통합 게이트 정류 사이리스터

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1. 개요
2. Device description (소자 설명)
3. 구조
4. Reverse bias (역방향 바이어스)
- 4.1. 역방향 전압 차단 가능 IGCT (대칭형 IGCT)
- 4.2. 역방향 전압 차단 불가능 IGCT (비대칭형 IGCT)
5. Applications (응용 분야)
참조

1. 개요

통합 게이트 정류 사이리스터(IGCT)는 게이트 유닛과 게이트 정류 사이리스터 웨이퍼 소자를 통합하여 제작된 사이리스터의 특수한 형태이다. GTO(Gate Turn-Off) 사이리스터와 유사하게 게이트 신호에 의해 켜고 끌 수 있으며, 높은 전압 상승률을 견뎌 스너버가 불필요한 경우가 많다. IGCT는 GTO보다 빠른 턴오프 시간을 가지며, 최대 수 kHz의 주파수에서 작동 가능하다. 역방향 전압 차단 기능 유무에 따라 대칭형(S-IGCT)과 비대칭형(A-IGCT)으로 구분되며, 가변 주파수 인버터, 드라이브, 고속 AC 차단 스위치 등에 주로 사용된다.

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통합 게이트 정류 사이리스터
개요
이름	집적 게이트 턴오프 사이리스터
영어 이름	Integrated Gate-Commutated Turn-off Thyristor
종류
분류	전력 반도체 소자
설명
특징	애노드, 게이트, 캐소드 단자를 가짐 턴오프 사이리스터의 일종
개발 및 생산
최초 생산 회사	ABB 미쓰비시 전기

2. Device description (소자 설명)

IGCT는 특수한 형태의 사이리스터이다. 게이트 유닛과 게이트 정류 사이리스터(GCT) 웨이퍼 소자를 통합하여 제작된다. 게이트 유닛과 웨이퍼 소자의 긴밀한 통합은 음극에서 게이트로의 전도 전류의 빠른 정류를 보장한다. 웨이퍼 소자는 게이트 턴오프 사이리스터(GTO)와 유사하며, 게이트 신호에 의해 켜고 끌 수 있다. 높은 전압 상승률(dv/dt)을 견딜 수 있어 대부분의 애플리케이션에서 스너버가 필요하지 않다.

IGCT의 구조는 GTO 사이리스터와 매우 유사하지만, 다음과 같은 주요 차이점이 있다. IGCT에서 게이트 턴오프 전류는 양극 전류보다 크다. 이는 하부 PN 접합부로부터 소수 캐리어 주입을 완전히 제거하고 턴오프 시간을 더 빠르게 한다. 셀 크기가 감소하고, 게이트 구동 회로 및 구동 회로 연결에서 훨씬 낮은 인덕턴스를 갖는 훨씬 더 강력한 게이트 연결이 있다. 매우 높은 게이트 전류와 게이트 전류의 빠른 dI/dt 상승은 일반 전선을 사용하여 게이트 드라이브를 IGCT에 연결할 수 없음을 의미한다. 구동 회로 PCB는 소자 패키지에 통합된다. 구동 회로는 소자를 둘러싸고 있으며, IGCT의 가장자리에 부착되는 큰 원형 도체가 사용된다. 큰 접촉 면적과 짧은 거리는 연결의 인덕턴스와 저항을 모두 줄인다.

IGCT는 GTO보다 훨씬 빠른 턴오프 시간을 가지므로 최대 수 kHz까지의 더 높은 주파수에서 작동할 수 있다(매우 짧은 기간 동안). 그러나 높은 스위칭 손실로 인해 일반적인 작동 주파수는 최대 500 Hz이다.

IGCT 기판으로는 중성자 변환 도핑 실리콘이 사용된다.^[4]

고전력 애플리케이션에서 IGCT는 우주선에 민감하다. 우주선으로 인한 오작동을 줄이기 위해 n⁻ 베이스의 두께가 더 두꺼워야 한다.^[4]

3. 구조

IGCT의 구조는 게이트 턴오프 사이리스터(GTO)와 매우 유사하다. IGCT에서 게이트 턴오프 전류는 양극 전류보다 크다. 이는 하부 PN 접합부로부터 소수 캐리어 주입을 완전히 제거하고 턴오프 시간을 더 빠르게 한다. 주요 차이점은 셀 크기가 감소하고, 게이트 구동 회로 및 구동 회로 연결에서 훨씬 더 낮은 인덕턴스를 갖는 훨씬 더 강력한 게이트 연결이 있다는 것이다.^[3]

GTO 사이리스터는 케이스에서 인출된 게이트 전극을 통해 게이트 드라이브에 연결되었던 데 반해, GCT 사이리스터는 적층 구조를 기본으로 한다. 게이트 전극은 링 모양의 금속판으로 기판 위에 쌓여 있다. 기판에는 수천 개에 달하는 사이리스터가 동심원적으로 병렬 접속되어 있으며, 게이트 전극이 캐소드 전극을 둘러싸고 있는 것은 GTO 사이리스터와 같다.^[7] 턴오프는 사이리스터에 흘러 들어오는 전류 전부를 게이트 회로를 향해 흘려보내는 것으로 수행한다.

