이전 글에서는 하측(low-side) 및 상측(high-side) MOSFET 구동 방식과 같은 기본적인 구동 토폴로지에 대해 살펴보았습니다. 그러나 전력 소자가 진화하여 스위칭 속도가 높아지고 효율도 향상됨에 따라, 기존의 하측 및 상측 구동 방식으로는 성능과 신뢰성 측면에서 부족할 수 있습니다.
이런 경우, 푸시풀 및 부트스트랩 구동과 같은 고급 구동 토폴로지가 최적의 해결책이 될 뿐만 아니라, 실제 적용 시 여러 추가적인 이점도 제공합니다.
이번 글에서는 푸시풀 구동과 부트스트랩 구동이라는 두 가지 중요한 구동 방식에 초점을 맞추어, 이들의 동작 원리, 장점, 설계 고려 사항 및 실제 활용 사례를 살펴봅니다.
1. 푸시풀 구동
푸시풀 구동은 2개의 MOSFET 또는 바이폴라 트랜지스터로 구성되며, 위아래 소자가 교대로 동작하여 게이트 전압을 켜거나 끄는 상보형 출력 쌍을 형성합니다. 이 구동 방식은 마이크로칩의 TC4420과 TC4429 같은 게이트 드라이버 IC의 출력단이나, PWM 제어와 모터 제어 같은 고주파/고전류 스위칭 구동, 그리고 이와 유사한 응용 분야에 적합합니다.
장점
- 빠른 스위칭 속도 (게이트 커패시턴스의 빠른 충전/방전)
- 강력한 구동 능력 (>2A)
- 크로스오버 손실 감소
제한 사항
- 관통(shoot-through) 전류를 방지하기 위해 정밀한 데드타임(Dead-time) 관리가 필요
- 비용이 다소 높고 제어가 복잡
설계 고려 사항
- 1. 관통 방지
푸시풀 드라이버의 설계 고려 사항 중에서는 관통을 방지하는 것이 가장 중요합니다. 푸시풀 구성에서는 두 드라이버가 교대로 도통되어야 합니다. 적절한 데드타임이 설정되지 않으면 상부 드라이버와 하부 드라이버가 동시에 도통되어 단락이 발생할 수 있습니다. - 2. 스위칭 속도 제어
스위칭 속도가 과도하게 빠르면 전자파 장해(EMI)와 발진이 발생할 수 있습니다. 게이트 저항 값을 조정하여 스위칭 속도를 제어할 수 있으며, 이를 통해 EMI를 줄일 수 있습니다. - 3. 적절한 구동 전류
MOSFET의 게이트 전하량과 요구되는 스위칭 속도에 기반하여 적절한 구동 전류를 선택해야 합니다. 그리고 드라이버가 게이트를 빠르게 충전/방전할 수 있을 정도로 전류를 충분히 공급할 수 있는지 확인해야 합니다. - 4. PCB 레이아웃
PCB 레이아웃의 경우, 신호 무결성을 유지하고 EMI 문제를 문제를 방지하기 위해 구동 경로의 기생 인덕턴스와 커패시턴스를 최소화해야 합니다.
기술 팁: 하프브리지 드라이버는 대개 관통을 방지하는 회로를 포함하고 있지만, 추가적인 데드타임 지연이 필요할 수도 있습니다. 이는 해당하는 마이크로컨트롤러의 PWM 신호에 제한을 둠으로써 구현할 수 있습니다. 덧붙여, 부트스트랩 커패시터가 충전될 시간을 확보할 수 있도록 PWM 듀티 사이클을 확실히 제한해야 합니다.
예시 회로: 트랜지스터 기반의 푸시풀 구동 회로
위 예시에서는 트랜지스터 기반의 하측 MOSFET 푸시풀 구동 회로를 보여줍니다. 8050, 8550, 또는 B772와 D882 같은 트랜지스터를 사용할 수 있습니다. 여기에서 테스트 전원은 DC 12V이므로 별도의 구동 전압이 추가로 필요하지는 않습니다. 다만 부하 전압이 제어 전압보다 높은 경우, MOSFET의 게이트-소스 전압(VGS) 한계를 넘지 않도록 구동 전압을 낮추어야 합니다.
