1. MOS 튜브의 종류와 구조

MOSFET은 FET(다른 하나는 JFET)의 한 유형으로, 증가 모드 또는 공핍 모드, P 채널 또는 N 채널 등 총 4가지 유형으로 만들 수 있지만, 실제로는 증가 모드 N 채널 MOS만 사용됩니다. 진공관과 증가 P 채널 MOS가 있는데, 일반적으로 NMOS라고 부르거나 PMOS라고 부르기도 합니다.

공핍형 MOS 튜브를 사용하지 않는 이유는 바닥까지 내려가는 것이 권장되지 않습니다.

이 두 가지 향상된 MOS 튜브의 경우 NMOS가 더 일반적으로 사용됩니다. 그 이유는 온저항이 작고 제작이 용이하기 때문이다. 따라서 스위칭 전원 공급 장치 및 모터 구동 응용 분야에서는 일반적으로 NMOS가 사용됩니다. 다음 소개에서는 NMOS를 주로 사용합니다.

MOS 튜브의 3개 핀 사이에는 기생 용량이 있는데, 이는 우리에게 필요한 것은 아니지만 제조 공정의 한계로 인해 발생합니다. 기생 용량(parasitic capacitance)의 존재로 인해 구동 회로를 설계하거나 선택하는 것이 더 번거로워지지만 이를 피할 방법은 없으며 이에 대해서는 뒤에서 자세히 설명한다.

MOS 튜브의 회로도에서 드레인과 소스 사이에 기생 다이오드가 있는 것을 볼 수 있습니다. 이를 바디 다이오드라고 하며, 모터와 같은 유도성 부하를 구동할 때 매우 중요합니다. 참고로, 바디 다이오드는 단일 MOS 트랜지스터에만 존재하며, 일반적으로 집적 회로 칩 내부에는 존재하지 않습니다.

2. MOS 관 전도 특성

전도란 스위치 역할을 하는 것을 의미하며 이는 스위치를 닫는 것과 같습니다.

NMOS의 특성상 Vgs가 일정 값보다 크면 ON이 됩니다. 게이트 전압이 4V 또는 10V에 도달하는 한 소스가 접지된(로우엔드 드라이브) 상황에 적합합니다.

PMOS의 특성상 Vgs가 일정 값보다 작으면 ON이 되는데, 이는 소스가 VCC(하이엔드 드라이브)에 연결된 상황에 적합합니다. 그러나 PMOS는 고급형 드라이브로 쉽게 사용할 수 있지만, NMOS는 온 저항이 크고 가격이 비싸며 교체 유형이 적기 때문에 일반적으로 고급형 드라이브에 사용됩니다.

3. MOS 스위치 튜브 손실

NMOS든 PMOS든, 전원이 켜진 후에는 온 저항이 발생하여 전류가 이 저항에서 에너지를 소모하게 되는데, 이 에너지 중 일부를 전도 손실이라고 합니다. 온 저항이 작은 MOS 튜브를 선택하면 전도 손실을 줄일 수 있습니다. 현재 저전력 MOS 튜브의 온 저항은 일반적으로 수십 밀리옴 정도이며, 수 밀리옴에 달하는 경우도 있습니다.

MOS를 켰다가 껐을 때 단번에 끝나서는 안 됩니다. MOS 양단의 전압은 하강하는 과정을 갖고, 흐르는 전류는 상승하는 과정을 가집니다. 이 시간 동안 MOS 튜브의 손실은 전압과 전류의 곱이며 이를 스위칭 손실이라고 합니다. 일반적으로 스위칭 손실은 전도 손실보다 훨씬 크며, 스위칭 주파수가 빠를수록 손실도 커집니다.

턴온 순간의 전압과 전류의 곱은 매우 크고, 그에 따른 손실도 매우 크다. 스위칭 시간을 단축하면 각 턴온 시 손실을 줄일 수 있습니다. 스위칭 주파수를 줄이면 단위 시간당 스위칭 횟수를 줄일 수 있습니다. 두 가지 접근 방식 모두 스위칭 손실을 줄일 수 있습니다.

4. MOS 튜브 드라이버

바이폴라 트랜지스터와 비교하여 일반적으로 GS 전압이 특정 값보다 높으면 MOS 튜브를 켜는 데 전류가 필요하지 않다고 믿어집니다. 이는 쉽지만 속도도 필요합니다.

