IGBT｜기초편
IGBT의 단락 내량 (SCWT)
2023.10.18
키 포인트
・단락 내량 (SCWT : Short Circuit Withstand Time)은 파워 디바이스가 단락 시에 파괴되지 않고 견딜 수 있는 시간이다.
・단락 내량은 시스템의 보호 기능을 확보하기 위한 시간이다.
・단락 내량은 길면 길수록 시스템의 신뢰성 및 안전성을 향상시킬 수 있다.
IGBT의 단락 내량 (SCWT)
IGBT 등의 파워 디바이스에는 단락 내량 (SCWT : Short Circuit Withstand Time)이라는 전기적 특성 (파라미터)이 있습니다. 파워 디바이스가 단락 상태가 되어 대전류가 흐르게 되면, 일반적으로 단시간 내에 파괴에 이르게 됩니다. 단락 내량은 단락 시에 파괴되지 않고 견딜 수 있는 시간을 의미하며, 단락 허용 시간이라는 명칭을 사용하기도 합니다.
파워 디바이스의 단락이란, IGBT의 경우 (이하 IGBT로 설명) 콜렉터－이미터 사이에 고전압 (VCC)이 인가된 상태에서 IGBT가 ON되어, 도통 상태가 된 IGBT에 큰 콜렉터 전류 IC가 흐르는 상태입니다. 제어 회로의 고장이나 오동작으로 인해 발생할 가능성이 있습니다.
하기 그림은 이러한 단락을 이해하기 쉽도록, 단락 내량을 측정할 때의 기본 회로 예와 파형을 나타낸 것입니다. OFF 상태의 IGBT에 VCC를 인가하여 게이트 구동 회로를 통해 IGBT를 ON시키면, 콘덴서에 축적된 전하가 급격하게 IGBT로 유입되고, 시간이 경과하면 IGBT가 파괴에 이르게 됩니다. 파괴될 때까지의 시간은 VCC 전압, 온도, 패키지 타입 등에 따라 달라지지만, 대략 수 μs ~ 수십 μs입니다. 시험에서는 게이트 구동 회로를 제어하여 ON 시간을 조금 증가시킨 후 파괴 여부를 확인하고, 이를 반복함으로써 파괴에 이르기까지의 시간을 측정합니다. 또는 규정된 ON 시간에서 파괴되지 않는 것을 확인하여 판정하는 경우도 있습니다.
파형도는 로옴의 IGBT RGS 시리즈로, 단락 내량 8μs가 최소치로서 보증되어 있습니다. 게이트 신호에 따라 IGBT가 ON (단락) 상태가 되면 콜렉터 전류가 흐릅니다. 13.5μs 후에 게이트 신호에 의해 OFF되면 콜렉터 전류가 차단되므로 이 IGBT는 파괴되지 않습니다. 즉, 이 IGBT는 해당 시험 조건에서 13.5μs의 단락에 견딜 수 있다는 것을 나타냅니다. 물론, 보증치인 8μs는 여유롭게 만족합니다. 콜렉터 전압이 단락 / 차단 후에 단시간 저하 / 상승하는 것은, 콘덴서에서 IGTB의 콜렉터 단자 사이에 기생 인덕턴스의 충전 / 방전에 따른 것으로, 그 후 콜렉터 전압은 VCC로 되돌아갑니다. 콜렉터 전류가 시간 경과에 따라 감소하는 것은 발열로 인한 영향을 받기 때문입니다.
그리고, 단락 중에 IGBT가 파괴된 경우에는 기본적으로 먼저 쇼트 고장이 발생하므로, IGBT에 제한이 없이 전류가 계속 흐르게 되어 콜렉터 전압＝VCC는 거의 그라운드 레벨까지 강하합니다. 물론 게이트에 OFF 신호를 보내더라도 IGBT가 OFF되어 콜렉터 전류가 차단되지는 않습니다. 시험이나 평가 시에 IGBT가 파괴되는 경우, 신속하게 전류를 차단하지 않으면 과전류에 의한 발열로 인해 발연, 경우에 따라서는 발화의 가능성이 있으므로 위험합니다. 따라서, VCC (전원)에는 적절한 전류 제한을 설정하는 등 충분한 안전 대책이 필수입니다.
단락 내량의 중요성
단락 내량은 파워 디바이스와 주변 회로, 접속 부품의 보호를 위해 중요한 파라미터입니다. 파워 디바이스를 사용하는 회로에는 일반적으로 과전류 등에 대한 보호회로가 탑재되어 있습니다. 파워 디바이스가 단락 상태가 되면 보호회로에서 이를 검출하여 보호 동작을 실행합니다. 검출 후 보호 동작이 기능할 때까지는 MCU의 시스템 처리 등을 위한 시간이 필요하므로, 이 시간이 길면 확실한 처리가 가능합니다. 즉, 단락 내량은 시스템의 보호 기능을 확보하기 위한 시간이며, 길면 길수록 시스템 처리에 여유를 가질 수 있어, 시스템의 신뢰성 및 안전성을 향상시킬 수 있습니다.
이와 같이, 단락 내량은 중요한 특성이지만, 모든 파워 디바이스에 해당 수치가 제시되거나 보증되는 것은 아닙니다. 제품 그레이드나 용도에 따라 수치가 제시되지 않는 제품, 수치는 제시되어 있지만 대표치 (Typ.)만 제시되어 보증하지는 않는 제품, 보증치로서 명시되어 있는 제품이 있으므로, 데이터 시트에서 확인해야 합니다.
그리고, 단락 내량은 시간이 길수록 유리하지만, 보증치는 메이커나 시리즈에 따라 다양합니다. 예를 들어, 앞서 예로 든 IGBT RGS 시리즈의 경우 8μs (최소)가 보증되지만, RGT 시리즈의 경우에는 5μs (최소)가 보증치입니다. 또한, VCC 및 온도 조건도 각각 다양하므로, 수치뿐만 아니라 조건도 확인하는 것이 중요합니다. 실제 예로서, RGS 시리즈와 RGT 시리즈의 데이터시트를 참조하여 주십시오. 파라미터 : Short Circuit Withstand Time, 기호 tSC에 조건과 보증치가 제시되어 있습니다.
IGBT RGS 시리즈 :https://www.rohm.co.kr/products/igbt/field-stop-trench-igbt?page=1&SearchWord=rgs
IGBT RGT 시리즈 :https://www.rohm.co.kr/products/igbt/field-stop-trench-igbt?page=1&SearchWord=rgt
【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.
