IGBT｜기초편
모터 용도에서 파워 디바이스의 사용 구분
2023.09.27
키 포인트
・개략적으로 IGBT는 저주파수에 적합하여 출력 용량이 큰 영역, Si-MOSFET는 고주파수에 적합하여 출력 용량이 낮은 영역, SiC-MOSFET는 고주파수에 적합하여 출력 용량이 큰 영역을 커버한다.
・모터 용도에서는 저주파수 (~20kHz)의 스위칭 구동, 큰 출력 용량에 대응하는 IGBT에 의한 구성이 일반적이다.
・SiC-MOSFET의 경우, 낮은 스위칭 손실 및 큰 출력 용량에 대응하기 때문에 유리하지만, 비용과의 밸런스를 고려하면 용도는 한정된다.
파워 디바이스는 각각 장단점이 있기 때문에, 사용하는 어플리케이션이나 필요로 하는 특성 및 성능에 따라 구분하여 사용하는 것이 일반적입니다. 이번 편에서는 모터 용도에서 IGBT, Si-MOSFET, SiC-MOSFET를 어떻게 구분하여 사용하는지에 대해 설명하겠습니다.
모터 용도에서 파워 디바이스의 사용 구분
하기 그림은 「IGBT의 적용 범위」 편에서 사용한 그림과 같은 것으로, 동작 주파수와 출력 용량 (VA)에 따라 각 파워 디바이스의 특징을 바탕으로 적용 범위를 구분한 것입니다. IGBT, Si-MOSFET, SiC-MOSFET의 디스크리트가 커버하는 영역을 비교하면 하기와 같이 구분할 수 있습니다. 물론, 각 파워 디바이스는 다양한 라인업이 있기 때문에 일반적인 특징을 바탕으로 정리한 것입니다.
- ① IGBT와 Si-MOSFET를 비교하면, IGBT가 저주파수에 적합하고 출력 용량이 큰 영역, Si-MOSFET는 고주파수에 적합하고 출력 용량이 낮은 영역을 커버한다.
- ② IGBT와 SiC-MOSFET를 비교하면, SiC-MOSFET는 고주파수에 적합하고 출력 용량이 큰 영역을 커버한다.
- ③ Si-MOSFET와 SiC-MOSFET를 비교하면, 주파수대는 동일하지만 Si-MOSFET는 출력 용량이 낮은 영역, SiC-MOSFET는 출력 용량이 큰 영역을 커버한다.
하기 그림은 이러한 특징을 조금 더 구체적으로, 그리고 모터 용도를 고려하여 정리한 것입니다. 사용 분류의 관점에서는 조건에 따른 손실의 차이가 중요합니다. 손실은 도통 손실과 스위칭 손실로 나누어 설명하겠습니다. 하기의 IGBT, SiC-MOSFET, Si-MOSFET는 모두 디스크리트이며, 「＋SBD」, 「＋FRD」는 해당 디스크리트 다이오드를 외장했다는 의미입니다.
도통 손실의 경우, 흐르는 전류가 대략 5A 이하의 영역이라면 Si-MOSFET가 IGBT보다 유리하지만, 그 이상에서는 IGBT가 유리합니다. 이 전류 영역은 SiC-MOSFET가 커버하는 영역이 아니므로, IGBT나 Si-MOSFET를 검토해야 합니다. 가정용 에어컨의 실외기와 같이 경부하에서 정상 동작하는 비율이 많은 어플리케이션 등 소전류로 동작하는 시스템에서는 Si-MOSFET가 유리합니다. 상기 ①의 내용에 해당됩니다.
스위칭 손실의 경우, PWM 주파수 (스위칭 주파수)가 빨라짐에 따라 IGBT＋FRD (패스트 리커버리 다이오드)보다 SiC-MOSFET＋SBD (쇼트키 배리어 다이오드) 쪽이 더 유리하며, 상기 ②의 내용에 해당됩니다. 이는 IGBT＋FRD의 특징인 Turn-on 시의 리커버리 전류와 Turn-off 시의 tail 전류에서 기인하는 것으로, SiC-MOSFET＋SBD의 경우에는 tail 전류가 흐르지 않는 등, 스위칭 손실이 대폭 개선되는 것이 이유입니다.
그러나, 모터 용도를 고려하면 일반적인 모터는 통상적으로 20kHz 이하의 비교적 낮은 주파수에서 사용된다는 점, 그리고 SiC-MOSFET는 비용 면에서 불리하다는 점에서, 특별한 용도에서의 사용이 많은 것이 현실입니다. 현재의 모터 어플리케이션은 성능, 손실, 비용 면의 밸런스를 고려하여 IGBT가 주로 사용되고 있습니다.
이와 같이, 파워 디바이스 각각의 특징, 그리고 비용도 함께 검토한 후 용도에 따라 가장 밸런스가 좋은 제품을 선택해야 합니다. 인버터를 비롯한 모터 구동용으로는, 위에서 예로 들은 IGBT 디스크리트＋FRD와 더불어, 모터 용도를 전제로 한 FRD 내장 IGBT 디스크리트 및 IGBT IPM (인텔리전트 파워 모듈)이 폭넓게 사용되고 있습니다.
【자료 다운로드】 IGBT의 기초
IGBT는 대표적인 파워 디바이스의 일종으로, 모터 구동을 비롯한 폭넓은 어플리케이션에서 이용되고 있습니다. 본 핸드북은 IGBT의 기초 지식으로서, IGBT의 특징에 따른 적용 범위와 어플리케이션의 이미지, 구조와 동작 원리, 기타 파워 디바이스와의 비교 및 사용 구분에 대해 설명한 자료입니다.
