106 계장기술

기획특집

IPM(Intelligent Power Module)의

최신 기술동향

진 범 승 과장 / LLS파워세미텍㈜ 연구개발팀

bumseung.jin@lspst.com

1. 서 론

세계적으로환경문제와더불어에너지절약확대에

따라에너지사용량이많은전동기의에너지사용량을

줄이기 위해 인버터의 보급이 확대되고 있으며, 특히

최근정부의자금을지원받아수행하는 ESCO사업이

활성화되고한전의인버터[고]마크제도가시행됨에따

라대표적인에너지절약기기로도입되고있다. 산업용

유도전동기의 속도제어를 위해 사용되고 있는 인버터

는 1950년대 미국 GE에서 사이리스터방식으로처음

개발되어출시되었다. 불과 50년이지난현재다른산

업용제품의발전과는비교할수없을정도로비약적인

발전을 이루었다. 국내 시장의 경우 인버터가 시장에

소개된1980년대초공장자동화분야의생산성및품질

향상을목적으로주로사용되었으나, 최근국내에서도

저탄소, 녹색성장의핵심정책등에힘입어에너지절약

의중요성이대두되면서에너지절약을목적으로도폭

넓게보급되고있는추세이다. 전체전기에너지소비

량의 60% 이상이모터시스템에서의고효율화가효과

적인에너지절감의대책이됨을의미한다. 각국정부

는보다효과적인에너지절감효과를위해인버터적용

을권장·지원하고있으며, 국내의경우도고효율인버

터보급제도를시행하여고효율이인증된인버터설치

시에너지절감효과에따라인버터설치금액을지원하

고있다. 또한가전및산업기기제조업체들은에너지

절약을위해치열히경쟁하고있으며, 전력절감의효

과를 소비자들에게 돌려주고 있다. 이러한 상황은 전

세계적으로일반화되고있으며, 전 세계적으로인버터

채용이증가하고있다. 특히에너지효율을위한가전

기기의주시장인일본에서사용되고있는에어컨의경

우거의 100% 인버터를채택하고있는실정이다. 최근

에는인버터의자체효율은95%를넘어서고있기때문

에인버터자체의에너지절감보다는인버터에서전체

시스템에얼마나효율적으로에너지가절약될수있을

것인가에대해연구가활발히진행되고있다.

본고에서는인버터의안정성및고효율을위한핵심

부품인IPM의기술동향과당사IPM제품을소개하고자

한다.

107

IPM(Intelligent Power Module)의최신기술동향

2012. 7

2. IPM 기술 동향

IPM(Intelligent Power Module)은 IGBT, MOSFET,

FRD 등의전력반도체소자와, 제어회로, 구동회로, 보

호회로, 제어전원을단일패키지내에구성한것으로써

용도및시스템의요구에따라서입출력전압전류, 제

어방식, 형상및크기등이다양하다. 현재전력전자분

야의응용장치인범용인버터, 수지제어(NC) 공작기계,

산업용로봇등은그진보와함께고효율, 소형화등을

요구하고 있다. 장치의 고기능화, 소형화 요구에 대해

서 IGBT는저손실화는물론구동회로및각종보호회

로등의주변회로를모듈패키지내에실장하는인텔리

전트화를통해주변회로및부품의수를줄이고, 시스

템의 설계기간을 단축시키는 장점을 가지고 있다. 또

한, IPM 내부드라이버회로와전력용스위칭소자사

이의와이어링길이가짧고드라이브회로의임피던스

가낮아EMI 특성과기생효과면역성도개선된다.

