DC 전원 라인의 ON/OFF와 DC-DC 컨버터에 최적이다

파워 다이오드의 종류 및 성질

 파워다이오드는콘센트로들어오는상용전원을전자회로에 필요한 직류로 바꾸는 데 사용되고 있다. 스위칭 회로용으로는 더높은주파수에서사용할수있도록성능이개선되고있다.

 일반적으로 전력 제어에 사용하며 전류정격이 1A 이상인 다이오드를 파워 다이오드라고 한다. 여기서는 1A 또는 허용 전력 손실이 1W 이상인 디바이스를 파워 다이오드라고 한다. 거의 모든 전자기기에 사용되고 있는 상용 전원을 정류하는 일반 정류 다이오드에서부터 스위칭 회로 정류에 사용되고 있 는 고속 정류 다이오드, 그리고 실리콘에 대해 파괴 전계 강도 와 열전도율이 높으며 신소재 SiC를 사용한 쇼트키 배리어 다 이오드에 이르기까지 종류와 구조를 소개한다.

파워 다이오드의 분류 

1. 정류용은 상용 전원용과 스위칭 전원용으로 나뉜다 

파워 다이오드를 분류하면 그림 1과 같다.

(1) 예전에는 일반 정류 다이오드뿐이었다 

 예전의 파워 다이오드는 주파수가 50/60Hz인 상용 전원의 100VRMS 교류출력을 정류하는 소자로 이용됐다. 정류란 플러 스, 마이너스로 변화하고 있는 전류(교류)를 한 방향(직류)으로 조정하는 것을 말한다.

(2) 스위칭 전원 정류에 전류 전환이 빠른 고속 응답 타입이 필요해졌다 

 그 후, 가전과 산업 분야에서 스위칭 전원이 사용됐고 파워 다이오드는 파워 트랜지스터의 ON/OFF와 코일에 의한 전류 의 정류소자로 사용됐다.

 스위칭 전원에서는 100kHz 이상의 높은 주파수로 변화하 는 전류를 정류할 필요가 있다. 그러나 기존의 일반 정류 다이 오드에서는 이렇게 빠른 전류 전환이 불가능하여 단락 상태로 돼 버렸으며 정류 소자로서 기능할 수 없었다.

 다이오드의 PN 접합은 전류가 흐를 경우 전하가 축적된다. 역전압을 가하려면 이 전하를 배출하여 공핍층을 만들기 위한 전하를충전해야한다‘(다이오드의동작’부분참조).

 그래서 탄생한 것이 역회복 전하(Qrr), 또는 역회복 시간이 규정된 고속 정류 다이오드이다. 역회복 시간이 짧고 역회복 전하가 적은 다이오드일수록 고속이다. 시판되고 있는 제품의 역회복 시간은 100n∼1,000ns이다.

 저내압에 응용할 때에는, 고속이지만 역회복 시간에 대해 규정되어 있지 않은 쇼트키 배리어 다이오드(SBD : Schottky Barrier Diode)가 자주 사용되고 있다.

2. 구조 차이에 의해 PIN과 쇼트키의 두 종류로 나뉜다 

 그림 2와 같이 i층이라는 고저항을 넣어 PN 접합을 형성하 는 PIN 다이오드와, 그림 3과 같이 금속과 반도체의 접합(쇼 트키 접합)을 가진 쇼트키 배리어 다이오드(이하, SBD)로 크 게 나뉜다.

 i(Intrinsic)층은 진성반도체층이라고도 하며 내압을 높이기 위해 필요한 층이다. PN 접합을 가진 파워 다이오드는 거의 100%가 이러한 PIN 구조이다(일반적으로는 PN 구조라고 하 지만 정확하게는 PIN 구조이다).

 순방향으로 전압을 가하면 PN 접합에 캐리어가 축적되어 전류가 흐른다. 전자와 정공 양쪽이 흐르므로 전압 강하가 매 우 낮아진다.

