IGBT: 절연 게이트 양극성 트랜지스터

정의

IGBT는 MOSFET의 게이트 구동과 BJT의 저손실 전도를 결합한 소자다.

게이트에 전압만 걸어 켜고 끄며, 본체는 BJT처럼 전류를 흘린다.

그래서 구동 전력은 작고, 온 상태의 도통 손실도 작다.

구조

구조는 n채널 수직형 파워 MOSFET에서 출발한다.

드레인의 n+층을 p+ 컬렉터층으로 바꾸면 IGBT 구조가 된다.

p+층이 더해져 PNP 트랜지스터가 MOSFET과 캐스케이드로 연결된다.

전체는 PNPN 4층 구조가 된다.

동작 원리

동작의 핵심은 전도도 변조다.

게이트 전압이 임계 전압을 넘으면 채널이 생겨 전자가 흐른다.

그 전자가 PNP의 베이스 전류가 되어 정공이 주입된다.

주입된 정공이 드리프트층 저항을 낮춰 도통 손실이 줄어든다.

차단할 때는 채널이 사라지지만 소수 캐리어가 남는다.

그래서 테일 전류가 흘러 턴오프 손실이 커진다.

비교

세 소자를 구동 방식과 도통 특성으로 비교한다.

IGBT는 전압으로 구동하므로 구동 전력이 매우 작다.

도통 전압은 약 2~3V 수준으로, 대전류에서 손실이 MOSFET보다 유리하다.

MOSFET은 고전압에서 온저항이 커져 도통 손실이 많아진다.

BJT는 전류 구동이 필요해 구동 회로가 복잡하다.

계산 예제

예제로 도통 손실과 스위칭 손실을 구해 본다.

도통 손실은 포화 전압, 컬렉터 전류, 듀티비를 곱해 100 W다.

스위칭 손실은 펄스당 10 mJ에 주파수 10 kHz를 곱해 100 W다.

총 손실은 200 W이며, 방열판 크기와 냉각 방식을 정하는 기준이 된다.

래치업

정답은 200 W다. 주파수가 두 배이므로 스위칭 손실도 두 배가 된다.

IGBT 내부 PNPN 구조 때문에 기생 사이리스터가 생긴다.

정적 래치업은 과도한 컬렉터 전류로, 동적 래치업은 급격한 di/dt, dv/dt로 일어난다.

대책은 내부 베이스 저항을 줄이고 N 버퍼층으로 PNP 이득을 낮추는 것이다.

정리

정리하면 IGBT는 MOSFET 입력부와 BJT 출력부를 합친 전압 구동형 소자다.

장점은 구동 회로가 단순하고 도통 손실이 낮은 것이다.

단점은 테일 전류로 턴오프 손실이 커지는 것이다.

개선 방향은 트렌치 게이트와 필드스톱, SiC 소자 대체 검토다.