다이오드의 병렬 및 직렬 연결, Current sharing 및 Voltage dividing

 

 

 

안녕하세요 Brandy입니다. 오늘은 다이오드의 병렬 및 직렬 연결이 어떻게 사용되는지 알아보겠습니다.

 

 

Current sharing이라는 개념이 있습니다.

 

Power supply의 Current sharing

 

 

간단하게 회로 두개를 병렬로 연결하면 정격 전류를 두배까지 늘릴 수 있는데요. 필요한 전류를 회로 두개가 나눠 갖기 때문에 각 회로의 정격을 합한 전류를 사용 가능한 것이죠.

 

제가 옛날부터 궁금했던것이 다이오드의 Current sharing이었습니다. 얼핏 봐서는 간단해 보이지만 다이오드 병렬 연결이 많이 위험하다는 얘기를 들어서요, 관련해서 이번에 좀 찾아보고 정리를 해봤습니다.

 

이번 포스팅에서는 다이오드의 병렬 연결을 통한 Current sharing과 추가로 직렬 연결을 통한 Voltage dividing에 대해 공부한 내용을 공유하도록 하겠습니다.

 

 

다이오드 병렬 연결$($Current sharing$)$ 이슈

 

다이오드 병렬 연결의 가장 큰 이슈는 Current hogging 및 breakdown입니다.

 

다이오드끼리 전류를 똑같이 나눠 가지면 좋겠지만 다이오드 내부 변수의 차이로 결국 하나의 다이오드가 더 많은 전류를 흘리게 됩니다. 그러면 해당 다이오드의 발열이 심해지고 온도가 올라간 다이오드는 내부 변수의 변화로 또다시 더 많은 전류를 흘리게 되어 결국 Breakdown에 이르게 됩니다.

$($Positive feedback$)$

 

다이오드 하나가 Breakdown되면 나머지 다이오드도 정격 이상의 전류를 흘리게 되어 연쇄적으로 Breakdown이 일어나겠습니다.

 

 

같은 모델 다이오드 D1과 D2의 특성 곡선

 

 

위 그래프는 다이오드의 특성 곡선입니다. $\rm{I_{T} = 10A}$를 $\rm{D1}$과 $\rm{D2}$가 $\rm{I_{F1}}$과 $\rm{I_{F2}}$로 나눠 가진다고 합시다. 여기서 $\rm{D1}$과 $\rm{D2}$는 같은 다이오드 모델이지만 Forward voltage 레벨 차이로 $\rm{D1}$의 그래프가 $\rm{D1}$보다 왼쪽으로 치우친 모습입니다.

 

$\rm{D1}$과 $\rm{D2}$는 병렬이므로 양단에 걸리는 Forward voltage는 같습니다. Forward voltage가 같을 때 섭씨 25도에서 10A를 나눠 가지려면 $\rm{I_{F1}} = 6.7A$이고 $\rm{I_{F2}} = 3.3A$입니다. 역시 전류가 5A씩 균등하게 나뉘지 않는 것을 확인할 수 있습니다. 

 

125도에서는 $\rm{I_{F1}} = 6.1A$ 및 $\rm{I_{F2}} = 3.9A$입니다. 여기서 $\rm{D1}$에 전류가 더 많이 흐르므로 $\rm{D1}$ 온도가 150까지 올라갔다고 합시다. 다이오드 Forward voltage 레벨은 음의 온도 계수를 갖습니다. 그래서 다이오드 온도가 높아지면 반대로 Forward voltage 레벨은 낮아집니다.

 

결과는 $\rm{I_{F1}} = 6.7A$ 및 $\rm{I_{F2}} = 3.3A$로 전류 불평형이 더 심해지는 것을 확인할 수 있습니다. 결국 $\rm{D1}$이 Current hogging을 시작하고 먼저 열화되어 Breakdown될 것을 예상할 수 있습니다.

 

정리하자면, Forward voltage 레벨이 낮은 다이오드가 더 많은 전류를 흘리는 경향을 가집니다. 그리고 발열은 Forward voltage 불균형을 가속화시켜 결국 다이오드의 Breakdown을 초래하게 된다고 보면 되겠습니다.

 

Current hogging 대처 방안

 

다이오드에 직렬 저항 추가

 

 

사실 다이오드 병렬 연결은 앞에서 설명한 이유로 권장되지 않는데요, 굳이 그렇게 써야된다면 0.1~1옴 정도의 직렬 저항을 달아줄 수 있습니다.

 

다이오드로 흐르는 전류가 증가하면 저항의 전압 강하도 증가하여 다이오드쪽에 걸리는 전압을 완화해주는 원리인데요, BJT에서 이미터 저항을 달아 Negative feedback을 주는 원리와 같아 보입니다. 이때 저항으로 인한 도통 전력 손실도 고려해야 합니다.

