반도체 스위치와 그 손실

목표

켜져 있는 MOSFET은 저항으로, 도통(conduction) 중인 다이오드는 순방향 전압(forward voltage)에 작은 저항을 더한 것으로 모델링합니다.
용량성 턴온 손실(capacitive turn-on loss)과 게이트 구동 전력(gate-drive power)을 추정하고, 둘이 스위칭 주파수(switching frequency)에 따라 어떻게 달라지는지 확인합니다.
스위칭 주파수에 따라 커지는 손실과 부하에 따라 커지는 손실을 구별합니다.

이론

컨버터의 스위치

이상적인 스위치는 켜져 있을 때 양단에 전압이 걸리지 않고, 꺼져 있을 때 전류가 흐르지 않습니다. 컨버터는 MOSFET 같은 트랜지스터와 다이오드로 스위치를 구현합니다 [Erickson & Maksimović 2020, Ch. 4]. 트랜지스터는 게이트(gate)로 켜고 끄며, 다이오드는 스스로 스위칭합니다. 다이오드는 순방향 바이어스(forward bias)가 걸리면 도통하고, 역방향 바이어스(reverse bias)가 걸리면 차단(blocking)합니다 [Erickson & Maksimović 2020, Ch. 4].

도통 손실

완전히 켜진 MOSFET은 저항, 곧 온 저항(on-resistance)처럼 동작하므로, 도통 손실(conduction loss)은 실효 전류(rms current)로 계산합니다(도통 손실). 도통 중인 다이오드는 일정한 순방향 전압과 이에 직렬로 연결된 작은 저항으로 모델링합니다 [Erickson & Maksimović 2020, Ch. 3].

P = V_F I_\mathrm{avg} + r_d I_\mathrm{rms}^{2}

$P$: 전력
$I_\mathrm{avg}$: 평균 전류
$I_\mathrm{rms}$: 실효 전류(rms)
$V_F$: 다이오드 순방향 전압(forward voltage)
$r_d$: 다이오드 동저항(dynamic resistance)

다이오드 도통 손실✓ 테스트 7개로 검증됨

가정, 표기 규약, 출처

가정

주기적 정상상태

출처

Erickson & Maksimović 2020, Ch. 3 (Steady-State Equivalent Circuit Modeling, Losses, and Efficiency)

유도

sympy 단계별 유도

수식 id

loss.diode · equations.yaml 항목

순방향 전압은 전류와 관계없이 회로에서 일정한 전압을 가져가므로, 출력 전압이 낮을 때 효율(efficiency)을 가장 크게 떨어뜨립니다 [Erickson & Maksimović 2020, Ch. 4].

노드 커패시턴스에 의한 스위칭 손실

트랜지스터는 켜질 때 스위치 노드(switch node)의 커패시턴스를 방전시키며, 이 커패시턴스에는 트랜지스터 자신의 출력 커패시턴스(output capacitance)가 포함됩니다. 그 커패시턴스에 저장된 에너지는 주기마다 손실됩니다 [Erickson & Maksimović 2020, Ch. 4].

P = \frac{C_\mathrm{node} V_\mathrm{sw}^{2} f_s}{2}

$P$: 전력
$C_\mathrm{node}$: 스위치 노드 커패시턴스
$V_\mathrm{sw}$: 턴온 순간의 스위치 노드 전압
$f_s$: 스위칭 주파수

용량성 턴온 손실✓ 테스트 7개로 검증됨

가정, 표기 규약, 출처

가정

주기적 정상상태
매 턴온마다 커패시턴스가 완전히 방전됨
저장 에너지가 매 주기 전부 소산됨

출처

Erickson & Maksimović 2020, Ch. 4 (Switch Realization)

유도

sympy 단계별 유도

수식 id

loss.sw.cap · equations.yaml 항목

또한 각 천이(transition) 중에 전류와 전압이 짧은 시간 동안 겹치며, 다이오드가 꺼질 때에는 다이오드의 축적 전하(stored charge)를 제거해야 합니다. 둘 다 스위칭이 일어날 때마다 손실을 더합니다 [Erickson & Maksimović 2020, Ch. 4].

게이트 구동 전력

MOSFET을 스위칭하기 위해 드라이버는 주기마다 한 번, 게이트 전하(gate charge)를 드라이버 전원에서 게이트로 옮겼다가 다시 접지로 보냅니다. 이에 드는 전력은 MOSFET의 채널이 아니라 드라이버와 게이트 저항에서 소산(dissipation)됩니다 [Balogh 2018].

