IGBT 기호 읽는 법: 단자, 다이오드와 MOSFET 기호 비교

IGBT 기호는 전력용 MOSFET 기호와 비슷해 처음 보면 혼동하기 쉽습니다.

모터용 전력 변환 회로에서 IGBT를 MOSFET으로 잘못 식별하면 게이트 구동 회로나 소자의 단자를 잘못 연결할 수 있습니다.

IEC 및 ANSI 계열의 표기 관행, 데이터시트, EDA 라이브러리마다 기호의 모양이 조금씩 다르다는 점도 식별을 어렵게 만듭니다.

이 글에서는 다음 내용을 살펴봅니다.

• N채널과 P채널 IGBT 기호 비교
• 게이트, 컬렉터, 이미터를 구별하는 방법
• 이미터 화살표와 MOSFET의 바디 화살표 방향이 다른 이유
• 역병렬 프리휠링 다이오드의 표시 방법
• IEC 및 ANSI 계열 도면에서 볼 수 있는 IGBT 표기 방식

IGBT 기호 한눈에 보기

다음 여섯 가지는 회로도에서 자주 접할 수 있는 IGBT 기호 형태입니다.

그림: 대표적인 IGBT 기호 표기 방식

이미터 화살표는 IGBT의 종류를, 역병렬 다이오드는 역방향 전류 경로의 유무를 파악하는 데 도움이 됩니다. 전자 회로의 다른 기호는 전자 회로 기호 가이드에서 확인할 수 있습니다.

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IGBT 기호는 무엇을 의미하나요?

IGBT 기호는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 게이트, 컬렉터, 이미터를 나타내는 3단자 회로 기호입니다.

MOSFET과 비슷하지만 출력 단자를 컬렉터와 이미터로 표시하며 이미터 쪽에 화살표가 있습니다.

• 게이트(G)는 제어 단자입니다. 본체와 떨어진 수직선으로 표시하며 MOSFET의 게이트와 비슷한 위치에 있습니다. 정상 상태의 게이트 전류는 매우 작지만, 스위칭할 때는 게이트 정전용량을 충전하고 방전해야 하므로 구동 전력이 필요합니다.
• 컬렉터(C)는 주 전류가 들어오는 쪽의 단자입니다. 일반적인 N채널 기호에서는 위쪽에 있으며 기능상 MOSFET의 드레인에 대응합니다. TO-247이나 TO-220의 금속 탭이 컬렉터에 연결된 제품은 탭에도 컬렉터 전위가 걸립니다. 탭의 연결과 절연 여부는 해당 패키지의 데이터시트로 확인해야 합니다.
• 이미터(E)는 주 전류가 나가는 쪽의 단자이자 게이트 구동 전압의 기준입니다. 일반적으로 아래쪽에 있으며 화살표가 표시됩니다. 게이트 구동 전압은 게이트와 이미터 사이의 VGE로 정의되므로 이미터 전위가 바뀌면 게이트 구동 기준도 함께 바뀌어야 합니다.

다른 3단자 트랜지스터와 비교하려면 트랜지스터 기호 가이드를 참고하세요.

그림: G, C, E 단자가 표시된 N채널 IGBT 기호

그림: N채널 IGBT 기호

IGBT 기호의 구성 요소

게이트의 간격, 소자 본체, 이미터 화살표, 컬렉터 선은 소자의 종류와 단자를 구별하는 단서입니다. 이 요소들을 함께 보면 비슷한 트랜지스터 기호와 구분하기 쉽습니다.

• 게이트 옆의 간격: 게이트 선은 소자 본체와 직접 연결되지 않습니다. 이 간격은 게이트와 주 전도 경로 사이의 전기적 절연을 나타냅니다.
• 수직 전도 경로: 하나의 실선 또는 증가형 MOSFET 기호에서 가져온 세 구간의 짧은 선으로 그립니다. 두 형태 모두 같은 소자를 나타내며 정격 전류를 표시하지는 않습니다.
• 이미터 선의 화살표: 이미터에서 관습적 전류 방향을 나타내는 채워진 화살표입니다. N채널에서는 본체 바깥쪽을 향합니다.
• 화살표가 없는 컬렉터 선: 두 출력 단자에 모두 화살표가 있다면 일반적인 IGBT 기호와 다른 표기인지 확인해야 합니다.
• 게이트 선의 위치: 대부분 왼쪽에서 수평으로 연결됩니다. 기호를 회전해 아래쪽에 게이트를 배치하기도 하므로 위치보다 간격, 화살표, 단자 문자를 확인합니다.

