IGBT 모듈이란?
IGBT 모듈은 여러 개의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 하나의 모듈에 집적시킨 고집적 모듈을 말합니다.
IGBT는 기존에 사용되던 베이스 전류 제어형 바이폴라 트랜지스터와 게이트 전압 제어형 전계효과 트랜지스터(FET)의 단점을 개선한 게이트 전압 제어형 바이폴라 트랜지스터의 장점을 소자 구조 및 공정상의 궁리로 조합하여 쇼와 말기에 일본에서 발명되었습니다.
초기에는 절연 게이트 타입의 바이폴라 트랜지스터로 불렸으며, 이후 ‘Insulated Gate Bipolar Transistor’의 머리글자를 따서 IGBT로 불리게 되었습니다.
IGBT 모듈의 사용 용도
지금은 파워 일렉트로닉스 기술이라고 불리지만, 당시 IGBT는 일반 대중에게 잘 알려지지 않은 전문가들만의 특별한 세계의 기술이었습니다. 그러다 인버터 에어컨을 비롯한 가전제품의 인버터화(전력변환 기술을 통한 에너지 절감)와 부품의 소형화, 고효율 모듈화에 따라 그 안에 들어있는 IGBT 모듈의 용도는 대전력 제품을 중심으로 비약적으로 확대되었습니다.
현재 큰 전력을 필요로 하는 제품에 IGBT와 그 모듈이 당연하게 사용되고 있다는 것은 이미 널리 알려진 사실입니다.
IGBT 모듈의 원리
IGBT는 대전류가 흐르는 부분은 기존의 바이폴라 트랜지스터 구조를 채택하고, 바이폴라의 제어부인 베이스 부분을 (이전에는 약전계 신호회로에만 채용되어 고속 제어가 가능하고 손실이 적은) FET의 게이트 회로 구조로 전환한 일본이 만든 획기적인 파워 반도체입니다. 이를 여러 개로 묶어 보호 회로용 다이오드, 구동 회로용 IC 등을 포함하여 소형 고기능으로 모듈화한 것이 IGBT 모듈입니다.
IGBT는 단품(디스크리트)으로도 부품으로 존재하며, 모듈과 유사한 회로를 단품으로 구성할 수 있습니다. 그러나 단품으로 회로를 구성할 경우, 일반적으로 기판의 크기가 모듈의 두 배 이상이 되거나, 기판 패턴 배선의 영향으로 신호 지연, 불안정성 등 오동작이 발생할 가능성도 우려되는 등 사용자에게 많은 어려움이 있습니다.
반면, 모듈화를 통해 고밀도 배선 구현이 가능하고, 방열 개선으로 인한 신뢰성까지 고려되어 사용자는 비교적 간편하게 IGBT를 자신의 제품에 적용할 수 있습니다. 이것이 IGBT 단품이 아닌 IGBT 모듈을 사용하는 가장 큰 장점이라고 할 수 있습니다.
IGBT 모듈의 실례로, 주류 브러시리스 모터를 구동하는 6개의 IGBT를 수납한 모듈을 예로 들어 설명합니다. 모듈의 패키지 내부에 절연재가 채워져 있는 것이 특징이며, 모듈 내 배선도 최대한 짧고 굵게 만들어 전기적 손실을 줄였습니다.
또한 방열판도 추가되어 단품으로 기판에 실장하는 것보다 훨씬 저손실, 고방열의 IGBT 동작이 가능합니다. 따라서 모듈화에 따라 단품(디스크리트) 대응에 비해 고효율 동작과 장치의 소형화를 동시에 실현할 수 있습니다.
IGBT 모듈의 기타 정보
IGBT 모듈의 진화(IPM)
현재 IGBT 모듈은 더욱 진화한 IPM(IGBT에 외장형이었던 고내압 드
라이버를 내장한 모듈: Intelligent Power Module) 등으로 불리며, 그 기술 혁신은 지금도 계속되고 있습니다. 기존의 여러 개의 IGBT를 하나의 패키지에 집적한 모듈을 더욱 고성능, 고기능화하기 위해 IGBT 전용 구동 IC와 과전류 과열 보호 목적의 각종 보호회로용 IC를 IGBT와 함께 집적하고, 소형 방열성 대책을 적용한 모듈을 IPM이라고 부르기도 합니다.
IPM은 IGBT의 원조인 일본이 강점을 가진 기술로 세계를 선도하고 있는 분야입니다. 또한 최근 와이드 밴드갭 반도체인 SiC나 GaN과 같은 신규 반도체 소재를 이용한 파워일렉트로닉스 분야도 급부상하고 있으며, Si 기판의 IGBT를 EV 등 전기자동차 분야를 대표적으로 특성이 더욱 우수한 SiC-MOSFET이나 GaN-FET로 대체하려는 움직임도 나타나고 있습니다.
하지만 이들 신규 반도체 소재 기판은 아직 웨이퍼 대구경화, 비용, 제조능력 측면에서 Si 기판에 미치지 못하기 때문에 당분간 제품 용도별 디바이스 및 모듈의 분화가 지속될 것으로 보입니다.