[파워 일렉트로닉스] 고내압·대전류를 ON/OFF하기 위한 파워 트랜지스터 IGBT의 기초

게재월 | 2014 - 07 조회187974 추천0

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스위칭 전원용 MOSFET과 비교했을 때 빠르다. 


EV를 비롯한 파워 일렉트로닉스 기기의 전력 스위치에 사용되는 것은 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)과 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)라고 하는 전압 구동형 파워 반도체이다. 이전에는 전류 구동형 바이폴라 트랜지스터(BJT)가 파워 디바이스의 주류였지만 구동 전력이 크고 스위칭 속도가 느리며 디바이스의 동작 영역에 제한이 있다는 과제가 있었다. MOSFET과 IGBT는 이러한 BJT의 결점을 해결한 보다 이상적인 스위치에 가까운 파워 디바이스이다.

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2대 파워 트랜지스터 IGBT와 MOSFET의 강점 및 약점


1. MOSFET은 드레인-소스 사이가 저항기와 같이 동작한다

그림 1은 MOSFET과 IGBT의 칩 구조를 비교한 단면도이다. 비슷한 구조를 갖고 있다. IGBT는 MOSFET의 드레인 측에 p층이 추가됐다. 이 정도의 차이가 MOSFET과 IGBT의 특성 및 그 애플리케이션에 큰 차이를 불러일으킨다.


▲ 그림 1. MOSFET과 IGBT의 칩 단면도


MOSFET에서 게이트-소스 사이에 플러스 전압을 가하면, p 기준층이 반전되어 채널, 즉 전류 경로가 형성된다. 

그 결과, 드레인 전극에서 소스 전극 사이가 모두 동일한 n형 반도체로 되어 저항과 거의 같은 성질을 나타낸다. 이 때 전류가 되는 전하(캐리어라고도 한다)는 전자뿐이므로 MOSFET은 ‘유니버설 디바이스’라고 하며, 고속으로 스위칭할 수 있는 특성을 갖는다.


2. MOSFET은 내압을 높일수록 ON 저항이 증가한다

MOSFET은 드레인-소스 사이의 내압을 높이려고 할 경우 n 기준층을 두껍게 해야 하므로 드레인-소스 사이의 저항, 즉 ON 저항이 증가한다. 즉, MOSFET은 내압을 높일수록 ON 저항도 높아지므로 고압 대용량화 하기 어렵다.


3. IGBT는 내압을 높여도 ON 저항이 증가하지 않는다

IGBT도 MOSFET과 마찬가지로 게이트에 전압을 가함으로써 p 기준층이 반전되고 채널이 형성되어 ON된다. 컬렉터 전극 측에 p층이 추가되므로 p층에서도 홀이라 불리는 전하가 발생해 전자와 홀에 의한 전도도 변조가 일어난다. 전도도 변조가 일어나면 겉보기 전하(캐리어)가 증가하는 현상에 의해 n 기준층 저항은 1/10 이하까지 하락한다. IGBT는 컬렉터 측 p층 덕분에 MOSFET에 비해 컬렉터-이미터 사이의 내압을 높여도 ON 저항이 증가하지 않는다. 이와 같이 전자와 홀이라는 두 종류의 전하에 의해 전류를 흘리는 IGBT는 ‘바이폴라 디바이스’라고 하며, MOSFET과 비교해 내압을 높여도 ON 저항이 낮은 상태로 대용량화할 수 있다.


4. IGBT의 스위칭 속도는 MOSFET의 1/10로 느리다

전하가 전자뿐인 MOSFET에 비해 전자와 홀 두 종류로 전류를 흘리는 IGBT는 턴오프 시 캐리어 소멸에 시간이 걸린다는 단점이 있다. 이러한 특성 때문에 스위칭 속도가 MOSFET보다 한 자릿수 정도 느려진다.


5. IGBT는 대전류에서도 ON 저항이 작다

그림 2는 출력 특성 경향을 비교한 것이다. 이 그림에서는 거의 동일한 전류 정격(13~15V)에서 MOSFET과 IGBT의 드레인-소스 간, 컬렉터-이미터 간 내압 클래스로 비교했다.


