전력전자공학의 구성영역

전력전자공학의 구성영역

 

 

1. 전력전자공학의 구성영역

· 전력분야 : 발전, 송전, 배전, 부하

· 제어분야 : 안정도, 응답특성 개선

· 전자분야 : 알고리즘 구현 Hardware

· 전력반도체스위치 : 소자의 응용 및 물성론적 이해

 

 

2. 전력변환과 효율 문제

 

 

3. 전력변환 방식

※ 직접변환 방식

 

 

4. 전력전자 시스템의 구성

 

 

명칭	SCR	GTO	Power TR	MCT	MOSFET	IGBT
전류용량	대전류	대전류	대전류	대전류	소전류	대전류
제어방법	전류제어	전류제어	전류제어	전압제어	전압제어	전압제어
스위칭속도	저속	저속(1KHz)	중간		고속(100KHz 이상)	고속(10KHz)

 

Devices Items	GTO	MOSFET	IGBT	MCT
전력용량	4500V/3000A	500V/50A	1200V/400A	1200V/75A
구동방법	전류	전압	전압	전압
정격전류시의 도통 전압강하	4V	3.2V	3.2V	1.1V
스위칭 주파수	2kHz	100kHz	30kHz	20kHz
턴온시간 (μs)	4	0.1	0.9	1.0
턴오프시간 (μs)	10	0.15	1.4	2.1
응용분야	․대용량 교류 및 직류전동기 구동시스템 ․대용량 UPS ․무효전력보상기	․SMPS ․BLDC drives ․소프트 스위칭 기술적용 → MHz 스위칭가능	․중소용량 교류 및 직류전동기 구동시스템 ․스위칭 전원 ․UPS	․중급용량 이상의 교류기 구동시스템 ․UPS ․무효전력보상기 ․능동 전력필터

 

 

5. 사이리스터(Thyristor)

반응형

· 게이트에 Pulse 신호를 가해주면 Turn_On하는 소자이며, 실리콘제어정류기(Silicon Controlled Rectifier,SCR)라고도 불린다.

· 사이리스터(Thyristor)란, 제어단자(G)로부터 음극(K)에 전류를 흘리는 것으로, 양극(A)과 음극(K) 사이를 도통(導通)시킬 수 있는 3단자의 반도체 소자이다.

· 이 특징을 살려 한 번 도통시키면 통과전류가 0이 될 때까지 도통 상태를 유지해야 하는 곳에 사용된다(카메라의 strobe 제어 등).

 

※ 쌍방향 사이리스터 (TRIAC)

 

 

6. GTO (Gate Turn-Off Thyristor)

게이트에 역방향의 전류를 흐르게 하는 것으로 턴 오프할 수 있는 기능을 가진 사이리스터다.

< GTO-Gate turn-Off Thyristor Construction & Symbol >

 

< Base Unit >

 

< 2 Transistor Equivalent Model >

 

 

7. IGCT (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.

 

 

8. MCT(MOS-controlled thyristor)

MOS 제어 사이리스터(MCT)는 MOSFET (금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터) 에 의해 제어 되는 전압 제어 완전 제어 가능 사이리스터 입니다. 이것은 1984년에 VAK Temple에 의해 발명되었으며 초기 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 (IGBT)와 기본적으로 유사했습니다. MCT는 작동이 GTO 사이리스터와 유사 하지만 전압 제어 절연 게이트가 있습니다. 그들은 등가 회로에 반대 전도성 유형의 두 MOSFET을 가지고 있습니다. 하나는 켜기를 담당하고 다른 하나는 끄기를 담당합니다. 켤 수만 있는 등가 회로에 하나의 MOSFET만 있는 사이리스터(일반 SCR과 같이 )를 사이리스터라고 합니다.MOS 게이트 사이리스터.

음극에 대한 게이트 단자의 양의 전압은 사이리스터를 켜짐 상태로 만듭니다.

온 상태에서 캐소드 전압에 가까운 애노드에 대한 게이트 단자의 음의 전압은 사이리스터를 오프 상태로 만듭니다.

MOSFET와 BJT의 장점만을 모아 만든 소자

 

 

9. IGBT (Insulated Gate Bi-polar Transistor)

1) IGBT구조 및 원리 (Transistor 기반의 스위칭 소자)

· 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 vs IGBT 차이점 >

구분	유래	동작주파수
IGCT	GTO와 유사한 사이리스트 일종	1KHz
IGBT	Transistor 기반	10KHz

 

 

 

10. IPM(Intelligent Power Module)

냉장고나 세탁기 등 가전용 기기에 많이 사용됨