MOSFET 스위칭 회로,동작 원리,LED 제어,예제1과RDS(on)값이 중요한 이유,모터 제어

1. MOSFET 스위칭 회로란?

MOSFET 스위칭 회로는 전자 회로의 한 유형으로, Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors (MOSFETs)를 주요 스위칭 구성 요소로 사용합니다.
MOSFET는 전압에 의해 제어되는 장치로, ON 및 OFF 상태 사이를 빠르게 전환하여 다양한 전자 응용 분야에서 전류의 흐름을 제어하는 데 사용됩니다.

MOSFET 스위칭 회로에서 MOSFET는 전류의 흐름을 제어하는 스위치로 사용됩니다.
MOSFET의 게이트 단자에 전압 신호를 가하면 장치를 ON 또는 OFF로 전환하여, 전류가 부하를 통해 흐르도록 하거나 (ON 상태) 전류 흐름을 차단할 수 있습니다 (OFF 상태).

MOSFET 스위칭 회로는 전력 전자기, 모터 제어, LED 조명, 전압 조절 등 다양한 응용 분야에서 널리 사용됩니다.
이러한 회로는 높은 스위칭 속도, 낮은 전력 소모 및 열 방출이 적다는 장점을 제공하여 많은 스위칭 응용 분야에서 선호되는 선택지가 됩니다.

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2. MOSFET 스위칭 회로 이상과 실제 특성

스위칭은 반도체 소자인 Bipolar Junction Transistors (BJT) 또는 Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors (MOSFET) 등을 통한 전기 전류의 흐름을 제어하는 과정을 의미합니다.
이러한 소자들은 보통 스위치로 사용되며, ON 또는 OFF 상태 중 하나에 있을 수 있습니다.

2-1) MOSFET 스위칭 회로의 이상적인 특성

• 빠른 스위칭 속도: 이상적인 스위치는 ON과 OFF 상태 간의 전환을 빠르게 수행하여 전류 흐름을 효율적으로 제어할 수 있어야 합니다.
• 낮은 ON 상태 저항: ON 상태일 때, 스위치는 전류 흐름에 대한 최소한의 저항을 가져야 하며, 이로써 전압 강하가 미미하게 유지됩니다.
• 높은 OFF 상태 저항: 반대로 OFF 상태에서는 스위치가 높은 저항을 나타내어 전류 흐름을 방지하거나 최소화하여 회로를 전원 공급원으로부터 격리해야 합니다.
• 낮은 소비 전력: 스위치가 상태를 전환할 때 발생하는 전력 소비를 최소화하여 에너지 손실과 열 발생을 줄입니다.
• 제로 누설 전류: OFF 상태에서 이상적인 스위치는 누설 전류가 제로이어야 하며, 이는 회로의 완전한 격리를 보장하고 전력을 절약합니다.
• 높은 신뢰성과 내구성: 스위치는 장기간 동안 성능 특성을 유지하며, 기능에서의 최소한의 저하가 있는 것이 이상적입니다.
• 제어 신호와의 호환성: 이상적인 스위치는 전압 또는 전류 입력과 같은 제어 신호에 민감하여 회로 내에서 정밀하고 신뢰할 수 있는 작동을 가능하게 합니다.

MOSFET 스위칭 회로의 특성은 다양한 응용 분야에서 전류 흐름을 효과적으로 제어하기 위한 이상적인 스위치의 동작을 정의합니다.
그러나 실제 반도체 스위치는 제조 오차, 환경 조건 및 운영 매개 변수와 같은 요인으로 인해 이상적인 특성에서 벗어날 수 있습니다.

2-2) MOSFET 스위칭 회로의 실제 스위칭의 특성

실제 MOSFET 스위칭 회로의 특성은 제조 한계, 환경 조건 및 작동 매개 변수와 같은 다양한 요인으로 인해 이상적인 스위치 특성과는 다를 수 있습니다.

• 스위칭 속도: 이상적인 스위치는 ON 및 OFF 상태 간에 즉시 전환되지만, 실제 스위치는 내부 전도도, 부생 효과 및 게이트 드라이빙 회로로 인해 유한한 스위칭 속도를 나타낼 수 있습니다.
  스위칭 속도는 스위치가 제어 신호에 빠르게 응답하고 상태를 변경하는 속도를 결정합니다.
  
• ON 상태 저항: 실제 스위치는 ON 상태일 때 유한한 저항을 가지며, 이를 ON 상태 저항이라고 합니다.
  이 저항은 소비 전력과 스위치 건너전압에 영향을 미치므로 효율성과 성능에 영향을 줍니다.
  
