동작 원리
하프브리지나 H브리지에서 상단과 하단 스위치는 절대 동시에 도통하면 안 됩니다. MOSFET이나 IGBT는 켜지는 것보다 꺼지는 데 시간이 더 걸리므로, 게이트 드라이버는 한 소자를 끄고 다른 소자를 켜기 전에 짧은 데드타임을 넣습니다. 데드타임이 너무 짧으면 관통 전류(shoot-through)가 흐르고, 너무 길면 바디 다이오드 도통 손실과 출력 왜곡이 커집니다.
데이터시트 방식은 소자 데이터시트의 스위칭 시간을 사용합니다. 최소 데드타임은 턴오프 지연과 하강 시간의 합에서 턴온 지연을 뺀 값입니다. 게이트 전하 방식은 같은 시간을 게이트 전하, 문턱 전압, 드라이버 전압, 게이트 저항으로 추정하며, 실제 게이트 저항이 데이터시트 시험 조건과 다를 때 유용합니다.
여기에 온도, 부품 공차, 드라이버 전파 지연 편차를 고려한 안전 마진을 더합니다. 마지막으로 MCU 레지스터 탭에서 정한 데드타임을 PWM 주변장치의 타이머 레지스터 값으로 바꾸고 반올림 오차를 보여 줍니다.
설계 절차
- 1실제로 사용할 게이트 저항에서의 t_d(off), t_f, t_d(on)을 데이터시트에서 읽습니다. 게이트 저항이 다르면 값을 환산합니다.
- 2꺼지는 스위치에 대해 최소 데드타임 t_d(off) + t_f − t_d(on)을 계산합니다.
- 3상단과 하단 드라이버 채널 사이의 전파 지연 편차를 더합니다. 절연형 드라이버에서는 수십 ns에 이를 수 있습니다.
- 4온도와 부품 간 편차에 대한 마진을 적용한 뒤, 결과를 타이머 카운트로 변환하고 내림이 아니라 올림합니다.
- 5실험대에서 검증합니다. 두 게이트 신호와 스위치 노드 전압을 측정하고, 가장 뜨거운 동작점에서 관통 전류가 없는지 확인합니다.
공식
- 최소 데드타임 (데이터시트)
- t_dead,min = t_d(off) + t_f − t_d(on)
- 턴오프 시간 (게이트 전하, 근사)
- t_off ≈ R_g · Q_gd / V_th
- 권장 데드타임
- t_dead = t_dead,min · (1 + margin)
- 데드타임 레지스터
- DT = round(t_dead · f_timer / prescaler)
계산 예시
t_d(off) = 60 ns, t_f = 20 ns, t_d(on) = 15 ns인 MOSFET은 최소 65 ns의 데드타임이 필요합니다. 20% 마진을 더하면 권장값은 78 ns이고, 170 MHz 타이머에서는 레지스터 값 약 13입니다.
흔한 실수
- 다른 게이트 저항이나 구동 전압에서 측정된 데이터시트 시간을 그대로 쓰는 것입니다.
- 타이머 레지스터 값을 내림하는 것입니다. 이러면 데드타임이 조용히 짧아집니다.
- 드라이버와 아이솔레이터의 지연 편차를 잊는 것입니다. 이 값은 MOSFET 스위칭 시간보다 큰 경우가 많습니다.
- 안전을 위해 데드타임을 매우 길게 잡는 것입니다. 그러면 바디 다이오드 도통으로 손실이 늘고, 특히 모터 드라이브에서 출력 왜곡이 커집니다.
자주 묻는 질문
안전하게 데드타임을 길게 잡으면 안 되나요?
데드타임 동안 부하 전류는 바디 다이오드로 흐르는데, 바디 다이오드는 전압 강하와 역회복 손실이 큽니다. 데드타임이 길면 모터 드라이브와 인버터의 출력 전압도 왜곡됩니다.
데드타임은 온도에 따라 달라지나요?
네. 스위칭 지연은 보통 온도가 오르거나 게이트 드라이버 전원이 떨어지면 길어집니다. 그래서 데이터시트 값 위에 마진을 더합니다.
GaN 소자도 데드타임이 필요한가요?
필요하지만 훨씬 짧아서 보통 수 ns에서 수십 ns입니다. GaN은 바디 다이오드 역회복이 없지만 역방향 도통 손실이 크기 때문입니다.
계산 결과는 공학적 추정치입니다. 데이터시트, 시뮬레이션, 측정으로 설계를 확인하세요.