전력용 반도체 소자

왜 배우는가: 전력용 반도체 소자는 인버터, 무정전전원장치, 전동기 속도제어, 신재생 발전 연계 장치의 핵심 부품이다. 소자마다 턴온·턴오프 제어 방식과 손실 특성이 달라서, 시험에서는 소자별 원리와 선택 기준을 비교하는 문제로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제131회 1교시 10번, 제109회 1교시 12번, 제94회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 전력용 반도체 소자는 고전압·대전류 회로를 게이트 신호로 켜고 끄는 반도체 스위치이다.

핵심 키워드

• 전력 스위칭
• 사이리스터
• 턴온·턴오프
• 래칭 전류
• 유지 전류
• 완전제어형 소자
• 도통 손실
• 스위칭 손실

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 전력용 반도체는 큰 전기를 흘려보내거나 막는 전자 밸브다. 기계식 스위치보다 빠르게 수천 번 이상 켜고 끌 수 있어 전력 변환 장치의 제어를 가능하게 한다. 정식으로는 전력 변환 회로에서 정격 전압과 정격 전류를 견디면서 스위칭 동작을 수행하는 반도체 소자를 말한다.

소자는 제어 방식으로 나눈다. 게이트 신호로 켤 수만 있는 소자와 끄기까지 제어할 수 있는 소자로 구분한다. 전자는 사이리스터군이고, 후자는 완전제어형 소자다.

다이오드는 게이트가 없어 전압 극성에 따라 한 방향으로만 전류를 통과시킨다. 정류 회로와 환류 경로에 쓴다.

SCR(실리콘 제어 정류기, Silicon Controlled Rectifier)은 게이트에 양의 펄스를 주면 순방향 저지 상태에서 도통 상태로 바뀐다. 한번 켜지면 게이트 신호를 제거해도 도통이 유지된다. 이때 켜진 상태를 유지하는 최소 전류가 래칭 전류다. 턴오프는 전류를 유지 전류 아래로 떨어뜨려야 한다. 따라서 SCR은 교류 전원의 영점 전류를 이용하거나 강제 소호 회로를 붙여야 끌 수 있다.

TRIAC(트라이악, 양방향 3단자 사이리스터)은 두 개의 SCR을 역병렬로 연결한 것으로 보아도 된다. 교류 전압의 양 반주기 모두 게이트 신호로 도통시킬 수 있어 조광·교류 스위칭에 쓴다.

GTO(게이트 턴오프 사이리스터, Gate Turn-Off Thyristor)는 SCR과 같은 구조에 게이트로 턴오프까지 가능하게 만든 대용량 소자다. 턴오프 시 게이트에 큰 역방향 전류를 흘려야 하므로 게이트 구동 전력이 크다.

IGCT(집적형 게이트 전환 사이리스터, Integrated Gate-Commutated Thyristor)는 GTO를 발전시킨 소자이며 게이트 구동 회로를 소자와 일체화했다. 턴오프 동작이 빠르고 배선 인덕턴스 영향이 줄어든다.

IGBT(절연 게이트 양극성 트랜지스터, Insulated-Gate Bipolar Transistor)는 MOS 게이트 입력과 바이폴라 출력을 결합한 소자다. 게이트가 전압으로 구동되어 구동 전력이 작고, 턴온 시 포화 전압이 낮아 중대용량 인버터에 많이 쓴다.

BJT(바이폴라 접합 트랜지스터, Bipolar Junction Transistor)는 베이스 전류로 제어하는 전류 구동형 소자다. 구동 회로가 복잡하고 스위칭 속도가 느려 현재는 중소용량 분야로 줄었다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 전력 변환은 수은 정류기와 회전 변환기에 의존했다. 기계 부품이 많고 효율이 낮으며 보수가 어려웠다. 반도체 사이리스터가 등장하면서 정지형 전력 변환이 가능해졌다. 다만 SCR은 게이트로 켤 수는 있어도 끌 수 없어 인버터처럼 임의의 시점에 전류를 차단해야 하는 응용에는 한계가 있었다.