IGCT

Integrated Gate-Commutated Thyristor(통합 게이트 정류 사이리스터), IGCT


길게 생긴건 A-IGCT, IGCT 가 중간에 박히고 컨트롤 회로가 둘러싼 건 S-IGCT.

1. 개요[편집]

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GTO를 대체하기 위해 나온 물건.

기존 GTO는 스위칭에 필요한 전류가 높으며, 스위칭 주파수에 큰 제약이 존재하고, 스위칭이 정상적으로 안되는 경우가 발생할 때가 있었다. 이로 인해 직류 보호 회로를 추가하여야 하며, 낮은 소자의 가격에 비해 전력 소자를 제어하기 위한 제어회로 자체가 비싸지며 거기에 직류 보호 회로를 구성하는데 높은 비용이 들어가 빠른 속도로 발전 중인 IGBT와 MOSFET에 비해 큰 장점이 없게 되었다. 그래서 이를 만회하기 위해 GTO의 게이트를 특별하게 개조하였는데, 게이트 셀의 규모를 줄이고, 리액턴스를 최대한 낮춘 결과물이 바로 IGCT. 다만 단점이 없진 않은데, 스위칭 주파수의 향상이 깨알같아서 상용 구동 속도가 약 500Hz 정도밖에 안 나온다는 점이라던가, 게이트 구동전류가 너무 높아서 전선을 사용하지 못하다 보니 게이트 드라이브 회로를 소자 위에 바로 설치하는 형태로 디자인하는 점이 있다.

2. 종류[편집]

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역전류 차단동작의 특징에 따라 다음 3가지 제품군으로 나누어진다.

• S-IGCT: 발생한 역전압을 symmetrical하게, 즉 순방향 전압이나 역방향 전압이 거의 비슷하게 막는 IGCT다. 전류 소스형 인버터에 쓰인다.
• A-IGCT: 발생한 역전압을 거의 막지 못하고 Breakdown[1]
  반도체 접합해서 전자 정공의 갭을 뛰어넘고 전류가 흐르기 시작하는 현상
  하는 IGCT이다. 대략 버틸 수 있는 전압이 높아봐야 10V 내외로, 역전압이 거의 발생할 일이 없는 DC 초퍼 등에 쓰인다. 가격도 S-IGCT에 비해 싸다.
• R-IGCT: 발생한 역전압을 별도의 다이오드를 통해 그냥 도통시키는, Asymmetrical 한 동작을 하는 IGCT다. 반대로 연결하면 그냥 전기가 알아서 매우 잘 흐른다.

3. 장점[편집]

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1. 운용 전압이 엄청나게 높다. 일반적인 GTO에 비해 훠얼씬 높은 구동전압, 기본적으로 5kV 정도를 깔고 가며 그 상황에서 도통 가능한 전류마저도 엄청나게 높다. 보통 3000A 정도고 높은 건 5000A 정도다.
2. 패키지가 파이 형태로 제공된다. 도통 면적이 매우 넓어 버스바 배선작업이 편리하다.
3. 보통 on/off 제어 신호를 광 케이블로 입력받는다. IGCT 는 컨트롤 보드가 IGCT 와 일체형으로 판매되는 경우가 대부분이며, IGCT 소자의 모니터링도 같이 붙어있는 모니터링 회로가 전부 해 준다. 따라서 스위칭 회로 개발비용이 절감되며, 인버터의 컨트롤 회로가 소자를 제어하기 더 편리하다.
4. 때때로 드라이브 회로의 전력이 10W 정도인 저전력 제품도 있다.
5. 전압 강하가 2~3V 정도로 그렇게 높은 편이 아니며, 도통저항값도 대개 수 밀리 옴 정도로 우수한 도통특성을 가진다.
6. 스너버 회로 없이 깔끔하게 동작이 가능하다.
7. 직-병렬 동작이 매우 편리하다. 단 직렬로 하는 경우엔 공장에서 IGCT 소자를 직렬로 쌓아다가 패키징해서 준다.