• OFF 상태 누설 전류: 누설 전류를 최소화하기 위한 노력에도 불구하고, 실제 스위치는 OFF 상태일 때 소량의 전류 흐름을 나타낼 수 있습니다.
  이 누설 전류는 소비 전력에 영향을 미치고 OFF 상태의 정확성에 영향을 줄 수 있습니다.
  
• 게이트 드라이브 요구 사항: 실제 스위치는 신뢰할 수 있는 스위칭 동작을 위해 적절한 게이트 드라이브 전압과 전류가 필요합니다.
  게이트 드라이브 회로는 스위치의 사양을 충족시키고 다양한 조건에서 올바른 작동을 보장하기 위해 설계되어야 합니다.
  
• 온도 의존성: 스위치 특성은 온도 변화에 따라 다를 수 있으며, ON 상태 저항, 누설 전류 및 스위칭 속도와 같은 매개 변수에 영향을 줍니다.
  온도 보정 및 열 관리 기술을 사용하여 이러한 영향을 완화할 수 있습니다.
  
• 전압 및 전류 등급: 실제 스위치에는 최대 허용 작동 조건을 정의하는 전압 및 전류 등급이 지정됩니다.
  이러한 등급을 초과하면 장치 고장이나 성능 저하가 발생할 수 있습니다.
  
• 순간 응답: 실제 스위치는 스위칭 이벤트 중에 순간적인 효과를 나타낼 수 있습니다.
  이러한 순간적인 현상은 시스템 안정성, 신호 무결성 및 전자기 간섭 (EMI)에 영향을 줄 수 있습니다.

3. MOSFET 스위칭 회로 동작 원리

3-1) MOSFET 스위칭 회로 동작 원리

• 게이트 제어: MOSFET에는 게이트(G), 드레인(D), 소스(S) 세 개의 단자가 있습니다.
  게이트와 소스 단자 사이에 전압(VGS)이 가해지면 게이트 아래의 채널 영역에 전기장이 형성됩니다.
  
• 채널 형성: 게이트에 가해지는 전압에 따라 MOSFET의 채널 영역(드레인과 소스 사이)은 “ON” 상태 또는 “OFF” 상태가 될 수 있습니다.
  ON 상태에서는 채널이 전류를 전달하고, OFF 상태에서는 전달하지 않습니다.
  
• ON 상태: N채널 MOSFET의 경우 게이트와 소스 사이에 충분히 양전압(또는 P채널 MOSFET의 경우 음전압)이 가해지면 게이트를 통과하는 전자(또는 정공)들이 드레인과 소스 사이에 전류를 전달하기 위한 전도 채널을 형성합니다.
  
• OFF 상태: 반대로, 게이트 전압이 MOSFET의 임계 전압(Vth)보다 낮으면 채널이 형성되지 않고 장치가 OFF 상태가 됩니다.
  이 상태에서는 반도체 재료의 고유한 특성으로 인해 매우 작은 누설 전류만 흐릅니다.
  
• 스위칭 작동: MOSFET을 ON으로 전환하려면 게이트와 소스 사이에 임계 전압(Vth)보다 높은 전압을 가해하여 드레인과 소스 사이에 전류가 흐르도록 하고, OFF로 전환하려면 게이트 전압을 임계 전압 아래로 낮추어 채널을 통한 전류 흐름을 차단합니다.
  
• 고임피던스: OFF 상태에서 MOSFET은 매우 높은 입력 임피던스를 가지므로 주변 회로에서 거의 전류를 소모하지 않습니다.
  이는 저전력 소비가 중요한 디지털 회로 등 다양한 스위칭 응용에서 효율적으로 사용할 수 있도록 합니다.

3-2) MOSFET을 사용하여 LED를 제어

이 회로에서는 MOSFET 스위칭 회로를 사용하여 LED를 제어하는 간단한 회로를 구성했습니다.
이 MOSFET은 스위치로서 작동하며, 켜기와 끄기를 수행합니다.

우선, MOSFET의 게이트 입력 전압(VGS)을 조절하여 MOSFET을 켜거나 끌 수 있습니다.
게이트 입력 전압이 충분히 양수이면(기술적으로는 VGS > VTH), MOSFET은 선형 영역으로 들어가고 스위치가 켜집니다.
이로써 LED가 켜집니다.

반대로, 게이트 입력 전압이 0V(기술적으로는 < VTH)이면 MOSFET은 차단 상태로 들어가서 스위치가 꺼집니다.
이에 따라 LED도 꺼집니다.

