파워디바이스활용입문-5. IGBT의 기초와 트러블 대책

20kHz 이하의스위칭파워회로에가장적합한디바이스

5. IGBT의 기초와 트러블 대책


모터 가변속 구동장치나 산업용 로봇 장치, 컴퓨터의 무정 전 전원장치(UPS) 등 스위칭 주파수가 수k~20kHz 정도의 중용량 장치에 IGBT가 주로 사용된다. 최근에는 소용량(가 정용업무용 에어컨, 냉장고의 컴프레서 구동 등)부터 대용량 으로는 전철의 모터 구동장치 등 우리 주변의 다양한 전기기 기에 IGBT가 사용되고 있다.
여기서는 주로 브리지 회로를 구성하여 하드 스위칭 동작 을 실행하는 IGBT에 관하여 그 종류와 사용방법, 주의점 및 트러블 대책에 관하여 설명한다.

IGBT의 이모저모

인버터 회로에서는 브리지 접속한 IGBT에서 모터 등의 유 도성 부하의 전류를 ON/OFF함으로써 부하를 제어한다. 따 라서 IGBT 이외에 부하전류를 전류(轉流)시키기 위한 다이 오드(FWD：Free Wheeling Diode)가 필요하다. 시판되고 있는 IGBT, 특히 모듈 타입의 제품에서는 FWD를 내장시킨 것이 일반적이다.
표 1에 대표적인 IGBT 제품의 종류, 회로구성, 특징을 나타낸다.

디스크리트 타입의 제품은 IGBT가 1소자 또는 IGBT와 FWD가 역 병렬로 접속된 1in1 타입이다.
모듈형 IGBT의 기본구성은 동 등의 금속 베이스 상에 절 연층을 통하여 IGBT 및 FWD 칩을 회로 패턴 상에 실장, 알루미늄 와이어로 단자 등에 배선한 후 케이스를 접착한 것 이다.
이러한 모듈형은 디스크리트와 같이 1in1(1개 들이)의 심 플한 타입에서 정류 다이오드, 직류회로 충전용 사이리스터 나 온도검출 서미스터까지 내장된 PIM(Power Integrated Module) 등 다양한 제품이 있으므로 정격이나 용도에 맞춰 선정할 수 있도록 되어 있다.
모듈 타입의 IGBT는 IGBT 칩과 금속 베이스(바닥면)가 내부에서 절연되어 있으므로 디스크리트 제품과 같이 전기회 로와 냉각 핀과의 절연에 신경 쓸 필요 없이 사용하기 간편한 형상으로 되어 있다. 또 모듈 내부에서 IGBT 칩을 다수 병렬 접속 또는 모듈 자체를 병렬 사용함으로써 대용량화가 비교 적 용이하다.
핀 단자형인 것은 모듈 상에 프린트판을 직접 납땜할 수 있 으므로 회로구조를 간단소형화할 수 있는 메리트가 있다. 소용량 분야(수A~20A 정도)에서는 디스크리트 제품이 중심이며 모듈 타입에 비해 저코스트로 회로실장을 콤팩트하 게 정리할 수 있다.

IGBT의 특성

IGBT 메이커에서 발행되고 있는 카탈로그나 사양서에는 그 제품의 다양한 특성이 기재되어 있다. 여기서 2MBI150SC- 120(후지전기 디바이스 테크놀러지, 1,200V/150A 2in1 모 듈)의 특성이나 파형을 예로 들어 사양서에 기재되어 있는 항 목의 내용 및 주의해야 할 점에 관하여 설명한다.

1. 절연 최대정격
절대 최대정격에는 IGBT의 각 단자에 인가할 수 있는 전압이나 전류, 온도 등 어떠한 경우에도 절대로 초과해서는 안 되는 중요한 특성값이 기재되어 있다. 장치설계 시에는 IGBT의 책무를 잘 검토하여 절대 최대정격을 초과할 수 없 는 사용조건으로 하거나 반대로 사용조건에 대해 충분히 여 유가 있는 제품을 선택해야 한다.

2. 정 특성(출력 특성)
IGBT가 ON일 때의 컬렉터-이미터간 전압 VCE(ON 전압) 와 컬렉터 전류 IC와의 관계를 나타내는 특성이다. 출력 특성 을 그림 1에 나타낸다.

ON 전압은 게이트-이미터간 전압 VGE에 의해 변화하며 그림에서는 VGE가 12V 정도 이상에서 거의 포화상태로 된다. 활성영역(IGBT에 높은 전압과 전류가 인가되어 있는 영역) 에서는 IGBT에서 발생하는 손실이 매우 크기 때문에 이러한 상태에서 사용하는 것은 바람직하지 않다. 또 내장되어 있는 FWD에 관해서도 IGBT와 마찬가지로 정 특성이 있다. FWD의 출력 특성 예를 그림 2에 나타낸다.

3. 스위칭 특성
스위칭 용도로 사용되고 있는 IGBT 응용기기에서는 IGBT의 스위칭 특성을 충분히 이해해 두어야 한다. 또 스위 칭 특성은 다양한 파라미터(온도, 전류, 구동조건 등)에 의해 변화하기 때문에 이러한 점도 고려하여 장치를 설계해야 한 다. 스위칭 특성은 스위칭 시간과 스위칭 손실로 크게 나눌 수 있다.
(1) 스위칭 시간
IGBT 및 FWD 스위칭 시간의 정의방법을 그림 3~그림 5 에 나타낸다. 

