• 전기저널
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• 통권275호
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• pp.63-69
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• 1999

최근 들어 세계적인 에너지 사정의 절박함과 지구환경보호 문제는 에너지 이용수단으로서의 전기에의 의존도를 더욱 높이고 있다. 그것은 전력이 갖는 다양한 이용형태와 제어의 용이성에서 얻어지는 에너지졀약 효과와 청정도(淸淨度)등에 유래한다. 이러한 동향에 따라 최근 전력을 변환$\cdot$제어하는 파워일렉트로닉스의 중요성이 재인식되고 있음은 물론 앞의 과제의 해결수단으로서도 기대가 높아지고 있다. 1차에너지원에서 시작하여, 우리들이 접하는 기기나 장치의 전원에 이르기까지 에너지의 흐름에는 발송전, 전력변환, 장치구동의 3단계의 변환과정이 있다. 각 단계의 어느것이나 파워일렉트로닉스가 관여하는 기술영역으로서 각각의 변환과정에서의 에너지 로스나 환경오염에 대한 대책이 가장 중요한 과제가 되고 있으며, 그 개선책에 대하여 각국에서 지금 열심히 연구개발이 진행되고 있다. 이상과 같은 추세에 따라 최근의 파워일렉트로닉스의 주요 기술동향을 요약하면 다음과 같다.(1)대용량화 전력계통제어에의 적용을 주체로 하여 파워디바이스, 손실경감기술, 계통제어기술 등을 개발하여 제어시스템 전체의 자스페이스와 전력손실 경감을 도모한다. (2)인텔리전트화 전력이나 전동기의 제어를 주대상으로, 정보처리기능의 향상에 대응한 제어기술을 도입하여 고성능$\cdot$저손실$\cdot$저진동 등의 제어를 실현한다. (3)범용화(汎用化) 각종 산업분야에의 고정속(固定速) 전동기부하를 대상으로, 인버터에 의한 가변속기능을 부가함으로서 저에너지장치의 소형화, 저소음화 등을 달성한다. (4) 환경조화 모든 파워일렉트로닉스 관련기기를 대상으로 저(低)진동소음$\cdot$고조파억제$\cdot$자전력 소형화기술 등을 개발하여 환경에 친화적인 기기$\cdot$장치를 제공한다.

• 전기저널
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• 통권269호
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• pp.66-72
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• 1999

전력$\cdot$교통$\cdot$산업$\cdot$정보$\cdot$가전의 각 분야에서 파워일렉트로닉스를 지탱하는 소자로서 파워디바이스가 하는 역할은 매우 크다. 특히 최근에는 지구온난화대책으로서 $CO_2$의 배출규제와 화석에너지 고갈에 대한 대응이 요구되고 있다. 이를 해결하기 위해 각종 전기기기 분야에서는 파워일렉트로닉스를 활용한 산업용 모터의 제어와 에어컨$\cdot$냉장고 등의 자에너지, 그리고 환경보호를 위한 전기자동차의 보급, 태양광발전과 풍력발전 등의 신에너지의 개발이 활발해지고 있다. 이와 같이 파워일렉트로닉스의 발전은 사회에 커다란 혜택을 가져다주었으나 동시에 전원의 고조파와 EMC(Electro-Magnetic Compatoboloty)문제를 초래하고 있다. 고조파 문제에 대해서는 액티브필터용 IPM(Intelligent Power Module)등의 등자으로, 기기측에서 적극저긍로 대책을 강구하고 있으나, 한편 EMC의 대응은 고조파대책에 비하여 다소 어려움이 이TDj 업계 전체적으로는 이제야 대응이 시작된 단계이다. 최근 파워디바이스의 주류가 된 IBT(Insulted Gate Bipolar Transister)는 고속성과 저포화전압이 인정되었으나 IGBT가 갖고 이쓴 고속 Switching 특성 때문에 EMC대응이 문제가 되고 있다. 따라서 IGBT자신의 특성개선은 물론 환류다이오드의 회복전류의 소프트화, 패키지의 개량, IGBT의 신구동방식의 개발 등, 파워디바이스 전체적으로 EMC에의 대응이 시작되었다.

