요약
주요 내용:
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IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistors)는 PT(Punch Through), NPT(Non-Punch Through), FS(Field Stop)의 세 가지 구조로 제공되며, 단일 소자 또는 모듈 형태로 사용됩니다.
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전력 전자 기술의 스펙트럼은 연속적입니다. IGBT의 오른 쪽에는 가장 전력이 높은 SCR(Silicon Controlled Rectifier, 실리콘 제어 정류기)과 GTO(Gate Turn-Off thyristor, 게이트 턴 오프 사이리스터)가, 왼쪽에는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, 금속-산화막-반도체 전계효과 트랜지스터)이 있습니다. 최근에는 IGBT가 초고전력 영역으로 확장하고, MOSFET은 SiC 기술의 발전으로 IGBT 영역으로 진입하면서 이 경계가 변하고 있습니다.
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FS 타입 IGBT는 이전의 PT 및 NPT 타입을 대부분 대체했습니다. 디지키의 공개 카탈로그 기준으로 FS 모듈의 가용성
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IGBT는 매우 강력한 소자이지만, 정전기 방전(ESD)에 취약해 MOS 게이트가 손상될 수 있습니다.
그림 1: 디지키에서 공급하는 가장 대형 IGBT 모듈 중 하나인 Infineon FZ2400R17HP4B2BOSA2의 이미지. 이 IGBT 모듈의 정격은 1700V, 2400A입니다.
절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)에는 펀치 스루(PT), 비 펀치 스루(NPT), 필드 스톱(FS)과 같은 다양한 종류가 있습니다. 이 게시글에서는 현재 및 차세대 기술 동향에 초점을 맞춰 IGBT 제품군을 간략하게 소개합니다.
우선 IGBT는 그 기원이 1960년대 후반으로, 비교적 최근에 발명되었습니다. 1990년대에 본격적으로 발전하기 시작해 2000년대에 들어서면서 가장 전력이 높은 분야를 제외한 대부분의 고전력 응용 분야에서 사이리스터를 대체하면서 주류로 자리 잡았습니다.
신형 세탁기의 모터 구동 장치에서 1,000마력의 산업용 구동 장치에 이르기까지, 다양한 분야에 IGBT가 사용되고 있을 가능성이 높습니다. 제조업체들은 이 기술의 전력 한계를 지속적으로 확장하고 있으며, 그 결과물 중 하나가 그림 1에 있는 Infineon FZ2400R17HP4B2BOSA2와 같은 고전력 소자입니다. 이 소자는 최대 정격이 1700V, 2400A이며, 전력 손실은 13kW에 달하지만, 게이트 정격은 +/- 20V에 불과합니다.
기술 팁: 매우 강력한 소자일지라도 게이트 단자에 정전기가 가해지면 쉽게 손상될 수 있으므로 IGBT 취급 시 각별한 주의가 필요합니다. 일부 IGBT 모듈은 매우 크기 때문에 이러한 취급 주의가 반직관적일 수 있지만, 모든 IGBT는 모든 MOSFET과 마찬가지로 금속 산화물 게이트 구조를 가지고 있습니다. 게이트 전압이 ±20V를 초과하면 유전체가 파괴될 수 있으며, 이 손상이 즉시 드러나지 않더라도 소자의 수명은 결국 단축됩니다.
IGBT 및 MOSFET를 보관하거나 취급할 때는 항상 정전기 방전(ESD) 보호 절차를 철저히 준수해야 합니다.
전력 전자 소자의 요구사항
전력 전자 소자의 요구사항은 일반적으로 아래 요소들의 측면에서 결정됩니다.
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기본적인 전압 및 전류 특성
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효율
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턴 온 및 턴 오프 시간을 포함한 속도
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단락, 전압 과도 현상, 열적 문제에 대한 내성
동시에, 응용 분야에 따라 적합한 소자가 다르다는 점을 인식할 필요가 있습니다. 예를 들어, 가정용 인덕션에 최적화된 소자는 소형 모터 드라이브나 용접기에 최적화된 소자와는 전기적 및 기계적 요구사항이 다를 것입니다. 따라서, 반도체 설계자는 해당 응용 분야에 대한 성능을 최적화할 수 있도록 특정 소자 성능을 선호하게 됩니다. 그 결과, 각각의 특화된 응용 분야를 위한 다양한 종류의 IGBT가 개발되었습니다.
수년간 IGBT 기술은 이러한 특화된 시장에 초점을 맞추며 꾸준히 발전해 왔습니다. 반도체 설계자들은 초기에는 PT 구조를 사용하다가, 이후에는 NPT, 그리고 FS 구조로 이어지며 특화된 응용 분야용으로 다양한 소자들을 개발해 왔습니다. 이러한 기술 발전은 SiC(실리콘 카바이드)와 GaN(갈륨 나이트라이드) 같은 신소재 기술의 등장으로 앞으로도 계속 이어질 것으로 보입니다. 또한, MOSFET과 IGBT의 응용 분야 간 경계가 점점 모호해지고 있다는 점도 주목할 만합니다. 현재 IGBT가 여전히 고전압·고전류 응용 분야에서 주류이지만, MOSFET 역시 그 뒤를 바짝 추격하고 있습니다.
