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F2 · 전력전자

스위칭 소자: 실제 스위치는 두 가지로 뜨거워진다

앞 유닛에서는 스위치를 이상적이라고 보았다. 전력 MOSFET이 바로 그 스위치이지만, 현실의 스위치는 켜져 있을 때 작은 온저항에서, 켜고 끄는 찰나에는 전압과 전류가 겹치는 구간에서 손실을 낸다. 스위칭 주파수를 직접 쓸어 가며, 주파수와 상관없는 도통 손실과 주파수에 비례하는 스위칭 손실이 효율의 천장을 어떻게 정하는지 확인한다.

스위칭 주파수를 바꿔 두 손실이 갈리는 곳을 찾는다

파형은 한 스위칭 주기 동안 소자 양단의 전압 Vds와 소자를 흐르는 전류 Id다. 켜져 있는 구간에서는 전압이 거의 0이라 작은 도통 손실(호박색)만 생기고, 켜고 끄는 전환의 찰나에는 전압과 전류가 함께 커서 붉은 손실 봉우리가 솟는다. 스위칭 주파수를 높이면 한 주기가 짧아져 전환 봉우리가 차지하는 몫이 커지고, 스위칭 손실이 도통 손실을 넘어선다. 표시기에는 두 손실과 그 합, 그리고 출력 전력에 대한 효율이 나와요.

스위칭 주파수 fswfsw = 200 kHz
손실과 효율
P_cond = 0.48 W P_sw = 0.96 W
P_tot = 1.44 W · η = 98.2%
스위칭 주파수가 중간이다. 표시기의 두 손실이 같아지는 주파수가 이 구간 앞쪽에 있어, 스위칭 손실이 도통 손실을 따라잡고 넘어서기 시작한다. 주파수를 더 올릴지 말지는 여기서 갈려요.
두 손실이 엇비슷

켜져 있는 값, 온저항이 도통 손실을 낸다

이상적인 스위치는 켜지면 양단 전압이 0이지만, 현실의 전력 MOSFET은 켜져도 작은 온저항 Ron이 남는다. 그래서 전류 Io가 흐르면 소자에 Io·Ron만큼 전압이 걸리고, 켜져 있는 동안 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 상관없이 전류와 온저항만으로 정해지고, 전류의 제곱으로 자란다. 같은 전류라면 Ron이 낮은 소자일수록 덜 뜨거워요.

켜고 끄는 찰나, 겹침이 스위칭 손실을 낸다

전환은 한순간에 끝나지 않는다. 소자를 켜고 끄는 데는 짧은 시간이 걸리고, 그사이 전압은 아직 다 내려가지 않았는데 전류는 이미 오르고 있어 둘이 겹친다. 전압과 전류가 함께 큰 그 찰나에 P = Vds·Id가 솟구친다. 켜는 시간과 끄는 시간을 합해 tsw라 하면, 한 주기마다 에너지 E_sw = ½·Vds·Io·tsw가 열로 사라진다. 이 손실은 주기마다 한 번씩 생기므로 초당 fsw번 스위칭하면 스위칭 손실은 P_sw = E_sw·fsw로 주파수에 정비례한다. 도통 손실과 달리, 빠르게 켜고 끌수록 더 자주 새어 나가요.

맞바꿈, 그래서 더 빠르고 더 낮은 저항을 좇는다

그런데 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 해낼 수 있어 전원이 작고 가벼워진다. 그 대가가 스위칭 손실이므로 설계는 늘 맞바꿈이다. 작게 만들려고 주파수를 올리면 스위칭 손실이 늘고, 손실을 줄이려고 주파수를 낮추면 회로가 커진다. 이 줄다리기를 한꺼번에 푸는 길은 더 나은 소자다. 온저항이 낮으면 도통 손실이, 전환이 빠르면(tsw가 짧으면) 스위칭 손실이 준다. 질화갈륨(GaN)과 탄화규소(SiC) 같은 넓은 띠틈 소자는 같은 내압을 더 얇은 층으로 견뎌 두 손실을 함께 낮추고, 전력전자를 더 작고 효율 좋게 만들어요.

관찰Pcond = I² Ron D
도통 손실은 전류의 제곱에 온저항과 듀티비를 곱한 값이에요.
고르기Esw = ½ Vds Io ?
한 주기의 전환 손실은 전압과 전류가 겹치는 시간에 비례해요.
빈칸Psw = Esw ?
스위칭 손실은 한 주기의 전환 에너지에 스위칭 주파수를 곱한 값이에요.
스스로Ptot = Pcond ?
전체 손실은 도통 손실과 스위칭 손실의 합이고, 이 합이 효율의 천장을 정해요.

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 동안의 값은 온저항이 내는 P_cond = Io²·Ron·D, 켜고 끄는 값은 전압과 전류의 겹침이 내는 P_sw = E_sw·fsw였다. F1에서 이상적이라 가정했던 스위치의 실제 모습이 이것이다. 두 손실을 함께 낮추는 길은 더 낮은 온저항과 더 빠른 전환, 곧 더 나은 소자이고, 그 소자를 가르는 바탕은 이 트랙 첫 유닛에서 본 에너지밴드였다. 밴드에서 캐리어로, 접합과 다이오드로, 트랜지스터의 증폭과 스위칭으로 이어진 한 줄기가 여기서 닫혀요.

전력 MOSFET은 F1의 스위치이지만 이상적이지 않다. 켜져 있을 때 작은 온저항 Ron이 도통 손실 Pcond = Io²·Ron·D를 내는데, 이 손실은 주파수와 무관하다. 켜고 끄는 찰나에는 전압과 전류가 겹쳐 한 주기마다 Esw = ½·Vds·Io·tsw가 새고, 스위칭 손실 Psw = Esw·fsw는 주파수에 비례한다. 주파수를 높이면 인덕터와 커패시터가 작아지지만 스위칭 손실이 늘어, 전체 손실 Pcond + Psw가 효율의 천장과 발열을 정한다. 두 손실을 함께 낮추는 길은 더 낮은 Ron과 더 빠른 전환, 곧 GaN·SiC 같은 더 나은 소자다.

트랙을 마치며

전자공학 트랙이 여기서 끝난다. 무엇이 전기를 통하게 하는가라는 에너지밴드의 물음에서 출발해, 도핑이 캐리어를 정하고 드리프트와 확산이 캐리어를 움직였으며, pn 접합이 한 방향 밸브가 되었다. 그 밸브로 정류하고 파형을 빚었고, 얇은 베이스의 BJT와 절연 게이트의 MOSFET이 작은 입력으로 큰 흐름을 쥐어 증폭을 낳았다. 차동단과 연산증폭기, 그 한계인 대역폭과 슬루레이트, 그리고 필터로 신호를 다룬 뒤, 마침내 같은 트랜지스터를 스위치로 써서 전력 자체를 효율 좋게 다루는 데까지 왔다. 전자를 어떻게 다루는가라는 실 하나가 24개 유닛을 처음부터 끝까지 꿰고 있었어요.