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브런치북 AI로 전기차 공부하기 22화

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계정을 잊어버리셨나요?

by SPECAL Jan 02. 2025

AI로 풀어주는 전기차용 반도체 카지노 게임 추천

사실 전력전자 파트에서 설명하고 싶은 건 다음과 같습니다.

DC-AC 변환용 인버터로모터 구동용 3상 전류를 어떻게 생성카지노 게임 추천가

온보드 차저(OBC)는 어떤 방식으로외부 전원(AC)을 차량 내부 배터리(DC)로 충전카지노 게임 추천가

LDC,DC-DC 컨버터는 시스템 내 전압 레벨 변환 시 어떤 현상이 일어나는가

이 3가지를 알려면 카지노 게임 추천의 구성요소를 반드시 이해해야죠 저번시간에는 반도체와 도핑의 기초에 대해서 이해했으니 이제는 카지노 게임 추천론에 대해서 이야기해보고자 합니다. 자 그럼 가볼까요?

이번글에서다룰 내용은 다이오드와 트랜지스터입니다. 다이오드는 N형카지노 게임 추천+P형카지노 게임 추천, 트랜지스터는 NPN OR PNP의 접합으로 이루어지죠 왜 이런 형태로 접합하는가 그리고 이걸 어찌 써먹는가 한번 보시죠

1. 다이오드

다이오드는 전류가 한 방향으로만 흐르도록 제어하는 단방향성 전자 카지노 게임 추천입니다. 한쪽으로만 흐르고 반대쪽으론 못 흐르게 하는 카지노 게임 추천죠

모양만 봐도 화살표방향은 갈 수 있고 반대로는 못 가는구나가 굉장히 직관적으로 그려지는 카지노 게임 추천입니다.

조금 더 물질적으로 설명하면 다이오드는 주로 PN 접합 구조로 이루어져 있습니다. 접합이란 게 어려운 게 아니라 그냥 붙인다는 의미예요,그래서 PN 접합은 P형 카지노 게임 추천와 N형 카지노 게임 추천가 접합된 구조로

두 영역이 접합되면, 확산(전자와 전공의 이동)과 재결합(Recombination)이 일어나며, 접합 부근에 캐리어가 고갈된 공핍영역이 생성됩니다.이로 인해 내부 전기장이 형성되어 전위 장벽(Potential Barrier)이 형성되는 거죠,위그림처럼 접합 부근에 공핍영역(Depletion Region)이 형성되는 겁니다.

이 공핍영역은 자유 전하가 없는 영역으로, 접합 초기에는 전공(Hole)과 전자(Electron)의 확산과 재결합이 일어나는 영역인데, 이러한공핍영역에는 전기장이 형성되어 외부에서 가해지는 전압의 방향에 따라 전류의 흐름을 제어합니다.

이런 형태로 나타나니 순방향(Forward Bias)으로 전압을 인가할 경우, 전위 장벽이 낮아져 전류가 흐르며, 역방향(Reverse Bias)으로 인가할 경우 전위 장벽이 커져 전류가 거의 흐르지 않습니다.

그걸 계산카지노 게임 추천 식이 다이오드의 전류 전압특성식이라는 아래 녀석인데

세부적인 설명은 이론책에 자세히 나와있으니 결론만 말씀드리면,다이오드 양단 전압에 따라 전류가 지수적으로 변카지노 게임 추천 관계를 나타내며, 순방향에서는 전류가 급격히 증가하고 역방향에서는 작은 포화전류만 흐르고, 이러한 특성은 온도에 영향을 받는다 나는걸 저런 수식으로 표현한 겁니다.

여기서 알아야 할 건 아 온도에 따라 영향을 받는구나 정도만을 아시면 됩니다. 우린 다이오드 전공이 까지는 아니니까요

이런 다이오드에는 크게 2가지 흐름만이 존재합니다. 순방향 바이어스(Forward Bias)와역방향 바이어스(Reverse Bias)죠 한번 보실까요?

다이오드에 순방향 전압을 인가하면, 전위 장벽이 낮아지면서 전류가 흐릅니다. 전자가 N형에서 P형으로 이동, 전공은 P형에서 N형으로 이동합니다. 이때 전류는 외부 회로를 통해 양극(Anode)에서 음극(Cathode) 방향으로 흐르는 것이죠

문제는 위에서 설명한 공핍층 때문에 전압강하가 형상됩니다. 대략적으로 0.7V정도요 그럼 그거 이카지노 게임 추천요? 당연히 못 흐르겠죠 그래서 0.7V이상부터 저런 그래프가 나타는 겁니다.

역방향 바이어스 상태에서는 P형 카지노 게임 추천에 음극, N형 카지노 게임 추천에 양극 전압을 인가하여 전위 장벽을 높입니다. 이로 인해 공핍영역이 확장되고, 일반적으로 전류가 거의 흐르지 않죠. 흐르는 녀석을 미소전류라고 하는데 이건 설계파트에서 고려하는 영역이니 있다는 것만 알고 넘어갑시다.

