손으로 만져보면 미지근한데, 열어보니 파워 TR이 이미 죽어 있는 경우를 겪어본 적 있으신가요? 방열판을 아무리 크게 달아도 막을 수 없는 고장이 있습니다. 평균 발열은 멀쩡한데, 순간적인 전압과 전류의 조합 하나 때문에 소자가 즉사하는 경우입니다. 8편에서 리니어 레귤레이터의 발열 문제를 짚었다면, 9편은 전력 변환 응용의 마무리로 파워 트랜지스터의 방열 설계 와 데이터시트 속 가장 중요하면서도 가장 자주 무시되는 그래프, 안전동작영역(SOA) 을 다룹니다. 파워 TR의 발열, 열은 어디로 흘러가는가 [IRF540N의 내부구조] 파워 TR이 전력을 소모하면 그 에너지는 대부분 접합부(junction)에서 열로 바뀝니다. 이 열이 접합부에서 외부 공기까지 빠져나가는 길은 마치 전기 회로의 저항처럼 직렬로 이어진 여러 구간을 지나갑니다. 이 길 하나하나가 열이 지나가기 얼마나 힘든지를 나타내는 값이 열저항(Thermal Resistance, Rθ) 입니다. 열저항이란 쉽게 말해, 1W의 열이 지나갈 때 양 끝의 온도 차이가 몇 ℃나 벌어지는지를 나타내는 값으로 단위는 ℃/W입니다. 접합부에서 소자 케이스까지(Rθ JC ), 케이스에서 방열판까지(Rθ CS , 보통 절연패드나 서멀 구리스가 놓이는 구간), 방열판에서 주변 공기까지(Rθ SA ), 이 세 구간의 열저항을 모두 더하면 접합부가 주변 온도보다 얼마나 뜨거워지는지가 결정됩니다. 한 줄 요약 파워 TR의 열은 접합부→케이스→방열판→공기 순으로 열저항(℃/W) 구간들을 직렬로 통과합니다. 세 구간의 열저항을 모두 더한 값이 접합 온도 상승폭을 좌우합니다. 접합 온도 계산하기, 2N3055로 직접 풀어보기 이 세 구간을 합치면 접합 온도(T J )는 다음처럼 계산됩니다. T J = T A + P × (Rθ JC + Rθ CS + Rθ SA ) 대표적인 파워 TR인 2N3055로 예를 들어보겠습니다. onsemi 데이터시트 기준으로 이 소자의 Rθ JC 는...

1편에서 역방향 항복전압(VBR)을 넘기면 다이오드가 대부분 파손된다고 말씀드렸습니다. 그런데 이번 편의 주인공인 제너 다이오드는 이 항복 구간을 오히려 일부러 써먹는 부품입니다. 고장 나라고 만든 게 아니라 항복 상태에서 안정적으로 계속 동작하도록 설계된 소자라는 뜻입니다. 4편까지는 전원 변환과 정류를 다뤘다면, 5편부터는 전압을 원하는 수준으로 붙들어두는 정전압 회로로 넘어갑니다. 제너 다이오드가 정확히 어떤 원리로, 어디까지 믿고 쓸 수 있는 부품인지 실무 기준으로 짚어보겠습니다. [제너다이오드 실물과 심볼] 제너 다이오드, 항복현상을 일부러 이용하는 다이오드 제너 다이오드(Zener Diode) 는 겉모습만 보면 일반 정류다이오드와 똑같은 PN접합 구조입니다. 다른 점은 도핑 농도를 훨씬 높여서, 정해진 역방향 전압에서 정확하고 안정적으로 항복이 일어나도록 제작 단계에서부터 설계해둔다는 것입니다. 일반 정류다이오드라면 항복 구간에 들어가는 순간 전력이 집중되며 파손되지만, 제너 다이오드는 정격 전력(P Z ) 범위 안에서라면 항복 상태를 반복해서 오가도 멀쩡하게 버티도록 만들어졌습니다. 이 특성 덕분에 제너 다이오드는 역방향으로 연결해서 씁니다. 순방향으로 쓰면 그냥 평범한 다이오드일 뿐이고, 이 부품의 진짜 가치는 역방향 항복 구간에서 전압이 거의 일정하게 유지된다는 점에 있습니다. 한 줄 요약 제너 다이오드는 높은 도핑 농도로 정해진 역방향 전압에서 안정적으로 항복하도록 설계된 다이오드이며, 이 항복 구간에서 전압이 거의 일정하게 유지되는 특성을 정전압 목적으로 활용합니다. 애벌런치 항복과 제너 항복, 전압대에 따라 다른 메커니즘 '제너 다이오드'라는 이름 때문에 오해하기 쉽지만, 사실 이 부품의 항복 메커니즘은 전압대에 따라 두 가지로 나뉩니다. 첫째, 약 5V 이하의 낮은 전압대에서는 제너 항복(Zener Breakdown) 이 지배적입니다. 도핑 농도가 매우 높아 공핍층이 극도로 얇아...

