[기고] 데드타임을 제거할 수 있는 새로운 대안

[기고] 데드타임을 제거할 수 있는 새로운 대안

글_ 안드레아 고르게리노(Andrea Gorgerino), EPC의 글로벌 필드 애플리케이션 엔지니어링 디렉터

설계자들은 최신 전력변환 애플리케이션에서 신뢰할 수 있는 안정적인 동작을 보장하기 위해 스위칭 전력 디바이스의 데드타임(Dead-Time)을 활용해 왔지만, 이는 사실상 필요악에 불과하다. 이 글에서는 모터 드라이브뿐만 아니라 DC-DC 컨버터의 성능에 영향을 미치는 데드타임에 대해 살펴보고자 한다.

 

유효성 대 제어 데드타임

데드타임은 ON 타임 오버랩으로 인해 교차 전도 전류가 발생하는 경우, 두 디바이스의 턴오프 및 턴온 사이에 필요한 지연시간을 말한다. 그림 1은 Q1과 Q2의 동시 전도로 인해 입력 전압(VIN)이 단락되어 추가 손실 및 높은 동작 온도는 물론, 심각한 경우 오류가 발생할 수 있는 동기식 벅 컨버터의 일반적인 사례를 나타낸 것이다. 이러한 오버랩은 컨트롤러 자체에서 발생하는 것은 아니다. 컨트롤러 신호의 오버랩이 0이라 하더라도, 드라이버와 FET 간의 불일치로 인해 유효한 네거티브 데드타임이 발생할 수 있기 때문이다.

그림 1. 동기식 벅 컨버터의 데드타임

그림 1. 동기식 벅 컨버터의 데드타임

이러한 오버랩 상황을 방지하기 위해 컨트롤러를 통해 제어 데드타임을 게이트 드라이버의 게이트 신호에 삽입하게 된다. 이러한 제어의 목적은 유효 데드타임이 항상 포지티브가 되도록 하는 것이다. 제어 데드타임은 일부 초기 계산과 충분한 가드-밴딩(Guard-Banding) 및 철저한 테스트를 통해 결정된다. 사전에 설정된 데드타임을 사용하면, 애플리케이션은 대부분의 상황에서 상당한 규모의 유효 데드타임으로 동작하기 때문에 최악의 오버랩 조건에서도 포지티브 유효 데드타임을 유지할 수 있다.

데드드타임을 분석할 때 고려해야할 주요 요소들은 다음과 같다:

– 게이트 드라이버의 전파 지연 불일치
– 하이-사이드 및 로우-사이드 간의 공급전압 차이
– 게이트 저항 값의 차이
– FET의 턴온 및 턴오프 시간 불일치
– 다이오드 역회복 시간 및 회복시간 변동

이러한 요소들을 보면, 제어 데드타임을 계산하는 것이 쉽지 않은 작업임을 알 수 있다. 이러한 모든 파라미터들은 제조 허용오차와 동작온도는 물론, 각 디바이스의 전압 및 전류 레벨로 인해 변경될 수 있기 때문이다.

데드타임 변동의 주요 원인 중 하나는 바디 다이오드의 역회복 시간이다. GaN 디바이스는 이러한 효과가 없기 때문에 필요한 제어 및 유효 데드타임 간의 차이는 실리콘 MOSFET에 비해 훨씬 작다.

 

데드타임이 손실에 미치는 영향

GaN FET와 관련하여 데드타임 손실이 자주 언급되는 이유는 유효 데드타임 동안 3사분면의 손실이 Si MOSFET의 바디 다이오드 손실 보다 높기 때문이다. 그러나 전반적으로 이러한 이벤트 동안 다음을 포함한 모든 요인들을 고려해야 한다:

– 3사분면 전도 손실
– 출력 커패시턴스 손실
– 역회복 손실(Si MOSFET에 한함)
– 감소된 전압 하드 스위칭 턴온(부분적 ZVS)

이러한 영향에 대한 자세한 설명은 참고자료 i에서 확인할 수 있으며, 하프-브리지 블록의 데드타임 손실에 미치는 영향에 대한 전반적인 개요는 그림 2에 나와 있다.(이 분석에서는 데드타임에 의존하지 않기 때문에 턴온 및 턴오프 손실은 포함되지 않는다.)

그림 2. 60V 애플리케이션에서 eGaN FET 및 MOSFET에 대한 데드타임 대 사이클당 계산된 데드타임 손실.

그림 2. 60V 애플리케이션(4A 단계로 -20A ~ +20A)에서 eGaN® FET 및 MOSFET에 대한 데드타임 대 사이클당 계산된 데드타임 손실. 두 그래프의 수평 눈금 값이 다르다는 점에 주의.

하이-사이드 턴오프 및 로우-사이드 턴온 간의 데드타임을 고려할 때, 전류 사인에 따라 고려해야 하는 여러 손실 요인이 있다:

– 턴오프 시 네거티브 전류(하프-브리지로 진입하는 전류)의 경우, 하이-사이드의 3사분면 전도가 시작되고, 손실은 데드타임에 따라 선형적으로 증가한다. 데드타임 종료 시, 로우-사이드가 턴온되고, 하드 스위칭 이벤트 동안 COSS 및 역회복(MOSFET의 경우) 손실이 모두 발생한다. 이러한 손실은 그림 2에 파란색으로 표시되어 있으며, 이 경우 손실을 최소화하기 위해 데드타임을 가능한 작게 유지해야 한다.
– 포지티브 전류(하프-브리지로 진입하는 전류)의 경우, 효과는 부하 전류에 따라 달라진다. 인덕터에 전압을 완전히 정류할 수 있는 충분한 에너지가 있으면, 무손실 ZVS(Zero Voltage Switching) 턴온을 달성할 수 있다. 그렇지 않은 경우, 디바이스에서 ZVS가 부분적으로 발생하기 시작한다. 이 스위칭 이벤트가 완료되면, 3사분면 전도가 시작될 수 있으며, 이 때 데드타임에 따라 손실이 선형적으로 증가한다. 이러한 손실은 그림 3에 녹색으로 표시되어 있으며, 이 경우 최적의 데드타임은 부하 전류에 따라 달라진다.

