모터 칼럼모터 드라이버 출력 트랜지스터의 기생 다이오드를 통한 전류 회생 시의 소비전력

이번에는 Brush DC 모터 드라이버 IC에서 PWM 구동 시, 출력 MOSFET의 기생 다이오드를 통해 전류 회생을 실시한 경우의 소비전력에 대해 설명하겠습니다. 이러한 내용을 주제로 다루는 이유는, 실제 회생 시의 소비전력이 계산을 통해 산출한 값보다 커지는 경우가 있으며, 경우에 따라서는 문제가 되므로 주의가 필요하기 때문입니다.

MOSFET의 기생 다이오드를 통한 전류 회생 시의 소비전력이 단순 계산보다 커지는 경우

출력 MOSFET의 기생 다이오드를 통한 전류 회생 시의 소비전력은 기생 다이오드의 순방향 전압×모터 전류의 값이 될 것입니다. 그러나, 실제로는 이 계산치보다 소비전력이 커지는 경우가 있습니다.

그 이유로는, 출력 MOSFET의 기생 다이오드에 순방향 전압이 발생하도록 전류가 흐르면, MOSFET의 구조상 내재된 기생 트랜지스터가 동작하여 전원에서 GND로 전류가 흐릅니다. 이 전류는 다이오드에 흐르는 전류의 수십분의 1 미만으로 작지만, 소비전력은 전원전압×전원 – GND 간 전류가 되어, 전원전압이 높은 경우에는 무시할 수 없는 수치가 됩니다.

이러한 현상을 드라이버 출력 MOSFET의 상태와 전류의 흐름, 그리고 출력 MOSFET의 구조를 통해 설명하겠습니다.

먼저, 전류 회생 시 출력 MOSFET의 상태와 회생 전류의 흐름을 확인하겠습니다. 하기는 H 브릿지 회로이며, 동작에 관련이 없는 MOSFET는 생략하였습니다. (a)는 모터에 전류 공급 시, (b)와 (c)는 모두 전류 회생 시의 회로이며 구별을 위해 (b)를 전류 회생 시 1, (c)를 전류 회생 시 2로 표기하겠습니다.

(b) 전류 회생 시 1은, 전류 공급 시 ON 상태였던 Q1을 OFF, Q4는 ON을 유지합니다. 이 상태에서는 OFF되어 있는 Q2의 기생 다이오드와 ON되어 있는 Q4를 통해 전류가 회생됩니다.

(c) 전류 회생 시 2는, 전류 공급 시 ON 상태였던 Q1과 Q4를 OFF하여, 모든 MOSFET를 OFF 상태로 합니다. 이러한 경우, Q2와 Q4의 기생 다이오드를 통해 전류가 회생됩니다.

다음으로 추가 전류를 흘리게 되는 기생 트랜지스터에 대해 설명하기 위해, 하기에 모터 드라이버 IC의 출력 MOSFET 구조 단면도를 게재하였습니다. 상기 회로도에서, High-side는 Pch, Low-side는 Nch의 MOSFET를 사용하였으므로, 아래 그림에도 각각의 구조를 표시하였습니다.

출력 Nch MOSFET에는 드레인 D의 N형 확산층과 소자 분리 P형 확산층, 전원에 연결되는 N형 확산층 (여기에서는 출력 Pch MOSFET의 소스 S에 접속)에 의해 기생 NPN 트랜지스터 Qa가 발생합니다.

이 Nch MOSFET의 소스 – 드레인 간 기생 다이오드 Di_a에 회생 전류가 흐르면, 소자 분리 P형 확산층이 GND에 접속되어 있으므로, 기생 NPN 트랜지스터 Qa의 베이스 – 에미터 간 다이오드에도 순방향 전압이 발생합니다. 따라서, 기생 NPN 트랜지스터 Qa가 ON되어 콜렉터 전류가 흐르고, 전원 Ea에서 전류가 유입됩니다.

출력 Pch MOSFET의 경우도 원리적으로는 동일합니다. 드레인 D의 P형 확산층, 소스 S와 공통의 백 게이트 N형 확산층, 소자 분리 등의 P형 확산층에서 기생 PNP 트랜지스터 Qb가 발생합니다.

이 Pch MOSFET의 소스 – 드레인 간 기생 다이오드 Di_b에 회생 전류가 흐르면, 기생 PNP 트랜지스터 Qb가 ON되어 콜렉터 전류가 흐르고, GND에 전류가 흐르기 시작합니다.

출력 MOSFET의 기생 다이오드에 회생 전류가 흐를 때, 이와 같이 기생 트랜지스터로 인해 전원 – GND 사이에 전류가 흐릅니다. 일반적으로 흐르는 전류는 회생 전류보다 2자리 수 정도 작은 전류이지만, IC의 프로세스나 MOSFET의 레이아웃에 따라 크게 달라집니다. 따라서, 출력 MOSFET의 기생 다이오드를 통해 전류 회생을 실시하는 방법의 경우, 이러한 기생 트랜지스터로 인해 흐르는 전류의 크기를 확인해야 합니다.

예를 들어 (c) 전류 회생 시 2에서, 전원전압 Ea=24V, 회생 전류 Io＝1.0A, Nch MOSFET의 기생 다이오드 순방향 전압 VF_N＝0.8V, Pch MOSFET의 기생 다이오드 순방향 전압 VF_P＝0.95V, Nch MOSFET의 기생 트랜지스터와 Pch MOSFET의 기생 트랜지스터에 의해 전원 – GND 사이에 흐르는 전류의 회생 전류에 대한 비율을 각각 k1＝1/100이라고 하면 소비전력 Pc는 하기와 같아집니다.

 Pc＝Io×(VF_N＋VF_P＋2×k1×Ea)

  ＝1×(0.8＋0.95＋2×1/100×24)＝1.75＋0.48＝2.23W

이러한 예에서는 기생 트랜지스터가 흘리는 전류로 인한 소비전력에 대한 영향은 결코 무시할 수 없는 크기의 수치입니다. 따라서, 전원전압 Ea가 큰 경우에는 주의가 필요합니다.