인덕션이 안 데워지고 차단기가 내려가면? IGBT 단락 멀티미터 점검법

인덕션이 전원은 들어오는데 가열이 안 된다, 인버터 장비를 켜자마자 차단기가 떨어진다, 메인 퓨즈를 갈았더니 다시 끊어진다. 이런 증상이 있는 전력 보드에서 먼저 확인할 부품 중 하나가 IGBT입니다. IGBT는 큰 전류를 빠르게 켜고 끄는 전력 스위치라서, 고장 나면 단락으로 퓨즈를 끊거나 아예 동작하지 않게 됩니다. 이 글에서는 IGBT의 단자와 내부 구조를 간단히 짚고, 멀티미터만으로 게이트 손상, 내장 다이오드 불량, 컬렉터-이미터 단락을 구분하는 측정 순서와 판정 기준을 정리합니다.

이 글에는 직접 만든 그래프 두 개를 함께 넣었습니다. 하나는 인덕션용 IGBT의 데이터시트 값으로 멀티미터 게이트 충전 확인에서 게이트 전압이 얼마나 오르고 얼마나 오래 남는지를 직접 계산한 것이고, 다른 하나는 인덕션의 공진 커패시터 용량이 줄었을 때 IGBT 컬렉터에 걸리는 전압이 어떻게 달라지는지를 ngspice로 시뮬레이션한 결과입니다. 가정한 조건은 각 그래프 설명에 모두 적었습니다.

IGBT 구조와 단자: 게이트·컬렉터·이미터

IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor, 절연 게이트 양극성 트랜지스터)는 게이트(G), 컬렉터(C), 이미터(E) 세 단자를 가진 소자입니다. 입력 쪽은 MOSFET처럼 MOS 게이트 구조로 제어하고, 출력 쪽은 PNP 바이폴라 트랜지스터가 전류를 흘리는 구조입니다. 그래서 게이트는 절연되어 있고 전압으로 켜지며, 큰 전류와 높은 전압을 다룰 수 있습니다.

쓰이는 곳은 가변 주파수 모터 드라이브, 냉장·공조 장비, 아크 용접기, 태양광 인버터, UPS, 인덕션 쿡탑 등입니다. 가전 수리에서 자주 만나는 곳은 인덕션과 인버터 방식 제품의 전력 보드입니다. 단품 패키지부터 사진처럼 나사로 체결하는 대형 모듈까지 형태가 다양하지만 측정 원리는 같습니다.

측정에서 꼭 알아야 할 점이 하나 있습니다. IGBT는 역방향 전류를 흘리지 못하기 때문에, 브리지 회로에서는 IGBT와 역병렬로 다이오드(프리휠링 다이오드)를 붙입니다. 많은 제품은 이 다이오드를 패키지 안에 함께 넣어 둡니다. 멀티미터로 C-E 사이를 재면 결국 이 다이오드와 IGBT 본체를 함께 보게 되므로, 다이오드 내장 여부를 데이터시트에서 먼저 확인해야 판정이 정확해집니다.

측정 전 안전 수칙: 방전과 정전기 대책

IGBT가 쓰이는 보드는 교류 전원을 정류한 DC 버스 커패시터를 가지고 있어 전원을 뽑은 뒤에도 위험한 전압이 남아 있을 수 있습니다. 측정 전에 다음을 지킵니다.

• 전원 플러그를 뽑고, 장비라면 전원 차단과 잠금(LOTO) 절차를 지킵니다.
• DC 버스 커패시터를 정격이 맞는 저항으로 방전하고, 멀티미터로 버스 양단 전압이 0V인지 직접 확인합니다. 방전 저항 값에 따라 전압이 빠지는 데 걸리는 시간은 브리지 정류기와 평활 커패시터 글에서 직접 계산해 두었습니다.
• IGBT, 특히 게이트는 정전기에 약합니다. 접지된 정전기 방지 손목띠를 착용합니다.
• 측정은 배터리로 동작하는 멀티미터로 하고, 테스트 전압이 높은 장비를 게이트에 대지 않습니다. 게이트-이미터 사이에 걸 수 있는 전압에도 한계가 있어, 예를 들어 FGA25N120ANTD 데이터시트의 절대 최대 정격(VGES)은 ±20V입니다. 이를 넘는 전압이 걸리면 게이트가 손상될 수 있습니다.

