정류용 다이오드란
정류용 다이오드란 전원 회로에서 상용 전원의 교류를 정류하여 맥류를 얻기 위한 반도체 소자입니다.
일반적인 소신호용 다이오드 다이오드에 비해 크기가 크고 높은 전류를 흘릴 수 있으며, 내압이 높고 견고한 구조로 되어 있는 것이 특징입니다. 진공관인 양극관도 다이오드라고 하여 한때 정류기로 많이 사용되었으나, 현재는 특수한 용도에 국한되어 있으므로 본고에서는 반도체 소자로 한정합니다.
정류용 다이오드의 사용 용도
정류용 다이오드는 상용전원으로부터 직류전원을 만들어내는 전원장치의 정류회로에 반드시 사용됩니다. 스위칭 레귤레이터 등 고주파 교류를 정류하는 회로에서는 역회복 시간이 짧은 패스트 리커버리 다이오드나 손실이 적은 쇼트키 배리어 다이오드를 사용하는데, 이것도 정류용 다이오드의 일종으로 볼 수 있습니다.
정류용 다이오드의 원리
정류용 다이오드는 P형 단자 쪽을 양극, N형 단자 쪽을 음극이라고 하며, PN 접합부 부근에서는 N형 전자와 P형 정공이 서로 상쇄되어 공핍층이 생깁니다. 양극-음극 사이에 순방향 전압을 가하면 P형 부분에 정공, N형 부분에 전자가 주입되어 공핍층이 좁아지고 전류가 P형에서 N형으로 흐르게 됩니다.
역방향 전압을 걸면 P형 부분에 전자, N형 부분에 정공이 주입되어 공핍층이 확대되어 전류가 흐르지 않습니다. 이는 다이오드에서는 전류가 P형에서 N형 방향으로만 흐르는 특성을 나타낸다. 이상과 같이 다이오드의 양극에서 음극에 교류 전압을 가하면 순방향으로만 전류가 흐르고, 역방향으로는 전류가 흐르지 않습니다. 이것이 정류의 원리입니다.
참고로 정류 다이오드 단독으로는 반파 정류가 되어 교류의 반주기만 전류가 출력됩니다. 반면, 4개의 다이오드를 사용한 브리지 연결은 전파 정류가 되어 큰 전류를 얻을 수 있고, 리플이 감소하는 등의 장점이 있어 브리지 연결된 다이오드가 일반적입니다.
정류용 다이오드의 종류
정류용 다이오드에는 크게 세 가지 종류가 있습니다.
1. 실리콘 다이오드
가장 많이 유통되는 PN 접합형 다이오드 중 하나입니다. 정류용 다이오드라고 하면 보통 실리콘 다이오드를 말합니다. 한때 게르마늄 다이오드가 사용되기도 했지만, 내열성이 떨어지고 큰 전류를 흐르게 하는 것이 어렵기 때문에 거의 사용되지 않고 있습니다.
2. 퍼스트 리커버리 다이오드
PN접합 다이오드의 N형 반도체 영역에 중금속 확산이나 전자선 조사로 캐리어 트랩을 만들어 스위칭 시 캐리어를 잡아주는 구조를 가진 것입니다. 역회복 시간을 일반 다이오드 대비 1/100에서 1/1,000로 개선할 수 있지만, 순방향 전압이 커지는 단점이 있습니다.
고속 동작이 요구되는 스위칭 전원에서는 역회복 시간이 짧은 다이오드가 유리하기 때문에 패스트 리커버리 다이오드가 채택됩니다.
3. 쇼트키 배리어 다이오드
금속과 반도체를 접합할 때 발생하는 ‘쇼트키 효과’를 이용한 것입니다. 쇼트키 효과에 의해 일정 이상의 전압이 가해지지 않으면 전류가 흐르지 않는 장벽(쇼트키 장벽)이 생기기 때문에 이를 이용하여 정류 작용을 얻습니다. 순방향 전압이 작아지기 때문에 다이오드에 의한 손실이 작지만, 내압이 낮다는 단점이 있습니다.
정류용 다이오드의 기타 정보
정류용 다이오드 사용법
상용전원을 직류로 변환하는 경우 다음 두 가지 절차가 있는데, 각각에 적합한 정류용 다이오드가 있습니다. 상용 전원 라인에 정류용 다이오드를 직접 연결하여 첨두값이 140V 정도(일본 국내) 정도의 맥류를 뽑아내고 이를 평활 회로로 직류로 만든 후, 스위칭 레귤레이터 등으로 원하는 전압으로 변환하는 방법이 있습니다.
이 방법에서는 기기 전체의 전원 공급이 한 세트의 정류 다이오드에 집중되기 때문에 일반적으로 대전류/고내압 다이오드가 채택됩니다. 반면, 상용전원으로부터 변압기를 통해 원하는 전압 부근까지 전압을 변환하고 그 변압기 출력에 정류용 다이오드를 연결하여 직류로 변환하는 방식은 취급하는 전압이 낮아져 내압 성능이 떨어지고 전류가 커집니다.
특히 다이오드의 순방향 전압에 의한 손실이 에너지 효율에 영향을 미치므로 쇼트키 배리어 다이오드 등 순방향 전압이 낮은 소자가 유리합니다.