대용량 전력변환장치용 소자와 시스템1. 서론최근 전력변환기술을 주제로 하는 파워 일렉트로닉스(Power Electronics: PE)의 발전은 전력분야, 산업기기, 정보ㆍ통신 및 가정용기기에 이르기까지 인류생활 전 분야에 걸처 매우 폭넓게 이용되어지고 있다.파워 일렉트로닉스는 전력용 반도체 디바이스(파워 디바이스)에 의한 전력변환ㆍ조정기술과 전자제어기술을 결합한 전력 시스템 기술이다.상용 전원, 코제너레이션이나 신에너지 전원과 가지각색의 에너지 이용형태를 가지는 각종 부하기기의 여러 조건을 정합시키기 위하여 직류에서 직류 또는 교류에의 변화 또는 교류에서 교류 또는 직류에의 변환이라는 단변환, 또는 복변환구조의 인터페이스로서 스위칭 모드 반도체 전력변환장치가 도입되고 있다. 또한, 전력변환장치에 사용되는 파워 디바이스는 고내압화, 대용량화, 복합기능이 진전되는 것과 함께 스위칭 속도의 향상 등의 개선이 급속히 이루어지고 있다.2. 대용량 전력변환장치용 소자전력변환 제어용의 파워반도체 소자로서는 역저지 3단자형과 역 도통형의 싸이리스터가 널리 사용되어져 왔다.그러나, 싸이리스터는 자기소호가 불가능한 소자이기 때문에 전류회로(轉流回路)가 필요한 등의 적용범위가 제한적이었으나 1970년대에 들어서 자기소호가 가능한 소자인 GTO싸이리스터 (Gate Turn-off Thyristor)와 Power MOS의 출현 및 Bipolar Transistor의 대용량화에 의해 전력변환장치의 응용범위가 급속히 확산되었고, 1980년대말 IGBT가 실용화되면서 MOS나 IGBT등의 전압제어형 소자의 출현은 제어회로의 IC화를 가능하게 하여 PE의 발전에 크게 기여를 했을 뿐만이 아니라, 전력변환용 반도체소자의 성능향상 및 특성개선에 새로운 전기를 마련했다고 할 수 있다.(1) Thyristor싸이리스터는 Turn-off기능이 없는 고내압ㆍ대용량화에 적합한 소자로서, 동작주파수가 낮은 전력계통에 흔히 사용되며, 특히 수10㎿∼수100㎿의 용량이 필요한 대전력용의 변환기 등 에서는 여러개의 소자를 직/병렬접속하여 사용하므로 개개의 소자내압 및 전류용량을 크게할 필요가 있다.또한, 고전압 회로에서 게이트회로의 절연이나 노이즈문제를 해결하기 위해 광신호 트리거가 가능한 고내압ㆍ대용량화한 광사이리스터가 요구되어지고 있다.(그림1) 사이리스터 기본 구조와 동작(2) GTO ThyristorGTO 싸이리스터는 자기소호기능을 갖는 고내압용 소자로서 80년대 초기 2.5㎸/0.8A 소자의 개발이래 최근 6㎸/6A용이 개발되어 전기차량 및 대용량 산업용 인버터에 널리 사용되고 있다.이러한 인버터는 종래 수 100㎐에서 동작하였지만 장치의 소형화/저소음화를 위해 동작주파수를 높이는 것이 바람직하나 이때 Turn-off 시간의 단축 및 스위칭 손실이 새로운 문제로 지적되고 있다.(그림2) GTO의 그림 기호(3)SI-Transistor/ ThyristorSI(Static Induction)소자는 접합게이트에 인가하는 전압에 의해 에미터전류를 제어하는 전압제어형 소자로서, SI Transistor는 수10㎒의 고주파 발진기나 증폭기등에 이용되는 고속용소자인 한편, SI-Thyristor는 고내압용으로 적합하고, GTO보다 고속이며 dv/dt 및 di/dt 내량이 우수하기 때문에 고내압ㆍ고속의 스위치로 인버터 등에 주로 사용되고 있다.현재 4㎸/400A의 역도통 SI 싸이리스터가 사용되고 있지만 4.5㎸/1㎄급 용량의 소자의 개발을 목전에 두고 있다.이러한 SIT의 특징을 다음과 같이 요약할 수 있다.- 유니폴라 스위치로써 Tail전류가 작고, 고속 스위칭동작이 가능하다.- 고내압/대용량의 제품제작이 가능하고, 전력밀도를 높일 수 있다.- 파워 MOSFET와 비교해서 On저항이 크고 도통손실도 많지만, SIT는 병렬접속이 용이함으로써, 병렬 합성저항을 저하시킬 수 있어 대전류화가 가능하다.- 파워 MOSFET과 비교해 체널부분의 구조가 단순하므로 전류써지에 강하다.