목차(반도체)
반도체
| 소자 | 장점 | 단점 | 주요 응용 |
|---|---|---|---|
| SCR | 구조가 간단, 저렴 | 턴 오프 제어 어려움 | 직류 전력 제어, 정류 회로 |
| GTO | 고전력, 턴 오프 가능 | 구조 복잡, 비용 높음 | 고전력 인버터, 컨버터 |
| TRIAC | 양방향 도통, 간단한 회로 | 고속 스위칭 어려움 | AC 위상 제어, 조광기 |
| SSS | 고전압, 대전류 | 구조 복잡 | 고전압 전력 변환 장치 |
| Power MOSFET | 고속 스위칭, 낮은 온 저항 | 전압 내력이 낮음 | 컴퓨터 전원 공급 장치, 통신 장비 |
| IGBT | 고전압, 고전류, 고속 스위칭 | 가격이 비쌈 | 인버터, 컨버터 |
1️⃣Thyristor(SCR)
(Silicon Controlled Rectifier)
1)SCR구조
- PNPN또는 NPNP 4층 구조로 되어 있는 정류기
2)특징
- 자체 소호능력 없으며 대전류가 적합하다
- 종류로는 쌍방향 사이리스터 역도통 사이리스터, 광 사이리스터가 있다
2️⃣TRIAC(Triode AC Switch)
- 사이리스터 2개를 역병렬로 접속한 구조이다
- 게이트에 양극 또는 음극 쪽으로 신호를 인가하여 턴 온 시키고, 전류가 0이 되면 턴 오프 됩니다.
- 주로 AC 전원의 위상 제어, 조광기 등에 사용됩니다.
3️⃣SSS(Silicon Symmetrical Switch)
- PNPNP 5층 구조로 하고 게이트를 없앤 구조이다
- 양 단자 간에 순시전압을 가해서 구동한다
4️⃣GTO(Gate Turn-Off Thyristor)
1)GTO 원리
- GTO는 사이리스터의 단점을 보안하여 게이트에 부의 전류를 흘려주면 Turn Off된다
2)특징
- 스위칭 속도가 느리다
- 스파이크 전압 완화를 위해 다이오드, 저항기, 콘덴서를 이용한 부가회로가 필요하다
- 상기의 이유로 IGBT가 많이 사용된다
5️⃣Power MOSFE
(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)
1)MOSFET원리
- 게이트부에 전계를 가하여 동작시키는 전력용 반도체
2)특징
- 전계를 가하기 때문에 전력 손실이 적고 스위칭 속도가 매우 빠르다.
- 종류는 N채널형, P채널형 있음
6️⃣IGBT
(Insulated Gate Bi-polar Transistor)
1)IGBT구조 및 원리
- Junction Transistor와 MOSFET의 장점을 조합한 트랜지스터
- Junction Transistor : 베이스가 2개 이상의 접합 전극에 끼워진 구조
- Bi Polar Transistor : 전자, 정공이 모두 관여하는 트랜지스터
- Uni Polar Transistor : 전자, 정공 중 한 개만이 관여하는 트랜지스터
2)특징
- Enhancement형 : 상시 부통 ->(전계가 가해지면)->도통
- Depression형 : 상시 도통 ->(전계가 가해지면)->부통
- 고전압 대전류용에 적합 : 철도차량용
- 회로구성시 조립이 간단하다
- 스위칭 속도가 빠르고 소음이 없다
- 노이즈에 약하다
7️⃣IGCT 통합 게이트 정류 사이리스터