▲ 그림 2. IGBT는 대전류를 흘렸을 때의 ON 전압이 낮다


MOSFET의 출력 특성은 저항 특성이라고 생각할 수 있고, 0V/0A 원점에서 거의 직선적으로 전류와 전압이 상승한다. 드레인-소스 사이의 내압이 높아질수록 디바이스의 두께를 두껍게 해야 하므로 ON 저항이 높아진다.

10A를 흘렸을 때, 250V 내압의 2SK3610에서는 2.2V 정도이지만 600V 내압 제품 2SK3450에서는 5V를 넘어선 특성이 된다. 또한, 0V/0A에서 바로 출력 특성이 상승하는 저항 특성이므로, 내압이 높은 IGBT의 특성과 비교하면 작은 전류 범위에서는 저내압 MOSFET의 ON 저항이 더 낮다.

IGBT에서는 컬렉터-이미터 간 전압 0.7V 부근부터 전류가 급격하게 상승한다. 이 0.7V는 컬렉터 측에 추가된 p층과 n 기준층으로 구성되는 pn 다이오드의 순방향 전압에 상당한다. MOSFET과 비교하면 ON 저항이 낮고(그래프의 기울기가 급하다), 대전류 영역에서는 IGBT의 ON 저항이 더 낮다.


6. IGBT는 대전력 인버터에, MOSFET은 스위칭 전원에 적합하다

이상에서 MOSFET과 IGBT는 다음과 같이 구분해 사용하는 것이 좋을 것이다.

• MOSFET : 저온, 소용량, 고주파

• IGBT : 고압, 중대용량, 저주파

주요 애플리케이션과 스위칭 주파수, 용량을 정리한 것이 그림 3이다. IGBT가 대응할 수 있는 스위칭 주파수의 한계는 일반적으로 20kHz 정도이다. 이것을 경계로 산업용 인버터나 에어컨 등의 가전제품, 전기자동차의 파워 트레인에 사용되는 인버터 등 수k~10kHz 정도 범위에서는 IGBT가, PC나 서버 등의 정보통신기기 전원 등에는 MOSFET이 주로 사용된다. 스위칭 전원에서는 MOSFET을 100kHz 이상의 고주파로 동작시킴으로써 절연 트랜스를 작게 하여 전원장치 전체를 작게 할 수 있다는 이점이 있다.

전원 용도뿐 아니라 내압이 300V 이하로 작아도 되는 스위칭 애플리케이션에서도 그림 2와 같은 출력 특성 차이로 인해 MOSFET이 주로 사용된다.


▲ 그림 3. MOSFET과 IGBT의 유리한 애플리케이션


3상 인버터를 바로 만들 수 있는 올인원 IGBT 모듈


1. 실제 모듈

데이터시트를 참조하면서 파워 디바이스의 특성에 대한 이해를 심화시킨다. 후지전기의 제6세대 IGBT 모듈인 ‘7MBR100VN-120-50’(1200V/100A 정류 회로, 브레이크 회로 포함, 3상 인버터용)을 예로 들어 설명한다. MOSFET에서도 IGBT와 거의 동일한 항목이 정의되어 있으므로 IGBT ‘컬렉터’를 ‘드레인’, ‘이미터’를 ‘소스’라고 바꿔 쓰면 특성을 이해할 수 있을 것이다.

제품 외관은 사진 1, 내부 등가 회로는 그림 4와 같다. 이 모듈은 프린트 기판에 실장할 수 있도록 핀 단자형 패키지로 되어 있다. 10년 정도 전까지 100A급 제품은 M5 정도의 나사로 배선하는 패키지(나사 단자형)가 주류를 이루었지만, 최근에는 핀 단자로 기판에 직접 실장할 수 있는 타입도 많아져 파워 회로의 소형화와 실장 비용 절감을 도모할 수 있게 되었다. 또한, 3상 교류 입력을 전제로 하여 컨버터용 정류 다이오드와 제동 회로의 브레이크용 IGBT도 내장했으므로, 직류 평활용 콘덴서를 접속하면 이 모듈 하나로 3상 인터버를 구성할 수 있다. 과열 검출용 온도 센서(서미스터)도 내장되어 있다.


