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사이리스터란 p-n-p-n접합의 4층 구조 반도체 소자의 총칭으로서, 역저지 사이리스터, 역도통 사이리스터, 트라이액이 있습니다. 그러나 일반적으로는 SCR(Silicon-Controlled Rectifier Thyristor)이라고 불리는 역저지 3단자 사이리스터를 가리키며, 실리콘 제어 정류소자를 말합니다.
사이리스터는 3개이상의 P-N접합을 1개의 반도체 기판 내에 형성함으로서 전류가 흐르지 않는 오프 상태와 전류가 흐 를 수 있는 온 상태의 2개의 안정된 상태가 있고, 또한 오프 상태에서 온 상태로 또는 온 상태에서 오프 상태로 이행이 가능한 반도체 소자입니다. 사이리스터는 일반적으로 전력용 트랜지스터에 비해 고내압에서 우수한 특성을 나타냅니다.
사이리스터 중에는 다음과 같은 SCR이나 다이액, 트라이액이라고 부르고 있는 것이 있습니다. 일반적으로 사용되는 SCR이나 다이액, 트라이액이라는 명칭은 실제는 상품명으로 정식적인 호칭은 아닙니다.
SCR - 3극 단방향 사이리스터
다이액 - 2극 쌍방향 사이리스터
트라이액 - 3극 쌍방향 사이리스터 |
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| 사이리스터의 장점 |
| 가. 고전압 대전류의 제어가 용이하다. |
| 나. 제어이득이 높고, 게이트 신호가 소멸하여도 온 상태를 유지할 수 있다. |
| 다. 수명은 반영구적으로 신뢰성이 높다. 또 써지 전압 전류에도 강하다. |
| 라. 소형, 경량으로 기기나 장치에의 설치가 용이하다. |
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| 이러한 장점을 갖고 있는 사이리스터는 가전제품, OA기기, 산업용 기기 등의 전력제어 분야에서 널리 사용되고 있으며, 수십A이하의 중,소 전력 사이리스터만도 여러가지가 있습니다. | |
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| 사이리스터의 종류 및 구조 |
| SCR 사이리스터 |
| 아래 그림에서 A, K, G는 각각 애노드(anode), 캐소드(cathode), 게이트(gate)를 나타내고, 전류는 항상 애노드에서 캐소드로 흐릅니다. |
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| GTO 사이리스터(Gate-Turn-Off Thyristor)(3단자 턴오프 사이리스터) |
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GTO사이리스터의 각 단자의 명칭은 SCR 사이리스터와 같고, 전류는 항상 애노드에서 캐소드로 흐릅니다.
게이트에 양(+)전류를 흘리면 on되고, (-)전류를 흘리면 OFF되는 SCR이며, SCR 사이리스터와 달리 음의 게이트 전류 펄스에 의하여 턴 오프가 가능하며, 일단 오프되면 게이트 전류 없이도 오프 상태를 유지하는 트리거 오프(trigger off) 기능을 가집니다. |
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| SCR 사이리스터의 회로도 기호 |
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| 다이액(Diac) |
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| 다이액은 위의 그림에 나타난 바와 같이 PNPN반도체 층이 양방향으로 결합되어, 양방향으로 전류를 흘릴 수 있는 2단자 소자입니다. 캐소드가 없는 대신에 애노드1과 애노드2가 있습니다. 다이액은 두 단자의 극성에 상관없이 다이액 양단의 전압이 일정 전압(브레이크오버 전압이라고 합니다)에 도달하면 도통되고, 전류가 유지전류 이하로 떨어지면 단락됩니다. 도통된 다이액의 전류방향은 인가된 전압에 극성에 따라 결정됩니다. |
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| 트라이액(Triac) |
| 트라이액은 3단자 교류 스위치의 약어로 이를 개발한 GE社의 상품명에서 기인하여 지금까지 사용되고 있지만 쌍방향 3단자 제어 정류소자로도 불립니다. |
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| SCR의 응용분야 |
| SCR은 계전기 제어, 시간지연 회로, 모터 제어, 전압 조정, 축전지 충전기, 위상제어 등을 포함한 많은 응용분아에 사용되고 있습니다. 최근의 SCR은 1800V, 2000A와같이 높은 정격 전압과 정격 전류로 10MW 정도의 높은 전력을 제어하도록 설계되고 있습니다. 또한 응용주파수 범위는 약 50Khz로 확장되어 유도가열이나 초음파 세척기와 같은 고주파용으로도 많이 응용되고 있습니다. | |
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SCR은 위의 그림과 같이 2개의 트랜지스터로 구성된 등가회로로 생각할 수 있습니다. 윗쪽 트랜지스터는 PNP트랜지스터의 역할을 하고 아랫쪽의 트랜지스터는 NPN트랜지스터의 역할을 합니다. 단, 두개의 트랜지스터가 맞붙는 중간층은 서로 공유됩니다. | |
