데드타임이 필요한 이유. 인버터의 Cross conduction 이란?

Cross Conduction 이란 용어는 하프 브릿지나 풀브릿지의 푸시풀 컨버터 종류에서 잠재적으로 회로가 파손될만한 위험한 조건을 묘사하기 위해 사용된다. 하나의 브릿지(bridge)(또는 레그 Leg)의 두 스위치가 스위치 드라이버 상의 문제로 동시에 모두 ON되는 상황을 말한다.

 

Fig1을 보자. 하프브릿지 인버터 회로이다. 만약에 Q1과 Q2가 동시에 켜진다면, 이 브릿지는 미세한 크기의 기생저항을 제외하면 저항이 전혀 없이 스위치가 켜진 단락회로이다. T1과 T2는 전류 센싱을 위한 CT: current transformer 라서 저항이 거의 없다. 당연히 과전류로 인해 거의 바로 스위치가 파괴되고 고장이 발생할 것이다.

 

보통은 전력 스위치가 동시에 켜지지 않도록 제어한다. cross conduction의 원인은 전력 스위치의 과도한 저장 시간에 있다.

 

Fig1. 일반적인 하프 브릿지 회로

Fig2는 일반적인 게이트 드라이빙과 콜렉터(소스) 전류 파형을 하프 브릿지 스위치 Q1과 Q2에 대해서 보여준다. 

한쪽은 0으로 콜렉터 전류가 감소하고, 또 다른 한쪽은 0에서부터 상승한다. 100% 듀티비의 구형파로 Full conduction(완전 턴온) 상태로 말이다. 여기서 볼 수 있듯이, t1에서 t3 사이의 storage time 때문에 cross conduction이 일어난다.  이 storage time 동안 짧지만 두개의 스위치가 모두 ON되는 상황이 존재한다.

Fig2. Q1(위)과 Q2(아래)의 콜렉터 출력 전류 파형

위쪽 파형에서 Q1의 스위칭 파형은 t1에서 스위치의 턴오프가 시작되었다. 똑같이 시간 t1에서 아래쪽 파형의 Q2는 스위치의 턴온이 시작되었다. 하지만 필연적인 Q1의 storage time 때문에, Q1의 콜렉터 전류는 t3를 지난 이후 때까지 차단되지 않는다. 동시에 아래쪽 스위치인 Q2는 턴온되기 시작한다. 전력 스위치에서 턴온 딜레이 시간은 일반적으로 storage time보다 짧다. 따라서 100% 듀티비에선 t2와 t3 사이의 짧은 기간동안 양쪽 스위치가 모두 턴온되는 시간이 존재한다.

 

서로 직접적으로 DC전압 모선의 양단에 연결되어있기 때문에, DC전압원의 낮은 내부 임피던스가 큰 콜렉터 전류를 흐르게 한다. 이 영향으로 Fig2에서 전류 스파이크의 형태로 나타난다. 만약에 DC전압 모선의 내부 임피던스가 매우 낮고, 전류 제한 회로가 없다면, 큰 cross conduction 전류가 Q1과 Q2를 통과해서 흐를 것이다. 당연히 바로 파괴되서 고장으로 이어질 활률이 매우 높다.

 

이를 막기 위해서, 두 스위치의 드라이빙 신호에 데드타임을 만들어서 두 스위치가 모두 턴오프 상태가 되도록 하는 구간을 만든다. 결과적으로 두 스위치가 모두 턴온 상태인 구간을 없앤다.