스위칭 소자: 실제 스위치는 두 가지로 뜨거워진다
스위칭 주파수를 바꿔 두 손실이 어디서 갈리는지 보라
파형은 한 스위칭 주기 동안 소자에 걸리는 전압 Vds와 흐르는 전류 Id다. 켜져 있는 구간에는 전압이 거의 0이라 작은 도통 손실(호박색)만 흐르고, 켜고 끄는 전환의 찰나에는 전압과 전류가 함께 커져 붉은 손실 봉우리가 솟는다. 스위칭 주파수를 쓸어 보라. 주파수를 높이면 한 주기가 짧아져 전환의 봉우리가 차지하는 몫이 커지고, 스위칭 손실이 도통 손실을 넘어선다.
켜져 있는 값, 온저항이 도통 손실을 낸다
이상적 스위치는 켜지면 양단 전압이 0이지만, 현실의 전력 MOSFET은 켜져도 작은 온저항 Ron이 남는다. 그래서 전류 Io가 흐르면 소자에 Io·Ron만큼 전압이 걸리고, 도통 손실 P_cond = Io²·Ron이 열로 난다. 한 주기에서 켜져 있는 시간의 비율이 듀티비 D이니, 평균으로는 P_cond = Io²·Ron·D다. 이 손실은 켜고 끄는 횟수와 무관하고, 오직 전류와 온저항으로 정해진다. 그래서 더 낮은 Ron을 가진 소자일수록 같은 전류를 덜 뜨겁게 흘린다.
켜고 끄는 찰나, 겹침이 스위칭 손실을 낸다
전환은 한순간에 끝나지 않는다. 소자를 켜고 끄는 데 짧은 시간 tsw가 걸리고, 그 사이 전압은 아직 다 내려가지 않았는데 전류는 이미 오르고 있어 둘이 겹친다. 전압과 전류가 동시에 큰 그 찰나에 P = Vds·Id가 솟구쳐, 한 번의 전환마다 에너지 E_sw = ½·Vds·Io·tsw가 열로 사라진다. 이 손실은 한 번 켜고 끌 때마다 생기므로, 초당 fsw번 스위칭하면 스위칭 손실은 P_sw = E_sw·fsw로 주파수에 정비례한다. 도통 손실과 달리, 빠르게 켜고 끌수록 더 자주 새어 나간다.
맞바꿈, 그래서 더 빠르고 더 낮은 저항을 좇는다
왜 굳이 주파수를 높일까. F1에서 보았듯 스위칭 출력은 듀티비로 정해지고, 토막을 매끄럽게 펴는 일은 인덕터와 커패시터가 맡는다. 주파수를 높이면 같은 평활을 더 작은 인덕터와 커패시터로 해내, 전원이 작고 가벼워진다. 하지만 그 대가가 스위칭 손실이다. 그래서 설계는 늘 맞바꿈이다. 작게 만들려 주파수를 올리면 스위칭 손실이 늘고, 손실을 줄이려 주파수를 낮추면 회로가 커진다. 이 줄다리기를 한꺼번에 푸는 길은 더 나은 소자다. 온저항이 더 낮으면 도통 손실이, 전환이 더 빠르면(tsw가 짧으면) 스위칭 손실이 함께 준다. 질화갈륨(GaN)과 탄화규소(SiC) 같은 넓은띠틈 소자가 바로 이 두 손실을 동시에 낮춰, 전력전자를 더 작고 더 효율 좋게 밀어 올린다.
첫 화면으로 돌아가서
스위칭 주파수가 낮을 때 손실은 거의 호박색 도통 손실뿐이었고, 주파수를 높이자 붉은 전환 봉우리가 자주 솟아 스위칭 손실이 도통 손실을 넘어섰다. 켜져 있는 값은 온저항이 내는 P_cond = Io²·Ron·D, 켜고 끄는 값은 전압과 전류의 겹침이 내는 P_sw = E_sw·fsw였다. F1에서 이상적이라 가정했던 스위치의 정체가 바로 이것이다. 두 손실을 함께 낮추는 길은 더 낮은 온저항과 더 빠른 전환, 곧 더 나은 소자이며, 그 소자의 바탕은 이 트랙의 첫 화면에서 본 에너지밴드였다. 밴드에서 캐리어로, 접합과 다이오드로, 트랜지스터의 증폭과 스위칭으로 이어진 한 줄기가 여기서 닫힌다.
트랙을 마치며
전자공학 트랙이 여기서 끝난다. 무엇이 전기를 통하게 하는가라는 에너지밴드의 물음에서 출발해, 도핑이 캐리어를 정하고, 드리프트와 확산이 캐리어를 움직이고, pn 접합이 한 방향 밸브가 되었다. 그 밸브로 정류하고 파형을 빚었으며, 얇은 베이스의 BJT와 절연 게이트의 MOSFET이 작은 입력으로 큰 흐름을 쥐어 증폭을 낳았다. 차동단과 연산증폭기, 그 한계인 대역폭과 슬루레이트, 그리고 필터로 신호를 다루었고, 마침내 같은 트랜지스터를 스위치로 써서 전력 자체를 효율 좋게 다루는 데까지 왔다. 하나의 실, 곧 전자를 어떻게 다루는가가 24개 유닛을 처음부터 끝까지 꿰고 있었다.