P = Q_g V_\mathrm{GS} f_s

$P$: 전력
$Q_g$: 총 게이트 전하(gate charge)
$V_\mathrm{GS}$: 게이트 구동 전압
$f_s$: 스위칭 주파수

게이트 구동 전력✓ 테스트 7개로 검증됨

가정, 표기 규약, 출처

가정

주기적 정상상태

비고

전력 스위치 채널이 아니라 드라이버와 게이트 저항에서 소산됩니다

출처

Balogh 2018

유도

sympy 단계별 유도

수식 id

loss.gate · equations.yaml 항목

풀이 예제

스위치 노드, 게이트 구동, 다이오드 예제입니다.

스위치·다이오드 손실 예제

기호	값	구하는 방법
$C_\mathrm{node}$ 스위치 노드 커패시턴스	100 pF	주어진 값
$V_\mathrm{sw}$ 턴온 순간의 스위치 노드 전압	48 V	주어진 값
$f_s$ 스위칭 주파수	100 kHz	주어진 값
$Q_g$ 총 게이트 전하(gate charge)	20 nC	주어진 값
$V_\mathrm{GS}$ 게이트 구동 전압	10 V	주어진 값
$V_F$ 다이오드 순방향 전압(forward voltage)	500 mV	주어진 값
$I_\mathrm{avg}$ 평균 전류	1 A	주어진 값
$r_d$ 다이오드 동저항(dynamic resistance)	50 mΩ	주어진 값
$I_\mathrm{rms}$ 실효 전류(rms)	1.2 A	주어진 값
${P}_{\mathrm{sw}}$ 전력	11.5 mW	용량성 턴온 손실
${P}_{\mathrm{gate}}$ 전력	20 mW	게이트 구동 전력
${P}_{\mathrm{diode}}$ 전력	572 mW	다이오드 도통 손실

이 스위칭 주파수에서 용량성 턴온 손실은 11.5 mW이며, 게이트 구동 전력은 20 mW입니다. 스위칭 주파수가 두 배가 되면 둘 다 두 배가 됩니다. 반면 다이오드의 도통 손실은 572 mW이며, 부하 전류에 따라 달라집니다.

직접 해 보기

▶ 수식 탐색기에서 열기: 용량성 턴온 손실
초기값을 가져온 예제 switch-losses

스위칭되는 전압을 로그 축에서 스윕(sweep)하십시오. 용량성 손실은 전압의 제곱에 비례하여 커지므로, 높은 전압을 스위칭하는 컨버터에서 가장 중요합니다. 그런 다음 게이트 구동 전력 수식을 열고 스위칭 주파수를 스윕하십시오.

벤치 실습

스위칭 주파수를 설정할 수 있는 벅 평가 보드(evaluation board)에서, 부하를 고정한 채 두 가지 스위칭 주파수에서 입력 전력과 출력 전력을 측정하십시오. 전력 분석기(power analyzer)를 쓰거나, 입력 측과 출력 측에 멀티미터를 한 쌍씩 둡니다. 손실 증가분을 주파수 증가분으로 나눈 값은 스위칭 주기당 손실되는 에너지의 추정값입니다. 데이터시트의 커패시턴스와 게이트 전하를 용량성 손실 수식과 게이트 구동 전력 수식에 넣어, 이 값과 비교하십시오.

주의할 점

주기마다 한 번 발생하는 손실은 주파수에 비례합니다. 스위칭 주파수를 높이면 주어진 리플에 필요한 인덕터는 작아지지만, 용량성 손실, 천이 손실, 게이트 구동 손실은 그에 비례하여 증가합니다 [Erickson & Maksimović 2020, Ch. 4].
게이트 전력은 MOSFET이 아니라 드라이버를 가열합니다. 이 전력은 드라이버의 소산 전력 예산에 반영하십시오 [Balogh 2018].
다이오드 전압 강하(diode drop)는 출력 전압이 낮을 때 큰 부담이 됩니다. 같은 순방향 전압이라도 낮은 출력 전압에 대해서는 더 큰 비율을 차지하며, 이 때문에 저전압 컨버터에서는 다이오드를 트랜지스터, 곧 동기 정류기(synchronous rectifier)로 대체하는 경우가 많습니다 [Erickson & Maksimović 2020, Ch. 4].