- 구동ㆍ보호회로가 복잡해진다.SIT는 이러한 특징에 의해, 정격이 큰 소자는 주파수가 100㎑∼400㎑대의 대전력 인버터에 사용되며, 특히 고주파특성을 개선한 소자는 ㎒대의 고주파 인버터에 사용이 가능하다.(그림3) SI 사이리스터의 구조와 동작 원리(4) Power-MOSFET전력용 MOS 전계효과 트랜지스터인 Power-MOS는 스위칭전원 용도를 중심으로 폭넓게 사용되는 소자로서, 그 특징 및 용도를 아래와 같이 요약할 수 있다.▲ Power-MOS의 특징- 스위칭 속도가 빠르며, 100㎑ 이상의 주파수대 영역에서 효율적 사용이 가능하다.- 안전동작영역(Area of Safety Operation)이 넓다.- 고내압이되면 On저항이 급격히 높아져서 사용영역이 600V 전후로 제한된다.- 입력용량이 크고 MOS게이트 파워 반도체소자 중에서 구동전력이 가장 크다.- 내압이 200V이하의 제품에서는 On저항이 상당히 낮아 IGBT, MCT보다도 도통손실이 적어진다.- On저항은 부의 온도계수를 가지므로 병렬접속시 전류집중의 문제가 일어나지 않는다.▲ Power-MOS의 용도- 스위칭 전원- DC-DC Converter- 조명용 전자 밸런스- 디스플레이 모니터 전력변환장치- 무정전 전원공급장치- 모터 제어용 인버터 등 여러분야에 이용되고 있다.Power-MOS의 On저항은 해를 거듭할수록 저감되고 있는데 이것은 LSI의 미세 가공기술의 적용에 의한 것으로 최근, 60V 소자에서 1mΩ·㎠이하의 소자가 생산되고 있다. 그러나 저전압 회로에서는 파워소자가 On저항에 의한 손실이 중요한 문제로 대두됨에 따라 보다 낮은 On저항의 소자개발이 진행되고 있다.(그림4) 파워 MOSFET(5) IGBTMOS는 고내압화하면 On저항이 급속히 커지는 문제가 있어서 200V정도가 실용의 한계로 보고 있는 반면, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)는 MOS에 비해 On저항이 낮지만 MOS와 동등의 전압제어특성을 지니고 있으며, 또한 스위칭특성에서는 MOS보다는 늦지만 바이폴라 트랜지스터나 GTO보다 빠른 잇점으로 인해 중소용량의 인버터를 중심으로 산업용에서부터 일반가정용에까지 폭넓게 사용되고 있다.스위칭시간과 온전압의 트레이오프 또한, 소자설계의 개량과 패턴의 미세화등 개선이 진전되어 600V소자에서 온전압이 초기 소자의 1/2정도까지 저감되었다.IGBT는 MOS와 같이 LSI미세가공기술을 사용하기 위해 현재 칩 크기가 15㎟ 정도로 제한하고 있다. 더욱이 IGBT는 병렬동작이 용이하므로 복수개의 칩을 병렬접속하여 일체화한 모듈형으로 대용량화에 대응가능하다.모듈화에 있어서 단순히 복수의 IGBT칩을 병렬접속한 것이 아니라 다이오드 및 각종 보호회로를 포함한 IPM(Intelligent Power Module)화 되고 있으며, 실장설계에 있어서도 표류인덕턴스나 열저항을 저감하기 위한 새로운 기술이 속속 개발되고 있다(그림5) IGBT3. 대용량 전력변환시스템전력변환장치는 교류를 직류로 변환하는 순변환장치 또는 정류장치(좁은 의미로 컨버터라고 하는 경우도 있다), 직류를 교류로 변환하는 역변환장치 또는 인버터, 직류를 상이한 전압의 직류로 변환하는 초퍼 또는 DC/DC 컨버터, 교류를 상이한 주파수로 직접 변환하는 사이크로 컨버터, 교류의 주파수는 그대로이고 전압만 조정하는 교류전력조정기가 있다.(1) 전동기의 가변속 구동직류전동기는 직류전압을 가변하면 용이하게 제어할 수 있다. 직류전압을 가변하는 방법으로서 초퍼를 사용하여 효율적인 양호한 속도제어가 달성되게 되었다.한편, 파워 일렉트로닉스 기술이 주파수를 효율적으로 자유롭게 변환할 수 있기 때문에 유도기나 동기의 가변속 구동에 사용되어 현저한 진보를 이루었다. 이 중에서 농형 유도전동기의 가변속 구동에 있어서는 전압과 주파수의 비가 일정해지도록 변화시키는 V/f제어는 유도기의 제어법으로서 우수한 방법이긴 하지만 즉응성이 결핍된다.유도기를 직류기와 동등한 제어성능을 구비한 방법으로서 벡터 제어가 고안되었다. 