권장 IC:
2. 부트스트랩 구동
부트스트랩 회로는 하측 MOSFET이 켜져 있을 때의 전압 차를 부트스트랩 커패시터에 저장한 후, 이 전압을 이용해 상측 N-MOSFET을 구동합니다. 이 구동 방식은 하프브리지 또는 풀브리지 회로(예: 인버터, 모터 드라이브)를 비롯해, 상측 MOSFET 구동에 높은 게이트-소스 전압(VGS)이 필요한 경우에 적합합니다.
장점
- 상측 스위칭에 N-MOSFET을 사용하여 RDS(on)을 낮춤으로써 높은 효율 달성
- 소형 및 및 우수한 가성비
제한 사항
- 상측 MOSFET의 ON 상태 지속 유지 불가
- 부트스트랩 커패시터 재충전을 위한 주기적인 하측 MOSFET 도통 필요
- PWM 듀티 사이클에 의한 제약 (커패시터 충전을 위한 충분한 시간 할당 필요)
설계 고려 사항
- 1. 부트스트랩 커패시터(C_boot) 선정
스위칭시 충분한 전하를 공급할 수 있도록 부트스트랩 커패시터의 용량은 상측 MOSFET의 게이트 커패시턴스보다 최소 10배 이상이어야 합니다. 전압 리플을 줄이고 신뢰성을 높이기 위해 등가 직렬 저항(ESR)과 등가 직렬 인덕턴스(ESL)가 낮은 적층 세라믹 커패시터(MLCC)를 사용합니다. - 2. 부트스트랩 다이오드 선정
전력 손실을 최소화하고 스위칭 속도를 높이기 위해, 순방향 전압 강하가 낮고 역회복 시간이 빠른 쇼트키 다이오드를 선택합니다. - 3. 부트스트랩 저항(R_boot)
초기 기동(Startup) 시 발생하는 피크 전류를 제한하여 다이오드를 보호할 수 있도록 부트스트랩 저항(R_boot)을 추가합니다. 과도한 충전 지연이 발생하거나 높은 돌입 전류가 흐르지 않도록 충전 속도와 전류 제한 사이에서 균형을 맞추어 저항값을 선정해야 합니다. - 4. PCB 레이아웃
기생 인덕턴스와 저항을 최소화할 수 있도록 부트스트랩 커패시터와 다이오드를 드라이버 IC에 최대한 가깝게 배치합니다. 그리고 전자파 장해(EMI)와 전압 스파이크를 줄일 수 있도록 고전류 경로의 루프 면적도 최소화합니다. - 5. 도통 시간 제한
부트스트랩 회로는 커패시터가 충분한 전압을 유지하지 못할 수 있으므로 상측 MOSFET을 장시간 도통시켜야 하는 경우에는 적합하지 않습니다. 저주파 또는 정적 구동이 필요한 응용 분야의 경우 절연형 구동 방식을 고려해야 합니다.
예시 회로: 부트스트랩 기반 고측 구동 회로
위 예시는 브러시 모터용 H-브리지 또는 브러시리스 모터용 3상 브리지에 적용되는 측 MOSFET 게이트 구동 회로를 단순화하여 보여줍니다. 부트스트랩 커패시터 C1은 게이트 구동에 필요한 에너지를 공급하며, 이 에너지는 포토커플러의 출력 트랜지스터로부터 직접 공급됩니다. 이 회로는 공통 컬렉터로 구성되어 있으며, NPN 트랜지스터가 MOSFET의 게이트 전압을 부트스트랩 전압까지 끌어올립니다. MOSFET이 꺼질 때는, 게이트에 저장되어 있던 전하가 전류 제한 저항 R4와 저항 R2를 거쳐 방전됩니다.