더 알아보기

도서 챕터 Switch Realization (Ch. 4) — R. W. Erickson, D. Maksimović · 확인일 2026-09-23
트랜지스터와 다이오드로 이상적인 스위치를 구현하는 방법과 스위칭 손실의 원인.
응용 노트 Fundamentals of MOSFET and IGBT Gate Driver Circuits (SLUA618A) — L. Balogh, Texas Instruments · 확인일 2026-09-23
MOSFET 스위칭 동작, 게이트 전하와 게이트 구동 전력, 실용적인 게이트 구동 회로.
도서 챕터 Steady-State Equivalent Circuit Modeling, Losses, and Efficiency (Ch. 3) — R. W. Erickson, D. Maksimović · 확인일 2026-09-23
직류 변압기 모델과, 권선·반도체 저항이 변환비와 효율을 제한하는 방식.

퀴즈

$200\,\mathrm{kHz}$ 로 스위칭하는 트랜지스터가 켜질 때마다 스위치 노드에 있는 $100\,\mathrm{pF}$ 의 커패시턴스를 $48\,\mathrm{V}$ 에서 방전시킵니다. 용량성 턴온 손실은 얼마입니까?
1. $11.5\,\mathrm{mW}$
2. $23\,\mathrm{mW}$
3. $46\,\mathrm{mW}$
4. $2.3\,\mathrm{mW}$
정답과 해설
정답: B 저장 에너지는 커패시턴스에 전압의 제곱을 곱한 값의 절반인 약 $115\,\mathrm{nJ}$ 이며, 이 에너지가 초당 $2 \times 10^5$ 번 손실됩니다.
총 게이트 전하가 $30\,\mathrm{nC}$ 인 MOSFET을 $100\,\mathrm{kHz}$ 에서 $12\,\mathrm{V}$ 로 구동합니다. 게이트 구동 전력은 얼마입니까?
1. $3.6\,\mathrm{mW}$
2. $18\,\mathrm{mW}$
3. $36\,\mathrm{mW}$
4. $360\,\mathrm{mW}$
정답과 해설
정답: C 게이트 전하에 구동 전압을 곱한 값이 주기당 에너지인 $360\,\mathrm{nJ}$ 이며, 이 에너지가 초당 $10^5$ 번 소모됩니다.
스위칭 주파수를 두 배로 높입니다. 용량성 턴온 손실과 게이트 구동 전력은 어떻게 됩니까?
1. 둘 다 두 배가 됨
2. 둘 다 변하지 않음
3. 전자는 두 배가 되고 후자는 변하지 않음
4. 둘 다 네 배가 됨
정답과 해설
정답: A 각각은 주기마다 한 번 손실되는 고정된 에너지이므로, 둘 다 스위칭 주파수에 비례합니다.
게이트 구동 전력은 어디에서 소산됩니까?
1. MOSFET의 채널에서
2. 드라이버와 게이트 저항에서
3. 부하에서
4. 어디에서도 소산되지 않음: 게이트 전하가 회수됨
정답과 해설
정답: B 게이트 전하는 게이트로 들어갈 때와 나올 때 드라이버와 게이트 저항을 거쳐 흐르며, 이들이 그 에너지를 열로 바꿉니다.
순방향 전압이 $0.5\,\mathrm{V}$ 이고 기울기 저항이 $20\,\mathrm{m}\Omega$ 인 다이오드에 평균 $2\,\mathrm{A}$ , 실효값 $2.5\,\mathrm{A}$ 의 전류가 흐릅니다. 이 다이오드의 도통 손실은 얼마입니까?
1. $1\,\mathrm{W}$
2. $1.125\,\mathrm{W}$
3. $1.25\,\mathrm{W}$
4. $0.125\,\mathrm{W}$
정답과 해설
정답: B 순방향 전압에 평균 전류를 곱하면 $1\,\mathrm{W}$ 이고, 기울기 저항에 실효 전류의 제곱을 곱한 값이 $0.125\,\mathrm{W}$ 를 더합니다.
저전압 컨버터에서 출력 다이오드를 동기 정류기로 대체하는 경우가 많은 이유는 무엇입니까?
1. 다이오드는 낮은 전압을 차단할 수 없기 때문
2. 다이오드의 고정된 순방향 전압이 낮은 출력 전압에서 큰 비율을 차지하므로 효율을 크게 떨어뜨리기 때문
3. 동기 정류기에는 게이트 구동이 필요 없기 때문
4. 다이오드는 어떤 전압에서든 너무 느리게 스위칭하기 때문
정답과 해설
정답: B 순방향 전압은 부하와 관계없이 출력 경로에서 일정한 전압을 가져갑니다. 켜져 있는 트랜지스터에서는 온 저항에 전류를 곱한 만큼의 전압 강하만 생깁니다.

이 사이트의 예제, 프리셋, 연습 문제에 나오는 수치는 교육용으로 만든 어림수(합성 값)이며, 실제 설계의 데이터가 아닙니다.