 PIN 다이오드의 역방향에 전압을 가하면 공핍층이 넓어져 전류가 흐르기 어려워지며 전압이 유지된다. 공핍층에 발생하 는 전계가 있는 한도값에 도달하면 전류가 흐르기 시작한다. 이 때의 전압이 내압이다.

(1) PIN 타입은 상용 전원과 스위칭 전원의 정류에 사용된다 

PIN 다이오드는 다음과 같은 용도에 사용된다.

① 상용주파수(50Hz/60Hz)의 교류 전원 정류 : 일반 정류 다이오드

① 상용주파수(50Hz/60Hz)의 교류 전원 정류 : 일반 정류 다이오드

③ 정전압원 : 제너형 파워 다이오드, 애벌란시 파워 다이오 드‘(제너 다이오드의 2종류 항복 모드’ 참조)

(2) 쇼트키 접합 타입은 저내압 스위칭용으로 사용되고 있다 

 앞에서 설명한 바와 같이, SBD는 PN 접합이 아닌 몰리브덴 등의 금속과 반도 체 접촉면의 배리어를 이용하고 있다.

 n형 기판인 경우 그림 3(b)과 같이 금 속에 플러스, 반도체에 마이너스 전압을 가하면 전류가 흐른다.

 반대로 금속에 마이너스, 반도체에 플 러스 전압을 가하면 그림 3(a)과 같이 금속면의 전자가 전극 방향으로 이동하며 전자가 존재하지 않는 배리어층이 금속면 바로 아래에 형성된다. 배리어층의 전계가 한계 전압을 넘으 면 전류가 흐르기 시작한다. 이 한계전압이 내압이다.

 전류에 기여하는 것은 이동이 빠른 전자뿐이므로 고속으로 턴 오프할 수 있다. 그래서 순방향으로 전류가 흘렀을 때의 전 압강하는 PIN 다이오드보다 낮아진다. 단, 내압이 낮고 누설 전류가 크다는 결점도 있다.

 실제 제품에서는 사용하는 금속을 교환하거나 n층에 p층을 형성하는 등 다양한 연구를 통해 내압과 누설 전류의 특성을 최적화했다

 SBD는 PN 접합의 다이오드와 달리 다수의 캐리어만으로 동작하므로 순방향 전압이 작고 역회복 시간이 짧다는 특징을 갖고 있다. 역회복 시간에 대해서는 규정되어 있지 않지만 대 략 20ns 전후일 경우 고속 스위칭 동작에 적합하다.

3. 일반 정류 다이오드의 특징 및 종류 

(1) 주로 상용 전원에 사용된다 

 상용 전원에 직접 접속된다는 점에서 다음과 같은 특징을 갖는다.

 ① 서지 전압에 견디는 큰 전압 정격을 갖는다

 ② 단락 등 이상 발생 시 전원 측에 삽입되는 퓨즈를 확실히 끊는 큰 서지 전류에 견딘다

 ③ 절연거리를 확보하기 위해 패키지 단자간 거리를 길게 한다

 일반 정류 다이오드의 내부 회로 구성 종류를 그림 4에 나 타낸다. 싱글(단체)과 브리지(단상)형으로 분류할 수 있며 싱글 및 브리지형은 거의 모든 전자기기에 탑재되고 있다

 하프 브리지, 3상 브리지(일반적으로는 모듈이라고 한다)는 UPS나 인버터 등과 같은 산업기기를 중심으로 사용되고 있 다. 표 1과 같이 표면실장 패키지도 라인업되고 있다.

(2) 역회복 시간이 규정되어 있지 않으며 응답이 느리다 

 상용주파수(50Hz/60Hz)의 교류전원을 그림 5와 같이 한쪽 방향의전류로하거나(정류), 약500Hz의낮은주파수로사용하 는 파워 다이오드를 일반 정류 다이오드라고 한다. 고속 응답이 필요한스위칭전원에는큰손실이나오므로사용할수없다.

 다이오드의 스위칭 성능은 역회복 시간(Reverse Recovery Time, 이하trr)으로정의되지만, 일반 정류 다이오드는 제조