또 브리지 회로에서는 IGBT가 턴 온 동작할 때 FWD가 턴 오프 스위칭 동작을 실행하는데 이것을 FWD의 역 회복동작이라 한다. 여기에 나타난 스위칭 시간(ton, toff 등)은 주로 접합부 온도(TJ)나 컬렉터 전류, 게이트 저항과 밀접한 관계가 있다.
스위칭 시간 이상으로 상하 암 사이의 대기시간(데드 타임) 을 짧게 하면 브리지 회로를 IGBT에서 쇼트하게 되고(암 단 락), 모듈이 과열파괴되는 경우가 있으므로 주의해야 한다. (2) 스위칭 손실
스위칭 손실은 IGBT부의 턴 온 손실, 턴 오프 손실 및 FWD 부의 역 회복손실의 3종류가 있으며 이들도 그림 6, 그림 7과 같 이 스위칭 시간과 마찬가지로 온도나 전류의존성을 갖고 있다.

4. 용량 특성
IGBT의 사양에는 게이트 차지(Qg) 특성이 규정되어 있다 (그림 8). 

이것은 게이트 차지 용량에 대한 VCE와 VGE의 변화 를 나타낸 것이다. 이 특성 그래프에 의해 IGBT를 구동하는 데 필요한 전하량을 구할 수 있다.
예를 들어 그림 8의 그래프에서 VGE를 0V에서 15V까지 충전시키려면 1,070nC의 전하량이 필요하다는 것을 알 수 있다. 이 값에서 구동회로의 전원용량을 계산할 수 있다.

5. 안전동작 영역
IGBT를 턴 오프시킬 때, 안전하게 턴 오프 동작시킬 수 있는 VCE-IC 동작 궤적범위를 역 바이어스 안전동작 영역 (RBSOA：Reverse Bias Safe Operating Area)이라 한다. RBSOA의 예를 그림 9에 나타낸다. 

턴 오프의 VCE-IC 동작궤도가 이 범위에 들어가도록 스너버 회로를 설계하기 바란다. 또 단락사고 등 대전류를 차단하는 경우에는 비반복에서의 안전동작 영역(SCSOA：Short Circuit Safe Operating Area)이 규정되어 있다. SCSOA는 전류가 커질수록 전압방 향은 좁아지는 경향이다.

6. 열저항 특성
IGBT의 케이스(금속 베이스 부분), 접합부의 온도상승을 계산하거나 냉각체 설계에 사용하는 과도 열저항 특성을 그 림 10에 나타낸다. 열저항은,
온도차 ΔT[℃]＝열저항[℃/W]×손실[W]
로 정의된다.
IGBT의 접합부-케이스간 열저항 θJ-C는 손실의 펄스 폭(시 간)에 의해 변화된다. 이것은 제품에 열용량이 있기 때문이며 짧은 펄스 폭에서는 온도가 별로 상승하지 않는다(열저항이 작다). 그림 10의 예에서는 0.2s 이상의 손실 펄스에서 거의 일정값(정상 열저항)으로 된다.

IGBT의 선택방법

바이폴러 트랜지스터와 같은 전류구동형 디바이스와 달리 IGBT는 MOSFET와 마찬가지로 전압구동형 디바이스이므 로 간단하게 드라이브할 수 있다. 또 모듈 제품에서는 디스크 리트형과 같이 냉각 핀과의 절연에 신경 쓸 필요도 없다. 그러나 IGBT의 정격선정을 잘못하거나 부적절한 취급장치설계를 하면 그 IGBT의 특성을 충분히 활용할 수 없을 뿐 만 아니라 경우에 따라서는 IGBT가 파괴되는 경우도 있다. IGBT를 선정하는 데에는 먼저 IGBT를 사용한 변환장치 의 사양(입출력 전압이나 전류, 회로방식, 캐리어 주파수, 냉 각조건 등)을 명확하게 하여 그에 알맞은 정격의 제품을 선택 하는 것이 중요하다.

1. 전압정격
IGBT의 전압정격은 변환장치의 입력전원(일반적으로는 상용전원) 전압과 밀접한 관계가 있다. 입력 AC250V 이하에 서는 600V 내압의 IGBT, 480V까지는 1,200V 내압, 그 이 상의 입력전압에서는 1,400V 내압 또는 1,700V 내압인 것 을 선택하면 될 것이다.

2. 전류정격
IGBT의 전류정격은 변환장치의 출력전류에 따라 좌우된 다. 장치의 출력전류가 커지는, 즉 IGBT의 컬렉터 전류가 커 지면 IGBT의 ON 전압 [VCE(sat)]가 상승함과 동시에 스위칭 손실도 증가하므로 IGBT에서 발생하는 손실이 커진다. 따라서 IGBT의 발생손실과 핀의 냉각성능에서 IGBT 접합 부 온도(TJ)를 견적한 다음, TJ가 150℃ 이하(통상적으로는 여유를 두고 125℃ 이하)로 되는 정격의 제품을 선택한다. 전 류정격을 잘못 선택하면 과열에 의해 IGBT가 파괴되거나 장 기신뢰성 저하를 초래하는 경우가 있으므로 주의가 필요하다. 전류정격의 기준으로는 변환장치의 최대 출력전류(피크 값) 이상인 정격의 제품을 선정한다. 모터 구동용도에서의 선 정 예를 표 2에 나타낸다. 

단, IGBT의 냉각조건이나 발생손 실(드라이브 조건이나 스위칭 주파수 등에 의존) 값에 따라 필요한 IGBT 정격은 변하게 되므로 주의해야 한다.

드라이브 회로 설계

IGBT의 성능을 충분히 낼 수 있을지의 여부는 드라이브 회로 설계에서 결정된다고 해도 과언이 아니다. 또 스위칭 특 성, 파형 컨트롤 등 세세한 튜닝이나 보호회로 설계와도 밀접 한 관계가 있다. 이 관계를 표 3에 나타낸다.

