목차(전력용 반도체)
전력용 반도체
1️⃣반도체
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
2️⃣전력용 반도체
Thyristor(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
TRIAC(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.
SSS(Silicon Symmetrical Switch)
- PNPNP 5층 구조로 하고 게이트를 없앤 구조이다
- 양 단자 간에 순시전압을 가해서 구동한다
GTO(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
Power 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
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.
각 소자의 특징 비교
| 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 |
💯기출문제
○05전력용 반도체의 종류인 4가지를 각각 그림기호를 그리고 간략히 설명하시오
●07다음 전력용 반도체 소자에 대하여 각각 기호를 그리고 동작원리를 설명하시오
SCR, GTO TRIAC SSS POWER MOSFET. IGBT
○11최근 전동기 구동을 위한 인버터 등의 전력변환장치에 널리 사용되고 있는 전력용 반도체 IGBT소자의특징에 대하여 설명하시오
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터의 약자로, MOSFET의 장점과 BJT의 장점을 결합한 전력용 반도체 소자입니다. 높은 전압과 전류를 효율적으로 스위칭할 수 있어 다양한 전력 변환 시스템에 널리 사용되고 있습니다.
IGBT의 주요 특징
- MOSFET과 BJT의 장점 결합:
- MOSFET: 높은 입력 임피던스로 구동이 쉽고, 스위칭 속도가 빠릅니다.
- BJT: 낮은 온 저항으로 높은 전류를 처리할 수 있습니다.
- IGBT는 이 두 가지 장점을 모두 가지고 있어 높은 전압과 전류를 효율적으로 스위칭할 수 있습니다.
- 높은 전압 내량: 높은 전압에서도 안정적으로 동작할 수 있어 고전압 시스템에 적합합니다.
- 낮은 온 저항: 낮은 전압 강하로 인해 에너지 효율이 높습니다.
- 빠른 스위칭 속도: MOSFET에 비해 다소 느리지만, 충분히 빠른 스위칭 속도를 가지고 있어 고주파 스위칭이 가능합니다.
- 높은 신뢰성: 장기간 안정적인 동작이 가능합니다.
- 넓은 동작 온도 범위: 극한 환경에서도 사용 가능합니다.
IGBT의 구조 및 동작 원리
IGBT는 P형 반도체와 N형 반도체를 번갈아 적층하여 만들어진 소자입니다. 게이트에 전압을 인가하면 채널이 형성되어 컬렉터와 에미터 사이에 전류가 흐르게 됩니다. 이때 게이트는 MOSFET처럼 전압 제어형이고, 컬렉터와 에미터 사이는 BJT처럼 전류 제어형으로 동작합니다.
IGBT의 장점
- 높은 전력 효율: 낮은 온 저항으로 인해 전력 손실이 적어 에너지 효율이 높습니다.
- 넓은 응용 분야: 전동기 구동, 인버터, 컨버터, UPS 등 다양한 분야에 사용될 수 있습니다.
- 높은 신뢰성: 장기간 안정적인 동작이 가능하여 산업 현장에서 널리 사용됩니다.
IGBT의 단점
- MOSFET에 비해 스위칭 속도가 다소 느림: 고주파 영역에서는 MOSFET보다 성능이 떨어질 수 있습니다.
- 가격이 비쌈: 고성능 소자일수록 가격이 비쌉니다.
IGBT의 응용 분야
- 전동기 드라이브: 산업용 모터, 가전제품 모터 등
- 인버터: 태양광 발전 시스템, 풍력 발전 시스템 등
- 컨버터: DC-DC 컨버터, AC-DC 컨버터 등
- UPS: 무정전 전원 공급 장치
- 전기 자동차: 구동 모터, 충전 시스템 등
결론
IGBT는 높은 전압과 전류를 효율적으로 처리할 수 있는 특징으로 인해 전력 변환 시스템의 핵심 소자로 자리매김했습니다. 앞으로도 더욱 발전된 IGBT 소자가 개발되어 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대됩니다.
●12인버터의 회로소자 특성 및 기술현황에 대하여 설명하시오
인버터란?
인버터는 직류(DC) 전원을 교류(AC) 전원으로 변환하는 전력 변환 장치입니다. 변환된 교류 전압의 크기와 주파수를 제어하여 전동기의 속도를 조절하거나, 다른 전력 시스템에 필요한 전력을 공급하는 데 사용됩니다.
인버터에 사용되는 회로 소자
인버터의 성능을 결정하는 핵심 요소는 바로 회로 소자입니다. 주로 사용되는 회로 소자는 다음과 같습니다.
- 반도체 스위칭 소자:
- IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor): 높은 전압과 전류를 효율적으로 스위칭할 수 있어 가장 널리 사용되는 소자입니다. MOSFET의 빠른 스위칭 속도와 BJT의 높은 전류 처리 능력을 모두 갖추고 있습니다.
- MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor): 고주파 스위칭에 유리하며, 낮은 온 저항을 가지고 있습니다.
- GTO(Gate Turn-Off Thyristor): 고전력 시스템에 적합하며, 게이트 신호로 턴 오프가 가능합니다.
- SCRs(Silicon Controlled Rectifiers): 주로 정류 회로에 사용되며, 한번 턴 온 되면 게이트 신호 없이도 도통 상태를 유지합니다.
- 다이오드: 스위칭 소자의 역방향 전압을 보호하고, 회로의 전류 흐름을 제어합니다.
- 커패시터: 에너지를 저장하고, 전압 변동을 완화하며, 고주파 노이즈를 필터링합니다.
- 인덕터: 전류 변화를 방해하고, 전력 변환 과정에서 에너지를 저장합니다.
각 소자의 특징 및 선택 기준
- IGBT: 높은 전압과 전류를 효율적으로 스위칭할 수 있어 다양한 분야에 사용되지만, 가격이 비교적 비쌉니다.
- MOSFET: 고주파 스위칭에 유리하고 소형화가 가능하지만, 전압 내량이 상대적으로 낮습니다.
- GTO: 고전력 시스템에 적합하지만, 스위칭 속도가 느리고, 구동 회로가 복잡합니다.
- SCRs: 구조가 간단하고 저렴하지만, 스위칭 속도가 느리고 턴 오프 제어가 어렵습니다.
소자 선택 시 고려해야 할 사항
- 스위칭 주파수: 높은 주파수에서는 MOSFET이 유리하고, 낮은 주파수에서는 IGBT가 유리합니다.
- 전압과 전류: 처리해야 할 전압과 전류의 크기에 따라 적절한 소자를 선택해야 합니다.
- 온도: 동작 온도 범위를 고려해야 합니다.
- 신뢰성: 장기간 안정적인 동작을 위해 신뢰성이 높은 소자를 선택해야 합니다.
- 가격: 시스템의 전체 비용을 고려하여 가격 대비 성능을 비교해야 합니다.
인버터 기술의 발전 방향
- SiC(Silicon Carbide) 및 GaN(Gallium Nitride) 소자: 기존의 실리콘 소자보다 높은 전압과 온도에서 동작 가능하며, 스위칭 속도가 훨씬 빠른 차세대 소자입니다.
- 소형화 및 고효율화: 소형 경량화 기술 개발과 함께, 더 높은 효율을 달성하기 위한 연구가 진행되고 있습니다.
- 지능형 제어: 인공지능을 활용하여 인버터를 더욱 효율적으로 제어하는 기술이 개발되고 있습니다.
●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.
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