국제테크노정보연구소 기술자료 출판부

      파워 MOSFET,IGBT,지능형 파워모듈(IPM)의 해설과 응용
      전력소자 IGBT,IPM 응용실무

파워 디바이스(전력용 반도체)는 명확한 정의는 없지만 1W 이상의 전력을 제어할 수 있는 능력을 가진 반도체를 일컫는다. 파워 디바이스는 수W에서 GW급까지의 전력변환이나 제어를 하는 반도체로, 정류 다이오드, 바이폴러 트랜지스터, 사이리스터, GTO, 다이액, 트라이액, 파워 MOS FET, IGBT, IPM(지능형 파워모듈) 등이 널리 알려져 있다.
파워 디바이스는 반도체 중에서도 매우 오랜 역사를 가지고 있으며, 그 탄생은 약 50년 전으로 거슬러 올라간다. 이를테면 바이폴러 트랜지스터 발명은 1947년, 사이리스터는 1957년으로, 당초에는 저내압, 소용량에서 출발하였고, 그후 눈부시게 진보를 거듭하여 고내압, 대전류, 고속 고주파, 고기능화로 발전되었다. 1990년 이후 파워 MOS FET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), IPM(Intelligent Power Module) 등, 고속 MOS계 파워 디바이스 및 그들의 모듈 제품이 출현함으로써 그 응용분야가 단숨에 확대되었다.
파워 디바이스의 응용 사례를 살펴보면, 우선 가정에서는 에어컨, 냉장고, 세탁기, 청소기, 조광장치 등의 인버터 장치, IH(Induction Heating: 유도가열) 조리기에는 고주파 인버터용 IGBT가 사용된다. TV 수상기의 전원부에는 MOS FET, 소자회로에 사이리스터, 카메라 플래시에는 IGBT 또는 IPM이 널리 사용되고 있다. 그리고 요즘에는 PDP(플라즈마 디스플레이 패널)에는 수많은 MOS FET가 사용되고 있다.
교통 관련분야에서도 살펴보면, 파워 디바이스의 응용은 너무 많다. 하이브리드 카(Hybrid Electric Car) 모터의 인버터와 발전기의 컨버터 제어용으로, 종류에 따라 수백에서 수천 VA급의 IGBT와 IPM이 사용되고 있다. 자동차 엔진의 점화장치에는 바이폴러 트랜지스터나 IGBT, 제어용 IC를 1패키지에 수용한 파워 IC(몰드파워)가 사용되고 있다. 그 외에 바이폴러 트랜지스터, 파워 MOS FET 등을 박막 기판상에 조립한 HIC 및 1칩화된 스마트파워 IC 등, 파워 디바이스가 차량 제어계통과 헤드램프, 파워 윈도우, 파워시트, 미러 등 곳곳에 사용되고 있다. 도로에는 교통신호 램프의 점등 제어를 비롯하여, 도로 표시판의 램프 제어에 IGBT, 사이리스터 등이 사용되고 있다. 항공과 철도관련의 전동차와 전철의 제어에는 고내압 IGBT(HV IGBT) 모듈, GTO, 구동과 보호 및 자기진단회로를 내장한 HV IPM 등의 MOS계 파워 디바이스가 주류이다.
사무실과 공장에도 도처에 파워 디바이스가 사용되고 있다. 예를 들면, 엘리베이터 제어에는 IGBT 모듈이나 IPM이 불가피하다. 초고층 빌딩에서 분속 750~900m의 엘리베이터 제어에는 1200V, 600A급의 IGBT 모듈이 사용되며, 빌딩의 옥상에 제어실을 갖추지 않은 기계실 에리베이터에는 제어반을 슬림으로 설계할 수 있는 IPM이 사용되고 있다.
형광등의 인버터에는 MOS FET, 안전 보안용의 화재경보기, 누전차단기, 비상등, 무정전장치(UPS, CVCF 인버터), 전력을 절약하기 위한 목적의 파워세이브 회로, 심지어 프린터 CRT 모니터, FAX, 전화에도 IGBT, IPM 등의 파워 디바이스가 사용되고 있다. 공장에서는 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC), 로봇 관련 제어장치, 컴퓨터 제어 공작기계(CNC), 크레인, 호이스트, 벨트컨베이어, 자동반송기계 등의 모터 제어용 인버터에는 IPM과 IGBT는 필수적이다.
이 외에 제련소나 제지공장의 압연기에는 수천 kW 이상의 인버터가 필요하며, 여기에는 대용량 GTO, IGCT, 고내압 IGBT 모듈이 사용되고 있다. 유도가열과 고주파 가열장치, 다이본딩, 와이어본딩 장치, 플라스틱 성형기, 풍력발전 및 태양광 발전의 컨버터에는 1200V~1700V, 800A급의 IPM이나 IGBT가 사용되며, 마이크로가스터빈이나 연료전지 등에도 IPM 또는 IGBT 모듈 등의 파워 디바이스가 사용되고 있다. X선장치, MRI, CT와 같은 의료기기의 전원부에는 고속 IGBT 모듈 등이 사용되고 있다. 이와 같이, 일부에 지나지 않은 사례를 들었지만, 고전압 대전류를 취급하는 전기응용 기기류는 대부분이 파워 디바이스가 핵심 부품으로 사용되고 있다.
지금까지의 파워소자라고 하면 사이리스터나 트라이액, 파워 트랜지스터 등이 일반적이었다. 현재의 파워소자는 파워 MOS FET나 IGBT, IPM으로로 변화되어가고 있다. 더구나 사용하기 쉬워진 IPM과 트렌치 IPM이 새로운 제품 설계의 주류로 자리잡아가고 있다.
이렇게 무궁무진한 파워소자의 응용에 대한 전문서는 지금까지 거의 찾아 볼 수 없었다. 본서에서는 최근 파워소자의 주류인 IGBT와 IPM을 중심으로 기본 설계법과 시스템 응용설계 기법에 대해 실례를 통하여 심도깊게 해설한다.

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주요 내용

■ 파워 디바이스의 제품 기술 동향

■ Power MOS FET와 IGBT의 구조 해설

■ MOS계 전력소자의 특성을 보는 방법

■ MOS FET, IGBT의 드라이브 회로 설계법

■ 파워 디바이스의 보호와 대전력화 기법

■ 파워 디바이스 응용회로의 기본

■ 형광등 회로에 파워 MOS FET의 응용

■ 전력제어용 인텔리전트 파워소자의 사용법

■ IGBT, IPM의 범용 인버터에 대한 응용

■ 인버터 에어컨의 IPM 응용기술

■ 세탁기에 IPM을 응용한 시스템 구성과 해설

■ 태양광 발전 시스템에 IPM 응용기술

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