1. 게이트 순방향 바이어스 전압(＋VGE)
IGBT를 ON시키기 위해 게이트에 부여하는 전압값이다. IGBT의 게이트 내압값은 일반적으로 ±20V이지만 15V를 기준으로 가급적 높게(＋1~＋1.5V) 설정하면 좋다.
＋VGE가 높을수록 ON 전압은 내려가므로 손실이 작아지 지만 턴 온 스피드가 빨라져 dv/dt의 잘못된 점호(点弧)를 발생시키고 단락 내량 감소, EMI 노이즈 증가 등의 문제가 쉽게 발생한다.

2. 게이트 역방향 바이어스 전압(－VGE)
IGBT를 OFF시켜 놓기 위한 전압값이다. 통상적으로는 －5V~－15V로 설정한다. 역 바이어스 전압에 의존하는 주 요 IGBT의 특성은 턴 오프 시간손실이다. 역 바이어스 전압 이 커질수록 턴 오프 스피드는 빨라(손실은 작아)진다. 또 dv/dt의 오점호는 역 바이어스 전압이 작을수록 쉽게 발 생한다. 디스크리트 타입 등 소용량 소자에서는 드라이브 회로 와의 배선이 짧아질 수 있으므로 －VGE＝0V에서도 문제가 발 생하기 어려운 경향이지만 모듈을 사용한 장치는 게이트 배선 이 길어져버리므로 역 바이어스 전압 설정에 주의해야 한다.

3. 게이트 저항
스위칭 시간손실 특성의 측정조건으로 IGBT의 사양서에 는 표준적인 게이트 저항 RG값이 기재되어 있다. RG는 IGBT 의 스위칭 특성에 매우 큰 영향력이 있다.
반대로 말하면 RG의 조정에 의해 스위칭 시간손실이나 서 지 전압 특성을 어느 정도 컨트롤할 수 있다. 일반적으로 RG 는 메이커 표준값을 기준으로 하여 1~3배 정도의 범위 내에 서 선정하면 된다.
IGBT 평가 시에는 스위칭 파형을 측정하여 서지 전압이나 스위칭 시간 및 손실이 소자사양, 장치사양에 부합하는가의 여부를 확인할 필요가 있다. 사양을 벗어나 버리는(예를 들면 서지 전압이 높은) 경우에는 표 3의 경향을 참조하여 게이트 저항값을 조정(크게)하는 등의 대책이 필요하다.

4. 드라이브 전류전력에 관하여
IGBT는 게이트를 충방전함으로써 스위칭시킨다. 그림 11 에 IGBT 드라이브 회로의 원리도와 게이트 전압전류파형을 나타낸다. 

이 드라이브 회로의 원리는 순방향 바이어스 전원 과 역 바이어스 전원을 스위치 Tr1, Tr2에 의해 교대로 전환 함으로써 IGBT에 순방향 바이어스 및 역 바이어스를 가하는 것이다.
이 스위치 전환 시 게이트를 충방전하는 전류가 드라이브 전류이며 그림 11의 전류파형에서 제시되는 면적(경사부)이 그림 12의 전하량(경사부)과 같아진다.

드라이브 전류의 피크값 iGP 근사값 및 ON 또는 OFF시키는 구동전력[Pd(on), Pd(off)]은 다음과 같이 개략적으로 계산할 수 있다.

여기서, f：스위칭 주파수

5. 데드 타임 설정방법
브리지 회로에서는 직렬로 접속된 IGBT가 교대로 스위칭 을 반복하지만 상하의 소자가 동시에 ON하여 단락되지 않도 록 ON/OFF 전환 타이밍으로 데드 타임을 설정한다. 그림13에 타임차트를 나타낸다. 
이 데드 타임은 기본적으로 IGBT의 스위칭 시간(toff)의 최대값보다 길게 설정해야 한다. 일반적인 IGBT에서는 3㎲ 이상으로 설정한다.
데드 타임 설정에 있어서는 RG 등의 구동조건, IGBT 자체 의 분산, 온도 특성 등도 고려해야 한다. RG를 크게 하고 있 는 경우에는 스위칭 시간이 늘어나므로 데드 타임도 크게 설 정해야 한다. 데드 타임이 너무 짧은 경우에는 상하의 소자에 서 단락이 발생하므로 단락전류에 의한 소자과열이나 파괴가 발생할 가능성이 있다.
적절한 데드 타임이 설정되어 있는가의 여부를 체크하는 방법으로, 무부하 시의 직류 라인 전류 측정을 들 수 있다. 그림 14에 이 모습을 나타낸다.

데드 타임이 충분해도 소자의 용량을 충방전하는 전류(수A 이하)가 흐르지만 데드 타임이 부족한 경우에는 큰 단락전류 가 흐른다. 이 단락전류가 없어질 때까지 데드 타임을 길게 한다.

