다이오드의 정류 작용과 AC/DC 컨버터

전자정류회로

다이오드 구조

가정용 전자 제품, 전기 자동차, 전동차 등의 기기에는 AC/DC 컨버터, DC/DC 컨버터, DC/AC 인버터 (AC: 교류, DC: 직류) 등의 전기회로가 포함되어 있으며, 이러한 회로는 다이오드나 전력 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) 등의 전력 반도체로 구성되어 있습니다. 다이오드는 바이폴라 트랜지스터나 전력 MOSFET의 기본 구성 요소이기도 합니다.

 

다이오드에는 두 종류의 다른 구조가 있습니다. 하나는 p형 반도체와 n형 반도체의 접합에 의한 pn 접합 다이오드이며 다른 하나는 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 등의 금속과 n형(또는 p형) 반도체의 접합에 의한 쇼트키 접합 다이오드입니다.

 

쇼트키 접합 다이오드는 정류 작용을 설명하는 쇼트키 배리어 이론을 발견한 독일인 물리학자 Walter Schottky의 이름을 붙이고 있어 '쇼트키 배리어 다이오드(SBD:Schottky barrier diode)'라고도 불리고 있습니다.

 

다이오드의 정류작용

다이오드의 정류 작용은 다이오드에 인가하는 전압의 정부 방향이 바뀌면 전류가 흐르거나 흐르지 않게 되거나 한다고 하는 마법 같은 현상입니다. 상부 전극의 전위가 하부 전극의 전위보다 높으면 다이오드에 전류가 흐릅니다만, 반대로 상부 전극의 전위가 하부 전극의 전위보다 낮으면 다이오드에는 전류가 흐르지 않습니다. 이것이 다이오드의 정류 작용입니다.

pn 접합 다이오드와 SBD(Schottky barrier diode)의 정류작용은 각각의 접합 계면에 발생하는 전위 장벽의 높이로 인해 정류 특성을 가진다. pn 접합 다이오드의 전위 장벽의 높이는 p형과 n형 반도체의 불순물 농도에 의존하며, SBD의 전위 장벽의 높이는 금속의 종류와 n형(또는 p형) 반도체의 불순물 농도에 의존하고 있습니다.

 

간단한 AC/DC 컨버터 (반파 정류 회로)

간단히 저항 1개와 pn 접합 다이오드 1개를 직렬연결한 회로를 구성하여 교류를 직류로 변환할 수 있습니다. 교류를 직류로 변환 가능하게 만드는 것은 다이오드의 정류 작용입니다. 이 AC/DC 컨버터 회로에서는 입력 교류전압 Vin(V)에 대해 다이오드는 다음과 같은 특징을 가집니다.

 

Vin(t)이 0보다 클 경우에는 다이오드가 전류를 통과시키므로 저항 R에 전류가 흐르며 (다이오드에 의한 전압강하를 무시하면) 출력전압 Vout(t)과 Vin(t)와 같아집니다. Vin(t)이보다 작거나 같은 경우에는 다이오드가 전류를 통하지 않으므로 저항 R에 전류가 흐르지 않으므로 Vout(t)이 0이 됩니다. 그 결과 교류전압에서 정전압만을 출력할 수 있습니다. 이를 '반파 정류 회로'라고 부릅니다.

 

즉 반파 정류 회로는 입력 파형의 양의 부분만을 이용하며 음의 부분은 완전히 버리고 있는 것이 됩니다. 따라서 입력 파형의 양의 부분만을 이용하기 때문에 전원의 변환 효율은 50% 이하가 되어 버리는 단점이 있습니다. 그러나 다이오드가 하나로 쉽게 정류할 수 있다는 것은 반파 정류 회로의 장점이라고 할 수 있습니다.

 

조금 복잡한 AC/DC 컨버터 (전파 정류 회로)

반파 정류 회로에서 추가적으로 4개의 다이오드를 이용하여 Vin(t)이 0보다 작거나 같을 때에도 부하 저항에 같은 방향의 전류가 흐르도록 고안한 '전파 정류 회로'라고 불리는 컨버터가 있습니다. 다이오드의 회로 기호인 삼각형의 저변 측 전위가 정점 측 전위보다 높을 때는 다이오드에 전류가 흐르고, 저변 측 전위가 정점 측 전위보다 낮을 때는 다이오드가 전류를 차단합니다.

 

전파 정류 회로에서는 입력 파형의 모든 것을 이용하고 있기 때문에 변환 효율이 매우 좋은 것입니다. 정류 회로에서는 브리지 정류를 사용한 전파 정류 회로가 경제적이고 소형화할 수 있기 때문에 일반적으로 사용되고 있습니다.

 

출력의 평활화

실용적인 정류 회로에서는 평활 콘덴서를 넣어 직류에 가깝게 하고 있습니다. 반파 정류 회로로 예를 들면 시간이 변하면서 안정적인 출력을 하지 못하기 때문에, 일반적으로 회로에 콘덴서를 추가함으로써 출력전압의 시간적 변화를 평활화합니다. 다이오드의 정류 작용을 활용하여 교류가 직류로 변환됩니다.