하나의 기사로 MOSFET 이해

그림 3 전원 펄스 인가 시 MOSFET의 열저항

실제로 MOSFET을 선택하는 방법을 4단계로 나눌 수 있습니다.

첫 번째 단계: N 채널 또는 P 채널을 선택합니다.

설계에 적합한 장치를 선택하는 첫 번째 단계는 N채널 또는 P채널 MOSFET을 사용할지 결정하는 것입니다.일반적인 전력 애플리케이션에서 MOSFET이 접지에 연결되고 부하가 주 전압에 연결되면 MOSFET이 로우사이드 스위치를 형성합니다.로우사이드 스위치에서는 장치를 끄거나 켜는 데 필요한 전압을 고려하여 N채널 MOSFET을 사용해야 합니다.MOSFET이 버스에 연결되고 부하가 접지에 연결되면 하이사이드 스위치가 사용됩니다.P-채널 MOSFET은 일반적으로 이 토폴로지에 사용되며 이는 전압 구동 고려 사항 때문이기도 합니다.애플리케이션에 적합한 장치를 선택하려면 장치를 구동하는 데 필요한 전압과 설계에서 이를 수행하는 가장 쉬운 방법을 결정해야 합니다.다음 단계는 필요한 전압 정격, 즉 장치가 견딜 수 있는 최대 전압을 결정하는 것입니다.전압 정격이 높을수록 장치 비용이 높아집니다.실제 경험에 따르면 정격 전압은 주전원 전압이나 버스 전압보다 높아야 합니다.이는 MOSFET이 고장나지 않도록 충분한 보호를 제공합니다.MOSFET을 선택할 때에는 드레인에서 소스까지 허용할 ​​수 있는 최대 전압, 즉 최대 VDS를 결정할 필요가 있습니다.MOSFET이 온도 변화에 견딜 수 있는 최대 전압을 아는 것이 중요합니다.설계자는 전체 작동 온도 범위에 걸쳐 전압 변화를 테스트해야 합니다.회로가 고장나지 않도록 정격 전압에는 이 변동 범위를 포괄할 수 있는 충분한 여유가 있어야 합니다.설계 엔지니어가 고려해야 할 다른 안전 요소로는 모터나 변압기와 같은 전자 장치 전환으로 인해 발생하는 과도 전압이 있습니다.정격 전압은 용도에 따라 다릅니다.일반적으로 휴대용 장치의 경우 20V, FPGA 전원 공급 장치의 경우 20~30V, 85~220VAC 애플리케이션의 경우 450~600V입니다.

2단계: 정격 전류 결정

두 번째 단계는 MOSFET의 전류 정격을 선택하는 것입니다.회로 구성에 따라 이 정격 전류는 모든 상황에서 부하가 견딜 수 있는 최대 전류여야 합니다.전압 상황과 마찬가지로 설계자는 시스템이 전류 스파이크를 생성하는 경우에도 선택한 MOSFET이 이 정격 전류를 견딜 수 있는지 확인해야 합니다.고려되는 두 가지 전류 조건은 연속 모드와 펄스 스파이크입니다.연속 전도 모드에서 MOSFET은 전류가 장치를 통해 지속적으로 흐르는 정상 상태에 있습니다.펄스 스파이크는 장치를 통해 흐르는 큰 서지(또는 스파이크 전류)를 의미합니다.이러한 조건에서 최대 전류가 결정되면 이 최대 전류를 처리할 수 있는 장치를 선택하기만 하면 됩니다.정격 전류를 선택한 후 전도 손실도 계산해야 합니다.실제 상황에서 MOSFET은 전도 과정에서 전기 에너지 손실(전도 손실이라고 함)이 있기 때문에 이상적인 장치가 아닙니다.MOSFET은 "켜짐"일 때 가변 저항처럼 동작합니다. 이는 장치의 RDS(ON)에 의해 결정되고 온도에 따라 크게 변합니다.장치의 전력 손실은 Iload2×RDS(ON)로 계산할 수 있습니다.온 저항은 온도에 따라 변하므로 전력 손실도 이에 비례하여 변합니다.MOSFET에 인가되는 전압 VGS가 높을수록 RDS(ON)은 작아집니다.반대로 RDS(ON)은 더 높아집니다.시스템 설계자의 경우 이는 시스템 전압에 따라 상충 관계가 발생하는 부분입니다.휴대용 설계의 경우 더 낮은 전압을 사용하는 것이 더 쉽고 더 일반적이며, 산업용 설계의 경우 더 높은 전압을 사용할 수 있습니다.RDS(ON) 저항은 전류에 따라 약간 증가합니다.RDS(ON) 저항기의 다양한 전기적 매개변수의 변화는 제조업체에서 제공하는 기술 데이터 시트에서 확인할 수 있습니다.기술은 장치 특성에 큰 영향을 미칩니다. 일부 기술은 최대 VDS를 증가시키면 RDS(ON)을 증가시키는 경향이 있기 때문입니다.이러한 기술의 경우 VDS 및 RDS(ON)을 줄이려면 칩 크기를 늘려야 하며, 이로 인해 매칭 패키지 크기 및 관련 개발 비용이 증가합니다.업계에는 칩 크기의 증가를 제어하려는 여러 기술이 있으며, 그 중 가장 중요한 것은 채널 및 전하 균형 기술입니다.트렌치 기술에서는 온 저항 RDS(ON)을 줄이기 위해 일반적으로 저전압용으로 예약된 깊은 트렌치를 웨이퍼에 내장합니다.최대 VDS가 RDS(ON)에 미치는 영향을 줄이기 위해 개발 과정에서 에피택셜 성장 컬럼/에칭 컬럼 공정을 사용했습니다.예를 들어 Fairchild Semiconductor는 RDS(ON) 감소를 위한 추가 제조 단계를 추가하는 SuperFET라는 기술을 개발했습니다.RDS(ON)에 대한 이러한 초점은 표준 MOSFET의 항복 전압이 증가함에 따라 RDS(ON)이 기하급수적으로 증가하고 다이 크기의 증가로 이어지기 때문에 중요합니다.SuperFET 공정은 RDS(ON)과 웨이퍼 크기 간의 지수 관계를 선형 관계로 변경합니다.이러한 방식으로 SuperFET 장치는 최대 600V의 항복 전압에서도 작은 다이 크기로 이상적인 낮은 RDS(ON)을 달성할 수 있습니다.그 결과 웨이퍼 크기를 최대 35%까지 줄일 수 있습니다.최종 사용자의 경우 이는 패키지 크기가 크게 감소함을 의미합니다.

