[디지키 테크포럼] 고속 스위칭을 위한 효율적인 MOSFET 구동 기법 ‘푸시풀·부트스트랩 토폴로지’

이전 글에서는 로우사이드·하이사이드 MOSFET 기본 구동 토폴로지를 주제로 다뤘다. 이는 MOSFET 구동의 기본적인 방식으로 먼저 짚고 넘어가야 할 내용이다.

전력 소자의 스위칭 속도·효율은 지속 향상되고 있다. 이에 따라 기존 로우사이드·하이사이드 구동만으로는 성능·신뢰성을 확보하기 곤란한 경우가 존재한다.

이 같은 한계에 대한 대안으로는 푸시풀·부트스트랩 등 고급 구동 토폴로지의 적용이 제시된다. 이러한 고급 토폴로지는 성능 향상 효과를 내며, 다양한 응용 분야에서 여러 장점을 제공한다.

이번 글은 푸시풀 구동·부트스트랩 구동을 중심으로 살펴본다. 각 방식의 동작 원리·장점·설계 시 고려사항·실제 활용 사례를 다룰 예정이다.

푸시풀 구동은 2개의 MOSFET 또는 바이폴라 트랜지스터로 구성된다. 이 방식에서는 두 소자가 상보형으로 반대 동작을 수행한다.

이 같은 푸시풀 구동의 기능은 게이트 전압을 교대로 상승·하강시키는 데 있다. 이를 통해 푸시풀 구동의 기본 동작을 이해할 수 있다.

이 구성은 게이트 드라이버 IC의 출력단에 적합하다.

예시 IC로는 Microchip TC4420, TC4429가 제시된다.

이 구성은 고주파·대전류 스위칭 구동에도 적합하며, 응용 예로는 PWM 제어, 모터 제어가 있다.

장점으로는 빠른 스위칭 속도가 꼽힌다.

이는 게이트 커패시턴스의 빠른 충전·방전에 근거한다.

또 다른 장점으로는 높은 구동 능력이 있으며, 그 수준은 2A 초과이다.

아울러 크로스오버 손실 감소도 장점으로 제시된다.

반면 단점으로는 슛스루 전류를 방지하기 위한 데드타임의 정밀 조절이 필요하다는 점이 있다.

또한 비용이 다소 높고, 제어가 복잡하다는 점도 단점으로 제시된다.

설계 시에는 푸시풀 드라이버를 설계할 때 슛스루 방지에 주의해야 하며, 푸시풀 구성에서 두 드라이버가 번갈아 온되는 조건에서 데드타임이 부적절하면 상단·하단 드라이버가 동시 온되어 단락이 발생할 가능성이 있다.

또한 스위칭 속도가 과도하면 EMI 또는 발진이 발생할 가능성이 있어, 게이트 저항값을 조정해 스위칭 속도를 적절히 제어하고 EMI를 줄일 수 있다.

MOSFET 구동 회로를 설계할 때에는 구동 전류를 MOSFET 게이트 전하량·필요 스위칭 속도에 부합하도록 선정해야 한다. 이와 함께 드라이버의 전류 공급 능력을 확인해 게이트의 신속한 충전·방전이 가능한지를 살펴야 한다.

PCB 레이아웃에서는 동 경로의 기생 인덕턴스·커패시턴스를 최소화하는 것을 목표로 해야 한다. 이를 통해 신호 무결성을 유지하고 EMI 문제를 줄일 수 있다.

하프브리지 드라이버는 일반적으로 슛스루 방지 회로를 내장하고 있다. 다만 일부 경우에는 추가 데드타임을 확보할 필요가 있으며, 이때는 마이크로컨트롤러의 PWM 신호에 제한 조건을 설정하는 방식으로 구현할 수 있다.

또한 부트스트랩 커패시터가 충분히 충전되도록 하려면 PWM 듀티 사이클에 제한을 둘 필요가 있다. 이어 예시에서는 트랜지스터 기반 로우사이드 푸시풀 구동 회로를 보여준다.

이 예시에는 8050, 8550, B772, D882를 사용할 수 있다. 테스트 전원은 DC 12V이며, 이 전원 조건에서는 별도 구동 전압이 불필요하다.

부하 전압이 제어 전압보다 높을 때에는 구동 전압을 하향할 필요가 있다.

이는 MOSFET의 Vgs 허용 범위를 초과하지 않도록 하기 위한 목적이다.

권장 IC 항목으로는 부트스트랩 구동이 제시된다.

부트스트랩 구동의 원리는 로우사이드 MOSFET이 ON일 때 커패시터에 전압차를 저장하는 방식이다.

이렇게 저장된 전압으로 하이사이드 N-MOSFET을 구동한다.

이 방식은 하프브리지와 풀브리지 회로에 적합하다.

예시 용도로는 인버터와 모터 구동이 제시된다.

사용 조건은 하이사이드 MOSFET의 Vgs를 충분히 높여야 하는 경우이다.

장점으로는 낮은 RDS(on)에 더해 하이사이드 스위칭에 N-MOSFET을 사용함에 따른 높은 효율이 있다.

또 다른 장점으로는 소형화와 비용 절감이 있다.

반면 단점으로는 하이사이드 MOSFET의 연속 ON 상태를 유지할 수 없다는 점이 있다.

