1.2장_기본(반도체의 기초)

→→전력전자에서는 각 용도에 맞는 반도체를 선정하는 것이 중요합니다.

이번 장에서는 전력전자 관점에서 반도체의 기초에 대해 알아보겠습니다.

 

도체, 부도체, 반도체

*도체(conductor)

-전기가 잘 흐르는 물질로 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알류미늄(Al) 등이 있음

-부도체(insulator)와 달리 외부에서 에너지를 가하지 않아도 원자간 상호 작용에 의해 자유롭게 움직이는 자유전자가 많아 전하가 잘 이동하는 물질

 

*부도체(insulator)

-전기가 잘 흐르지 않는 물질로 유리, 도자기, 플라스틱, 고무, 마른나무 등이 있음

-도체(conductor)와 달리 외부에서 에너지를 가하지 않으면 자유롭게 움직일 수 있는 자유전자가 없어 전기가 잘 통하지 않는 물질

 

*반도체(semiconductor)

-상온에서 전기를 전하는 특성이 도체와 부도체의 중간 정도인 물질

-외부 환경에 따라 전도도가 바뀜

 

 

에너지밴드

-외곽으로 갈수록 에너지의 크기가 큼

-안정적이려면 최외곽전자는 8개가 되어야함

-실리콘의 경우 최외곽 전자가 4개이며, 주변의 원자들과 공유결합을 통해 안정해 질 수 있음

-외부에서 들어온 '에너지(빛, 열, 전기장)'에 의해 공유결합이 깨지면, 자유전자가 생성 > 전자의 흐름 > 전류의 흐름

 

 

진성 반도체(intrinsic semiconductor)

-불순물 원자를 포함하지 않은 순수한 반도체

 

 

불순물 반도체(extrinsic semiconductor)

-불순물을 포함시켜 전기전도도 조절을 쉽게 할 수 있도록 만든 반도체

 

 

PN접합(junction)

-P형 반도체와 n형 반도체를 붙인 것

공핍층(depletion layer)

PN접합 소자의 동작
-바이어스(bias) : 소자의 동작을 위해 전압/전류를 지속적으로 인가하거나 도통시키는 행위

*도통 : 회로가 정상적으로 연결되어 전류가 정상적으로 회로에 공급되는 상태

 

순방향 바이어스(forward bias)

-p형 반도체에 (+)를, n형 반도체에 (-)전압을 걸어주면 n형 반도체의 전자가 p형 반도체 쪽으로 이동(인력)

-이러한 동작이 연속적으로 일어나며 다이오드는 전류를 도통 > 순방향 바이어스
-이 때 공핍층은 얇아져서 n형 반도체 내부의 전자가 쉽게 넘어올 수 있음 > 전류가 흐름

 

역방향 바이어스(reverse bias)

-p형 반도체에 (-)를, n형 반도체에 (+)전압을 걸어주면 n형 반도체의 전자는 → 방향으로, p형 반도체의 정공(hole)은 그
반대방향으로 움직임

-전류가 도통하지 않음
-이때 공핍층이 두꺼워져서 전자가 쉽게 넘어갈 수 없음

 

 

자동차에서 사용하는 전력반도체

기능에 따른 분류

-다이오드(diode)

general purpose diode, fast recovery diode, Schottky diode, ...

-트랜지스터(transistor)

BJT(Bipolar Juction Transistor)FET(Field Effect Transistor)IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)

 

재료에 따른 분류

-Si (Silicon) 규소-SiC (Silicon Carbide) 탄화규소-GaN (Gallium Nitride) 질화갈륨

 

패키징 형태에 따른 분류

-Discrete-Module

 

 

다이오드(diode)

다이오드 기호 및 특징
-PN접합으로 만든 소자

-한쪽 방향(anode → cathode)으로는 낮은 저항값을 가짐(ideally zero)

-다른 방향(cathode  → anode)으로는 높은 저항값을 가짐(ideallu infinite)

이상적인 다이오드의 V-I 특성

실제 다이오드의 V-I 특성

-Breakdown effect (Avalanche effect)

-누설전류(leakage current)

-역전압이 Breakdown 전압 이상 인가될 경우 다이오드는 소손

-전력변환기에서 회로 설계가 적절히 되지 않으면 과도 상태에서 쉽게 breakdown 전압 이상으로 전압이 걸릴 수 있음

-순방향 바이어스 전류가 증가할수록 다이오드 도통 전압이 증가하는 경향

 

핵심!

