전력용 반도체 스위치는 전력전자 시스템에서 가장 중요한 요소이다. 전력용 반도체 스위치는 On/Off의 단순 동작이 아닌 매우 복잡하고 취급이 어렵다.
전력용 반도체 스위치에는 다이오드와 같이 인가되는 전압의 극성에 따라 스위칭 상태가 달라지는 유형과 외부에서 게이트 신호 등을 인가할 때에만 도통되는 유형이 있다. 공통적인 특성으로는 스위치 양단의 인가전압이 음극(-)으로 되면 오프 상태로 변환되는 것이 있다.
전력용 반도체 스위치는 제어 특성에 따라, 동작 방향성에 따라 여러 종류로 각각 나누어진다.
On/Off 제어 특성에 따른 분류
1) 온•오프 제어 불가 소자
다이오드(diode)는 소자에 인가되는 외부 전압과 전류의 조건에 의해 턴온되거나 턴오프되는 소자이다.
2) 온 제어 가능 오프 제어 불가 소자
사이리스터(SCR)는 제어 신호에 의해 턴온 되지만, 일단 턴온되면 외부 회로의 전압, 전류 조건에 의해서만 턴오프되는 스위칭 소자이다.
이러한 제어 특성을 갖는 스위칭 소자로 구성된 전력 변환 회로는 필요한 시간에 소자를 오프 하기 위해 전류 회로를 부가하여 스위칭 소자가 오프 되기 위한 조건을 강제로 조성해야 한다.
3) 온•오프 제어 가능 소자
GTO, MOSFET, IGBT 등의 소자가 있으며 외부 회로의 조건에 관계없이 스위칭 제어 신호에 의해 턴온, 턴오프되는 특성이 있다.
동작 방향성에 따른 분류
전력용 반도체 스위치는 동작에 방향성을 갖는다. 전력용 반도체 스위치는 오프 되었을 때 전압의 극성에 따라 양방향 전압 저지 소자와 단방향 전압 저지 소자로, 전류의 방향에 따라 양방향 전류 소자와 단방향 전류 소자로 구분된다.
1) 단방향 전압 저지 소자
- 소자가 오프된 상태에서 인가되는 전압의 극성 가운데 한쪽 방향의 극성에 대해서는 전류를 흘리지 않으나 반대 극성의 전압이 인가되면 파괴되거나 도통하는 소자이다
- Diode, BJT, MOSFET 등
2) 양방향 전압 저지 소자
- 소자가 오프된 상태에서 인가되는 양방향 극성의 전압에 대해 견딜 수 있는 소자이다
- SCR, GTO, IGBT, MCT 등
3) 단방향 전류 소자
- 소자가 온 상태에서 한쪽 방향으로만 전류를 흘릴 수 있는 소자이다
- Diode, SCR, GTO, BJT, MOSFET, IGBT 등
4) 양방향 전류 소자
- 소자가 온 상태에서 양쪽 방향으로 전류를 흘릴 수 있는 소자이다
- TRIAC, 역 도통 SCR
게이트 신호의 특성에 따른 분류
게이트 펄스가 필요한 소자는 SCR, GTO, MCT이고 지속적인 게이트 신호가 필요한 소자는 BJT, MOSFET, IGBT, SIT 소자이다.
SCR, GTO 및 MCT는 동작 시 좁은 폭의 제어 신호를 필요로 하므로 펄스 트리거 소자라고 부른다. BJT, MOSFET, IGBT는 트리거를 위해 직류 전압 또는 전류가 필요하므로 이러한 소자를 인가 신호에 종속적인 소자라 할 수 있다.
전력용 반도체 스위치의 구동
스위칭 소자의 제어 단자인 게이트 혹인 베이스에 신호를 인가하는 회로는 게이트 구동 회로 혹은 베이스 구동 회로라고 부른다.
일반적으로 스위칭 신호가 존재하는 주회로의 전압과 제어 회로의 전압은 서로 다르므로 절연이 필요하며, 포토커플러나 펄스 변압기가 사용된다.
전력용 스위칭 소자에는 전류로 구동되는 SCR, GTO, BJT 등의 전류 구동형 소자와 MOSFET, IGBT와 같은 전압 구동형 소자가 있다.
전압 구동형은 전류 구동형에 비해 구동 전력이 작고 구동 회로가 간단하며, 고주파 동작에 적합하다. 구동 회로의 조건은 소자를 턴온, 턴오프시킬 시점에서 신호를 인가할 것, 신호의 상승 시간이 고속일 것, 노이즈에 의한 오동작을 억제시켜야 한다.
P형 반도체와 N형 반도체
1) P형 반도체
제4가의 원소인 실리콘이나 게르마늄에 제3가의 갈륨이나 인듐과 같은 불순물을 미량 첨가하면 원자들의 공유 결합으로 전자가 한 개 부족한 상태로 인해 정공이 생긴다. 이러한 상태의 반도체에 전기장이 가해지면 정공이 결정 안을 이동하여 전류가 흐르게 된다. 정공을 생성하는 불순물을 억셉터라 하고, 그 에너지 준위를 억셉터 준위라고 한다.
2) N형 반도체
제4가의 원소인 실리콘이나 게르마늄에 제5가의 원소인 안티몬이나 비소, 인 등을 미량 첨가하면 원자들의 공유 결합으로 여분의 전자가 한 개 생긴다. 이때 이 전자를 과잉 전자라고 하는데, 약간의 에너지에도 원자의 구속에서 벗어나 자유롭게 이동하여 전류가 흐르게 된다. 과잉 전자를 생성하는 불순물을 도너라 하고, 그 에너지 준위를 도너 준위라고 한다.
3) P-N 접합 반도체
반도체 스위치를 구성하는 기본이 되며 외부 전계에 의해 접합면 양쪽의 소수 캐리어는 접합면의 다른 쪽으로 이동하게 된다. 이러한 과정은 양쪽의 전하를 감소시키고 전위 장벽을 낮게 한다. 접합면에서 이와 같은 소수 캐리어의 흐름을 전계 전류 또는 역방향 포화 전류라고 한다.
도체, 부도체, 반도체
1) 도체
- 전기가 잘 통하는 물질
- 구리, 은, 백금, 주석 등
2) 부도체
- 전기가 통하지 않는 물질
- 백운모, 석영, 고무 등의 절연체
3) 반도체
- 도체와 부도체 사이의 물질
- 게르마늄, 실리콘 및 기타 금속 화합물
- 전류를 흘릴 수 있는 성질
- 음(-)의 온도 계수
4) 진성 반도체
- 불순물이 매우 적은 반도체
- 실리콘의 결정 구조에서 에너지를 받은 전자는 결합을 이탈하여 자유 전자가 되고, 그 빈자리는 정공이다. 이 정공에 인접한 다른 원자의 결합 전자가 이 정공을 메우기 위해 쉽게 이동한다
5) 순수 반도체
- 충분한 전도성이 없으나, 불순물 첨가 시 전도성이 크게 증가
- 첨가된 불순물의 내용에 따라 반도체 특성이 변화
- 진성 반도체에 비해 높은 도전성
