■ 애플리케이션에 적합한 게이트 드라이버 IC를 선택할 때 엔지니어가 고려해야 하는 핵심적인 기준

하프 브리지(half-bridge) 토폴로지는 다양한 상업용 및 산업용 애플리케이션에서 전력을 변환하는 데 널리 사용된다. 게이트 드라이버 IC는 이 스위치 모드 구성의 핵심으로, 주요 기능은 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 인가받아 하이 사이드 및 로우 사이드 MOSFET이 최적의 효율과 높은 안정성으로 동작할 수 있게 MOSFET 전원 스위치에 깨끗하고 레벨 시프트된 신호를 제공하는 것이다.

이 글에서는 애플리케이션에 적합한 게이트 드라이버 IC를 선택할 때 엔지니어가 고려해야 하는 핵심적인 기준들을 살펴본다. 필수 전압 및 전류 정격 외에도, 높은 공통 모드 과도 내성(CMTI)의 중요성과 가변 데드 타임의 필요성을 알아볼 것이다. 고전압 전력 시스템에서, 일부 활용 사례의 경우 게이트 드라이버 IC를 MOSFET으로부터 전기적으로 절연하는 기능이 필요하며, 간단한 레퍼런스 디자인과 함께 이 부동 접지 방법을 설명한다.

■ 전력 변환시 손실 최소화

전력 변환은 오늘날 거의 모든 전자기기 설계에서 핵심적인 기능이다. 이상적으로는 하나의 DC 전압에서 다른 레벨로, 예컨대 9V에서 24V로 전환하는 모든 변환은 손실을 최소화하면서 최대한 효율적이어야 한다. 서로 다른 전압, 전류 요구사항 및 전력 밀도를 수용하기 위해 여러 회로 아키텍처, 즉 토폴로지가 다양한 애플리케이션에 맞춰 제공되고 있다. DC-DC 전력 변환의 경우에는 벅, 부스트, 벅-부스트, 하프 브리지 및 풀 브리지 토폴로지가 포함된다. 또 다른 고려사항은 출력이 입력 전압으로부터 전기적 절연이 필요한지 여부로, 이에 따라 비절연 변환 방식과 절연 변환 방식으로 나뉜다.

모터 제어 및 태양광 인버터와 같은 고전압, 고전류 활용 사례의 경우, 하프 브리지와 풀 브리지 DC-DC 변환 기법이 많이 사용된다.

■ 하프 브리지 전력 변환

하프 브리지 구성은 스위치 모드 방법을 사용하여 DC 입력 전압을 높이거나 낮춘다. 이 방법은 2개의 스위칭 디바이스, 통상적으로 MOSFET이나 IGBT(insulated gate bipolar transistor)를 사용하여 입력 전압을 트랜스포머로 스위칭하거나(절연 방식), 부하에 직접 스위칭한다(비절연 방식). 게이트 드라이버 IC는 컨트롤러 IC로부터 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 수신한다. 이 IC는 MOSFET 전원 스위치(하이 사이드 및 로우 사이드)를 빠르게 켜거나 끄는 데 필요한 레벨로 신호를 증폭하고 시프트하여 전력 손실을 최소화시킴으로써 컨버터 효율을 향상시킨다. 애플리케이션에 적합한 게이트 드라이버 IC를 선택하는 것은 사용하는 컨버터 토폴로지, 전압, 전류 정격 및 스위칭 주파수와 같은 요인에 따라 달라진다. 정확하고 효율적인 스위칭 특성을 갖는 게이트 드라이버를 선택하는 것은 최적의 변환 효율을 달성하는 데 필수적이다.

■ 게이트 드라이버 IC 선택

게이트 드라이버 IC를 선택할 때 엔지니어는 몇 가지 핵심적인 기준을 고려해야 한다. 그 가운데 일부는 애플리케이션에 따라 달라질 수 있는데, 가령 태양광 에너지 변환 애플리케이션의 경우, 게이트 드라이버는 광범위한 입력 전압 및 전력 요구 사항이 고려되어야 한다.

- 하이 사이드 전압 : 애플리케이션에 따라 하이 사이드 MOSFET은 전체 공급 전압을 수용해야 하므로 이 게이트 드라이버는 충분히 높은 수준의 안전 여유를 가지고 이를 처리할 수 있어야 한다.