• 전기저널
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• 통권277호
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• pp.69-77
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• 2000

최근 전력설비 운용상의 여러 가지 과제에 대한 유망한 해결책으로서 파워일렉트로닉스 기기를 사용한 FACTS(Flexible AC Transmission System)가 주목을 받고 있다. 그 중에서도 자려식 변환기를 사용한 FACTS기기는 계통의 유효전력$\cdot$무효전력을 계통의 상태에 의존하지 않고 자유롭게 제어할 수 있어, 계통운용의 유연성을 비약적으로 확대할 수 있는 가능성이 있다. 미쓰비시전기는 전력기기간 계통에서의 자려식 변환기 응용의 파이어니어로서 1991년 간사이전력(주) 태산개폐소에 80Mvar SVG(전지형 무효전력발생장치)를 납품하였으며 또한 자원에너지청의 ''연계강화기술개발'' 보조사업으로 도쿄전력(주)을 비롯하여 전력회사 각사, 전원개발(주)와 (재)전력중앙연구소의 지도 하에 3단자 BTB(Back to Back) 실증시스템용으로 세계 최초의 6인치 GTO(Gate Turn-off Thyristor)를 사용한 53MVA의 자려식 변환기를 제작납품하여 수백MVA 클래스의 자려식변환기 제작기술을 확립하였다. 또한 최근에는 동사가 개발한 신소자 GCT(Gate Commutated Turn-off Thyristor)는 지금까지 대용량 자려식 변환기의 커다란 과제였던 운전손실을 반감할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 한편 배전 분야에서는 전압변동, 고조파, 순간전압강하 등의 과제가 증가하고 있어, 미쓰비시전기는 이에 응할 수 있는 파워일렉트로닉스 기기로서 콤팩트 SVG(Static Var Generator), SSTS(Solid-state Transfer Switch), 액티브필너를 다수 납품하여 전력품질문제 해결에 공헌하고 있다.

• 전기산업
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• 제10권3호
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• pp.21-35
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• 1999

• 전기저널
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• 통권297호
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• pp.66-72
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• 2001

1957년에 사이리스터가 발표된 이래 파워반도체디바이스(이하 ''파워디바이스''라 한다)의 발전과 더불어 이것을 사용하여 전력변환$\cdot$제어와 이를 응용한 파워일렉트로닉스 산업도 현저한 발전을 이루어 왔다. 21세기를 맞이하여 지구의 유한성을 강하게 인식하고 자원과 에너지를 고도이용하는 순환형 사회에로의 전환을 도모하는 기술혁신과 IT(정보기술)를 구사한 기술보급의 움직임이 활발해지고, 파워일렉트로닉스와 그 키파트인 파워디바이스가 수행하여야 할 역할은 점점 더 중요해지고 있다. 이와 같은 배경 하에서 파워디바이스는 인버터제어를 주목적으로 사이리스터, GTO(Gate Turn-off Thyristor), 바이폴라트랜지스터, MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor)에서 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)에로 진전되고, 그 응용분야도 가전제품에서 OA, 산업, 의료, 전기자동차, 전철, 전력에 이르는 폭넓은 분야로 확대되었다. 현재 파워디바이스를 취급하는 전력의 범위는 수W의 스위칭 전원에서 GW급의 직류송전까지 9단위까지에 이르러 광범위한 전력 제어가 가능하게 되었다. 한편 응용의 중심이 되는 IGBT는, 고속화와 저손실화 및 파괴 내량의 향상을 지향한 개량을 거듭하여 제5세대제품이 나타나기 시작하였다. 또한 IGBT에 구동$\cdot$보호$\cdot$진단 회로 등을 넣어 모듈화한 IPM(Intelligent Power Module)이 그 편리성과 소형화를 특징으로 파워디바이스의 주역의 자리에 정착하였다. 가전$\cdot$산업$\cdot$자동차$\cdot$전철의 각 분야에서는 시장 니즈에 최적 설계된 IPM이 개발되게 되어 보다 더한 시장확대가 기대되고 있다. 또한 종래의 Si(실리콘)에 대신하는 반도체 재료로서 SiC(실리콘 카바이드 : 탄화규소)에 대한 기대가 크고 MOSFET나 SBD 등의 파워디바이스의 조기실용화에의 대처노력도 주목할 만하다.