IGBT의 물리 구조
PT, NPT, FS IGBT의 근본적인 물리 구조를 살펴보면, PT와 NPT는 내부의 N층과 P층의 두께 및 도핑 정도에 차이가 있다는 점을 제외하면 유사하다는 것을 알 수 있습니다. FS는 이름에서 알 수 있듯이 전계 특성을 제어하기 위해 트렌치(trench)-유사 구조를 포함하고 있습니다. 이러한 내부 물리 구조와 반도체 이론에 대한 상세한 논의는 본문의 범위를 벗어나므로, 보다 자세한 내용은 하단의 링크를 참고해 주시기 바랍니다.
DigiKey에서 제공하는 제품
PT, NPT, FS IGBT 간의 차이를 보다 명확히 이해하기 위해, 디지키에서 제공하는 제품들을 비공식적으로 검토해 보았습니다. 처음 시작 했을 때, 스위칭 속도(t-on 및 t-off), 포화 전압, 최대 전류와 같은 항목에서 명확한 데이터상의 추세를 확인할 수 있을 것이라고 생각했습니다.
그래서 VCE가 약 1000V 범위이며 정격 전류가 100A 수준인 소자에 초점을 맞춰 검토를 시작했습니다. 그러나 다양한 제품군 간에 특성이 상당히 겹치기 때문에 이러한 방식은 적절하지 않았습니다. 다시 말해, “평균적인” IGBT를 살펴보는 것은 큰 의미가 없었습니다.
IGBT 동향
대신, 전반적인 경향을 파악하기 위해 평균이 아닌 양끝을 살펴봐야 합니다.
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보급 현황: 현재 판매 중인 제품 기준으로 보면, FS 소자가 이산소자형과 모듈형 IGBT 모두에서 지배적입니다. 특히 IGBT 모듈의 경우 FS 소자가 다른 기술에 비해 거의 10배 가까이 많습니다.
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전압: FS 소자는 VCE(max) 기준으로 중간 수준에 해당하는 것으로 보입니다. FS 소자의 최고 전압은 약 1800V이며, PT와 NPT는 각각 최대 4500V 및 3000V입니다.
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스위칭 시간: 카테고리마다 특성이 겹치는 부분이 많지만, FS 소자는 일반적으로 턴 온 시간이 다소 느리고, PT 소자는 턴 오프 시간이 빠른 경향이 있습니다. NPT 및 FS 소자는 PT에 비해 약 절반 정도의 속도로 턴 오프 됩니다.
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MOSFET: 특화된 응용 분야를 알아볼 수록, IGBT와 MOSFET간의 경계는 모호해집니다. 예를 들어, 그림 2에 있는 Wolfspeed CAB400M12XM3은 IGBT와 크게 다르지 않습니다. 이 SiC MOSFET 모듈의 최대 전압은 1200V이며 드레인 전류는 400A입니다.
글을 맺으며
이 글을 처음 시작할 때는 간단할 것이라고 생각했습니다. 제가 하고자 했던 것은 PT, NPT, FS 타입 간의 차이를 디지키의 물류 관점에서 보여주는 것이었습니다. 몇 시간을 들여 분석했지만 결과는 그리 명확하지 않았습니다. “평균적인” 1000V, 100A급 IGBT의 특성들이 서로 상당히 겹쳐 있었기 때문입니다. 결국 우리는 보급 현황과 최대 한계값 측면에서 의미 있는 차이를 찾아야 했습니다.
PT는 빠르지만, FS는 널리 사용됩니다.
놀랍게도 MOSFET과 IGBT는 밀접한 연관성을 가지고 있으며, 특히 SiC와 GaN 같은 새로운 반도체 기술이 발전함에 따라 두 소자의 경계는 점점 더 모호해지고 있습니다. 앞으로 10년 후, 이 판도가 어떻게 변화했을지 다시 확인해 볼 필요가 있습니다.
혹시 이 글에서 빠진 내용이 있나요?
그렇다면, 댓글에서 함께 이야기해 보시죠.
감사합니다,
APDahlen
관련 정보
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저자 소개
미합중국 해안경비대(USCG) 소령(LCDR)으로 전역한 Aaron Dahlen은 디지키에서 애플리케이션 엔지니어로 근무하고 있습니다. 27년간의 군 복무 동안 기술자 및 엔지니어로서 쌓아온 그 만의 전자 및 자동화에 대한 지식은 12년간의 교단을 통해 (상호 연계되어) 더욱 향상되었습니다. 미네소타 주립대학, Mankato에서 전기공학 석사(MSEE) 학위를 받은 Dahlen은 ABET(Accreditation Board for Engineering and Technology, 미국 공학 기술 인증 위원회) 공인 전기공학 과정을 가르치고, EET(Electrical Engineering Technology, 전기공학 기술) 과정의 프로그램 조정관으로 일했으며, 군 전자 기술자에게 부품 수준의 수리에 대해 가르쳤습니다. 미네소타 주 북부의 집으로 돌아와 이런 류의 연구와 글쓰기를 즐기고 있습니다.
영문 원본: Introduction to IGBT Types: PT, NPT, FS, plus Power Electronics Trends