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IGBT
IGBT(아이지비티) 또는 절연 게이트 양극성 트랜지스터는 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터를 게이트부에 짜 넣은 접합형 트랜지스터이다. IGBT는 "Insulated Gate Bipolar Transistor"의 약자이다.
개요
IGBT는 1980년도 초에 개발되었으며, 빠른 스위칭 속도와 전력 손실이 작은 모스펫(MOSFET, 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터)와 낮은 온 상태 전류에서도 전도 손실과 큰 항복 전압을 가져 높은 전류 구동이 가능한 양극성 접합 트랜지스터(BJT)를 결합시킨 전력 소자이다. 즉, 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터와 양극성 접합 트랜지스터의 장점을 모두 가진 트랜지스터이다. 전압 제어 전력용 반도체이기 때문에, 고속, 고효율의 전력 시스템에서 요구되는 300V 이상의 전압 영역에서 널리 사용되고 있으며, 양극성 접합 트랜지스터보다 빠르지만 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터보다 스위칭 속도는 떨어진다. 게이트와 이미터 간에 입력 임피던스가 매우 높아서 양극성 접합 트랜지스터보다 구동하기 쉬우며, 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터보다 훨씬 큰 전류를 흘릴 수 있다.[1] IGBT는 일반 가전제품은 물론 산업용 모터 드라이브, 태양광 설비, 기차, 배터리 충전소 등 매우 다양한 범위에서 활용되고 있다. 전 세계적으로 보급이 확대되고 있는 순수 및 하이브리드형 전기차 산업에서도 핵심 부품으로 꼽힌다. 에너지 효율성이 가장 중요한 전기차에서 IGBT는 전력손실을 줄이면서도 성능을 높이는 역할을 맡고 있다.[2]
특징
IGBT는 파워 반도체 디바이스의 트랜지스터 분야로 분류된다. 파워 반도체 디바이스에서 IGBT 이외에 대표되는 것으로, 모스펫, 바이폴라 등이 있으며, 주로 반도체 스위치 용도로 사용된다. 각각 대응 가능한 스위칭 속도에 따라, 중속에서는 바이폴라, 고주파 영역에서는 모스펫이 적합하다. IGBT는 입력부가 모스펫 구조, 출력부가 바이폴라 구조인 복합 디바이스로, 전자와 전공의 2종류 캐리어를 사용하느 바이폴라 소자이면서, 낮은 포화 전압과, 비교적 빠른 스위칭 특성을 양립시킨 트랜지스터이다. 비교적 빠른 스위칭 특성이라고 해도, 파워 모스펫에 비해서는 열등하다.[3]
특성
- 절연 최대정격: 절대 최대정격에는 IGBT의 각 단자에 인가할 수 있는 전압이나 전류, 온도 등 어떠한 경우에도 절대로 초과해서는 안 되는 중요한 특성값이 기재되어 있다. 장치설계 시에는 IGBT의 책무를 잘 검토하여 절대 최대정격을 초과할 수 없는 사용조건으로 하거나 반대로 사용조건에 대해 충분히 여유가 있는 제품을 선택해야 한다.
- 출력 특성: IGBT가 ON일 때의 컬렉터-이미터간 전압 VCE와 컬렉터 전류 IC와의 관계를 나타내는 특성이다. ON 전압은 게이트-이미터간 전압 VGE에 의해 변화되며 VGE가 12V 정도 이상에서 거의 포화상태로 된다. 활성영역에서는 IGBT에서 발생하는 손실이 매우 크기 때문에 이러한 상태에서 사용하는 것은 바람직하지 않다.
- 스위칭 특성: 스위칭 용도로 사용되고 있는 IGBT 응용기기에서는 IGBT의 스위칭 특성을 충분히 이해해야 한다. 또 스위칭 특성은 다양한 파라미터에 의해 변화하기 때문에 이러한 점도 고려하여 장치를 설계해야 한다. 스위칭 특성은 스위칭 시간과 스위칭 손실로 크게 나눌 수 있다.
- 용량 특성: IGBT의 사양에는 게이트 차지 특성이 규정되어 있다. 게이트 차지 용량에 대한 VCE와 VGE의 변화를 나타낸 것이다.
- 안전동작 영역: IGBT를 턴 오프시킬 때, 안전하게 턴 오프 동작시킬 수 있는 VCE-IC 동작 궤적범위를 역바이어스 안전동작 영역이라 한다. 턴 오프의 VCE-IC 동작궤도가 이 범위에 들어가도록 스너버 회로를 설계한다. 또 단락 사고 등 대전류를 차단하는 경우에는 비반복에서의 안전동작 영역이 규정되어 있다.
