절연게이트 양극성 트랜지스터 평가 방법에 대한 고찰
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2021
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Korean
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212-212(1쪽)
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절연게이트 양극성 트랜지스터(IGBT : Insulated-gate bipolar transistors)는 AC/DC 모터, 주파수 변환기, 무정전 전원장치 등에 설치하여 스위칭 기능을 통해 직류 입력전압을 원하는 크기 및 주파수의 교류 출력으로 변환하는 역할을 수행한다. 빠른 스위칭 속도와 전력손실이 적은 MOSFET과 구동 전류 용량이 큰 BJT의 장점을 조합한 것으로 MOSFET의Gate를 입력으로 하고, BJT의 Collector, Emitter를 출력으로 하는 특징을 가진다. 본 논문에서는 고장모드 영향분석(FMEA - Failure Mode Effect Analysis)를 통하여 절연게이트양극성 트랜지스터의 특성을 도출하여 합리적인 평가 방법에 대해 고찰하고자 한다.
IGBT의 고장모드로 단락(Short)와 개방(Open)이 있다. 물리적 또는 전기적 충격에 의해 트랜지스터 역병렬 다이오드의 출력단자가 단락 또는 개방되면 목표로 하는 제어동작을 수행할 수 없어 기기의 안전기능에 영향을 미칠 수 있다. 위 고장모드를 검증하기 위해 스위칭 시간(Turn on, off times)을 시험해야 한다. 또한, 소자의 반복적인 동작이나 전기적 스트레스로 인해 열화되면 규정된 입력전압에서 오동작이 발생하여 원하는 역할을 수행할 수 없다. 이 때문에 Collector-emitter saturation voltage (V<sub>CEsat</sub>), Gate-emitter threshold voltage(V<sub>GE(th)</sub>)와 Collector cut-off current(ICES)에 대한 검증이 필요하다. 이 외에도 시험자의 판단에 따라 IEC 60747-9 6장의 다른 조항들을 선별적으로 적용 가능하다.
컬렉터-이미터 포화전압(V<sub>CEsat</sub>)은 IGBT의 컬렉터 전류가 게이트-이미터 전압에 독립적일 때, 컬렉터-이미터 전압곡선이 완만해지는 지점으로 IGBT 내부 저항에 의한 전압 손실을 나타내는 척도이다. V<sub>GE(th)</sub>(Gate-emitter threshold voltage)는 일정 컬렉터-이미터간 전압에서 규정된 컬렉터 전류가 흐를 수 있도록 하는 게이트-이미터간 전압으로Collector-emitter voltage V<sub>CE</sub>를 주어진 규정된 값에 고정시키고 Collector current I<sub>C</sub> 값에 도달할 때까지 gate-emitter voltage V<sub>GE</sub>를 증가하는 방법으로 측정이 필요하다. 컬렉터 차단전류(ICES, Collector cut-off current)는 게이트와 이미터가 단락된 상태에서 컬렉터에 규정된 전압을 인가했을 때 컬렉터 전류의 최대값으로 AC Method와 DC Method 두 가지시험방법이 가능하다. V<sub>CE</sub>를 규정된 값에 도달하도록 증가시켜 전류 프로브로 I<sub>CE</sub>가Saturation되는 값을 측정할 수 있다. 그 외 가능한 추가시험으로 Collector-emitter sustaining voltage (V<sub>CE</sub>*sus), Gate leakage current IGES, Input, Output, Reverse transfer capacitance, Turn on, off times 등이 있으며, 이를 측정함으로써 IGBT의 특성을 평가하는데 좋은 척도가 될 수 있다.
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