보드에 붙은 채로 재면 주변 부품이 병렬로 걸려 값이 틀어질 수 있습니다. 의심이 가면 IGBT를 떼어 단품으로 다시 측정해야 판정이 분명해집니다. 떼어낸 뒤에는 단자 다리에 남은 납과 플럭스를 정리하고, 리드가 단자에 제대로 닿는지 확인한 다음 측정해야 접촉 불량으로 인한 오판을 줄일 수 있습니다.

멀티미터 측정 순서

1단계 – 게이트 절연 확인. 멀티미터를 저항 모드로 두고 게이트와 이미터 사이를 잽니다. 게이트는 얇은 산화막으로 이미터와 절연되어 있으므로 G-E 사이는 개방(OL)이 정상입니다. 저항값이 읽히면 게이트 절연이 손상된 것으로 봅니다. 저항 모드의 측정 전압이 게이트를 충전할 수 있으므로, 이 측정 뒤에는 2단계처럼 G-E를 단락해 둡니다.

2단계 – G-E 단락. 다이오드 모드로 바꾸기 전에 게이트와 이미터를 집게 선 등으로 서로 연결해 둡니다. 게이트에 남은 전하나 측정 전류 때문에 IGBT가 의도치 않게 켜져 있는 상태를 막고, 소자를 꺼진 상태로 고정해 재기 위해서입니다.

3단계 – 내장 다이오드 측정. 다이오드 모드에서 빨간 리드(+)를 이미터(E), 검은 리드(−)를 컬렉터(C)에 댑니다. 역병렬 다이오드가 순방향이 되므로 다이오드 순방향 전압이 표시됩니다. 다이오드 모드는 작은 전류로 재므로 일반 실리콘 다이오드를 잴 때처럼 대략 0.3~0.8V 범위의 값이 나오면 정상으로 봅니다(위 흐름도와 아래 표의 범위도 이 대략적인 기준입니다). 데이터시트의 다이오드 순방향 전압은 큰 전류에서 정한 값이라 기준으로 쓰면 안 됩니다. 예를 들어 FGA25N120ANTD는 25A에서 대표 2.0V로 적혀 있습니다. 다이오드 모드 표시값이 측정 전류에 따라 달라지는 이유는 다이오드 모드 시뮬레이션 글에서 다뤘습니다. 개방이나 단락이 나오면 다이오드가 손상된 것입니다.

4단계 – IGBT 본체 측정. 리드를 바꿔 빨간 리드(+)를 컬렉터, 검은 리드(−)를 이미터에 댑니다. G-E가 단락되어 IGBT가 꺼져 있으므로 개방(OL)이 정상입니다. 이때 전압값이 읽히거나 0V 근처가 나오면 IGBT가 손상된 것입니다.

직접 계산: 멀티미터로 게이트를 충전하면 IGBT가 켜질까

빨간 리드를 게이트, 검은 리드를 소스(IGBT라면 이미터)에 잠깐 대서 게이트를 충전한 뒤 다시 재는 게이트 충전 확인은 MOSFET 점검 글에서 다뤘습니다. 같은 방법을 IGBT에 쓸 때는 게이트를 켜는 데 필요한 전압이 문제가 됩니다. 인덕션 가열용으로 나온 onsemi FGA25N120ANTD의 데이터시트(FGA25N120ANTDTU/D Rev.3)를 기준으로, 게이트 전압이 얼마나 오르고 얼마나 오래 유지되는지 직접 계산했습니다.