그림 1. IPM의개발개념

IPM 개발초기에는종래의전력소자모듈에단순히

구동회로나 보호회로를 삽입한 것으로써 주 소자로는

BJT, MOSFET를 이용하고 제어부에는 후박 IC를 사

용해왔다. 최근들어서는IGBT, MOSFET 소자및전

용 IC를내장한것이주류를이끌고있다. 이것은단순

히제어회로등을하나의모듈내에내장하는것이아니

라, 시스템·소자·제어및보호기능을종합적으로고

려한최적설계를요구하고있다. 따라서, 시스템측면

에서필요한저소음(고주파화), 고효율(저손실), 평활도

(Ruggdness), 안정된제어, 소형및경량화, 설계및조

립의용이성등을고려하고, 스위칭소자측면에서는개

별소자로 사용될 때와 구별되는 고속 스위칭, 저손실,

SOA(Safe Opreating Area)에대한최적의Trade-off

설계, 적절한보호대책, 짧은Toff, 높은노이즈안정성,

소형및경량화(높은집적도)를만족하도록설계해야한

다. 또한 전력 소자를 최적상태에서 구동·보호할 수

있는전용IC를채용하고, 최종적으로내잡음, 서지전

압, 방열특성, 크기등을고려한고집적패키지기술이

필요하다. 주요전력반도체제조업체에서진행되고있

는주요 IPM 기술개발분야는시스템의요구에맞는

IGBT 소자의개발, 소자의보호및손실을줄이기위한

FWD(Free Wheeling Diode)의 개발, 제어 및 보호회

로의개발, 특성이우수한패키지개발등이다.

(1) IGBT 소자 개발

전력전자제품의소형화, 고성능화의요구에의해전

력반도체소자는 MOS 게이트화가진전되었으며, 특

히IGBT는LSI의미세가공기술이나전력소자본래의

라이프타임제어기술을구사하여세대교체를거듭하

면서성능개선이이루어졌다.

현재 전력용 스위칭 소자는 IGBT가 일부 대용량을

제외하면거의대부분의인버터에서사용되고있다. 그

림 2는 Infineon사의 IGBT 소자 개발 동향을 나타낸

것이다. 현재시판되고있는IGBT는제4세대의트랜치

(Trench) 구조의게이트단과필드스탑(Filed-Stop) 기

술의 구조로서, 초기의 제 1세대와 비교하면, 턴 오프

New power chiptechnology

Optimizedcontrol device

New packagetechnology

108 계장기술

인버터기술동향과효율성향상

하강시간, 포화전압, 손실면에서모두현격한진보를

이루었다. 그림3은2세대NPT(Non Punch Through)

IGBT와 3세대의트랜치필드스탑 IGBT의턴오프비

교파형이다. 트랜치+필드스탑IGBT는턴오프시전류

테일이거의없는것을볼수있다.

(2) 모듈 패키지 개발

전력용모듈패키지는단순히전력소자를물리적으

로보호한다는역할만이아니고적극적으로패키지구

조가가지는특징을활용하여칩의성능향상에이용하

그림 2. IGBT 소자의개발동향

Current tail

No Current tail

0 0.1 0.2 0.3 μs 0.5

500

V

300

200

100

0

-100

Vce-IKx

Vce SKx

Ic-IKx

Ic-SKx

12

10

8

6

4

2

0

-2

*출처 : Infineon TrenchStop IGBT Application note, 2004

Advantage•Optimized RModulation•Adjusted BacksidePerformance•Lower switching losses•Incresed softness•Robustness like IGBT3

*출처 : Infineon IGBT chip technology, 2010

그림 3. IGBT 기술에따른턴오프파형

VCE

t

Punch Through IGBT1/2 Non Punch Through

IGBT3Trench + Field-Stop

IGBT4Trench + Field-Stop

Gate Gate Gate GateEmitter Emitter Emitter Emitter

Collector

Collector

Collector Collector

-E -E -E -E

n-basis (e pi)

n+buffer (e pi)

p+emitter (substrate)n-basis (substrate)

n-basis (substrate)n field-stop

n-basis (substrate)n field-stop

Advantage•Implanted back-emitter better adjustablePerformance•Lower switching losses•Higher switching robustness

Advantage•Implanted back-emitter•Implanted field-stopenables thinner base regionPerformance•Lower VCEsat•Lower switching losses•Robustness like IGBT2

109

IPM(Intelligent Power Module)의최신기술동향

2012. 7

려는추세이다. IPM의패키지및내부단자구조는용

도및제조회사에따라다르므로각각의특성에적합하

고, 방열특성이우수하며, 노이즈및서지(Surge)를최

소로하도록설계해야한다. IPM에서요구되는패키지

는다음과같은특성을만족하도록개발하고있다.

1. 전력소자에서발생되는열을효과적으로방출

2. 제어및보호회로에대한노이즈안정성

3. 모듈패키지의인덕턴스성분최소화

4. 시스템의소형, 경량화를위해서패키지의크기

최소화

또한전철, 전기자동차및엘리베이터등의고신뢰도

가요구되는용도에고전력용모듈이채용되면서, 파워

사이클이나히트사이클수명에대한납땜접착기술, 와

이어본드기술, 절연재료, 기판재료등에서개발및진

보를이루고있다.