(Insulated Gate Commutated Transistor)
1)개념
- 대용량의 전류를 제어할 수 있는 신형 반도체 소자이다
- GTO와 비슷한 사이리스터의 일종으로, 제어단자 신호를 켜고 끌 수 있으며 GTO에 비해 전도 손실이 적은 것이 특징이다
- 또한 IGCT는 GTO에 비해 조금 더 고속의 스위칭이 가능하다. 최고 400[kHz]까지의 스위칭이 가능하지만, 변환 손실이 크기 때문에 보통은 500[Hz]정도로 스위칭한다
2)IGCT의 종류
- S-IGCT
발생한 역전압을 Symmetrical하게, 즉 순방향전압이나 역방향 전압이 거의 비슷하게 막는 IGCT다 . 전류 소스형 인버터에 쓰인다
- A-IGCT
발생한 역전압을 거의 막지 못하고 Breakdown하는 IGCT이다. 대략 버틸수 있는 전압이 높아봐야 10[]내외로, 역전압이 거의 발생할 일이 없는 DC초퍼 등에 쓰인다. 가격도 S-IGCT에 비해 싸다
- R-IGCT
발생한 역전압을 별도의 다이오드를 통해 그냥 도통시키는, Asymmetical한 동작을 하는 IGCT다. 반대로 연결하면 그냥 전기가 알아서 매우 잘 흐른다
3)장점
- 운용전압이 엄청나게 높다
- 일반적인 GTO에 비해 훨씬 높은 구동전압, 기본적으로 5[kV]정도를 깔고가며 그상황에서 도통 가능한 전류마저 엄청나게 높다. 보통 3000[A]정도이고 높은 건 5000[A]정도다
- 도통면적이 매우 넓어 부스바 배선작업이 편하다
- 보통 On/Off제어 신호를 광케이블로 입력받는다
- 전압강하가 2~3[V]정도로 그렇게 높은 편이 아니며, 도통 저항갑도 대개 수 밀리 옴 정도로 우수한 도통특성을 가진다
- 스너버 회로 없이 깔끔하게 동작이 가능하다
- 직병렬 동작이 매우 편리하다. 단 직렬로 하는 경우엔 공장에서 IGCT 소자를 직렬로 쌓아다가 패키징해서 준다.
4)단점
- 게이트 구동전류가 엄청나게 높다
- 대전력을 매우 빠르게 스위칭하고, 게이트 전류마저 매우높아 구동 중 고조파의 발생이 좀 심각한 편이다
- 광케이블을 써야 한다
- GTO보다 비싸다
- 냉각하기가 조금 애매하다
- 스위칭 주파수가 그렇게 높지 않다
5)사용장소
- 중전압 솔루션 인버터
그렇게 높은 주파수로 구동되지 않는 특성상 가장 부합한 솔루션이다 - 직류전동기를 사용하는 기관차의 초퍼
- 교류 전동기를 사용하는 기관차의 인버터
- HVDC방식으로 송전하는 경우 154[kV]/345[kV]변전소에서 교류를 IGCT로 정류한 다음 평탄화 시켜 목적지까지 전송하고 목적지에서 IGCT인버터로 3상 교류를 만들어 전송하게 된다.
8️⃣LED의 발광 원리
- 전자와 정공의 이동: P형 반도체에는 정공(양전하를 띤 입자)이 많고, N형 반도체에는 전자가 많습니다. 전압을 가하면 전자는 N형에서 P형으로, 정공은 P형에서 N형으로 이동합니다.
- 재결합과 빛 발생: P-N 접합면에서 전자와 정공이 만나 재결합하면서 에너지를 방출합니다. 이 에너지가 빛의 형태로 나타나는 것이 LED의 발광 원리입니다.
- 빛의 색깔: 사용되는 반도체 물질에 따라 방출되는 빛의 색깔이 결정됩니다. 예를 들어, 청색 LED에는 인듐 갈륨 질화물(InGaN)이 사용됩니다.