6. 드라이브 회로설계의 주의사항
(1) 포토커플러의 노이즈 내량에 관하여
IGBT는 고속 스위칭하기 때문에 드라이브 회로의 노이즈 내량을 충분히 확보해야 한다. 특히 마이컴 등의 제어회로와 IGBT(주 회로)와의 절연을 확보하는 포토커플러에 있어서는 노이즈 내량이 충분히 큰 것으로 선정해야 한다. 포토커플러 의 노이즈 내량을 나타내는 하나의 기준으로 CMR(동상 잡 음제거) 성능을 들 수 있다.
IGBT의 스위칭에서는 dv/dt가 10kV/㎲ 이상 발생하는 경우도 있으므로 이 수치 상의 CMR 성능을 지닌 포토커플 러를 선정하는 것도 드라이브 회로의 노이즈 내량을 올리는 수단으로 효과적일 것이다. 또 포토커플러 메이커의 애플리 케이션 노트 등에서 노이즈 내량을 배려한 실장방법이나 사 용방법이 소개되어 있는 경우가 있으므로 이것을 참조하여 노이즈에 강한 드라이브 회로를 설계하기 바란다.
(2) 드라이브 회로와 IGBT 모듈과의 배선에 관하여 IGBT 모듈과 드라이브 회로를 연결하는 배선이 길어지거 나 게이트, 이미터 각각의 배선이 떨어져 있으면 게이트 전압 이 진동하거나 외부에서의 유도 노이즈에 의해 IGBT가 오동 작하는 경우가 있다. 이 대책방법으로 다음과 같은 점에 주의 하기 바란다.
① 드라이브 회로와 모듈과의 배선은 극히 짧게 하고 또이트-이미터간의 접속선을 밀접하게 합한다.
② 게이트 저항을 크게 하여 스위칭 노이즈를 줄인다.
③ 게이트 배선과 주 회로의 배선을 가급적 멀리 직교하도 록(주 회로에서의 유도를 받기 어렵도록) 배치한다.
또 드라이브 회로와 모듈과의 접속이 불완전하거나 드라이 브 회로전원이 충분히 확립되지 않은 상태에서 컬렉터-이미 터 사이에 주 회로전압이 인가되면 게이트가 오픈상태로 되 어 있기 때문에 IGBT가 잘못해서 ON되어 파괴되는 경우가 있다.
이것을 방지하기 위해서는 IGBT의 게이트-이미터 단자 사 이에 10㏀ 정도의 저항(그림 15의 RGE)을 접속해 두는 것이 좋을 것이다. 

또 게이트 회로가 완전히 동작한 다음에 주 전 원을 투입하는 배려도 필요하다.
(3) 게이트의 과전압 보호에 관하여
IGBT의 게이트 단자 내압은 ±20V 정도이고 이것을 초과 한 전압(정전기 등)이 게이트 단자에 인가되면 게이트 산화막 이 영구히 파괴돼버린다. 과전압 발생 가능성이 있는 경우, 그림 16과 같이 게이트-이미터 단자 사이에 제너 다이오드를 접속하는 등의 대책이 필요하다.

(4) 시판되고 있는 IGBT 드라이브 회로
전압구동형 디바이스의 적용이 확대됨에 따라 소중용량의 IGBT나 MOSFET 등을 다이렉트로 구동할 수 있는 포토커 플러(도시바 TLP250 등)나 고내압(HVIC) 기술에 의한 드 라이브 IC(인터내셔널 렉티파이어사 IR2110 등)가 제품화되 고 있다. 이러한 시판 IC를 사용하면 간단히 드라이브 회로를 구성할 수 있으므로 설계시간 단축이나 회로의 소형화코스 트다운이 가능해진다.
여기서는 IGBT 구동용으로 발매되고 있는 하이브리드 IC EXB840(후지디바이스테크놀러지)을 사용한 드라이브 회로 구성 예를 나타낸다.
EXB840은 고속 포토커플러를 내장한 IGBT 드라이브 회 로이며 600V/150A, 1,200V/75A 클래스까지의 IGBT를 구 동할 수 있다. 단전원(20V)에서 사용할 수 있고 VCE 감시에 의한 단락보호 기능(후술)이 내장되어 있으므로 게이트 저항 이나 전해 콘덴서 등 약간의 부품 추가로 드라이브 회로를 구 성할 수 있다.
사용상의 주의점으로는(시판되고 있는 어떤 드라이브 IC 에 대해서도 말할 수 있지만) 드라이브 회로와 IGBT와의 배 선은 최단으로 한다, 게이트-이미터 배선은 평행 또는 밀접하 게 한다, 1차(제어회로) 측과 2차(IGBT 주 회로) 측의 배선 은 교차시키지 않는다 등을 들 수 있다.

보호회로 설계

1. 단락보호
배선 오류나 제어회로 오동작 등의 원인으로 IGBT 모듈이단락되면 높은 전압전류가 IGBT에 인가되기 때문에 이러한 단락상태를 재빨리 검출하여 보호할(모듈을 강제적으로 차단 힐) 필요가 있다. IGBT 모듈에는 단락상태에서의 파괴내량 (단락내량)이 규정되어 있고 단락발생에서 내량 이내(통상적 으로는 수μ~10㎲ 정도)의 시간에 차단해야 한다.
이와 같이 단시간에 IGBT의 단락상태를 검출하여 고속으 로 차단하는 수단으로 IGBT의 VCE를 감시하는 방법이 있다. 이 방법은 드라이브 회로에 내장하여 사용하는 것으로, 암 단 락출력단자부에서의 단락이나 지락에 대해 고속으로 보호할 수 있다.
전술한 EXB840에서는 이 VCE를 감시하는 방법에 의해 단 락보호를 실행하고 있다. 이것은 그림 17의 D1에 의해 VCE 전압 레벨을 항상 감시하고 구동회로에 ON 신호가 입력되어 (＝IGBT가 ON으로 되어) 있음에도 불구하고 VCE가 높은 상 태인 경우‘단락’이라 판단하는 것이다.

2. 스너버 회로(과전압보호)
IGBT는 고속 스위칭이 가능하기 때문에 턴 오프 시나 내 장 FWD가 역 회복할 때 높은 전류변화(di/dt)가 발생한다. 이 di/dt와 IGBT 제품 내부 및 주변 회로부분의 부유 인덕턴 스 LS에 의해 스파이크 전압 VCEsp(Ls di/dt)가 발생한다. 이 스파이크 전압이 IGBT의 정격전압 VCES를 초과하면 소 자파괴에 이르게 되므로 스파이크 전압 억제(보호)를 목적으 로 한 스버너 회로의 설계가 중요하다.

