절연 게이트 바이폴라 트랜지스터

 

절연 게이트 바이폴라 트랜지스터

IGBT는 전원 공급 장치 및 모터 제어 회로에 사용하기 위해 MOSFET과 BJT의 장점을 결합한 전력 스위칭 트랜지스터입니다.

줄여서 IGBT 라고도 하는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터는 기존 BJT(바이폴라 접합 트랜지스터 )와 MOSFET( 전계 효과 트랜지스터 ) 을 혼합한 것으로 반도체 스위칭 장치에 이상적입니다.

IGBT 트랜지스터는 MOSFET의 높은 입력 임피던스와 높은 스위칭 속도라는 두 가지 공통 트랜지스터의 장점과 바이폴라 트랜지스터의 낮은 포화 전압을 결합하여 또 다른 유형의 트랜지스터 스위칭 장치를 생산하는 것입니다. 사실상 제로 게이트 전류 구동으로 큰 컬렉터-이미터 전류를 처리할 수 있습니다.

일반적인 IGBT

 

IGBT( 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 )는 MOSFET의 절연 게이트(따라서 이름의 첫 번째 부분) 기술과 기존 바이폴라 트랜지스터의 출력 성능 특성(따라서 이름의 두 번째 부분)을 결합합니다.

이러한 하이브리드 조합의 결과로 "IGBT 트랜지스터"는 바이폴라 트랜지스터의 출력 스위칭 및 전도 특성을 가지면서도 MOSFET처럼 전압 제어됩니다.

IGBT는 주로 인버터, 컨버터 및 전원 공급 장치와 같은 전력 전자 애플리케이션에 사용되지만 솔리드 스테이트 스위칭 장치의 요구 사항은 전력 바이폴라 및 전력 MOSFET에 의해 완전히 충족되지 않습니다. 고전류 및 고전압 바이폴라를 사용할 수 있지만 스위칭 속도가 느린 반면, 전력 MOSFET은 더 높은 스위칭 속도를 가질 수 있지만 고전압 및 고전류 장치는 비싸고 달성하기 어렵습니다.

BJT 또는 MOSFET에 비해 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 장치가 얻을 수 있는 이점은 MOSFET의 더 높은 전압 작동 및 더 낮은 입력 손실과 결합되어 표준 바이폴라 유형 트랜지스터보다 더 큰 전력 이득을 제공한다는 것입니다. 실제로 이는 그림과 같이 Darlington 유형 구성의 형태로 바이폴라 트랜지스터와 통합된 FET입니다.

절연 게이트 바이폴라 트랜지스터

절연 게이트 바이폴라 트랜지스터는 절연 게이트 N채널 MOSFET 입력과 Darlington 구성 유형으로 연결된 PNP 바이폴라 트랜지스터 출력을 결합한 3단자 상호 컨덕턴스 장치임을 알 수 있습니다.

결과적으로 터미널에는 Collector , Emitter 및 Gate 라는 라벨이 붙습니다 . 두 개의 단자( CE )는 전류를 전달하는 컨덕턴스 경로와 연결되고 세 번째 단자( G )는 장치를 제어합니다.

절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 에 의해 달성되는 증폭량은 출력 신호와 입력 신호 간의 비율입니다. 기존 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)의 경우 이득의 양은 베타라고 하는 입력 전류에 대한 출력 전류의 비율과 거의 같습니다.

금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터 또는 MOSFET의 경우 게이트가 주 전류 전달 채널로부터 절연되어 있으므로 입력 전류가 없습니다. 따라서 FET의 이득은 입력 전압 변화에 대한 출력 전류 변화의 비율과 동일하므로 상호 컨덕턴스 장치가 되며 이는 IGBT에도 해당됩니다. 그런 다음 IGBT를 MOSFET에 의해 기본 전류가 제공되는 전력 BJT로 취급할 수 있습니다.

절연 게이트 바이폴라 트랜지스터는 BJT 또는 MOSFET 유형 트랜지스터와 거의 동일한 방식으로 소신호 증폭기 회로에 사용될 수 있습니다. 그러나 IGBT는 BJT의 낮은 전도 손실과 전력 MOSFET의 높은 스위칭 속도를 결합하므로 전력 전자 애플리케이션에 사용하기에 이상적인 최적의 솔리드 스테이트 스위치가 존재합니다.