이러한 역방향 전압이 항복전압(Breakdown Voltage)을 초과하면 다이오드가 항복 현상을 일으켜 큰 전류가 흐르게 됩니다. 사실상 카지노 게임 추천가 파괴 다는 것이라 봐도 무방해요 그렇다면? 당연히 항복전압 이하로 유지하도록 계획해야겠죠?

지너 항복(Zener Breakdown): 강한 전기장이 전자 결합을 깨뜨려 전자가 자유 캐리어로 방출

애벌랜치 항복(Avalanche Breakdown): 고속 전자가 충돌 이온화를 일으키며 캐리어 수가 급격히 증가

항복에도 2가지 종류가 있는데 일단 이런 게 있구나 하고 넘어가셔도 됩니다 실제 활용 파트에서 좀 더 자세히 설명하죠

사실 순방향을 0.7V라고 말했지만 이건 일반 실리콘 다이오드 기준이고, 신호처리용은 0.7V이상 이어도 우리가 볼 전압용는 수 V이상입니다. 많이 생략되었지만 깊이 있게 가려면 제가 생략한캐리어의 농도특성 2개의 미분방정식 기반의 볼츠만근사 공핍영역파트까지 다뤄야 합니다 근데 그렇게 되면 그냥 수학책이 될 거라 일단은 생략하고 넘어가죠 기회가 된다면 심화 파트에서 다뤄보겠습니다.

앞서 설명드렸지만다이오드가 온도에 영향을 받는다고 말씀드렸죠? 이것저것 다 고려해야 하고요 그렇다면 실제 다이오드는 어떤 방식으로 나올까요?

실제로 이런 형식에 가깝게 나타나게 됩니다.

그래 다이오드가 이런 건 알겠어 그래서 이걸 어떻게 쓰는데?라는 질문이 따라옵니다.

교류에 다이오드를 하나만 달아도 이런 형식이 나오고 4개를 달면? 4개의 다이오드를 사용한 브리지(bridge) 형태의전파정류(full wave rectifier)회로라 불리는 녀석을 이용하면

이런 형식으로 바꿀 수 있습니다.

출처 - 과학도를 위한 카지노 게임 추천와 전자회로의 기초 / RC회로에 의한 정류파의 물결전압

여기에 L과 C를 달아주면 이런 직류에 가까운 전류를 얻을 수 있죠, 지금은 그냥 오 이런 식으로 만드는 게 최종목적이 구나만 알아두시면 됩니다 실제로 필터까지 다루고 나서 다음에 다룰게 반파 전파다이오드 정류거든요

2. 트랜지스터(Transistor)

트랜지스터(Transistor)라는 이름은 "Transfer"(전달)와 "Resistor"(저항기)의 합성어입니다. 전압을 제어하여 증폭하거나 스위칭 기능을 수행하는 반도체 소자로 다이오드보다 훨씬 고등화된 소자죠 그럼 전부다 트랜지스터 쓰지 다이오드는 설명했어요라고 물어보시면 싸고 만들기 쉽고 제어량을 줄일 수 있으니 여전히 쓰이니까요,네? 이유가 뭘까요? 우선 초기 버전인 BJT부터 보실까요?

2.1 BJT

BJT(Bipolar Junction Transistor)는 NPN 또는 PNP 구조로 구성된 3 단자 반도체 카지노 게임 추천입니다. 영어를 잠깐 볼까요? 반도체 접합 트랜지스터? 네 말 그대로 초기버전이라 알아보기 좋게 이름이 지어져 있어요 먼저 사진을 보시죠

지금 보고 계신 건 NPN형 트랜지스터 베이스전류의 값을 넘어가면 흐름 알라면 0인 단락 회로 동작카지노 게임 추천 녀석입니다. 다이오드는 2개인데 얘는 3개에 회로가 하나 더 들어가죠? 이 시점에서 다이오드의 가격을 절대 따라올 수 없는 이규가 나온 겁니다.

이 녀석의 원리를 설명하자면 정말 길지만 사실 이 녀석을 아실 필요는 없습니다, 작금의 산업현장에서는 거의 안 쓰이거든요, 이 녀석의문제는 전류를 사용해야 한다는 것이죠 사실 MOSFET이 등장하며 이 녀석이 전압으로 제어하는 소자라게이트에 전류를 사용하지 않는다는 차이가 나면서 사실상 사장된 녀석입니다.

이유는 전류제어는 전압제어보다 한 단계 더 거쳐야 하니까 반응성이 느리고 손실이 큰 녀석이죠,물론 가끔 아날로그회로에서 사용되는 경우도 있지만 거의 없고 원리를 지금 다루기보다는 주로 사용되는 파트를 이야기해 봅시다.