권장IC
Infineon EiceDRIVER™ 시리즈
구동 토폴로지 비교표
| 구동 토폴로지 | 적용 분야 | 장점 | 단점 | 주요 IC 솔루션 |
|---|---|---|---|---|
| 푸시풀 | 고주파 스위칭, 디지털 회로 | 높은 구동 전류, 빠른 스위칭 속도 | 정밀한 데드타임 제어 필요 | 마이크로칩 TC4420 / TC4429 |
| 부트스트랩 | 하프/풀브리지, 고측 스위칭 | 별도의 절연 전원 불필요, 낮은 비용 | 고측 도통 시간 제한, 부트스트랩 커패시터 용량 선정 중요 | TI UCC27710, Infineon EiceDRIVER™ 시리즈 |
결론
푸시풀 및 부트스트랩 구동 기법은 MOSFET를 빠르고 효율적으로 스위칭할 수 있는 솔루션을 가능하게 합니다. 푸시풀 구동은 강력한 게이트 구동 능력을 바탕으로 한 고속 제어에 탁월하며, 부트스트랩 회로는 별도의 전원 공급 없이도 상측에 N-MOSFET을 사용할 수 있게 해줍니다.
두 방식 모두 장점과 한계가 있으므로, 언제 그리고 어떻게 적용해야 하는지 이해하는 것이 안정적인 전원 회로 설계의 핵심입니다. 다음 글에서는 고전압 및 복잡한 모터 제어 환경에 적합한 광 절연형 브리지 구동 방식을 살펴볼 것입니다.
적용 가능한 부품 번호
| 디지키 부품 번호 | 제조업체 부품 번호 |
|---|---|
| TC4420COA713TR-ND,TC4420COA713CT-ND,TC4420COA713DKR-ND | TC4420COA713 |
| TC4420EOA-ND | TC4420EOA |
| TC4420COA-ND | TC4420COA |
| TC4420EPA-ND | TC4420EPA |
| TC4420VPA-ND | TC4420VPA |
| TC4420CPA-ND | TC4420CPA |
| TC4420CAT-ND | TC4420CAT |
| TC4420VOA713TR-ND,TC4420VOA713CT-ND,TC4420VOA713DKR-ND | TC4420VOA713 |
| TC4420VOA-ND | TC4420VOA |
| TC4420EOA713TR-ND,TC4420EOA713CT-ND,TC4420EOA713DKR-ND | TC4420EOA713 |
| TC4420MJA-ND | TC4420MJA |
| TC4420IJA-ND | TC4420IJA |
| TC4420EMF713-ND | TC4420EMF713 |
| TC4420EMF-ND | TC4420EMF |
| TC4420VMF-ND | TC4420VMF |
| TC4420VMF713-ND | TC4420VMF713 |
| TC4420VAT-ND | TC4420VAT |
| TC4429EOA-ND | TC4429EOA |
| TC4429CPA-ND | TC4429CPA |
| TC4429COA713TR-ND,TC4429COA713CT-ND,TC4429COA713DKR-ND | TC4429COA713 |
| TC4429VOA-ND | TC4429VOA |
| TC4429COA-ND | TC4429COA |
| TC4429EPA-ND | TC4429EPA |
| TC4429CAT-ND | TC4429CAT |
| TC4429VMF-ND | TC4429VMF |
| TC4429VPA-ND | TC4429VPA |
| TC4429EMF-ND | TC4429EMF |
| TC4429EMF713-ND | TC4429EMF713 |
| TC4429VMF713-ND | TC4429VMF713 |
| TC4429EOA713-ND | TC4429EOA713 |
| TC4429VOA713-ND | TC4429VOA713 |
| TC4429VAT-ND | TC4429VAT |
| TC4429MJA-ND | TC4429MJA |
| TC4429IJA-ND | TC4429IJA |
| 296-52844-2-ND,296-52844-1-ND,296-52844-6-ND | UCC27710DR |
| 296-47513-ND | UCC27710D |
| 1EDN8511BXUSA1TR-ND,1EDN8511BXUSA1CT-ND,1EDN8511BXUSA1DKR-ND | 1EDN8511BXUSA1 |
