Power MOSFET에 대한 이야기 - 빈티지 오디오 콘텐츠와 판매, 오디오퍼브

글쓴이 : SOONDORI

“진공관은 전압 증폭 소자”, “트랜지스터는 전류 증폭 소자”, “MOSFET는 전압 증폭 소자”, 그렇게 속성을 간단하게 정의한 다음, MOSFET에 “고속 스위칭 소자”라는 꼬리표를 하나 더 붙여주고… 요즘 이런저런 SMPS 전원장치나 어댑터에 널리 쓰이고 있다.

* 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터, Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

꼴랑 그것뿐인가?

고 강대원 박사((1931년~1992년)께서 창안하신 소자가 광전송장비 등 눈에 잘 띄지 않는 대부분의 디지털 장치 안에 들어있다. 물론, 스마트폰 안에도 잔뜩. 그런 관점에서 대한민국 아이디어가 세상을 움직이고 있는 셈.

(▲ 좌측에 먼저 시선이 간다면 조금 억울할 사진 자료? 우측이 실제 발명을 주도한 강대원 박사. 좌측은 협조자였던 이집트 출신 Atalla 박사. 보완 연구를 계속하여 1963년 8월, 발명인 Dawwon Kahang 단독 명의로 ‘Electric Field Controlled Semiconductor Device’ 제하의 미국 특허도 획득함. 출처 및 글 열람 : https://www.allaboutcircuits.com/news/fathers-of-the-mosfet-dawon-kahng-and-martin-atalla/)

■ Symbol

용어 맨 끝에 Transistor가 있다는 이유로, 싸잡아서 트랜지스터라고 하는 분도 계시다. 빵은 빵인데 ‘보름달’이냐 ‘크리~임빵’이냐의 차이 정도?

(▲ 또 다른 정의로… c는 depletion형, e는 Enhancement형. 출처 : https://www.matidavid.com/electronic_components/04.htm)

■ 최소 동작 변수

아래 N-Channel MOSFET를 기준으로,

1) Drain에 어떤 양의 전압을, 2) Source에는 더 낮은 전위의… 예를 들어 GND에 접속, 3) 문고리처럼 행동하는 Gate 핀에 모종의 전압을 인가하면 Drain에서 Source 쪽으로 전류(*)가 흐른다.

* 전자 또는 정공을 뜻하는 캐리어라는 것이 옹달샘 원천과 같은 Source에서 하수구에 해당하는 Drain으로 이동. 그냥 전류 흐름으로는 정반대로 해석.

이 동작은 1) 진공관 제어 그리드의 역할이나, 2) NPN 트랜지스터의 Base 요구 조건을 맞춰주면 Collector에서 Emitter로 전류가 흐르는 것과 같음. 뭐… 역시 트랜지스터는 트랜지스터라니까…

트랜지스터가 동작하려면 베이스-에미터 전압(약칭 V_be, Voltage + Base + Emitter)이, 1) 실리콘형 0.6~0.7V 이상, 2) 게르마늄형은 0.2V 이상이어야 하는데 게르마늄 트랜지스터는 요즘 보기 어려운 마당이니 Pass하면 그냥 “요즘 트랜지스터는 0.6V 이상에서 동작!”으로 정리할 수 있다.

그와 마찬가지로 MOSFET Gate와 Source 사이에 꼭 필요한 전압이 있다.

그것을 V_gs(th)로 표기한다. (Voltage + Gate + Source + Threshold를 적당히 두문으로 묶은 것) 트랜지스터처럼 하나로 정해진 것은 아니고… 몇 가지 핵심 항목들과 함께 데이터 시트에 적혀 있음.

■ 동작 변수 몇 가지 더

예를 들어 정격 7A, 순간 26.4A를 취급할 수 있는 7N80 Power MOSFET의 경우,

○ 최대 동작 전압, 최대 게이트 전압, 최대 드레인 전류

이 수치를 넘어서면 소자가 파괴된다. Power Dissipation의 W 수를 초과하는 조건으로, 심한 고열에 시달려도 파괴됨. 그러므로 대전류를 다룰 경우 넉넉한 크기의 방열판은 필수.