4. Reverse bias (역방향 바이어스)

IGCT는 역방향 전압 차단 기능 유무에 따라 사용 가능하다. 역방향 차단 기능을 가지려면 길고 낮은 도핑의 P1 영역이 필요하여 순방향 전압 강하가 증가한다.^[7]

4. 1. 역방향 전압 차단 가능 IGCT (대칭형 IGCT)

역방향 전압을 차단할 수 있는 IGCT는 대칭형 IGCT(S-IGCT)로 알려져 있다. 일반적으로 역방향 차단 전압 정격과 순방향 차단 전압 정격은 동일하다. 대칭형 IGCT의 일반적인 응용 분야는 전류원 인버터이다.^[7]

4. 2. 역방향 전압 차단 불가능 IGCT (비대칭형 IGCT)

역방향 전압을 차단할 수 없는 IGCT는 비대칭형 IGCT(A-IGCT)로 알려져 있다. 이들은 일반적으로 수십 볼트의 역방향 항복 정격을 갖는다. A-IGCT는 역도전 다이오드가 병렬로 적용되거나(예: 전압원 인버터), 역전압이 절대 발생하지 않는 경우(예: 스위칭 전원 공급 장치 또는 DC 견인 초퍼)에 사용된다.

비대칭형 IGCT는 동일한 패키지에 역도전 다이오드를 포함하여 제작할 수 있는데, 이를 역도전 IGCT(RC-IGCT)라고 한다.

GTO 사이리스터에서는 케이스에서 인출된 게이트 전극을 통해 게이트 드라이브에 연결되었던 데 반해, GCT 사이리스터는 적층 구조를 기본으로 하며, 게이트 전극이 링 모양의 금속판으로 기판 위에 쌓여 있다. 기판에는 수천 개에 달하는 사이리스터가 동심원적으로 병렬 접속되어 있고, 게이트 전극이 캐소드 전극을 둘러싸고 있는 것은 GTO 사이리스터와 같다.^[7] 한국고속철도가 채용한 IGCT는 Integrated GCT로, GCT와 이를 구동하는 게이트 드라이브를 적층하여 일체화한 것이다.

턴 오프는 사이리스터에 흘러 들어오는 전류 전부를 게이트 회로를 향해 흘려보내는 것으로 수행한다. 게이트 전극을 링 모양으로 함으로써 점이 아닌 선으로 접촉하므로, 반도체의 넓은 범위에 전압을 가하는 것이 가능해져 고효율을 달성했다. 또한, 금속판 게이트 전극과 선 모양의 게이트 전극은 서로 움직일 수 있도록 탄성재에 의해 밀착되어 있다.^[7]

역방향 전압 차단 내성을 가지지 않는 것도 특징이며, 역 차단 능력을 갖춘 역 차단형 GCT 사이리스터 (SGCT: Symmetrical GCT)도 라인업되어 있다.

5. Applications (응용 분야)

주요 응용 분야는 가변 주파수 인버터, 드라이브, 구동 및 고속 AC 차단 스위치이다.

더 높은 전력 응용 분야에서는 여러 개의 IGCT를 직렬 또는 병렬로 연결할 수 있다. 최근에는 PIN 접합이나 SiC(Silicon Carbide: 탄화 규소)를 사용하여 110kVA급 용량을 가진 인버터 장치가 간사이 전력과 영국의 Cree사의 공동 개발로 실현되고 있다.^[6]

참조

_[1] 서적 Understanding FACTS IEEE Press
_[2] 간행물 IGCTs: Moving on the Right Track https://www.electron[...] Power Electronics Technology 2002-08-01
_[3] 학술논문 Novel and conventional gate commutated thyristors : modelling and analysis https://ethos.bl.uk/[...] 2014
_[4] 서적 Conference Record of the 2000 IEEE Industry Applications Conference. Thirty-Fifth IAS Annual Meeting and World Conference on Industrial Applications of Electrical Energy (Cat. No.00CH37129)
_[5] 웹사이트 三菱電機技報 2001年6月号 http://www.mitsubish[...] 三菱電機 2001-06-01
_[6] 웹사이트 SiC技術によるインバータで、電力損失を半減 http://ednjapan.rbi-[...] EDN Japan 2006-03-01
_[7] 웹사이트 ゲート転流型ターンオフサイリスタモジュール｜詳細 - j-platpat https://www.j-platpa[...] j-platpat 2008-02-08

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