현대전력전가공학 2장
전력용 반도체
1. 전력용 반도체 스위치
NeoStudio에서는 전력용 반도체를 스위치 관점에서 정리한다.
이상적인 스위치는 Turn-On과 Turn-Off가 즉각적으로 이루어지는 것으로 기록되어 있다.
2. 반도체 스위치의 제어 구분
반도체 스위치는 제어 정도에 따라 다음 세 가지로 구분하여 기록한다.
- Uncontrolled
- Semi-Controlled
- Fully-Controlled
3. Uncontrolled Switch
Uncontrolled Switch는 제어가 되지 않는 형태로 기록되어 있다.
외부에서 Turn-On과 Turn-Off를 직접 제어하지 않는 스위치로 구분한다.
4. Semi-Controlled Switch
Semi-Controlled Switch는 반제어 방식으로 기록되어 있다.
Turn-On은 제어할 수 있으나, Turn-Off는 외부 회로 또는 조건에 의해 이루어지는 방향으로 정리되어 있다.
5. Fully-Controlled Switch
Fully-Controlled Switch는 Turn-On과 Turn-Off를 모두 제어하는 방식으로 기록한다.
6. 스위칭 속도와 손실
NeoStudio에서는 Turn-On과 Turn-Off에 시간이 필요하다고 기록한다.
Turn-Off 시간이 길어지면 Power Loss가 증가하는 방향으로 메모되어 있다.
따라서 Turn-On과 Turn-Off 시간이 짧을수록 유리한 방향으로 정리되어 있다.
7. 고정용 Diode
전력용 반도체 중 고정용 Diode는 Uncontrolled 소자로 기록되어 있다.
전압을 인가하면 도통하고, 전류가 흐르는 방향에 따라 동작하는 것으로 정리되어 있다.
NeoStudio에는 Overshoot 발생 가능성도 함께 기록되어 있다.
8. SCR
SCR은 반제어 스위치의 대표 소자로 기록되어 있다.
Gate에 전류를 인가하면 Turn-On되는 구조로 정리한다.
Gate 전류는 Gate 단자에 Pulse 형태 또는 DC 형태로 인가하는 메모가 있다.
9. SCR의 Turn-Off
SCR은 Gate로 Turn-Off를 직접 제어하지 못하고, Turn-Off를 위해 별도의 조건이 필요한 것으로 기록되어 있다.
NeoStudio에는 Turn-Off를 위해 역방향 전압을 가하는 방법이 기록되어 있다.
이 때문에 별도의 회로나 보조 동작이 필요한 방향으로 정리되어 있다.
10. SCR과 사이리스터
NeoStudio에서는 SCR을 Thyristor 계열로 기록한다.
SCR 외에도 다른 형태의 Thyristor 계열 소자가 있음을 메모하고 있다.
11. Fully-Controlled 소자
완전제어 스위치는 Gate 입력 등을 이용하여 Turn-On과 Turn-Off를 모두 제어할 수 있는 소자로 정리되어 있다.
NeoStudio에서는 다음 소자를 기록한다.
- GTO
- IGCT
- BJT
- MOSFET
- IGBT
12. GTO
GTO는 Gate Turn-Off Thyristor로 기록되어 있다.
SCR과 비슷한 구조를 가지지만 Gate 전류를 이용하여 Turn-Off가 가능한 소자로 정리되어 있다.
13. GTO의 특징
Turn-On과 Turn-Off가 모두 가능하여 Fully-Controlled 스위치로 구분한다.
NeoStudio에는 Switching Loss와 속도 관련 메모도 함께 기록되어 있다.
14. IGCT
IGCT는 다음 명칭으로 기록되어 있다.
Gate 구동을 이용하여 Turn-On과 Turn-Off를 제어하는 소자로 정리한다.
15. IGCT와 GTO 관계
NeoStudio에서는 IGCT가 GTO와 유사한 계열의 스위칭 소자로 기록되어 있다.
Gate Drive를 집적하여 사용하는 방향과 GTO보다 스위칭 속도를 개선하는 내용을 메모한다.
16. BJT
NeoStudio에서는 전력용 BJT를 Fully-Controlled 소자 중 하나로 기록한다.
17. MOSFET
전력용 MOSFET도 Fully-Controlled 스위치로 기록되어 있다.
18. IGBT
IGBT는 다음 명칭으로 기록되어 있다.
NeoStudio에서는 MOSFET과 BJT의 장점을 결합한 소자로 정리한다.
19. 전력용 반도체의 제어 수준
| 구분 | Turn-On | Turn-Off | NeoStudio 예 |
|---|---|---|---|
| Uncontrolled | 외부 Gate 제어 없음 | 외부 Gate 제어 없음 | Diode |
| Semi-Controlled | Gate 제어 가능 | 별도 조건 필요 | SCR |
| Fully-Controlled | 제어 가능 | 제어 가능 | GTO, IGCT, BJT, MOSFET, IGBT |
20. 스위치 분류 흐름
Power Semiconductor Switch
│
┌────────────┼────────────┐
▼ ▼ ▼
Uncontrolled Semi-Controlled Fully-Controlled
│ │ │
▼ ▼ ▼
Diode SCR GTO / IGCT
BJT / MOSFET
IGBT
21. SCR과 GTO 비교
| 구분 | SCR | GTO |
|---|---|---|
| 제어 구분 | Semi-Controlled | Fully-Controlled |
| Turn-On | Gate 전류 사용 | Gate 사용 |
| Turn-Off | Gate만으로 직접 제어하지 못함 | Gate로 제어 가능 |
| 계열 | Thyristor | Gate Turn-Off Thyristor |
22. 전력용 반도체의 핵심 관계
23. NeoStudio 핵심 정리
| 항목 | NeoStudio 내용 |
|---|---|
| Ideal Switch | Turn-On / Turn-Off 즉각 반응 |
| Uncontrolled | 외부 제어가 없는 스위치 |
| Semi-Controlled | Turn-On 제어 가능, Turn-Off는 별도 조건 필요 |
| Fully-Controlled | Turn-On과 Turn-Off 모두 제어 |
| Diode | Uncontrolled |
| SCR | Semi-Controlled, Gate로 Turn-On |
| GTO | Gate Turn-Off Thyristor |
| IGCT | Integrated Gate Commutated Thyristor |
| BJT | 전력용 Fully-Controlled 소자 |
| MOSFET | Gate 제어 전력용 스위치 |
| IGBT | Insulated Gate Bipolar Transistor, MOSFET+BJT 장점 결합 |
| Switching Time | 길어질수록 Power Loss 증가 방향 |