소자 (#7–11)

MOSFET — 전압 제어 스위치

Rds(on)기생 C게이트 드라이버wiki/embedded-mosfet

한 줄 요약

MOSFET은 게이트-소스 전압으로 드레인-소스 채널을 여닫는 전압 제어 스위치로, 3상 인버터의 핵심 부품(6개)입니다. 게이트가 절연돼 있어 전류가 아닌 전압(전기장)으로 채널을 만듭니다. BJT와 달리 ON 시 일정 강하(VCE(sat)) 대신 도통 저항 Rds(on)이 나타나 I²R 발열이 선정 급소이고, 공정상 기생 커패시턴스(Ciss·Coss·Crss)와 바디 다이오드가 따라옵니다. 스위칭은 손실 적은 선형(ohmic) 영역에서 — 게이트를 12V로 켜야 해 STM32 3.3V로는 부족하므로 게이트 드라이버 IC가 필수입니다.

MOSFET이란 + 심볼이 그렇게 생긴 이유

게이트-소스 전압(VGS)으로 드레인-소스 사이 전도 채널을 만들어 전류를 여닫는 전압 제어 소자입니다.
심볼 3조각만 읽으면 된다 — 게이트가 본체와 떨어짐(절연 → 전압 제어), 가운데 끊긴 채널(평소 OFF, Vth 넘으면 ON), 안쪽 화살표(바디 다이오드·N/P채널 구분).

심볼 요소	의미
게이트가 떨어져 있음	절연 → 전류 X, 전압으로만 제어
가운데 끊긴 채널	평소 OFF · VGS>Vth면 ON
안쪽 화살표	바디(기생) 다이오드

MOSFET 심볼 3조각

BJT vs MOSFET — ON 특성이 다르다

둘 다 작은 입력으로 큰 출력을 제어하지만, BJT는 베이스 전류로·MOSFET은 게이트 전압(절연)으로 제어합니다.
함정: '완전히 켠 스위치' 영역의 이름이 BJT는 포화, MOSFET은 선형(ohmic)으로 정반대입니다. MOSFET의 포화는 오히려 손실 큰 통과 구간.

	BJT	MOSFET
제어	베이스 전류	게이트 전압(절연)
ON 시	VCE(sat) ≈ 0.2~0.3V	Rds(on) 저항 (I²R 발열)
스위칭 영역	포화	선형(ohmic) ← 반대!

닮았지만 ON 상태가 다름

동작 영역 3개 — 스위칭은 선형(ohmic)에서

차단(VGS<Vth, OFF) · 선형/ohmic(완전 ON, Rds(on) 최소, 저손실) · 포화(VDS 큼, 고손실 통과 구간) 셋으로 나뉩니다.
스위칭(90%+ 용도)은 선형에서 하고, 손실 큰 포화 구간은 빠르게 통과시켜야 효율이 납니다 — 그래서 게이트를 빠르고 충분히 구동.

🎚MOSFET 동작 영역

차단VGS<Vth · OFF

선형(ohmic)완전 ON · Rds(on) 최소 · 스위칭

포화고손실 · 빨리 통과

차단 → (포화 빨리 통과) → 선형 안착

전기적 특성 — SQJQ466E 데이터시트

인버터용 N채널 SQJQ466E 기준 주요 정격 — VDS 60V(절대 초과 금지)·VGS ±20V·ID 200A(25°C)/118A(125°C 디레이팅)·문턱 VGS(th) 3.5V·Rds(on) 1.9mΩ.
Rds(on) 발열이 선정 급소 — 200A면 P=I²R=200²×0.0019≈80W로 방열 없이 감당 불가. 그래서 실제 인버터는 큰 마진을 두고 'Rds(on) 낮은 소자'를 고른다.

P_{l oss} = I_{D}^{2} \times R_{d s (o n)} = 20 0^{2} \times 0.0019 \approx 80 W

$I_{D}$: 드레인 전류
$R_{d s (o n)}$: 도통 저항 (1.9mΩ)

Rds(on)이 곧 발열 — 200A에서 80W

기생 커패시턴스 — 스위칭 속도·손실의 원인

공정상 Cgd·Cgs·Cds가 생기고, 게이트를 켜고 끄려면 이들을 충·방전해야 합니다. 값이 크면 스위칭이 느려지고 I=C·dv/dt로 손실이 납니다.
데이터시트 분류 — Ciss=Cgs+Cgd(입력), Coss=Cds+Cgd(출력), Crss=Cgd(역전달). 충·방전 전류를 빠르게 대려면 MCU론 부족 → 게이트 드라이버 IC 필수.

게이트 전압 인가

기생 C 충·방전Cgs·Cgd

Turn On/Off

🔥I=C·dv/dt 손실C 클수록 느리고 손실↑

게이트 충·방전 → 스위칭 / I=C·dv/dt 손실

바디(기생) 다이오드

공정상 드레인-소스 사이에 생기는 기생 다이오드. 게이트가 0V라 MOSFET이 OFF여도 소스 전압 > 드레인 전압이면 소스→드레인으로 전류가 흐른다.
역회복 시간(trr)이 비교적 길어 손실 문제가 되면 외부 다이오드(쇼트키 등)를 추가한다. 인버터에선 유도성 부하의 환류(freewheeling) 경로로 활용되기도 한다.

MOSFET OFF (게이트 0V)

소스 > 드레인 전압

바디 다이오드 도통소스 → 드레인

인버터 환류 경로+ 역회복 trr 고려

OFF여도 소스>드레인이면 도통 → 환류 경로

주의점 · 함정

가장 헷갈리는 함정 — '완전히 켠 스위치' 영역이 BJT는 포화, MOSFET은 선형(ohmic)으로 명명이 반대다. 'MOSFET 스위칭은 선형에서, 포화는 빨리 지나칠 손실 구간'으로 기억할 것. 강의 슬라이드(SQJQ466E)의 정확한 수치를 raw 전사본 '슬라이드 자료'로 박제했고, 패키지·게이트 드라이버 회로 선정은 인버터 설계 강의에서 채울 자리.