하이사이드 게이트 드라이버의 부트스트랩 커패시터 크기 정하기

부트스트랩 커패시터는 드라이버의 플로팅 전원 핀(VB)과 스위치 노드(VS) 사이에 있습니다. 하단 스위치가 도통하면 스위치 노드가 접지 근처로 내려가고, 커패시터는 부트스트랩 다이오드를 통해 드라이버 전원 VDD로 충전됩니다. 상단 스위치가 켜지면 스위치 노드가 버스 전압까지 올라가 다이오드가 막히고, 다음 하단 구간까지 커패시터 혼자 상단 드라이버에 전원을 공급합니다.

즉 커패시터의 역할은 하나입니다. 가장 긴 상단 온 시간 동안 상단 쪽이 쓰는 전하를 모두 공급하면서도 전압이 너무 많이 떨어지지 않는 것입니다.

상단 온 시간당 총 전하

Q_total = Q_g + I_QBS · t_on,max + I_leak · t_on,max + Q_LS

허용 전압 강하

ΔV_max = V_DD − V_F − V_GS,min

최소 커패시턴스

C_boot ≥ Q_total / ΔV_max

• Q_g는 사용하는 게이트 전압에서 상단 스위치의 총 게이트 전하로, 데이터시트 값입니다.
• I_QBS는 드라이버 플로팅부의 정지 전류입니다. 스위칭 주파수가 낮거나 온 시간이 길 때 중요해집니다.
• I_leak는 부트스트랩 다이오드 역누설 전류와 게이트-소스 저항 전류입니다. 12 V에서 10 kΩ 게이트-소스 저항 하나만으로도 1.2 mA가 흐릅니다.
• Q_LS는 일부 드라이버 데이터시트에 나오는 주기당 레벨 시프터 전하로, 보통 수 nC입니다.
• V_GS,min은 스위치가 정격 R_DS(on)을 내기 위해 필요한 게이트 전압과, 드라이버 상단 저전압 차단(UVLO) 임계값에 여유를 더한 값 중 큰 쪽입니다.

1. 1Q_g = 60 nC인 MOSFET, I_QBS = 100 µA와 Q_LS = 5 nC인 드라이버, 다이오드 누설 10 µA, 가장 긴 온 시간 50 µs(10 kHz, 듀티 50 %)라고 합시다.
2. 2Q_total = 60 nC + 100 µA · 50 µs + 10 µA · 50 µs + 5 nC ≈ 70.5 nC입니다.
3. 3V_DD = 12 V, 다이오드 강하 0.6 V, 필요한 최소 전압이 약 10.9 V라면 허용 강하는 0.5 V입니다.
4. 4C_boot ≥ 70.5 nC / 0.5 V ≈ 141 nF입니다. 세라믹 커패시터는 DC 바이어스에서 용량이 크게 줄어들기 때문에 470 nF를 고릅니다. 작은 16 V X7R 부품은 12 V에서 용량이 절반 이하로 줄어들기도 합니다.

흔히 쓰는 경험칙은 C_boot를 스위치 게이트 커패시턴스의 10배 이상으로 하는 것입니다. 대개 비슷한 답이 나오지만, 전하량 방식은 경험칙이 놓치는 저주파에서의 정지 전류까지 반영합니다.

커패시터를 키우는 데도 대가가 있습니다. 기동 시에는 커패시터가 비어 있어서, 첫 하단 펄스가 다이오드와 직렬 저항을 통해 0부터 충전해야 합니다. 부트스트랩 커패시터가 너무 크면 첫 충전이 느려지고 V_DD에서 큰 전류 스파이크를 끌어갑니다. V_DD 디커플링 커패시터를 C_boot의 약 10배 이상으로 두어, 부트스트랩 커패시터가 충전되는 동안 V_DD가 처져 하단 UVLO가 걸리지 않게 하세요.

• 전압: 상단이 켜져 있는 동안 다이오드는 버스 전압 전체와 스위칭 오버슈트를 막아야 합니다.
• 속도: 초고속 다이오드나 고전압 쇼트키 / SiC 다이오드를 쓰세요. 역회복이 느리면 커패시터의 전하가 도로 빠져나가고, 매 스위칭 에지마다 전류 스파이크가 생깁니다.
• 직렬 저항: 수 Ω 정도면 충전 피크 전류와 dV/dt로 유도되는 전류 스파이크를 제한할 수 있습니다. 너무 크면 재충전이 느려지므로, 하단 온 시간 안에 강하분을 다시 채울 수 있는지 확인하세요.
• 내장 다이오드: 많은 드라이버가 부트스트랩 다이오드나 능동 부트스트랩 FET을 내장합니다. 의존하기 전에 그 전류 정격이 커패시터 크기와 스위칭 주파수에 맞는지 확인하세요.

커패시터는 하단 스위치가 켜져 있을 때(또는 하단 바디 다이오드가 도통해 스위치 노드를 끌어내릴 때)만 재충전됩니다. 최대 듀티의 벅 컨버터나 한 상을 계속 위로 붙잡고 있는 모터 드라이브처럼 상단이 계속 켜져 있으면, 커패시터가 천천히 방전되어 결국 드라이버가 UVLO에 걸립니다. PWM에 최소 오프 시간을 두거나, 주기적인 리프레시 펄스를 넣거나, 상단에 절연 전원이나 차지 펌프를 쓰는 것이 해법입니다.

기동 시에는 첫 상단 펄스 전에 하단 스위치를 먼저 켜서 부트스트랩 커패시터를 충전하세요. 대략 R_boot · C_boot의 3~5배 시간이 필요합니다. 모터 드라이브라면 변조를 시작하기 전에 세 상 모두에 대해 이렇게 하세요.

부트스트랩 커패시터는 드라이버의 VB와 VS 핀 바로 옆에 루프가 가장 짧도록 배치하세요. 상단을 하드 턴오프할 때 기생 인덕턴스 때문에 스위치 노드가 수 ns 동안 접지 아래로 내려갈 수 있습니다. 이 음전압 스파이크는 부트스트랩 커패시터를 과충전시키고, 드라이버의 VS 음전압 정격을 넘으면 래치업이나 드라이버 손상을 일으킬 수 있습니다. 전력 루프를 짧게 하고, 부트스트랩 다이오드에 작은 직렬 저항을 넣고, 필요하면 VS와 접지 사이에 클램프 다이오드를 두면 위험을 줄일 수 있습니다.

데드타임도 여기에 얽혀 있습니다. 데드타임 동안 스위치 노드는 부하 전류에 의해 움직이고, 그에 따라 하단 바디 다이오드가 도통해 커패시터를 재충전할지가 정해집니다. 이 구간을 정할 때는 이 사이트의 데드타임 계산기를 참고하세요.