- 공통 모드 과도 내성(CMTI) : 고전압 시스템에서 빠른 속도로 스위칭하는 전력 스위치에 의해 발생하는 노이즈로부터 저전력에 연결된 제어부를 보호하기 위해 높은 과도 내성 특성을 갖는 게이트 드라이버를 선택하는 것이 중요하다.

- 피크 구동 전류 : 고전력 설계의 경우, 게이트 드라이버는 게이트 정전용량을 빠르게 충전 및 방전할 수 있도록 MOSFET에 높은 피크 전류를 공급해야 한다.

- 데드 타임 : MOSFET의 하이 사이드와 로우 사이드 양측이 동시에 전도될 때 MOSFET에서 슛스루(shoot-through)가 발생하지 않도록 하기 위해, 하이 사이드와 로우 사이드 스위칭 사이에 짧은 데드 타임 주기를 설정하는 것은 모든 하프 브리지 회로의 중요한 특성이다. 하나의 IC로 하프 브리지 회로를 구동하는 듀얼 채널 게이트 드라이버 IC의 경우, 최적의 효율을 달성하려면 가변 데드 타임을 갖는 게이트 드라이버를 선택하는 것이 좋다. 일부 게이트 드라이버는 슛스루 발생을 방지하기 위해 디폴트 데드 타임을 내장하고 있다.

■ 부동 접지 및 가변 데드 타임을 갖는 하프 브리지 드라이버

LTC7063은 광범위한 고전압 및 고전류 애플리케이션에 적합한 하프 브리지 게이트 드라이버 중 하나이다. LTC7063은 다양한 산업, 자동차 및 통신 전력 시스템용으로 적합하다. 이 디바이스는 최대 140V의 입력 공급 전압으로 하프 브리지 구성의 N-채널 MOSFET을 구동하도록 설계된 고전압 게이트 드라이버이다. 이 IC는 통상적으로 고전압 MOSFET과 관련된 큰 게이트 정전용량을 빠르게 충전 및 방전할 수 있는 강력한 성능을 제공한다. 또한 적응형 슛스루 보호 기능을 통해 스위칭 노드의 전압을 모니터링하고 드라이버 출력을 제어함으로써 MOSFET이 동시에 전도되는 것을 방지한다. 이 중요한 기능은 슛스루 전류가 발생할 가능성을 차단하고 전력 효율을 향상시키도록 도와준다.

LTC7063의 하이 사이드 및 로우 사이드 MOSFET 드라이버는 양단 모두 부동하고, IC와 출력 접지 간에 최대 10V의 접지 오프셋을 허용한다. 이 부동 아키텍처는 드라이버 출력을 보다 견고하게 하고 접지 오프셋, 노이즈 및 과도 상태에 덜 민감하게 만든다. 이러한 부동 접지 기능은 LTC7063이 원격 MOSFET 제어 애플리케이션과 고전압, 고전류 스위치드 커패시터 컨버터에 탁월한 선택이 될 수 있게 해준다.

LTC7063의 안전 및 보호 기능에는 하이 사이드 및 로우 사이드 MOSFET 드라이버 양쪽 모두에 제공되는 열 셧다운, 입력 저전압 및 과전압 록아웃 회로, 저전압 록아웃 회로가 포함된다. 이러한 기능은 모든 하프 브리지 애플리케이션의 장기적 신뢰성과 견고성을 보장한다.

효율적인 열 전달을 위해, 이 게이트 드라이버는 열 성능이 강화된 노출형 패드 패키지로 제공된다.

