전력 전자의 기술 동향 - 전력 시장에서 사이리스터와 IGBT의 비교-

전력 전자 시장에서 사용하는 MOSFET과 BJT에 대한 응용분야 및 시장 점율율을 비교하는 포스팅 해 보겠습니다.

 

 - 사이리스터와 IGBT의 비교 개요 -

 

사이리스터와 IGBT(절연 게이트 바이폴라 트랜지스터)는 모두 전력 전자 애플리케이션에 사용되는 반도체 소자입니다. 비슷한 용도로 사용되지만 서로 다른 특성을 가지고 있으며 뚜렷한 장단점을 제공합니다.

사이리스터와 IGBT의 장단점을 정리하면 아래와 같습니다. 

사이리스터의 장점 

1. 높은 전류 및 전압 처리 용량

사이리스터는 높은 전류 및 전압 레벨을 처리할 수 있으므로 고전력 애플리케이션에 적합합니다.
2. 높은 서지 용량

사이리스터는 전원을 켜는 동안 높은 서지 전류를 견딜 수 있으므로 모터 제어 및 배전 시스템에 적합합니다.
3. 간단한 제어 회로

사이리스터는 간단한 제어 메커니즘을 가지고 있으며 전도 상태를 유지하기 위해 지속적인 게이트 신호가 필요하지 않습니다.
4. 낮은 전도 손실

일단 켜지면 사이리스터는 전도 손실이 매우 낮아 효율이 높습니다.

 

사이리스터의 단점

 

1. 꺼짐 제어 기능 부재

사이리스터는 게이트 신호만으로는 끌 수 없습니다. 전류를 차단하거나 역전압을 가하는 등의 외부 수단을 통해 전원을 꺼야 합니다. 이러한 제한으로 인해 특정 애플리케이션에서 사용이 제한됩니다.
2. 제한된 스위칭 주파수

사이리스터는 자연 정류를 포함하는 턴오프 메커니즘으로 인해 스위칭 주파수가 제한되어 있습니다. 이러한 제한으로 인해 고주파 애플리케이션에는 적합하지 않습니다.
3. 단락으로 인한 고장 발생 시 사고 위험

사이리스터는 단락에 대한 응답 속도가 느리기 때문에 빠른 고장 보호가 필요한 애플리케이션에 적합하지 않습니다.

 

 

IGBT의 장점 

1. 빠른 스위칭 속도

IGBT는 빠르게 켜고 끌 수 있으므로 모터 드라이브 및 인버터와 같은 애플리케이션에서 고주파 작동이 가능합니다.
2. 제어 가능한 켜기 및 끄기

IGBT는 게이트 신호로 제어할 수 있으므로 정밀한 스위칭이 가능하고 다양한 애플리케이션에서 유연성을 제공합니다.
3. 낮은 포화 전압

IGBT는 전도 시 전압 강하가 낮기 때문에 전도 손실이 적고 효율이 향상됩니다.
4. 향상된 회로 단락 보호

IGBT에는 회로 단락 보호 메커니즘이 내장되어 있어 고장 조건에 신속하게 대응할 수 있습니다.

 

IGBT의 단점

1. 제한된 전류 및 전압 정격

사이리스터에 비해 IGBT는 전류 및 전압 처리 능력이 상대적으로 낮기 때문에 고전력 애플리케이션에서 사용이 제한됩니다.
2. 더 높은 스위칭 손실

IGBT는 사이리스터에 비해 스위칭 손실이 더 커서 높은 스위칭 주파수에서 효율이 떨어집니다.
3. 복잡한 게이트 드라이브 요구 사항

IGBT는 안정적인 작동을 보장하기 위해 더 복잡한 게이트 드라이브 회로와 보호 메커니즘이 필요하므로 시스템 복잡성과 비용이 증가합니다.

사이리스터와 IGBT 중 어떤 것을 선택할지는 전력 레벨, 스위칭 주파수, 제어 요구 사항과 같은 특정 애플리케이션 요구 사항에 따라 달라진다는 점에 유의해야 합니다. 두 디바이스 모두 고유한 장점과 한계가 있으며, 현재 사용 중인 애플리케이션의 장단점과 성능 요구 사항을 고려하여 선택해야 합니다.

