부동 접지 비분리형 하프브리지 게이트 구동기 활용하기

제품 설계자는 실장 면적, 비용, 안정성, 출시 시간 등 여러 제약 조건 간의 균형을 유지해야만 합니다. 핵심 과제는 최신 응용 제품에 필요한 좁은 공간에 적합한 전원 공급 장치를 선택하는 것입니다.

콤팩트한 고성능 전력 스테이지는 빠르고 안정적인 게이트 구동기 솔루션에 의존합니다. 이러한 솔루션은 단순한 로우사이드 구동기부터 고전압 환경에 적합한 완전 분리형 버전까지 다양합니다. 여러 설계에서 부동 접지 비분리형 게이트 구동기는 성공을 위한 효율적인 방법이 됩니다.

게이트 구동기는 저전력 제어 신호(주로 마이크로 컨트롤러 또는 펄스 폭 변조(PWM) 컨트롤러)와 에너지 흐름을 조절하는 고전력 스위치 사이의 중개자 역할을 합니다. 깨끗하고 신속하며 정밀한 스위칭을 보장하여 전력 공급을 최적화합니다.

올바른 게이트 구동기를 선택하려면 전압 및 전류 요구 사항, 토폴로지, 스위칭 주파수를 평가해야 합니다. 올바로 선택된 구동기는 고성능 소형 시스템에 필수적인 효율성, 타이밍 정확도 및 열 안정성을 향상시킵니다.

하프브리지 토폴로지의 이점

하프브리지 토폴로지는 최신 전력 변환에서 널리 사용되는 접근 방식으로, 콤팩트한 설계에서 효율적인 전압 조정을 지원합니다. 분리형 설계에서 변압기에 전원을 공급하거나 비분리형 시스템에서 부하에 직접 전원을 공급하는 두 개의 고속 스위칭 장치(일반적으로 MOSFET 또는 절연형 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT))를 사용하여 입력 전압을 번갈아 가며 사용합니다. 이 토폴로지는 효율성과 열 최적화의 잠재성으로 인해 높이 평가받고 있습니다.

게이트 구동기 IC는 이러한 스위치를 제어하는 데 중요한 역할을 하며, 컨트롤러와 전력 스테이지 사이의 인터페이스 역할을 합니다. PWM 신호를 고전류 구동 신호로 변환하여 하이사이드 및 로우사이드 트랜지스터의 빠르고 정확한 스위칭을 보장합니다. 이러한 신속하고 효율적인 작동을 통해, 에너지 손실이 최소화되고 전반적인 시스템 성능이 향상됩니다.

하프브리지 회로에서 하이사이드 MOSFET의 소스는 스위칭 노드에 연결되며, 스위칭 주기에 따라 접지(0V)와 입력 전압(예: 12V, 48V 등) 사이를 빠르게 이동합니다. 부동 접지 비분리형 게이트 구동기를 사용하면 하이사이드 구동기가 스위칭 노드의 전압에 따라 '부동'하여 깨끗하고 효율적인 전환을 달성합니다.

분리가 필요 없고 소형 크기, 속도 및 효율성이 우선시되는 경우, 부동 접지 비분리형 하프브리지 게이트 구동기가 이상적인 솔루션입니다. 하이사이드 및 로우사이드 MOSFET 스위치를 모두 제어하도록 설계된 이 구동기는 분리의 복잡성을 제거하면서 정밀한 스위칭 성능을 보장합니다. 제어 논리와 전력 스테이지 사이에 갈바닉 분리를 제공하지 않으므로, 모든 부품이 공통 접지를 공유하는 시스템에서 가장 잘 작동합니다.

하이사이드 MOSFET에 필요한 게이트 구동 전압을 생성하는 데는 일반적으로 부트스트랩 커패시터가 사용됩니다. 이 커패시터는 로우사이드 스위치가 활성화되면 충전되고, 하이사이드 스위치가 켜지면 전력을 공급합니다.

로우사이드 MOSFET이 전도되면 스위칭 노드가 접지로 당겨져 소형 다이오드 커패시터 회로가 공급 레일에서 부트스트랩 커패시터를 충전할 수 있습니다. 하이사이드 MOSFET이 켜져야 하는 경우, 구동기는 이 저장된 전하를 활용하여 게이트를 스위칭 노드보다 높은 전압(보통 10V ~ 15V)으로 구동합니다.

설계자는 부트스트랩 커패시터를 재충전할 수 있도록 로우사이드 스위치가 충분히 자주 켜지도록 해야 합니다. 듀티 사이클이 높은 응용 제품에서는 올바른 커패시터 값을 선택하고 부트스트랩 다이오드에서 전압 강하를 최소화하는 등 추가적인 예방 조치가 필요할 수 있습니다.