3. 스너버 회로의 종류와 특징
대용량 장치 등 특수한 예를 제외하고 최근 IGBT의 스너 버 회로는 일괄 스너버 회로가 자주 사용된다. 이 스너버 회 로는 직류회로부분(모듈의 PN 단자부)에 콘덴서‘C스너버’ 또는 콘덴서, 다이오드, 저항‘RCD 스너버’로 구성된 회로 를 접속한 것이다.
표 4, 표 5에 회로도와 특징, C스너버 용량의 기준을 나타 냈으므로 스너버 회로설계 시 참고한다. 

스위칭 시 발생하는 서지 전압의 주파수 성분은 수백kHz에서 MHz 오더로 되므 로 사용하는 콘덴서는 필름 콘덴서 등 고주파 특성이 좋은 것 을 선택하고 단자와의 접속은 가장 짧아지도록 배려한다.

4. 기타 과전압 방지법
IGBT의 구동조건(게이트 저항드라이브 전압)을 조정하 여 스위칭의 di/dt를 작게 함으로써 서지 전압을 내릴 수 있 다. 또 전해 콘덴서를 가급적 IGBT에 가까이 배치하여 배선 의 부유 인덕턴스 Ls를 작게 하고 주 회로 배선에 동 바 및 동 판을 사용하여 적층구조(라미네이트)로 함으로써 더욱 저인 덕턴스화를 도모할 수 있다.

방열설계

IGBT를 안전하게 동작시키기 위해서는 접합부의 온도 TJ 가 TJmax.를 초과할 수 없도록 방열설계해야 한다. 변환장치의 정격출력(연속) 시에는 물론, 단시간 과부하출력 등의 이상 시에도 TJmax.를 초과할 수 없도록 배려해야 한다. IGBT가 발 생하는 손실은 다음과 같이 분류할 수 있다.

1. IGBT부의 손실
① 정상손실(Psat)
② 스위칭 손실(Psw)
턴 온 손실(Pon), 턴 오프 손실(Poff)

2. FWD부의 손실
① 정상손실(PF)
② 스위칭 손실
역 회복손실(Prr)
정상손실과 스위칭 손실 모두 카탈로그에 기재되어 있는 출력 특성 커브, 스위칭 손실 특성 커브에서 구할 수 있다. 모듈의 카탈로그에는 상온(TJ＝25℃)일 때의 특성이 각각 기재되어 있다. 소자의 특성으로서 고온일수록 손실이 커지 는 경향이므로 고온의 특성 데이터를 사용하여 손실을 견적 할 필요도 있다.

3. 손실 계산방법
모터 제어에서는 IGBT 모듈의 ON/OFF 패턴으로서 정현 파-3각파 비교에 의한 PWM 변조가 사용된다. 항상 전류값 이나 ON/OFF 펄스 폭이 변화하므로 IGBT 모듈의 손실을 상세하게 계산하려면 컴퓨터 시뮬레이션이 필요하다. 여기서 는 근사식을 사용하여 간단하게 손실을 계산하는 방법에 대 해 소개한다.
IGBT를 안전하게 동작시키려면 접합온도(TJ)가 TJmax.를 넘지 않도록 해야 한다. 정격 부하일 때는 물론, 과부하일 때 등의 이상 시에도 반드시 TJmax. 이하가 되도록 충분히 여유를 갖도록 열설계하기 바란다.
(1) 전제조건
계산하는 데 있어서 다음과 같은 점이 전제조건이다
.정현파 전류출력 3상 PWM 제어 VVVF 인버터일 것
.정현파, 삼각파 비교에 의한 PWM 제어일 것
.출력전류는 이상적인 정현파일 것
(2) 정상손실(Psat. PF)을 구하는 방법
IGBT 및 FWD의 출력 특성은 그림 18과 같이 특성 그래 프에서 근사값을 얻을 수 있다. 

따라서 정상손실은,
.IGBT 측의 정상손실

.FWD 측의 정상손실

여기서, DT, DF：출력전류 반파에서의 IGBT 및 FWD 평균 도통률(그림 19).

(3) 스위칭 손실
스위칭 손실-IC 특성은 일반적으로 다음과 같은 식으로 근 사된다. 여기서 정격 IC를 ICt라고 한다.
Eon＝Eonα(IC/ICt)^a
Eoff＝Eoffα(IC/ICt)^b
Err＝Errα(IC/ICt)^c
여기서 a, b, c：승수, Eonα, Eoffα, Errα：ICt일 때의 Eon, Eoff,Err의 값
따라서 스위칭 손실은 다음과 같이 표현된다.
.턴 온 손실(Pon)


여기서, Eon(IM)：IC＝IM일 때의 Eon
.턴 오프 손실(Poff)

Eoff(IM)：IC＝IM일 때의 Eoff
.FWD 역 회복 손실(Prr)

여기서, Err(IM)：IC＝IM일 때의 Err
(4) 전체 발생손실(토털 발생손실)
(2)와 (3)항에서의 계산결과에 의해 다음과 같이 된다.
.IGBT부의 발생손실
PTr＝Psat＋Pon＋Poff
.FWD부의 발생손실
PFWD＝PF＋Prr
실제로는 직류 전원전압이나 게이트 저항값 등이 사양서에 기재되어 있는 것과 다를 때가 있는데 이러한 경우에는 다음 과 같은 규칙에 따라 간략하게 계산할 수 있다.
.직류 전원전압 Ed(VCC)가 다른 경우
ON 전압：Ed(VCC)에 의존하지 않는다
스위칭 손실：Ed(VCC)에 비례한다
.게이트 저항값이 다른 경우
ON 전압：게이트 저항값에 의존하지 않는다
스위칭 손실：스위칭 시간에 비례한다

