IGBT 완벽 해설: 작동 원리, 응용 분야 및 장점

IGBT는 가장 효율적인 전자 발명품 중 하나입니다. IGBT 작동 원리는 독특하며 AC/DC 모터 드라이브, 견인 모터 제어, UPS(비조정 전원 공급), 인버터 등 수많은 상업적 응용 분야를 가지고 있습니다.

하지만 앞서가지 맙시다. IGBT가 어떻게 작동하는지 완전히 이해해야 합니다. 자, 시작해 보겠습니다.

IGBT란 정확히 무엇인가?

IGBT는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor)의 약자입니다. 높은 효율로 빠른 스위칭 기능을 제공하는 3단자 반도체 전기 소자입니다.

IGBT를 더 잘 이해하려면 기능 면에서 다양한 트랜지스터를 이해하는 것이 가장 좋습니다.

트랜지스터

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

다른 유용성이나 특정 적용성에 기반한 다양한 유형의 트랜지스터가 있습니다. 일반적으로 사용되는 트랜지스터는 BJT(바이폴라 접합 트랜지스터), MOSFET, IGBT입니다.

BJT와 MOSFET 모두 상대방에 대한 선호도와 장점을 가지고 있습니다. BJT는 낮은 온스테이트 전압 강하를 선호하는 반면, MOSFET은 높은 입력 임피던스, 낮은 스위칭 손실, 2차 브레이크다운 부재로 최고입니다.

IGBT는 BJT와 MOSFET을 결합하여 두 트랜지스터의 장점을 모두 취합니다.

따라서 IGBT는 스위칭 소자로 사용되며 신호 증폭에도 적용 가능한 3단자 소자입니다. IGBT는 높은 효율로 빠른 스위칭을 제공합니다.

IGBT 심볼

IGBT가 BJT와 MOSFET을 결합하므로 심볼도 같은 원칙을 따릅니다.

IGBT 심볼

심볼에도 세 단자가 있습니다: 컬렉터, 이미터, 게이트. 입력 쪽은 MOSFET을 나타내고, 출력 심볼은 BJT의 심볼에서 가져옵니다.

예상대로 전도 단자는 컬렉터와 이미터입니다. 게이트는 제어 단자입니다.

IGBT 구조

IGBT의 세 단자(컬렉터, 이미터, 게이트) 모두 금속 층이 부착되어 있습니다. 그러나 게이트 단자의 금속 재질은 이산화규소 층으로 절연되어 있습니다.

내부적으로 IGBT 구조는 반도체의 4층 소자입니다. 4층 소자는 PNP와 NPN 트랜지스터를 결합하여 PNPN 배열을 만듭니다.

IGBT 구조

출처: Components101

컬렉터 영역에 가장 가까운 층은 (p+) 기판인 주입 영역(Injection Region)입니다. 그 위에는 N- 드리프트 영역(Drift Region)이 있으며 N- 층으로 구성됩니다.

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

드리프트 영역의 두께가 IGBT의 전압 차단 능력을 결정합니다.

드리프트 영역 위에는 바디 영역(Body Region)이 있으며 (p) 기판으로 구성됩니다. 이는 이미터에 가깝습니다. 바디 영역 내부에는 (n+) 층이 있습니다.

컬렉터 영역(또는 주입 영역)과 N-드리프트 영역 사이의 접합은 J2입니다. 마찬가지로 N-영역과 바디 영역 사이의 접합은 접합 J1입니다.

참고: IGBT 구조는 'MOS' 게이트 측면에서 사이리스터와 위상학적으로 유사합니다. 하지만 사이리스터의 동작과 기능은 억제 가능하며, 즉 IGBT 전체 동작 범위에서만 트랜지스터 동작이 허용됩니다.

IGBT는 사이리스터의 제로 크로싱 대기보다 빠른 토글링이 가능하므로 사이리스터보다 선호됩니다.

IGBT 작동 원리

IGBT 작동 원리는 게이트 단자를 활성화하거나 비활성화하여 켜짐(ON) 또는 꺼짐(OFF) 상태가 되는 것입니다.

게이트에 양의 입력 전압이 가해지면 이미터가 드라이브 회로를 켜진 상태로 유지합니다. 반면 IGBT의 게이트 단자가 0전압이거나 약간 음전압이면 회로 응용을 끕니다.

절연 게이트 바이폴라 소자가 BJT와 MOSFET दोनों으로 기능하므로 달성하는 증폭량은 출력 신호와 제어 입력 신호의 비율입니다.

기존 BJT의 경우 이득량은 대략 출력 전류와 입력 전류의 비율과 같습니다. 이를 베타(Beta)라고 하며 β로 표시합니다.

반면 MOSFET의 경우 게이트 단자가 전류를 운반하는 메인 채널과 격리되어 있으므로 입력 전류가 없습니다. IGBT의 이득은 출력 전류 변화를 입력 전압 변화로 나누어 결정합니다. 이로써 IGBT는 트랜스컨덕턴스 소자가 됩니다.

회로로서의 IGBT 동작

아래 그림을 사용하여 IGBT의 전체 장치 동작 범위를 설명하겠습니다.

회로로서의 IGBT 동작

IGBT는 게이트 단자에 전압 공급이 있을 때만 작동합니다. 이것이 게이트 전압 V_G입니다.

다이어그램에서 볼 수 있듯이 게이트 전압(V_G)이 있으면 게이트 전류(I_G)가 증가합니다. 그러면 게이트-이미터 전압(V_GE)이 증가합니다.

