스위치로서의 MOSFET

 

스위치로서의 MOSFET

MOSFET은 차단 영역과 포화 영역 사이에서 작동하므로 부하 제어 및 CMOS 디지털 회로에 매우 우수한 전자 스위치를 만듭니다.

이전에 e-MOSFET(N채널 강화 모드 MOSFET)은 양의 입력 전압을 사용하여 작동하고 매우 높은 입력 저항(거의 무한대)을 가지므로 거의 무한대와 인터페이스할 때 MOSFET을 스위치로 사용할 수 있다는 것을 확인했습니다. 양의 출력을 생성할 수 있는 논리 게이트 또는 드라이버.

또한 매우 높은 입력(게이트) 저항으로 인해 필요한 전류 처리 용량을 달성할 때까지 다양한 MOSFET을 안전하게 병렬로 연결할 수 있다는 것도 확인했습니다.

다양한 MOSFET을 병렬로 연결하면 고전류 또는 고전압 부하를 전환할 수 있지만 그렇게 하면 부품과 회로 기판 공간 모두에서 비용이 많이 들고 비실용적이 됩니다. 이 문제를 극복하기 위해 전력 전계 효과 트랜지스터 또는 전력 FET가 개발되었습니다.V

이제 우리는 전계 효과 트랜지스터 사이에 두 가지 주요 차이점, 즉 JFET의 공핍 모드와 MOSFET의 향상 모드 및 공핍 모드가 있다는 것을 알고 있습니다. 이 튜토리얼에서는 향상 모드 MOSFET을 스위치로 사용하는 방법을 살펴보겠습니다. 이러한 트랜지스터는 "ON"으로 전환하기 위해 양의 게이트 전압이 필요하고 "OFF"로 전환하기 위해 0 전압이 필요하기 때문에 스위치로 쉽게 이해되고 또한 쉽게 인터페이스할 수 있습니다. 논리 게이트.

 

강화 모드 MOSFET(e-MOSFET)의 작동은 아래에 표시된 IV 특성 곡선을 사용하여 가장 잘 설명할 수 있습니다. 트랜지스터 게이트의 입력 전압( V IN )이 0일 때 MOSFET은 사실상 전류를 전도하지 않으며 출력 전압( V OUT )은 공급 전압 V DD 와 동일합니다 . 따라서 MOSFET은 "컷오프" 영역 내에서 작동하는 "OFF" 상태입니다.

MOSFET 특성 곡선

선택된 드레인 전류를 전달할 때 MOSFET이 "ON" 상태를 유지하는 데 필요한 최소 ON 상태 게이트 전압은 위의 VI 전달 곡선에서 확인할 수 있습니다. V IN 이 HIGH이거나 V DD 와 같을 때 MOSFET Q 포인트는 부하 라인을 따라 A 지점으로 이동합니다.

채널 저항의 감소로 인해 드레인 전류 ID는 최대 값으로 증가합니다. I D 는 V DD 와 무관한 상수값이 되며 , V GS 에만 종속됩니다 . 따라서 트랜지스터는 닫힌 스위치처럼 동작하지만 채널 ON 저항은 R DS(on) 값 으로 인해 완전히 0으로 감소하지 않고 매우 작아집니다.

마찬가지로 V IN이 LOW이거나 0으로 감소하면 MOSFET Q 포인트는 부하 라인을 따라 A 지점에서 B 지점으로 이동합니다. 채널 저항이 매우 높기 때문에 트랜지스터는 개방 회로처럼 작동하고 채널을 통해 전류가 흐르지 않습니다. 따라서 MOSFET의 게이트 전압이 HIGH와 LOW의 두 값 사이에서 전환되면 MOSFET은 "단극 단투(SPST)" 솔리드 스테이트 스위치로 동작하며 이 동작은 다음과 같이 정의됩니다.

1. 컷오프 지역

여기서 트랜지스터의 동작 조건은 제로 입력 게이트 전압( V IN ), 제로 드레인 전류 ID 및 출력 전압 V DS  = V DD 입니다. 따라서 강화형 MOSFET의 경우 전도성 채널이 닫히고 장치가 "OFF"로 전환됩니다.

