전력용 반도체 소자의 종류와 특성

정류기는 전류를 한쪽 방향으로만 흘리는 부품이어서 반대 방향으로 걸리는 전압은 막아야 한다. 이때 막은 채 견딜 수 있는 한계가 역방향 내전압이고, 한계를 넘으면 정류기가 손상되어 반대 방향으로도 전류가 흐른다. 한계는 재료마다 달라서, 셀렌·게르마늄·아산화동 정류기는 실리콘 정류기보다 낮고 실리콘 정류기가 가장 크다. 그래서 높은 전압을 다루는 전력용 정류기에는 실리콘이 쓰인다. 첨두 역방향 내전압(반대 방향으로 걸리는 전압의 최댓값을 견디는 한도)을 물은 2012-03-04 시행 54번·2018-03-04 시행 46번과 역방향 내전압을 물은 2011-08-21 시행 51번 모두 답은 실리콘 정류기이다.

사이리스터는 게이트 신호로 전류를 제어하는 반도체 스위치 소자의 총칭이고, 단자 수와 전류 방향으로 구분한다. SCR 은 애노드·캐소드·게이트의 3단자이고 전류를 한쪽으로만 흘리는 단방향(한 방향) 소자이다. GTO 도 같은 세 단자를 가진 단방향 소자이다. TRIAC 은 두 주 단자와 게이트의 3단자이며 교류의 양쪽 반주기에 모두 전류를 흘릴 수 있는 2방향성(양방향) 소자로, SCR 두 개를 서로 반대 방향으로 나란히 붙인 것과 같은 구조이다. SCS 는 애노드 게이트와 캐소드 게이트를 따로 가져 단자가 네 개인 단방향 소자이고, SSS 는 2방향성이지만 단자가 두 개뿐이다.

SCR 은 게이트 전류를 흘리면 순방향 저지 상태(순방향 전압이 걸려 있어도 전류를 막고 있는 상태)에서 켜진 상태(ON)가 된다. 게이트 전류를 가한 뒤 도통이 완료될 때까지 걸리는 시간이 턴온 시간이며, 이 시간이 길면 스위칭 때의 전력손실이 많아져 소자가 파괴될 수 있다. 한 번 켜진 SCR 은 게이트로 끌 수 없어서, 끄려면 애노드 전류가 유지 전류(켜진 상태를 유지하는 데 필요한 최소 전류) 이하로 줄거나 역전압이 걸려야 한다. 따라서 게이트 전압을 0 또는 −로 해도 주전류는 끊기지 않는다.

GTO(게이트 턴오프 사이리스터)는 SCR 과 같이 애노드(A)·캐소드(K)·게이트(G) 세 단자를 가지며 단자 이름도 같다. SCR 과 다른 점은 게이트에 역방향 전류를 주면 스스로 끌 수 있다는 것이다. 켜진 동안에도 전류는 애노드에서 캐소드로 한 방향으로만 흐른다. 켜졌을 때 양 끝에 남는 전압 강하인 온 드롭은 약 2~4 V 로 SCR 보다 약간 크고, 꺼진 상태에서는 SCR 처럼 순방향과 역방향 전압을 모두 막는다.

보기로 나온 LASCR·IGBT·GTO·BJT 가운데 가장 높은 전압용으로 쓰이는 것은 GTO 이다. 사이리스터 계열은 높은 전압과 큰 전류를 다루는 데 강하고, 트랜지스터 계열인 BJT 와 IGBT 는 스위칭이 빠르고 제어하기 쉬운 대신 다룰 수 있는 전압이 GTO 보다 낮다. BJT 는 베이스 전류로 컬렉터 전류를 제어하는 전류제어 소자여서 전압제어형 MOSFET·IGBT 보다 구동에 훨씬 큰 전력이 필요하다. IGBT 는 입력부는 MOSFET 처럼 게이트 전압만으로 켜고 끄는 전압제어이고 입력 임피던스가 매우 높으며, 출력부는 BJT 처럼 낮은 온 드롭(on-drop)으로 큰 전류를 흘린다.