| 2EDN7524FXTMA1TR-ND,2EDN7524FXTMA1CT-ND,2EDN7524FXTMA1DKR-ND | 2EDN7524FXTMA1 |
| 2EDN7524GXTMA1TR-ND,2EDN7524GXTMA1CT-ND,2EDN7524GXTMA1DKR-ND | 2EDN7524GXTMA1 |
| 2EDL05N06PFXUMA1TR-ND,2EDL05N06PFXUMA1CT-ND,2EDL05N06PFXUMA1DKR-ND | 2EDL05N06PFXUMA1 |
| 448-2EDL8024GXUMA1TR-ND,448-2EDL8024GXUMA1CT-ND,448-2EDL8024GXUMA1DKR-ND | 2EDL8024GXUMA1 |
| 448-2EDF7275FXUMA2TR-ND,448-2EDF7275FXUMA2CT-ND,448-2EDF7275FXUMA2DKR-ND | 2EDF7275FXUMA2 |
| 448-2ED2410EMXUMA1TR-ND,448-2ED2410EMXUMA1CT-ND,448-2ED2410EMXUMA1DKR-ND | 2ED2410EMXUMA1 |
| 2ED020I12F2XUMA1TR-ND,2ED020I12F2XUMA1CT-ND,2ED020I12F2XUMA1DKR-ND | 2ED020I12F2XUMA1 |
| 448-2EDN7534FXTMA1TR-ND,448-2EDN7534FXTMA1CT-ND,448-2EDN7534FXTMA1DKR-ND | 2EDN7534FXTMA1 |
| 448-2EDN8534FXTMA1TR-ND,448-2EDN8534FXTMA1CT-ND,448-2EDN8534FXTMA1DKR-ND | 2EDN8534FXTMA1 |
| 1EDN7511BXUSA1TR-ND,1EDN7511BXUSA1CT-ND,1EDN7511BXUSA1DKR-ND | 1EDN7511BXUSA1 |
| 1EDN7550BXTSA1TR-ND,1EDN7550BXTSA1CT-ND,1EDN7550BXTSA1DKR-ND | 1EDN7550BXTSA1 |
| 1EDN8550BXTSA1TR-ND,1EDN8550BXTSA1CT-ND,1EDN8550BXTSA1DKR-ND | 1EDN8550BXTSA1 |
| 1EDN7512GXTMA1TR-ND,1EDN7512GXTMA1CT-ND,1EDN7512GXTMA1DKR-ND | 1EDN7512GXTMA1 |
| 448-1EDN9550BXTSA1TR-ND,448-1EDN9550BXTSA1CT-ND,448-1EDN9550BXTSA1DKR-ND | 1EDN9550BXTSA1 |
| 2EDN8524FXTMA1TR-ND,2EDN8524FXTMA1CT-ND,2EDN8524FXTMA1DKR-ND | 2EDN8524FXTMA1 |
| 448-2EDN7524RXTMA1TR-ND,448-2EDN7524RXTMA1CT-ND,448-2EDN7524RXTMA1DKR-ND | 2EDN7524RXTMA1 |
| 448-2EDN7534BXTSA1TR-ND,448-2EDN7534BXTSA1CT-ND,448-2EDN7534BXTSA1DKR-ND | 2EDN7534BXTSA1 |
| 448-1EDL8011XUMA1TR-ND,448-1EDL8011XUMA1CT-ND,448-1EDL8011XUMA1DKR-ND | 1EDL8011XUMA1 |
| 2EDL05I06PJXUMA1TR-ND,2EDL05I06PJXUMA1CT-ND,2EDL05I06PJXUMA1DKR-ND | 2EDL05I06PJXUMA1 |
| 2EDL23N06PJXUMA1TR-ND,2EDL23N06PJXUMA1CT-ND,2EDL23N06PJXUMA1DKR-ND | 2EDL23N06PJXUMA1 |
| 448-2EDS7165HXUMA1TR-ND,448-2EDS7165HXUMA1CT-ND,448-2EDS7165HXUMA1DKR-ND | 2EDS7165HXUMA1 |
| 448-2EDF8275FXUMA1TR-ND,448-2EDF8275FXUMA1CT-ND,448-2EDF8275FXUMA1DKR-ND | 2EDF8275FXUMA1 |
| 2EDF7275KXUMA1TR-ND,2EDF7275KXUMA1CT-ND,2EDF7275KXUMA1DKR-ND | 2EDF7275KXUMA1 |
