데드타임 정하기: 암 단락, 다이오드 손실, 전압 오차

한 스위치가 꺼져도 부하 전류는 멈추지 않습니다. 전류는 반대쪽 소자의 바디 다이오드(GaN이라면 역도통 경로)로 옮겨 가서 그 스위치가 켜질 때까지 머뭅니다. 하드 스위칭 레그에서 데드타임은 단순한 안전 간격입니다. 소프트 스위칭 컨버터에서는 부하 전류나 공진 전류가 스위치 노드 커패시턴스를 충전하는 구간이기도 해서, 그 전이가 끝날 만큼 길어야 합니다.

꺼지는 스위치가 완전히 꺼진 뒤에 반대쪽이 도통을 시작해야 합니다. 실제로 쓸 게이트 저항에서 측정된 데이터시트 타이밍 값으로 계산합니다.

최소 데드타임 (스위치 기준)

t_dead,min = t_d(off) + t_f − t_d(on)

드라이버 편차 추가

t_dead ≥ t_dead,min + Δt_prop (상단·하단 채널 간)

여유

t_dead = (t_dead,min + Δt_prop) · (1 + margin)

• 데이터시트 스위칭 시간은 특정 조건에서 측정한 값입니다. 턴오프 지연은 게이트 저항이 클수록, 보통 온도가 높을수록 길어지므로 가장 뜨거운 동작점 기준으로 평가하세요.
• 절연 게이트 드라이버는 채널 간 전파 지연 편차가 수십 ns일 수 있습니다. 데이터시트의 최대값을 쓰세요.
• 타이머 카운트로 바꿀 때는 내림이 아니라 반드시 올림하세요.

최소값을 넘는 1 ns 1 ns가 모두 다이오드로 전류가 흐르는 시간입니다. 이와 함께 두 가지가 커집니다.

레그당 다이오드 도통 손실 (주기당 데드타임 2회)

P_dt ≈ V_f · I · 2 · t_dead · f_s

인버터 레그의 평균 전압 오차

ΔV ≈ t_dead · f_s · V_dc (부호는 전류 방향을 따름)

손실 항은 와이드 밴드갭 소자에서 특히 중요합니다. 실리콘 MOSFET 바디 다이오드의 강하는 대략 0.7~1 V지만, SiC MOSFET 바디 다이오드는 보통 3~4 V 정도이고, 오프 상태 게이트를 음전압으로 두는 GaN의 역도통도 비슷할 수 있습니다. 20 A, 강하 3.5 V, 데드타임 100 ns, 스위칭 100 kHz라면 데드타임만으로 3.5 · 20 · 2 · 100 ns · 100 kHz = 1.4 W가 레그마다 손실됩니다. 실리콘에서는 바디 다이오드 역회복 손실이 여기에 더해집니다.

전압 오차는 모터 드라이브와 계통 연계 인버터에서 특히 중요합니다. DC 링크 600 V, 스위칭 10 kHz, IGBT 데드타임 2 µs이면 ΔV ≈ 2 µs · 10 kHz · 600 V = 12 V입니다. 전류 방향에 따라 부호가 바뀌기 때문에 전류가 0을 지날 때마다 왜곡이 생기고, 저차 고조파와 토크 리플로 나타납니다. 제어기의 데드타임 보상은 예상 오차를 전압 지령에 다시 더해 줍니다.

LLC, 위상 천이 풀 브리지, DAB 컨버터에서는 주어진 전류로 스위치 노드를 한쪽 레일에서 반대쪽 레일까지 넘길 수 있을 만큼 데드타임이 길어야 합니다. 너무 짧으면 전압이 0에 도달하기 전에 들어올 스위치가 켜져 ZVS 이점의 일부를 잃습니다. 너무 길면 노드가 되돌아 링잉하고 다이오드가 필요 이상으로 오래 도통합니다.

근사 전이 시간

t_transition ≈ 2 · C_oss,eq · V_bus / I_switch

스위칭 전류는 부하에 따라 달라지므로, 디지털 제어기에서는 중부하에서 짧고 경부하에서 긴 적응형 데드타임을 흔히 씁니다.

1. 1t_d(off) = 60 ns, t_f = 20 ns, t_d(on) = 15 ns인 MOSFET은 스위치 기준으로 최소 60 + 20 − 15 = 65 ns가 필요합니다.
2. 2절연 드라이버 데이터시트의 채널 간 최대 편차가 10 ns라면 요구값은 75 ns가 됩니다.
3. 3온도와 부품 편차를 위해 20 % 여유를 주면 90 ns입니다.
4. 4170 MHz 타이머에서 1카운트는 약 5.9 ns이므로 90 ns는 15.3카운트입니다. 올림해서 16카운트로 하면 94 ns가 됩니다.

이 사이트의 데드타임 계산기는 데이터시트 방식과 게이트 전하 방식 추정, 타이머 변환을 해 주고 반올림 오차도 보여 줍니다.

• 두 게이트-소스 전압과 스위치 노드 전압을 지연이 맞춰진 프로브로 측정하세요. 프로브 간 몇 ns의 스큐만으로도 겹침이 숨거나 없는 겹침이 보일 수 있습니다.
• 턴오프가 가장 느린 최고 온도, 최대 전류 동작점에서 확인하세요.
• 각 전이마다 DC 버스 전류나 스위치 전류에 날카로운 스파이크가 있는지 보세요. 스파이크는 겹침을 뜻합니다.
• 그다음 효율과 스파이크를 보면서 데드타임을 조금씩 줄이고, 스파이크가 나타나는 지점보다 여유를 둔 값으로 최종 결정하세요.