▲ 사진 1. 실제 IGBT 모듈 ‘7MBR100VN-120-50’(3상 인버터용, 

1200V/100A 정류 회로와 브레이크 회로 포함)


▲ 그림 4. 올인원 IGBT 모듈 7MBR100VN-120-50의 내부 회로


스위칭 디바이스 카탈로그에는 크게 나눠 ① 절대 최대 정격, ② 전기적 특성, ③ 기타(방열, 외형 등)가 기재되어 있으며, 이 내용을 토대로 소자를 선정해 구체적인 설계를 진행시켜 나가게 된다.


첫 걸음 … 사용하기 전에 데이터시트 체크


1. 절대 최대 정격을 지키지 않으면 파괴된다

절대 최대 정격에는 IGBT 각 단자에 인가할 수 있는 전압, 전류, 온도 등 어떤 경우에도 절대 넘어서는 안 되는 중요한 특성값이 기재되어 있다. 앞서 설명한 이상적인 디바이스 요건에서 보자면 절대 최대 정격은 ‘사용 제한’을 나타낸다. 표 1은 7MBR100VN-120-50의 절대 정격을 정리한 것이다.


▲ 표 1. 절대 최대 정격 (정류 다이오드, 브레이크 회로를 제외하고

특기할 사항이 없다면 케이스 온도 TC는 25℃)


모든 특성은 장치 사양과 적합한지의 여부를 결정하는 중요한 사항이다. 장치 사양에 대해 충분히 여유가 있는 제품을 선정함으로써 어떤 경우, 동작 조건에서도 디바이스의 절대 최대 정격을 넘지 않도록 설계해야 한다. 이들 중 디바이스를 선정할 때 우선 체크해야 할 항목은 컬렉터-이미터 간 전압과 컬렉터 전류의 정격이다.

(1) 컬렉터-이미터 간 전압 정격

IGBT의 전압 정격은 장치 입력 전원(일반적으로는 상용 전원) 전압과 밀접한 관계가 있다. 디바이스가 OFF됐을 때 정상적으로 가해지는 전압(=전원전압)은 소자 전압 정격의 1/2에서 2/3이 되도록 선정한다. 이것은 전원 변동이나 스위칭 스파이크분도 고려해야 하기 때문이다.

예를 들어 입력 전원이 AC200V인 경우, 정류된 직류 전원의 전압은 300V 정도가 되므로 600V 내압인 제품을 선정한다. AC400V 전원전압에서 직류 전압은 600V가 되므로 1200V 내압인 것을 선정한다.

(2) 컬렉터 전류의 정격

IGBT의 전류 정격은 장치의 출력 전류를 기준으로 하지만, 장치의 최대 전류=컬렉터 전류 정격이 되는 것은 아니므로 주의가 필요하다. 장치의 출력 전류가 커지면, 즉 IGBT 컬렉터 전류가 커지면 IGBT ON 전압(VCE(sat))이 상승하고 동시에 스위칭 손실도 증가하므로 IGBT에서 발생하는 손실이 커진다. 따라서 IGBT의 발생 손실과 사용하는 냉각 팬 성능으로 IGBT 접합부 온도(TJ)를 어림잡은 후 TJ가 동작 온도 상한(TJOP)인 150℃ 이하(보통은 여유 있게 125℃ 이하)가 되는 전류 정격 제품을 선정해야 한다.

정격 전류의 기준으로는, 변환 장치 최대 출력 전류(피크값)의 1.5배~2배 이상 정격을 가진 제품을 선정하는 것이 일반적이다. 충분한 냉각 설계를 실시하지 않은 채 최대 정격 전류까지 출력 전류를 흘리면 IGBT 칩이 과열되어 파괴되거나, 파괴되지 않더라도 장기적인 신뢰성이 하락하는 경우가 있다. IGBT 손실은 구동 조건이나 스위칭 주파수 등 다양한 파라미터에 의해 변화한다. 따라서 손실이나 방열 등 장치 전체 설계까지 포함해 필요한 디바이스 전류 정격을 검토해야 한다.