가정은 다음과 같습니다. 게이트를 데이터시트의 입력 정전용량 Cies 3700pF(VCE=30V 조건의 대표값) 하나와 G-E 누설 저항 하나로 보고, 충전원을 뗀 뒤 전압이 V = V₁·e^(−t/RC)로 줄어든다고 계산했습니다. 정상품의 누설 저항은 데이터시트의 게이트 누설 전류 최대값(IGES ±250nA, VGE 20V)을 저항으로 환산한 80MΩ으로, 정상품 가운데 누설이 가장 큰 경우입니다. 게이트가 손상된 경우는 누설 저항 1MΩ과 100kΩ으로 가정했습니다. 충전원은 멀티미터 다이오드 모드(개방 전압 3.0V, 측정 전류 1mA로 가정하며 실제로는 기종마다 다릅니다)와, 9V 전지에 10kΩ 저항을 직렬로 단 간이 지그 두 가지입니다. 띠로 표시한 문턱 전압 VGE(th) 3.5~7.5V(대표 5.5V)는 데이터시트에서 컬렉터 전류 25mA 조건으로 정한 값입니다.

직접 계산 결과, 멀티미터 1mA로 Cies를 3.0V까지 채우는 데는 11.1µs면 충분해서 리드를 대는 순간 충전은 끝납니다. 문제는 전압입니다. 개방 전압 3.0V는 VGE(th) 최소값 3.5V보다 0.5V 낮습니다. VGE(th)는 25mA가 흐르는 조건의 값이라 멀티미터의 작은 측정 전류로는 이보다 낮은 게이트 전압에서 C-E가 조금 도통할 수도 있지만, 켜질지 말지는 소자와 멀티미터에 따라 달라집니다. 9V 지그로 충전하면 게이트 전압이 9V로 VGE(th) 최대값 7.5V도 넘고, 데이터시트의 게이트-이미터 전압 절대 최대 정격 ±20V 안에 있습니다.

충전원을 뗀 뒤 게이트 전압이 3.5V 아래로 내려가는 시간은 누설이 데이터시트 최대값인 정상품(80MΩ)이 0.28초, 누설 1MΩ이 3.458ms, 100kΩ이 0.314ms였습니다. 정상품 값은 누설이 보장 최대값일 때의 하한이라, 실제 부품은 누설이 이보다 작은 만큼 더 오래 유지됩니다. 다만 데이터시트가 보장하는 것은 최대 누설뿐이므로, 충전해 둔 전하에 기대어 리드를 옮겨 가며 재는 방식은 정상품에서도 결과가 일정하지 않을 수 있습니다.

이 결과를 진단에 쓰는 방법은 다음과 같습니다.

• 멀티미터로 충전해 켜지지 않는다고 불량으로 판정하지 않습니다. 다이오드 모드 개방 전압이 VGE(th)보다 낮으면 정상 IGBT도 C-E가 OL로 남을 수 있습니다. 사용하는 멀티미터의 다이오드 모드 개방 전압은 다른 멀티미터의 직류 전압 모드로 리드 양단을 재 보면 알 수 있습니다.
• 켜짐 확인은 게이트에 전압을 건 채로 합니다. 9V 전지와 10kΩ 저항을 G(+)와 E(−)에 연결해 둔 상태에서 다이오드 모드로 C(+)→E(−)를 재면 OL이 아닌 값으로 바뀌어야 하고, 전지를 떼고 G-E를 단락하면 다시 OL로 돌아와야 합니다. 게이트 전압이 계속 걸려 있으므로 누설 때문에 결과가 바뀌지 않습니다. 전지를 떼고 G-E를 단락했는데도 값이 남아 있으면 C-E 단락을 의심합니다.
• 게이트 누설은 1단계의 G-E 저항 측정으로 판정합니다. 누설이 100kΩ인 게이트도 9V 지그를 대고 있는 동안에는 직접 계산상 8.18V까지 올라 IGBT를 켤 수 있습니다. 켜짐 확인만으로는 게이트 손상을 놓칠 수 있으므로, G-E 사이에서 저항값이 읽히는지를 따로 봅니다. 이런 게이트는 충전원을 떼면 위 계산처럼 ms 단위로 전압이 빠집니다.

