전력용 반도체

제공

반도체

실리콘 원자

1)실리콘 원자

  • 실리콘 원자는 14개의 전자를 가지고 있는데 그림과 같이 최외각에는 4개의 전자밖에 없어서 안정화를 위해서는 최소한 4개의 전자를 더 필요한다
  • 따라서 그림과 같이 이웃한 원자의 전자를 서로 공유함으로서 공유결합을 하여 8개를 채운다

2)P형 반도체(Positive)

  • 4가 원소인 실리콘에 미량의 3가 원소(붕소, 알루미늄)를 불순물로 첨가해서 만드는 반도체로써 다음 그림과 같이 3가 원소는 실리콘과 공유결합을 하는데 전자 1개가 부족하게 된다
  • 부족한 전자로 인하여 양의 성질을 띠게 된다
  • 전하를 옮기는케리어로 정공(홀)이 사용되는 반도체

3)N형 반도체(Negative)

  • 4가 원소인 실리콘에 미량의 5가원소(비소, 안티몬, 인)를 불순물로 첨가해서 만든 반도체로써 다음 그림과 같이 5가 원소는 실리콘과 고유결합을 하는데 전자 1개가 남게 된다
  • 남은 전자로 인하여 음의 성질을 띠게 된다
  • 전하를 옮기는 캐리어로 자유전자가 사용되는 반도체

Thyristor(SCR)

1)SCR구조

  • PNPN또는 NPNP 4층 구조로 되어 있는 정류기

2)특징

  • 자체 소호능력 없으며 대전류가 적합하다
  • 종류로는 쌍방향 사이리스터 역도통 사이리스터, 광 사이리스터가 있다

TRIAC(Triode AC Switch)

  • 사이리스터 2개를 역병렬로 접속한 구조이다

SSS(Silicon Symmetrical Switch)

  • PNPNP 5층 구조로 하고 게이트를 없앤 구조이다
  • 양 단자 간에 순시전압을 가해서 구동한다

GTO(Gate 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

Power MOSFET
(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

IGBT
(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

IGCT 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.
동력설비

동력설비의 에너지절약방안
전동기설비의 에너지 절약방안
VVVF인버터 속도제어방식
PAM과 PWM
전력용 반도체


코멘트

답글 남기기

이메일 주소는 공개되지 않습니다. 필수 필드는 *로 표시됩니다