2. 전기적 특성

스위칭 디바이스의 전기적 특성, 구체적으로는 ON 전압, 게이트 임계값 등의 정특성이나 스위칭 특성과 같은 동특성, 그리고 그 편차가 기재되어 있다. 이러한 수치나 기재된 특성 그래프를 판독해 구체적인 설계를 진행시켜 나간다.

표 2는 7MBR100VN-120-50의 전기적 특성 일람표이다. 이 표를 체크하는 포인트는 앞서 설명한 ‘이상적인 스위칭 디바이스’의 요건이다.


▲ 표 2. 전기적 특성 (정류 다이오드, 브레이크 회로를 제외하고 특별히 기재된 사항이 없는 한 접지 온도 TC는 25℃)


• 도통 손실이 생기지 않는다.

• 스위칭 시간이 짧아 손실이 생기지 않는다.

• 특성 편차가 없다.

이러한 관점에서 어느 정도 이상에 가까운 특성을 가졌는가 하는 것이 관건이다.

(1) 정특성

IGBT가 계속해서 ON 또는 OFF될 때 정적인 특성을 나타낸다. 특히 컬렉터-이미터 간 전압 VCE(ON 전압)와 컬렉터 전류 IC의 관계(출력 특성)는 디바이스의 도통 능력을 나타내는 특성이며, 손실을 어림잡는 데에도 중요한 항목이다.

출력 특성은 그림 5와 같다. ON 전압은 구동 전압(게이트-이미터 간 전압 VGE)에 의해 변화하며, 그림에서는 VGE가 12V 정도 이상에서 거의 포화 상태이다. 한편, 활성 영역(게이트 전압이 낮고 IGBT에 높은 전압과 전류가 인가되는 영역)에서는 IGBT에서 발생하는 손실이 매우 커진다. 스위칭용 디바이스의 경우, 스위칭 동작의 과도 상태를 제외하고 활성 영역에서 사용하는 것은 바람직하지 않다.


▲ 그림 5. 올인원 IGBT 모듈(7MBR100VN-120-50)의 컬렉터-이미터 간

전압 VCE(ON 전압)와 컬렉터 전류 IC의 출력 특성(TJ=150℃/칩)


그림 5에서 정격 100A일 때에는 게이트 전압 15V에서 ON 전압(VCE(sat))이 약 2.1V로 판독된다. 이상적인 스위치 관점에서는 게이트 전압을 높게 설정하고 ON 전압을 가능한 한 낮게 해야 도통 손실을 줄일 수 있다. 그러나 스위칭 특성 외의 특성과 균형을 잡을 필요도 있으므로 IGBT에서의 게이트 구동 전압은 15V 정도로 사용하는 것이 무난하다.

MOSFET에서는 일반적으로 게이트 전압 10V 정도에서도 ON 저항이 충분히 포화되는 특성을 갖고 있다. 어쨌든 카탈로그에 기재되어 있는 디바이스의 출력 특성을 확인하고 몇V의 게이트 순바이어스로 충분히 낮은 포화 전압이 되는지 체크한다.

특성표에는 컬렉터 차단 전류(OFF일 때 컬렉터에 흐르는 누설 전류)와 게이트 누설 전류가 기재되어 있다. 이들은 무시할 수 있을 정도로 작기 때문에 일반적인 설계에서는 문제되지 않을 것이다. 내장된 다이오드도 IGBT와 마찬가지로 출력 특성이 있으며, 이것도 카탈로그에 게재되어 있다.

