전력용 반도체 스위치의 고전압 펄스 스위칭 기법 적용에 관한 연구

Abstract

전류는 펄스 스위칭 이전 시간의 부하와 펄스 간의 임피던스 매칭 조건에 매우 dominant한 영향을 주는 것을 제시하고 있다.; 본 논문은 펄스 파워 전원의 설계 및 제작에 있어서 가장 핵심적인 기술인 펄스 스위칭 기법에 대하여 기술하고 있다. 본 논문에서는 전압 구동 전력용 반도체 스위치인 Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)와 전류 구동 전력용 반도체 스위치인 정전 유도 사이리스터 (Static Induction Thyristor: SI-Thyristor)의 펄스 스위칭 조건에 적합한 제어 방법과 직렬 연결 기법을 상용 제어 및 직렬 연결 기법과 비교 분석하였다. 상용 직렬 연결 기법과의 비교 분석 조건은 급격한 부하 변동에 따라 야기될 수 과전압 또는 과전류에 의한 소자의 스트레스 방지 및 안전 동작 영역 내에서 전력용 반도체 스위치의 안정 펄스 스위칭 동작을 기준으로 평가했다. 안전 동작 영역 내의 전력용 반도체 스위치의 안정 펄스 스위칭 동작은 두 가지 하위 기준으로 평가되며, 각각 극도로 빠른 과도 turn-on switching 동작 가능 여부와 과도 transient turn-off switching phase에서 높은 신뢰성 확보 여부로 구분되었다. 전압 구동 제어 특성을 지니는 IGBT와 전류 구동 특성을 지닌 SI-Thyristor의 상용 고전압 직렬 연결 기법에 비교하여 보다 효과적으로 고전압 펄스 스위칭 조건에서 다단연결 방법을 제안하고 있으며, 제안된 다단 연결 방법은 transient turn-off switching phase 및 steady off switching phase에서 보다 직렬 연결된 전력용 반도체 소자 간에 효과적인 voltage balancing이 이루어지고 있는 것으로 판단된다. 추가적으로, 제안된 고전압 펄스 스위칭 조건에서의 다단연결은 부하의 급격한 변화에 의한 직렬 연결 간의 스위칭 스트레스 저감 방법이며, 고전압 펄스 스위칭을 위해서는 펄스 스위치로 선정된 전력용 반도체 스위치에서 fast transient turn-on switching time 제어가 필요하기 때문에, 최종적으로는 전류/전압 구동 특성을 지니는 전력용 반도체의 펄스 동작 조건에 관련한 최적 게이트 제어 회로를 제시하여 전압/전류 구동 특성을 지닌 IGBT와 SI-Thyristor의 펄스 스위치로 사용 시 펄스 스위치 적합성을 비교 분석하였다. 최종적으로 펄스 전원과 부하간의 급격한 임피던스 변화에 따른 인가 펄스 전압&#8729