풀-브리지 MOSFET 드라이버 선택 및 설계 가이드

작성 날짜: 이월 11, 2022
업데이트 날짜: 유월 25, 2023

안정적인 DC 전압과 전류를 제공하는 것은 전력 조정기/변환기, 모터 드라이버 및 조명 및 펄스 생성 회로와 같은 다른 응용 프로그램에 있어 매우 중요합니다. 저전력 시스템 작업을 하는 많은 설계자들이 저전력 변환기 토폴로지를 더 높은 전력 시스템으로 확장하려고 시도할 수 있지만, 이는 설계자에게 유리하게 작용하지 않습니다. 표준 변환기/조정기 토폴로지로 전력을 공급하려고 시도하면 결국 부품 고장, 전력 공급 부족 또는 효율이 낮은 과대한 시스템으로 이어집니다.

중간에서 높은 DC 전력 공급에는 브리지 토폴로지가 더 나은 선택이며, 특히 MOSFET을 사용한 풀 브리지 토폴로지가 그렇습니다. 스위칭 요소로 사용되는 MOSFET은 비교 가능한 IGBT에 비해 낮은 온 상태 저항, 낮은 전력 소비, 높은 내압 및 높은 포화 전류를 제공합니다. 이 토폴로지에서 MOSFET을 사용하려면 PWM 신호로 트랜지스터를 스위칭하는 풀 브리지 MOSFET 드라이버가 필요합니다. 이러한 구성 요소는 고전류 부하를 구동하기 위해 소형 풋프린트로 고도로 통합될 수 있어 설계자에게 컴팩트한 옵션을 제공합니다.

풀 브리지 MOSFET 드라이버 이해하기

상업용 모터 및 전력 변환기에서 전력을 공급하는 데 사용되는 표준 토폴로지는 많은 스위칭 토폴로지 중 하나입니다. 스위칭 변환기 설계자는 전력 출력을 조절하고 출력 전압 수준을 설정하기 위해 하나 이상의 스위칭 트랜지스터를 사용하는 표준 벅, 부스트, 벅-부스트 및 플라이백 변환기 토폴로지에 익숙할 것입니다. 이러한 구성 요소는 일반적으로 고전력 DC-DC 변환 또는 모터에서의 전력 공급에 사용되지 않기 때문에 고도로 통합됩니다.

이러한 구성 요소가 중요한 이유와 사용 방법을 이해하려면 풀 브리지 MOSFET 드라이버의 두 가지 가장 일반적인 응용 프로그램인 LLC 공진 변환기와 모터 드라이브를 살펴보는 것이 도움이 됩니다.

예: 풀 브리지 LLC 공진 변환기

대신, 고전력 변환기와 모터 드라이버는 스위칭 트랜지스터의 하프 브리지 또는 풀 브리지 구성을 사용합니다. 모터 및 전력 변환기용 드라이버 구성 요소는 PWM 신호로 풀 브리지 또는 하프 브리지 회로의 각 측면을 스위칭하여 부하에 전력을 공급하도록 설계되었습니다. 고전력 MOSFET용 풀 브리지 게이트 드라이버는 단일 칩에 개별 트랜지스터용 여러 게이트 드라이버 IC를 통합합니다. 아래 회로도는 LLC 공진 변환기에서 스위칭 요소로 사용되는 네 개의 MOSFET이 있는 풀 브리지 드라이버 IC를 보여줍니다.

이 시스템에서, 풀-브리지 드라이버의 역할은 PWM 신호를 증폭하고 이를 사용하여 네 개의 트랜지스터를 켜고 끄는 것입니다; 주어진 시간에는 두 개의 트랜지스터만 켜집니다. 이 토폴로지에서, 1차 코일 측면에서, 드라이버 IC는 왼쪽 상단과 오른쪽 하단 트랜지스터를 동시에 켜고, 다른 트랜지스터는 꺼져 있습니다. 다음 주기에서, 모든 4개의 트랜지스터의 상태가 전환됩니다. 마지막으로, 코일의 2차 측에서, 출력 전압은 다이오드로 정류되어 안정적인 DC 전압을 제공합니다.