N채널과 P채널 IGBT 기호 비교

두 기호의 핵심 차이는 이미터 화살표입니다. N채널은 본체 바깥쪽, P채널은 안쪽을 향합니다. 단자 명칭을 포함한 나머지 기본 구성은 같습니다.

그림: N채널 및 P채널 IGBT 기호

• N채널, 바깥쪽 화살표: 게이트가 이미터보다 양의 전위일 때 켜집니다. 대표적인 구동 전압은 약 +15 V이며 실제 값은 데이터시트에 따릅니다. 전류는 컬렉터로 들어와 이미터로 나갑니다. 모터 드라이브, 인버터, 인덕션 가열 기기에 널리 사용됩니다.
• P채널, 안쪽 화살표: 게이트가 이미터보다 음의 전위일 때 켜지며 전류는 이미터에서 컬렉터로 흐릅니다.
• 공통 요소: G, C, E 문자, 게이트 간격, 전도 경로, 화살표 없는 컬렉터 선은 두 극성에서 동일하게 표시합니다.

프리휠링 다이오드가 있는 IGBT 기호

프리휠링 다이오드(환류 다이오드)는 IGBT에 역병렬로 연결하며 캐소드는 컬렉터, 애노드는 이미터에 연결합니다. 일반적인 IGBT 구조에 고유하게 포함된 다이오드는 아닙니다. 외부에 추가하거나 IGBT와 같은 패키지에 넣을 수 있으며, 역도통 IGBT(RC-IGBT)에서는 같은 반도체 다이에 집적합니다.

그림: 일반 IGBT, 역병렬 다이오드 동봉형 IGBT, 다이오드가 집적된 RC-IGBT

• 다이오드가 없는 IGBT: 자체적인 역방향 환류 경로가 없습니다. 예를 들어 TO-247AC 패키지의 900 V, 51 A 소자인 IRG4PF50W가 이에 해당합니다. 유도성 부하를 스위칭할 때는 회로에 적합한 외부 다이오드 등의 환류 경로가 필요합니다.
• 다이오드 동봉형 IGBT: 별도의 다이오드 다이를 같은 패키지에 넣습니다. STMicroelectronics의 STGP7NC60HD(600 V, TO-220)와 onsemi의 FGH75T65SQD(650 V, 75 A, TO-247-3)가 예입니다. 데이터시트에는 다이오드의 접합부-케이스 열저항이 별도로 제시됩니다.
• 역도통 IGBT(RC-IGBT): 다이오드를 IGBT와 같은 다이에 집적합니다.

적절한 환류 경로 없이 유도성 부하를 차단하면 과도한 전압 오버슈트가 발생해 IGBT가 손상될 수 있습니다.

자기장에 저장된 에너지가 방출되면서 컬렉터 전압이 정격 VCES를 넘을 수 있습니다. 600 V급 소자도 조건에 따라 마이크로초 단위의 짧은 과도 현상으로 손상될 수 있으므로 정격만으로 보호를 보장할 수 없습니다. 다이오드의 캐소드 막대는 컬렉터 쪽에 놓습니다. 그러면 IGBT가 정상적으로 도통할 때는 다이오드가 차단되고 부하가 역방향 전류를 만들 때 환류 경로를 제공합니다.

다이오드 극성은 다이오드 기호 가이드에서 자세히 설명합니다.

IGBT, MOSFET, BJT 기호의 차이

제어 단자와 화살표의 위치를 함께 보면 세 소자를 구별하기 쉽습니다.

제어 단자는 구동 방식의 차이를, 화살표의 위치는 소자 구조의 차이를 파악하는 데 도움이 됩니다. 아래 표의 MOSFET 비교는 바디 단자에 화살표를 표시한 기호를 기준으로 합니다.

그림: IGBT, MOSFET, BJT 기호

그림: N채널 MOSFET이 PNP 트랜지스터를 구동하는 IGBT 등가 회로

이 등가 회로는 IGBT 기호에 두 구조의 특징이 함께 나타나는 이유를 보여 줍니다.

ROHM의 구조 설명에서는 N채널 MOSFET의 드레인과 PNP 트랜지스터의 베이스가 N- 드리프트 영역을 공유하며, PNP의 이미터가 IGBT의 컬렉터에 해당합니다. 입력은 MOS 게이트, 출력은 바이폴라 구조이므로 기호에도 두 특징이 반영됩니다.

IEC 및 ANSI 계열의 IGBT 표기 관행

IEC 60617과 ANSI/IEEE 315는 회로도 기호를 이해할 때 참고하는 규격입니다. 다만 IGBT의 구체적인 도형은 데이터시트와 라이브러리에서 다르게 나타날 수 있습니다. 아래 내용은 도면에서 볼 수 있는 표기 관행을 비교한 것으로, 모든 형태를 각 규격의 고정된 IGBT 도형으로 단정해서는 안 됩니다.