○ 게이트 문턱 전압, ON 저항

아래 테이블에서, V_gs(th)를 최대 5V로 정의하였으니까 그것을 초과하는 게이트 전압을 설정한다. 10V, 15V도 좋고… 극단의 사례에서 30V 미만까지. 참고로 이 파워 MOSFET의 게이트에 5V TTL 펄스 생성기를 직접 연결하면 동작하지 않을 가능성이 크다. 어떤 조건에서 Max. 5V라는 쓰레숄드의 불충족을 사유로 OFF 유지. 그런 경우에는, V_gs(th)가 (예) 2V, 3V 수준인 것을 찾아야 함.

R_ds는 통전 중 드레인-소스 사이의 저항값이다. 대전류를 취급할 때 0.5오움, 1오움, 2오움은 상당히 유의미할 수 있기 때문에 작은 수치라고 무시할 것은 아님. 논리상 0.0오움이 최적이겠지만 현실에서는 그럴 수 없다.

(▲ 체구가 작고 섬세한 STB120N4F6 MOSFET 스펙. V_ds(th)가 4V, R_ds가 40mm오움)

○ 발열 또는 방열

(내용 추가) 방열에 관한 한 패키지에 따른 성능 차이가 매우 크다. 우선, 패키지별 수치를 보면,

금속 방열부가 완전히 노출된 TQ-022과 TO-263은 P_d가 142W인데 반해서 몰딩 플라스틱이 방열부를 완전히 덮는, 끝에 -F가 붙은 것은 W가 1/3 수준인 48W로 뚝!.

(TO-220) P_d = (T_j – T_c) ÷ Θ_jc 또는 R_thjc = (150도 – 25도) ÷ 0.88 = 142W → 테이블 내용과 같음.
(TO-220F) P_d = (150도 – 25도) ÷ 2.6 = 48W → 테이블 내용과 같음.
여기서,
기준으로 제시된 25도는 상온이고 동작 중 소자 및 주변 온도가 급격히 올라갈 것이므로 실제적인 P_d는 훨씬 작은 값일 것.

7N80이 30V × 5A = 총 150W를 취급하고 있다고 상상해보면, TO-220으로는 “점진적 소손이 우려되니까 그나마 아주 짧은 시간만 통전하는 게 좋다”, TO-220F로는” 꼴랑 48W? 확실히 말도 안 된다”가 된다. 방열판과 소자 사이에서 부(負)의 작용을 하는 써멀 임피던스도 있으니까 실격! 확실히 더 큰 W의 소자를 찾아야 함.

○ 기생 용량, 출력 반응도

Gate에 물린 두 겹 극판… 심볼에서도 암시가 되어 있듯이 반도체 조성 구조 때문에 혹부리 영감의 혹처럼 세라믹 커패시터와 같은 무엇을 달고 다닌다.

Rising/Fall Rime은… 예를 들어 이상적인 방형파를 게이트에 전달했을 때 출력의 형상이 어떤 모습일까를 상상하면 이해가 쉬움. 논리적으로 0.0nS 즉, 일체 시간 지연이 없는 응답이 좋겠지만, 그런 상용 소자는 없음.

(▲ 실물 크기는 더 큰, 오디오 출력석으로 많이 쓰이는 2SD1047 트랜지스터는 상대적으로 느리다)

○ Body Diode

MOSFET OFF인 상태에서 (주로 코일에 의한) 역방향 전류 흐름이 강제되었을 때 정격 6.6A, 피크 26.4A까지는 순탄하게 바이패스함으로써 MOSFET 보호한다. 주로 코일 역기전력 대응 + (예) 입력으로 방형 펄스파를 상정했을 떄의 반응성 확보용.

프리휠링 다이오드(Free Wheeling Diode)라고도 한다.

○ 테스트 회로

7N80 MOSFET 게이트 문턱 전압 V_gs(th)를 초과하는 10V 방형파 펄스를, x hz 주기로 Gate에 주입하고 어떤 속성 불상의 코일을 구동한다.

MOSFET Gate 전압이 충족되어 Drain과 Source의 저항값을 1.5오움 정도라고 보고… 그 상황은 코일의 한쪽은 공급전압 12V에, 다른 한쪽은 2.2오움 저항 + Drain-Source 저항 1.5오움 = 2.7오움 쯤 되는 저항체를 거쳐 GND에 연결된 것과 같다. 그리하여…

게이트 펄스 HIGH에서 MOSFET ON → 코일에 전류가 흐르고 자기장이 형성되고 그 자기장이 코일 2차 측에 영향을 주고 → 펄스 LOW에서 꺼지고 전기흐름이 없고 에너지를 담은 코일의 자력선이 붕괴되면 2차에 유기되고… → 아무튼 무한 반복.