이 계산은 게이트를 커패시터 하나로 본 단순화입니다. Cies는 VCE=30V에서 잰 값이고, C-E 전압이 낮을 때는 게이트-컬렉터 정전용량이 커져 실제 입력 정전용량이 더 크므로 유지 시간은 계산보다 길게 나올 수 있습니다. 멀티미터 개방 전압과 측정 전류, 9V 지그의 저항, 손상된 게이트의 누설 저항은 계산을 위해 정한 값입니다. 다른 품번이라면 그 데이터시트의 VGE(th)와 게이트-이미터 최대 정격으로 같은 계산을 해 보시기 바랍니다.

측정 결과 판정 기준

측정 구간	정상	불량 판정
G-E (저항 모드)	개방(OL)	저항값이 읽힘 → 게이트 손상
E(+) → C(−) 다이오드 모드	대략 0.3~0.8V (실리콘 다이오드 기준의 대략적인 범위)	0V 근처는 단락, OL은 개방 → 다이오드 손상
C(+) → E(−) 다이오드 모드	개방(OL)	다른 값 → IGBT 손상
C(+) → E(−), 게이트에 9V 지그를 연결한 상태	OL이 아닌 값, G-E 단락 후 OL로 복귀	계속 OL → 켜지지 않음(멀티미터로만 충전했다면 전압 부족부터 의심), 단락 후에도 값이 남음 → C-E 단락 의심

정상이 OL인 G-E와 C(+)→E(−)에서 값이 읽히거나, 내장 다이오드 방향에서 0V 근처(단락)나 OL(개방)이 나오면 교체 대상으로 판정합니다. 다이오드가 없는 품번은 아래 FAQ를 참고합니다. 하프 브리지처럼 IGBT 두 개가 한 모듈에 들어 있는 제품은 각 IGBT와 각 다이오드에 대해 같은 측정을 반복합니다. 단자 번호와 내부 연결은 모듈마다 다르므로 데이터시트의 내부 회로도를 보고 어느 단자가 컬렉터, 이미터인지 먼저 표시해 두면 실수가 줄어듭니다.

측정이 정상인데도 의심될 때

멀티미터 다이오드 모드는 아주 작은 전류와 낮은 전압으로 재기 때문에, 단락이나 개방처럼 뚜렷하게 망가진 상태를 잡는 데 적합합니다. 반대로 높은 전압이나 큰 전류에서만 드러나는 불량은 이 방법으로 다 잡히지 않을 수 있습니다. 이럴 때는 IGBT 하나만 보지 말고 주변 회로를 함께 점검합니다.

• 게이트를 구동하는 드라이버 회로와 게이트 저항이 정상인지 확인합니다. IGBT가 터진 보드에서는 게이트 쪽 부품이 같이 손상되는 경우도 있으니 함께 측정합니다.
• IGBT가 단락되면 퓨즈와 정류 다이오드 쪽도 함께 확인합니다. 원인을 그대로 둔 채 퓨즈만 바꾸면 다시 끊어질 수 있습니다.
• 교체할 때는 데이터시트에서 정격 전압과 전류, 다이오드 내장 여부, 패키지가 원래 부품과 맞는지 확인합니다.
• 방열판과 닿는 면의 써멀 페이스트나 절연 패드 상태도 확인합니다. 열 불안정은 IGBT 고장 원인 중 하나로 꼽힙니다.

직접 시뮬레이션: 공진 커패시터 용량이 줄면 IGBT가 받는 전압

IGBT를 새것으로 갈았는데 다시 터진다면 IGBT 주변에서 원인을 찾아야 합니다. IGBT 하나로 구동하는 준공진 방식 인덕션에서는 IGBT 컬렉터 쪽에 가열 코일과 공진 커패시터가 붙어 있고, IGBT가 꺼져 있는 동안 둘이 공진하면서 컬렉터 전압이 버스 전압보다 훨씬 높이 올라갑니다. 공진 커패시터 용량이 줄면 이 전압이 어떻게 달라지는지 ngspice로 직접 시뮬레이션했습니다.