반대 상황은 로우-사이드 턴오프 및 하이-사이드 턴온 사이의 상호보완적인 데드타임 동안 발생한다.

MOSFET과 비교하면, GaN 디바이스에서 다음과 같은 사항을 관찰할 수 있다:
– ZVS를 달성하기 위한 자체 정류 에너지는 낮은 COSS로 인해 GaN FET의 약 절반 수준이다.
– EOSS 및 ERR 손실은 MOSFET 대비 GaN이 약 3분의 1 정도이다.
– 3사분면 손실은 다이오드 모드 전압 강하가 높기 때문에 MOSFET에 비해 GaN에서 2.5배 더 빠르게 증가하지만, 이러한 손실은 다른 3가지 손실(부분적인 ZVS, EOSS 및 ERR)에 비해 영향이 미미하다.

결론적으로 GaN FET는 3사분면 전도 손실이 더 높더라도 더 적은 데드타임으로 동작할 수 있을 뿐만 아니라 전반적으로 더 낮은 데드타임 손실을 갖는다는 것을 세부 분석을 통해 알 수 있다.

 

제어에 미치는 영향

이전 분석에서 GaN FET를 사용하면 손실을 줄이고, 더 작은 데드타임을 활용할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 짧은 데드타임을 사용하는 것 자체가 애플리케이션 레벨에서 이점을 제공할 수 있다.
하드 스위칭 컨버터에서 데드타임은 높은 주파수 및 높은 스텝율의 컨버터에 대한 제어 특성을 향상시킬 수 있다.

공진형 컨버터에서 디바이스 출력 전하는 완벽한 ZVS를 달성하는데 필요한 에너지에 비례한다. 따라서 에너지가 감소하면 데드타임이 감소하고, 그림 3과 같이 더 긴 전달 주기와 더 낮은 RMS 전류를 제공할 수 있다.(참고자료 ii)

그림 3. 1.2MHz에서 동작하는 GaN FET 및 Si MOSFET 공진형 컨버터 간의 유효 듀티 사이클 비교

그림 3. 1.2MHz에서 동작하는 GaN FET 및 Si MOSFET 공진형 컨버터 간의 유효 듀티 사이클 비교

 

모션에 미치는 영향

모터 드라이브에서 데드타임을 줄이면, 그림 4에 나타낸 것처럼 제로 전류 크로싱 동안 생성되는 왜곡이 줄어들기 때문에 원치 않는 왜곡과 더 높은 차원의 고조파를 제거할 수 있다.(참고자료 iii) 이는 가청 노이즈를 감소시킬 뿐만 아니라 RMS 전류를 줄임으로써 시스템 효율을 크게 향상시킨다. 데드타임은 실제로 전류 파형에서 5차 및 7차 고조파의 원인이 된다. 이러한 고조파는 모터가 부하에 가하는 토크의 6차 고조파에서 컨볼루션되며, 토크의 6차 고조파는 모터 권선의 원치 않는 진동과 발열을 유발한다.

그림 4의 전류 파형을 비교하면, 데드타임이 낮은 경우 총 고조파 왜곡이 더 낮아지면서 유효 모터 토크 상수 Kt[Nm/A]가 증가하여 보다 효율적인 시스템 동작이 가능해진다.

그림 4. 사인파 모터 드라이브의 제로 크로싱 왜곡에 대한 데드타임 효과 비교

그림 4. 사인파 모터 드라이브의 제로 크로싱 왜곡에 대한 데드타임 효과 비교

또한 모터 드라이브 애플리케이션에서 데드타임이 감소하고, PWM 주파수 증가하게 되면, 전반적인 시스템 효율 증대 효과를 높일 수 있다. 그림 5에서 볼 수 있듯이, 동일한 모터가 동일한 속도 및 부하로 동작하지만, PWM 주파수 및 데드타임은 다르다. 데드타임 감소 효과는 토크와 motor 항목에서 확인할 수 있다. 데드타임이 낮을수록 토크는 높아지고, 모터 효율도 증가한다.

그림 5. 사인파 모터 드라이브에서 데드타임 감소 및 PWM 주파수 증가의 복합 효과

그림 5. 사인파 모터 드라이브에서 데드타임 감소 및 PWM 주파수 증가의 복합 효과

 

결론

데드타임은 전력전자 설계에서 중요한 고려사항 중 하나로, Si MOSFET에 비해 향상된 GaN FET의 성능지수(Figure of Merit)를 통해 훨씬 더 작은 데드타임으로 동작할 수 있다. 설계자는 이를 통해 원치 않는 동작 단계를 최소화함으로써 구성요소 레벨에서 손실을 최소화하고, 시스템 레벨 효율성 및 동작을 최적화할 수 있다. 데드타임을 완전히 제거할 수는 없지만, GaN FET는 항상 존재하는 데드타임에 대한 강력한 상쇄효과를 제공한다.

[참고자료]
i. DeadTime Optimization for Maximum Efficiency.pdf (epc-co.com)
ii. www.bodospower.com/restr…ownloads/bp_2013_01.pdf (epc-co.com)
iii. Motor Drives Showdown – GaN vs. Silicon (epc-co.com)
 
저자 문의처: Winnie Wong (winnie.wong@epc-co.com)

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