결과적으로 게이트-이미터 전압이 컬렉터 전류(I_C)를 증가시킵니다. 이로써 컬렉터 전류(I_C)가 컬렉터-이미터 전압(V_CE)을 감소시킵니다.

참고: IGBT는 다이오드와 유사한 전압 강하를 가지며, 전형적으로 2V 정도이며 전류의 로그에 따라 증가만 합니다.

IGBT는 프리휠링 다이오드를 사용하여 역전류를 전도합니다. 프리휠링 다이오드는 장치의 컬렉터-이미터 단자 양쪽에 배치됩니다.

IGBT, Si 다이오드

출처: Researchgate Publication

내장 다이오드는 IGBT에 필수적입니다. 전력 전자 소자가 없으면 전원 스위치가 고장날 수 있기 때문입니다. 스위칭 오프 시 유도 부하 전류가 적절한 경로 없이 고전압 피크를 생성하기 때문입니다.

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 캐리어가 내부 재결합을 일으켜 전류 흐름인 테일 전류를 만듭니다.

IGBT 유형

4층 소자로서 IGBT는 (n+) 버퍼 층의 유무에 따라 분류됩니다. (n+) 버퍼 층이 있는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터는 펀치스루 IGBT(또는 PT-IGBT)입니다.

마찬가지로 (n+) 버퍼 층이 없는 IGBT는 논펀치스루 IGBT(또는 NPT-IGBT)입니다. 둘의 차이점은 다음 표와 같습니다.

절연 게이트 바이폴라 트랜지스터는 특성에 따라 추가로 분류됩니다. PT-IGBT와 NPT-IGBT의 장치 설계 개념은 대칭 또는 비대칭일 수 있습니다.

대칭 IGBT는 순방향과 역방향 브레이크다운 전압이 동일합니다. 반면 비대칭 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터는 순방향 브레이크다운 전압이 역방향 브레이크다운 전압보다 큽니다.

이는 대칭 IGBT가 주로 AC 회로에 적용됨을 의미합니다. 반면 비대칭 IGBT는 DC 회로에 적용되며, 지원되는 역전압이 필요하지 않기 때문입니다.

IGBT 모델

IGBT 작동 원리를 사용하는 회로는 일반적으로 Saber와 SPICE 같은 회로 시뮬레이터를 사용한 모델링을 특징으로 합니다.

시뮬레이터는 IGBT(및 기타 실제 소자)를 모델링하여 전기 단자의 전류와 전압에 대한 최상의 예측을 제공할 수 있습니다.

더욱 정밀한 예측을 위해 열과 온도가 시뮬레이션 과정에 포함됩니다. IGBT 장치 설계 개념에 대한 가장 일반적인 모델링 방법은 다음과 같습니다:

• 물리 기반 모델
• 매크로 모델

SPICE 시뮬레이터는 달링턴 구성으로 MOSFET과 BJT 등 다양한 구성 요소를 결합하는 매크로 모델 방법을 사용합니다.

IGBT 작동 원리 - 전기적 특성

IGBT가 전압에 의존하여 작동하므로 장치는 게이트 단자에 공급되는 아주 적은 양의 전압만으로도 전도를 유지합니다.

 전기적 특성

이는 베이스 영역에서 지속적인 베이스 전류 흐름이 포화 상태를 유지하는 데 필요한 바이폴라 파워 트랜지스터와 반대입니다.

동시에 IGBT는 단방향 소자로, '순방향'(컬렉터에서 이미터로)만 스위칭합니다.

이는 양방향 전류 스위칭 과정을 가진 MOSFET과 반대입니다. 실제 소자에서 MOSFET은 순방향으로 제어 가능하고 역방향 전압에서는 제어 불가능합니다.

동적 조건에서 IGBT는 소자가 스위칭 오프될 때 래치업 전류를 경험할 수 있습니다. 지속적인 온스테이트 구동 전류가 임계값을 초과하는 것으로 보일 때 이것이 래치업 전류입니다.

또한 게이트-이미터 전압이 임계값 이하로 내려가면 소자를 통해 작은 누설 전류가 흐릅니다. 이때 컬렉터-이미터 전압은 공급 전압과 거의 같습니다. 따라서 4층 소자 IGBT는 차단 영역에서 동작합니다.

IGBT 작동 원리 - IGBT 응용 분야

IGBT는 MOSFET과 BJT처럼 소신호 증폭기에 사용할 수 있습니다. 그러나 IGBT는 두 가지의 장점을 모두 취하므로 낮은 전도 손실과 높은 스위칭 속도를 특징으로 합니다.

IGBT 용도는 스테레오 시스템, 열차, VSF, 전기차, 에어컨 등 대부분의 현대 전자 장치에 있습니다.

IGBT vs. MOSFET

절연 게이트 바이폴라 트랜지스터는 고전압, 저주파 스위칭, 고전류 구성에서 최고입니다. 반대로 MOSFET은 저전압, 고주파 스위칭, 중전류 영역에서 최고입니다.

IGBT vs MOSFET

출처: Researchgate

IGBT는 높은 스위칭 손실로 인해 20kHz 미만의 스위칭 주파수를 가진 실용 소자에 사용할 수 있습니다.

요약

이제 IGBT가 무엇인지, MOSFET과 BJT와 어떻게 다른지 이해하셨기를 바랍니다. IGBT에 대해 질문이나 우려 사항이 있으신가요? 언제든 연락 주시기 바랍니다!