가정은 다음과 같습니다. 교류 220V를 정류한 버스 전압의 최고값 311.1V(220×√2)를 직류로 두고, 냄비를 올린 가열 코일을 140µH 인덕턴스와 3Ω 저항의 직렬로, 공진 커패시터를 코일 양단에 병렬로 단 0.30µF로 가정했습니다. 용량이 20%, 40% 줄어든 경우로 0.24µF와 0.18µF를 넣었습니다. IGBT는 꺼진 상태(1MΩ)와 역병렬 다이오드로만 두고, 코일 전류가 30A일 때 IGBT를 끈 순간부터 계산했습니다. 오른쪽 그래프는 같은 회로에서 끄는 순간 전류만 10A부터 40A까지 바꿔 돌린 결과입니다. 이 값들은 계산을 위해 정한 값이며 특정 제품의 값이 아닙니다. 점선 1200V는 FGA25N120ANTD 데이터시트의 컬렉터-이미터 전압 절대 최대 정격(VCES)입니다.

직접 시뮬레이션 결과, 30A에서 끈 경우 컬렉터 최고 전압은 0.30µF에서 921V, 0.24µF에서 995V, 0.18µF에서 1103V였습니다. 용량이 줄면 공진 주파수가 올라가고(직접 계산 24.6kHz → 27.5kHz → 31.7kHz) 특성 임피던스 √(L/C)가 커져서(21.6Ω → 24.2Ω → 27.9Ω) 같은 전류를 끊어도 더 높은 전압이 생깁니다. 끄는 순간 전류를 바꿔 보면 0.30µF는 40A에서도 1100V로 1200V 아래였지만, 0.24µF는 40A에서 1200V에 닿았고 0.18µF는 35A에서 1225V로 이를 넘었습니다. 컬렉터 전압이 0V로 돌아오는 시간도 27.5µs에서 23.8µs, 19.9µs로 짧아졌습니다. 참고로 냄비 손실(3Ω)을 뺀 LC 근사식 Vbus + √(Vbus² + (I·Z0)²)로 직접 계산하면 0.30µF·30A에서 1030V로, 손실을 넣은 시뮬레이션 값보다 높게 나옵니다.

이 결과를 진단에 쓰는 방법은 다음과 같습니다.

• IGBT가 다시 터졌다면 공진 커패시터 용량을 잽니다. 공진 커패시터는 멀티미터 저항 모드로는 단락만 아니면 별다른 이상이 보이지 않으므로, 떼어서 용량 측정 기능이나 LCR 미터로 재고 몸체에 적힌 용량과 비교합니다. 용량이 줄었거나 몸체가 부풀고 갈라졌다면 같은 용량과 같은 정격 전압의 부품으로 바꿉니다.
• 교체 IGBT의 정격 전압을 낮추지 않습니다. 위 시뮬레이션처럼 정상 조건에서도 컬렉터에는 버스 전압 311.1V의 3.0배인 921V가 걸렸습니다. 원래 1200V급이 달려 있던 자리에 정격 전압이 낮은 IGBT를 달면 안 되며, 정격 전압과 전류, 내장 다이오드 유무, 패키지를 원래 부품과 맞춥니다.
• 전원 전압이 높으면 여유가 더 줄어듭니다. 이 시뮬레이션은 220V 기준 버스 311.1V로 계산했고, 국내 유지 범위 상한 233V에서는 버스 최고값이 직접 계산으로 329.5V라 컬렉터 전압도 그만큼 높아집니다.

이 시뮬레이션은 IGBT가 꺼진 뒤 한 번의 공진만 본 것입니다. 실제 인덕션은 제어 회로가 코일 전류나 컬렉터 전압을 보고 켜는 시점과 출력을 조절하고, 제품에 따라 컬렉터 전압이 높아지면 출력을 줄이는 보호 회로도 있어 용량이 줄어든 만큼 그대로 전압이 오르지는 않을 수 있습니다. 코일 인덕턴스, 냄비에 따른 손실, 버스 전압의 맥동, 공진 커패시터의 위치(코일 병렬 또는 IGBT 병렬)도 제품마다 다르니 수치는 원리를 확인하는 용도로 보시기 바랍니다. 시뮬레이션에 쓴 넷리스트는 아래와 같습니다(30A 기준이며, 오른쪽 그래프는 인덕터의 IC 값만 바꿔 돌렸습니다).

