먼저 IGBT의 의미를 정의해 보겠습니다.
Insulated Gate Bipolar Transistor의 약자입니다.
간단히 말해 전자 스위치입니다.
IGBT가 특별한 이유는 매우 효율적이고 빠르기 때문입니다.
이러한 기능은 전자적으로 속도를 제어하는 데 이상적인 기능입니다.
가변 주파수 드라이브(VFD), 전기 자동차, 기차, 인버터 에어컨 및 냉장고에서 IGBT를 찾을 수 있습니다.
IGBT는 미래 기술의 중요한 요소라 할 수 있습니다.
IGBT 이전
산업 혁명이 시작된 당시에는 전력 전자의 기초가 아직 마련되지 않았습니다.
마이클 패러데이부터 시작합니다.
유도 특성에 대한 그의 연구는 그해에 전력 변압기의 획기적인 개발로 이어졌습니다.
이 무렵 과학자 니콜라 테슬라와 토마스 에디슨도 상당한 공헌을 했습니다.
1902년 에드워드 시대가 시작되고 나서야 피터 쿠퍼 휴잇이 수은 아크 정류기를 발명했습니다.
이 시점에서 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 것이 가능해졌습니다.
이 기술은 산업 전반에 걸쳐 사용되었습니다.
이 기술은 발명가와 과학자들이 라디오와 텔레비전의 수용에 힘입어 새로운 전력 전자 장치를 찾게 만들었습니다.
첫 번째 트랜지스터
벨 전화 연구소에서 브리튼, 바딘, 쇼클리가 양극성 접촉 트렌지스터를 성공적으로 테스트하면서 큰 변화가 생겼습니다.
이것은 전자 신호를 증폭하거나 전환할 수 있는 최초의 솔리드 스테이트 전자 트랜지스터였습니다.
그것은 전력 전자 분야의 새로운 시대가 도래했음을 예고했습니다.
그 당시 기술은 한계를 만들어냈습니다.
트랜지스터를 만들려면 서로 0.002인치 이내의 두 개의 금속 접점이 필요했습니다.
당시에는 전선이 너무 두꺼웠습니다.
삼각형 위에 금박 띠를 붙이는 것이 브래튼의 천재적인 아이디어였습니다.
그런 다음 면도날로 끝을 잘라 헤어라인 컷을 만들었습니다.
그 후 삼각형 게르마늄 결정 위의 스프링에 매달았습니다.
접점이 가볍게 닿도록 설정했습니다.
게르마늄 결정 자체는 전압원에 부착된 금속판 위에 놓습니다.
이것은 한 접점을 통해 작은 전류를 생성하고 다른 접점을 통해 더 큰 전류를 생성했습니다.
본질적으로 신호가 증폭되었습니다.
게르마늄은 반도체이기 때문에 작동합니다.
많은 전류를 통과시키거나 전혀 통과시키지 않을 수 있습니다.
실험에 사용된 게르마늄에는 많은 전자가 있었습니다.
전기 신호가 금박을 통과하면서 정공을 주입했습니다.(이 정공은 전자의 반대와 같습니다.)
최종 결과는 전자가 너무 적은 게르마늄 층입니다.
이를 더 자세히 설명하려면 고려해야 할 몇 가지 용어가 있습니다.
반도체에 전자가 너무 많으면 N형이라고 합니다.
너무 적으면 P형입니다.
그 사이의 장소는 P-N접합이라고 합니다.
이 P-N 접합은 전류가 한쪽에서 다른 쪽으로 흐르는 곳입니다.
전력 전자 장치의 개선
원래 설계는 신뢰할 수 없고 노이즈가 많았습니다.
그래서 1948년 윌리엄 쇼클리는 이러한 문제를 해결하기 위해 바이폴라 접합 트랜지스터 또는 BJT를 개발했습니다.
이 개념은 샌드위치와 비슷한 트랜지스터, 한 종류의 반도체가 두 번째 종류의 반도체를 둘러싼 형태였습니다.
이 새로운 방법은 전기가 반도체를 통과할 수 있다는 것을 증명한 중요한 테스트의 결과였습니다.
그러나 그렇게 하려면 매우 얇고 순수한 중간이 필요했습니다.
이 샌드위치 결정을 만들기 위해 쇼클리는 고든 틸과 함께 작업했습니다.
틸은 샌드위치 결정을 만드는 더 나은 방법이 있다고 믿었고, 절단이 아닌 성장시켜야 한다고 제안했습니다.
그의 방법은 작은 결정을 사용하여 녹은 게르마늄에 담갔다가 응고되면서 더 큰 결정을 꺼냈습니다.
동료들은 관심이 없었지만 틸은 연구를 계속했습니다.
나중에 쇼클리는 자신이 틀렸다는 것을 인정했습니다.