2.2 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)

자이게 자주 다루는 카지노 게임 추천로 가봅시다. MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)은 전압 제어형 반도체 카지노 게임 추천로, 게이트에 인가된 전압을 통해 소스(Source)와 드레인(Drain) 간 전류의 흐름을 제어합니다.

이 녀석은 MOS 구조로 Metal – Oxide – Semiconductor로 금속 – 산화막 – 카지노 게임 추천 구조로 이루어져 있죠

좀 더 세부적인 구성요소를 보시면 아래와 같습니다.

소스(Source): 전류가 시작되는 단자

드레인(Drain): 전류가 종료되는 단자

게이트(Gate): 소스와 드레인 간 전류를 제어카지노 게임 추천 단자

산화막(Oxide Layer): 게이트와 채널(Channel)을 절연, 일반적으로 실리콘 산화물(SiO2 SiO_2 SiO2)

채널(Channel): 게이트 전압에 의해 형성되며, 소스와 드레인 간 전류의 흐름을 결정

이런 식으로 구성되어 있죠 사실상 적층구조가 핵심입니다.

MOSFET는 고속 스위칭, 전력 변환, 증폭 및 디지털 회로 설계에서 가장 널리 사용되는 트랜지스터로, CMOS 기술의 핵심을 이루고 있습니다. MOSFET는 IGBT나 BJT와 달리 전류 제어가 아닌 전압 제어를 기반으로 동작하여 낮은 구동 전력을 필요로 합니다. 그게 가장 큰 장점이죠

그렇다면 뭐가 BJT랑 다른 걸까요?

두 개의 원리가 다른데 BJT는 캐리어 주입(Recombination Injection)을 기반으로 동작하고MOSFET는 전계효과(Field Effect)를 기반으로 동작하기 때문이 빈다.

모스펫은 위 그림처럼 소스와 드레인 사이에 게이트 전압에 의해 생성된 전계가 카지노 게임 추천 내부의 캐리어 농도를 제어하여 채널을 형성하거나 차단이 가능하지만, BJT의 동작은 소수 캐리어(전자/전공)가 베이스를 통해 컬렉터로 이동하는 과정을 기반으로 하는 것이죠이래서 모스펫이 조금 더 고등화된 기기라는 겁니다.

뭐 조금 더 자세하게 갈 순 있지만 일단 이 정도만 알자고요 너무 깊이 있게 들어가면 수학책이 되니까요.

2.3 MOSFET의 동작 원리

MOSFET는 N채널과 P채널로 나뉘며, 동작 모드는 주로 게이트-소스 전압에 따라 결정된다 설명드렸죠? 그렇다면 어떤 방식으로 동작되는 걸까요?

2.3.1N채널 MOSFET

N채널 MOSFET는 소스와 드레인 간 전류가 전자(Electron)에 의해 흐릅니다.게이트에 양의 전압을 인가하면,소스와 드레인 사이에N형 채널이 형성되어 전류가 흐르기 시작카지노 게임 추천 것이죠

2.3.2P채널 MOSFET

P채널 MOSFET는 소스와 드레인 간 전류가 전공(Hole)에 의해 흐릅니다.게이트에 음의 전압을 인가하면, 소스와 드레인 사이에 P형 채널이 형성됩니다.

사실상 이런 형태로 작동된다고 보시면 됩니다. 세부적으로 들어가면 수학적 모델링과 연결파트가 들어가야 하지만 결론적으론 전압을 인가하면 흐르는 전류제어가 가능하다 정도로 설명하고 끝내죠

2.4 MOSFET의 장단점

이제 정리해 볼까요? 모스펫의 가장 큰 장점은 전압 제어 소자라는 점입니다. 게이트에 전류를 거의 소모하지 않으므로 구동 전력이 작다는 거죠, 거기에고속 스위칭이 가능하다는 점도 손꼽힙니다. 캐리어 이동 속도가 빨라 높은 스위칭 주파수에서 동작 가능 합니다.

거기에 열 안정성이 높다는 점인데 온도 상승 시 채널 저항이 증가하여 열 폭주가 줄어드는 특성을 가지고 있습니다. 추가로소형화 및 집적화: MOSFET는 CMOS 기술의 핵심으로, 대규모 집적 회로에 적합하죠 마지막으로낮은 온저항(RDS(on))을 가지고 있는데 전력 손실을 최소화하여 고효율 회로 설계 가능카지노 게임 추천 점 이죠

물론 장점만 있는 소자는 아닙니다 단점은 정전기 민감도(ESD)가 높다는 겁니다. 게이트 산화막이 얇아 정전기에 민감하여 파손될 위험이 있고고전압 동작의 한계가 있습니다. 특정 고전압 응용에서는 IGBT에 비해 효율이 떨어질 수 있고 마지막으로열 관리를 해야 하는 거죠높은 전류를 사용하기에 MOSFET의 온저항으로 인해 발생하는 열 관리가 필요한 겁니다.