이 회로에서 전구 부하 대신에 코일, 솔레노이드 또는 릴레이와 같은 인덕티브 부하를 사용할 경우, MOSFET을 자가 발생하는 역전압으로부터 보호하기 위해 부하와 평행으로 “flywheel Diode”를 추가해야 합니다.
인덕티브 부하를 제어할 때는 자기장이 붕괴될 때 큰 역전압이 발생할 수 있기 때문에 이러한 보호장치가 필요합니다.

4. N-채널 및 P-채널 MOSFET 스위칭 회로 특성 비교표

특성	N-채널 MOSFET	P-채널 MOSFET
동작 영영	Enhancement mode (VGS > VTH)	Enhancement mode (VGS < VTH)
Turn-ON Voltage	Positive VGS	Negative VGS
Turn-OFF Voltage	Zero VGS	Zero VGS
채널 전도도	N-형 채널 (N→N→N)	P-형 채널 (P→P→P)
Voltage Supply Polarity	Positive	Negative
드레인 전압	Positive (ON)	Negative (ON)
소스 전압	Ground	Positive (ON)
응용	high-side switching 주로 사용	low-side switching 주로 사용
Inrush Current	Positive 공급 극성으로 인해 일반적으로 높음	Negative 공급 극성으로 인해 일반적으로 낮음
소비 전력	채널 저항 감소로 인해 일반적으로 낮음	채널 저항이 높기 때문에 일반적으로 높음
구동 회로	게이트 스위칭을 위해 Positive 전압 소스 필요	게이트 스위칭을 위해 Negative 전압 소스 필요

N-채널 MOSFET은 채널을 통한 전류 흐름을 위해 게이트 단자를 소스보다 더 positive으로 만들어야 하지만, P-채널 MOSFET은 전자가 아닌 홀의 흐름에 의해 동작합니다.
즉, P-채널 MOSFET의 게이트 단자는 소스보다 더 negative으로 만들어져야 하며, 게이트가 소스보다 더 positive가 될 때까지 전류가 흐르지 않게 됩니다.

따라서 enhancement type의 파워 MOSFET이 아날로그 스위칭 장치로 작동하려면 “차단 영역” (VGS = 0V 또는 VGS = -ve)과 “포화 영역” (VGS(on) = +ve) 사이에서 전환되어야 합니다.
MOSFET에서 소비되는 전력(PD)은 포화 상태에서의 채널을 통한 전류 ID와 채널의 “ON 저항”인 RDS(on)에 의해 결정됩니다.

5. MOSFET 스위칭 회로 예제

5-1) 예제1

램프가 완전히 “켜진” 상태라고 가정하고, 표준 MOSFET의 채널 내 저항 (R_DS(on)) 값이 0.1Ω인 경우, MOSFET 스위칭 장치에서 소비되는 전력을 계산해 보겠습니다.

전력을 계산하려면 먼저 램프를 통해 흐르는 전류를 찾아야 합니다.
오옴의 법칙을 사용하여 전류를 찾을 수 있습니다.

I = V / R

• 여기서
• V는 램프를 통한 전압이며, 6V입니다.
• R은 램프의 저항입니다.
• 램프의 저항은 R = V ² / P​라는 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다. 여기서 P는 램프의 소비 전력이며, 24W입니다.

먼저 램프의 저항을 계산해 보겠습니다.

R = V ² / P​ =6² / 24 = 36/24 = 1.5Ω

이제 램프를 통해 흐르는 전류를 찾을 수 있습니다.

I = V / R = 6/1.5=4A

MOSFET이 완전히 “켜진” 상태이므로, MOSFET을 통한 전압 강하(V_DS)는 무시할 수 있습니다.
따라서 MOSFET에서 소비되는 전력 (P_MOSFET​)은 다음과 같은 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.

P_MOSFET​=I²×R_DS(on)​

주어진 값으로 대체하면

P_MOSFET​=(4)²×0.1=16×0.1=1.6W

따라서 MOSFET 스위칭 장치에서 소비되는 전력은 1.6 W입니다.

5-2) 채널 저항(RDS(on)) 중요한 이유는?

MOSFET 스위칭 회로에서 채널 저항(RDS(on))이 왜 중요한지 궁금할 수 있습니다.
특히 MOSFET을 사용하여 DC 모터나 초과 전류 부하를 제어할 때, 드레인과 소스 간의 ON 상태 저항(RDS(on))이 중요해집니다.