 

또한 $\rm{D1}$과 $\rm{D2}$를 같은 Heat sink에 연결하여 온도 균형을 맞춰주는 방법도 있습니다. 

 

물론 해당 방법들은 실험을 통해 원하는 사양에서 원활히 동작하는지 꼭 검증을 거쳐야겠습니다.. 하지만 웬만하면 병렬 다이오드는 사용하지 않는 것 같습니다.. 요새는 다이오드 성능이 좋아서 고사양 Application도 문제가 없는 것 같습니다.

 

 

다이오드 직렬 연결$($Voltage dividing$)$ 이슈

 

다이오드 병렬 연결은 정격 전류를 높이기 위해, 직렬 연결은 역전압 한계정격$($Breakdown Voltage$)$을 높이기 위해 사용합니다.

 

다이오드 특성 곡선 및 직렬 연결

 

 

위 그래프처럼 다이오드는 역전압 한계치가 있습니다. 해당 한계치를 넘어 역전압이 걸리면 다이오드는 Breakdown영역으로 들어갑니다. 

 

만약 역전압 한계치가 400V인 다이오드를 직렬로 두개 쓴다면 도합 800V의 역전압을 버틸 수 있을까요?

 

역시나 Current sharing과 마찬가지로, 역전압이 각 다이오드에 균등하게 걸리지는 않습니다. 따라서 한 다이오드는 400V 이상의 역전압을 감당하게 되어 Breakdown될 것입니다.

 

다이오드 Voltage dividing

 

다이오드 직렬 연결에서는 내부 변수인 Leakage current값의 차이가 문제가 됩니다. 실제 다이오드는 역방향 전압이 걸리면 전류를 완전히 차단하는 것이 아니라 미세한 Leakage current를 흘리게 됩니다. 이때 해당 Leakage current와 역방향 전압의 값을 가지고 다이오드를 Leakage resistance로 모델링할 수 있습니다.

 

1N4004 다이오드의 Leakage current는 0.05mA에서 1.0mA의 값을 갖는다고 합니다. 0.1mA와 0.15mA의 Leakage current를 갖는 다이오드 두개를 사용한다고 가정합시다. 

 

전류 비가 2:3이므로 환원된 Leakage resistance 비율은 3:2입니다, Voltage dividing또한 3:2로 이루어져 위 상황에서 480V와 320V의 역전압을 얻습니다. 480V가 걸리는 다이오드는 Breakdown되는 것을 확인할 수 있습니다.

 

다이오드 직렬 연결 이슈 대처 방안

 

다이오드 병렬 저항 연결

 

다이오드 직렬 연결 이슈의 대처 방안은 다이오드에 병렬 저항을 추가하는 것입니다. 위와 같이 수 $\rm{M\Omega}$의 저항을 병렬로 달아줄 수 있습니다.

 

위의 예시에서, 400V 기준으로 환원된 Leakage resistance는 각각 4000$\rm{M\Omega}$과 2667$\rm{M\Omega}$입니다.

 

10$\rm{M\Omega}$ 저항을 병렬로 연결하면 $\rm{4000, 2667 >> 10}$이므로 등가 저항은 10$\rm{M\Omega}$으로 거의 같게 맞춰집니다. 따라서 Voltage dividing도 400V씩 거의 같게 분배되는 것을 이해할 수 있습니다. 

 

수 $\rm{M\Omega}$씩의 저항을 사용하는 이유는 역전압 도통 전류를 최소화하기 위해서입니다. 다이오드의 Leakage resistance가 워낙 커서 수 $\rm{M\Omega}$의 저항을 사용해도 등가저항을 거의 같게 맞출 수 있습니다.

 

하지만 Leakage resistance 모델링은 직류 바이어스에서 유효하며, Leakage capacitance등을 고려하면 더 복잡해진다고 합니다. 그러므로 실험적으로 검증을 꼭 거쳐서 병렬 저항을 사용해야 하겠습니다.

 

그래서.. 다이오드의 직렬 연결도 일반적으로 잘 사용하는 기술은 아닌 것 같습니다.

 

 

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오늘은 모두들 한번씩은 궁금해셨을법한 다이오드의 병렬 및 직렬 연결에 대해 알아봤는데요. 

 

두 기술 다 이슈가 있었지만 간단하게 저항을 사용하여 어느정도 성능을 보장할 수 있음을 알게 되었습니다.

 

하지만 꼭 실험을 통해서 필요한 Application에 적용 가능한지를 확인해야 했습니다. 또한 저항 자체가 에너지 소모가 많아서 굳이 이렇게까지 쓰는 회로가 많지는 않은 것 같습니다. 정격이 높은 고사양 다이오드도 많으니까요.

 

그래도 다들 궁금증을 조금이나마 해소하셨다면 좋겠습니다.

 

감사합니다!!