(2) 스위칭 특성

스위칭 디바이스를 사용한 고압 대용량 장치의 애플리케이션에서는 디바이스의 스위칭 특성을 충분히 이해해 두는 것이 중요하다. 또한, 스위칭 특성은 다양한 파라미터(온도, 전류, 구동 조건, 회로 배선 상태 등)에 따라 변화하므로 이들도 고려해 장치를 설계해야 한다. 그러나 데이터시트에는 조건이 달라졌을 때의 특성까지는 기재되어 있지 않다. 실제로 디바이스의 스위칭 파형을 체크해 기대했던 대로 동작하는지 확인해야 한다.

스위칭 특성은 크게 ① 스위칭 시간, ② 스위칭 손실로 나눌 수 있다. 그림 6은 7MBR100VN-120-50의 스위칭 시간 특성(컬렉터 전류 의존성)을 나타낸 것이다. 턴온 시간(ton), 턴오프 시간(toff) 모두 스위칭 전류에 관계없이 거의 400ns에서 800ns 정도의 속도라는 것을 알 수 있다. 전류에 관계없이 스위칭 시간이 일정하다는 것은 전류가 커질수록 전류 변화율(di/dt)도 커진다는 것이다.


▲ 그림 6. 올인원 IGBT 모듈 7MBR100VN-120-50의 스위칭 시간 특성

(컬렉터 전류 의존성. VCC=600V, VGE=±15V, Rg=1.6Ω, TJ=150℃)


배선의 부유 인덕턴스(Ls)에 의한 스파이크 전압(Lsdi/dt)도 전류가 커질수록 높아진다. 이 그래프에서 100A일 때의 턴오프 하강 시간(tf)은 대략 80ns이므로 턴오프 전류 변화율(-di/dt)은 100A/80ns=1250A/㎲로 어림잡을 수 있다. 이 di/dt가 발생해도 스파이크 전압이 소자 정격을 웃도는 경우가 없도록 배선을 짧게 하고 부유 인덕턴스를 작게 해야 한다.

MOSFET의 경우, IGBT보다 한 자릿수 빠른 스위칭이 가능하다. IGBT의 표준적인 스위칭 주파수 10kHz 정도에 대해 100kHz가 넘는 주파수에서 동작시킬 수 있다. 또한 IGBT에 비해 전류가 작다고는 해도 스위칭 속도가 더 빨라지므로, IGBT와 마찬가지로 스파이크 전압에는 주의가 필요하다.

위아래로 직렬 접속된 디바이스를 교대로 ON/OFF시키는 브리지 회로에는 상하 디바이스 간 대기 시간이 필요하며 이것을 데드타임이라고 한다. 디바이스 스위칭 특성의 턴오프 시간(toff)에서 턴온 시간(ton)을 뺀 만큼의 시간을 설정할 수 있는 최소 데드타임이 된다. 나아가 구동 회로의 신호 전달 지연이나 편차분까지 고려한 후 마이컴 등 제어 회로에서의 데드타임을 설정한다. 스위칭 시간보다 데드타임이 짧아지면 브리지 회로를 IGBT로 쇼트하여(암 단락) 모듈이 과열, 파괴되는 경우가 있다.

그림 7은 7MBR100VN-120-50의 스위칭 손실(스위칭 1회당 발생하는 에너지)을 턴온(Eon), 턴오프(Eoff), 내장 다이오드의 역회복 손실(Err)별로 컬렉터 전류에 대한 의존성을 나타낸 것이다. 스위칭하는 전류가 커질수록 각 손실 모두 거의 비례해서 손실이 증가한다.


▲ 그림 7. 올인원 IGBT 모듈 7MBR100VN-120-50의 스위칭 손실 특성

(VCC=600V, VGE=+15V, Rg=1.6Ω)


그림 6, 그림 7에 나타난 스위칭 시간과 스위칭 손실은 접합부 온도(TJ), 컬렉터 전류, 게이트 저항과 밀접한 관계가 있다. 온도가 높아질수록 스위칭 시간, 손실 모두 증가하는 경향이므로 고온의 데이터를 사용해 설계해야 한다.