이해를 돕기 위해 생각해보겠습니다.
MOSFET이 DC 모터를 제어할 때, 모터가 회전을 시작할 때 전류가 급격히 증가합니다.
이러한 급증은 모터의 각도의 저항이 시작 전류를 제한하는 요인이 없기 때문에 발생합니다.

기본적인 전력 공식 P = I² * R에 따르면, 높은 RDS(on) 값은 MOSFET 내부에서 많은 전력이 소비되고 낭비됨을 의미합니다.
이로 인해 과열이 발생하고 적절하게 처리되지 않으면 MOSFET이 과열되어 열 과부하로 손상될 수 있습니다.

반면에 낮은 RDS(on) 값은 바람직합니다.
왜냐하면 이는 MOSFET을 통한 전류가 더 적게 소비되고 쿨한 운영을 가능하게 하기 때문입니다.
전원 MOSFET은 일반적으로 0.01Ω 미만의 RDS(on) 값을 가지며, 이는 더 쿨하게 작동하고 수명을 연장합니다.

또 다른 중요한 고려 사항은 MOSFET이 처리할 수 있는 최대 드레인 전류입니다.
RDS(on) 파라미터는 MOSFET 스위칭 회로의 효율성을 나타내는 데 유용한 정보를 제공합니다.
MOSFET이 ON될 때 전류가 흐르는 비율을 나타냅니다.

전력 MOSFET 또는 다른 필드 효과 트랜지스터를 고체 스위치로 사용할 때는 매우 낮은 RDS(on) 값을 가진 것을 선택하거나 적절한 열싱크에 장착하는 것이 좋습니다.
전원 MOSFET은 일반적으로 그들의 디자인에 서지 전류 보호장치를 내장하고 있지만, 고전류 응용 분야에서는 양극성 접합 트랜지스터가 더 나은 선택일 수 있습니다.

6. MOSFET 스위칭 회로-모터 제어

이 회로는 양방향으로 모터를 제어하기 위해 두 개의 MOSFET 스위칭 회로를 사용하는 것입니다.
모터는 공통 드레인 연결과 지상(GND) 사이에 연결되어 있습니다.

입력이 LOW일 때 P-channel MOSFET은 ON 상태로 스위칭됩니다.
이는 게이트와 소스 간의 접합이 음전압으로 바이어스가 걸려 있기 때문에 모터가 한 방향으로 회전합니다.
이때 모터는 양극인 +VDD 공급 레일만 사용하여 구동됩니다.

입력이 HIGH일 때, P-channel MOSFET은 OFF 상태로 전환되고, N-channel MOSFET은 ON 상태로 전환됩니다.
이때 게이트와 소스 간의 접합이 양전압으로 바이어스가 걸려 있습니다.
이로 인해 모터는 반대 방향으로 회전하게 됩니다.
모터의 단자 전압이 반대로 바뀌기 때문에 모터는 이제 -VDD 공급 레일에서 전원을 공급받게 됩니다.

따라서 P-channel MOSFET은 모터에 양방향 (고측 스위칭) 전원을 전환하고, N-channel MOSFET은 모터에 역방향 (저측 스위칭) 전원을 전환합니다.

이 회로의 다른 구성은 두 MOSFET을 구동하는 여러 가지 방법이 있으며, 이것은 다양한 응용 분야에서 사용됩니다.
각 MOSFET을 단일 게이트 드라이브 IC로 구동할 수도 있습니다.

그러나 두 MOSFET이 듀얼 공급의 양 극성에서 동시에 전류를 이끌 때 교차 전도를 방지하기 위해서는 빠른 스위칭 장치가 필요합니다.
이렇게 하면 한 장치가 OFF 상태가 되고 다른 장치가 ON 상태가 되는 시간 차를 두어 교차 전도를 방지할 수 있습니다.
이 문제를 해결하는 또 다른 방법은 두 MOSFET 게이트를 별도로 구동하는 것입니다.
이렇게 하면 두 MOSFET이 모두 OFF 상태일 때 모터를 정지시킬 수 있습니다.

MOSFET 1	MOSFET	모터 동작
OFF	OFF	모터 정지 (OFF)
ON	OFF	모터 전방 회전
OFF	ON	모터 후방 회전
ON	ON	허용되지 않음

다음과 같이 어떤 조합이든 동시에 허용되지 않아야 합니다.
그렇지 않으면 FET1과 FET2가 동시에 “ON”으로 전환되어 전원 공급이 단락될 수 있습니다.
그 결과로 퓨즈가 터질 수 있으니 주의하셔야 됩니다.