다른 컨버터 토폴로지와 마찬가지로, 출력 전류는 감지되어 입력으로 되먹임될 수 있으며, 이는 PWM 신호를 조정하여 안정적인 조절을 보장하는 데 사용될 수 있습니다. 풀-브리지 MOSFET 드라이버 IC의 모든 제어 기능, 활성화 기능을 포함하여, MCU나 전문 로직에서 구현됩니다. 매우 유사한 토폴로지는 대형 DC 모터에서 안정적인 전력 조절을 제공하는 데 사용될 수 있습니다.

위의 전력 변환 응용 프로그램에서, 우리는 순수한 하프-브리지(예: 하프-브리지 LLC 공진 컨버터)를 구현할 수 있습니다. 하프-브리지 및 풀-브리지 드라이버는 모터 드라이버 회로에서 사용될 수 있으며, 아래에서 볼 수 있습니다.

예시: 모터 드라이브를 위한 단일 풀-브리지 MOSFET 드라이버 대비 듀얼 하프-브리지

안정적이고 조절 가능한 DC 전력으로 모터를 구동하는 두 가지 일반적인 구현은 풀-브리지와 하프-브리지 드라이버를 사용하는 것입니다. 모터를 위한 하프-브리지 및 풀-브리지 구동의 두 예시가 아래 다이어그램에 나와 있습니다.

이 예시에서, 듀얼 하프-브리지 드라이버는 드라이빙 신호가 2차 드라이버 IC로 전달되도록 신중하게 선택해야 합니다. Maxim Integrated의 MAX14871과 같은 특정 구성요소는 기본적으로 이를 가능하게 합니다. 드라이버 구성요소에서 이 기능이 활성화되어 있지 않다면, PWM 신호를 2차 IC로 병렬로 보내야 합니다. 또한, 하프-브리지 구성에서 MOSFET의 상태를 주의 깊게 확인하세요; 모터에서 필요한 전류 흐름을 제공하기 위해 각 측면의 상단 및 하단 MOSFET 상태가 반대로 전환됩니다.

반면에, 오른쪽 패널은 같은 구현을 보여주지만 풀-브리지 MOSFET 드라이버를 사용합니다. 이 회로에서, 드라이버 IC의 출력은 MCU에서 오는 단일 PWM 신호를 사용하여 MOSFET을 쌍으로 전환합니다. 이 고도로 통합된 옵션은 필요한 구성요소 수를 줄이고 여전히 속도나 전력 제어를 위한 정밀한 피드백과 함께 사용될 수 있습니다.

풀-브리지 드라이버 대비 게이트 드라이버

게이트 드라이버 IC는 풀-브리지 드라이버와 매우 유사한 기능을 제공합니다: MOSFET을 켜고 끄는 상태로 전환합니다. 이러한 구성요소가 설계에서 구현되는 방식에는 일부 차이점이 있습니다. 풀-브리지 드라이버는 네 개의 MOSFET을 사용하는 고정된 구성을 위해 특별히 설계되었지만, 게이트 드라이버는 다른 게이트 드라이버와의 동기화 없이 개별 MOSFET을 전환할 수 있습니다. MOSFET을 전환하기 위해 필요한 공급 전압과 구성요소에서 필요한 통합 수준에 따라 어떤 것을 선택해야 할지 결정해야 합니다.

풀-브리지 MOSFET 드라이버 구성요소 선택

출력 전류는 아마도 확인해야 할 가장 중요한 사양일 것이며, 이 사양은 트랜지스터의 사양과 비교해야 합니다. 게이트 드라이버 IC를 선택할 때 검토해야 할 몇 가지 다른 중요한 사양은 다음과 같습니다:

통합. 일부 풀브리지 MOSFET 드라이버는 MOSFET을 온다이에 포함합니다. 이러한 구성요소는 칩에서 직접 전력을 소산하며 일정한 포화 전류 등급을 가집니다.
공급 전압. 공급 전압 사양은 MOSFET을 ON 및 OFF 상태 사이에서 얼마나 깊게 전환할 수 있는지를 결정합니다.
듀얼 하프브리지 옵션. 일부 풀브리지 게이트 드라이버는 두 개의 독립적인 하프브리지 드라이버로 사용될 수 있습니다(위의 모터 제어 애플리케이션 참조).
PWM 주파수 범위 및 듀티 사이클. 이러한 매개변수는 모든 스위칭 컨버터나 드라이버에서 중요합니다. 특히 듀티 사이클은 평균 전력 전달량을 결정하며, 주파수는 부하 구성요소, 특히 모터 제어 및 전력 제품에서 발견되는 유도 부하에서 이득과 임피던스에 영향을 줄 수 있습니다.
온도 등급. 이러한 구성요소는 고전력에서 작동하거나 고전력을 소산하는 다른 구성요소 근처에서 작동할 수 있습니다. 온도 등급과 시스템에 구현해야 할 수 있는 냉각 전략을 고려하십시오. 드라이버에 통합 MOSFET이 포함된 경우, 구성요소가 과열되어 실패하지 않도록 설계에 일정 수준의 열 냉각이 필요할 것입니다.