(3) 제어 IC 개발

IPM은인텔리전트화된전력소자의대표예로서, 인

텔리전트화에있어서제어 IC의기술은대단히중요하

다. 현재시판되고있는IPM은LVIC(저압IC) 기술로구

동회로나보호회로가구동되고, 또한주변회로를끌어들

이는형태의집적화가진행되고있다. 그러나고전위측

에는포토커플러(Photo-coupler) 등의절연이필요하기

때문에실리콘칩상에서회로절연이가능한HVIC기

술을점점사용하고있는추세이다.

(4) 시장 전망

2005년도부터연평균성장세를지속하던전력반도

체모듈시장은세계적인경기후퇴의영향을받아2008

년도하반기부터모든분야에서수주가침체되었다. 그

러나2009년하반기에서부터다시산업기기와자동자용

전력반도체모듈의수주가회복되기시작하였고, 환경

규제및에너지절감정책등의영향으로청정에너지분

야에대한투자가활발해지며, Automotive, Industrial

instruments, Renewable energy분야에 대한수요가

급증할것으로기대된다. 따라서전력반도체모듈시장

은향후계속적인성장세를지속할것으로예상된다.

3. LS파워세미텍 IPM 소개

LS파워세미텍은LS산전과전력용반도체최대기업

인독일Infineon의합작회사로서, 2009년도에설립되

었다. Infineon과전력용반도체및드라이브 IC, 그리

고전반적인패키징기술의개발및공유를통해다양한

인버터시스템에적합한최적의IPM을개발하고있다.

(1) CIPOS IPM

CIPOS는 Control Integrated Power System의약

자로서, LS파워세미텍의IPM 브랜드로고이다. 최근의

기술방향은앞에서설명하였듯이에너지절약과높은

성능에대한요구가크게증가하고있는시대이다. 이러

한 요구에부응하기위해고효율, 소형화 및 신뢰성을

동반하며구현하는것이경쟁력이되고있다. 이러한흐

름에 발맞추어 개발된 CIPOS는 하기 그림 4와 같이

표 1. 각 드라이버방식의장단점

드라이버 방식 장 점 단 점

포토커플러 절연가능경년변화에 따른 CTR감소

전달 속도 느림

트랜스포머 전달 속도 빠름부피가 크고 가격 비쌈 AC

신호만 전달 가능

HVIC(High Voltage IC)

기타 회로/기능 직접화 가능

비절연 및 내부 래치 구조노이즈 민감성 및 스위칭

dv/dt의 한계

110 계장기술

인버터기술동향과효율성향상

MINI인Dual-In-Line 패키지타입제품과SIL(Singel-

In-Line) 패키지제품으로구성되어있다.

두제품모두3상인버터시스템을위한600V급IPM

제품으로서본고에서는CIPOS MINI 위주로전반적인

특성에대해소개를하겠다.

(2) 전력용 스위칭 소자와 구동 Drive IC

CIPOS MINI는 그림 5와 같이 동급의 IPM중 가장

작은사이즈를자랑한다. 그림 6은 CIPOS MINI의 내

부블록다이어그램이다. 3상 인버터시스템을위해 6

개의 IGBT와 6개의빠른역회복특성을가지는 FWD

(Free whelling diode), 그리고 HVIC와 LVIC가 통합

된한개의구동드라이브 IC로구성되어있다. 그리고

Shunt 저항을이용한연속적인인버터상전류검출을

가능하게하기위한분리된세개의Negative DC단자를

가지고있어센서리스제어에효과적으로사용할수있다.

인버터시스템의고효율을위하여전력용소자로는인피

니언의 최신 테크놀로지인 RC(Reverse Conductiing)

IGBT 또는트랜치필드스톱(Trench Filed-Stop) 테크

노롤지 IGBT를탑재하였다. RC IGBT는 IGBT와병렬

로사용되는FWD를한칩에구현을함으로써보다패

키지의소형화를이룰수있다.