4. 히트 싱크의 선정방법
파워 다이오드, IGBT, 트랜지스터 등의 파워 모듈은 전극 부와 설치 베이스가 절연되어 있는 경우가 많으며 하나의 히 트 싱크 상에 여러 개의 소자를 설치하여 사용할 수 있기 때 문에 실장이 용이하고 콤팩트한 배선이 가능해진다.
이러한 소자를 안전하게 동작시키려면 동작 시 각 소자가 발생하는 손실(열)을 효율적으로 냉각해야 하며 히트 싱크의 선정은 중요한 키가 된다.
반도체의 열전도는 전기회로로 치환하여 풀 수 있다. 여기 서 IGBT만 히트 싱크로 설치했을 경우를 살펴보기로 한다. 이 경우, 열적으로는 그림 20과 같은 등가회로로 치환할 수 있다. 

상기의 등가회로에서 접합온도(Tj)는 다음과 같은 열방정식으로 구할 수 있다.
TJ＝W{θJ-C＋θC-F＋θF-A}＋TA
다음에 IGBT(2in1 모듈)와 다이오드 브리지 모듈을 히트 싱크 상에 설치하는 경우의 등가회로 예를 그림 21에 나타낸다. 

이 경우의 열방정식은,
TJ( D)＝WD[θJ-C( d)＋θC-F( D)]
＋[(WD＋2WI＋2WF)θF-A]＋TA
TJ( I)＝WIθJ-C( I)
＋[(WI＋WF)θC-F( I)]
＋[(WD＋2WI＋2WF)θF-A]＋TA
TJ( F)＝WFθJ-C( F)
＋[(WI＋WF)θC-F( I)]
＋[(WD＋2WI＋2WF)θF-A]＋TA
로 된다. 이 식에서 TJ가 TJmax.를 넘지 않는다는 것을 확인하 고 히트 싱크를 선정하기 바란다.

5. 설치위치
냉각 핀의 열저항은 발열체(IGBT)를 설치하는 위치에 따 라 변화된다. 1개의 IGBT를 냉각체에 설치하는 경우, 냉각체 중앙부분에 설치하면 열저항이 최소로 되어 냉각이 잘 된다. 복수의 IGBT를 설치하는 경우에는 각 IGBT를 분산［그림22(a)］시켜 설치하는 것이 열저항에서 유리하다. 

그림 22(b)와 같이 IGBT를 밀집시켜 배치하면 중심부의 모듈(V상, Y 상)은 주변부보다 온도가 높아지므로 주의해야 한다.

6. 냉각체 마무리
IGBT 모듈 내부에서는 두께 1mm 이하라 해도 얇은 세라 믹 기판을 사용하여 설치면(금속 베이스)과 주 회로(IGBT부) 와의 절연을 확보하고 있다. 또 디스크리트 제품에서는 IGBT 칩이 설치된 금속전극과 냉각 핀이 직접 접촉하여 냉각한다. IGBT 메이커에서는 제품 설치면의 상태(평탄도)에 관하여 충분한 주의를 기울이고 있지만 제품을 설치하는 냉각 핀 측 의 평탄도나 거칠기에 관해서도 정확히 관리해야 한다. 냉각체의 평탄도가 큰 경우, 모듈을 설치하면 내부의 세라 믹 부분에 응력이 발생하여 세라믹 균열(절연파괴)을 일으키 거나 IGBT 칩 자체에 응력이 걸려 칩이 균열돼버리는 경우 가 있다. 또 냉각체 표면이 거친상태에서는 그 부분의 접촉저 항이 커지기 때문에 온도가 높아진다.
통상적으로는 그림 23과 같이 설치 나사 사이에 50~100㎛ 이하, 거칠기는 10㎛ 이하 정도를 지정하고 있는 메이커가 많 은 것 같지만 제품의 사양을 충분히 확인하여 냉각체의 마무리 치수를 결정하기 바란다.

7. 서멀 콤파운드 사용
모듈 바닥면과 냉각체와의 설치부분 접촉 열저항을 작게 하기 위해 서멀 콤파운드를 사용한다. 사용하는 콤파운드의 메이커와 종류는 표 6에 나타난 제품 등이 일반적으로 권장된다.

서멀 콤파운드가 너무 적으면 효과가 작고 너무 많으면 역 효과가 나타나기도 하여 콤파운드가 낭비돼버린다. 그림 23 에 나타난 도포방법은 IGBT와 FWD 칩이 설치되어 있는 바 로 아래의 케이스 부분에 점 모양의 콤파운드를 도포하는 방 법이다. 이러한 방법으로 콤파운드를 도포한 후, 냉각 핀에 설치하면 콤파운드가 극간을 메우도록 확산되므로 기포가 적 은 콤파운드층이 간단하게 형성된다.
또 나사의 체결 토크는 IGBT 제품의 카탈로그 등에 기재 되어 있으므로 지정 토크 범위에서 설치하도록 한다. 체결 토 크가 부족하면 접촉 열저항이 증가하거나 사용 중에 이완되 는 경우가 있다. 또 토크가 과대한 경우에는 모듈의 케이스가 파손되거나 나사 산이 파손되는 경우가 있다.
나사를 체결하는 순서는 대각선상으로 체결해 가는 것이 기본이다. 먼저 규정 토크의 1/3 정도로 가 체결한 후, 규정 토크로 본 체결하기 바란다.

