게이트 드라이버란?
게이트 드라이버는 전압으로 구동하는 타입의 MOSFET이나 IGBT의 게이트 단자에 전압을 인가하여 구동 제어하는 회로입니다.
현재 가장 보편적인 게이트 드라이버는 MOSFET의 게이트를 구동 제어하는 회로이지만, 저항이나 다이오드, 바이폴라 등의 트랜지스터를 이용한 아날로그 회로 기술도 있습니다. 최근에는 게이트 드라이버 주변 회로 부품 자체도 진화하고 있습니다.
그 종류와 조합은 다양하지만, MOSFET을 이용한 게이트 전압 구동 제어 회로를 익히는 것이 가장 실용적입니다.
게이트 드라이버의 사용 용도
게이트 드라이버는 MOSFET과 게이트 저항만으로 구성된 간단한 구동 회로로 파워 트랜지스터를 구동할 때 사용됩니다.
게이트 드라이버의 장점은 부품 수가 적다는 점이지만, 단점은 저항값에 따라 스위칭 속도와 손실이 크게 달라져 적당한 저항값으로 설정하기 어렵다는 점입니다. 또한, 이 저항값 조정의 문제점을 개선한 회로로 MOSFET의 게이트를 ON/OFF를 다이오드로 분리하여 구동하는 회로에도 사용됩니다.
다이오드 분의 전압이 남아있기 때문에 완전히 제로가 되지는 않지만, 이 문제를 해결한 것이 MOSFET의 Pch와 Nch를 위아래로 연결한 푸시풀(Push-Pull)이라는 회로입니다. 게이트 드라이버의 사용 용도로 현재 가장 많이 사용되고 있습니다.
게이트 드라이버의 원리
게이트 드라이버는 트랜지스터의 푸시풀 회로로 구성되어 있습니다.
푸시풀 회로란 두 개의 트랜지스터를 교대로 동작시켜 스위칭 또는 증폭을 하는 회로를 말합니다. 푸시풀 회로에는 ‘이미터 팔로워형’과 ‘이미터 접지형’의 두 가지 종류가 있는데, 기본적으로 후자의 경우가 많습니다.
게이트 드라이버는 트랜지스터의 현장에서 큰 일을 하는 힘센 파워 소자와 제어 방침을 지시하는 두뇌이자 사장님 같은 역할을 하는 마이크로컴퓨터 사이의 중간 관리자 같은 역할을 하는 회로로 구성되어 있습니다.
큰 전류를 흘릴 수 있는 파워 소자로는 파워 MOSFET과 IGBT를 들 수 있습니다. 이들을 직접 구동하는 전압이나 전류는 일반 마이크로컴퓨터가 출력할 수 있는 전류나 전압으로는 부족한 경우가 대부분입니다.
따라서 파워 소자와 마이컴으로 구동시키기 위해서는 그 사이에 게이트 드라이버가 필요합니다.
게이트 드라이버의 기타 정보
1. 초고속 게이트 드라이버란?
초고속 게이트 드라이버는 게이트 드라이버 중에서도 특히 고속 스위칭에 특화된 게이트 드라이버를 말합니다.
그 중에서도 초고속이라고 불리는 부류는 대체로 스위칭 속도가 수십 p(피코) 초 이하인 소자를 기준으로 합니다. 피코는 10의 12승이므로 1초의 12승(1조분의 1) 이하의 속도로 스위칭을 합니다.
이는 최근 반도체 소자의 기술 혁신으로 인한 진화라고 할 수 있습니다.
2. 초고속 게이트 드라이버의 실용화
실용화된 초고속 소자 게이트 드라이버로는 다음과 같은 것들이 있습니다.
첫 번째는 반도체로 가장 많이 사용되는 실리콘을 이용한 트랜지스터로, 바이폴라형과 MOS형이 있습니다. 바이폴라 타입은 수십 피코초의 고속 스위칭이 가능하며, MOS 타입은 동작이 지연되지만 고밀도 회로 집적에 적합합니다.
두 번째는 화합물 반도체 타입의 트랜지스터입니다. 쇼트키 게이트형 전계효과 트랜지스터인 MESFET, 이종 바이폴라 트랜지스터인 HBT, 고이동도 전계효과 트랜지스터인 HEMT가 있다. 사용되는 반도체는 갈륨비소계 화합물입니다. 이 소자는 수 피코초의 스위칭 동작이 가능한 현재의 초고속에 대응하는 소자로, 가장 빠른 반도체가 될 것입니다.
세 번째는 아직 연구 단계이지만 두 종류의 초전도체 사이의 터널 효과를 이용한 조셉슨 소자(Josephson element)입니다. 두 번째 소자의 절반 수준의 스위칭 속도에 니오브와 같은 금속 재료가 사용됩니다. 하지만 작동을 위해서는 극저온이 필요한 등 조건이 까다로워 실용화에는 아직 과제가 남아있습니다.
3. SiC 게이트 드라이버
SiC 게이트 드라이버는 내전압 성능과 스위칭 속도 개선에 탁월하여 최근 파워일렉트로닉스 세계에서 주목받고 있는 반도체 소자입니다. 그 활용이 업계의 트렌드가 되고 있는 실리콘 카바이드(통칭 SiC)라는 반도체로 구성된 게이트 드라이버를 말합니다.
특히 SiC를 사용한 MOSFET은 고전력 대응 인버터의 과제인 스위칭 성능을 크게 향상시키는데 기여했으며, 높은 브레이크다운 전계 강도와 캐리어 드리프트 속도를 실현하면서 방열성을 개선했습니다.
그러나 SiC는 다양한 SiC 조성 구성에 따른 전압 차이를 해결해야 하는 과제가 있습니다.
4. 게이트 드라이버의 현재 주력 소자
현재 게이트 드라이버에서 구동하고자 하는 주력 소자는 MOSFET과 IGBT라는 전압 구동 소자입니다. 게이트 드라이버는 전류를 상시 흘릴 필요는 없지만, 스위칭 동작 시 단시간의 펄스 전류가 흐르기 때문에 파워 디바이스로서의 정격 전류와 전압 값 등에 주의가 필요합니다.
특히 IGBT의 경우 MOSFET에 비해 수 10V의 고전압에서 특성이 우수하기 때문에 게이트 드라이버의 바이어스 특성도 해당 전압 영역과 용도에 최대한 부합하는 것을 선택하는 것이 안전합니다.
5. 모듈화와 향후 트렌드
IGBT는 고전압 동작 및 최대 정격을 초과하면 순간적으로 파괴되기 쉽다는 특징이 있습니다. 따라서 IGBT 단품(디스크리트)보다는 게이트 드라이버 IC와 IGBT 단품에 보호회로 등을 조합한 IGBT 모듈이 사용하기에 편리하여 현재 많은 시장에서 채택되고 있습니다.
향후 게이트 드라이버의 기술 개발 동향은 보다 소형화, 고성능화를 목표로 한 사용하기 쉬운 제품뿐만 아니라, D급 증폭기나 모터 구동용 등 용도에 특화된 IC가 개발될 것으로 예상됩니다. 이러한 게이트 드라이버는 앞서 설명한 SiC 반도체나 GaN 디바이스용 게이트 드라이버와 함께 사용되게 될 것입니다.