■ 원격 부하가 있는 LTC7063 기반 스텝다운 컨버터 애플리케이션

그림 1은 LTC7063을 사용하는 원격 부하가 있는 2:1 스텝다운 컨버터 설계를 보여준다. 이 컨버터는 최대 80V의 입력 전원으로 동작하고 최대 5A 부하에 ½ VIN을 공급한다. PWM 핀은 외부 컨트롤러로부터 3-상태 로직 신호를 수신하고, PWM 신호가 상승 임계값 이상으로 상승하면 하이 사이드 MOSFET의 게이트가 하이로 구동된다. 로우 사이드 MOSFET은 하이 사이드 MOSFET과 상보적으로 구동된다. 입력 신호의 상승과 하강 임계값 사이의 히스테리시스가 MOSFET의 잘못된 트리거링을 제거한다. 하이 사이드와 로우 사이드 MOSFET은 모두 입력 신호의 히스테리시스 구간 동안 로우가 된다. 인에이블(EN) 핀이 하이이면, 상단 게이트(TG)와 하단 게이트(BG) 출력이 모두 입력 PWM 신호에 대응하고, EN 핀을 로우로 구동하면 TG와 BG 출력이 모두 로우가 된다.
 

BST-SW 및 BGVCC-BGRTN 전원을 부트스트랩하면 추가적인 절연 공급 전압 없이 효율적인 하이 사이드 및 로우 사이드 드라이버 동작이 가능해, 비용과 보드의 부품 수를 모두 줄일 수 있다. 이 제어 파형과 평균 출력 전압 결과는 그림 2에서 볼 수 있다.
 

TG와 BG 사이의 데드 타임은 짧으며, DT 핀과 접지 사이에 저항을 추가하면 BG/TG 사이의 데드 타임 시간을 증가시킬 수 있다. 데드 타임(DT) 핀을 접지로 단락하면 이 천이에 대해 32ns의 디폴트 데드 타임이 생성되며, DT 핀을 부동하면 데드 타임이 최대 250ns까지 늘어난다. 이 가변형 데드 타임 기능은 고전압 애플리케이션을 위한 더욱 견고한 슛스루 보호를 보장한다.

높은 효율을 달성하기 위해서는 스위칭 손실을 최소화하는 것이 중요하다. 하이 사이드와 로우 사이드 MOSFET 드라이버의 1.5Ω 풀업 저항과 0.8Ω 풀다운 저항은 스위치를 빠르게 켜거나 끄고, 모든 교차 전도 전류를 방지하여 효율을 향상시킨다. 그림 3과 4는 데드 타임과 함께, 턴온과 턴오프 사이의 스위칭 천이를 보여준다.
 


고장(FLT) 핀은 오픈 드레인 출력이며, LTC7063의 접합부 온도가 180°C에 도달하면 내부적으로 로우가 된다. 이 핀은 또한 VCC의 공급 전압이 5.3V보다 낮거나 14.6V보다 높으면 로우가 된다. 그림 1에 보이는 애플리케이션의 경우, BGVCC-BGRTN 및 BST-SW 부동 전압이 3.3V보다 낮으면 고장 조건이 트리거 되고 FLT 핀이 로우가 된다. 모든 고장이 해소되면, 100μs 지연 후 외부 저항을 통해 FLT 핀이 하이가 된다.

표 1은 LTC7063과 유사한 기능을 갖는 LTC706x 제품군의 여러 제품을 보여준다.
 

■ LTC7063, 고전압·고전류 DC-DC 애플리케이션에서 빠른 스위칭·높은 효율 달성

LTC7063은 고전압 N-채널 하프 브리지 게이트 드라이버이며 LTC706x 제품군에 속한다. 이 디바이스의 고유한 듀얼 부동 접지 아키텍처는 접지 오프셋 및 원격 부하 애플리케이션에 효율적인 드라이버 출력을 제공하고 높은 노이즈 내성을 갖는다. 적응형 슛스루 보호와 가변형 데드 타임 기능은 모든 잠재적 슛스루 전류를 제거하며, 강력한 MOSFET 드라이버는 고전압, 고전류 DC-DC 애플리케이션에서 빠른 스위칭과 높은 효율을 달성함으로써 전력 손실을 최소화한다.


※ 저자 소개
스리케시 풀루리(Srikesh Pulluri)는 2023년에 제품 애플리케이션 엔지니어로 아나로그디바이스(Analog Devices)에 입사하여 산업용 전력 시스템팀에서 하프 브리지 게이트 드라이버와 4-스위치 벅-부스트 토폴로지를 포함한 전력 솔루션을 담당하고 있다. 그는 인도 오스마니아 대학교에서 전기공학 학사 학위를, 콜로라도 대학교 볼더 캠퍼스에서 전기공학 석사 학위를 받았다.