글쓴이 : SOONDORI
절연 게이트 트랜지스터(IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor)는 트랜지스터 구조를 수정(*)하여 트랜지스터의 장점을 취하고 MOSFET와 비슷한 속성을 얻어냈다는 점에서 양자의 중간적 존재라고 생각한다.
* 1977년 GE社와 Jayant Baliga의 협업으로 소개. 1959년 우리나라 강대원 박사가 발명한 MOSFET 아이디어를 변형, 응용한 사례로 이해함.
(출처 : https://toshiba.semicon-storage.com/info/application_note_en_20181017_AKX00055.pdf?did=63557)
(출처 : https://toshiba.semicon-storage.com/kr/semiconductor/knowledge/faq/mosfet_igbt/igbt-004.html)
* 관련 글 : Power MOSFET에 대한 이야기
겉으로 보면 파워 트랜지스터나 파워 MOSFET와 별반 다를 게 없는, Gate와 Collector와 Emitter가 나와 있는 소자. 주로 대전력을 다루기 때문에 작은 것은 몇 백 원~몇천 원에서 대용량은 수십 만 원대 또는 그 이상으로 비싼 편이다. 그러므로… 항상 짝퉁 조심!
* 관련 글 : 진짜인지? 가짜인지?
DIY용 부품 선정 시 기본 평가 항목은, 1) 동작 전압 최대치(V_ces), 2) 게이트 전압 최대치(V_ges)와 i-V 그래프, 3) 취급 전류 최대치(I_c), 4) 스위칭 변수, 5) 방열에 대한 몇 가지 변수(P_c, R_th(jc)) 정도가 아닐까 싶다.
트랜지스터 대비 다층 구조 때문에 MOSFET처럼 반도체 접합부의 정전 용량이 조금 더 강조 언급되며…
그리고 아래 <I_c 대 V_ce 그래프>에서, V_ge = 8V일 때의 반응 곡선이 스위칭 동작에 걸맞은 ‘수평’이라는 점 참고.
실물 소자는 어떨까?
다음은 구매품이 가짜라고 의심했던 IXYS社 1XBH 9N160SG 데이터 시트의 일부. 첫 소개 페이지를 쓱~ 읽어보며 생각하기를…
1) A : 강점을 요약한 영역.
2) B : IXYS社는 자신들의 BiMOSFET라는 아이디어에 의해 이 IGBT가 MOSFET처럼 움직인다고 한다. “V_ge = 10V만 충족시키면 일반 MOSFET처럼 그대로 쓰실 수 있습니다. 고객 님은 신경 쓰실 일이 없고… 좋지요?”
3) C : “취급 전류량에 맞먹는 내전류의 바디 다이오드 내장했습니다”
4) D : 흔히 상온 25도를 기준으로 어떤 수치를 제시하는데 실제로 장치 동작 중에는 그럴 일이 없고… 90도의 값을 제시한 것은 매우 현실적이다. 25도에서 9A라고 했던 것이 90도에서 5A로 줄어든 것에 유의.
5) E : 몰딩 플라스틱이 반도체를 감싸는 구조이므로 W 수가 기대보다는… 이런 식이면 방열판 선정이나 소자~방열판 결합 등에 극도로 주의해야 한다. 그렇지 않으면 금방 온도 한계 150도를 초과하여 소자가 망가지게 될 것.
처음에는 그럴 듯하다 싶었지만, 아무래도 좀 약하다?
그래서 Infineon社의 IKW15N120BH6을 살펴보면, 내압은 열세이지만 내열 성능은 더 좋음. 아무래도 전력을 다루고자 하는 DIYer에게는 알아서 고열을 잘 버티는 소자가 유리하지 않을까?
(내용 추가) MOSFET의 드레인-소스 저항(R_ds)에 상당하는 값은? 이 값이 크면 소자 발열 손실이 커지니까 작을 수록 유리함.
아래 그래프로 대충 계산하면… V_ge 11V일 때, 3V-0.5V = 약 2.5V 구간에서 약 18A쯤 변하니까 2.5V ÷ 18A = 0.14오움 수준. 심지어 175도로 한계치까지 가열된 상태에서 그러함.
저압 MOSFET의 R_ds가 수십 m오움까지 내려가지만, 고압 MOSFET에서는 무조건 수 오움까지 증가한다는 것을 생각하면, 대전류 취급에서 몇 오움이 유의미하다는 점을 생각하면… 상당히 좋은 값이다. 사실 그런 게 IGBT의 강점이겠고.
산업 분야에서는 파워 트랜지스터나 파워 MOSFET가 다루기 어려운 KW급을 주로 다룬다.
○ 어레이 형식의 각종 파워 IGBT 모듈.
(출처 : https://www.danfoss.com/en/products/dsp/power-modules/igbt-power-modules/)
(▲ 전류량이 크니까 와이어를 여러 개 병렬로 + 열 팽창을 고려하여 와이어 중간을 적당히 굽혀주고? 출처 : https://www.powersystemsdesign.com/articles/superior-assembly-technology/22/5855)
○ 표제부 사진은 전기 자동차용 750V, 950A급 IGBT 모듈. 냉각핀 + 온도 센서 내장 등.
(출처 : https://www.infineon.com/cms/en/product/power/igbt/automotive-qualified-igbts/automotive-igbt-coolsic-mosfet-modules/fs950r08a6p2b/?redirId=203647)
앞으로는 점점 더, 자동차가 대형 전기 토스트나 초강력 겨울철 전열기처럼 변하게 될 것이므로… “운송 패러다임의 변화라… Infineon社는 앞으로 많이 즐거우시겠습니다?”
사족으로… 향후 엔진 기술자는 전력 기술자로 대체될 것임.
