動作原理
ハーフブリッジや H ブリッジでは、ハイサイドとローサイドのスイッチが同時に導通してはいけません。MOSFET や IGBT はターンオンよりターンオフに時間がかかるため、ゲートドライバは一方の素子をオフしてから他方をオンするまでの間に短いデッドタイムを挿入します。デッドタイムが短すぎると貫通電流（シュートスルー）が流れ、長すぎるとボディダイオードの導通損失と出力のひずみが増えます。
データシート法では素子のデータシートにあるスイッチング時間を使います。最小デッドタイムはターンオフ遅延と立ち下がり時間の和からターンオン遅延を引いた値です。ゲート電荷法は同じ時間をゲート電荷、しきい値電圧、ドライバ電圧、ゲート抵抗から推定する方法で、実際のゲート抵抗がデータシートの測定条件と異なる場合に便利です。
そこに温度、部品のばらつき、ドライバの伝搬遅延差を考慮した安全マージンを加えます。最後に、MCU レジスタタブで選んだデッドタイムを PWM ペリフェラルのタイマーレジスタ値に変換し、丸め誤差を表示します。
設計手順
- 1実際に使うゲート抵抗での t_d(off)、t_f、t_d(on) をデータシートから読み取ります。ゲート抵抗が異なる場合は換算します。
- 2ターンオフするスイッチについて、最小デッドタイム t_d(off) + t_f − t_d(on) を計算します。
- 3ハイサイドとローサイドのドライバチャネル間の伝搬遅延差を加えます。絶縁型ドライバでは数十ナノ秒になることがあります。
- 4温度や部品ごとのばらつきに対するマージンを加え、結果をタイマーのカウント値に変換して、切り捨てではなく切り上げにします。
- 5実機で検証します。両方のゲート信号とスイッチノード電圧を測定し、最も高温の動作点で貫通電流（シュートスルー）が流れていないことを確認します。
計算式
- 最小デッドタイム（データシート）
- t_dead,min = t_d(off) + t_f − t_d(on)
- ターンオフ時間（ゲート電荷法、近似）
- t_off ≈ R_g · Q_gd / V_th
- 推奨デッドタイム
- t_dead = t_dead,min · (1 + margin)
- デッドタイムレジスタ
- DT = round(t_dead · f_timer / prescaler)
計算例
t_d(off) = 60 ns、t_f = 20 ns、t_d(on) = 15 ns の MOSFET では、少なくとも 65 ns のデッドタイムが必要です。20% のマージンを加えると推奨値は 78 ns で、170 MHz のタイマーではレジスタ値は約 13 です。
よくある間違い
- 異なるゲート抵抗や駆動電圧で測定されたデータシートの時間を使うこと。
- タイマーレジスタを切り捨てて丸めること。気づかないうちにデッドタイムが短くなります。
- ドライバとアイソレータの遅延差を忘れること。MOSFET のスイッチング時間より大きいことがよくあります。
- 安全のためにデッドタイムをとても長くすること。そうするとボディダイオードの導通により損失と出力のひずみが増え、特にモータドライブで顕著です。
よくある質問
安全のためにデッドタイムを長めに設定してはいけませんか？
デッドタイム中は負荷電流がボディダイオードを流れ、ボディダイオードは電圧降下と逆回復損失が大きくなります。デッドタイムが長いと、モータドライブやインバータの出力電圧もひずみます。
デッドタイムは温度で変わりますか？
変わります。スイッチング遅延は一般に温度上昇やゲートドライバ電源の低下で長くなるため、データシート値にマージンを上乗せします。
GaN デバイスにもデッドタイムは必要ですか？
必要ですが、はるかに短く、数 ns から数十 ns 程度です。GaN にはボディダイオードの逆回復はありませんが、逆導通損失が大きいためです。
計算結果は工学的な推定値です。データシート、シミュレーション、実測で設計を確認してください。