MOSFET 보호 완벽 가이드: 신뢰할 수 있는 회로 보호 설계

어떤 것도 손상으로부터 자유로울 수 없으며, MOSFET도 예외는 아닙니다. 하지만 왜 MOSFET이 손상될까요? 핵심은 MOSFET을 정격을 넘어 사용할 때 손상이 발생한다는 것입니다. 따라서 MOSFET이 올바르게 작동하면서 오래 살기를 원한다면 MOSFET 보호를 진지하게 받아들여야 합니다. 다행히 복잡하지 않고 이해하기 쉽습니다. 그러나 혹시 이해하기 어렵고 MOSFET 보호에 대해 더 알고 싶다면, 올바른 곳에 오셨습니다.

이 기사에서는 MOSFET 보호에 대한 모든 것과 애플리케이션 회로에서 MOSFET을 보호하는 방법을 알려드리겠습니다.

준비되셨나요? 바로 시작해 볼까요!

MOSFET 보호란 무엇인가?

MOSFET은 잘못된 움직임으로 쉽게 손상될 수 있는 취약한 장치입니다. 따라서 회로에 설치되지 않았을 때 특히 주의해서 다루어야 합니다.

그러나 설치된 MOSFET도 회로에서 크기와 구조 면에서 유사한 다른 장치만큼 취약합니다.

따라서 MOSFET 보호는 예기치 않은 손상으로부터 MOSFET을 효과적으로 방지하는 모든 다양한 방법을 포함합니다.

하지만 왜 MOSFET은 손상에 그렇게 민감할까요? MOSFET은 게이트 핀과 채널 사이에 있는 초박막 실리콘 층을 특징으로 합니다. 이 절연 층이 얼마나 얇은지 때문에 게이트-소스 전압(Vgs)이 너무 높으면 MOSFET이 쉽게 손상됩니다.

왜 MOSFET이 고장나는가?

MOSFET

손상된 MOSFET의 정확한 원인을 파악하기는 쉽지 않으며, 여기에 문제가 있습니다. 대부분의 경우 우리는 어떤 것이 MOSFET에 결함을 일으킬 수 있는지 모릅니다. 또한 MOSFET의 고장은 오작동을 일으키고 다른 고장 모드로 진입하게 합니다. 이것이 MOSFET 고장의 원래 원인을 찾아내기 어렵게 만드는 이유입니다.

고장 모드 또는 원인

다음은 MOSFET 고장의 몇 가지 원인입니다:

• 눈사태 고장 (Avalanche Failure)

눈사태 고장은 MOSFET의 최대 안전 동작 전압을 초과할 때 발생합니다. 이는 파괴적이지는 않지만 결함 있는 MOSFET을 남길 만큼 충분한 눈사태 항복 전압을 유발합니다.

• 단락 부하 (Short-Circuited Load)

유도성 부하가 단락을 경험하면 전류 증가가 발생하여 전류 제한이 활성화됩니다. 이는 전류 회로를 즉각적인 고장으로부터 보호하지만 MOSFET의 안전을 보장하지는 않습니다.

따라서 너무 짧은 지속적인 단락이 있으면 결국 고장을 일으킵니다.

• 과도한 전력 소모 (Excess Power Dissipation)

이 고장 모드는 방출된 과도한 전력의 양에 따라 달라집니다. 지속적인 전력 소모가 있으면 MOSFET이 회로에서 분리될 만큼 충분히 뜨거워집니다. MOSFET 고장을 직접 일으키지는 않지만 MOSFET의 열 성능을 손상시킵니다.

• 이물질 손상 (Foreign Object Damage)

금속 조각, 너트, 와셔, 스패너, 볼트 같은 이물질이 MOSFET에 심각한 손상을 줄 수 있습니다.

• 과전류 (Excess Current)

MOSFET을 통해 과전류를 통과시키면 고장이 발생합니다. 그러나 고장은 과전류가 얼마나 높은지, 얼마나 오랫동안 MOSFET을 통해 흐르게 했는지 등 여러 요인에 따라 달라집니다.

MOSFET 보호 방법

MOSFET 기반 회로를 켠 지 몇 분 만에 MOSFET이 과열되어 날아가는 것을 흔히 볼 수 있습니다. 그리고 모든 구성 요소를 올바르게 연결했음에도 이런 일이 발생합니다.

따라서 연결을 확인하고 확인했음에도 MOSFET이 여전히 손상된다면, MOSFET을 보호하는 가장 좋은 방법은 다음과 같습니다:

눈사태 보호

과도한 전압 조건으로 인해 MOSFET의 접합 온도가 절대 한계를 초과하면 손상될 수 있습니다. MOSFET의 내부 바디 다이오드 양단에 절대 최대 전압을 초과하는 과도한 전압을 가하면 눈사태 전압이 발생합니다.