컷오프 특성

• 입력과 게이트가 접지되어 있습니다(0V). • 임계 전압 V GS  < V TH 보다 낮은 게이트-소스 전압 • MOSFET이 "OFF" 상태입니다(차단 영역). • 드레인 전류가 흐르지 않습니다( ID  = 0A ) . •  V OUT  = V DS  = V DD  = “1” • MOSFET은 "개방 스위치"로 작동합니다.

그런 다음 e-MOSFET을 스위치로 사용할 때 차단 영역 또는 "OFF 모드"를 게이트 전압 V GS  < V TH 즉 ID  = 0 으로 정의할 수 있습니다 . P채널 강화 MOSFET의 경우 게이트 전위는 소스에 비해 더 양의 값을 가져야 합니다.

2. 포화 영역

포화 또는 선형 영역에서 트랜지스터는 바이어스되어 게이트 전압의 최대량이 장치에 적용되어 채널 저항 RDS (on은 MOSFET 스위치를 통해 흐르는 최대 드레인 전류로 가능한 한 작아집니다. 따라서 강화형 MOSFET의 경우 전도성 채널이 열려 있고 장치가 "ON"으로 전환됩니다.

포화 특성

• 입력과 게이트는 V DD 에 연결됩니다. • 게이트-소스 전압은 임계 전압 V GS  > V TH 보다 훨씬 큽니다. • MOSFET이 "ON"(포화 영역)입니다. • 최대 드레인 전류 흐름 ( I D  = V DD / R L ) •  V DS  = 0V (이상적인 포화) • 최소 채널 저항 R DS(on)  < 0.1Ω •  V OUT  = V DS  ≅ R DS(on) 로 인해 0.2V • MOSFET은 낮은 저항의 "폐쇄 스위치"로 작동합니다.

그런 다음 e-MOSFET를 게이트-소스 전압으로 스위치로 사용할 때 포화 영역 또는 "ON 모드"를 정의할 수 있습니다. V GS  > V TH 따라서 ID  = 최대 입니다 . P채널 강화 MOSFET의 경우 게이트 전위는 소스에 비해 더 음수여야 합니다.

FET의 게이트에 적절한 구동 전압을 적용함으로써 드레인-소스 채널의 저항인 RDS (on) 은 수백 kΩ의 "OFF 저항"(실질적으로는 개방 회로)에서 1Ω 미만의 "ON 저항"으로 효과적으로 단락 회로 역할을 합니다.

MOSFET을 스위치로 사용할 때 MOSFET을 구동하여 더 빠르게 또는 느리게 "ON"하거나 높거나 낮은 전류를 전달할 수 있습니다. 전력 MOSFET을 "ON" 및 "OFF"로 전환할 수 있는 이러한 기능을 통해 이 장치는 표준 바이폴라 접합 트랜지스터보다 훨씬 빠른 스위칭 속도를 갖춘 매우 효율적인 스위치로 사용될 수 있습니다.

MOSFET을 스위치로 사용하는 예

 

이 회로 배열에서는 향상 모드 N 채널 MOSFET이 간단한 램프 "ON" 및 "OFF"(LED일 수도 있음)를 전환하는 데 사용됩니다.

 

게이트 입력 전압 V GS 는 장치를 켜기 위해 적절한 양의 전압 레벨로 이동하므로 램프 부하가 "ON"( V GS  = +ve )이거나 장치를 "OFF"로 바꾸는 0 전압 레벨( V GS  = 0V ).

램프의 저항성 부하를 코일, 솔레노이드 또는 릴레이와 같은 유도성 부하로 교체하려면 자체 생성된 역기전력으로부터 MOSFET을 보호하기 위해 부하와 병렬로 "플라이휠 다이오드"가 필요합니다.