 

 - 사이리스터와 IGBT의 응용 분야 비교  -

 

사이리스터와 IGBT는 전력 전자 제품 시장에서 널리 사용되지만, 고유한 특성에 따라 응용 분야가 다릅니다. 사이리스터와 IGBT의 응용 분야를 비교해 보겠습니다:

사이리스터의 응용 분야

1. 전력 제어

사이리스터, 특히 실리콘 제어 정류기(SCR)는 일반적으로 전력 제어 애플리케이션에 사용됩니다. AC 전압 컨트롤러, 모터 드라이브 및 인버터 회로에서 전력을 조절하고 모터의 속도를 제어하는 데 사용됩니다.
2. 고전력 애플리케이션

사이리스터는 고전압 및 전류 레벨을 처리할 수 있는 고전력 애플리케이션에 적합합니다. 고전력 정류기, 대규모 산업 시스템 및 유틸리티 전력망에 사용됩니다.
3. 전력 전송

사이리스터는 장거리 전기 전송에 사용되는 고전압 직류(HVDC) 전송 시스템에 사용됩니다. 사이리스터는 높은 전력 처리 능력으로 인해 HVDC 시스템에서 전력 변환 및 제어에 사용됩니다.
4. 전력 품질 관리

사이리스터는 역률 보정 회로에 사용되어 무효 전력 소비를 최소화함으로써 전기 시스템의 효율을 향상합니다. 산업용 애플리케이션과 유틸리티 그리드에서 전력 품질을 조절하는 데 도움이 됩니다.

IGBT의 응용 분야 

1. 모터 제어

IGBT는 가변 주파수 드라이브(VFD) 및 서보 시스템과 같은 모터 제어 애플리케이션에 광범위하게 사용됩니다. 모터의 속도와 토크를 정밀하게 제어할 수 있어 로봇 공학, 자동화 및 운송과 같은 산업 분야에 적합합니다.
2. 재생 에너지 시스템

IGBT는 태양광 및 풍력 인버터와 같은 재생 에너지 시스템에서 중요한 역할을 합니다. 태양광 패널이나 풍력 터빈에서 생성된 DC 전력을 그리드에 적합한 AC 전력으로 변환합니다. IGBT는 이러한 시스템에서 효율적인 전력 변환 및 제어를 가능하게 합니다.
3. 무정전 전원 공급 장치(UPS)

IGBT는 UPS 시스템에 사용되어 그리드 장애 시 백업 전력을 제공합니다. 유틸리티와 배터리 시스템 간의 원활한 전력 전송을 보장하여 중요 부하에 중단 없이 전력을 공급할 수 있습니다.
4. 스위칭 전원 공급 장치

IGBT는 전력을 효율적으로 조절하고 변환하기 위해 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)에 사용됩니다. 컴퓨터 전원 공급 장치, 통신 장비 및 산업 제어 시스템과 같은 애플리케이션에 사용됩니다.
5. 전기 자동차(EV) 시스템

IGBT는 모터 드라이브 및 배터리 관리 시스템을 포함한 EV 시스템에 필수적입니다. 효율적인 전력 변환 및 제어를 가능하게 하여 전기 자동차의 전반적인 성능과 주행 거리에 기여합니다.

이러한 애플리케이션은 상호 배타적이지 않으며 특정 시나리오에서 사이리스터와 IGBT의 사용이 중복될 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 디바이스 선택은 전력 정격, 스위칭 주파수, 효율성 요구 사항, 시스템 복잡성 등의 요인에 따라 달라집니다.

 

 - 사이리스터와 IGBT의 시장 점유율 비교  -

 

사이리스터의 시장 점유율

 

사이리스터, 특히 실리콘 제어 정류기(SCR)는 수년 동안 고전력 애플리케이션에 널리 사용되어 왔습니다. 전력 전송, 산업용 모터 제어, 유틸리티 그리드와 같은 산업에서 상당한 시장 점유율을 차지하고 있습니다. 사이리스터는 고전압 및 전류를 처리하는 데 탁월하여 고전력 기능이 필요한 애플리케이션에 적합합니다. 사이리스터 시장은 사이리스터 시장 규모는 과거부터  2027년까지 총 65억 달러에 달할 것으로 예상되며, 2022-2027년 예측 기간 동안 5.3%의 연평균 성장률을 기록할 것으로 전망됩니다.

IGBT의 시장 점유율 

 

IGBT는 빠른 스위칭 속도, 제어 가능성 및 효율성으로 인해 최근 몇 년 동안 상당한 인기를 얻고 있습니다. 모터 드라이브, 재생 에너지 시스템(예: 태양광 및 풍력 인버터), 전기 자동차와 같은 애플리케이션에서 상당한 시장 점유율을 차지하고 있습니다. 전기 모빌리티 및 재생 에너지와 같은 산업의 성장은 전력 전자 시장에서 IGBT의 채택을 늘리는 데 기여했습니다.

IGBT 반도체 시장은 주로 시장 성장률을 주도하는 전력 효율적인 장치뿐만 아니라 고 에너지에 대한 수요 증가로 인해 시장은 2023-2027 년 동안 7억 3천만 달러의 시장성을 가지고 있고 매년 10.80 %의 상당한 비율로 성장할 것으로 예상됩니다.

 

이상, 사이리스터와 IGBT에 대해 비교하는 포스팅을 마치겠습니다.