16∼250V의 직류 전압을 고속으로 손실 없이 ON/OFF한다

저내압 MOSFET의 사용법

6장에서 소개하는 저내압 MOSFET에는 다음과 같은 두 가 지 특징이 있다. ·같은 칩 사이즈의 중고내압 MOSFET에 비해 온 저항이 작다 ·전류 밀도가 높다 또 종류도 다음과 같이 크게 두 가지로 나눌 수 있다. ·고속형 : DC-DC 컨버터용 ·저온저항형 : 로드 스위치용 휴대기기에도 사용되고 있다는 점 때문에 소형화에 대한 요 구가 강하며 복수의 소자를 하나의 패키지로 만든 복합형이 많이 발매되고 있다. 그림 1은 시판되고 있는 저내압 MOSFET군(도시바 제품)이 다. 드레인-소스간 전압의 최대 정격은 16∼250V, 드레인 전 류의 최대 정격은 1∼150A의 범위에서 라인업되고 있다. 그림 2에 나타난 것은 표면실장형 저내압 MOSFET의 사이 즈와 드레인 전류의 라인업이다. 패키지 사이즈는 모두 소형 뿐이며 2.0×2.1mm∼20×26mm의 범위에서 라인업되고 있 다. 최근에는 소형화, 대전류화되는 경향이다.

복합 제품이 많다

저내압 MOSFET의 특징으로, 하나의 패키지에 복수의 소 자(MOSFET이나 다이오드)가 내장된 제품이 많다는 것을 들 수 있다. 복합형 MOSFET을 사용하면 소자간 프린트 패턴에

 

의한 배선이 필요 없으므로 기판 사이즈를 줄일 수 있다. 중고내압 MOSFET은 절연 거리나 방열을 고려해야 하므로 복합화에 적합하지 않다. 방열을 위해 다른 회로에서 MOSFET을 떨어뜨려 방열기를 설치하는 경우도 있다. 저내 압 MOSFET에서도 대전류 제품은 복합화할 수 없다. 복합화 되어 있는 제품의 전류 정격은 10A 이하이다.

1. 브리지 회로나 충방전 전류의 ON/OFF 스위치를 구성할 수 있는 N채널 MOSFET이 2개 들어있다

그림 3은 N채널 MOSFET이 2개 들어 있는 제품의 종류이 다. 표 1에 라인업 예를 나타낸다. 그림 3(a)은 안전하게 독립

된 2개를 내장한 제품이다. 이 고속용 복합 제품을 사용하면 DC-DC 컨버터로 되며, 2개 사용하면 풀 브리지 회로로 된다. 3개 사용하면 3상 브리지 회로로 구성된 인버터가 된다. 그림 3(b)은 드레인이 접속되어 있는 제품의 내부를 나타낸 것이다. 그리고 그림 3(c)과 같이 드레인 단자가 나와 있지 않 은 품종은 충방전 전류의 제어용 스위치로 사용되고 있다.

2. 하이 사이드 구동 전원이 필요 없는 2개의 P채널이 들어있다

그림 4는 완전히 독립된 2개의 P채널 MOSFET을 내장한 제품이다. 표 2에 라인업 예를 나타낸다. 그림 5에 나타난 배터리 충방전 전류를 ON/OFF하거나 그 림 6에 나타난 DC-DC 컨버터의 부하를 ON/OFF하는 회로 에 사용된다. 단, N채널 MOSFET과 같은 칩 사이즈 또는 같 은 설계 룰의 P채널 MOSFET을 사용하면 온 저항이 크며 정격 전류가 작아진다. 이것은 P채널 MOSFET의 경우 전자가 아닌 정공이 이동하기 때문이다.

