전력용 반도체✶

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전력용 반도체

반도체

1)실리콘 원자

• 실리콘 원자는 14개의 전자를 가지고 있는데 그림과 같이 최외각에는 4개의 전자밖에 없어서 안정화를 위해서는 최소한 4개의 전자를 더 필요한다

• 따라서 그림과 같이 이웃한 원자의 전자를 서로 공유함으로서 공유결합을 하여 8개를 채운다

2)P형 반도체(Positive)

• 4가 원소인 실리콘에 미량의 3가 원소(붕소, 알루미늄)를 불순물로 첨가해서 만드는 반도체로써 다음 그림과 같이 3가 원소는 실리콘과 공유결합을 하는데 전자 1개가 부족하게 된다
• 부족한 전자로 인하여 양의 성질을 띠게 된다
• 전하를 옮기는케리어로 정공(홀)이 사용되는 반도체

3)N형 반도체(Negative)

• 4가 원소인 실리콘에 미량의 5가원소(비소, 안티몬, 인)를 불순물로 첨가해서 만든 반도체로써 다음 그림과 같이 5가 원소는 실리콘과 고유결합을 하는데 전자 1개가 남게 된다
• 남은 전자로 인하여 음의 성질을 띠게 된다
• 전하를 옮기는 캐리어로 자유전자가 사용되는 반도체

Thyristor(SCR)

1)SCR구조

• PNPN또는 NPNP 4층 구조로 되어 있는 정류기

2)특징

• 자체 소호능력 없으며 대전류가 적합하다
• 종류로는 쌍방향 사이리스터 역도통 사이리스터, 광 사이리스터가 있다

TRIAC(Triode AC Switch)

• 사이리스터 2개를 역병렬로 접속한 구조이다

SSS(Silicon Symmetrical Switch)

• PNPNP 5층 구조로 하고 게이트를 없앤 구조이다
• 양 단자 간에 순시전압을 가해서 구동한다

GTO(Gate off Thyristor)

1)GTO 원리

• GTO는 사이리스터의 단점을 보안하여 게이트에 부의 전류를 흘려주면 Turn Off된다

2)특징

• 스위칭 속도가 느리다
• 스파이크 전압 완화를 위해 다이오드, 저항기, 콘덴서를 이용한 부가회로가 필요하다
• 상기의 이유로 IGBT가 많이 사용된다

Power MOSFET
(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)

1)MOSFET원리

• 게이트부에 전계를 가하여 동작시키는 전력용 반도체

2)특징

• 전계를 가하기 때문에 전력 손실이 적고 스위칭 속도가 매우 빠르다.
• 종류는 N채널형, P채널형 있음

IGBT
(Insulated Gate Bi-polar Transistor)

1)IGBT구조 및 원리

• Junction Transistor와 MOSFET의 장점을 조합한 트랜지스터

• Junction Transistor : 베이스가 2개 이상의 접합 전극에 끼워진 구조
• Bi Polar Transistor : 전자, 정공이 모두 관여하는 트랜지스터
• Uni Polar Transistor : 전자, 정공 중 한 개만이 관여하는 트랜지스터

2)특징

• Enhancement형 : 상시 부통 ->(전계가 가해지면)->도통
• Depression형 : 상시 도통 ->(전계가 가해지면)->부통
• 고전압 대전류용에 적합 : 철도차량용
• 회로구성시 조립이 간단하다
• 스위칭 속도가 빠르고 소음이 없다
• 노이즈에 약하다

IGCT 통합 게이트 정류 사이리스터
(Insulated Gate Commutated Transistor)

1)개념

• 대용량의 전류를 제어할 수 있는 신형 반도체 소자이다
• GTO와 비슷한 사이리스터의 일종으로, 제어단자 신호를 켜고 끌 수 있으며 GTO에 비해 전도 손실이 적은 것이 특징이다
• 또한 IGCT는 GTO에 비해 조금 더 고속의 스위칭이 가능하다. 최고 400[kHz]까지의 스위칭이 가능하지만, 변환 손실이 크기 때문에 보통은 500[Hz]정도로 스위칭한다

2)IGCT의 종류

• S-IGCT
  발생한 역전압을 Symmetrical하게, 즉 순방향전압이나 역방향 전압이 거의 비슷하게 막는 IGCT다 . 전류 소스형 인버터에 쓰인다

• A-IGCT
  발생한 역전압을 거의 막지 못하고 Breakdown하는 IGCT이다. 대략 버틸수 있는 전압이 높아봐야 10[]내외로, 역전압이 거의 발생할 일이 없는 DC초퍼 등에 쓰인다. 가격도 S-IGCT에 비해 싸다

• R-IGCT
  발생한 역전압을 별도의 다이오드를 통해 그냥 도통시키는, Asymmetical한 동작을 하는 IGCT다. 반대로 연결하면 그냥 전기가 알아서 매우 잘 흐른다

3)장점

• 운용전압이 엄청나게 높다
• 일반적인 GTO에 비해 훨씬 높은 구동전압, 기본적으로 5[kV]정도를 깔고가며 그상황에서 도통 가능한 전류마저 엄청나게 높다. 보통 3000[A]정도이고 높은 건 5000[A]정도다
• 도통면적이 매우 넓어 부스바 배선작업이 편하다
• 보통 On/Off제어 신호를 광케이블로 입력받는다
• 전압강하가 2~3[V]정도로 그렇게 높은 편이 아니며, 도통 저항갑도 대개 수 밀리 옴 정도로 우수한 도통특성을 가진다
• 스너버 회로 없이 깔끔하게 동작이 가능하다
• 직병렬 동작이 매우 편리하다. 단 직렬로 하는 경우엔 공장에서 IGCT 소자를 직렬로 쌓아다가 패키징해서 준다.

4)단점

• 게이트 구동전류가 엄청나게 높다
• 대전력을 매우 빠르게 스위칭하고, 게이트 전류마저 매우높아 구동 중 고조파의 발생이 좀 심각한 편이다
• 광케이블을 써야 한다
• GTO보다 비싸다
• 냉각하기가 조금 애매하다
• 스위칭 주파수가 그렇게 높지 않다

5)사용장소

• 중전압 솔루션 인버터
  그렇게 높은 주파수로 구동되지 않는 특성상 가장 부합한 솔루션이다
• 직류전동기를 사용하는 기관차의 초퍼
• 교류 전동기를 사용하는 기관차의 인버터
• HVDC방식으로 송전하는 경우 154[kV]/345[kV]변전소에서 교류를 IGCT로 정류한 다음 평탄화 시켜 목적지까지 전송하고 목적지에서 IGCT인버터로 3상 교류를 만들어 전송하게 된다.

★동력설비
동력설비의 에너지절약방안
전동기설비의 에너지 절약방안
VVVF인버터 속도제어방식
PAM과 PWM
전력용 반도체