또한 IGBT는 동급 MOSFET보다 "온 상태" 저항 R ON이 훨씬 낮습니다. 이는 주어진 스위칭 전류에 대한 바이폴라 출력 구조 전반의 I 2 R 강하가 훨씬 낮다는 것을 의미합니다. IGBT 트랜지스터의 순방향 차단 동작은 전력 MOSFET과 동일합니다.

정적 제어 스위치로 사용되는 경우 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터는 바이폴라 트랜지스터와 유사한 전압 및 전류 정격을 갖습니다. 그러나 IGBT에 절연 게이트가 있으면 구동 전력이 훨씬 적게 필요하기 때문에 BJT보다 구동이 훨씬 간단해집니다.

 

절연 게이트 바이폴라 트랜지스터는 게이트 터미널을 활성화 및 비활성화하여 간단히 "ON" 또는 "OFF"로 전환됩니다. 게이트와 이미터에 양의 입력 전압 신호를 적용하면 장치가 "ON" 상태로 유지되는 반면, 입력 게이트 신호를 0 또는 약간 음으로 만들면 바이폴라 트랜지스터와 거의 같은 방식으로 "OFF" 상태가 됩니다. 또는 eMOSFET. IGBT의 또 다른 장점은 표준 MOSFET보다 온 상태 채널 저항이 훨씬 낮다는 것입니다.

IGBT 특성

IGBT는 전압 제어 장치이기 때문에 포화를 유지하기에 충분한 양의 베이스 전류가 지속적으로 공급되어야 하는 BJT와 달리 장치를 통한 전도를 유지하기 위해 게이트에 작은 전압만 필요합니다.

또한 IGBT는 단방향 장치입니다. 즉, 양방향 전류 스위칭 기능(순방향으로 제어되고 역방향으로 제어되지 않음)이 있는 MOSFET과 달리 콜렉터에서 이미터로 즉 "순방향"으로만 전류를 스위칭할 수 있습니다. .

절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 작동 원리와 게이트 구동 회로는 N채널 전력 MOSFET의 원리와 매우 유사합니다. 기본적인 차이점은 "ON" 상태에서 장치를 통해 전류가 흐를 때 주 전도 채널에 의해 제공되는 저항이 IGBT에서 훨씬 작다는 것입니다. 이로 인해 동급 전력 MOSFET과 비교할 때 전류 정격이 훨씬 높습니다.

다른 유형의 트랜지스터 장치에 비해 절연 게이트 양극성 트랜지스터를 사용하는 주요 장점 은 높은 전압 성능, 낮은 ON 저항, 구동 용이성, 상대적으로 빠른 스위칭 속도이며 제로 게이트 구동 전류와 결합되어 중간 속도에 적합한 선택입니다. , 펄스 폭 변조(PWM), 가변 속도 제어, 스위치 모드 전원 공급 장치 또는 태양열 구동 DC-AC 인버터 및 수백 킬로헤르츠 범위에서 작동하는 주파수 변환기 애플리케이션과 같은 고전압 애플리케이션.

BJT, MOSFET 및 IGBT 간의 일반적인 비교는 다음 표에 나와 있습니다.

IGBT 비교표

장치 특성	전력 양극성	전력 MOSFET	IGBT
전압 정격	높음 <1kV	높음 <1kV	매우 높음 >1kV
현재 등급	높음 <500A	낮음 <200A	높음 >500A
입력 드라이브	전류, h FE 20-200	전압, V GS 3-10V	전압, V GE 4-8V
입력 임피던스	낮은	높은	높은
출력 임피던스	낮은	중간	낮은
스위칭 속도	느림(미국)	고속(nS)	중간
비용	낮은	중간	높은

절연 게이트 바이폴라 트랜지스터는 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)의 출력 특성을 가지면서 금속 산화물 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)처럼 제어되는 반도체 스위칭 소자임을 살펴보았습니다 .

IGBT 트랜지스터의 주요 장점 중 하나는 양의 게이트 전압을 적용하여 "ON"으로 구동하거나 게이트 신호를 0 또는 약간 음으로 만들어 "OFF"로 전환하여 다양한 용도로 사용할 수 있다는 단순성입니다. 스위칭 애플리케이션의 또한 전력 증폭기에 사용하기 위해 선형 활성 영역에서 구동될 수도 있습니다.

온 상태 저항 및 전도 손실이 낮을 뿐만 아니라 손상 없이 고주파수에서 고전압을 전환할 수 있는 기능을 갖춘 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터는 코일 권선, 전자석 및 DC 모터와 같은 유도성 부하를 구동하는 데 이상적입니다.