부트스트랩 아키텍처를 활용하고 스위칭 노드 전압을 추적함으로써, 부동 접지 비분리형 하프브리지 구동기는 분리 복잡성을 제거하는 동시에 강력한 하이사이드 제어를 보장합니다. 단순성과 효율성이 뛰어나 벅 및 부스트 컨버터, 동기식 조정기, 모터 구동, 클래스 D 오디오 증폭기와 같은 고주파 스위칭 응용 제품에 매우 적합합니다.

올바른 게이트 구동기 IC 선택

올바른 게이트 구동기를 선택하는 것은 특히 벅 컨버터, 모터 구동, 태양광 발전 시스템과 같은 고속 스위칭 응용 제품에서 전력 스테이지의 효율적이고 안정적이며 안전한 작동을 보장하는 데 필수적입니다. 게이트 구동기의 기본 사항은 광범위하게 적용되지만, 시스템 요구 사항에 따라 특정한 선택 기준이 특히 중요해집니다.

예를 들어, 태양광 전력 변환 및 배터리 공급 시스템에서 게이트 구동기는 넓은 입력 전압 변화와 변화하는 부하 조건을 수용해야 합니다. 전체 공급 레일 변동을 견디고 장기적인 안정성을 보장하려면 충분한 헤드룸을 갖춘 하이사이드 전압 정격이 필요합니다.

공통 모드 일시 내성(CMTI)도 또 다른 주요 고려 사항입니다. 빠른 스위칭 이벤트는 하이사이드와 로우사이드 MOSFET 사이에 가파른 전압 차이를 발생시켜 잡음과 링잉을 유발할 수 있습니다. CMTI가 높은 게이트 구동기는 전기적으로 잡음이 많은 환경에서 더 나은 안정성을 제공합니다.

피크 구동 전류는 특히 고전력 응용 제품에서 이와 동일하게 중요합니다. 구동기는 MOSFET 게이트를 빠르게 충전하고 기생 정전 용량을 극복할 수 있는 충분한 전류를 공급하여 스위칭 손실을 줄이고 열 성능을 개선해야 합니다.

마지막으로, 부동 시간 제어는 하프브리지 구성에서 중요한 역할을 합니다. 한 스위치를 끄고 다른 스위치를 활성화하는 사이에 짧은 지연이 없으면 두 MOSFET이 동시에 작동하는 슛스루가 발생할 수 있습니다. 많은 게이트 구동기는 이러한 문제를 방지하고 다양한 부하 조건에서 안전하고 효율적으로 작동할 수 있도록 내장 또는 조정 가능한 부동 시간 설정을 통합하고 있습니다.

ADI의 LTC706x 제품군

부동 접지 비분리형 하프브리지 구동기는 그 단순성과 고속 스위칭 기능으로 인해 다양한 설계에서 최적의 솔루션이 됩니다. Analog Devices, Inc.(ADI)는 까다로운 응용 제품을 위해 설계된 다양한 기능을 갖춘 고전압 장치를 제공합니다.

ADI의 LTC706x 부동 접지 비분리형 하프브리지 게이트 구동기(그림 1)는 고속, 고전압 전력 변환의 요구 사항을 충족하는 다양한 솔루션을 제공합니다. 자동차부터 산업용 제어까지 다양한 응용 제품에 적합한 이 장치는 엄격한 타이밍 제어, 슛스루 보호, 강력한 구동력을 소형 패키지로 제공합니다.

그림 1: ADI의 LTC706x 부동 접지 비분리형 하프브리지 구동기의 폼 팩터. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

전압, 논리 및 레이아웃 요구 사항에 맞는 다양한 옵션을 제공하는 ADI의 제품들은 설계자가 시스템 수준의 성능과 단순성 사이에서 적절한 균형을 달성할 수 있도록 지원합니다. 모두 N채널 MOSFET을 지원하여 P채널 MOSFET보다 낮은 온 저항(_RDSON), 빠른 스위칭 속도, 높은 전류 처리 성능을 제공합니다.

두 장치는 최대 100V의 공급 전압을 지원합니다.

• LTC7060은 3상태 기능을 갖춘 단일 PWM 입력에 의존하는 시스템에 최적화되어 있으므로, 하나의 제어 라인에서 하이사이드 및 로우사이드 게이트 구동 타이밍을 모두 도출할 수 있습니다. 이를 통해 디지털 컨트롤러 인터페이스를 간소화하고 핀 수를 줄여 공간 제약이 있는 응용 제품에서 사용할 수 있습니다. 또한 3상태 입력 모드는 안전한 고임피던스 상태를 구현하여, 일부 장애 시나리오에서 내결함성 계층을 추가합니다. 단순성과 소형화를 선호하는 설계자에게 좋은 선택입니다.
• LTC7061은 하이사이드 및 로우사이드 스위치에 독립적인 CMOS 또는 TTL 논리 레벨 입력을 제공하는 응용 제품을 위해 설계되었습니다. 이 이중 입력 방식은 타이밍을 더욱 유연하게 제어할 수 있으며, 특히 마이크로 컨트롤러나 PWM 컨트롤러를 통해 외부에서 부동 시간을 관리하는 시스템에서 유용합니다. 스위칭 동작을 엄격하게 제어하거나 맞춤형 타이밍 전략을 구현해야 하는 설계자를 위해, LTC7061은 성능을 조절할 수 있는 제어 유연성을 갖춘 보다 적응력 있는 인터페이스를 제공합니다.