- 열저항 특성: IGBT의 케이스, 접합부의 온도 상승을 계산하거나 냉각체 설계에 사용하는 과도 열저항 특성이 있다.[4]
구조
N채널 모스펫의 드레인 측에 P 콜렉터를 추가한 구조이다. P 콜렉터로부터의 정공의 주입에 의해, N 베이스층의 도전율 변조가 일어나 저항이 저하한다. 스위칭 시간과 온전압의 트리거오프 또한 소자설계의 개량과 패턴의 미세화 등 개선이 진전되어 600V 소자에서 온전압이 초기소자의 1/2 정도까지 저감되었다. IGBT 는 MOS와 같이 LSI 미세 가공기술을 사용하기 위해 칩 크기가 15㎟정도로 제한하고 있다. 더욱이 IGBT 는 병렬동작이 용이하므로 복수개의 칩을 병렬접속하여 일체화된 모듈형으로 대용량화가 대응 가능하다. 모듈화에 있어서 단순히 복수의 IGBT 칩을 병렬접속한 것이 아니라 다이오드 및 각종 보호회로를 포함한 IPM(Intelligent Power Module)화되고 있으며 실장설계에 있어서도 표류인덕턴스나 열저항을 저감하기 위한 새로운 기술이 속속 개발되고 있다.[5] 때문에, 모스펫과 비교하면 고전압용에 적합하다. 한편, 주입한 캐리어의 소멸에 시간이 걸리기 때문에 턴오프 시간이 길어진다.[6]
펀치스루형
펀치스루형은 1980년대부터 제조되고 있다. 오프시에 공핍층이 콜렉터측에 접촉하고 있는 것이며, 에피텍셜 웨이퍼를 사용해 콜렉터측으로부터 캐리어를 고농도로 주입하여 라이프타임 컨트롤을 실시하는 설계이다.
- 에피텍셜 웨이퍼를 사용하기 때문에 가격이 비싸다.
- 라이프타임 컨트롤 때문에, 고온에서 스위칭 손실이 증가한다.
- 고온으로 On 전압이 저하하여, 병렬 사용시에 특정 소자에 전류가 집중되어 파손 원인이 되기도 한다.
- 최근에는 웨이퍼의 두께를 얇게 하여 콜렉터측의 주입을 억제하는 것을 통해 상기의 결점을 극복한 것이 개발되어 있다.[6]
논 펀치스루형
웨이퍼 가공기술의 진보에 의해 1990년대 중순부터 제조되고 있는 것이다. Off 시에 공지층이 콜렉터측에 접촉하지 않는 것으로, 플로팅 존 웨이퍼를 사용하여 콜렉터측의 캐리어 주입 농도를 낮춰 효율을 높이고 있다.
- 플로팅 존 웨이퍼를 사용하기 때문에 가격이 저렴하고, 결정 결함이 적어 신뢰성이 높다.
- 고온에서 On 전압이 상승하여, 전류 분포가 균일하게 되므로 병렬 사용에 유리하다.
- 2000년대부터, 트렌치 게이트 구조나 콜렉터측에 필드스톱층을 형성한 On 전압이 낮고 스위칭 손실도 적은 것도 제조되고 있다.[6]
강점과 약점
IGBT도 모스펫과 마찬가지로 게이트에 전압을 가함으로써 p 기준층이 반전되고 채널이 형성되어 ON이 된다. 컬렉터 전극 측에 p층에 추가되므로 p층에서도 홀이라 불리는 전하가 발생해 전자와 홀에 의한 전도도 변조가 일어난다. 전도도 변조가 일어나면 겉보기 전하가 증가하는 현상에 의해 n 기준층 저항은 1/10 이하까지 하락한다. IGBT는 컬렉터 측 p층 덕분에 모스펫에 비해 컬렉터-이미터 사이의 내압을 높여도 ON 저항이 증가하지 않는다. 이와 같이 전자와 홀이라는 두 종류의 전하에 의해 전류를 흘리는 IGBT는 바이폴라 디바이스라고 하며, 모스펫과 비교해 내압을 높여도 ON 저항이 낮은 상태로 대용량화할 수 있다. 전자와 홀 두 종류로 전류를 흘리는 IGBT는 턴오프 시 캐리어 소멸에 시간이 걸린다는 단점이 있다. 이러한 특성 때문에 스위칭 속도가 모스펫보다 한 자릿수 정도 느려진다. IGBT에서는 컬렉터-이미터 간 전압 0.7V 부근부터 전류가 급격하게 상승한다. 이 0.7V는 컬렉터 측에 추가된 p층과 n 기준층으로 구성되는 pn 다이오드의 순방향 전압에 상당한다. 모스펫과 비교하면 ON 저항이 낮다.[7]
적용 분야
IGBT의 기본적인 특성은 적용 시스템의 전압에 따른 소자 내압을 기본으로 하여 도통 상태의 소자 전압 강하인 VCE(sat)에 의해 결정되는 정특성, IGBT의 On/Off 스위칭 속도에 의해 결정되는 동특성, 단락회로 견고성 등으로 나뉘어 질 수 있다. 이들 관계는 상호 트레이드 오프 관계를 가지고 있다. 즉, 일반적으로 낮은 VCE(sat)를 갖는 IGBT는 스위칭 오픈 손실이 크고, 높은 VCE(sat)의 IGBT는 스위치 오프 손실이 작은 관계를 가지고 있다. 따라서 IGBT는 적용 시스템의 동작 주파수에 따라 적절히 선택되어야 한다.