MOS 튜브의 구조를 보면 GS와 GD 사이에 기생 용량이 있고 MOS 튜브의 구동은 실제로 커패시터의 충전 및 방전임을 알 수 있습니다. 커패시터를 충전하려면 전류가 필요합니다. 왜냐하면 커패시터를 충전하는 순간 커패시터는 단락으로 간주될 수 있으므로 순간 전류가 상대적으로 커지게 됩니다. MOS 진공관 드라이버를 선택/설계할 때 가장 먼저 주의해야 할 점은 순간적으로 제공할 수 있는 단락 전류의 양입니다.

두 번째로 주목해야 할 점은 일반적으로 하이사이드 구동에 사용되는 NMOS는 게이트 전압이 소스 전압보다 높을 때 턴온되어야 한다는 점이다. 하이 사이드 구동 MOS 트랜지스터의 소스 전압은 턴온 시 드레인 전압(VCC)과 동일하므로 이때 게이트 전압은 VCC보다 4V 또는 10V 더 크다. 동일한 시스템에서 VCC보다 큰 전압을 얻으려면 특수한 부스트 회로가 필요합니다. 많은 모터 드라이버에는 차지 펌프가 통합되어 있습니다. MOS 튜브를 구동하기에 충분한 단락 전류를 얻으려면 적절한 외부 커패시터를 선택해야 합니다.

위에서 언급한 4V 또는 10V는 일반적으로 사용되는 MOS 튜브의 턴온 전압이므로 설계에는 물론 어느 정도 마진이 필요합니다. 그리고 전압이 높을수록 턴온 속도는 빨라지고 온 저항은 작아집니다. 이제 다양한 분야에서 사용되는 더 작은 턴온 전압을 가진 MOS 튜브도 있지만 12V 자동차 전자 시스템에서는 일반적으로 4V 전도로 충분합니다.

MOS 튜브의 구동 회로와 손실에 대해서는 Microchip의 AN799MatchingMOSFETDriverstoMOSFETs를 참조하세요. 매우 자세해서 더 이상 설명할 계획은 없습니다.

5. MOS 튜브 응용 회로

MOS 진공관의 가장 큰 특징은 우수한 스위칭 특성으로 스위칭 전원 공급 장치 및 모터 구동 장치와 같은 전자 스위치가 필요한 회로에 널리 사용됩니다.

일반적으로 사용되는 5가지 스위칭 전원 공급 장치 MOSFET 구동 회로 분석

MOSFET을 사용하여 스위칭 전원 공급 장치를 설계할 때 대부분의 사람들은 MOSFET의 온 저항, 최대 전압, 최대 전류를 고려합니다. 하지만 많은 경우 이러한 요소만 고려합니다. 이러한 회로는 정상적으로 작동할 수 있지만, 좋은 설계 솔루션은 아닙니다. 더 자세히 설명하면, MOSFET은 자체 기생 변수도 고려해야 합니다. 특정 MOSFET의 경우, 구동 회로, 구동 핀에서 출력되는 피크 전류, 상승 속도 등이 MOSFET의 스위칭 성능에 영향을 미칩니다.

파워 IC와 MOS 튜브를 선택할 때 파워 IC와 MOS 튜브를 연결하는 데 적합한 구동 회로를 선택하는 것이 특히 중요합니다.

우수한 MOSFET 드라이버 회로에는 다음과 같은 요구 사항이 있습니다.

(1) 스위치가 켜지면 구동 회로는 MOSFET의 게이트와 소스 간 전압을 필요한 값까지 빠르게 증가시키기에 충분히 큰 충전 전류를 제공할 수 있어야 하므로 스위치가 빠르게 켜지고 상승 에지의 고주파 발진이 발생하지 않도록 보장해야 합니다.

(2) 구동 회로는 스위치 온 기간 동안 MOSFET의 게이트와 소스 사이의 전압이 안정적으로 유지되고 안정적으로 켜지도록 보장할 수 있습니다.

(3) 턴오프 순간의 구동 회로는 MOSFET의 게이트와 소스 사이의 커패시터 전압을 빠르게 방전하기 위해 가능한 가장 낮은 임피던스의 경로를 제공할 수 있으므로 스위치 튜브가 빠르게 턴오프될 수 있도록 보장합니다.

(4) 구동 회로의 구조가 간단하고 안정적이며 손실이 적습니다.

(5) 상황에 따라 격리를 적용합니다.

MOS 튜브와 IGBT 구동 회로는 전압을 구동하는가, 아니면 전류를 구동하는가?

MOS 튜브와 IDBT는 모두 전압 구동 구성 요소입니다. 즉, 게이트 전압이 드레인 또는 컬렉터 전류를 제어합니다.