Power Diode란? 일반 다이오드랑 다른점

DC-DC converter에서 switching regulator는 가변 저항을 사용하지 않아 효율이 거의 100%에 가깝다고 이전 포스팅에서 언급했다. 그러나 그것은 이상적인 상황일 뿐, 실제로는 loss가 존재하여 보통 95~97% 정도의 효율을 보인다. 고효율의 전력변환기를 설계하기 위해서는 loss에 대한 분석이 중요하다. loss에 대해 분석을 하기에 앞서 switching regulator에 사용되는 diode에 대해 알아보자.

전력 변환기에서 높은 전압을 사용하면서 기존의 일반 다이오드(signal diode), 모스펫을 사용할 수 없게 되었다. 높은 전압을 견딜 수 있는 소자들은 앞에 power를 붙이게 된다. 기존에는 signal(신호)을 사용했다면 이제는 power(전력)을 사용한다는 것이다. 크게 active switch와 passive switch로 나눌 수 있는데 active switch는 말 그대로 능동적으로 스위칭을 한다는 것이다. passive switch는 단자로 on/off를 결정하는 것이 아니라, 입력과 출력 단자에 인가되는 전압, 전류 등에 따라 수동적으로 on/off가 결정된다.
active switch는 입력단자, 출력단자, on/off를 결정하는 단자 총 3개의 단자로 구성되어 있고 power BJT, power MOSFET, IGBT 등이 있다. passive switch는 on/off 결정하는 단자가 없기 때문에 2개의 단자로 구성되어 있으며 대표적인 예로 power diode가 있다. 참고로, 그 외 semi-actvie switch라고 on일 때는 active처럼 off일 때는 passive처럼 동작하는 thyristor(SCR)도 있다.
본 포스팅에서는 기존의 signal diode와 차이가 있는 power diode에 대해 정리해보고자 한다.

power diode는 n형 반도체와 p형 반도체를 접합하여 만드는 signal diode와 기본적인 구조는 비슷하지만, n- layer가 p와 n 사이에 추가된다는 점이 다르다. signal diode에서는 p와 n사이에서 depletion layer가 생기지만, power diode에서는 p와 n- 사이에서 depletion layer가 생긴다.
참고로, depletion layer(공핍층)는 p형에 -극이 형성되고 n형에는 +극이 형성된다. 원래 p형은 hole이, n형은 electron이 majority carrier인데 p형과 n형을 접합하면 농도 차이에 의해 농도가 높은 곳에서 농도가 낮은 곳으로 diffusion하게 된다. 따라서 접합 부분에서 p형의 hole이 n형쪽으로 이동하게 되면서 hole이 상대적으로 부족하여 -를 띠게 된다. 마찬가지로 접합 부분에서 n형의 electron이 p쪽으로 이동하게 되며 n형 접합 부분에서 상대적으로 electron이 부족하게 되고 +를 띠게 된다.
여기서 더 중요한 것은 power diode에서 n- layer를 추가로 만드는 이유를 이해하는 것이다. n-라는 것은 n형에 비해 electron doping을 덜 했다는 것을 의미한다. 불순물을 doping 많이 해야 carrier가 많아져서 전류가 더 많이 흐른다는 것은 고체전자공학에서 배웠다. 불순물을 적게 doping 했다는 것은 전류가 적게 흐른다는 것이고 전류가 적게 흐른다는 것은 저항이 크다는 것이다. 저항이 크면 높은 전압을 견딜 수 있다. 즉, power diode는 고전압을 견디기 위해 n- layer를 넣었다는 뜻이다.

그럼 이제 power diode(다이오드)에 forward bias(순방향 전압)와 reverse bias(역방향 전압)을 가했을 때 어떻게 동작하는지 확인해보자. 여기서는 동작 하나하나 살펴보기 보다는 어떤 결과를 나타내는지 이해하고 넘어갈 것이다.

먼저 turn on transient를 살펴보자. forward bias가 걸리면, turn on이 될 것이다. 다시 말해서 전류는 특정한 값을 가지고, 전압은 거의 0이 될 것이다. 그런데 기존 signal diode의 turn on일 때와 전압 파형이 조금 다르게 나타난다.

위의 전압 파형 중 하늘색으로 동그라미 친 부분은 n- layer때문에 생기는 현상이며 이를 conductivity modulation(도전율 변조)라고 한다. n-는 n에 비해 doping을 적게 하여 전류가 적게 흐르고 저항이 높다고 하였다. 저항이 높으면 V=RI에 의해 전압이 높아질 것이다. 따라서 on이 되었을 때 처음에는 n-에 의해 전압이 높게 형성될 것이다. on이 계속 되면 전압원에서 electron을 계속 공급해주므로 n-와 n의 차이가 거의 없을 것이므로 n-가 n처럼 보이게 되고 다시 전압이 낮아지게 된다.

다음으로 reverse bias를 살펴보자. 다이오드가 있을 때 p쪽에 -극을, n쪽에 +극을 연결하면 reverse bias이다. reverse bias가 걸리면 off가 되어 전류=0, 전압=외부에서 가해준 전압이 될 것이다.

그러나 다이오드의 경우, turn-off transient에서 바로 전류=0으로 가는 것이 아니라 역방향으로 전류가 흐르게 되는데 이것을 reverse recovery current라고 하고 그 시간을 reverse recovery time(trr)이라고 한다. trr이 지난 후에도 reverse bias를 가해주면 off가 되어서 전류=0이 되어야하지만, 역방향으로 수백 uA(마이크로 암페어)정도 흐르는 leakage current가 발생한다.
standard(일반적인) recovery를 갖게 되면 recovery time이 길어서 on/off를 빠르게 하지 못한다. 보통 dc-dc converter는 고속 스위칭을 필요로 하기 때문에 standard recovery를 사용하지 못한다. 이에 대한 대안으로 fast recovery와 ultra-fast recovery가 있는데 reverse recovery time이 작아 dc-dc converter에 주로 사용된다.

그 외에 schottky diode (쇼트키 다이오드)라는 것도 있다. 쇼트키 다이오드는 n형과 p형을 접합시키는 다이오드와 달리 n형과 금속을 접합시켜 만들어 reverse recovery time이 굉장히 짧다(data sheet에는 쇼트키 다이오드의 경우 trr이 안적혀있기 때문에 없다고 봐도 무방). 따라서 고속 스위칭을 할 수 있다는 장점이 있고 dc-dc converter에도 사용된다. 그러나 break-down voltage가 100V이하로 매우 낮은 편이라 고압에서 버티기 힘들다는 단점도 있어 회로에 따라 소자를 잘 선택해야한다.

turn-on과 off일 때 conductivity modulation, reverse recovery 현상이 일어나는데 굉장히 간략하게만 언급하였다. 이런 현상이 일어나기 때문에 스위칭을 할 때 loss가 발생하는 것이다. 이와 관련된 자세한 내용은 다음 포스팅에서 다루도록 하겠다.