그리고트랜치필드스톱(Trench Filed Stop) 테크노

그림 4. LS Power Semitech CIPOS 시리즈 그림 5. CIPOS MINI 외관도

21mm 36mm

HO1

VS1

HO2

VS2

HO3

VS3

LO1

LO2

LO3

(1) VS(U)(2) VB(U)

(3) VS(V)(4) VB(V)

(5) VS(W)(6) VB(W)

(7) HIN(U)(8) HIN(V)(9) HIN(W)(10) LIN(U)(11) LIN(V)(12) LIN(W)(13) VDD(14) VFO(15) ITRIP(16) VSS

(1) VS(U)(2) VB(U)

(3) VS(V)(4) VB(V)

(5) VS(W)(6) VB(W)

(7) HIN(U)(8) HIN(V)(9) HIN(W)(10) LIN(U)(11) LIN(V)(12) LIN(W)(13) VDD(14) VFO(15) ITRIP(16) VSS

HO1

VS1

HO2

VS2

HO3

VS3

LO1

LO2

LO3

NC (24)

P (23)

U (22)

V (21)

W (20)

NU (19)

NV (18)

NW (17)

NR (24)

R (23)

S (22)

P (21)

U (20)

V (19)

W (18)

N (17)

HIN1 HIN2 HIN3 LIN1 LIN2 LIN3 VDDVFOITRIP VSS

VB1

VB2

VB3

RBS1

RBS2

RBS3

Thermistor

그림 6. CIPOS MINI 내부블록도

(a) 3상 인버터용

(b) 3상 인버터+정류단

VB1

VB3

VB2

RBS1

RBS2

RBS3

Thermistor

HIN1 HIN2 HIN3 LIN1 LIN2 LIN3 VDDVFO ITRIP VSS

111

IPM(Intelligent Power Module)의최신기술동향

2012. 7

롤지IGBT는보다낮은도통손실과턴오프시작은전

류 tail을제공한다. 그림 7은CIPOS MINI 600V 30A

제품의 IGBT 도통전압과턴오프시의파형이다. 낮은

도통전압과턴오프시의작은손실로인하여전체적인

인버터시스템의효율이개선된다.

게이트구동드라이브 IC는 인피니언의 SOI(Silicon

On Insulator) 테크놀로지를사용하여기존의P-N 접

합기술을사용하는HVIC와는다르게빠른dv/dt에의

한 Latch-up 문제가없기때문에보다높은안정성을

제공한다. 또한 게이트구동 IC 내에 부트스트랩충전

방식을위한다이오드를내장하여외부에따로구성할

필요가없는장점을가지며, 보호기능으로는과전류, 단

락전류, 제어전원전압저하및암쇼트방지기능등을

가지고있다. 하기그림8은CIPOS MINI에내장된과

전류및단락전류보호기능에대한타이밍차트이다.

각인버터레그의하단 IGBT의에미터에직렬로연결

된 션트저항으로 흐르는 상전류를 전압으로 검출하여

각상에서발생하는과전류와단락전류의검출및보호

가가능하도록설계되었다.

(3) 패키지 기술

패키지의디자인시주안점은높은신뢰성확보와효

율을극대화시키는것이다. CIPOS MINI는저비용으로

패키지를구성할수있는트랜스퍼몰딩패키지기술을

사용하고있다. 본기술은최근 IPM의추세이며, 패키

지외관을트랜스퍼몰딩으로구성하는것으로보통에

폭시몰딩컴파운드(Epoxy Molding Compound) 재질

을사용하고있다. 이경우제조공정이단순하고제조

시간이짧으며, 패키지의가격경쟁력이우수하다. 특히그림 8. CIPOS MINI의 과전류및단락전류타이밍차트

그림 7. CIPOS MINI 600V 30A 제품의도통전압과 IGBT 턴오프파형

30

25

20

15

10

5

0

TJ=25℃

TJ=150℃

VDD=15V

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0Collector+Emitter Voltage, Vce(sat) [V]

Collector Current, Ic [A]

Low Side IGBTCollector Current

Should set tobe within 5μs

RC circult timeconstant delay

All IGBTsdon't operate

All IGBTsdon't operate

All IGBTsoperate normally

Typ. 65μsTyp. 65μs

SC

OC

Sensing Voltageof the shunt resistor

SC Reference Voltage

CIPOSTM

CIPOSFault Output Signal

112 계장기술

인버터기술동향과효율성향상

Power pin

RC-IGBT

EMC

Wire Wire WireIC

PCB

Single pin

그림 9. CIPOS MINI 단면도

표 2. CIPOS MINI 600V급 IPM 라인-업

Voltage[V]Nom.