위에는 램프나 LED와 같은 저항성 부하를 전환하는 매우 간단한 회로가 나와 있습니다. 그러나 전력 MOSFET을 사용하여 유도성 또는 용량성 부하를 전환하는 경우 MOSFET 장치가 손상되는 것을 방지하기 위해 일정 형태의 보호가 필요합니다. 유도성 부하 구동은 용량성 부하 구동과 반대 효과를 갖습니다.

예를 들어, 전하가 없는 커패시터는 단락 회로이므로 전류의 높은 "돌입"이 발생하고 유도 부하에서 전압을 제거하면 자기장이 붕괴됨에 따라 큰 역전압이 축적되어 결과적으로 인덕터 권선에 역기전력이 유도됩니다.

그러면 N채널형과 P채널형 MOSFET의 스위칭 특성을 다음 표에 요약할 수 있습니다.

MOSFET 유형	VGS 〈  0	V GS  = 0	V GS  ≫ 0
N채널 향상	끄다	끄다	에
N채널 고갈	끄다	에	에
P 채널 향상	에	끄다	끄다
P-채널 고갈	에	에	끄다

전류가 채널을 통해 흐를 수 있도록 게이트 단자를 소스보다 더 양극(전자를 끌어당김)으로 만들어야 하는 N 채널 MOSFET과 달리 P 채널 MOSFET을 통한 전도는 정공의 흐름으로 인해 발생합니다. 즉, P채널 MOSFET의 게이트 단자는 소스보다 더 음극으로 만들어져야 하며 게이트가 소스보다 더 양극이 될 때까지만 전도(차단)를 중지합니다.

따라서 강화형 전력 MOSFET이 아날로그 스위칭 장치로 작동하려면 다음과 같은 "차단 영역"( V GS  = 0V (또는 V GS  = -ve ))과 "포화 영역" 간에 전환해야 합니다. V GS(on)  = +ve . MOSFET( P D )에서 소비되는 전력은 포화 상태에서 채널 ID 를 통해 흐르는 전류와 R DS(on) 으로 제공되는 채널의 "온 저항"에 따라 달라집니다 . 예를 들어.

스위치로서의 MOSFET 예제 No1

램프의 정격이 6v, 24W이고 완전히 "ON"이라고 가정하면 표준 MOSFET의 채널 온 저항(  R DS(on)  ) 값은 0.1Ω입니다. MOSFET 스위칭 장치에서 소비되는 전력을 계산합니다.

램프를 통해 흐르는 전류는 다음과 같이 계산됩니다.

그러면 MOSFET에서 소비되는 전력은 다음과 같이 주어집니다.

'그럼 어쩌지!'라고 생각하고 있을 수도 있지만 MOSFET을 스위치로 사용하여 돌입 전류가 높은 DC 모터 또는 전기 부하를 제어하는 ​​경우   드레인과 소스 사이의 채널 저항( R DS(on) )이 "ON"이 됩니다. 매우 중요합니다. 예를 들어, DC 모터를 제어하는 ​​MOSFET은 모터가 처음 회전하기 시작할 때 높은 돌입 전류에 노출됩니다. 모터 시동 전류는 모터 권선의 매우 낮은 저항 값에 의해서만 제한되기 때문입니다.

기본 전력 관계는 다음과 같습니다. P = I 2 R , 높은 R ​​DS(on) 채널 저항 값은 단순히 MOSFET 자체 내에서 많은 양의 전력이 소비되고 낭비되어 과도한 온도 상승을 초래합니다. 제어하면 MOSFET이 열 과부하로 인해 매우 뜨거워지고 손상될 수 있습니다.

채널 저항에 대한 더 낮은 R DS(on) 값은  MOSFET 전체에서 채널 유효 ​​포화 전압( V DS(sat)  =  I D *R DS(on) ) 을 줄이는 데 도움이 되고 따라서 작동하므로 바람직한 매개변수이기도 합니다.  더 시원한 온도에서. 전력 MOSFET은 일반적 으로 0.01Ω 미만의 R DS(on) 값을 가지 므로 더 낮은 온도로 작동하여 작동 수명을 연장할 수 있습니다.

