MOSFET 스위치: MCU로 큰 부하를 켜는 표준 방법

N채널 MOSFET은 게이트-소스 전압 Vgs가 충분히 크면 드레인-소스 사이가 작은 저항(Rds(on))처럼 됩니다. 게이트로는 전류가 거의 흐르지 않아 MCU 핀으로 바로 구동할 수 있습니다.

문턱 전압의 함정

데이터시트의 Vgs(th) = 2V는 "겨우 켜지기 시작하는" 전압입니다(보통 250µA 기준). 제대로 켜졌을 때의 Rds(on)은 Vgs = 10V나 4.5V 조건으로 적혀 있습니다. 3.3V MCU로 구동하려면 Vgs = 2.5V나 3.3V 조건의 Rds(on)이 적힌 로직 레벨 MOSFET을 골라야 합니다.

손실 계산

10A, Rds(on) = 10mΩ → P = 10² × 0.01 = 1W. 패키지의 열저항을 곱해 온도 상승을 확인합니다.

게이트 주변 부품

• 게이트 저항 (10~100Ω): 스위칭 속도를 조절하고 링잉을 줄입니다.
• 게이트 풀다운 (10~100kΩ): 핀이 떠 있을 때 MOSFET이 반쯤 켜지는 것을 막습니다.

게이트 전하

빠르게 PWM하면 게이트 커패시턴스를 매번 충방전해야 합니다. 게이트 전하 Qg가 큰 MOSFET을 MCU 핀으로 수십 kHz 구동하면 스위칭이 느려져 발열이 커집니다. 이때 게이트 드라이버가 필요합니다.

로우사이드 스위치 회로

N채널 MOSFET을 부하와 그라운드 사이에 두는 방식이 가장 간단합니다. 게이트에 MCU 핀을 연결하고, 부하는 전원과 드레인 사이에 둡니다.

전원(+12V) ── 부하 ── 드레인
                      │
MCU 핀 ─ 100Ω ─ 게이트     소스 ── GND
              │
            100kΩ ── GND   (풀다운)

• 게이트 직렬 저항(수십~수백 Ω): 게이트는 커패시터처럼 보이기 때문에 켜는 순간 MCU 핀에서 큰 전류가 흐릅니다. 이를 제한하고 링잉을 줄입니다.
• 풀다운 저항(10 k~100 kΩ): MCU가 리셋 중이라 핀이 떠 있을 때 MOSFET이 멋대로 켜지지 않게 합니다.

데이터시트에서 볼 세 가지

항목	뜻	확인할 점
Vgs(th)	켜지기 시작하는 전압	완전히 켜지는 전압이 아님
Rds(on) @ Vgs	켜졌을 때 저항	내 구동 전압에서의 값이 적혀 있는가
Qg	게이트를 채우는 데 필요한 전하	스위칭 속도와 구동 전류를 결정

Vgs(th) = 2 V인 MOSFET을 3.3 V로 구동하면 겨우 켜지기 시작한 상태라 저항이 크고 열이 납니다. 데이터시트에 Rds(on) @ Vgs = 2.5 V처럼 낮은 전압에서의 값이 명시된 로직 레벨 MOSFET을 고릅니다.

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손실 계산

도통 손실  P = I² × Rds(on)        5 A, 20 mΩ  →  0.5 W
스위칭 손실 ≈ ½ × V × I × (t_on + t_off) × f

PWM 주파수를 올리면 스위칭 손실이 주파수에 비례해 늘어납니다. 20 kHz에서 멀쩡하던 회로가 100 kHz에서 뜨거워지는 이유입니다. MCU 핀으로 직접 구동하면 게이트를 채우는 데 시간이 오래 걸려 이 손실이 커지므로, 큰 MOSFET이나 높은 주파수에는 게이트 드라이버를 씁니다.

유도성 부하에는 반드시 다이오드

릴레이, 솔레노이드, 모터는 코일입니다. 전류를 갑자기 끊으면 코일이 전류를 유지하려고 전압을 수십~수백 V까지 올립니다. 부하와 병렬로, 전원 쪽을 향하게 다이오드(플라이백 다이오드)를 달아 그 전류가 돌 길을 만들어 줍니다. 빠뜨리면 MOSFET이 한두 번 만에 죽습니다.

하이사이드가 어려운 이유

부하의 전원 쪽을 끊으려면 N채널 MOSFET의 소스가 부하 전압까지 올라갑니다. 켠 상태를 유지하려면 게이트를 전원 전압보다 더 높게 올려야 하므로 부트스트랩 회로나 전용 드라이버가 필요합니다. 간단한 경우에는 P채널 MOSFET을 쓰고, 모터 구동처럼 위아래를 모두 스위칭할 때는 하프 브리지 드라이버를 씁니다.

스스로 확인

• 3.3 V MCU로 구동할 MOSFET을 고를 때 Vgs(th) 대신 봐야 할 값은 무엇일까요?
• 10 A, Rds(on) 10 mΩ일 때 도통 손실은 얼마일까요?