은 높은 I/P 임피던스, 낮은 스위칭 손실 및 2차 항복 부족에 가장 적합합니다.

IGBT는 BJT와 MOSFET을 모두 결합하여 두 트랜지스터의 장점을 모두 활용합니다.

따라서 IGBT는 스위칭 소자로 사용되는 3단자 소자로 신호 증폭에 적용할 수 있다. IGBT는 고효율로 빠른 스위칭을 제공합니다.

IGBT 기호

IGBT는 BJT와 MOSFET을 결합한 것이므로 기호는 아래와 같은 원리를 따릅니다.

IGBT 기호

기호에는 또한 Collector, Emitter 및 Gate의 세 가지 터미널이 있습니다. 입력측은 MOSFET을 나타내고 BJT의 기호에서 출력 기호를 취합니다.

예상대로 전도 터미널은 Collector와 Emitter입니다. 게이트는 제어 터미널입니다.

IGBT의 구조

IGBT의 3개 단자(Collector, Emitter, Gate)는 모두 금속층으로 부착되어 있습니다. 그러나 Gate 단자의 금속 물질은 이산화규소 층으로 절연되어 있습니다.

내부적으로 IGBT 구조는 반도체의 4층 장치입니다. 4층 소자는 PNPN 배열을 구성하는 PNP와 NPN 트랜지스터를 결합하여 만들어집니다.

IGBT의 구조

출처:Components101

Collector 영역에 가장 가까운 레이어는 (p+) 기판인 Injection 영역입니다. 오른쪽 위에는 N-층을 구성하는 N-드리프트 영역이 있습니다.

주입 활성 영역은 (p+)에서 N-층으로 대부분의 캐리어(정공 전류)를 주입합니다.

드리프트 영역의 두께는 IGBT의 전압 차단 기능을 결정합니다.

드리프트 영역의 상단에는 (p) 기질로 구성된 신체 영역이 있습니다. 이미터에 가깝습니다. Body Region 내부에는 (n+)개의 레이어가 있습니다.

Collector 영역(또는 주입 영역)과 N-Drift 영역 사이의 접합부는 J2입니다. 유사하게, N-영역과 신체 영역 사이의 접합부는 접합 J1입니다.

참고:IGBT의 구조는 "MOS" 게이트 측면에서 위상적으로 사이리스터와 유사합니다. 그러나 사이리스터 동작과 기능은 억제할 수 있습니다. 즉, IGBT의 전체 장치 동작 범위에서 트랜지스터 동작만 허용됩니다.

IGBT는 사이리스터가 제로 크로싱을 기다리는 동안 빠르게 토글하기 때문에 사이리스터보다 선호됩니다.

IGBT는 어떻게 작동합니까?

IGBT 작동 원리는 게이트 터미널을 활성화하거나 비활성화하여 ON 또는 OFF입니다.

양의 입력 전압이 게이트를 가로질러 가면 이미터는 구동 회로를 켜진 상태로 유지합니다. 반면 IGBT의 Gate 단자가 전압이 0이거나 약간 음수이면 회로 애플리케이션을 차단합니다.

Insulated Gate Bipolar 소자는 모두 BJT와 MOSFET의 기능을 하기 때문에 이것이 달성하는 증폭량은 출력 신호와 제어 입력 신호 간의 비율입니다.

기존 BJT의 경우 이득의 양은 입력 전류에 대한 출력 전류의 비율과 거의 같습니다. 우리는 그것을 베타라고 부르고 β로 표시합니다.

반면에 MOSFET의 경우 게이트 단자가 전류를 전달하는 메인 채널의 절연이기 때문에 입력 전류가 없습니다. 출력 전류 변화를 입력 전압 변화로 나누어 IGBT 이득을 결정합니다. 이것은 IGBT를 트랜스 컨덕턴스 장치로 만듭니다.

회로로서의 IGBT 운용

IGBT의 전체 장치 작동 범위를 설명하는 아래 그림을 사용하여 이를 설명하겠습니다.

회로로서의 IGBT 작동

IGBT는 게이트 단자에 전압이 공급되는 경우에만 작동합니다. V_G인 게이트 전압입니다. .

다이어그램에서 볼 수 있듯이 게이트 전압(V _G )<서브>, 게이트 전류(I _G )가 증가합니다. 그런 다음 게이트-이미터 전압(V _GE ).

결과적으로 게이트-이미터 전압은 컬렉터 전류(I _C ). 이에 따라 컬렉터 전류(I _C ) 컬렉터-이미터 전압(V) 감소 _CE ).

참고:IGBT는 다이오드와 유사한 전압 강하를 특징으로 하며 일반적으로 2V 정도이며 전류 로그에 따라 증가합니다.

IGBT는 자유 회전 다이오드를 사용하여 역전류를 전도합니다. 프리휠링 다이오드는 장치의 컬렉터-이미터 단자에 걸쳐 배치됩니다.

 IGBT, Si 다이오드

출처:Researchgate 간행물

내장형 다이오드는 전력 전자 장치가 없으면 전원 스위치에 장애가 발생할 수 있기 때문에 IGBT에 대한 요구 사항입니다. 스위치를 끈 이후 유도성 부하 전류는 적절한 경로가 없을 때마다 높은 전압 피크를 생성합니다.

