동기정류 강압 컨버터의 데드 타임 손실

지난 편에서는 동기정류 강압 컨버터의 스위치 노드에 발생하는 스위칭 손실에 대해 설명했습니다. 이번에는 스위치 노드에 발생하는 데드 타임 손실에 대해 설명하겠습니다.

데드 타임 손실

데드 타임 손실이란, 데드 타임 중에 Low-side 스위치 (MOSFET)의 보디 다이오드의 순방향 전압과 부하 전류에서 발생하는 손실입니다. 상기 그림의 Pdead_time으로 표기한 부분입니다.

동기정류 방식은 High-side 스위치와 Low-side 스위치가 교대로 ON / OFF합니다. 이상적인 스위칭 동작은, 양쪽의 스위치가 동시에 ON 또는 OFF되지 않는 것입니다. 그러나, 실제로 이러한 이상적 동작을 실현하기는 어렵습니다. 따라서, 안전한 동작을 위해 의도적으로 양쪽의 스위치가 동시에 OFF되는 구간을 설정합니다. 이러한 구간을 데드 타임이라고 합니다. 양쪽의 스위치가 동시에 ON되면 관통 전류 (Through-current / Shoot-through) 등으로 불리우는 전류가, 통상적으로는 V_IN에서 High-side와 Low-side 스위치를 통해 GND로 흐릅니다. 이는 V_IN과 GND가 단락된 것과 거의 동일한 상태로, 대전류가 흘러 스위치인 MOSFET가 파괴될 가능성이 있습니다. 이러한 문제를 피하기 위해, 동기정류 방식의 DC-DC 컨버터 IC에는, 양쪽의 스위치가 동시에 ON되지 않도록 양쪽을 동시에 OFF한 후 해당 스위치가 ON되는 제어 회로가 탑재되어 있습니다.

데드 타임은 양쪽의 스위치가 OFF되므로, 단순하게 생각하면 출력에는 어떤 스위치로부터도 전류가 흐르지 않게 됩니다. 그러나, 실제로 스위치인 MOSFET에는 보디 다이오드라는 기생 다이오드가 존재합니다. 하기 그림에서 MOSFET의 드레인 – 소스 사이에 접속되어 있는 다이오드가 보디 다이오드를 나타낸 것입니다.

양쪽의 스위치가 OFF 상태일 때, Low-side MOSFET의 보디 다이오드는 부하 전류에 대해 순방향이 되어, 이 보디 다이오드를 통해 부하에 전류가 흐르게 됩니다. 이러한 손실＝Pdead_time은 하기 식을 통해 산출할 수 있습니다.

식에서 알 수 있듯이, 어떤 항목이든 작을수록 손실은 줄어듭니다. IC의 데드 타임 제어는 안전이 확보되고, 손실이 최소가 될 수 있는 시간으로 설정되어 있습니다.

다음 편에서는 IC의 제어 회로 손실에 대해 설명하겠습니다.