MOSFET을 스위칭 장치로 사용할 때 주요 제한 사항 중 하나는 처리할 수 있는 최대 드레인 전류입니다. 따라서 R DS(on) 매개변수는 MOSFET의 스위칭 효율에 대한 중요한 지침이며 트랜지스터가 "ON"으로 전환될 때 V DS / ID 비율로 간단히 제공됩니다 .

MOSFET 또는 해당 문제에 대한 모든 유형의 전계 효과 트랜지스터를 솔리드 스테이트 스위칭 장치로 사용하는 경우 R DS(on) 값이 매우 낮은 것을 선택하거나 최소한 적절한 방열판에 장착하여 도움을 주는 것이 항상 권장됩니다. 열 폭주 및 손상을 줄입니다. 스위치로 사용되는 전력 MOSFET은 일반적으로 설계에 서지 전류 보호 기능이 내장되어 있지만 고전류 애플리케이션의 경우 바이폴라 접합 트랜지스터가 더 나은 선택입니다.

전력 MOSFET 모터 제어

MOSFET의 매우 높은 입력 또는 게이트 저항으로 인해 매우 빠른 스위칭 속도와 구동 용이성으로 인해 연산 증폭기 또는 표준 논리 게이트와 인터페이스하는 데 이상적입니다. 그러나 MOSFET을 스위치로 사용할 때 장치는 이 입력 게이트 전압에 비례하여 낮은 R DS(on) 채널 저항을 얻어야 하므로 게이트-소스 입력 전압을 올바르게 선택하도록 주의해야 합니다.

낮은 임계값 유형 전력 MOSFET은 게이트에 최소 3V 또는 4V가 적용될 때까지 "ON"으로 전환되지 않을 수 있으며, 로직 게이트의 출력이 +5V 로직에 불과한 경우 MOSFET을 포화 상태로 완전히 구동하기에는 충분하지 않을 수 있습니다. TTL과의 인터페이스를 위해 설계된 더 낮은 임계값 MOSFET을 사용하고 임계값이 1.5~2.0V만큼 낮은 CMOS 논리 게이트를 사용할 수 있습니다.

전력 MOSFET은 컴퓨터 로직에서 직접 또는 펄스폭 변조(PWM) 유형 컨트롤러를 사용하여 DC 모터 또는 브러시리스 스테퍼 모터의 움직임을 제어하는 ​​데 사용할 수 있습니다. DC 모터는 높은 시동 토크를 제공하고 전기자 전류에 비례하므로 PWM과 함께 MOSFET 스위치를 부드럽고 조용한 모터 작동을 제공하는 매우 우수한 속도 컨트롤러로 사용할 수 있습니다.

간단한 전력 MOSFET 모터 컨트롤러

모터 부하가 유도성이므로 간단한 플라이휠 다이오드가 유도성 부하 전체에 연결되어 MOSFET이 모터를 "OFF"로 전환할 때 모터에서 생성된 역기전력을 소멸시킵니다. 다이오드와 직렬로 연결된 제너 다이오드로 형성된 클램핑 네트워크를 사용하면 더 빠른 스위칭과 피크 역전압 및 드롭아웃 시간을 더 효과적으로 제어할 수 있습니다.

보안을 강화하기 위해 모터, 계전기, 솔레노이드 등과 같은 유도성 부하를 사용할 때 MOSFET 스위치의 채널 전체에 추가 실리콘 또는 제너 다이오드 D 1 을 배치하여 과전압 스위칭 과도 현상 및 잡음을 억제하여 추가 보호를 제공할 수도 있습니다. 필요한 경우 MOSFET 스위치. 저항 R GS는 MOSFET이 "OFF"로 전환될 때 TTL 출력 전압을 0V로 낮추는 데 도움이 되는 풀다운 저항으로 사용됩니다.

스위치로서의 P채널 MOSFET

지금까지 N채널 MOSFET을 스위치로 살펴보았는데, MOSFET은 부하와 접지 사이에 배치되어 있습니다. 또한 이를 통해 MOSFET의 게이트 드라이브 또는 스위칭 신호가 접지를 기준으로 할 수 있습니다(로우사이드 스위칭).