Current@25℃[A]

Pmct up to[kW]

TJmax[℃]Built inRectifierDiode

Built inThermistor

OvercurrentProtectionprep.

FaultDetectionPin

RoHSCompliant

Open Emitter, Targeting for air conditioner and general application

IGCM04F60GA 600 4 0.5 150 -

IGCM04F60HA 600 4 0.5 150 - -

IGCM06F60GA 600 6 0.8 150 -

IGCM06F60HA 600 6 0.8 150 - -

IGCM010F60GA 600 10 1.2 150 -

IGCM010F60HA 600 10 1.2 150 - -

IGCM015F60GA 600 15 2.0 150 -

IGCM015F60HA 600 15 2.0 150 - -

IGCM020F60GA 600 20 2.5 150 -

IGCM020F60HA 600 20 2.5 150 - -

IKCM030F60GA 600 30 3.0 150 -

IKCM030F60HA 600 30 3.0 150 - -

Open Emitter, Targeting for washing machine application and industrial drives

IKCM10H60GA 600 10 1.2 150 -

IKCM10H60HA 600 10 1.2 150 - -

IKCM15H60GA 600 15 2.0 150 -

IKCM15H60HA 600 15 2.0 150 - -

IKCM20H60GA 600 20 2.5 150 -

IKCM20H60HA 600 20 2.5 150 - -Closed Emitter, Built in rectifier bridge

IGCM06B60GA 600 6 0.8 150

IGCM06B60HA 600 6 0.8 150 -

Open Emitter, Targeting for refrigerator application with MOSFET

*IMCM10F50GA 500 10 1.2 150 -

*IMCM10F50HA 500 10 1.2 150 - -

113

IPM(Intelligent Power Module)의최신기술동향

2012. 7

이패키지기술은가전기기및산업용분야에서저가격,

고집적, 고효율이대두되고있는현재트렌드를반영할

수있다.

표2는CIPOS MINI의600V 라인업으로서전류4A

부터30A까지의제품이개발완료되어판매되고있다.

IPM에서중요한특징중하나는스위칭소자인IGBT에

서 턴 오프 로스와 도통전압 간에는 트레이드 오프

(Trade off)가 존재하는데, 각 어플리케이션에서의 필

요동작특성에따라가장좋은효율을낼수있는IGBT

를선정해야한다. 예를들어고속스위칭을하는시스

템에서는턴오프손실(Eoff)이 작은 IGBT를, 저속스

위칭을 하는 시스템에서는 낮은 도통전압을 가지는

IGBT를선택하여높은효율을구현해야한다. CIPOS

MINI는이러한특성들을반영하여에어컨, 세탁기, 냉

장고 등 각각의 어플리케이션에 최적화된 제품군들로

개발되어있기때문에고객의입장에서보다빠르게시

스템에적용하여최적화된특성을꾀할수있으며, LS

파워세미텍 홈페이지(www.lspst.com)에서 제공되는

CIPOSIM이라는시뮬레이션툴을통하여 DC 링크전

압, PWM 방법, 스위칭주파수등여러인버터시스템

의조건에따라 CIPOS 제품의 IGBT 정션 온도, 최대

허용전류, 효율등을쉽게알수있기때문에더욱쉽게

시스템을설계할수있다. 이러한장점들은빠르게변화

하는시장의트렌드를보다쉽게따라갈수있을것으로

예상된다.

4. 결 론

본고에서는인버터의안정성및고효율을위한핵심

부품인IPM의최신기술동향과함께당사제품을중심

으로소개하였다. 또한국내기업에서아직까지개발이

미비한IPM의중요요구특성을소개하고, 독자의이해

를돕기위해당사 IPM인 CIPOS의주요특징에대해

기술하였다. 본론에서기술한것과같이인버터의보급

확대및전력용반도체소자의지속적인발전, 그리고

인버터제어및새로운알고리즘개발의발전과더불어

IPM의사용도점차확대될것으로예상된다. 보다고효

율을 요구하는 태양광 인버터와 같은 시스템에서도

IPM의사용은효율의증대뿐만아니라설계를단순화,

가속화시키고, 부품수를대폭줄일수있는장점을바

탕으로지속적으로사용이증대될것이다.

그림 10. CIPOSIM 시뮬레이션툴초기화면및 CIPOS MINI 20A 제품의인버터손실그래프