또한 속도검출기를 장치할 수 없는 경우에도 적용 가능한 속도 센서리스 벡터 제어가 실용화되었다. 회로적으로는 3레벨 인버터 회로가 고안되고 GTO에 비해서 효율적이고 고주파로 동작 가능한 IGBT를 사용함으로써 출력파형이 개선되고 고조파나 전자소음이 저감되었다.(2) 철도분야에의 응용직류전화구간의 직류전동기 제어는 직류직권전동기를 초퍼제어하는 기본적인 방법으로부터 복권전동기의 분권계자에 초퍼를 접속하고 전력회생 브레이크를 개선한 방법, 타려전동기의 전기자와 계자를 별도의 초퍼로 제어하여 전진역행, 전진 브레이크, 후진역행, 후진 브레이크의 4상한의 운전을 원활하게 제어하는 방법등이 개발되어 실용화되기에 이르렀다.무정류자화에 의해 보수의 수고가 들지 않는 유도전동기의 인버터 구동은 전술한 3레벨 인버터를 사용한 차량의 실용화 등 이 분야의 진보는 눈부신 바가 있다.교류전화구간에서는 교류를 직류로 변환하는 전단계에 PWM컨버터를 사용하여 전원의 기본파 역률을 1로 유지하면서 안정된 직류전압을 만들고 후단계의 인버터로 유도기를 구동하는 방식이 실용화되었다. IGBT의 고주파동작에 의해 전원측 고조파의 저감, 제어기기의 발열손실 저감과 저소음화에 활용되고 있다.
다 이 오 드(1) 다이오드의 구조와 동작*.다이오드: 원리적으로 pn접합형과 점접촉형으로 구분.1) 다이오드의 내부 구조가.접합형나.점 접촉형(내부 구조)2) pn 접합과 정류 작용가. 구조: p.n형 반도체를 접합시켜 만든 소자나. pn접합이 정류 작용을 하는 이유ㄱ. 전압을 가하지 않을 경우 :전자, 정공의 이동은 전체적으로 퍼지지 않고 n형과 p형 접합면 가까운 곳에만 한정됨.(전압을 가하지 않았을 때)가. 전압을 n형에 (+),p형에 (-)를 가할 경우o전자, 정공의 이동이 일어나지 않으므로 전류의 흐름이 거의 없고, 다이오드는 큰 저항을 나타냄.o역 방향 전압 또는 역 전압이라함.(역방향 전압을 가했을 때)가. 전압을 n형에 (-), p형에 (+)를 가할 경우o전자, 정공의 이동이 쉬워지며, 전류가 잘 흐르고 작은 저항 값을 나타냄.o순 방향 전압 또는 순방향 전류라 함.(순방향 전압을 가했을 때)다. 정류 작용pn접합 다이오드는 단방향 특성을 가지므로, 교류 전압을 가하면 반파 또는 전파 정류를 시킬 수 있다.(2) 다이오드의 특성 표시1) 전압 - 전류 특성2)최대 정격3)전기적 특성4)이상적인 다이오드의 특성순 방향의 저항값 : 0역 방향의 저항값 : 무한대(3) 간단한 다이오드 회로1) 다이오드와 저항의 직렬 회로가.이상적인 다이오드를 생각 할 경우o순방향 전압:D의 저항값 0ID = E / R = 9 / 180 = 0.05 [A]VD = 0 [V] VR = E = 9 [V](다이오드와 저항의 직렬 회로)나. 실제의 특성을 고려할 경우oE는 키로히호프의 제 2법칙에 의해E = VD + VR = VD + RIDID = - VD / R + E / R = - VD / 180 + 0.05 [A]다. 실제의 특성을 고려할 경우o교점 K의 VD, ID의 값은VD = 0.82 [V] ID = 45 [mA]VR = E - VD = 9 - 0.82 = 8.18 [V](VD, ID를 구하는 그림)*.c.점K의 VD, ID에서 ID=45[mA] VD=0.82[V]라. 이상적인 다이오드와의 차이o VD의 차이는 0.6 - 0.9 [V] 정도o ID의 차이는 E가 크면 작다.o ID의 계산식ID = (E-VDQ) / R [A]2)정류 회로*.다이오드는 한 방향으로만 전류를 흘리므로 교류를 직류로 변환하는 정류 회로에 사용.(정류 회로)Thyristor / 사이리스터사이리스터(thyristor)란 오프(off)상태로부터 온(on)상태로, 또는 온상태로부터 오프상태로 스위칭할 수 있는 3개 또는 그 이상의 접합을 갖는 4층이상의 pnpn구조로 된 반도체 스위칭소자를 말한다.