| 448-2EDF7275KXUMA2TR-ND,448-2EDF7275KXUMA2CT-ND,448-2EDF7275KXUMA2DKR-ND | 2EDF7275KXUMA2 |
| 448-2EDF9275FXUMA1TR-ND,448-2EDF9275FXUMA1CT-ND,448-2EDF9275FXUMA1DKR-ND | 2EDF9275FXUMA1 |
| 6EDL04N02PRXUMA1TR-ND,6EDL04N02PRXUMA1CT-ND,6EDL04N02PRXUMA1DKR-ND | 6EDL04N02PRXUMA1 |
| 448-2EDS8265HXUMA2TR-ND,448-2EDS8265HXUMA2CT-ND,448-2EDS8265HXUMA2DKR-ND | 2EDS8265HXUMA2 |
| 448-1EDN7550UXTSA1TR-ND,448-1EDN7550UXTSA1CT-ND,448-1EDN7550UXTSA1DKR-ND | 1EDN7550UXTSA1 |
| 448-2EDN7434FXTMA1TR-ND,448-2EDN7434FXTMA1CT-ND,448-2EDN7434FXTMA1DKR-ND | 2EDN7434FXTMA1 |
| 448-2EDN8533FXTMA1TR-ND,448-2EDN8533FXTMA1CT-ND,448-2EDN8533FXTMA1DKR-ND | 2EDN8533FXTMA1 |
| 448-2EDN7533RXTMA1TR-ND,448-2EDN7533RXTMA1CT-ND,448-2EDN7533RXTMA1DKR-ND | 2EDN7533RXTMA1 |
| 448-2EDN8534RXTMA1TR-ND,448-2EDN8534RXTMA1CT-ND,448-2EDN8534RXTMA1DKR-ND | 2EDN8534RXTMA1 |
| 448-2EDN7534RXTMA1TR-ND,448-2EDN7534RXTMA1CT-ND,448-2EDN7534RXTMA1DKR-ND | 2EDN7534RXTMA1 |
| 2EDN7424FXTMA1TR-ND,2EDN7424FXTMA1CT-ND,2EDN7424FXTMA1DKR-ND | 2EDN7424FXTMA1 |
| 2EDN7523FXTMA1TR-ND,2EDN7523FXTMA1CT-ND,2EDN7523FXTMA1DKR-ND | 2EDN7523FXTMA1 |
| 448-2EDN7533BXTSA1TR-ND,448-2EDN7533BXTSA1CT-ND,448-2EDN7533BXTSA1DKR-ND | 2EDN7533BXTSA1 |
| 448-2EDN8524RXTMA1TR-ND,448-2EDN8524RXTMA1CT-ND,448-2EDN8524RXTMA1DKR-ND | 2EDN8524RXTMA1 |
| 448-2EDL8123GXUMA1TR-ND,448-2EDL8123GXUMA1CT-ND,448-2EDL8123GXUMA1DKR-ND | 2EDL8123GXUMA1 |
| 448-2EDL8124GXUMA1TR-ND,448-2EDL8124GXUMA1CT-ND,448-2EDL8124GXUMA1DKR-ND | 2EDL8124GXUMA1 |
| 2EDL05I06PFXUMA1TR-ND,2EDL05I06PFXUMA1CT-ND,2EDL05I06PFXUMA1DKR-ND | 2EDL05I06PFXUMA1 |
| 2EDL05I06BFXUMA1TR-ND,2EDL05I06BFXUMA1CT-ND,2EDL05I06BFXUMA1DKR-ND | 2EDL05I06BFXUMA1 |
| 448-2EDL8033G4CXTMA1TR-ND,448-2EDL8033G4CXTMA1CT-ND,448-2EDL8033G4CXTMA1DKR-ND | 2EDL8033G4CXTMA1 |
| 448-2EDL8034G3CXTMA1TR-ND,448-2EDL8034G3CXTMA1CT-ND,448-2EDL8034G3CXTMA1DKR-ND | 2EDL8034G3CXTMA1 |
| 448-2EDL8033G3CXTMA1TR-ND,448-2EDL8033G3CXTMA1CT-ND,448-2EDL8033G3CXTMA1DKR-ND | 2EDL8033G3CXTMA1 |
| 448-2EDL8023GXUMA1TR-ND,448-2EDL8023GXUMA1CT-ND,448-2EDL8023GXUMA1DKR-ND | 2EDL8023GXUMA1 |
