IGBT, MOSFET, SSR이란?

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)는 전력용 MOSFET의 전압 구동 및 고속 스위칭이라는 특징과 전력용 트랜지스터의 고내압 및 고유도성의 특징을 가진 복합 소자이다. 

 

IGBT는 고입력 임피던스를 가지고 있으며, 온 상태 시 도통 손실이 낮다. 다만, BJT와 같은 2차 항복 현상 문제는 발생하지 않는다. 이러한 특징 때문에 기존의 BJT, GTO 등이 사용되어 온 분야에서 IGBT로 상당수 대체되고 있다.

 

IGBT는 세 개의 단자 게이트(gate), 콜렉터(collector), 이미터(emitter)를 가지고 있으며, 게이트와 이미터 간의 전압으로 콜렉터 전류를 제어한다. IGBT는 절연 처리된 베이스 단자를 가졌고, 절연된 베이스 단자를 게이트(gate)라고 한다. 절연된 게이트로 인해 MOSFET과 같이 게이트 제어 회로가 간결하다. 

 

▪︎MOSFET - IGBT - BJT 소자 비교

구분	비교
스위칭 속도	MOSFET > IGBT > BJT
온 상태의 손실	MOSFET > IGBT = BJT

 

▪︎IGBT의 특징

• 게이트(gate), 콜렉터(collector), 이미터(emitter)의 각 단자에 용량 성분을 가지고 있으므로 턴온, 턴오프 시 입력 용량에 충전, 방전 전류가 필요함
• 고전압, 대전류를 고속으로 스위칭하기 위해 턴온, 턴오프 시 높은 저지 전압이 발생함
• 절연 게이트를 갖고 있으므로 정전 대책이 필요함
• 게이트 오프 시 이미터와 콜렉터 간 전압을 인가 금지 
• 게이트와 이미터 간 20V 이상의 전압을 가하지 않도록 해야 함
• 게이트와 이미터 간 입력 임피던스가 높아 비교적 구동이 쉬운 편
• 역방향 전압 저지 특성
• 병렬접속이 비교적 수월
• 전압 제어 소자

▪︎IGBT의 적용

직류, 교류 전동기 구동용, 지하철 구동용 전동기, 무정전 전원 공급 장치(UPS, Uninterruptible Power Supply System),  인버터 등 전력전자 회로에 주로 적용되며 소음이 적고 동작 특성이 우수하다.

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MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)는 전류 제어를 담당하는 게이트 전극부가 금속산화물 반도체로 구성되어 있다. 

 

MOSFET은 게이트(gate), 소스(source), 드레인(drain)의 세 단자를 가지고 있으며, 게이트와 소스 간의 전압으로 드레인 전류를 제어하고 단방향 전압 저지 단방향 전류 특성을 갖는다.

 

▪︎MOSFET의 특징

• 전력용 MOSFET은 음(-)의 온도 계수를 갖고 있으므로 2차 항복이 없고 열적으로 안정됨
• 고속 스위칭이 가능
• 구동 회로로 스위칭 시간 조정 가능
• 병렬접속이 용이
• 전압 제어 소자
• 온 상태를 유지하기 위해 제어 전압을 지속적으로 인가해야 함
• 게이트와 소스 간 입력 임피던스가 매우 크므로 게이트에 흐르는 전류는 매우 작고, 구동 회로가 간단하며 구동 전력이 작음

▪︎MOSFET의 적용

전력 용량이 크지 않으므로 정밀급 서보 드라이브, 스위치 모드 전원 장치(SMPS : Switched Mode Power Supply) 등과 같이 주로 소용량의 고주파 스위칭 분야에 적용된다. 

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시퀀스 제어 시 유접점 릴레이가 주로 사용되었으나, 산업 기술의 발전에 따라 무접점 릴레이, SSR(Solid State Relay)로 대체된다.

 

유접점 릴레이는 접점의 동작에 따라서 부하 측에는 전류를 공급하므로 전류 차단 시 아크가 발생하게 된다. 이러한 아크는 접점의 접촉 저항을 증가시키며 산화작용으로 접점이 융착 되는 문제를 야기한다. 따라서 정격 전류 이하의 부하에 사용하며 접점의 전기적인 수명을 고려하여 적절한 교체가 필요하다. 

 

무접점 릴레이는 말 그대로 접점이 존재하지 않고 반도체 소자로 하여금 소자의 스위칭 작용에 의해 전류를 통전시킬 수 있는 구성이다. 접점이 없으므로 유접점 릴레이와 달리 아크에 의한 접촉 저항, 접점의 융착 등의 마모 현상은 없다. 다만, 유접점 릴레이에 비해 용량이 적으므로 정격 전류를 정확하게 지켜야 하는 단점도 있다. 부하 전류가 부득이하게 큰 경우, 스위칭 소자의 온도가 상승하므로 방열판(heat sink) 또는 냉각용 팬을 이용하여 반드시 냉각시켜야 한다. 

 

무접점 릴레이는 의료기기, 발전소, 가스/화학공장, 방폭성 물질 취급 공정 등에 주로 사용되며 동작 시 소음이 없는 특성을 갖고 있으므로 복사기, 팩시밀리 등의 사무용 기기에도 많이 사용한다. 이때 주로 사용되는 반도체 소자가 '트라이액(TRIAC)'이다.

 

▪︎SSR의 특징(유접점 릴레이와 비교)

• 전기적인 잡음이 없다
• 내진동성
• 고기능 및 고신뢰성
• 먼지나 가연성 가스를 취급하는 환경에서도 사용 가능