그렇게 1차/2차 커플링 코일 + ON/OFF 반복 펄스를 조합하는 회로가 SMPS 전원 공급장치 안에도 들어 있다. 사용된 트랜스포머의 2차측 권선비를 달리하면 전압을 높이거나 낮추거나…

* 관련 글 : 소출력 D-클래스 앰프와 굼뜬 SMPS 어댑터

■ 트랜지스터 출력석을 MOSFET로 1:1 대체 가능한가?

트랜지스터로 통칭하기도 하지만… 역시 소자가 다르니까 반응 속성이 다르고 그 때문에 회로 설계 변수가 확연히 다르고. 억지로 하면 무슨 일이 생길까?

글쎄요? 묵묵부답이거나 연기가 모락모락이거나 펑?

(▲ Saturation 영역에서 & 어떤 고정된 V_ds 전압 = V_gs > V_gs(th)인 조건에서, 게이트 전압 V_gs를 가변하면 드레인-소스 전류 I_ds가 달라진다. 그것은 곧 신호 증폭. 이것을 MOSFET의 I-V 특성 곡선이라고 한다. I는 전류, V는 전압. 각 조건이 청색 영역에 속하면 동작하지 않음. 증폭비는 △I_d / △ V_gs이고 트랜지스터에서 DC Current Gain을 콜렉터 전류(I_c) ÷ 베이스 전류(I_b)로 계산하는 것과 유사함)

■ 오디오에서 MOSFET가 좋은 점은?

다음은 인켈 MD2200(=Sherwood S-6040CP) 파워앰프 부. 120W@8오움, DC~40Khz, S/N 95dB, THD 0.03%, Damping Factor 90인… 상당한 능력의 회로.

그러면… MOSFET를 써서 무조건 소리가 좋을까?

일단, 오디오 수준의 신호를 정확하게 재현함에 있어서 앰프 종단의 트랜지스터와 종단의 MOSFET가 확연하게 능력이 차이 날 이유는 없다고 생각한다.

논거? 1) 양자 증폭이 아닌 종단 전류를 통제(*1)하는 입장, 2) 그런데 시장 내 전통적인 트랜지스터 출력석 앰프가 압도적으로 많다. Why? 거꾸로 생각하면, 어느 시절에 등장한 파워 모스펫(Power MOSFET)이라는 용어가 앰프 마케팅에 일조한 측면도 있지 않을까 싶고… 최근의 고속 스위칭 소자인 GaN HEMT(*2)을 썼다고 홍보하는 디지털 앰프도 마찬가지.

* 1 : 코일 자기장은 전류 흐름에 종속된다. 스피커 유닛 안에 코일이 있으니까… 전압이 아니라 전류 통제가 중요함. 그러므로 인티앰프/파워 앰프 출력석은 곧 전류 통제 장치.
* 2 : 질화갈륨 고전자 이동 트랜지스터, Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor.

MD2200은 그냥… 마침 MOSFET를 쓴 국산 레어 아이템이라 절대적 가치가 있다, 그래서 소리가 더 좋게 들린다는 정도로?

* 관련 글 : Power IGBT에 대한 이야기

○ “전압 제어형 소자라서 게이트에 큰 전류를 흘리지 않아도 되는 FET가, 전류 제어형 소자라서 어느 정도의 베이스 전류를 요구하는 트랜지스터 보다 강점이 있고 빠른 스위칭이 가능하며 (동일 소자 체적, 동일 방열 면에서) 취급 전류량도 커서 상대적으로 전력 효율이 좋다”라고 하고… 사실 현재의 디지털 세상을 MOSFET 소자가 주도하고 있지만, 그렇지 않은 경우도 있다. 가볍게 100Mhz 이상 주파수를 취급하거나 스위칭 반응 시간(nS 단위)이 더 작거나…

무조건이라기보다는 케이스 바이 케이스.

예를 들어 7N80 Power MOSFET를 ‘High Voltage Fast Switching NPN Power Transistor’라는 단서가 달린, 아래 ST社 ST13007DFP BJT 파워 트랜지스터로 대체할 수도 있음. 뭐… 마침 바디 다이오드(Body Diode)까지 포함하고 있으니…