전력전자에서의 모스펫과 다이오드

이번 글에서는 Power Stage(파워부)의 모스펫과 다이오드에 대해 알아보겠습니다.

 

1) Power Stage의 역할

DC 전원의 에너지를 부하(Load)로 전달하는 역할을 합니다. 즉 DC 전압을 우리가 사용할 수 있는 전압으로 변환합니다. 더 낮은 전압으로 변환을 할 수도 있고, 더 높은 전압으로 변환할 수도 있습니다. 또한 전압의 극성을 반전시킬 수도 있습니다. 중요한 것은 스위칭 레귤레이터를 통해 구현합니다. 따라서 높은 효율로 DC 전압의 크기를 변환할 수 있습니다. 이런 역할을 하는 데에 꼭 필요한 5가지 부품들이 있습니다. 5가지 부품에 저항은 없습니다. 저항이 있다면 우리가 원하는 스위칭 레귤레이터 목적을 달성할 수 없습니다. 저항에는 전력 손실이 발생하는 것을 잊어서는 안 됩니다.

 

1. 모스펫

2. 다이오드

(모스펫과 다이오드는 SPDT 스위치로 동작합니다.)

3. 인덕터

4. 커패시터

5. 트랜스포머

2) 모스펫

스위칭 레귤레이터는 모스펫을 포화 영역이 아닌 선형 영역에서 사용합니다. 즉 증폭기가 아닌 스위치로써 동작합니다. 모스펫을 스위치로 사용하기 위해서는 꼭 만족해야 하는 조건이 있습니다. 모스펫의 게이트(Gate)와 소스(Source) 사이에 Threshold 전압을 넘는 충분한 전압이 인가되어야 합니다. 그렇게 하면 RDS(ON) 값은 거의 0 수렴합니다. 따라서 드레인(Drain)과 소스(Source) 사이에 충분한 전류가 흐를 수 있습니다.(스위치 ON 상태) 만약 모스펫의 게이트와 소스 사이에 인가되는 전압이 Threshold 전압보다 작거나, 음 전압이 이면 드레인과 소스 사이에 전류가 흐를 수 없습니다.(스위치 OFF 상태)

 

그럼 어떻게 모스펫에 충분한 게이트 소스 전압을 인가할 수 있을까요? 게이트 드라이버를 사용합니다. 게이트 드라이버는 직접 구성할 수 있습니다. 또한 IC로 판매되고 있기도 합니다. 현재는 게이트 드라이버가 있다는 정도만 이해하면 됩니다. 이후에 게이트 드라이버가 어떻게 동작하는지 자세히 알아보겠습니다. 중요한 것은, 모스펫은 우리가 직접 제어할 수 있다는 점입니다. 게이트 드라이버를 사용하여 모스펫을 ON, OFF를 원하는 시점에 할 수 있습니다. 즉 Active 스위치입니다. 모스펫은 Active 스위치로써 회로의 동작에 영향을 받는 것이 아닌, 회로의 동작을 직접적으로 결정하는 부품입니다.

 

모스펫은 Majority Carrier Device입니다. 따라서 높은 주파수로 스위칭하는 데에 모스펫은 적합합니다. 한 가지 단점은 모스펫에는 Body 다이오드라고 기생 다이오드가 있습니다. 이 Body 다이오드는 스위칭 속도가 굉장히 느립니다. 

3) 다이오드

다이오드는 우리가 직접 제어할 수 없습니다. 다이오드의 동작은 회로의 동작에 영향을 받습니다.  즉 Passive 스위치입니다. 예를 들어, 모스펫이 ON 상태일 때 인덕터에 전류가 흐르며 에너지가 충전됩니다.  이때 모스펫이 OFF 되더라도 인덕터의 전류는 계속 흘러야 합니다. 인덕터 전류가 다이오드를 통해 흐르며 충전된 에너지가 방전됩니다. 이런 원리는 회로를 공부할 때 자세히 알아보겠습니다. 현재는 다이오드는 회로의 동작에 영향을 받는다는 사실만 기억하면 충분합니다.

 

다이오드의 중요한 동작원리에 얘기하겠습니다. 많은 사람들이 다이오드에 전압이 걸리면 전류가 흐르는 소자라고 생각합니다.  다이오드의 도통 전압인 0.6V~0.7V가 인가되면 전류가 흐른다고 이해하고 있습니다. 하지만 스위칭 레귤레이터를 해석할 때 이런 관점은 좋지 않습니다. 앞서 인덕터 전류가 계속 흐르기 위해서 다이오드를 통해 흐른다고 설명했습니다. 이런 역할을 하는 다이오드를 프리휠링 다이오드, 플라이휠 다이오드, 환류 다이오드라고 합니다. 다이오드는 인덕터의 전류가 계속 흐를 수 있게 경로를 제공해주고, 인덕터 전류가 흐를 때 자연스레 ON 되는 스위치입니다.

 

다이오드는 Minority Carrier Device입니다. 따라서 스위칭 속도가 느립니다. 또한 Reverse Recovery Time이라는 파라미터가 스위칭 속도를 결정하는데, 일반적으로 이 파라미터 값이 꽤 큽니다. 하지만 높은 주파수로 스위칭하는 스위칭 레귤레이터에서는 다이오드의 스위칭 속도가 느리면 안 됩니다. 그래서 실제로는 Fast Recovery 다이오드, Schottky 다이오드와 같이 빠른 스위칭이 가능한 것을 사용합니다.

 

4) SPDT 스위치

SPDT 스위치란 모스펫과 다이오드가 쌍으로 구성되어 동작합니다. 모스펫이 ON 상태면 다이오드는 OFF 상태를 유지합니다. 반대로 모스펫이 OFF 되면 다이오드는 회도 동작에 의해 ON 상태를 유지합니다.