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IGBT


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1. 개요2. 주요 사용처
2.1. 철도 차량
2.1.1. 한국2.1.2. 대만2.1.3. 일본2.1.4. 싱가포르2.1.5. 유럽2.1.6. 북아메리카2.1.7. 중국
2.2. 세탁기2.3. 용접기2.4. 전기자동차
2.4.1. 포르쉐

1. 개요

절연 게이트 양극성 트랜지스터 (IGBT: Insulated Gate bi-polar Transistor)[1]

일반적으로 쓰이는 n-channel MOSFET에 P형 주입층이 더해져 캐리어를 형성하도록 해서 만드는데, 실제 제조 과정은 복잡하다.

일반적인 실리콘 계열 MOSFET / BJT와 달리 IGBT는 고전압 스위칭이 가능하며, 드레인/소스 부분은 일반적인 트랜지스터 형식으로 되어 있어 FET와 달리 PTC 특성을 가지므로 병렬 운전에 유리하다. 또한, FET처럼 게이트가 "일단" 절연되어 있기 때문에 회로 상 분리에도 유리하다. 덕분에 초대형 모듈 제품군이 상당히 많으며, 개별 모듈 하나가 kV 단위의 내전압에 500A 이상의 드레인 전류를 소화할 수 있다. 실제로 등가회로로 나타낼때는 MOSFET과 BJT의 결합모델로 설명한다.

다만, IGBT가 불리한 부분도 있는데, 일단 P형 주입층 덕분에 캐리어가 많이 들어가게 되고, 절연된 게이트는 충전용량을 가지기 때문에 턴-온 시간은 몰라도 턴-오프 시키는 데 일반적인 스위칭 기법(즉, 게이트 전압이 0에서 문턱 전압(Threshold)을 왔다갔다 하는)으로는 kHz 이상의 속도를 내기 힘들다. 그래서 전용 드라이버 IC도 있으며, IGBT의 구동단은 트랜스를 이용해 절연할 뿐만 아니라, 구동 전압 역시 게이트 전압이 ±15V로 움직여야 해서 복잡하다.[2]

정말 거대하고 거대한 대형 전동기를 구동해야 하면서도 크기는 작아야 하고 무게도 경량화 되어야 하며 구동 회로와 절연이 요구되는 등의 분야에 적용되기 시작했으며, 값이 많이 싸진 2012년에는 용접기나 가정용 대전력 제품군에 쓰이고 있다.

실질적으로 저압이면 몰라도 가정용 220V 1상의 전원을 바로 받아 310V로 변환한 뒤 이 전압으로 기타 여러가지를 하는 제품들은 거의 다 IGBT가 들어간다 생각하면 편하다. FET는 고전압일수록 드레인-소스 Rds(on) 이 증가하여 약간만 전류가 높아져도 손실이 40~50W를 넘어서나 IGBT는 저압이든 고압이든 항상 일정한 컬렉터-소스 전압강하를 가지고 있어 대전류일 경우 에너지 효율이 FET에 비해 상대적으로 좋다.[3] 덤으로 IGBT의 고압 내구성이 상당히 보장되어 있다. 특히, 세탁기나 에어컨의 압축기 기타 여러 가지 고전압 BLDC 전동기가 들어가는 게 요즘 가정용 어플리케이션의 대세이다. 저소음, 저진동 및 속도 조절에 있어 편의성이 높기 때문인데, 이로 인해 고전압 BLDC 전동기가 참 많아진 가정용 어플리케이션에는 이를 잘 만족 시키기 위해 다 IGBT 가 들어가게 되었다. (하지만 저전류 어플리케이션에선 역으로 FET 의 효율이 상대적으로 높아져서 FET를 선택하는 곳이 아직 있다.)[4]

최근의 IGBT는 발전한 MOSFET의 특성에 상당수 추격 당하다 보니 조금 다른 방향으로 발전하고 있다.
  • MOSFET의 고전압 Rds 값이 밀리 옴 정도로 많이 낮아졌다 → IGBT 자체의 Vce 및 Vds 값을 1.5V 대로 낮추었다. 기존 3V 대에 비해 엄청나게 낮아진 값이다.
  • MOSFET의 게이트 면적이 작아 낮은 충전 용량을 가져 고속 스위칭이 가능하다 → IGBT 의 경우 게이트를 광전자식으로 구성하며 게이트의 크기를 키워 높은 전류로 게이트를 드라이브, MOSFET 에 비해 손색 없을 정도로 높은 스위칭이 가능하도록 하였다. 일례로 인피니언 사의 RENCHSTOP™ 5 라인업 제품군 중 F5 군 제품은 최고 효율 구동주파수가 120kHz 에 달하는 엄청난 스위칭 성능을 가진다.
  • MOSFET은 특성 상 병렬운전이 어렵지만 IGBT는 병렬 운전에 더욱 더 최적화된 열-전기 특성을 가지고 있다.