-다이오드는 Anode에서 Cathode로 전류를 흘리는 소자이다

-다이오드는 최대 견딜 수 있는 역전압 사양이 있고 회로설계시에 충분한 전압 마진을 확보해야한다. 

-다이오드는 최대로 흘릴 수 있는 전류 사양이 있고 회로설계시에 충분한 전류 마진을 확보해야 한다.

-전압 전류 사양은 일반적으로 1.5배정도 이상이면 안전하다고 한다.

-그러나, 위와 같은 사양으로 다이오드를 선택한다고 하더라도 회로는 소손될 수 있음!

 

현실

-다이오드가 전류를 도통시키다가(공핍층이 얇아진 상태) 전류를 차단하는 상황이 될 때(공핍층이 두꺼워져가는 과정에서), 다이오드에 역전류가 흐른다(다이오드의 역회복 특성 - Reverse recovery characteristics)

-실제 인버터에서 다이오드는 1초에 수천번 이상 Cathode에서 Anode로 역전류를 흘린다

ex)전원소스(차량 배터리)는 360V이지만 다이오드에는 1000V도 걸릴 수 있다

-방열 성능이 낮을수록 다이오드가 흘릴 수 있는 최대 전류는 줄어든다

 

 

다이오드의 역회복 특성(reverse recovery characteristics)

-전력전자회로 설계 시 매우 중요하게 검토해야 하는 부분
(Reverse recovery가 빠를수록 도통 시 전압강하가 큰 경향이 있음)

 

 

다이오드의 역회복 전류에 의한 shoot-through 현상

-윗단 스위치와 다이오드가 동시에 도통 → short circuit 조건 → EMI문제의 원인 중 하나

-역회복 특성이 안 좋은 다이오드를 사용할수록 효율 저하와 EMI문제 심각

*EMI(Electromagnetic Interference) : 방사(Radiation)에 의해 다른 기기에 영향을 주는 현상
Source기기에서 공중으로 전달되는 전자기파에의해 Victim 기기가 영향을 받는 전체적인 현상

EMI (Electromagnetic Interference)

 

 

트랜지스터(transistor)

트랜지스터의 역할

-트랜지스터(transistor) = trans + resistor 의 합성어로 저항을 바꿀 수 있는 소자
-아래와 같이 트랜지스터를 수도꼭지로 비유했을 때, 전력전자 분야에서는
1)수도꼭지를 완전 잠궜을 경우
2)수도꼭지을 완전 열었을 경우 두가지 경우

즉, 논리적으로 0과 1의 경우를 사용한다고 할 수 있음

 

트랜지스터의 사용목적을 Amplifier와 Switch로 구분할 때, 전력용 트랜지스터는 Switch의 목적으로 사용
-트랜지스터를 이용한 전기적 스위치 → 반도체 스위치 : semiconductir switch

 

-BJT의 경우 saturation 및 cut-off region영역을 사용

-MOSFET의 경우 triode 및 cut-off region영역을 사용

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

BJT(bipolar junction transistor)

 

BJT 기호 및 특징

-베이스(base) 터미널에 소량의 전류를 유입시켜 콜렉터(collector)에서 에미터(emitter)로 흐르는 큰 전류를 제어하는 3개의 터미널을 갖는 소자

-전류 제어 스위치(current controlled switch)

-단방향 스위치로 사용 가능 (collector → emitter)

-현재 전력용 BJT는 거의 사용하지 않음 (효율이 좋지 않음)

 

BJT의 V-I 특성 

 

 

MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor)