* Single-ended quasi-resonant induction cooker stage: collector voltage after IGBT turn-off
* Vbus 311V (220V x sqrt2, line peak), coil with pan 140uH + 3 ohm (assumed), resonant cap across coil (assumed 0.30uF normal)
* IGBT modelled as off (1Meg) + antiparallel diode; turn-off at t=0 with coil current 30A (assumed)
* A: Cr 0.30uF (normal)  B: 0.24uF (-20%)  C: 0.18uF (-40%)
.model DFR D(IS=1e-9 RS=0.02 N=1.8 TT=100n CJO=100p)
Vb bus 0 DC 311
La bus xa 140u IC=30
Ra xa ca 3
Cra bus ca 0.30u IC=311
Da 0 ca DFR
Roa ca 0 1Meg
Lb bus xb 140u IC=30
Rb xb cb 3
Crb bus cb 0.24u IC=311
Db 0 cb DFR
Rob cb 0 1Meg
Lc bus xc 140u IC=30
Rc xc cc 3
Crc bus cc 0.18u IC=311
Dc 0 cc DFR
Roc cc 0 1Meg
.tran 10n 40u 0 10n uic
.meas tran vpk_a MAX v(ca)
.meas tran vpk_b MAX v(cb)
.meas tran vpk_c MAX v(cc)
.meas tran t0_a WHEN v(ca)=0 FALL=1
.meas tran t0_b WHEN v(cb)=0 FALL=1
.meas tran t0_c WHEN v(cc)=0 FALL=1

IGBT의 고장 원인으로는 열 불안정, 정전기 방전, 2차 항복, 일렉트로마이그레이션 등이 알려져 있습니다. 초기 IGBT는 내부 기생 사이리스터가 켜져 버리는 래치업으로 소자가 파괴되는 문제가 있었지만, 요즘 설계에서는 이를 억제하고 있습니다.

자주 묻는 질문

Q. E(+)→C(−)에서 OL이 나오면 무조건 불량인가요?
다이오드 내장형이라면 다이오드 개방으로 볼 수 있습니다. 다만 다이오드가 없는 IGBT라면 이 방향도 개방이 나오는 것이 자연스럽습니다. 판정 전에 데이터시트에서 내장 다이오드 유무를 먼저 확인합니다.

Q. 보드에서 떼지 않고 재도 되나요?
단락처럼 뚜렷한 불량은 보드 위에서도 보일 수 있지만, 병렬로 연결된 다른 부품 때문에 값이 달라질 수 있습니다. 애매하면 떼어서 단품으로 측정합니다.

Q. 왜 G-E를 단락하고 재나요?
게이트에 전하가 남아 IGBT가 켜진 상태라면 C-E가 도통해 정상 소자도 단락처럼 보일 수 있습니다. G-E를 연결해 꺼진 상태로 고정하면 판정이 명확해집니다.

Q. 멀티미터로 게이트를 충전했는데 C-E가 계속 OL입니다.
멀티미터 다이오드 모드의 개방 전압이 IGBT의 문턱 전압보다 낮으면 정상 소자도 켜지지 않을 수 있습니다. 위 직접 계산에서 가정한 3.0V는 FGA25N120ANTD 데이터시트의 VGE(th) 최소값 3.5V보다 낮았습니다. 9V 전지와 10kΩ 저항으로 게이트에 전압을 건 채 C-E를 다시 재 보고, 그래도 OL이면 그때 불량을 의심합니다.

정리

IGBT 불량 판별은 방전과 정전기 대책부터 시작합니다. 저항 모드로 G-E 절연을 확인하고, G-E를 단락한 뒤 다이오드 모드로 E→C에서 다이오드 순방향 전압, C→E에서 개방이 나오는지 봅니다. 교체할 때는 데이터시트로 정격과 내장 다이오드를 맞추고, 퓨즈·드라이버 등 함께 손상됐을 수 있는 주변 회로까지 점검해야 같은 고장이 반복되지 않습니다. 멀티미터로 게이트를 충전해 켜지지 않는다고 바로 불량으로 보지 말고, 새 IGBT가 다시 터진다면 공진 커패시터 용량도 재 봅니다.