4. 단점[편집]

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1. 게이트 구동전류가 엄청나게 높다. 게이트 전류의 펄스는 보통 1000A.[2]
   =1,000,000mA
   [3]
   mA가 아니다.
   그로 인해 별도로 개발하긴 거의 불가능하고 IGCT 제조사의 전용 게이트 드라이버를 사야 한다. 어차피 따로 팔지도 않으니 그냥 사야 되고, 전문 개발자의 입장에선 입맛에 맞는 컨트롤 파라메터의 부재라던지 게이트 드라이버를 직접 만들지 못 하는 것에서 오는 불안감 등이 있다. 마치 리눅스를 쓰다가 OS X 를 쓰면 암에 걸리듯이. 덤으로 고전력을 소비하는 드라이브 회로는 IGCT 하나당 100W의 드라이브 전력을 요구한다.
2. 매우 대전력을 빠르게 스위칭하고, 게이트 전류마저도 매우 높아 구동중 고조파의 발생이 좀 심각한 편이다. 일부 IGCT는 높은 주파수로의 구동이 가능한데, 이런 경우 엄청난 고조파가 DC 라인이고 AC 라인이고 통신라인이고 심지어 같은 전원라인을 타지 않는 제어회로로도 전자기 유도를 통해 타고 들어온다. 따라서 일정 규모 이하로 설계하는 것이 불가능하다.
3. 광 케이블을 써야 한다. 보수적인 입장에서 하드웨어를 개발하던 사람들에게 익숙하지 않은 수단이 될 수도 있다. 물론 적응되면 더 편하겠지만.
4. GTO보다 비싸다. 만드는 회사가 ABB 뿐이다.
5. 냉각하기가 조금 애매하다. 이건 개발하는 곳 마다 약간 생각이 다를 수도 있는 부분인데, 기존 IGBT들의 경우 중대형 모듈들의 경우 히트싱크와 접촉하는 베이스 부분이 내부 회로와 전부 절연되게 된다. 하지만 IGCT의 경우 떡판처럼 생겼기 때문에 컬렉터나 이미터 단자 자체를 쿨러로 활용해야 한다. 따라서 일반적인 IGBT 기반의 회로에 비해 냉각계통의 절연에 매우 민감하다. 게다가 GTO와 달리 고도로 집적된 회로가 설치된 기판이 같이 딸려가기 때문에 유입되는 공기의 질도 중요하고 온도관리도 꽤 민감하다. 캐퍼시터 임신하면 끝장난다. 사용하는 사람의 설계 사상에 따라 다를 수 있는 부분.
6. 스위칭 주파수가 그렇게 높지 않다. 정말 귀담아 들어야 하는 사항이다. 본가 ABB에서도 실험적으로 7 kHz까지 스위칭 주파수를 올렸지만, ABB에서도 IGCT의 구동 주파수를 500 Hz 정도로 설정하는 것을 추천한다. 이 이상 캐리어 주파수를 올릴 수 없다. 정말 중요한 부분이니 IGCT를 사용할 거라면 반드시 체크해야만 한다.

5. 주요 사용처[편집]

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• 중전압 솔루션 인버터: 그렇게 높은 주파수로 구동되지 않는 특성상 가장 부합한 솔루션이다.
• 직류 전동기를 사용하는 기관차의 초퍼
• 교류 전동기를 사용하는 기관차의 인버터
• HVDC 방식으로 송전하는 경우 154kV / 345kV 변전소에서 교류를 IGCT로 정류한 다음 평탄화 시켜 목적지까지 전송하고 목적지에서 IGCT 인버터로 3상 교류를 만들어 전송하게 된다. 지멘스에서 사용되는 HVDC 송전 라인 중 일부가 이 방식으로 구현된다. 더 높은 전압은 일반 사이리스터로 구현.

IGCT는 대한민국의 고속철도차량 기술실험기인 HSR-350X에서도 사용되었던 바 있다. 다만 그 이후 철도차량 개발에서는 IGCT가 아닌 IGBT가 이용되는 추세이며, 상세한 내용은 HSR-350X의 후속이라 할 수 있는 HEMU-430X 항목 참조.