눈사태 보호 회로

출처: Wikimedia Commons.

이제 MOSFET 단자 양단에 추가 외부 고전력 다이오드를 설치하여 이 문제를 쉽게 처리할 수 있습니다. 이 솔루션은 역방향 전류를 다이오드 간에 공유하여 과도한 열 발생을 제거합니다.

유도 성분 제거

MOSFET의 일반적인 문제 중 하나는 유도 성분입니다. 유도 성분은 보통 회로 트랙 내에 숨겨져 있습니다.

MOSFET 회로도

출처: Wikimedia Commons

또한 전류 레벨과 스위칭 주파수가 높을 때 PCB 트랙(연결 경로)에서 가장 작은 미미한 증가도 상호 연결된 유도 성분을 생성합니다.

PCB 트랙

이는 비효율적인 과도 현상, 스파이크, 전도로 인해 MOSFET 동작에 심각한 결함을 초래합니다.

이 해결책은 PCB를 만들 때 트랙을 더 넓게 만들고, MOSFET을 구동하는 드라이버 IC와 서로 가능한 한 가깝게 배치하는 것입니다.

보호 회로 차단기 기호

출처: Wikimedia Commons

게이트 저항의 중요성

MOSFET의 드레인/게이트 핀 양단의 유해한 스파이크는 MOSFET에 심각한 문제를 일으킬 수 있습니다.

이 문제를 해결하기 위해 MOSFET 게이트와 로직 입력 전압과 직렬로 낮은 값의 저항을 사용할 수 있습니다.

따라서 이 솔루션은 내부 커패시터의 지수적 충전을 허용하여 음의 스파이크 발생 가능성을 줄입니다.

역방향 다이오드 사용

점진적인 게이트 커패시턴스 충전은 유해한 스파이크 가능성을 무디게 하지만, 커패시턴스 방전을 지연시키기도 합니다. 방전이 지연되면 MOSFET이 스트레스 조건에서 작동하여 과도한 열을 발생시킵니다.

이 문제의 해결책은 게이트 저항과 병렬로 역방향 다이오드를 추가하는 것입니다. 또한 로직 입력과 다이오드를 통해 게이트의 정전기 방전 경로를 생성하여 지연된 방전 문제를 처리합니다.

역방향 다이오드 회로

출처: Wikimedia Commons

MOSFET 과열 방지

MOSFET 기반 회로에 리플로우 가능한 열 보호를 설치하여 과열을 방지하거나 열 방출을 허용할 수 있습니다.

'

RTP는 MOSFET이 정상 온도에서 작동할 때 저저항 저항기처럼 작동하며, MOSFET 근처에 장착되어 있습니다. 이렇게 하면 RTP가 MOSFET의 온도를 정확히 감지할 수 있습니다.

과열 MOSFET 회로 수정

출처: Wikimedia Commons

또한 MOSFET 온도가 상승하면 RTP가 고저항 저항기로 전환됩니다. 따라서 이 스위치는 MOSFET으로 전력 흐름을 멈추고 손상을 방지합니다.

게이트와 소스 사이에 저항 사용

어떤 상황에서도 MOSFET을 보호하고 날아가는 것을 방지하는 강력한 방법입니다.

게이트와 소스 사이에 저항(1kΩ~10kΩ 사이)을 사용하면 스위칭 신호를 제거하면 MOSFET이 빠르게 꺼지도록 보장합니다. 그리고 이는 래칭 효과와 가능한 손상을 모두 방지합니다.

게이트/소스 회로

출처: Wikimedia Commons

MOSFET 장치 보호를 위한 주의사항

N채널 MOSFET과 P채널 MOSFET은 민감한 장치이므로 항상 주의해서 다루어야 합니다.

또한 회로를 통해 전력이 흐르는 동안 MOSFET을 연결하거나 분리하지 마세요. 항상 전원이 꺼져 있는지 확인하여 자신과 비싼 MOSFET에 전기적 손상을 방지하세요.

마무리

MOSFET

MOSFET 보호는 필수적이며, 더 중요한 것은 잠재적 문제를 알고 이를 예방하거나 수정하는 방법을 아는 것입니다.

우리가 언급하지 않은 MOSFET 고장의 다른 원인으로는 결함 있는 배터리(배터리 공급 전압이 너무 낮아질 때), 급감속, 모터 잠김, dV/dt 고장 등이 있습니다.

마지막으로 전자 회로를 적절히 조정하여 MOSFET의 고장률을 줄이세요. 이상으로 이 기사를 마칩니다. 추가 도움이 필요하시면 언제든 연락 주세요. 기꺼이 도와드리겠습니다.