산업용 모터 구동, 자동차 48V 레일, PoE 인프라 등 입력 전압이 100V를 초과하는 응용 제품의 경우, 설계자는 최대 140V 공급 전압을 지원하는 다음 두 가지 옵션을 활용할 수 있습니다.

• LTC7063은 3상태 PWM 입력을 지원하므로 단일 입력 신호를 통해 하이사이드 및 로우사이드 MOSFET을 모두 제어할 수 있습니다. PWM 핀이 전압 레벨에 따라 MOSFET의 상태를 결정하기 때문에, 이 구성은 제어 인터페이스를 단순화합니다. 설계자는 제어 인터페이스 간소화, 핀 수 감소, 고밀도 PCB의 신호 라우팅 복잡성 최소화를 통해 이점을 얻을 수 있는 고전력 응용 제품을 설계하는 경우에 이 방법을 선호할 수 있습니다. LTC7063의 실제 응용 분야 중 하나는 원격 부하를 사용하는 2:1 강압 컨버터 설계입니다(그림 2). 최대 80V의 입력 전원에서 작동하는 이 구성은 입력 전압의 절반(½V_IN)을 최대 5A의 부하로 전달합니다.

그림 2: LTC7063 부동 접지 비분리형 하프브리지 게이트 구동기를 사용하는 원격 부하를 갖춘 강압 컨버터 설계. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

• LTC7066은 하이사이드 및 로우사이드 구동기를 위한 독립적인 CMOS/TTL 논리 레벨 입력을 수용하여 각 MOSFET에 대해 별도의 제어 신호를 제공합니다. 이를 통해 정확하고 유연한 제어가 달성되므로, 설계자는 타이밍, 부동 시간 및 스위칭 동작을 최대한 활용할 수 있습니다. 따라서 고성능 디지털 컨트롤러나 FPGA를 사용하는 시스템과 같이 디지털 제어가 세밀하게 조정된 시스템에 이상적입니다.

장치의 작동 환경이 저전압 또는 고전압 환경에서 작동하든, 이 라인업의 각 장치에는 설계자가 전력 스테이지에서 최대 성능을 끌어내는 데 도움이 되는 필수 보호 및 튜닝 파라미터가 포함되어 있습니다.

각 제품은 적응형 슛스루 보호 기능을 제공하여 하이사이드 및 로우사이드 MOSFET이 동시에 전도되는 것을 방지합니다. 또한 각 장치는 조정 가능한 부동 시간을 지원하므로, 설계자는 스위칭 전환 사이의 지연을 미세 조정하여 손실을 최소화하고 효율을 저하시키지 않으면서 교차 전도를 방지할 수 있습니다. 또 다른 일반적인 기능인 저전압 차단(UVLO)은 공급 전압이 안전 임계값 내에 있을 때만 게이트 구동기가 작동하도록 보장합니다.

성능 측면에서, LTC706x 장치는 모두 1.5Ω 풀업 및 0.8Ω 풀다운의 일반적인 값으로 강력한 게이트 구동 임피던스를 제공합니다. 이를 통해 고속 응용 제품에서 빠른 스위칭, 엄격한 타이밍 제어, 스위칭 손실 감소에 필수적인 신속한 게이트 충전 및 방전이 가능합니다.

기존 부트스트랩 방식이 부적절한 높은 듀티 사이클 응용 제품의 경우, 설계자는 대체 게이트 구동 기술을 평가할 수 있습니다. 복잡성, 효율성, 비용 측면에서 각각의 트레이드 오프를 고려해야 합니다. 예를 들어 분리형 게이트 구동기는 변압기 또는 디지털 아이솔레이터를 사용하여 독립적인 게이트 구동 전압을 제공하므로 부트스트랩 충전 메커니즘이 필요하지 않으며, 직접 바이어스 공급 장치는 스위칭 사이클과 관계 없이 안정적인 게이트 구동 전압을 제공할 수 있습니다.

결론

속도, 효율성 및 소형 설계가 가장 중요한 고전력 응용 제품에서 부동 접지 비분리형 하프브리지 게이트 구동기는 하이사이드 및 로우사이드 MOSFET을 모두 제어할 수 있는 최적의 솔루션을 제공합니다. 이 구동기는 부트스트랩 회로를 활용하여 필요한 게이트 구동 전압을 생성함으로써 정밀한 스위칭 성능을 유지하면서 분리형 설계의 복잡성을 제거합니다. ADI의 LTC706x 제품군은 고속, 고전압 전력 변환의 요구 사항을 충족하는 다양한 다목적 솔루션을 제공합니다.