(3) 용량 특성

MOSFET과 IGBT 각 단자 사이에는 콘덴서가 있다고 간주할 수 있다. 이 콘덴서 용량의 특성을 나타낸 것이 용량 특성(Cies, Coes, Cres)이다. 이 특성은 그림 8과 같다. 스위칭할 때에는 이들 콘덴서의 충방전이 이루어지므로 일정한 용량 C라면 1회 충방전으로 다음과 같은 에너지가 필요하다.


▲ 그림 8. IGBT 모듈 7MBR100VN-120-50의 콘덴서 용량 특성

(VGE=0V, f=1MHz, TJ=25℃)


E=2×1/2×C×ΔV2(ΔV는 콘덴서의 전압 변화분)


그림 7과 같이 각 단자 간 용량은 컬렉터-이미터 간 전압 VCE에 의존해 크게 변화한다. 스위칭 동작에서 컬렉터-이미터 간 전압은 2V 정도(ON 전압)~전원전압(수백V)까지 크게 변화하므로 용량도 일정하지는 않다. 앞서 설명한 계산으로는 오차가 커진다.

단자 간 용량 특성은 간단하지 않으므로 충(방)전에 필요한 전하량 Q로 생각한다. 손실을 낮추기 위해서는 이들의 용량이 작은 디바이스쪽 용량 충방전 손실이 더 작아지므로, 특히 MOSFET과 같이 스위칭 주파수가 높은, 즉 충방전 횟수가 많은 애플리케이션에서는 용량에도 주목한다.

용량의 충방전 손실은 부하전류의 대소와 관계없이 스위칭마다 반드시 발생하는 고정적인 손실이다. 정격 부하 시의 효율뿐만 아니라 1/2 정격 시의 효율도 중시되므로 고정 손실은 작을수록 좋다.

디바이스를 구동할 때, 게이트 전압을 높이기 위해 필요한 전하를 구동 회로에서 충전한다. 이 전하량을 게이트 충전(QG) 특성이라고 한다. 게이트 충전 특성은 그림 9와 같다. 


▲ 그림 9. IGBT 모듈 7MBR100VN-120-50의 게이트 충전 특성


이 특성은 게이트에 충전한 전하량에 대한 VCE와 VGE의 변화를 나타낸 것으로, 게이트를 원하는 전압까지 끌어올리기 위한 전하량을 판독할 수 있다. 예를 들어 그림 9의 그래프에서 VGE를 0V에서 15V까지 충전하려면 775nC의 전하량이 필요하다.

역바이어스를 가할 경우, 세로 VGE 축을 마이너스 측으로 연장해 전하량을 추정한다. 예를 들어 -15V~+15V까지 게이트를 충전하기 위해서는 1245nC의 전하가 필요하다. 이 전하량 QG에서 구동 회로의 전원 용량을 다음과 같은 식으로 계산할 수 있다.


Pdon+Pdoff=fQG(+VGE+|-VGE|)


여기서 Pdon은 ON하는 구동 전력[W], Pdoff는 OFF하는 주파수[W], f는 스위칭 주파수[Hz], +VGE는 순바이어스 전압[V], -VGE는 역바이어스 전압[V]이다. 계산한 게이트의 충방전 용량(손실)은 거의 전부 게이트 저항에서 열로 된다.

(4) 안전 동작 영역

IGBT의 턴오프 동작에서 컬렉터 전압 VCE와 컬렉터 전류 IC의 동작 궤적 범위를 역바이어스 안전 동작 영역 RBSOA (Reverse-Bias-Safe-Operation-Area)라고 한다. 그림 10은 RBSOA의 예이다. 전압 방향 범위는 정격 전압(1200V)까지, 전류 방향은 정격 전류 100A의 2배까지 범위에서 동작 궤적이 수렴되도록 한다. IGBT의 스위칭 동작이 RBSOA 이내인지의 여부는 실험으로 확인해야 한다.


▲ 그림 10. IGBT 모듈 7MBR100VN-120-50의 RBSOA 특성과 턴오프 전압,

전류 궤적(+VGE=15V, -VGE < =15V, RG > =1.6Ω, TJ < =125℃)




本 記事는 日本 CQ出版社가 發行하는 「トランジスタ技術」誌와의 著作權 協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.

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