IGBT 및 FWD 모듈 

출처:Researchgate

절연 게이트 바이폴라 트랜지스터가 꺼질 때마다 N-영역의 소수 캐리어가 외부 회로로 흐릅니다. 공핍층이 확장된 후(컬렉터-이미터 전압 상승), 소수 캐리어는 전류 흐름의 내부 재결합, 즉 테일 전류를 유발합니다.

IGBT 유형

4층 장치로서 IGBT는 (n+) 버퍼층의 존재 여부에 따라 분류할 수 있습니다. (n+) 버퍼 레이어가 있는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터는 Punch through IGBT(또는 간단히 PT-IGBT)입니다.

유사하게, (n+) 버퍼 레이어가 없는 IGBT는 IGBT(또는 간단히 NPT-IGBT)를 통한 Non-Punch입니다. 다음은 차이점에 대한 표입니다.

절연 게이트 양극성 트랜지스터는 특성에 따라 추가로 분류할 수 있습니다. PT-IGBT 및 NPT-IGBT에 대한 장치 설계 개념은 대칭 또는 비대칭일 수 있습니다.

대칭형 IGBT는 순방향 및 역방향 항복 전압이 동일합니다. 동시에, 비대칭 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터는 순방향 항복 전압이 역 항복 전압보다 높습니다.

이는 대칭형 IGBT가 주로 AC 회로에 적용된다는 것을 의미합니다. 반면에 비대칭 IGBT는 DC 회로에 적용할 수 있으며 지원되는 역전압이 필요하지 않기 때문입니다.

IGBT 모델

IGBT 작동 원리를 사용하는 회로는 일반적으로 Saber 및 SPICE와 같은 회로 시뮬레이터를 사용한 모델링을 특징으로 합니다.

시뮬레이터는 IGBT(및 기타 실제 장치)를 모델링하여 전기 단자의 전류 및 전압에 관한 최상의 예측을 제공할 수 있습니다.

보다 정확한 예측을 위해 시뮬레이션 프로세스에 열과 온도가 포함됩니다. IGBT의 장치 설계 개념에 대한 가장 일반적인 모델링 방법은 다음과 같습니다.

• 물리 기반 모델
• 매크로 모델

SPICE 시뮬레이터는 달링턴 구성을 사용하여 MOSFET 및 BJT와 같은 다양한 구성 요소를 결합하는 MacroModel 방법을 사용합니다.

IGBT 작동 원리– 전기적 특성

IGBT는 기능을 위해 전압에 의존하기 때문에 장치는 전도를 유지하기 위해 게이트 단자에 공급되는 극소량의 전압만 필요로 합니다.

전기적 특성

포화 상태를 유지하기 위해 Base 영역에서 지속적인 Base 전류 흐름이 필요한 Bipolar Power Transistors의 반대입니다.

동시에 IGBT는 단방향 장치이므로 "정방향"(수집기에서 이미터로)으로만 전환됩니다.

양방향 전류 스위칭 프로세스를 갖는 MOSFET의 반대입니다. 실제 장치에서 MOSFET은 순방향으로 제어 가능하고 역전압에서 제어되지 않습니다.

동적 조건에서 IGBT는 장치가 꺼질 때 래치업 전류를 경험할 수 있습니다. 연속 ON 상태의 구동 전류가 임계값을 초과하는 것으로 보이는 경우를 래치업 전류라고 합니다.

또한 Gate-Emitter 전압이 임계 전압 아래로 내려가면 소자를 통해 작은 누설 전류가 흐릅니다. 이때 Collector-Emitter 전압은 공급 전압과 거의 동일합니다. 따라서 4층 소자 IGBT는 차단 영역에서 작동합니다.

IGBT 작동 원리 – IGBT의 적용

IGBT는 MOSFET 및 BJT와 마찬가지로 소신호 증폭기에서 사용할 수 있습니다. 그러나 IGBT는 두 가지 모두를 최대한 활용하므로 전도 손실이 낮고 스위칭 속도가 빠릅니다.

IGBT는 스테레오 시스템, 기차, VSF, 전기 자동차, 에어컨 등과 같은 대부분의 최신 전자 장치에 사용됩니다.

IGBT 대 MOSFET

절연 게이트 양극성 트랜지스터는 고전압, 낮은 스위칭 주파수, 고전류 구성에 가장 적합합니다. 반대로 MOSFET은 저전압, 높은 스위칭 주파수 및 중간 전류 영역에서 가장 좋습니다.

IGBT 대 MOSFET

출처:Researchgate

IGBT는 스위칭 손실이 높기 때문에 스위칭 주파수가 20kHz 미만인 실용적인 장치에서 사용할 수 있습니다.

요약

이제 IGBT가 무엇이며 MOSFET 및 BJT와 어떻게 다른지 이해하시기 바랍니다. IGBT에 대해 질문이나 우려 사항이 있습니까? 저희에게 연락 주시기 바랍니다!