SiC MOSFET vs. Si IGBT: SiC MOSFET 장점

Omara Aziz 작성

MOSFET vs. IGBT: 모터 드라이브 제어의 미래

전기기계 장치 — 스위치, 솔레노이드, 엔코더, 발전기, 및 전기 모터 — 는 디지털 세계와 물리적 세계를 연결하는 기본적인 다리입니다. 이러한 모든 장치의 마법은 전기 신호를 기계적 작용으로 변환할 수 있는 능력에 있습니다.
 
자동화된 제조, 전자 차량, 첨단 빌딩 시스템, 스마트 가전과 같은 산업이 발전함에 따라 이러한 전기기계 장치의 제어, 효율성 및 기능에 대한 수요도 증가하고 있습니다. 이 글에서는 실리콘 카바이드 MOSFET (SiC MOSFET)의 혁신이 전통적으로 전력 변환을 위해 실리콘 IGBT (Si IGBT)를 사용하던 전기 모터의 기능을 어떻게 재정의하고 있는지를 탐구합니다. 이 혁신은 거의 모든 산업에서 모터 드라이브 애플리케이션의 기능을 확장합니다.

Si IGBT와 SiC MOSFET는 무엇입니까?

Si IGBT는 실리콘 절연 게이트 양극성 트랜지스터의 약자입니다. SiC MOSFET는 실리콘 카바이드 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터의 약자입니다.
 
Si IGBT는 게이트 단자에 인가된 전류에 의해 전환되는 전류 제어 장치인 반면, MOSFET는 게이트 단자에 인가된 전압에 의해 전압 제어됩니다.
 
Si IGBT와 SiC MOSFET의 주된 차이점은 이들이 처리할 수 있는 전류의 종류입니다. 일반적으로 MOSFET는 고주파 스위칭 응용 분야에 적합한 반면, IGBT는 고전력 응용 분야에 적합합니다.

실리콘 IGBT와 실리콘 카바이드 MOSFET이 모터 드라이브 애플리케이션에 필수적인 이유

전동기는 현대 기술에서 널리 사용되며 종종 배터리 시스템을 전원으로 의존합니다. 예를 들어, 전기차는 대규모 배터리 배열 시스템을 사용하여 차량에 직류 전원을 공급하여 교류 전동기를 통해 물리적 움직임을 생성합니다. 이러한 교류 전동기의 절대적인 제어는 차량의 성능과 효율성뿐만 아니라 내부의 사람들의 안전에도 필수적입니다. 그러나 이 동력전달 시스템은 배터리의 직류 전력을 모터가 움직임을 생성하는 데 사용할 수 있는 교류 신호로 변환하기 위해 인버터에 의존합니다.
 
이러한 인버터는 모터의 속도, 토크, 전력 및 효율성을 정확하게 제어하며 회생 제동 기능을 가능하게 합니다. 궁극적으로 인버터는 모터만큼이나 동력전달 시스템에 귀중합니다. 전력 응용 장치의 모든 기기와 마찬가지로, 인버터는 능력과 설계 요구사항이 크게 다를 수 있으며 DC 전원에서 AC 모터 시스템으로의 전체 시스템 성능에 필수적입니다.
 
현대 DC에서 AC 모터 구동 응용 프로그램에는 두 가지 유형의 인버터가 사용됩니다: 실리콘 IGBT와 실리콘 카바이드 MOSFET. 역사적으로 Si IGBT는 가장 일반적이었으나, SiC MOSFET는 다양한 성능 장점과 지속적으로 감소하는 비용으로 인해 인기가 급증했습니다. SiC MOSFET가 처음 시장에 등장했을 때, 대부분의 모터 구동 응용 프로그램에서는 비용 때문에 접근이 어려웠습니다. 그러나 이 우수한 기술의 채택이 증가하면서, 대량 생산이 SiC MOSFET의 비용을 크게 절감했습니다.

Si IGBT의 장점과 단점 vs. SiC MOSFETs

Si IGBTs는 높은 전류 처리 능력, 빠른 스위칭 속도, 저비용으로 인해 DC를 AC로 변환하는 모터 드라이브 애플리케이션에서 역사적으로 사용되어 왔습니다. 가장 중요한 것은 Si IGBTs가 낮은 전압 강하, 전도 손실, 열 저항을 갖춘 높은 전압 등급을 가지고 있어 제조 시스템과 같은 고출력 모터 드라이브 애플리케이션에서 명백한 선택이 된다는 점입니다. 그러나 Si IGBTs의 상당한 단점 중 하나는 열 폭주에 매우 취약하다는 것입니다. 열 폭주는 장치 온도가 통제 불가능하게 상승하여 장치가 오작동하고 결국 고장에 이르는 현상을 말합니다. 전기차나 제조와 같이 높은 전류, 전압, 작동 조건이 일반적인 모터 드라이브 애플리케이션에서는 열 폭주가 중요한 설계 위험이 될 수 있습니다.
 