같은 회로에서 다이오드 하나만 실리콘 정류다이오드에서 쇼트키로 바꿨을 뿐인데 발열이 눈에 띄게 줄어드는 걸 본 적이 있으신가요? 3편까지는 실리콘 PN접합 다이오드를 기준으로 정류와 평활을 다뤘습니다. 이번 편에서는 구조 자체가 다른 쇼트키 다이오드 로 넘어가서, 스위칭 전원에서 왜 이 부품이 표준처럼 쓰이는지 뜯어보겠습니다. 결론부터 말하면 답은 낮은 VF와 빠른 스위칭 속도에 있습니다. 그런데 이 장점을 공짜로 얻는 게 아니라는 게 오늘 이야기의 핵심입니다. 쇼트키 다이오드, PN접합과 다른 금속-반도체 접합 구조 1편에서 다룬 정류다이오드는 P형과 N형 반도체를 붙인 PN접합 구조였습니다. 반면 쇼트키 다이오드(Schottky Diode) 는 N형 반도체와 금속을 직접 붙인 금속-반도체 접합(Metal-Semiconductor Junction) 구조를 씁니다. [쇼트키 다이오드와 일반 다이오드의 접합 구조 비교] 금속-반도체 접합이란 쉽게 말해, 반도체 한쪽 면에 별도의 P형 층을 만드는 대신 금속판을 바로 붙여서 정류 작용을 만들어내는 구조입니다. 이 접합면에 생기는 전위 장벽을 흔히 '쇼트키 장벽(Schottky Barrier)'이라 부릅니다. 구조가 다르니 동작 방식도 근본적으로 다릅니다. PN접합 다이오드는 전자와 정공이라는 두 종류의 캐리어가 함께 관여하는 반면, 쇼트키 다이오드는 전자(다수 캐리어) 하나만으로 전류를 나릅니다. 이 차이가 뒤에서 설명할 낮은 VF와 빠른 스위칭 속도로 그대로 이어집니다. 한 줄 요약 쇼트키 다이오드는 PN접합이 아니라 금속과 N형 반도체를 붙인 구조이며, 전자 하나의 캐리어만으로 동작한다는 점이 실리콘 정류다이오드와의 근본적인 차이입니다. 낮은 VF가 스위칭 전원 효율을 끌어올리는 이유 1편에서 실리콘 정류다이오드의 VF가 대략 0.7~1.1V 수준이라고 설명했습니다. 쇼트키 다이오드는 같은 조건에서 VF가 0.15~0.45V 정도로, 절반 이하까지 떨어집...

브리지 정류기 뒤에 평활 커패시터를 대충 큰 걸로만 골라 넣었다가, 다이오드가 몇 달 만에 줄줄이 죽어나가는 걸 본 적이 있습니다. 용량만 키우면 리플이야 당연히 줄어듭니다. 문제는 커패시터가 커질수록 전원이 켜지는 순간 몰려드는 돌입전류도 같이 커진다는 겁니다. 2편에서 다룬 브리지 정류회로에 이번엔 평활 커패시터를 붙여서, 리플을 줄이는 계산법과 그 뒤에 숨어있는 돌입전류 함정을 같이 짚어보겠습니다. [브리지 정류 회로] 평활 커패시터, 맥류를 매끈한 DC로 다듬는 원리 브리지 정류회로를 거친 출력은 완전한 DC가 아니라, 전압이 0 근처까지 떨어졌다가 다시 올라오기를 반복하는 맥류(pulsating DC) 파형입니다. 이 파형을 실제로 쓸 수 있는 DC에 가깝게 다듬어주는 부품이 평활 커패시터(Smoothing Capacitor) 입니다. 동작 원리는 단순합니다. 정류된 전압이 피크에 오를 때 커패시터가 전하를 가득 충전하고, 전압이 떨어지는 구간에서는 커패시터가 부하에 전류를 방전하며 전압을 붙들어줍니다. 이렇게 충전과 방전을 반복하면서 출력 전압의 골짜기를 메워주는 겁니다. 이때 완전히 메워지지 않고 남는 전압 굴곡을 리플전압(Ripple Voltage) 이라 부릅니다. 리플전압이란 쉽게 말해 커패시터가 다 못 채운 골짜기의 깊이라고 보면 됩니다. 커패시터 용량이 클수록, 그리고 부하 전류가 작을수록 이 골짜기는 얕아집니다. 한 줄 요약 평활 커패시터는 정류된 맥류를 충전·방전 동작으로 다듬어 DC에 가깝게 만들며, 다 메우지 못하고 남는 전압 굴곡이 리플전압입니다. 리플전압 계산 공식으로 커패시터 용량 정하기 실무에서 커패시터 용량을 정할 때 쓰는 근사식은 다음과 같습니다. C = I load / (f ripple × V ripple ) 여기서 I load 는 부하 전류, V ripple 은 허용 가능한 리플전압, f ripple 은 리플이 발생하는 주파수입니다. 브리지 정류(전파정류)에서는 매 반...