P채널
MOSFET 스위치

그러나 일부 애플리케이션에서는 부하가 접지에 직접 연결되어 있는 경우 P 채널 강화 모드 MOSFET을 사용해야 합니다. 이 경우 MOSFET 스위치는 PNP 트랜지스터와 마찬가지로 부하와 양극 공급 레일(하이사이드 스위칭) 사이에 연결됩니다.

P 채널 장치에서 일반적인 드레인 전류 흐름은 음의 방향이므로 음의 게이트-소스 전압이 적용되어 트랜지스터를 "ON"으로 전환합니다.

이는 P 채널 MOSFET이 소스 단자가 양극 전원 +V DD 에 연결된 상태로 "거꾸로" 되어 있기 때문에 달성됩니다 . 그런 다음 스위치가 LOW가 되면 MOSFET이 "ON"되고, 스위치가 HIGH가 되면 MOSFET은 "OFF"됩니다.

P-채널 향상 모드 MOSFET 스위치의 이러한 거꾸로 연결을 통해 N-채널 향상 모드 MOSFET과 직렬로 연결하여 이중 공급 장치에 걸쳐 표시된 보완 또는 CMOS 스위칭 장치를 생성할 수 있습니다.

스위치 모터 컨트롤러로서의 보완형 MOSFET

2개의 MOSFET은 공통 드레인 연결과 접지 기준 사이에 모터가 연결된 이중 공급 장치에서 양방향 스위치를 생성하도록 구성됩니다. 입력이 LOW이면 게이트-소스 접합이 네거티브 바이어스되어 모터가 한 방향으로 회전하므로 P채널 MOSFET이 ON으로 전환됩니다. 모터 구동에는 양극 +V DD 공급 레일만 사용됩니다.

입력이 HIGH이면 게이트-소스 접합이 양으로 바이어스되므로 P 채널 장치는 꺼지고 N 채널 장치는 켜집니다. 이제 모터 단자 전압이 음의 -V DD 공급 레일 에 의해 공급되면서 모터 단자 전압이 반전되었기 때문에 모터가 반대 방향으로 회전합니다 .

그런 다음 P채널 MOSFET은 순방향(하이사이드 스위칭)을 위해 모터에 대한 포지티브 전원을 전환하는 데 사용되고, N채널 MOSFET은 역방향(로우사이드 스위칭)을 위해 모터에 대한 네거티브 전원을 전환하는 데 사용됩니다. .

다양한 애플리케이션으로 2개의 MOSFET을 구동하기 위한 다양한 구성이 있습니다. P 채널과 N 채널 장치는 모두 그림과 같이 단일 게이트 드라이브 IC로 구동할 수 있습니다.

그러나 듀얼 전원의 두 극성에 걸쳐 동시에 전도되는 두 MOSFET의 교차 전도를 방지하려면 "OFF"로 전환되고 다른 하나는 "ON"으로 전환되는 사이에 약간의 시간 차이를 제공하는 고속 스위칭 장치가 필요합니다. 이 문제를 극복하는 한 가지 방법은 두 MOSFETS 게이트를 별도로 구동하는 것입니다. 그러면 두 MOSFET이 모두 "OFF"일 때 모터에 "STOP"이라는 세 번째 옵션이 생성됩니다.

스위치 모터 제어 테이블로서의 MOSFET

MOSFET 1	MOSFET 2	모터 기능
끄다	끄다	모터 정지(OFF)
에	끄다	모터가 앞으로 회전합니다.
끄다	에	모터가 역회전함
에	에	허용되지 않음

동시에 허용되는 다른 입력 조합은 없다는 점에 유의하십시오. 이로 인해 전원 공급 장치가 단락될 수 있습니다. MOSFET, FET 1 및 FET 2 가 모두 함께 "ON"으로 전환되어 다음과 같은 결과가 발생할 수 있기 때문입니다. 퓨즈 = 쾅! ), 주의하세요.