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전기기사 전기기기 · 정류용 반도체 소자

Power Semiconductor Devices

정류용 반도체 소자는 교류를 직류로, 직류를 교류로 바꾸는 회로에서 전류를 켜고 끄는 스위치 노릇을 한다. 다이오드는 전압 방향만 맞으면 저절로 켜지고, SCR 은 게이트로 켤 수만 있으며, GTO · IGBT · MOSFET 은 게이트로 켜고 끌 수 있다. 어느 소자를 쓰느냐에 따라 다룰 수 있는 전압 · 전류, 스위칭 속도, 손실이 달라져 정류기 · 초퍼 · 인버터의 설계가 갈려요. 위 버튼으로 소자를 고르면 층 구조와 단자가 바뀌고, 아래 슬라이더로 게이트 신호를 키우면 전압-전류 특성이 따라 바뀌어요.

전력 반도체 소자의 구조

💡 왜 전력용 반도체가 필요할까
교류를 직류로, 직류를 교류로 바꾸려면 전류를 빠르게 켜고 끄는 스위치가 있어야 한다.
①기계식 스위치는 1 초에 수만 번 여닫을 수 없으므로 반도체 소자가 그 일을 맡는다.
②전력용 반도체는 높은 전압과 큰 전류를 견디도록 만든 아주 빠른 전자 스위치예요.

전압-전류 특성

🔬 소자마다 다른 켜짐 방식
다이오드는 순방향일 때만 흐르고, SCR 은 게이트 신호가 클수록 더 낮은 전압에서 턴온한다.
①IGBT 와 MOSFET 은 게이트 전압의 크기로 흐를 수 있는 전류 자체를 정한다.
②트라이액은 양쪽 방향으로 모두 도통할 수 있어 교류 제어에 알맞아요.

소자별 제어 방식

다이오드
저절로 켜지고 꺼짐(제어 불가)
순방향 전압이 걸리면 저절로 도통하고, 역방향이면 막는다
SCR (사이리스터)
게이트로 켜기만 가능
게이트 펄스로 턴온한 뒤에는 게이트를 빼도 계속 흐르고, 애노드 전류가 유지 전류(IH) 아래로 떨어져야 턴오프한다
GTO
게이트로 켜고 끄기
게이트에 큰 역방향 전류를 흘려 강제로 끌 수 있는 자기 소호형 소자다
IGBT
VGE로 켜고 끄기
MOSFET 의 높은 입력 임피던스와 BJT 의 큰 전류 능력을 합쳤어요

전력 반도체 소자 비교

소자제어스위칭용도
다이오드불가-정류
SCR턴온만느림교류 위상 제어
GTO턴온/오프보통대용량 인버터
트라이액양방향느림AC 전력제어
IGBT턴온/오프빠름인버터/UPS
MOSFET턴온/오프매우 빠름고주파 DC-DC
⚡ 요즘 전력 변환에서 쓰는 소자
수백 kW 에서 MW 급까지의 중 · 대용량에서는 IGBT 가 가장 널리 쓰인다.
①작은 용량에 수십 ~ 수백 kHz 로 스위칭하는 회로에는 MOSFET 이 유리하다.
②아주 큰 용량의 위상 제어(사이리스터식 HVDC 등)에는 지금도 SCR 을 써요.

시험에 나오는 소자 정리

SCR 구조
P-N-P-N 4층
게이트로 켜기만 하고, 끌 때는 전류를 유지 전류 아래로 낮춘다
GTO
자기 소호형
게이트 역전류로 턴오프할 수 있다
IGBT
IGBT = MOSFET + BJT
높은 입력 임피던스 + 큰 전류
트라이액
양방향 SCR
교류 전력 제어에 쓴다
🎯 시험 포인트
①SCR 은 게이트로 켜기만 할 수 있고, 끄려면 애노드 전류가 유지 전류 아래로 떨어져야 한다.
②GTO 는 게이트로 켜고 끌 수 있는 자기 소호형 소자이다.
③IGBT 는 MOSFET 의 높은 입력 임피던스와 BJT 의 큰 전류 능력을 합친 소자이다.
④트라이액은 양방향으로 도통해 조광기 같은 교류 전력 제어에 써요.
⑤스위칭 속도는 MOSFET > IGBT > GTO > SCR 순이다.
📝 대표 기출유형
①[기출유형] SCR 이 턴오프하는 조건은? (답: 애노드 전류가 유지 전류 아래로 줄어든다)
②[기출유형] 게이트 신호로 턴온과 턴오프를 모두 할 수 있는 소자는? (답: GTO)
③[기출유형] IGBT 의 장점은? (답: MOSFET 의 높은 입력 임피던스와 BJT 의 큰 전류 용량을 함께 가진다)
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