IGBT란?
IGBT는 절연 게이트형 바이폴라 트랜지스터를 말하며, IGBT의 머리글자는 ‘Insulated Gate Bipolar Transistor’에서 따온 것으로, IGBT의 구조는 MOSFET에 P형 반도체를 추가한 PNP형 바이폴라 트랜지스터입니다.
즉, 등가회로로서 입력부에 N채널 MOSFET이 있고, 출력부에 PNP형 바이폴라 트랜지스터가 있는 복합형 트랜지스터의 회로 구성이라고 생각하면 됩니다. 한편, 바이폴라 트랜지스터부의 베이스 부분에 MOSFET이 있는 구조라고도 할 수 있기 때문에 작은 전류에 대해 매우 큰 출력 전류를 낼 수 있다는 특징이 있습니다.
고성능 반도체로 베이스가 되는 MOSFET보다 내압이 높고 손실이 적습니다. IGBT는 1980년대 일본에서 개발된 반도체로, 당시 구조는 펀치스루(Punch-Through) 방식이었습니다.
최근에는 웨이퍼 공정의 발전에 따라 더욱 소형화, 저비용화가 진행되어 비펀치스루 구조나 필드스탑형이라 불리는 IGBT 디바이스가 제조되고 있습니다.
IGBT의 사용 용도
IGBT의 적용 범위가 넓어 대형 제품의 경우 하이브리드 자동차, 전기차, 기차 등 차량용 고출력용 삼상 모터 제어용 인버터에 사용되며, IGBT의 적용 범위는 매우 넓어 IGBT는 가변속 구동 장치나 전력 변환기에 많이 사용됩니다.
또한 IH 조리기구, 세탁기, 에어컨의 인버터 회로, 프린터 등 대형 가전제품의 전력 제어에도 광범위하게 사용되고 있습니다. 최근 에너지 절약이 강조되면서 전력 손실을 줄일 수 있는 IGBT의 사용처가 더욱 확대되고 있습니다.
IGBT의 원리
IGBT는 앞서 설명한 바와 같이 입력 부분에 MOSFET, 출력 부분에 바이폴라 트랜지스터의 구조를 가지고 있어 각각의 특징을 합친 것과 같은 성질을 가지고 있으며, IGBT는 MOSFET에 P형 반도체를 추가한 구조로 캐리어는 전자와 정공의 두 가지가 있습니다.
캐리어가 두 종류이기 때문에 스위칭 속도는 MOSFET보다 느리지만, 바이폴라 트랜지스터보다 빠르며, 내압성은 MOSFET보다 향상되었습니다. 단자의 입력부인 게이트에서 전압이 가해지면 MOSFET에서 전류가 흐르고, P형 반도체까지 전도되면 이번에는 바이폴라 트랜지스터의 특성상 소량의 전류를 증폭시켜 이미터와 컬렉터 사이에 큰 전류를 흘릴 수 있습니다.
또한, 바이폴라 트랜지스터처럼 전도도 변조가 일어나기 때문에 온 저항을 낮출 수 있어 전류 밀도가 높아집니다. 콜렉터와 이미터 사이에 일정한 전압 강하가 발생하기 때문에 전류가 큰 경우 MOSFET보다 손실을 줄일 수 있습니다.
IGBT의 기타 정보
1. IGBT를 적용한 인버터 회로에 대하여
인버터 회로는 AC에서 DC로 변환하는 컨버터 회로와 쌍으로 사용되는 DC에서 AC로 변환하는 회로입니다. 이 인버터 회로에서 전압과 주파수를 바꾼 교류를 출력할 때 IGBT가 사용됩니다.
IGBT를 스위칭하여 ON과 OFF의 간격 조정을 통해 펄스 폭을 조정합니다. 서로 다른 펄스파를 생성하고 정형화하여 정현파에 가깝게 만듭니다. 이를 펄스폭 변조라고 하는데, 여기에 IGBT가 많이 사용됩니다.
펄스폭 변조를 통한 주파수 변환을 통해 모터의 회전수를 변화시켜 가전제품의 기능을 제어한다. 에어컨, 냉장고, 산업용 모터, 컴퓨터 전원 등 가전제품에 널리 사용되고 있습니다.
2. IGBT와 MOSFET의 차이점
IGBT는 MOSFET과 BJT(바이폴라 정션 트랜지스터)의 장점을 합친 소자라고 흔히 설명하지만, 사실 MOSFET과 비교하면 단점이 있습니다. 일반적으로 MOSFET 소자보다 Vds가 낮습니다.
IGBT는 중대형 전류 영역을 주안점으로 둔 소자이기 때문에 이 영역에서는 오히려 MOSFET보다 낮은 온 저항을 보이지만, 저전력 영역에서의 효율을 중시하는 애플리케이션의 경우에는 오히려 MOSFET이 더 좋은 특성으로, Vds가 1V 미만인 영역은 말할 것도 없고, Vds =2V 정도까지는 MOSFET이 효율면에서 우세하고, 그 이상의 전압에서는 IGBT가 우수합니다.
3. IGBT 모듈에 대하여
IGBT는 복합 소자이기 때문에 그 동작을 처음부터 스스로 제어할 수 있도록 조립하는 데 많은 노력이 필요하다. 따라서 그 제어 부분의 신호처리와 증폭회로, 보호회로, 기생 다이오드 등을 복합 모듈로 구성한 IGBT 모듈이 널리 제품화되어 있습니다.
IGBT는 SOA(Safety Operation Area)나 절대 최대 정격을 초과하면 파괴되기 쉬운 트랜지스터이기 때문에 그 보호 회로를 내장한 제품도 있습니다. 내압과 스위칭 속도 양립을 위해 개발되어 오랫동안 개선되어 온 IGBT는 최근 이 파워 디바이스 영역에 SiC나 GaN이라는 화합물 반도체의 신소재를 이용한 파워 반도체 디바이스가 도입되기 시작했습니다.
이들 차세대 전력 반도체 소자는 IGBT보다 빠른 스위칭 동작이 가능하고, 내압도 우수하여 최근 연구개발이 활발히 진행되고 있습니다. 하지만 비용과 공급 측면 등 해결해야 할 과제가 남아있어, 현재 IGBT의 시장 영역을 모두 대체할 수는 없으며, 당분간은 이들과 공존할 것으로 보입니다.