2.3 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)

자 드디어 카지노 게임 추천 중 마지막인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)입니다. 이 녀석은 MOSFET와 BJT의 특성을 결합한 하이브리드 반도체 카지노 게임 추천입니다.절연 게이트 바이폴라 트랜지스터라는 이름으로

이런 형상입니다 특징은 전압 제어와 높은 전류 처리 능력을 다 가지고 있는 녀석으로,게이트에 인가된 전압을 통해 컬렉터와 에미터 간의 전류를 제어하며, 주로 고전압·고전류 응용에서 사용카지노 게임 추천 녀석이죠.

원리

IGBT는 내부적으로 MOSFET와 BJT 구조를 결합하여 동작합니다.

위 구조처럼 된 IGBT는 게이트(Gate), 컬렉터(Collector), 에미터(Emitter) 3 단자로 구성된 건 같지만. 게이트는 MOSFET처럼 절연 산화막으로 채널을 제어하며, 컬렉터와 에미터 사이에는 BJT 구조가 존재카지노 게임 추천 거죠 구조적으로, MOSFET는 입력 신호(게이트 전압)를 처리하고, BJT는 고전류를 증폭하여 출력 신호를 전달한다는 겁니다.

장단점

위와 같은 구조 덕분에 가지는 장점은 고전압 및 고전류 처리 능력이 있는BJT의 높은 전류 용량을 갖추고 있어 고전력 응용에서 효율적이죠, 뿐만 아니라전압 제어가 게이트-에미터 간 전압을 이용하여 제어하므로, BJT와 달리 베이스 전류를 공급할 필요가 없습니다.

심지어 MOSFET처럼 높은 입력 임피던스를 가지며, 구동 전력이 적게 소모된다는 게 가장 큰 장점이죠 심지어낮은 스위칭 손실 즉 ON 상태에서의 낮은 포화 전압덕분에 전도 손실이 감소합니다. 스위칭 주파수가 중간 정도(수 kHz ~ 수십 kHz)인 응용에서 적합하다는 것이 가장 큰 장점이죠.

마지막으로 내구성 열 관리와 과전압 보호 측면에서 우수한 특성을 보이며, 산업용 및 재생 가능 에너지 시스템에 신뢰성이 높다는 건 덤이고요

단점

문제는 그만큼 단점도 크리티컬 한데요 비교적 느린 스위칭 속도를 가진 점이 가장 큰 문제입니다.BJT의 소수 캐리어 주입 및 제거 과정에서 발생하는 테일 전류(Tail Current)로 인해 턴오프 시간이 길어진다는 건데.이로 인해 고주파 스위칭 응용에서는 효율이 떨어집니다. 문제는 우리는 극한의 고주파를 써야 하기에 또 어려운 점이 있죠

심지어 스위칭 손실스위칭 속도가 느리기 때문에 고속 스위칭 회로에서는 손실이 증가합니다.특히 턴오프 시 테일 전류가 지속되어 전력 손실로 작용하니 발열도 크겠죠?

심지어 복잡한 구조내부 구조가 MOSFET와 BJT를 결합한 형태라 제조 공정이 복잡하고 비쌉니다.고전압에서 동작카지노 게임 추천 IGBT는 더 두꺼운 웨이퍼가 필요하여 열 관리를 위한 설계까지 요구되니 뭐 가격은 말할 필요도 없고요.

심지어 내부 온도 제한 소자 내부에서 발생하는 전도 손실 및 스위칭 손실로 인해 열이 축적되기 쉽습니다.이를 효과적으로 관리하지 않으면 열 폭주(Thermal Runaway)가 발생할 위험이 있고 이는 곧 자동차의 사고로 이어지죠

하지만 전기차에선 널리 사용되고 있는데요 사실 성능지표 중 중요한 지점이상태전환 속인데,과거에는 마이크로세컨드였지만 지금은 나노까지 왔죠 아직도 모스펫이 빠른 건 사실입니다.

그런데 왜? 고압인버터 분야에선 IGBT를 쓸까요?스위칭 속도가 느린데도요

사실 지금의 응용분에서는 충분한 성능을 가지고 있는데 다가 놀라운 이야기지만 스위칭 속도가너무 빠르면 오히려 기생성분에 의한 문제가 발생해요 자주 바꾸다 보면 주파수가 틀어지는 거죠 결국과전류 강인하고, 충분한 스위칭속도를 가졌으며, 고압 저손실을 가진IGBT 주로 사용한 겁니다 사실 모스펫이 더 비싸고요

문제는 또 sic mosfet이란 놈이 등장하고는 그걸 쓰는 중이죠 미치고 팔짝 뛸 노릇입니다.