3단계: 열 요구 사항 결정

MOSFET 선택의 다음 단계는 시스템의 열 요구 사항을 계산하는 것입니다.디자이너는 최악의 시나리오와 실제 시나리오라는 두 가지 시나리오를 고려해야 합니다.최악의 경우 계산 결과를 사용하는 것이 좋습니다. 이 결과는 더 큰 안전 여유를 제공하고 시스템이 실패하지 않도록 보장하기 때문입니다.MOSFET 데이터 시트에는 주의가 필요한 일부 측정 데이터도 있습니다.패키징된 장치의 반도체 접합과 환경 사이의 열 저항, 최대 접합 온도 등이 있습니다.장치의 접합 온도는 최대 주변 온도에 열 저항과 전력 손실을 곱한 값과 같습니다(접합 온도 = 최대 주변 온도 + [열 저항 × 전력 손실]).이 방정식에 따르면 시스템의 최대 전력 손실은 정의상 I2×RDS(ON)과 동일하게 풀 수 있습니다.설계자가 장치를 통과할 최대 전류를 결정했으므로 RDS(ON)은 다양한 온도에서 계산할 수 있습니다.단순한 열 모델을 다룰 때 설계자는 반도체 접합/장치 케이스 및 케이스/환경의 열 용량도 고려해야 한다는 점은 주목할 가치가 있습니다.이를 위해서는 인쇄 회로 기판과 패키지가 즉시 가열되지 않아야 합니다.애벌런치 항복(Avalanche Breakdown)은 반도체 소자의 역전압이 최대값을 초과하여 강한 전기장을 형성하여 소자의 전류를 증가시키는 것을 의미합니다.이 전류는 전력을 소모하고 장치 온도를 높이며 장치를 손상시킬 수 있습니다.반도체 회사는 장치에 대한 애벌런치 테스트를 수행하고 애벌런치 전압을 계산하거나 장치의 견고성을 테스트합니다.정격 애벌런치 전압을 계산하는 방법에는 두 가지가 있습니다.하나는 통계적 방법이고 다른 하나는 열 계산입니다.열 계산은 보다 실용적이기 때문에 널리 사용됩니다.많은 회사에서 장치 테스트에 대한 세부 정보를 제공했습니다.예를 들어, Fairchild Semiconductor는 "Power MOSFET Avalanche 지침"(Power MOSFET Avalanche 지침 - Fairchild 웹 사이트에서 다운로드 가능)을 제공합니다.컴퓨팅 외에도 기술도 눈사태 효과에 큰 영향을 미칩니다.예를 들어, 다이 크기가 증가하면 눈사태 저항이 증가하고 궁극적으로 장치 견고성이 향상됩니다.최종 사용자의 경우 이는 시스템에서 더 큰 패키지를 사용하는 것을 의미합니다.

4단계: 스위치 성능 결정

MOSFET 선택의 마지막 단계는 MOSFET의 스위칭 성능을 결정하는 것입니다.스위칭 성능에 영향을 미치는 매개변수는 많지만 가장 중요한 것은 게이트/드레인, 게이트/소스 및 드레인/소스 커패시턴스입니다.이러한 커패시터는 전환할 때마다 충전되기 때문에 장치에 스위칭 손실을 발생시킵니다.따라서 MOSFET의 스위칭 속도가 감소하고 장치 효율도 감소합니다.스위칭 중 장치의 총 손실을 계산하려면 설계자는 켜는 동안의 손실(Eon)과 끄는 동안의 손실(Eoff)을 계산해야 합니다.MOSFET 스위치의 총 전력은 다음 방정식으로 표현될 수 있습니다. Psw=(Eon+Eoff)×스위칭 주파수.게이트 전하(Qgd)는 스위칭 성능에 가장 큰 영향을 미칩니다.스위칭 성능의 중요성에 기초하여, 이러한 스위칭 문제를 해결하기 위한 새로운 기술이 끊임없이 개발되고 있습니다.칩 크기가 증가하면 게이트 전하가 증가합니다.이로 인해 장치 크기가 늘어납니다.스위칭 손실을 줄이기 위해 게이트 전하를 줄이기 위한 채널 두꺼운 바닥 산화와 같은 새로운 기술이 등장했습니다.예를 들어 신기술인 SuperFET는 RDS(ON)과 게이트 전하(Qg)를 줄여 전도 손실을 최소화하고 스위칭 성능을 향상시킬 수 있습니다.이러한 방식으로 MOSFET은 스위칭 중 고속 과도 전압(dv/dt) 및 전류 과도(di/dt)에 대처할 수 있으며 더 높은 스위칭 주파수에서도 안정적으로 작동할 수 있습니다.