• 전기저널
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• 통권255호
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• pp.76-83
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• 1998

대용량 파워일렉트로닉스기기의 보다 대용량화$\cdot$소형경량화 및 저손실화 요구에 응하기 위하여 조지전압 4.5KV, 가제어전류 4KA의 고내압$\cdot$대용량 CGT(gate commutated turn-off : 게이트 전류형 턴오프) 사이리스터를 개발하여 상품화하였다. GCT사이리스터는 대용량 파워일렉트로닉스기기의 키파트로서 폭넓게 사용되고 있는 GTO(Gate turn-off)사이리스터와 Turn-on동작이 같고 gto사이리스터의 이점이 저On전압특성을 그대로 갖는 한편 턴오프동작은 ''턴오프 게인이 1''인 새로운 원리에 기초하고 있으며 턴오프특성에서는 GTO사이리스터에 비해 다음과 같은 특징을 갖고있다. (1)GTO사이리스터응용에서 턴오프시 dv/dt를 억제하기 위하여 필요한 스나버회로가 없어도 턴오프동작이 가능하다. (2)축적시간을 종래 GTO사이리스터의 약 1/10로 저감할 수 있다. (3)게이트축적전하를 종래의 GTO사이리스터의 약 1/2로 저감할 수 있다. 이러한 턴오프특성에 의하여 GCT사이리스터는 대용량 파워 일렉트로니스기기에 스나버회로 손실발생의 억제에 의한 손실의 저감, 고속동작화, 직병렬접속 응용에 의한 대용량화의 용이성, 게이트구동회로의 용량을 반감하는 등 많은 메리트를 가져다 준다.

• 전기저널
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• 통권280호
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• pp.64-70
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• 2000

파워디바이스는 산업$\cdot$전력$\cdot$교통$\cdot$정보 등 여러 분야에서 사용되고 그 기기들의 성능은 이 파워디바이스의 성능에 의해 크게 좌우된다. 특히 고도 정보화시대가 되는 21세기에는 전력수요가 점점 더 증가될 것이기 때문에 인버터화 등에 의한 생에너지 대책과 클린에너지 등에 의한 신에너지의 창출이 중요한 과제가 되고 있다. 한편, 지구환경 보호면에서 전기자동차 등의 환경고려형 장치의 보급이 활발해질 것이 예상된다. 이와 같은 사회환경 속에서 파워 일렉트로닉스를 지탱하는 소자로서 파워디바이스는 점점 더 그 역할의 중요성이 커지고 있다. 최근의 파워디바이스로서는 디스크리트, 모듈, IPM(Intelligent Power Module)등 여러 가지의 디바이스가 출현하고 있는데 그 성능을 결정하는 중심이 되는 것이 파워디바이스 칩이다. 파워디바이스 칩 자신도 급속히 진화하여 현재는 MOS계 파워디바이스 칩이 주류를 이루고 있다. 그 중에서도 사용하기 쉽다는 면에서 MOSFET와 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)가 주로 실용화되고 있으며, 미세가공기술과 라이프타임 제어기술의 진전에 따라 현저한 성능개선이 진행되고 있다. 한편, 공업용 대용량인버터나 전력응용에서 요구되는 고내압$\cdot$대용량 영역에서는 당분간 저손실이라는 의미에서 바이폴라계의 사이리스터형 디바이스가 주류로 사용되고, 이 영역에서는 GTO에 대체하는 소자로서 GCT(Gate Commutated Turn-off)사이리스터가 개발되어 그 응용이 확대될 것이 기대되고 있다. 또한 전압형 인버터장치에서는 IGBT와 GCT등의 스위칭디바이스와 함께 환류용 다이오드(FWD)가 필요하며 이 FWD의 특징 개선도 스위칭디바이스의 개선과 병행하여 추진되고 있다.

• 에너지공학
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• 제22권1호
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• pp.58-81
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• 2013

탄화규소(SiC)나 질화갈륨(GaN)과 와이드갭 반도체를 이용한 전력소자의 생산기술이 크게 발전하여 그간 널리 사용되어 온 실리콘(Si) 전력소자와 비교하여 작동전압, 스위칭 속도 및 on-저항 등이 크게 향상되어 몇 개 기업은 제품화를 시작하였다. 내압 등 기술적 과제 등을극복하여 산업화를 하고자하는 움직임을 소개하고 아울러 연구동향도 분석한다.

