서론
MOSFET의 게이트는 전류를 거의 소모하지 않는다고 알려져 있습니다.
그럴 수 있습니다.
MOSFET이 켜지면, 절연된 게이트를 통해 전류는 흐르지 않기 때문에 이 정보는 맞다고 볼 수 있습니다. 그러나 MOSFET의 켜짐 과정의 동적 특성은 그렇게 간단하지만은 않습니다. 실제로, 고주파 회로에서 대형 MOSFET는 수 암페어에 달하는 게이트 전류가 필요할 수 있습니다.
"전류는 항상 저항이 가장 낮은 경로를 따라 흐른다"는 잘못된 속설과 마찬가지로, "MOSFET 게이트는 전류 소모가 없다"라는 속설도 초보 설계자들을 문제에 빠지게 만들 수 있습니다. 실제로 두 가지 문제 지점이 있습니다. 첫째는 여기에서 다룬 바와 같이 불충분한 정적 게이트 드라이브 전압이며, 둘째는 불충분한 동적 게이트 전류입니다.
MOSFET 게이트 모델
우선, MOSFET 게이트 회로를 게이트와 소스간 그리고 게이트와 드레인 간에 내부 커패시터가 있는 것처럼 모델링 할 수 있습니다. 예를 들어, Vishay의 IRF510PBF MOSFET은 180pF의 입력 커패시턴스를 가지고 있습니다. 더 복잡한 모델은 게이트와 드레인 사이에 밀러 효과(Miller Effect)에 따른 커패시턴스를 포함합니다. 이 밀러 커패시턴스(이 글에서는 생략)는 MOSFET을 구동하기 더욱 어렵게 만듭니다
그림 1의 Multisim Live 회로를 살펴보면 이 상황을 더 잘 이해할 수 있습니다. MOSFET의 스위칭 동작을 보여주는 전형적인 이 회로에서, 300kHz 15VDC의 이상적인 구형파가 22Ω 저항을 통해 MOSFET을 켭니다. 스위칭 속도를 높일 수 있도록, 쇼트키 다이오드 MSS2P3을 통해 MOSFET을 끕니다.
그림1: MOSFET 게이트 전류 측정을 위한 시뮬레이션.
기술 조언: MOSFET의 스위칭 전환 속도를 늦추고 싶은 경우가 있을 수도 있습니다. 예를 들어, 높은 에너지를 가진 드레인의 과도 파형이 느리면 EMI(전자기 간섭) 요구 사항을 충족하기가 더 쉬울 수 있습니다. 그러나, MOSFET이 선형 영역을 "통과하는"데 시간이 더 걸려 효율성에 영향을 미칠 수 있습니다.
PCB 생산 후 부품을 선택하면 이런 설계의 균형을 맞출 수 있습니다. 표시되지 않았지만, 다이오드에 직렬로 연결된 저항용 패드를 추가하는 것이 좋습니다. 필요하지 않은 경우 0옴 저항을 사용하면 됩니다.
기술 조언: 느린 스위칭 시간은 MOSFET에 위험을 초래할 수 있습니다. MOSFET은 낮은 온 저항으로 인해 높이 평가받고 있지만, 전환 속도가 느려지면 MOSFET은 (일정한 "저항"을 가지는) 선형 영역에 들어가게 되어, 에너지 소모가 전류, 전압, 그리고 시간의 함수가 됩니다. 스위칭에 너무 많은 시간이 걸리는 고전력 회로는 과열과 열적 스트레스로 인해 MOSFET을 파괴시키는 경향이 있습니다.
아래 그림 2에서 초록색은 15V 구형파 구동 신호이며, 파란색은 이에 따른 게이트 전류 신호입니다. 게이트 충전 펄스의 피크 전류는 0.7A이며 방전 전류는 약 1A입니다.
이는 상당한 게이트 전류가 MOSFET과 관련이 있음을 의미합니다.
그림 2: 15VDC 구형파(초록색)을 사용한 게이트 드라이브와 그에 따른 게이트 전류(파란색).
MOSFET 드라이버의 필요성
그림 2는 MOSFET 게이트 드라이브 전류가 높을 수 있음을 보여주고 있습니다. 전용 게이트 드라이버 IC를 사용할 수도 있습니다. TI의 LM5114BSD/NOPB를 예로 들어보면, 이 3x3mm 소자는 MOSFET의 게이트로부터 7.6A의 전류를 싱크 할 수 있도록 설계되었습니다(다음 섹션의 요건을 참조하시기 바랍니다).
기술 조언: MOSFET 드라이버는 (이 글에서 다루어진 접지를 기준 전압으로 하는) 저측 방식과 (부하를 기준 전압으로 하는) 고측 방식으로 나눌 수 있습니다. 이 BLDC 모터 애플리케이션을 통해 이 차이를 더 잘 이해할 수 있습니다. 또한 고측 드라이버에서 부트스트랩(bootstrap)은 필수 고려 사항이므로 이 용어를 잘 이해해야만 합니다.
MOSFET 드라이버와 관련하여 분할 게이트 구동(Split Gate Drive) 방식이란?
MOSFET 구동 회로를 더 자세히 살펴보기 위해, 그림 3과 같은 분할 구동을 고려해 보십시오. 이 응용 회로에서 TI의 LM5114는 두 개의 출력이 MOSFET 게이트와 연결되어 있으며, 소싱 및 싱킹 사양은 서로 다릅니다. 이 IC는 (게이트를 12VDC로 끌어올리기 위해) 최대 1.3A의 전류를 소싱할 있는 반면, (MOSFET 게이트 커패시턴스를 방전시키기 위해) 7.6A의 전류를 싱킹할 수 있습니다. 다시 말해, 설계자는 P_OUT과 N_OUT 라인에 적절한 저항을 직렬로 추가하여 MOSFET의 스위칭 속도를 늦출 수 있습니다.
그림 3: TI의 LM5114 규격서에 설명된 분할 구동을 사용하는 부스트 컨버터.
글을 맺으며
우리는 디지털 스위치의 정적 특성과 동적 특성 모두를 고려해야 합니다. (항상 켜져 있는) 정적 MOSFET의 게이트는 전류를 소모하지 않는 것이 사실입니다. 그러나 켜짐과 꺼짐 상태 간의 동적 전환은 상당한 전류 펄스를 필요로 합니다. 이런 동적 전환의 속도와 그에 따른 시스템 효율성은 강력한 드라이버에 달려 있습니다.
드라이버를 오버스펙으로 설계한 후 직렬 저항으로 속도를 줄여 EMI 문제를 해결하는 방법에 대해 동의하시나요?
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감사합니다,
APDahlen
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저자 소개
미합중국 해안경비대(USCG) 소령(LCDR)으로 전역한 Aaron Dahlen은 DigiKey에서 애플리케이션 엔지니어로 근무하고 있습니다. 27년간의 군 복무 동안 기술자 및 엔지니어로서 쌓아온 그 만의 전자 및 자동화에 대한 지식은 12년간의 교단을 통해 (상호 연계되어) 더욱 향상되었습니다. 미네소타 주립대학, Mankato에서 전기공학 석사(MSEE) 학위를 받은 Dahlen은 ABET(Accreditation Board for Engineering and Technology, 미국 공학 기술 인증 위원회) 공인 전기공학 과정을 가르치고, EET(Electrical Engineering Technology, 전기공학 기술) 과정의 프로그램 조정관으로 일했으며, 군 전자 기술자에게 부품 수준의 수리에 대해 가르쳤습니다. 미네소타 주 북부의 집으로 돌아와 이런 류의 연구와 글쓰기를 즐기고 있습니다.