IGBT의 트러블 대책

IGBT는 저손실화라는 특성개선과 함께 파괴 내량 향상에 도 주력하고 있지만 장치설계제품실장 상의 오류, 간과 등에 의해 소자파괴나 오동작이라고 하는 트러블이 일어나는 경우 가 있다.
여기서는 IGBT 제품이 파괴되어 있는가의 여부를 체크하는 방법과 대표적인 트러블 내용대책에 관하여 설명한다.

1. IGBT 제품의 고장 체크
IGBT가 고장인가의 여부를 정확하게 판단하기 위해서는 전용 측정장치(커브 트레이서)가 필요하다. 커브 트레이서를 사용하여 다음과 같은 값을 측정하고 사양서의 특성값과 비 교함으로써 고장을 판단한다.
① 컬렉터-이미터간의 누설전류(ICES)
② 게이트-이미터간의 누설전류(IGES)
또 커브 트레이서 대신에 디지털 테스터 등의 전압저항값 을 측정할 수 있는 기기를 사용하여 간이적으로 고장을 판단 할 수 있다. 체크할 때에는 우회에 의한 오측정이나 감전을 방지하기 위해서도 주 전원을 차단하고 IGBT에 접속되어 있 는 회로는 모두 절리하도록 한다.
(1) 게이트-이미터간 체크
컬렉터-이미터간을 단락하여 게이트-이미터간의 누설전류 혹은 저항값을 측정한다. IGBT 제품이 정상이라면 흐르는 누설전류는 수백nA 오더(테스터에서의 저항값으로 수십㏁~ ∞Ω)가 일반적이다. 값이 대폭 작은(수십Ω~쇼트) 경우에 는 IGBT가 고장일 가능성이 있다.
(2) 컬렉터-이미터간 체크
게이트-이미터간을 단락하여 컬렉터-이미터간의 누설전류 또는 저항값을 측정한다. 접속은 컬렉터 단자를‘＋’, 이미터 단자를‘－’로 한다. IGBT 제품이 정상이라면 누설전류는 수 mA 이하(테스터에서의 저항값으로 수십㏁~∞Ω)가 일반적 이다. 이 이외의 값(쇼트상태 등)에서는 IGBT가 고장일 가능성이 있다. 또 테스터의 출력전압 극성이 반대로 되어 있으면 FWD가 도통돼버리는 경우가 있으므로 정상이라 판정할 수 없다(아날로그식 테스터에서는 주의가 필요하다).
(3) 주의점
컬렉터-이미터간의 특성 체크는 절대 실시해서는 안된다. IGBT의 컬렉터와 게이트 사이에 형성되어 있는 산화막이 절 연 파괴돼버리는 경우가 있다.

대표적인 트러블 사례와 그 대책

1. 트러블 시의 체크 시트
IGBT 제품의 응용기기 상에서 흔히 발생하는 트러블에 관 하여 표 7에 그 원인과 체크 포인트를 정리했으므로 트러블시의 체크, 대책 검토에 참고하기 바란다.

또 다음에 대표적인 트러블 사례에 관하여 설명한다.

2. 게이트 오픈상태에서 주 회로전압을 인가했다
게이트-이미터 사이를 오픈한 상태에서 컬렉터-이미터 사 이에 주 회로전압을 인가하면 IGBT가 멋대로 ON해버려 모 듈이 파괴되는 경우가 있다. 이것은 귀환용량 Cres를 통하여 컬렉터에서 게이트로 충전전압이 유입하므로 IGBT가 ON되 기 때문이다.
초퍼 회로 등에 사용할 경우 IGBT를 사용하지 않고 FWD 만 사용할 수 있는 케이스에서는 반드시 게이트-이미터간을 쇼트해놓는 것이 중요하다(후술하는 바와 같이 역 바이어스 를 걸어두는 것도 좋다). 또 회로를 작성했을 때에는 반드시 게이트 배선을 체크하여 이완이나 접속누락이 없다는 것을 확인하도록 한다.

3. IGBT 제품에 기계적인 응력을 걸었다
IGBT 제품의 단자에 큰 외력이나 진동에 의한 응력을 걸 면 내부 전기배선의 단선 등 트러블이 발생하는 경우가 있다. 모듈 단자에 납땜되어 있는 프린트판(구동회로나 주 회로) 이 단자부분만으로 고정되어 있으면 운반 시의 진동으로 인 해 모듈 단자에 응력이 가해진다. 이를 방지하기 위해서는 충 분한 강도를 지니고 있는 스페이서에 의해 프린트판을 냉각 체에 확실히 고정시킨 후, 모듈과 프린트판을 납땜하는 등의 배려가 필요하다.
또 동 바 등의 평행평판을 사용한 주 회로 배선을 실행할 때 의 주의점을 그림 24에서 설명한다. 

그림 24(a)와 같이 도체와 절연재를 적층시킨(단차가 있는) 상태에서 모듈에 접속하 면 모듈 단자에 항상 인장응력이 발생하므로 모듈 내부배선이 단선되는 경우가 있다. 이것을 방지하기 위해서는 그림 24(b) 와 같이 도전성 스페이서를 끼워 단차를 없애도록 한다.

4. 게이트 역 바이어스 전압부족에 의한 잘못된 점호
역 바이어스-게이트 전압(－VGE)이 부족하면 OFF되어 있어야 하는 IGBT가 잘못 점호돼버려 상하 암의 IGBT가 단락 될 수 있다. 그리고 단락전류가 흐르기 때문에 발열이나 전류 가 차단되었을 때의 스파이크 전압에 의해 IGBT가 파괴되는 경우가 있다.
이 모습을 그림 25에 나타낸다. 