3. 하이 사이드용 P채널과 로우 사이드용 N채널이 들어있다

그림 7은 P채널 MOSFET과 N채널 MOSFET이 들어 있는 제품의 내부 모습이다. 2개 사용하면 풀 브리지 회로를, 3개 사용하면 3상 브리지 회로를 구성할 수 있다. 정격 전압, 전류 의 라인업은 그림 1(c)의 복합형을 참조하기 바란다. 그림 8에 3상 브리지 회로를 나타낸다. N채널이 2개 들어 있는 MOSFET으로 풀 브리지를 구성하면 하이 사이드 측 MOSFET을 구동하는 드라이버에 전용 전원이 필요하지만, 이 복합 제품을 사용하면 전용 전원 회로가 필요 없다. 그림 9는 24V 타입의 3상 DC 브러시리스 모터 구동 회로 이다. 드라이버와 파워단에 P채널과 N채널이 들어 있는 제품 을 사용했다. 파워단의 IC4, IC8, IC12(TPCP8406, ID＝5A)에 내장되어 있는 P채널 MOSFET의 게이트에는 －10V(ON), ＋0V(OFF)가 교대로 더해진다. N채널 MOSFET은 10V로 게이트를 구동한다.

4. 전류 제어에 사용할 수 있는 P채널 MOSFET과 그 게이트의 전하를 빼내는 트랜지스터가 들어 있다

그림 10은 전류제어용 P채널 MOSFET과 P채널 MOSFET 의 게이트 전하를 빼내 ON시키는 트랜지스터가 들어 있는 종 류를 나타낸 것이다. 로드 스위치 등에 사용되고 있다. 게이트 의 전하를 빼내며 트랜지스터가 N채널 MOSFET인 제품 예로

SSM6E03TU[VDSS＝－20V, ID＝－1.8A, VGS＝1.8V일 때의 RDS(on)＝144], NPN 타입의 예로 TPCP8J01 [VDSS＝－32V, ID＝－5.5A, VGS＝4V일 때의 RDS(on)＝49mΩ]을들수있다. 그림 11에 응용 예로 콘덴서의 충전 회로를 나타낸다. 프린 터 등에서 많이 사용되는 모터 구동 회로 등, 10㎌을 초과하는 콘덴서 충전에 사용된다(자세한 부분은 나중에 설명한다).

5. 과전압 보호 다이오드가 들어 있는 N채널 MOSFET

그림 12는 유도부하를 스위칭하는 MOSFET과 턴 오프 시 드레인에 가해지는 과전압에서 MOSFET을 보호하는 제너 다 이오드가 들어 있는 품종이다. 그림 13은 MOSFET의 소스- 드레인 사이에 가해지는 전압을 제너 다이오드로 클램프하여 과전압이 MOSFET에 가해지지 않도록 막는 모습이다.

 

6. DC-DC 컨버터를 심플하게 구성할 수 있는 SBD가 들어 있다

표 3에 라인업을 나타낸다. 그림 14(a)는 DC-DC 컨버터의 스위칭용 P채널 MOSFET과 전류(프리호일)용 SBD가 내장된 제품의 내부를 나타낸 것이다. 그림 14(b)는 N채널 MOSFET 과 SBD를 내장한 제품 내부이다. 그림 15는 이 타입의 복합 MOSFET을 사용한 강압형 DC-DC 컨버터의 회로 예이다.

7. DC-DC 컨버터의 효율을 높일 수 있는 SBD가 탑재된 N채널

표 4에 라인업을 나타낸다. 그림 16은 동기정류형 DC-DC 컨버터의 로우 사이드용에 기생 다이오드로 전류가 흐르지 않 도록 순방향 전압 VF가 낮은 쇼트키 배리어 다이오드(SBD)를 동일한 칩 형태로 형성한 N채널 MOSFET이다. 그림 17과 같이 SBD를 외장하면 배선 인덕턴스에 의해 SBD에 전류가 흐르지 않고 보디 다이오드로 흘러 버리는 경 우가 있다. 보디 다이오드의 역회복 전류 Irr은 SBD보다 크므 로 비교적 손실이 커져 버린다. SBD를 내장함으로써 보디 다 이오드가 아닌 SBD에 전류가 흐르며, 역회복 전류 Irr을 작게 하여 스위칭 손실을 줄일 수 있다. 스위칭손실저감효과를확인하기위해서는드레인전류와소 스-드레인간 전압 파형을 관측해야 하지만 전류 프로브를 사용 하면 배선 인덕턴스가 바뀌므로 정확히 측정할 수 없다. 결국 출 력전력과입력전력을측정하여그차이에서효과를판단했다.