MOSFET 기호 및 특징

-게이트(gate) - 소스(source) 터미널에 전압을 인가하여 드레인(drain)에서 소스(source)로 흐르는 큰 전류를 제어하는 3개의 터미널을 갖는 소자

-전압 제어 스위치(voltage controlled switch)

-단방향 스위치로 사용가능 (그러나 역방향 도통도 가능)

 

MOSFET의 V-I 특성 

 

 

IGBT(insulated gate bipolar transistor)

IGBT 기호 및 특징

-게이트(gate) - 에미터(emitter) 터미널에 전압을 인가하여 콜렉터(collector)에서 에미터(emitter)로 흐르는 큰 전류를 제어하는 3개의 터미널을 갖는 소자 (MOSFET + BJT)

-전압 제어 스위치(voltage controlled switch)

-단방향 스위치로 사용가능

 

IGBT의 V-I 특성

 

 

BJT, MOSFET, IGBT

BJT, IGBT 

-역방향 전류 도통 불가

-역방향 전류 도통을 위해 역병렬 다이오드를 추가(Free Wheeling 구간에서 역방향 전류도통이 필요)

*환류 다이오드(Free Wheeling Diode) : 인덕터 충전전류로 인한 기기의 손상을 방지하기 위해 병렬로 연결된 다이오드

 

MOSFT 

-역방향 전류 도통 가능(바디 다이오드 및 채널을 통한 도통)
-Drain → Source (제어가능) / Source → Drain (제어불가)

-인버터로 사용하는 경우(SiC MOSFET) 별도의 역병렬 다이오드 추가 → 바디 다이오드를 통한 도통시 역회복 특성 나쁨    

 

 

 

전력 반도체 손실

-BJT와 IGBT는 Junction(접합구조),  MOSFET은 Channel(채널구조)

-손실 : BJT와 IGBT은 전압과 전류의 곱에 비례 / MOSFET은 전류 제곱에 비례
Channel구조가 Junction구조와 비교했을때, 전류가 클수록 효율이 좋음 

 

도통 손실(conduction loss)

-전류가 흐를 때 연속적으로 발생하는 손실
-일반적으로 전류의 크기, 채널 저항, 접합면 전위 장벽의 크기에 비례

 

스위칭 손실(switching loss)

-전력반도체가 on 또는 off 될 때 마다 발생하는 손실

-소자의 동작 조건에 따라 스위칭 에너지가 달라지며, 스위칭 주파수에 비례

-실제 전력 반도체는 이상적인 스위치로 동작X  → 저항처럼 작동하는 구간을 거침

 

 

선형 레귤레이터와 스위칭 레귤레이터

-레귤레이터 : 전압을 안정화해주는 IC, 흔들리는 전압을 정전압화 시켜 일정한 출력전압을 내게 하는 것

 

선형 레귤레이터(linear regulator)

 

스위칭 레귤레이터(switching regulator)

*두 전압의 평균값은 2.5V로 동일

 

 

트랜지스터 선형 레귤레이터

다음 회로에서 50V의 출력을 얻기 위해 필요한 가변 저항의 값은?

이 때 가변 저항에서 손실은?

 

동작원리

-BJT가 활성영역(active region)에서 동작

-BJT를 통해 전류 도통시 Vce발생

-입출력 전압의 차로부터 효율 결정 → 낮은 효율 → 높은 발열

 

 

트랜지스터 스위칭 레귤레이터

다음 회로에서 50V의 출력을 얻기 위해 필요한 듀티는?

-이상적인 경우 부하 저항을 제외하고 다른 부품에 손실 요소X

 

동작원리

-BJT가 포화 및 차단 영역에서 동작

-이상적으로 전류 도통시 Vce = 0 [V], 전류 차단시 ic = 0 [A]

-이상적인 경우 트랜지스터에서 소비되는 전력이 없음 → 평균 입력전력이 평균 출력전력으로 그대로 전달 → 고효율 달성

 

 

전력 반도체의 도통모드 요약