이 설계 과제에 대한 해결책으로 SiC MOSFETs는 열 폭주에 더 강합니다. Silicon carbide는 열 전도성이 더 뛰어나 장치 수준의 열 발산을 개선하고 안정적인 작동 온도를 유지할 수 있습니다. SiC MOSFETs는 자동차 및 산업용 애플리케이션과 같은 더 따뜻한 환경 조건에 더 적합합니다. 추가적으로, 열 전도성을 고려할 때, SiC MOSFETs는 추가 냉각 시스템 필요성을 없앨 수 있어 전체 시스템 크기를 잠재적으로 감소시키고 시스템 비용을 줄일 수 있습니다.
 
SiC MOSFETs는 Si IGBTs보다 훨씬 높은 스위칭 주파수로 작동하기 때문에 정밀한 모터 제어가 필수적인 애플리케이션에 이상적입니다. 고스위칭 주파수는 도구 암 제어, 정밀 용접, 정밀 객체 배치를 위해 고도로 정확한 서보 모터가 사용되는 자동화된 제조에서 매우 중요합니다.
 
또한, SiC MOSFET이 Si IGBT 모터 드라이버 시스템보다 가지고 있는 두드러진 장점은 모터 조립체 내에 모터 컨트롤러와 인버터를 같은 하우징에 내장할 수 있다는 것입니다.
 
모터 드라이버 어셈블리를 모터의 로컬 위치로 이동함으로써, 드라이브 인버터와 모터 드라이버 사이의 배선을 크게 줄일 수 있으며, 이는 상당한 비용 절감을 가능하게 합니다. 이미지 B의 예에서, 전통적인 Si IGBT 전력 캐비닛은 로봇 팔의 일곱 모터('M'으로 표시)에 전력을 공급하기 위해 21개의 고유 케이블이 필요할 수 있으며, 이는 수백 미터의 비싼 복잡한 배선 인프라가 될 수 있습니다. SiC MOSFET 모터 드라이브 시스템으로, 케이블 수는 각각 모터의 로컬 모터 어셈블리 내에 있는 모터 드라이브에 연결되는 두 개의 긴 케이블로 줄일 수 있습니다.

SiC MOSFETs의 단점 vs Si IGBT

그러나 SiC MOSFET는 Si IGBT와 비교했을 때 단점이 있습니다. 첫째, SiC MOSFET는 여전히 Si IGBT보다 더 비싸며, 비용에 민감한 애플리케이션에는 적합하지 않을 수 있습니다. 비록 SiC MOSFET 자체는 더 비싸지만, 일부 애플리케이션에서는 전체 모터 드라이버 시스템(배선, 수동 부품, 열 관리 등 감소)을 통해 Si IGBT 시스템과 비교했을 때 전체적으로 더 저렴할 수 있습니다. 이러한 비용 절감은 두 애플리케이션 시스템 간의 설계 및 비용 연구 분석을 필요로 할 수 있지만, 효율성 증가와 비용 절감으로 이어질 수 있습니다.
 
SiC MOSFET의 또 다른 단점은 게이트 드라이브 요구 사항이 더 복잡할 수 있으며, 이는 시스템의 다른 구성 요소가 게이트 드라이브 자원을 제한할 수 있는 애플리케이션에서는 IGBT보다 덜 이상적일 수 있다는 것입니다.

실리콘 카바이드 MOSFET를 사용한 개선된 인버터 기술

탄화 규소 MOSFET는 모터 드라이브 시스템을 위한 인버터 기술을 획기적으로 개선했습니다. 모든 종류의 구성 요소와 마찬가지로, IGBT가 여전히 더 적합한 특정 응용 분야가 있을 수 있습니다. 그러나, SiC MOSFET 인버터는 Si IGBT에 비해 몇 가지 뚜렷한 이점을 제공하므로 모터 드라이브 응용 프로그램 및 다양한 다른 응용 프로그램에 매우 매력적인 솔루션입니다.
 
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