| 2EDL05N06PJXUMA1TR-ND,2EDL05N06PJXUMA1CT-ND,2EDL05N06PJXUMA1DKR-ND | 2EDL05N06PJXUMA1 |
| 448-2EDS8165HXUMA2TR-ND,448-2EDS8165HXUMA2CT-ND,448-2EDS8165HXUMA2DKR-ND | 2EDS8165HXUMA2 |
| 448-2EDS9265HXUMA1TR-ND,448-2EDS9265HXUMA1CT-ND,448-2EDS9265HXUMA1DKR-ND | 2EDS9265HXUMA1 |
| 448-2EDF7175FXUMA2TR-ND,448-2EDF7175FXUMA2CT-ND,448-2EDF7175FXUMA2DKR-ND | 2EDF7175FXUMA2 |
| 6EDL04N06PTXUMA1TR-ND,6EDL04N06PTXUMA1CT-ND,6EDL04N06PTXUMA1DKR-ND | 6EDL04N06PTXUMA1 |
| 6EDL04I06PTXUMA1TR-ND,6EDL04I06PTXUMA1CT-ND,6EDL04I06PTXUMA1DKR-ND | 6EDL04I06PTXUMA1 |
| 6EDL04I06NTXUMA1TR-ND,6EDL04I06NTXUMA1CT-ND,6EDL04I06NTXUMA1DKR-ND | 6EDL04I06NTXUMA1 |
| 6ED003L06F2XUMA1TR-ND,6ED003L06F2XUMA1CT-ND,6ED003L06F2XUMA1DKR-ND | 6ED003L06F2XUMA1 |
| 2ED020I12FAXUMA2TR-ND,2ED020I12FAXUMA2CT-ND,2ED020I12FAXUMA2DKR-ND | 2ED020I12FAXUMA2 |
| 448-1EDN7136GXTMA1TR-ND,448-1EDN7136GXTMA1CT-ND,448-1EDN7136GXTMA1DKR-ND | 1EDN7136GXTMA1 |
| 448-2EDN8533RXTMA1TR-ND,448-2EDN8533RXTMA1CT-ND,448-2EDN8533RXTMA1DKR-ND | 2EDN8533RXTMA1 |
| 448-2EDN7434RXTMA1TR-ND,448-2EDN7434RXTMA1CT-ND,448-2EDN7434RXTMA1DKR-ND | 2EDN7434RXTMA1 |
| 448-1EDN7146GXTMA1TR-ND,448-1EDN7146GXTMA1CT-ND,448-1EDN7146GXTMA1DKR-ND | 1EDN7146GXTMA1 |
| 448-2EDN7424RXTMA1TR-ND,448-2EDN7424RXTMA1CT-ND,448-2EDN7424RXTMA1DKR-ND | 2EDN7424RXTMA1 |
| 448-2EDN8524GXTMA1TR-ND,448-2EDN8524GXTMA1CT-ND,448-2EDN8524GXTMA1DKR-ND | 2EDN8524GXTMA1 |
| 448-2EDL8034G4CXTMA1TR-ND,448-2EDL8034G4CXTMA1CT-ND,448-2EDL8034G4CXTMA1DKR-ND | 2EDL8034G4CXTMA1 |
| 448-2EDL8034G4BXTMA1TR-ND,448-2EDL8034G4BXTMA1CT-ND,448-2EDL8034G4BXTMA1DKR-ND | 2EDL8034G4BXTMA1 |
| 2EDL23I06PJXUMA1TR-ND,2EDL23I06PJXUMA1CT-ND,2EDL23I06PJXUMA1DKR-ND | 2EDL23I06PJXUMA1 |
| 6ED003L02F2XUMA1TR-ND,6ED003L02F2XUMA1CT-ND,6ED003L02F2XUMA1DKR-ND | 6ED003L02F2XUMA1 |
| 1EBN1001AEXUMA1TR-ND,1EBN1001AEXUMA1CT-ND,1EBN1001AEXUMA1DKR-ND | 1EBN1001AEXUMA1 |
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영문 원본: Efficient MOSFET Drive Techniques: Push-Pull and Bootstrap Topologies for High-Speed Switching