• 전기저널
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• 통권277호
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• pp.63-68
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• 2000

요 몇 해 사이에 고내압$\cdot$대용량 파워디바이스에서는 아주 새로운 진전이 일어나고 있다. 파워일렉트로닉스 장치의 소형화$\cdot$고효율화 및 제어의 고속화 등의 요구에 응할 수 있는 차세대의 새로운 소자가 출현하여 그 제품화가 비약적으로 진전되고 있는 것이다. 새로운 파워디바이스의 대표적인 것으로는 다음의 3가지를 들 수 있다. $\cdot$HVIGBT(High Voltage Insulated Gate Bipolar Transistor Module)$\cdot$HVIPM(High Voltage Intelligent Power Module)$\cdot$GCT(Gate Commutated Turn-off)사이리스터 이들의 파워디바이스를 종래의 GTO(Gate Turn-off) 사이리스터와 비교해 보면 다음과 같은 특징이 있다.(1)GTO 사이리스터가 필요로 했던 스나버회로가 없어도(Snabber-less)턴오프가 가능하며, di/dt 억제용 아노드리액터의 생략 또는 저감이 가능하기 때문에 반도체 부녀회로의 소형화를 기할 수 있다. (2)게이트파워와 전체손실(소자 및 주변회로를 포함)의 저감으로 에너지 절약을 도모할 수 있다. (3)스위칭주파수를 2$\~$3kHz 정도까지 높일 수 있다. 이런 장점 때문에 다음과 같은 용도에의 적용이 기대되고 있다. (1)신간선, 지하철 등의 전철 응용 (2)액티브필터, SVG(무효전력발생장치), SVC(무효전력보상장치) BTB, 가변속 양수발전 스위치 등의 전력응용 (3) 철강압연이나 제지공장용 등의 대용량공업용 컨버터$\cdot$인버터 응용 HVIGBT와 HVIPM은 전철분야에서 신간선의 추진용 컨버터$\cdot$인버터장치와 보조전원장치, 그리고 지하철의 추진용 인버터 장치나 보조전원장치 등에 채용되고 GCT 사이리스터는 전력용 주파수변환기 등에 실용화되고 있다.

• 전기저널
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• 통권323호
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• pp.69-75
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• 2003

불투명한 경제정세의 와중에서도 전기에너지를 지탱하는 근간이 되는 파워 일렉트로닉스 분야는 확실히 그 기술개발을 향상시켜 오고 있다. 특히 파워디바이스는, 지구환경과 생활환경을 보다 쾌적하게 하기 위하여 인버터 장치 등의 각종 전력절약기기와 풍력$\cdot$태양광$\cdot$연료전지 등 클린에너지의 전력제어장치에 없어서는 안되는 반도체디바이스로 성장했다. 파워디바이스 중에서도 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)의 기술혁신은 요 20년 사이에 비약적인 성과를 거두었다. 1980년대에 제품화된 IGBT는, 반도체메모리의 초미세가공기술을 도입하면서 $5{\mu}m$에서 서브미크론의 디자인툴로 발전하여, 2000년대에 들어 칩의 전류밀도는 약 2배, 포화전압은 약 $65\%$까지 개량되었다. 이와 같은 IGBT의 변천은, 전력손실을 대폭적으로 저감시켜 에너지절약기기의 전력변환효율 향상에 공헌하고 있다. 파워디바이스의 기술진보에서 또 한 가지 잊지 말아야 할 것은 주변회로의 집적화(集積化)에 의한 고성능$\cdot$고기능화이다. 최근의 인버터용 파워디바이스로 가장 많이 사용되고 있는 파워모듈은, IGBT등의 파워칩과 그 주변회로와의 컬래버레이션에 의한 제품이다. 다시 말하면 구동회로, 전류$\cdot$전압$\cdot$온도센서 및 그것들의 보호회로가 IC(집적회로)에 편입되어 고기능$\cdot$소형화를 촉진시키고 있다. 구동회로는 LVIC (저전압집적회로)에서 HVIC(고전압집적회로)로 발전하여 전류$\cdot$온도 등의 각종 센서도 동일 칩에 설계할 수 있게 되었다. 또 센싱이나 보호기능뿐만이 아니라 출력전류의 제어를 위한 연산기능과 di/dt의 제어기능이 내장되도록 되어 있어 보다. 고성능의 인텔리전트 파워모듈(IPM)이라고 불리우는 새로운 개념의 파워디바이스가 실현되었다. 또한 패키지 기술도 내부배선 인덕턴스의 저감과 트랜스퍼 몰드패키지의 개발로, 소형화뿐만이 아니라 파워칩의 성능$\cdot$기능을 충분히 발휘할 수 있도록 개발이 적극적으로 추진되고 있다.