Power Electronics

1. What is Power Electronics?

Power와 Electronics, 그리고 이를 연결하는 Control 세가지 영역을 포함하는 종합적인 기술 분야를 Power Electronics라고 한다. 기술적으로는 전력용 반도체 디바이스의 스위칭 조작에 의한 효율적인 전력 변환과 제어에 관한 기술분야이다.

2. Diode

 

Diode는 Power Electronics(PE) 분야에서 간단한 스위칭 도구로 쓸 수 있다. Diode의 특성을 알아보자.

 

위의 그림은 Power Diode를 나타낸 그림이다. (a)Symbol에서 A는 anode이고 K는 cathode이다. 기본적으로 Diode는 A에 높은 전압이 인가되면 A->K방향으로 전류가 흐르게 된다. 그렇다면 K에 높은 전압이 걸리면 어떻게 될까? 
이상적인 Diode는 전류가 흐르지 않지만 실제로는 약간의 전류가 흐르게 된다. 우리는 그것을 Leakage Current라고 한다. 아래 그림은 이상적인 Diode와 실제 Diode의 전류 흐름을 나타낸 그림이다.

 

이상적인 Diode는 1V이상의 약간의 전압이 흐르면 바로 전류가 흘러야 하고 역전압이 걸려도 전류가 흐르지 않아야한다. 그러나 실제는 이상적인 경우와 약간의 차이가 있다. 왜 1V인지 궁금하지 않은가?
그것은 반도체를 만들때 P형 반도체와 N형 반도체를 접합시키는데 둘 사이에 Potential barriar가 존재하며 이 barriar를 뚫기 위해서 1V가 필요한 것이다.

3. Power Bipolar Transistor

Bipolar Junction Transistor(BJT)는 전자와 정공(hole)의 두가지 carriar가 전류에 관여해 그 쌍방의 이동에 의존해서 동작하는 Transistor를 말한다. 이게 어디에 쓰이는지는 다 알겠지만 중요하니까 다시한번 상기하는 의미에서 써놓는다. BJT는 반도체 소자로 반도체 집적회로산업의 근간이 된다. 예를들어 아날로그회로, 디지털회로, 대전력 스위칭 회로 등에 사용되고 있으니까 매우 중요하다고 할 수 있겠다. n-type, p-type, semiconductor로 구성되어 있으며 npn타입과 pnp타입이 있다. 아래 그림은 npn타입을 나타내는 그림이다.

그림에서 보면 알 수 있겠지만 Emitter는 n-type에 연결되어 있고 (-)전압이 인가되어있다. Base에는 p-type에 연결되어 있고 (+),(-)전압이 인가된다. Collector에는 n-type에 연결되어있고 (+)전압이 인가되어있다. Base에 (+)가 인가되면 전류는 자연스럽게 P->N으로 흐르게 된다. 이건 문제가 없는데 당최 전체전류가 어떻게 흐르는지 알 수가 없다. Collector에 (+)가 인가되어 있기 때문에 N->P로는 전류가 흐를 수 없다. 따라서 np junction에 전류의 흐름은 막히게 된다. 이것을 reverse biased junction이라 부른다. 그럼 전류가 어떻게 흐르게 되는 것일까? 
그림으로 봐서는 알 수 없지만 실제로 P부분이 얇다고 한다. 이 부분이 얇기 때문에 emitter 부분에서 collector로 전류가 뚫고 나올 수 있다고 한다. 필자는 기억하기 쉽게 생각했다. 꾹 참았다가 터뜨리면 확 퍼져나가듯이 emitter부분에서 꾹 참아서 P를 뚫고 나가면 전류가 확 퍼져 나가는 것이다.

4. Thyristor

Thyristor는 Smart Grid를 공부함에 있어서 특히 송배전 시스템인 FACTS를 공부하는데 반드시 알아야 할 부분이다. 아래그림을 보자.

다이오드에 Gate가 달려있는 간단한 그림이다. 그럼 Gate의 역할이 중요하겠지? 이전의 Transitor와 비교해봤을때 npn타입이라면 Thyristor은 pnpn타입이다. Gate의 역할은 간단하다. Gate에 약간의 전류를 흘려서 p->n^-  , p->n^+로 전류의 흐름을 만들어서 많은 전류가 흐를 수 있게 하는 역할이다.
n-base의 두께를 두껍게 하면 전자의 밀도가 높아져서 forward-blocking voltage가 높아진다.  아까 Transistor와 마찬가지로 쉽게 생각해보면 forward-blocking voltage가 높아지만 그만큼 높은 전압을 걸어야 할것인데 이 forward-blocking voltage보다 높은 전앞이 걸린 순간 전류가 물밀듯이 솨아악 흐르게 될 것이다. 그리고 이를 더 낮은 전압에서 가능하게 해주는 것이 Gate이다. 아래 그림을 보자.

앞서 설명한 내용이 아주 적나라하게 잘 나타나있다. Vfbd는 forward-blocking voltage이고 Ig는 Gate에서 흐르는 전류이다. 이 값이 클수록 전압이 작게 걸려도 전류가 방출되는 것을 볼 수 있을 것이다.

이상으로 간단하게(?) 몇자 적어봤는데 이러한 전기쪽은 도통 꽝이라서 맞게 이해한건지 잘 모르겠다...나름(????) 재미있는 분야이며 계속 공부해볼만한 Topic인듯 하다.