이 그림은 상 암쪽의 IGBT가 턴 온하면 하 암쪽의 FWD가 역 회복(아래쪽의 IGBT는 OFF상태)하는 모드이다.
이 모드에서는 하 암쪽의 FWD가 역 회복할 때 높은 dv/dt(수k~십수kV/㎲)가 OFF되어 있는 하 암쪽 IGBT의 컬렉터-이미터 사이에 가해진다.
IGBT에 dv/dt가 가해지면 전술한 경우와 마찬가지로 컬 렉터에서 게이트로 충전전류가 흘러 게이트 전압을 밀어 올 린다. 이것은 dv/dt가 높을수록, 또는 역 바이어스 전압이 낮 을수록 현저해지고 게이트 전압이 IGBT의 임계값 전압 Vth(통상 5~7V)를 초과해 버리면 하 암 IGBT가 잘못 점호 되고 상하 암의 IGBT가 모두 ON상태로 되어 암 단락을 일 으킨다.
즉, 역 바이어스를 충분히 인가해 놓음으로써 게이트 전압 상승을 억제할 수 있으므로 이렇게 잘못 점호되는 것을 방지 할 수 있다.
실제로 필요한 역 바이어스 전압값 －VGE는 사용하고 있는 구동회로, 게이트 배선상태, 게이트 저항 RG 등에 의해 변화 하므로 반드시 사전에 게이트 전압을 확인하여 IGBT가 잘못 점호되지 않는다는 것을 확인해두도록 한다.

5. 정류회로에의 응용하는 IGBT 모듈
IGBT 모듈이나 PIM에 내장되어 있는 FWD, 정류용 다이 오드에는 정격 I2 t 특성이 있다. 정격 I2 t란 지속시간이 매우 짧은 펄스(10ms 이하)에 관한 순방향의 비반복 과전류 용량 을 말한다.
상용전원을 직류로 변환하는 정류회로에 IGBT 모듈을 사 용하는 경우, 상용전원 투입 시 러시 전류가 흘러 FWD부를 파손시키는 경우가 있다. 그래서 그림 26과 같이 충전저항과 콘택터를 병렬 접속한 기동회로를 사용하는 등의 대책을 시 행하여 정격 I2 t를 초과하는 충전전류가 흐르지 않도록 배려 해야 한다.

6. 게이트 단자에의 정전기 인가
IGBT의 게이트부분은 MOSFET와 마찬가지로 매우 얇은 산화막으로 구성되어 있기 때문에 정전기에 의해 게이트 산화막이 파괴될 수 있다. 따라서 IGBT 제품을 다룰 때에는 정 전기 발생을 방지하여 단자에 정전기가 인가되지 않도록 충 분히 주의해야 한다.
주의점으로는 다음과 같은 점을 들 수 있다.
(1) IGBT 제품을 다룰 때에는 인체나 의복에 대전된 정전 기를 제전하고 접지한 도전제 매트 상에서 작업한다
(2) 단자부분, 특히 게이트 단자부분에 접촉되지 않도록 패 키지 본체를 잡는다. 또 작업할 때에는 리스트 밴드를 사용하여 고저항으로 접지하는 등, 단자에 정전기가 인 가되지 않도록 한다
(3) IGBT 제품의 단자를 납땜할 경우에는 인주 끝이나 땜 납 버스에 대전하고 있는 정전기가 IGBT 단자에 가해 지지 않도록 배려한다
(4) IC 폼이나 정전대(袋) 등의 보호재는 IGBT를 배선하 기 직전까지 제품에 붙여두도록 한다

7. EMI 대책
최근 IGBT 제품을 사용한 장치는 산업용에 그치지 않고 일반 가정이나 병원 등 모든 장소에서 사용할 수 있게 되었 다. 이에 따라 IGBT가 스위칭함으로써 발생하는 EMI 노이 즈(장치 운전 시 발생하는 전도성방사성의 EMI 노이즈) 문 제가 부각되고 있으며 이것이 IGBT 응용기기엔지니어의 고 민거리가 되었다.
고속 스위칭저손실화를 최대의 목표로 IGBT 특성개선이 진행되어 왔지만, 이 결과 스위칭 시의 높은 dv/dt, di/dt(전 압전류변화율)가 방사성 노이즈의 요인이 되는 케이스를 많 이 볼 수 있게 되었다.
이렇게 스위칭에 따른 노이즈를 저감시키는 수단으로는 IGBT의 구동조건을 검토하여 스위칭 특성, 특히 턴 온 스피 드를 저속화하는 것이 효과적이다.
그림 27에 게이트 저항에 의해 스위칭 특성을 소프트화했을 경우의 방사성 EMI 노이즈 측정 예를 나타낸다(샘플： 1,200V/150A 소자, 표준 게이트 저항 5.6Ω).

표준 게이트 저항을 2~3배 정도까지 크게 함으로써 12~ 20dB 노이즈를 저감할 수 있다. 단, 노이즈와 손실은 트레이 드 오프의 관계에 있으므로 노이즈를 저감시키면 반대로 손 실은 증가된다.
따라서 장치의 운전조건(스위칭 주파수, 출력전류 등), 냉 각조건(냉각체, 팬 등)과 노이즈 레벨과의 밸런스를 잡으면서 IGBT의 구동조건을 검토하는 것이 중요하다.
표 8에 방사성 EMI 노이즈의 일반적인 대책 예를 나타낸다. 

방사성 EMI 노이즈는 장치의 배선구조재질회로 등에 따라 요인레벨이 달라지므로 각각의 대책이 유효한가의 여 부는 개별적으로 검토해가야 한다.

[출처] 5. IGBT의 기초와 트러블 대책|작성자 맥가이심

출처: http://www.icbanq.com/elecinfo_net_new/Elec_TechInfo_Main.aspx