드라이버 소스 단자를 통한 스위칭 손실의 개선기존 MOSFET의 구동 방법

기존 MOSFET의 구동 방법

드라이버 소스 단자를 설명하기에 앞서, 기존 MOSFET의 구동 방법에 대해 설명하겠습니다.

MOSFET는 일반적으로 전압 구동 타입으로, 게이트 단자에 대한 전압을 ON / OFF함으로써 스위칭 동작을 제어합니다. 하기 그림은 기존의 TO-247N 패키지 (3단자) MOSFET의 일반적인 게이트 구동 회로 예입니다.

구동 전원 V_G와 MOSFET의 게이트 단자 Gate 사이에 외장 저항 R_{G_EXT}를 접속하여 스위칭 속도를 제어합니다. 이때, 구동 회로에는 PCB 패턴의 인덕턴스 L_TRACE와 MOSFET의 소스 단자 Source에 존재하는 패키지 인덕턴스 L_SOURCE가 포함되어 있으므로, 이러한 파라미터를 고려하는 것이 매우 중요합니다. 게이트 단자의 패키지 인덕턴스는 L_TRACE에 포함되어 있고, 드레인 단자 Drain의 인덕턴스 L_DRAIN은 게이트 구동 회로에 포함되어 있지 않으므로, 여기에서는 생략하였습니다.

이 구동 회로의 동작은 기본적이고 일반적인 것이므로 여기에서는 자세한 설명을 생략하지만, 기존의 스위칭 속도에서는 간과하기 쉬운 동작으로서 드레인 – 소스 사이에 흐르는 드레인 전류 I_D의 변화에 의해 L_SOURCE에서 발생하는 전압 V_LSOURCE에 주의해야 합니다. 하기 그림은 구동 회로에서 스위칭 동작 중의 전압 인가를 나타낸 것입니다.

V_G가 인가되어 MOSFET가 Turn-on하면 I_D는 증가하고, L_SOURCE에 그림의 (I) 방향으로 V_LSOURCE가 발생합니다. 그리고, 게이트 단자에는 전류 I_G가 유입되어 R_{G_EXT}에서 전압 강하 V_{RG_EXT} (I)이 발생합니다. 이러한 전압은 Turn-on 시의 구동 회로망에 포함되어, MOSFET의 Turn-on 동작에 필요한 칩 상의 전압 V_{GS_INT}를 식 (1)과 같이 감소시키게 되고, 결과적으로 Turn-on 속도의 저하를 초래합니다. L_TRACE로 인해 전압이 발생하지만, 작은 수치이므로 여기에서는 생략하였습니다.

Turn-off 시에도 동일한 이유로, 식 (1)의 I_G 및 dI_D/dt가 마이너스가 되므로, R_{G_EXT}와 L_SOURCE에 전압 상승 (II)을 발생시켜, V_{GS_INT}의 증가로 인한 Turn-off 속도의 저하를 초래합니다.

일반적으로 파워 스위칭 디바이스의 L_SOURCE는 수 nH에서 십수 nH이며, dI_D/dt가 수 A/ns에 도달하면 10V 이상의 V_LSOURCE가 발생하는 경우도 있어, 스위칭 동작에 큰 영향을 미치게 됩니다.

드라이버 소스 단자는 이러한 V_LSOURCE의 영향을 배제하여, 스위칭 속도를 개선하기 위한 것입니다.