ANSI/IEEE Std 315-1975는 1993년에 재확인된 규격으로, 상용 IGBT가 보급되기 전에 만들어졌습니다. 전용 IGBT 항목이 없는 기존 트랜지스터 표기를 바탕으로 제조사와 라이브러리가 도형을 확장해 사용해 왔습니다. 따라서 데이터시트, 교재, EDA 라이브러리의 모양이 다르더라도 단자와 극성, 연결 정의를 중심으로 확인해야 합니다.

회로도에서 IGBT 기호를 읽는 순서

같은 순서로 확인하는 습관을 들이면 IGBT를 빠르게 식별할 수 있습니다.

아래 그림은 DC+와 DC− 사이에 IGBT 두 개를 배치하고 각각 게이트 드라이버를 연결한 하프 브리지입니다.

그림: 두 IGBT와 게이트 구동 회로로 구성한 하프 브리지

1. 게이트 간격을 찾습니다. 게이트 선이 전도 경로에 직접 닿지 않는지 확인합니다. 절연 게이트 소자는 베이스 전류 대신 게이트 전압을 기준으로 구동합니다.
2. 화살표 방향을 확인합니다. 본체 바깥쪽이면 N채널입니다. 예시의 상측과 하측 소자는 모두 N채널이며 일반적인 하프 브리지 구성입니다.
3. 전원 레일을 확인합니다. 상측 컬렉터는 양의 전원 레일에 연결됩니다. 상측 이미터와 하측 컬렉터의 접점이 스위칭 노드입니다.
4. C와 E 사이의 다이오드를 확인합니다. 예시에서는 각 다이오드의 캐소드가 컬렉터에 연결되어 부하 전류가 환류할 수 있는 경로를 제공합니다.
5. 게이트 구동 기준을 찾습니다. 하측 이미터는 접지에 연결되지만 상측 이미터는 스위칭 노드와 함께 움직입니다. 상측 드라이버에는 부트스트랩 또는 절연 전원과 같은 구동 방식이 필요합니다.
6. 데이터시트와 핀 번호를 대조합니다. 기호의 배치만으로 실제 패키지의 핀 순서를 판단할 수 없습니다.

이미터가 0 V와 전원 레일 사이에서 움직이면 접지만을 기준으로 한 구동 전압으로는 상측 소자의 VGE를 유지할 수 없습니다.

IGBT 기호를 읽을 때 흔한 실수

• 이미터 화살표를 반대로 그리는 경우: 다른 극성의 소자로 읽힐 수 있으며 설계 규칙 검사만으로 오류를 잡지 못할 수 있습니다.

수정 방법: N채널 소자는 이미터 화살표가 본체 바깥쪽을 향하도록 표시합니다.

• 게이트 간격을 없애는 경우: 바이폴라 트랜지스터의 베이스처럼 보이면 게이트 드라이버가 필요한 소자를 잘못 해석할 수 있습니다.

수정 방법: 게이트 선과 전도 경로 사이의 간격을 유지합니다.

• 바디 다이오드가 있다고 가정하는 경우: 전력 MOSFET과 달리 일반 IGBT에는 고유의 바디 다이오드가 없어 유도성 부하의 환류 경로가 빠질 수 있습니다.

수정 방법: 데이터시트에서 다이오드 동봉형 또는 RC-IGBT임을 확인하지 못했다면 회로에 적합한 외부 환류 경로를 마련합니다.

• 단자를 드레인과 소스로 부르는 경우: 부품 검색과 구동 조건 검토에서 MOSFET과 혼동할 수 있습니다.

수정 방법: IGBT의 출력 단자는 컬렉터와 이미터로 표기합니다.

• 기호의 위치를 핀 순서로 믿는 경우: EDA 라이브러리에는 핀 배열이 다른 IGBT 기호가 있으므로 외형이 비슷하다고 같은 핀 배열은 아닙니다.

수정 방법: 레이아웃 전에 패키지 도면의 핀 1, 2, 3과 기호의 연결을 대조합니다.

마무리

모든 IGBT 기호를 외우기보다 게이트 간격, 화살표, 다이오드, 핀 배열의 순서로 확인하세요. 이 네 가지를 확인하면 N채널과 P채널, 다이오드 동봉형과 일반형을 구별하고 게이트 핀의 오접속도 예방할 수 있습니다.

IGBT 기호 관련 자주 묻는 질문