데드타임(Dead Time)

 

 

 

 

 

Cross Conduction이란?

 

Cross Conduction은 하프 브릿지 또는 풀 브릿지 구조의 푸시풀(Push-Pull) 계열 컨버터에서 발생할 수 있는 치명적인 단락 상태를 의미한다. 하나의 브릿지(Bridge) 혹은 레그(Leg) 내 상단·하단 스위치가 동시에 ON 되는 경우로, 이로 인해 회로에 심각한 과전류가 흐르고 전력 소자(스위치)가 파손될 수 있는 상황이다.

 

 

Fig1. 일반적인 하프 브릿지 회로

 

 

 

 

Cross Conduction이 왜 위험한가?

위 Fig1은 하프 브릿지 인버터 회로를 보여준다.
만약 상단 스위치(Q1)와 하단 스위치(Q2)가 동시에 켜지게 되면, 이 경로는 거의 저항이 없는 직렬 단락 회로가 된다. T1, T2는 전류 센싱을 위한 커런트 트랜스포머(CT)로 구성되어 있어 내부 저항이 매우 작다.

결과적으로, DC 전압원이 내부 임피던스가 매우 낮을 경우, 상단에서 하단으로 거대한 전류가 순간적으로 흐르게 되고, 이로 인해 Q1, Q2는 즉시 손상되거나 파괴될 수 있다.

 

 

 

 

 

 

Fig2. Q1(위)과 Q2(아래)의 콜렉터 출력 전류 파형

 

Fig2 – 게이트 드라이브 vs 전류 파형

 

Fig2는 하프 브리지 스위치인 Q1, Q2에 대한 게이트 드라이브 신호와 콜렉터(또는 드레인) 전류 파형을 보여준다.

• Q1의 턴오프가 시작되는 시점 t1, 동시에 Q2의 턴온도 시작된다.
• 하지만 Q1은 Storage Time(저장 시간) 동안 완전히 꺼지지 않으며, 전류가 t3 시점까지 계속 흐른다.
• 반면 Q2는 Turn-on Delay가 상대적으로 짧기 때문에 빠르게 도통되며, 결과적으로 t2~t3 사이에 두 스위치가 모두 ON되는 상태가 발생한다.
  → 이것이 바로 Cross Conduction.

이 시점에서 상하단 스위치는 동시에 ON, 즉 DC 모선의 양단이 직접 연결된 상태가 되며, 내부 임피던스가 낮은 전원에서 전류 스파이크가 발생한다. 이 과전류는 스위치를 빠르게 파괴시키며 회로 고장을 유발한다.

 

 

 

 

Dead Time 삽입

 

이러한 문제를 막기 위해 Dead Time(데드타임)을 도입한다.

• Dead Time은 상하단 스위치 사이의 안전한 공백 시간으로,
  하단 스위치를 ON하기 전에 상단 스위치가 완전히 OFF될 시간을 확보해 준다.
• 이로써 두 스위치가 동시에 ON되는 상황(Cross Conduction)을 원천 차단할 수 있다.

※ Dead Time이 너무 짧으면 Cross Conduction의 위험이 존재하고, 너무 길면 PWM 파형이 왜곡되어 모터 토크 리플, 전류 왜곡 등 부작용이 생기기 때문에 적절한 시간으로 정밀하게 조정되어야 한다.