오디오용 앰프에도 IGBT의 사용이 가능하며, 일부 SR용 파워앰프에 도입되었다.

2018년 1분기 (FY17 4/4분기) 기점으로 마이크로랩 사의 GT109X 시리즈 오디오용 N-channel IGBT 와 P-channel IGBT 가 많이 보급되고 있다. 병렬 구동에 매우 유리하며, 게이트를 가진 IGBT답게 높은 선형성을 자랑한다. 한국에서 20만 원대 근처 가는 액티브 스피커 또는 10만 원대 부근의 본격 오디오용 Class-AB 앰프에 많이 들어간다. 구동 방식은 양전원 P-P, 간혹 H-Bridge도 있다.

2. 주요 사용처

철도차량은 물론, 전기자동차 및 고효율 전동기 장치가 들어가는 가전제품, 심지어 ESS 등 모터를 쓰는 곳에 주로 사용된다고 볼 수 있다.

2.1. 철도 차량

파일:VVVF-IGBT 둥글이.jpg
도시바 VVVF-IGBT
파일:Bgw5668191a13e2f.jpg
미쓰비시 VVVF-IGBT
파일:20240721_134003.jpg
다원시스 VVVF-IGBT
파일:20240706_170122.jpg
우진산전 VVVF-IGBT
파일:Bgw56681bc416d8d.jpg
현대로템 VVVF-IGBT(IPM)
파일:20240721_143817.jpg
현대로템 VVVF-IGBT(IPM)
파일:20240721_124652.jpg
다원시스 VVVF-IGBT
파일:20240630_152436.jpg
도시바 VVVF-IGBT(PMSM)

전 세계에서 2000년대 이후 전기를 동력으로 하는 거의 모든 철도차량이 이걸 사용한 인버터로 모터를 돌려서 굴러다닌다. 특히 GTO였던 차량도 IGBT로 개조하는 일도 많은데, 비용을 들여서라도 개조하는 것을 보면 전력 효율이 상당히 좋은 모양이다. 또한 한국에서는 2010년대 이후로는 IGBT 기반의 IPM(Intelligent Power Module)을 사용하는 미쓰비시 그룹의 소자를 현대로템과 우진산전, 다원시스가 채용하면서 해당 소자가 들어간 차량들의 점유율이 증가하는 추세였으며 2020년대 이후에는 도시바 PMSM의 점유율도 증가하는 추세이다. 그러나 해외에서는 2010년대 말부터 SiC 소자를 채택한 차량을 주로 도입하지만 한국은 차량 관리를 용이하기 위해 아직도 IGBT 차량을 도입하고 있다.[5]

2.1.1. 한국


한국 최초로 적용된 차량은 인천교통공사 1000호대 전동차 1차분(1998~1999)이다.[8][9]

이 외에 2000년대 들어 개통한 거의 모든 노선에서 IGBT를 채용한 전동차가 절찬리에 운행 중에 있으며, 2000년대 전에 개통한 노선에서 운행 중이던 GTO 채용 차량 중에도 IGBT 방식으로 교체한 차량들이 있다. 물론 대부분은 코레일과 서울교통공사의 초창기 VVVF 차량들.
  • 여기서 기본적인 원리를 알 수 있다.