사이리스터는 바이폴러(bipolar) 트랜지스터의 일종으로 애널로그회로, 디지틀회로 등에 사용되는 바이폴러 단체디바이스로 온상태와 오프상태의 두가지 안정상태를 유지할 수 있으며 나아가 오프상태로부터 온상태로 또는 그 역의 스위칭이 가능한 셋 이상의 pn접합을 갖는 소자를 말한다.사이리스터는 일반적으로 전력용 트랜지스터에 비해 고내압에서 우수한 특성을 나타낸다.(1) 사이리스터(thyrister) =SCR(Silicon Controlled Rectifier)-. 실리콘 제어정류기△ PNPN의 4층구조△ 3개의 전극 : 애노드(Anode), 캐소드(Cathode), 게이트(Gate)△ 기호△ 작은 게이트전류로 큰 전력제어 : 조광장치, 전차의 전력조절등 광범위하게 사용[ 동작원리]① 애노드A에 (+), 캐소드K에 (-)전위를 주면 중앙의 PN접합부는 역바이어스공핍층이 생겨 SCR은 OFF(차단) 상태.② 게이트G에 IG를 흘리면 공핍층이 얇아지고 IG를 더욱증가 시키거나 VAK전압을증가시키면 공핍층은 소멸되고 SCR은 ON상태가 되어 전류(I)가 흐른다.☞ TURN ON: 턴온 ( SCR 이 OFF상태 => ON 상태),TURN OFF: 턴오프 ( ON 상태 => OFF상태)Breakover Voltage: 항복전압 ( SCR이 TURN ON될때의 VAK값. )③ SCR은 한번 ON이 되면 IG를 줄여도 OFF되지 않으며 OFF시키기 위해서는애노드 전위를 O이나 음(-)으로 만들어야 한다.GTO(Gate Turn Off Switch) : 게이트에 양(+)전류를 흘리면 ON되고, (-)전류를 흘리면 OFF되는 SCR.(2) 사이리스터의 장·단점1) 장점① 고전압 대전류의 제어가 용이하다.② 제어이득이 높고 또한, 게이트 신호가 소멸하여도 온 상태를 유지할 수 있다.③ 수명은 반영구적으로 신뢰성이 높다. 또 써지 전압·전류에도 강하다.④ 소형, 경량으로 기기나 장치의 설치가 용이하다.이들의 장점을 갖고 있는 사이리스터는 가전제품, OA기기, 산업용기기등의 전력제어 분야에서 널리 사용되고 있으며, 이후 수 10A이하의 중·소전력 사이리스터만도 여러 가지가 있다.2) 단점① 반도체소자는 고장나면 전문가의 도움이 필요하다.② 반도체 소자의 급격한 발전으로 부품의 조달이 어려울 수 있다.③ 온도와 습도에 민감하여 주위온도, 배기, 환기등의 세심한 배려가 필요하다.1) PN 접합p 형과 n 형의 불순물 반도체를 접합시킬 때p 형 접합면의 다수캐리어인 정공 -> n 형으로 이동n 형 접합면의 다수캐리어인 전자 -> p 형으로 이동-> 확산된 정공과 전자는 서로 결합하여 소멸-> p형 접합면은 음이온(-)n형 접합면은 양이온(+) -> p-n 접합면은 공핍층 형성2) 바이어스 전압의 효과바이어스 : 열 평형상태에 있는 pn접합 다이오드에 외부에서 전압원을 인가 하는 것바이어스 전압 : 인가 전압옴(ohmic) 접촉 : 접합 양단에 전압을 인가하기 위해 접촉된 금속전극과 반도체의 접촉에 있어서의 공간전하영역에 의한 접촉 전위차가 발생-> 반도체와 금속 간의 접촉을 말함3) 순바이어스를 인가정공과 전자의 이동을 도와주는 방향으로의 전압인가p 형 반도체 -> (+) 전압 인가n 형 반도체 -> (-) 전압 인가전압을 서서히 올리면p형의 정공은 양전하에 의하여 접촉면 쪽으로 밀림n형의 전자도 음전하에 의하여 접촉면 쪽으로 밀림전압을 더욱 증가하면양쪽의 다수캐리어는 접합면을 넘어 움직임p형으로 넘어온 전자는 p형 내의 정공과 재결합n형으로 넘어온 정공은 n형 내의 전자와 재결합-> 정공과 전자에 의하여 전류가 흐르게 됨[결론] 전위 장벽이 낮아지고 전류가 잘 흐름순방향 바이어스에 대한 그림은 다음과 같다4) 역바이어스를 인가정공과 전자의 이동을 방해하는 방향으로의 전압 인가p 형 반도체 -> (-) 전압 인가n 형 반도체 -> (+) 전압 인가전압을 서서히 올리면
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[전력전자] 대용량 전력변환장치용 소자와 시스템
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