반도체 전력변환기기

전력용 반도체 소자

반도체 소자

실리콘이나 게르마늄으로 만들어지는 반도체 소자는 주로 전자공학 분야에서 작은 신호를 증폭하여 큰 신호로 만들거나 신호의 모양을 바꾸어 준다든가 하는데 사용되어 왔다. 대표적인 반도체 소자로는 다이오드, 트랜지스터, FET 등이 있다.

반도체 소자가 사용되기 시작한 초기에는 소자가 견딜 수 있는 전압이 10~20V, 취급할 수 있는 전류도 수십~수백mA정도가 고작이었으나, 기술의 발전에 따라 전압과 전류의 용량을 크게 만들 수 있게 되었다. 근래 반도체 소자를 제작하는 기술은 수천V의 전압을 견딜 수 있고 수천A의 전류를 도통시킬 수 있는 정도의 수준에 이르렀으며, 이에 따라 전자공학 분야에만 사용되던 반도체 소자는 이제 전력공학에서도 전력변환을 위해 보편적으로 사용되는 도구의 하나가 되었다.

스위치로서 전력용 반도체 소자

저전력의 전자회로 내에서는 처리하는 신호의 크기도 작고 전력이 낮으므로 소자에서 손실이 생겨 온도가 상승하여도 소자가 충분히 견딜 수 있다. 회로의 목적이 신호를 처리하거나 전달하는 데 있기 때문에 회로 내 소자에서 어느정도의 손실이 생기는 것은 문제가 되지 않는다. 

대전력을 취급하는 장치는 그 주목적이 전력 에너지를 어느 한 곳에서 다른 곳으로 전달하는 데 있기 때문에 에너지의 전달과정에서 생기는 손실을 최대한 억제하여야 한다. 보통 반도체 소자는 완전히 도총하지 않아 열려 있는 스위치와 같은 차단상태, 완전히 도통하여 닫혀 있는 스위치와 같은 도통상태, 그리고이 양쪽상태의 중간에 있는 상태 등 세가지의 상태 중 하나에 있게 된다. 소자에서의 손실은 소자 양단에 걸린 전압과 전류의 곱으로 되는데 차단상태에서는 소자에 전압이 걸려 있기는 하지만 전류가 0이므로 소자에서의 손실이 없다.

반대로 도통상태에서는 소자를 통해 전류가 흐르더라도 소자 양단전압이 0이므로 손실이 없다. 그러나 이 양자의 중간상태에서는 마치 저항에서와 가이 전류가 흐르면서 전압강하가 나타나므로 손실이 발생한다. 대전력 회로의 경우 이러한 활성영역에서 손실은 매우 큰 값이 될 수 있다. 예를 들어 어떤 소자를 통해 100A가 흐르고 이때 소자 양단에 100V가 나타난다고 하면 소자에서 소비되는 전력은 10kW가 된다. 보통 반도체 소자는 이러한 정도의 큰 손실을 견딜 수 없기 때문에 파괴되고 만다. 또한 그 손실이 장치의 효율을 크게 저하시키는 것은 물론이다. 따라서 대전려글 취급하는 장치 안에서 사용되는 반도체 소자는 항상 스위치로서만 동작하도록 되어 있다.

대전력에 사용되는 반도체 소자로는 저전력 회로에서 흔히 사용되는 다이오드, 트랜지스터, FET가 큰 전력을 취급할 수 있도록 만들어진 것들이 있고, 처음부터 대전력 회로에서 스위치로만 사용될 것을 목적으로 제작된 소자들이 있다. 

다이오드

다이오드는 서로 성질이 다른 두 가지의 반도체를 결합하여 한쪽 방향으로만 전류가 흐를 수 있도록 만들어진 소자이다. 다이오드의 두 단자는 각각 양극, 음극으로 불리는데 애노드에서 캐소드 방향으로는 전류가 쉽게 흐를 수 있지만 반대방향으로는 전류가 흐르지 못한다. 즉 다이오드의 기호는 전류가 흐를 수 있는 방향을 나타내고 있다. 전기회로 내에 사용되는 어떤 소자이든 그 특성은 소자 양 단자 간의 전압과 소자를 통해 흐르는 전류 사이의 관계로 표현된다. 이를 소자의 전압-전류의 특성이라고 한다. 예를 들어 일반적인 저항소자는 전압과 전류 사이에 비례관계를 가지며 그래프로 표현하였을 때 원점을 지나는 직선이 된다.

다이오드 정류회로