- 400V 급 IGBT의 경우 디지털카메라의 스트로브에 적용되는 대전류, 저속의 트랜치 IGBT와 자동차 엔진 점화장치에 사용되는 점화 IGBT등이 있다.
- 600V 급 IGBT의 경우 110V 전원을 사용하는 산업용 및 일반용 모터 구동용 인버터, 공진 인버터, UPS, SMPS 등에 적용되는 단락 회로 정격 IGBT 및 고속 스위칭 IGBT등이 있다.
- 1200V 급 IGBT의 경우 220V 3상 전원을 사용하는 용도에 주로 사용되는데, 산업용 모터 구동 인버터에는 모듈 형의 IGBT, 공진 인버터에는 단품 패키지 형태의 IGBT가 주로 사용된다.[8]
자동차
IGBT는 자동차용 모터를 제어해 주기 때문에 성능에 따라 자동차 주행 성능과 전력 효율이 좌우된다. 친환경 자동차 수요가 늘면서 더욱 각광 받는 추세다. 그동안 도시바, 토요타, 미쓰비시 등 일본 기업이 세계 IGBT 시장을 지배했다. 시장 점유율이 72%에 달했다. 한국 기업이 도전한 사례가 없었으나 2009년 삼성전자가 관련 부품을 개발하기 시작했다. LG전자와 현대 오트론도 IGBT를 포괄하는 자동차용 반도체를 개발할 계획이 있는 것으로 확인됐다. 시장 조사 업체 스트래티지애널리틱스는 IGBT를 비롯한 자동차용 전력 반도체 시장이 매년 평균 9%씩 성장해 2015년 80억 달러에 이를 것으로 내다봤다.[9] 인피니언테크놀로지스는 80kW~100kW 전력 등급의 전기차 트랙션 인버터용 IGBT 전력 모듈 'HybridPACK DC6i'을 출시했다고 밝혔다. 이 제품은 6팩 모듈로, 하이브리드 및 소형 배터리 전기차에 최적화됐다. 우수한 가격대 성능비를 제공하며 열 관리가 매우 우수하고 통합하기도 쉽다. 전세계적으로 전기차 도입이 빨라지면서 업계에서는 비용효율적인 트랙션 인버터 설계에 집중하고 있다. 이를 위해서는 전력 모듈 선택이 매우 중요하다. 시스템 디자이너들은 필요한 성능을 위한 최적의 실리콘 면접을 갖춘 모듈울 원한다. 인피니언 제품군에서 'HybridPACK DC6i'는 기존 하이브리드팩(HybridPACK1) 제품군과 하이브리드팩 드라이브(HybridPACK Drive) 제품군 사이의 중간으로, 비용 대비 성능이 좋다.[10]
각주
- ↑ 〈절연 게이트 양극성 트랜지스터〉, 《두산백과》
- ↑ 장경윤 기자, 〈IGBT, 전기차 시대 가속화로 시장 규모 연평균 '7.5%' 성장 전망〉, 《디일렉》, 2021-08-19
- ↑ 전기공사 이야기, 〈https://electriceng.tistory.com/331〉, 《티스토리》, 2021-03-25
- ↑ akeangel1, 〈IGBT〉, 《네이버 블로그》, 2012-04-09
- ↑ 〈IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)〉, 《건설종합기술정보》
- ↑ 6.0 6.1 6.2 〈절연 게이트 양극성 트랜지스터〉, 《위키백과》
- ↑ 〈(파워 일렉트로닉스) 고내압·대전류를 ON/OFF하기 위한 파워 트랜지스터 IGBT의 기초〉, 《헬로티》, 2021-07
- ↑ 기술지식/반도체전자전기, 〈IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)는?〉, 《메카피아》, 2011-11-11
- ↑ 〈절연 게이트 양극성 트랜지스터〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 김주연 기자, 〈인피니언, 전기차에 최적화된 IGBT 전력 모듈 내놔〉, 《키포스트》, 2020-08-11
참고자료
같이 보기