또한 부트스트랩 커패시터를 재충전하기 위해 주기적인 로우사이드 도통이 필요하며, 커패시터 충전 시간 확보가 필요하므로 PWM 듀티 사이클에도 제약이 따른다.

설계는 부트스트랩 회로의 각 소자 선택 기준을 제시한다. 설계 고려 항목으로는 부트스트랩 커패시터(C_boot), 부트스트랩 다이오드, 부트스트랩 저항(R_boot)이 포함된다.

부트스트랩 커패시터(C_boot)는 스위칭 시 충분한 전하를 공급하는 용도로 사용된다. C_boot의 선정 기준은 하이사이드 MOSFET 게이트 커패시턴스의 10배 이상이며, 전압 리플 저감 목적과 신뢰성 향상 목적도 함께 고려된다. 또한 권장 커패시터 특성은 낮은 ESR과 낮은 ESL이며, 권장 커패시터 종류는 적층 세라믹 커패시터(MLCC)다.

부트스트랩 다이오드는 전력 손실 감소와 스위칭 속도 향상을 목적으로 선정된다. 다이오드 선정 기준으로는 낮은 순방향 전압 강하와 빠른 역회복 특성이 제시되며, 권장 다이오드 종류는 쇼트키 다이오드다.

부트스트랩 저항(R_boot)은 기동 시 피크 전류를 제한하고 다이오드를 보호하는 용도로 사용된다. R_boot의 선정 기준은 충전 시간과 전류 제한을 동시에 고려하는 데 있으며, 설계 시에는 충전 과도 지연을 방지하고 돌입 전류의 과도한 증가를 막는 방향으로 균형을 맞춰야 한다.

하이사이드 MOSFET 게이트 구동용 부트스트랩 회로를 구현할 때는 PCB 레이아웃에서 부트스트랩 커패시터·다이오드와 드라이버 IC를 가깝게 배치해 기생 인덕턴스·저항을 최소화해야 한다. 또한 고전류 경로의 루프 면적을 축소해 EMI·전압 스파이크를 최소화할 필요가 있다.

다만 도통 시간에는 제한이 있다. 부트스트랩 회로는 커패시터 전압 유지에 한계가 있을 수 있으므로, 하이사이드 MOSFET의 장시간 도통이 필요한 경우에는 부트스트랩 회로가 적합하지 않는다.

이 때문에 저주파·정적 응용 분야에서는 절연 구동 방식을 고려해야 한다. 이는 장시간 도통이 필요한 조건에서 부트스트랩 방식의 한계에 대응하기 위한 것이다.

예시 회로는 브러시 모터·브러시리스 모터용 H-브리지 또는 3상 H-브리지용 단순 하이사이드 MOSFET 게이트 구동 회로에 해당한다. 이 회로에서 부트스트랩 커패시터 C1은 게이트 구동에 필요한 에너지를 공급하며, 게이트 구동 에너지는 옵토커플러 출력 트랜지스터가 직접 전달한다.

회로 구성은 공통 컬렉터이다.

이 부트스트랩 계열 회로에서는 NPN 트랜지스터가 MOSFET 게이트 전압을 부트스트랩 전압까지 상승시킨다.

MOSFET가 오프될 때에는 R2가 R4를 거쳐 게이트 전하를 방전한다.

이때 R4의 기능은 전류 제한 저항이다.

이어서 구동 토폴로지 비교 대상은 푸시풀과 부트스트랩이다.

푸시풀은 고주파 스위칭, 디지털 회로에 적용되며, 장점은 높은 구동 전류와 빠른 스위칭 속도이지만, 단점은 정밀한 데드타임 제어가 필요하다는 점이다. 푸시풀의 주요 IC 솔루션은 마이크로칩 TC4420, 마이크로칩 TC4429이다.

부트스트랩은 하프브리지·풀브리지, 하이사이드 스위칭에 적용되며, 장점은 별도의 절연 전원이 불필요하고 낮은 비용이라는 점이지만, 단점은 하이사이드 도통 시간 제한이 있고 부트스트랩 커패시터 용량 선정이 중요하다는 점이다. 부트스트랩의 주요 IC 솔루션은 TI UCC27710, 인피니언 EiceDRIVER이다.

결론적으로 푸시풀·부트스트랩 토폴로지는 MOSFET의 고속·고효율 스위칭 방법을 제공한다.

푸시풀 구동은 높은 게이트 구동 능력이 요구되는 고속 제어에 적합하다. 부트스트랩 회로는 별도 전원 공급 없이 하이사이드에 N-MOSFET을 사용할 수 있게 한다.

이들 두 방식은 장점과 한계가 공존한다. 따라서 안정적인 전력 회로 설계에서는 각 방식의 특성을 이해하고, 적용 시점과 방법을 판단하는 일이 중요 요소가 된다.

이어 고전압·복잡한 모터 제어 환경용 광절연 구동 방식을 살펴본다. 또 고전압·복잡한 모터 제어 환경용 브리지 구동 방식도 함께 다룬다.

원문 참고 출처는 DigiKey의 TechForum/Article이다.

출처: 테크월드뉴스 · 이광재 기자
원문: https://www.epnc.co.kr/news/articleView.html?idxno=407110

참고자료

• https://www.epnc.co.kr/news/articleView.html?idxno=407110