드라이버 구성요소, 외부 MOSFET(드라이버 다이에 통합되지 않은 경우), PWM 생성기 및 피드백 루프에서 사용되는 모든 구성요소를 신중하게 맞추십시오.

두 개의 풀브리지 MOSFET 드라이버 비교

STMicroelectronics의 L6203 풀브리지 MOSFET 게이트 드라이버는 이러한 구성요소에 포함된 통합의 종류와 고전력을 제공하는 방법을 보여줍니다. 이 구성요소는 소형 모터 구동용으로 설계되었으며 최대 48V 출력 전압에서 중간 정도의 높은 전류(5A 피크, 4A RMS)를 가진 통합 H-브리지 MOSFET 배열을 포함합니다. L6203에는 정밀한 조절을 위한 내부 전압 참조, 열 차단 회로 및 외부 컨트롤러에서의 활성화 핀이 포함되어 있습니다. 모터 제어를 위한 피드백을 제공하기 위해 감지 저항을 연결할 수 있습니다. 입력 및 활성화 핀은 외부 모터에 대해 단상 또는 이상 절단을 제공하기 위해 변조될 수도 있습니다.

비교할 수 있는 구성요소는 Infineon의 TLE7181EMXUMA1입니다. 아래 블록 다이어그램에서 볼 수 있듯이, 이 구성요소는 2개 또는 각각 4개의 MOSFET을 사용하여 듀얼 하프브리지 또는 풀브리지 구동으로 구성될 수 있습니다. 이 외부 MOSFET은 12V 전력망에서 고전류 DC 모터 드라이브에 사용됩니다(최대 34V 공급 전압) 고전류에서. 신뢰성을 보장하고 하류 구성요소에 대한 손상을 방지하기 위해, 과전압/저전압, 과전류, 과온도 및 단락 보호를 제공하는 포괄적인 보호 회로가 있습니다. 또한 안정적인 출력을 보장하기 위한 통합 레귤레이터가 있습니다.

이 두 구성 요소는 통합 수준과 칩 내 기능에서 다양하지만, 전형적인 풀 브리지 MOSFET 드라이버 구성 요소에서 기대할 수 있는 좋은 예입니다. L6203은 모든 것을 다이에 통합하여 소형 솔루션을 제공하지만, 다이 내 MOSFET에 의해 전력 출력이 제한됩니다. 열 발산은 구성 요소 내에서 직접 발생하므로 과열을 방지하기 위해 냉각 조치가 필요할 수 있습니다.

반면에, TLE7181EMXUMA1은 모터에서 끌어내는 전력, 외부 MOSFET의 전류 제한 및 외부 MOSFET과 함께 사용되는 전원 공급 장치에 의해 제한될 수 있는 다양한 전력으로 사용할 수 있습니다. 전반적으로, 드라이버와 그 외부 브리지 회로는 더 많은 공간을 차지하지만, 더 많은 전력을 얻을 수 있습니다.

모터 드라이버 및 전력 시스템을 위한 기타 구성 요소

위에 표시된 구성 요소는 고도로 통합된 모터 드라이버 구성 요소이지만, 모터나 전력 변환기에 안정적인 전력 공급을 제공하기 위해 항상 필요한 다른 구성 요소가 있습니다. 드라이브 회로를 제어/활성화하는 구성 요소, PWM 신호를 제공하는 구성 요소, 전력 출력을 감지하고 조절하는 구성 요소, 시스템의 부하에 깨끗하고 노이즈가 없는 전력을 전달하기 위해 필터링을 제공하는 구성 요소 등이 있습니다.

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