온 저항이 낮은 제품과 그 응용

온 저항이 낮은 제품을 응용한 것 중 대표적인 것으로는, 장치 가 대기 상태일 때 동작시킬 필요가 없는 회로의 경우 전원 공급 을끊어소비전력을작게줄이는로드스위치나, 모터구동회로 등에서사용되는10㎌이상의콘덴서충전제어를들수있다.

1. 사양

표 5는 온 저항이 낮은 타입의 저내압 MOSFET이 발전한

모습을 나타낸 것이다. 온 저항 저감과 소형화가 진행됐다는 것을 알 수 있다. 그림 18에 온 저항이 낮은 타입의 라인업을 나타낸다(도시바 제품). 온 저항과 최대 드레인 전류 정격에 착 안하여 플롯했다.

2. 충전 회로에 응용

그림 11은 온 저항이 낮은 제품의 대표적인 응용 회로 예를 나타낸 것이다. Q2는 최대 드레인 전류 정격 1.8A의 P채널 MOSFET, Q1은 0.1A의 N채널 MOSFET이다. Q2가 ON되어 콘덴서가 충전될 때까지, Q2의 드레인 전류 는 부하의 임피던스가 아닌 게이트 전압의 크기에 의존하여 리니어로 변화된다. 또 MOSFET이 스위칭 동작하고 있을 때의 드레인 전류는 부하의 크기로 결정된다.

(1) 파괴되지 않는지 확인할 것

드레인 전류가 게이트 전압에 의존하는 동작을 MOSFET에 서 실행하고 있을 경우, 드레인-소스간 전압과 드레인 전류의 파형을 오실로스코프의 X-Y 모드로 관측하여 데이터시트의 안전 동작 영역과 대조한다. SSM6E03TU인 경우에는 안전 동작 영역의 특성도가 나타 나 있지 않다. 이 경우, 채널 온도를 산출하여 보증 온도 150℃ 이하로 되어 있는지 확인한다. 안전 동작 영역을 넘을 경우, TPCP8J01(5.5A P채널 MOSFET＋바이폴라 트랜지스터)로 변경하거나 TPC8110(8A P채널 MOSFET)과 2SC1815(0.15A, 50V의 NPN 바이폴라 트랜지스터)의 조합으로 변경한다.

고속 스위칭 제품과 그 응용

내압이 낮고 고속인 MOSFET은 스위칭 손실을 줄이기 위 해 ON일 때 게이트에 공급해야 하는 전하량을 작게 줄인 것 이다. 스위칭 주파수가 높은 초소형 DC-DC 컨버터에 사용 된다.

1. 사양

그림 19에 고속 스위칭 타입 저내압 MOSFET의 라인업(도 시바 제품)을 나타낸다.

표 6은 고속 제품의 사양이 어떻게 변천되어 왔는지를 나타 낸 것이다. 셀은 Ⅲ, Ⅴ, Ⅵ, Ⅶ 순서로 미세화됐다. 표에서 CGD는 게이 트-드레인 사이의 용량이고 턴 오프일 때의 dV/dt에 의해 게 이트에 전류가 흐른다. CGS가 커지면 그 영향은 작아진다. CGD/CGS는 게이트-드레인 사이의 용량과 게이트-소스 사 이의 용량비이다. 이 비가 크면 턴 오프일 때 발진하기 쉬우 며, 낮으면 발진하기 어렵다는 것을 나타낸다. 예를 들어 Ⅲ세 대인 TPCA8004-H를 사용했다고 하자. Ⅴ세대인 TPCA8019-H, Ⅵ세대인 TPCA8028-H로 하면 저항이 내려 가 도통 손실이 대폭 줄어든다. 제Ⅶ세대에서는 온 저항을 더 낮춘 TPCA8055-H(1.9mΩ) 나 온 저항을 낮추면서 동시에 스위칭 손실도 낮춘 TPCA8057-H(2.6mΩ, CGD＝240pF) 등 도통 손실과 스위칭 주파수를 고려하여 선택할 수 있는 범위가 넓어졌다.