성장한 결정은 잘린 결정보다 100배 더 오래 지속되었습니다.
쇼클리는 합류한 후 전자 수(N형과 P형)를 변경하기 위해 용융물에 불순물을 첨가해 달라고 요청했습니다.
갈륨을 첨가하면 N형 게르마늄을 P형으로 바꿀 수 있었고, 안티몬을 첨가하면 다시 원래대로 바꿀 수 있었습니다.
그들은 결정을 더 느리게 당기고 용융물을 교반하여 설계를 개선했습니다.
이 새로운 트랜지스터 유형은 매우 빠른 신호 변동을 처리할 수 없었지만 다른 모든 면에서는 더 잘 작동했습니다.
1952년 R.N 홀은 이전 모델들보다 더 큰 PN접합을 가진 최초의 전력 다이오드를 출시했습니다.
200V를 처리할 수 있었고 전류 정격은 35A였습니다.
불행히도 PN 접합을 증가시키면서 전력 다이오드는 1MHz 이상의 고전압 애플리케이션에 적합하지 않았습니다.
새로운 요소가 등장
1956년 제너럴 일렉트릭의 실리콘 제어 정류기(SCR)가 도입되면서 기술이 다시 한 번 변화했습니다.
이는 게르마늄에서 실리콘으로의 전환을 의미했습니다.
자유 전자의 수가 적고 작동 온도가 높아진 것이 모두 이러한 변화에 기여했습니다.
미래 전력 전자기기를 위한 길을 열어 주는 MOSFET
1960년대에 MOSFET(금속 산화물 반도체 전계 효과 틀랜지스터)를 통해 입력 전류 없이 부하 전류를 제어할 수 있게 되면서 기술이 다시 한 번 발전했습니다.
게이트 소재가 실리콘 기반인 경우가 많기 때문에 금속 산화물 측면은 이제 잘못된 이름이 되었습니다.
MOSFET는 디지털 회로의 개발을 가능하게 했으며, 종종 하나의 메모리 칩이나 마이크로프로세서 내에서 수천 또는 수백만 개의 회로를 찾을 수 있습니다.
이들은 P형 또는 N형 반도체로 만들어질 수 있으며, CMOS라고 알려진 보완적인 MOS 트랜지스터 쌍으로 작동합니다.
1970년대 내내 미국과 일본은 FET와 반도체 산업의 강국이었습니다.
1969년 일본 전기기술연구소는 V-그루브 MOSFET를 발명했고, 1976년에 전력 MOSFET가 상업적을 사용 가능해졌습니다.
IGBT의 급격한 부상
그 후 1982년에 저렴하고 견고하며 빠른 장치인 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)가 개발되었습니다.
이 기술을 개발하는 데는 수년이 걸렸지만, 1968년 야마가미라는 연구자 첫 특허를 출원하면서 시작되었습니다.
그의 제안에는 출력 전압을 사용하지 않고도 PNPN 반도체를 제어하는 MOS가 포함되었습니다.
나중에 그 시대의 두 대형 전자 회사가 IGBT를 잠재력에 맞게 개발했습니다.
오늘날까지 GE의 발리가와 RCA의 베카와 휘틀리는 서로를 창시자로 두고 경재하고 있습니다.
사실은 두 회사 모두 특허가 승인되어 발전이 가속화되었습니다.
IGBT 작동
IGBT의 가장 일반적인 용도 중 하나는 가변 속도 드라이브의 인버터 단계입니다.
드라이브 내에서 IGBT가 무엇을 하는지 이해하려면 IGTB가 무엇을 하는지 이해해야 합니다.
게이트라고 생각해 보면, 전압이 특정 수준보다 낮으면 게이트가 열리지 않습니다.
그러나 전압이 설정된 양보다 높으면 전류가 이동할 수 있습니다.
나노초 내에 이 동작을 수행할 수 있습니다.
AC 드라이브 내부에서 스위치 역할을 하는 IGBT는 펄스 폭 변조(PMW)를 사용하여 모터로 가는 전압의 양을 제어합니다.
그러면 사용자가 해당 모터의 속도를 제어할 수 있습니다.
드라이브에는 일반적으로 파형을 복제하기 위해 함께 작동하는 6개의 IGBT가 있습니다.
주기가 길수록 속도가 느려집니다.
요약
오늘날 IGBT가 개발되지 않았다면 우리의 세상은 실제로 매우 달랐을 것이다.
패러데이, 테슬라, 에디슨과 같은 초기 개척자부터 휴트, 쇼클리, 틸과 같은 혁신가, 그리고 오늘날의 현대 전력 전자제품에 이르기까지 각각 미래 기술을 위한 길을 닦았습니다.
바로 이 기술이 미래 세대가 살 수 있는 세상을 만들어 줄 것입니다.
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