9️⃣반도체
1)실리콘 원자
- 실리콘 원자는 14개의 전자를 가지고 있는데 그림과 같이 최외곽에는 4개의 전자밖에 없어서 안정화를 위해서 최소한 4개의 전자를 더 필요로 한다
- 따라서 그림과 같이 이웃한 원자의 전자를 서로 공유함으로써 공유결합을 하여 8개를 채운다
2)P형 반도체
- 4가 원소인 실리콘에 미량의 3가 원소(붕소, 알루미늄)를 불순물로 첨가해서 만든 반도체로써 다음 그림고 같이 3가원소는 실리콘과 공유결합을 하는데 전자 1개가 부족하게 된다
- 부족한 전자로 인하여 양의 성질을 띤다
- 전하를 옮기는 캐리어로 정공(홀)이 사용되는 반도체
3)N형 반도체
- 4가 원소인 실리콘에 미량의 5가 원소(비소, 안티몬, 인)를 불순물로 첨가해서 만든 반도체로써 다음 그림과 같이 5가 원소를 실리콘과 고유결합을 하는데 전자 1개가 남게 된다
- 남은 전자로 인하여 음의 성질을 띤다
- 전하를 옮기는 캐리어로 자유전자가 사용되는 반도체
💯기출문제
○C05전력용 반도체의 종류인 4가지를 각각 그림기호를 그리고 간략히 설명하시오
●C07다음 전력용 반도체 소자에 대하여 각각 기호를 그리고 동작원리를 설명하시오
SCR, GTO TRIAC SSS POWER MOSFET. IGBT
○C11최근 전동기 구동을 위한 인버터 등의 전력변환장치에 널리 사용되고 있는 전력용 반도체 IGBT소자의특징에 대하여 설명하시오
●C12인버터의 회로소자 특성 및 기술현황에 대하여 설명하시오
●15전력용 인버터 선정 시 주의사항 및 보호방법에 대하여 설명하시오
전력용 인버터는 태양광, 풍력 등의 재생에너지 발전 시스템에서 필수적인 장치입니다. DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 가정이나 산업 현장에 사용할 수 있도록 해주는 역할을 합니다. 따라서 인버터를 선정할 때에는 다양한 요소를 고려하여 신중하게 결정해야 합니다.
전력용 인버터 선정 시 주의사항
- 용량:
- 발전 시스템에서 생산되는 최대 전력량과 부하 용량을 고려하여 적절한 용량의 인버터를 선택해야 합니다. 너무 작은 용량의 인버터는 발전량을 제한하고, 너무 큰 용량의 인버터는 비용이 과다하게 발생할 수 있습니다.
- 효율:
- 인버터의 효율은 발전 시스템 전체의 효율에 큰 영향을 미칩니다. 고효율 인버터를 선택하면 전력 손실을 줄이고 발전량을 극대화할 수 있습니다.
- 입력 전압 범위:
- 사용하는 태양광 모듈이나 배터리의 출력 전압 범위와 인버터의 입력 전압 범위가 일치해야 합니다.
- 출력 주파수:
- 인버터의 출력 주파수는 사용하는 전력망의 주파수와 동일해야 합니다.
- 보호 기능:
- 과전류, 과부하, 과열, 접지 불량 등 다양한 이상 상황에 대한 보호 기능이 있는지 확인해야 합니다.
- 환경 조건:
- 설치 환경의 온도, 습도, 먼지 등을 고려하여 적절한 등급의 인버터를 선택해야 합니다.
- 인증:
- 안전 인증(KC, UL 등)을 받은 제품인지 확인해야 합니다.
- 제조사:
- 인버터 제조사의 기술력, A/S, 부품 수급 가능성 등을 고려해야 합니다.
전력용 인버터 보호 방법
- 과전류 보호:
- 인버터 내부에 과전류 보호 회로를 내장하여 과전류 발생 시 자동으로 출력을 차단합니다.
- 과부하 보호:
- 인버터의 정격 용량을 초과하는 부하가 연결될 경우 출력을 차단합니다.
- 과열 보호:
- 인버터 내부 온도가 설정 온도를 초과하면 출력을 차단하고 냉각 팬을 작동시켜 온도를 낮춥니다.
- 접지 보호:
- 접지 불량으로 인한 감전이나 화재를 방지하기 위해 접지 시스템을 구축합니다.
- 낙뢰 보호:
- 낙뢰로 인한 피해를 방지하기 위해 낙뢰 보호 장치를 설치합니다.
- 정기적인 점검:
- 인버터를 정기적으로 점검하여 이상 유무를 확인하고, 필요한 경우 수리를 실시합니다.
추가적인 고려 사항
- 통신 기능:
- 인버터의 상태를 원격으로 모니터링하고 제어하기 위한 통신 기능을 지원하는지 확인합니다.
- 확장성:
- 시스템 확장을 위해 추가적인 인버터를 연결할 수 있는 기능을 지원하는지 확인합니다.
- A/S:
- 제조사의 A/S 정책을 확인하고, 빠르고 신속한 서비스를 받을 수 있는지 확인합니다.
○20전력반도체 중 IGBT에 대하여 설명하시오
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반도체
🌐V1007M24
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