2.1.2. 대만

2.1.3. 일본

2.1.4. 싱가포르

2.1.5. 유럽

2.1.6. 북아메리카

2.1.7. 중국

  • 베이징시 지하철 운영 SFM04형 전동차 (도요전기)
  • 베이징시 지하철 운영 DKZ4G형 전동차 (도요전기)
  • 베이징시 지하철 운영 DKZ16형 전동차 (미쓰비시)
  • 징강 지하철 SFM05형 전동차 (봉바르디에)
  • 베이징시 지하철 운영 DKZ13형 전동차 (히타치)
  • 베이징시 지하철 운영 DKZ47형 전동차 (알스톰)
  • 베이징시 지하철 운영 BD32형 전동차 (주저우전기)
  • 베이징시 지하철 운영 SFM12형 전동차 (미쓰비시, 칭다오쓰팡, 난징주저우)
  • 베이징시 지하철 운영 DKZ33형 전동차 (도요전기)
  • 베이징시 지하철 운영 DKZ15형 전동차 (도요전기)
  • 베이징시 지하철 운영 DKZ5형 전동차 (히타치)
  • 베이징시 지하철 운영 DKZ6형 전동차 (히타치)
  • 징강 지하철 DKZ53형 전동차 (봉바르디에)
  • 징강 지하철 SFM18형 전동차 (봉바르디에)
  • 베이징시 지하철 운영 DKZ31형 전동차 (알스톰)
  • 캐피털 메트로 QKZ5형 전동차 (도시바)
  • 베이징시 지하철 운영 SFM01형 전동차 (도요전기)
  • 베이징시 지하철 운영 SFM13형 전동차 (미쓰비시)
  • 베이징시 지하철 운영 BD24형 전동차 (주저우전기)
  • 베이징시 지하철 운영 DKZ70형 전동차 (주저우전기)
  • 베이징시 지하철 운영 SFM16형 전동차 (주저우전기)
  • 베이징시 궤도교통 건설 관리 JC000호대 전동차 (칭다오쓰팡)

2.2. 세탁기

2.3. 용접기

  • 계양 논스톱 용접기 전 모델 (계양전기, 소자는 인터네셔널 렉티파이어)
  • 아세아전기 DC 아크용접기 전 모델 (아세아전기, 소자는 인터네셔널 렉티파이어)

2.4. 전기자동차

전기자동차의 모터 구동에 IGBT가 사용되기도 한다. 최근에는 SiC에 자리를 내어주었다.

2.4.1. 포르쉐

[1] 하필 약자의 대문자 i가 소문자 L과 비슷해서 위의 다른 뜻 틀에 나와있듯이 농담거리가 되곤 한다. [2] 다만 FET도 제대로 구동하기 위해서는 Vgs를 15V, 0V로 스위칭해야 하므로 게이트 드라이버 IC나 GDT가 이용된다. [3] 예시. 300V/10A 통전시 1200V IGBT 의 강하는 1.7V로 컬렉터 손실은 17W가 된다. FET의 경우 400V FET가 설계 상 마지노선인데, 400V FET의 드레인-소스 도통 저항값은 약 1.5옴이다. P=I*R^2 에 따라 150W가 된다. 물론 이 열은 다 소자의 발열로 바뀐다. [4] 600V IGBT가 구할 수 있는 IGBT 중 가장 전압이 낮다. 어차피 IGBT는 고전압이든 저전압이든 제조 회사에 따라 전압 강하가 달라지는 편이라 민감한 부분은 아니다. 여튼 이럴 때 48V/20A를 스위칭한다고 보자. IGBT의 경우 Vce의 전압강하를 약 3.4V로 가정할시 68W의 발열을 보일 것이다. 그러나 FET의 경우 60V FET의 드레인-소스 도통저항이 무려 0.04옴으로 매우 낮아 16W의 발열을 보인다. [5] 사실 이것도 있지만 최저입찰제로 인한 신기술 탑재가 지연되는 것도 원인이긴 하다. [6] 821편성 전량, 822편성 일부 객차 7호선 이적 [7] 디젤기관차에 IGBT 인버터가 들어가는 이유는 한국의 디젤기관차는 정확히 말하면 디젤전기기관차이기 때문이다. 디젤 엔진으로 발전기 돌려서 나온 전기를 IGBT로 제어하여 모터를 구동시킨다. [8] 그런데 비슷한 시기에 들어온 서울교통공사 1000호대 VVVF 전동차는 IGBT가 아닌 GTO소자를 적용했다. 코레일 전동차는 동글이까지도 GTO소자를 적용했다. [9] 인천1호선 1차분은 1레벨이고 2레벨은 서울교통공사 8000호대 전동차 2차분이 최초이다. [10] 벨라로 D 시리즈 이후부터 사용 [11] 일부모델인 이유는 대다수의 모델이 MOSFET 로 구동되기 때문이다.

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