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| 1) SCR의 턴 온(Turn-on)과정 |
| (1) |
아래의 그림과 같이 게이트가 접지되면 Q1은 개방상태에 있게 됩니다. 이때 IB2는 너무 작아서 Q2를 턴 온 상태로 만들지 못합니다. 그러므로 모두가 개방상태에 있게 되고 SCR은 하나의 개방회로가 됩니다. |
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| (2) |
이 때 아래의 그림과 같이 게이트에 충분히 큰 벌스 전압 VG를 인가하면 Q1이 온 상태가 되고 Q2의 베이스 전류의 증가는 IB2를 더욱 증가되게 합니다. 결과적으로 A-K간 저항은 대단히 작아져서 아래의 그림과 같이 SCR은 하나의 단락회로가 되게 됩니다. 일반적은 SCR은 0.1us ~ 1us의 턴 온 시간을 갖습니다. |
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| (3) |
위와 같은 게이트에 의한 트리거 뿐만 아니라 온도를 현저하게 증가시키거나 Breakover 전압 이상으로 전압을 증가시킴으로 SCR을 온 상태로 만들수도 있습니다. |
| (4) |
일단 SCR이 온 상태가 되면 아래의 그림과 같이 게이트 신호를 제거하여도 오프 상태로 변화되지는 않습니다. 단지 위에서 소개한 GTO형의 SCR만이 게이트에 음의 펄스를 인가하여 오프상태로 만들 수 있습니다. | |
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| 2) SCR의 턴 오프(Turn-off)방법 |
| SCR을 오프 상태로 만들기 위한 방법은 양극전류 차단법과 강제전환법이 있습니다. 양극 전류 차단법은 아래의 그림(a)와 같이 직렬 스위치를 개방시키는 방법과 (b)의 그림과 같이 병렬 스위치를 단락시키는 방법이 있으며 두가지 모두 애노드 전류가 0이 되어 SCR이 오프상태로 됩니다. |
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| 강제전환법은 강제로 SCR내의 순방향 전류의 반대방향으로 전류가 흐르도록 하는 방법입니다. 가장 기본적인 회로는 아래의 그림과 같습니다. |
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| 위의 그림의 (a)에서와 같이 스위치가 개방되어 있으면 SCR은 도통상태에 있게 됩니다. 이 때 (b)와 같이 스위치를 닫아 순방향 전류와 반대방향으로 전류가 흐르게 되면 SCR은 오프 상태로 됩니다. 보통 SCR의 턴 오프 시간은 수us ~ 수십us 정도 입니다. | |
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| 순방향 브레이크오버 전압 (VB) |
| SCR이 순방향 차단영역에서 순방향 전도영역으로 들어가기 위한 전압을 순방향 브레이크오버 전압이라 합니다. 위의 그림에 나타난 바와 같이 게이트 전류 IG가 증가하면 순방향 브레이크오버 전압은 감소합니다. 게이트 전류 IG = 0일때 순방향 브레이크오버 전압이 최대가 됩니다. |
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| 유지전류 |
| SCR이 순방향 전도영역에서 동작하기 위한 최소의 애노드 전류를 유지전류라고 합니다. |
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| 순방향과 역방향 블로킹 영역 |
| 순방향 바이어스 전압을 인가했을때 SCR이 오프 상태인 영역을 순방향 블로킹영역이라 하고, 역방향 바이어스 전압을 인가했을때 SCR이 오프 상태인 영역을 역방향 블로킹 영역이라고 합니다. |
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| 게이트 트리거 전류 (IG) |
| SCR을 순방향 블로킹영역에서 순방향 전도영역으로 전환하는데 필요한 게이트 전류를 트리거 전류라고 합니다. |
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| 순방향 전도영역 |
| 순방향 바이어스 전압을 인가했을때 SCR이 온 상태인 영역을 순방향 전도영역이라고 합니다. |
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| 역방향 항복전압 |
| SCR이 애벌런치 영역으로 들어가서 급격히 도통되기 시작하는 애노드와 캐소드 양단의 역방향 전압을 역방향 항복전압이라고 합니다. |
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전력용 반도체 중의 하나인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)는 주로 300V 이상의 전압 영역에서 널리 사용되고 있으며, 고효율, 고속의 전력 시스템에 특히 많이 사용되고 있습니다.