2. DC-DC 컨버터에 응용

그림 20은 대표적인 응용이라 할 수 있는 동기정류형 DCDC 컨버터 회로를 나타낸 것이다. 여기서는 스위칭 주파수 500kHz를 고려하여 상수를 설정했다.

저내압 제품에 많은 표면실장 패키지의 방열 설계

1. 뒷면 전극이 없는 몰드 패키지의 열 흐름 및 온도 측정 방법

저내압 MOSFET 패키지의 대부분은 표면실장형이므로 발 생한 열은 기판으로 보내야 한다. 그림 21은 절연 패키지의 MOSFET을 프린트 기판에 실장

했을 때 열을 전달하는 방법이다. 열은 칩에서 내부의 동판으 로 전달되며 동판을 따라 드레인 단자로 전달된다. 또한 드레 인 단자에서 프린트 기판의 동박으로 전달되며 프린트 기판 표면의 동박에서 공중으로 방사된다. 이 열 전도 메커니즘에서 드레인 전극부의 프린트 패턴 면 적이 넓을수록 방열 효과가 높다는 것을 알 수 있다. 또 이와 같은 패키지의 경우, 데이터시트에서 말하는‘케이스 온도’는 드레인 전극의 온도를 의미한다. 패키지 표면으로는 열이 전 달되지 않으므로 내부 칩에서 패키지 표면까지의 열저항은 의 미가 없다. 온도가 포화되어 안정적인 상태에서는 리드 프레임과 패키 지 표면이 거의 같은 온도로 되어 있으며, 패키지 표면은‘케 이스 온도’라고 하는 드레인 전극의 리드 온도보다 높아진다. 오차가 허용된다면 드레인 전극이 아닌 패키지 표면 온도를 측정하여 케이스 온도로 해도 될 것이다.

2. 뒷면 전극이 있는 패키지의 열 흐름 및 온도 측정 방법

그림 22는 표면실장형이며 뒷면에 방열 판이 있는 MOSFET을 프린트 기판에 실장 했을 경우의 열 흐름을 나타낸 것이다. 열은 내부 칩에서 내부의 동판으로 흐르며 땜납 을 통해 즉시 프린트 기판의 동박으로 전달 된다. 이에 따라 방열 효과가 좋아지며 MOSFET의 전류 정격도 올라간다. MOSFET을 실장한 프린트 기판 바로 뒤 에 방열기를 납땜하면 프린트 기판을 경유 하여 방열기로부터도 방열된다. 따라서 프 린트 기판의 재질과 열저항도 중요하다. 이 경우의‘케이스 온도’는 MOSFET 칩 바로 아래의 프린트 기판과 납땜되는 부분의 온 도를 말한다.

3. 열저항의 정의는 제품에 따라 다르다

기술 자료에 표기되어 있는 열저항의 정 의는 디바이스에 따라 다르므로 데이터시트 를 구석구석 확인해야 한다.

(1) 프린트 기판 지정

드레인 손실의 조건으로 사용하는 프린트 기판의 재질(FR4 또는 세라믹), 크기, 방열용 패드의 크기가 명시되어 있는 제품이 있다. 실장 조건이 다를 경우에는 그에 대응하여 허용 손실도 바꾼다.

(2) 시간 지정

조건으로 프린트 기판의 패턴을 지정하고 비포화 상태에 있 는 5초 동안의 과도 열저항을 이용하여 과도 상태에서의 허용 손실을 표시한 제품이 있다.

(3) 내장소자 수 지정

MOSFET이 2회로 들어 있는 제품은 2회로를 사용했을 때와 1회로밖에 사용하지 않았을 때 허용 손실(열저항)이 다 르다.