1970년대에 전력용 MOS FET가 개발된 이후 전력용 스위치는 중전압 이하, 고속의 스위칭이 요구되는 범위에서는 MOS FET가, 중~고압에서 대량의 전류도통이 요구되는 범위에서는 바이폴러 트랜지스터나 SCR, GTO등이 사용되어 왔습니다.
1980년대 초에 개발된 IGBT는 출력 특성면에서는 바이폴러 트랜지스터 이상의 전류 능력을 지니고 있고, 입력 특성면에서는 MOS FET와 같이 게이트 구동 특성을 가지고 있습니다.
따라서 IGBT는 MOS FET와 바이폴러 트랜지스터의 대체 소자로서 뿐만 아니라 새로운 분야도 점차 사용이 확대되고 있습니다. |
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| IGBT의 특징 |
| MOS는 고내압화 하면 온(On) 저항이 급속히 커지는 문제가 있어서 200V 정도가 실용의 한계로 보고 있는 반면 IGBT는 MOS에 비해 온 저항이 낮지만 MOS와 동등의 전압제어 특성을 지니고 있으며 또한 스위칭 특성에서는 MOS보다는 늦지만 바이폴러 트랜지스터나 GTO보다 빠른 이점으로 중소용량의 인버터를 중심으로 산업용에서부터 일반 가정용에까지 폭 넓게 사용될 수 있습니다. |
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| IGBT의 적용분야 |
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| IGBT의 기본적인 특성은 적용 시스템의 전압에 따른 소자 내압(Breakdown voltage)를 기본으로 하여 |
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| 1) |
도통 상태의 소자 전압 강하(On-state voltage drop)인 VCE(sat)에 의해 결정되는 정특성 |
| 2) |
IGBT의 on/Off 스위칭 속도에 의해 결정되는 동특성 |
| 3) |
단락회로 견고성 |
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등으로 나뉘어 질 수 있습니다.
이들 관계는 상호 Trade-off관계를 가지고 있습니다. 즉, 일반적으로 낮은 VCE(sat)를 갖는 IGBT는 스위칭 오프 손실이 크고, 높은 VCE(sat)의 IGBT는 스위치 오프 손실이 작은 관계를 가지고 있습니다. 따라서 IGBT는 적용 시스템의 동작 주파수에 따라 적절히 선택되어야 합니다.
400V급 IGBT의 경우 디지털카메라의 스트로브에 적용되는 대전류, 저속의 트랜치 IGBT와 자동차 엔진 점화장치에 사용되는 점화 IGBT등이 있습니다.
600V급의 경우, 110V 전원을 사용하는 산업용 및 일반용 모터 구동용 인버터, 공진 인버터, UPS, SMPS등에 적용되는 단락 회로 정격 IGBT 및 고속 스위칭 IGBT등이 있습니다.
1200V급 IGBT의 경우 220V 3상 전원을 사용하는 용도에 주로 사용되는데, 산업용 모터 구동 인버터에는 모듈 형의 IGBT, 공진 인버터에는 단품 패키지 형태의 IGBT가 주로 사용됩니다.
이 외에도 전동차 구동용, FA, 직류 송전 등에 2500 ~ 6000V급의 IGBT가 적용되고 있습니다. | | | 원본출처:아이씨뱅크http://www.icbank.com/elecinfo/basic_info/default.asp?file=ele_basic_10_1.asp |
