게이트 구동

목표

스위치의 게이트 전하 곡선(gate-charge curve)에서 밀러 플래토(Miller plateau)와 그 전하를 읽습니다.
드라이버 전압과 게이트 루프 저항으로 게이트 전류와 드레인 전압이 스위칭되는 데 걸리는 시간을 어림합니다.
하이사이드 드라이버의 부트스트랩 커패시터(bootstrap capacitor) 용량을 정합니다.

이론

밀러 플래토

MOSFET의 게이트는 게이트 루프, 곧 드라이버 출력, 외부 저항, 소자 내부의 게이트 저항을 거쳐 충전되며, 이 셋을 합쳐 $R_G$ 로 둡니다. 턴온 때에는 게이트 전압이 오르지 않는 구간이 있습니다. 드레인 전압이 떨어지는 동안 게이트-소스 전압은 밀러 플래토에서 일정하게 머물고, 드라이버가 낼 수 있는 게이트 전류는 모두 게이트-드레인 커패시턴스를 방전하는 데 쓰입니다 [Balogh 2018]. 그동안 게이트가 받는 전하는 데이터시트 게이트 전하 곡선의 게이트-드레인 전하(gate-drain charge) $Q_\mathrm{GD}$ 입니다 [Vishay Siliconix, Power MOSFET Basics]. 게이트는 플래토 전압 $V_\mathrm{pl}$ 에 머물므로, 게이트 전류는 드라이버의 온 전압 $V_\mathrm{GS}$ (게이트 구동 손실에서와 같은 구동 전압)와 플래토 전압의 차로 정해집니다.

I_G = \frac{V_\mathrm{GS} - V_\mathrm{pl}}{R_G}

$I_G$: 플래토 동안의 게이트 전류
$R_G$: 게이트 루프 저항
$V_\mathrm{GS}$: 게이트 구동 전압
$V_\mathrm{pl}$: 밀러 플래토(Miller plateau) 전압

턴온 때 밀러 플래토의 게이트 전류✓ 테스트 7개로 검증됨

가정, 표기 규약, 출처

가정

드레인 전압이 전이하는 동안 게이트 전압이 플래토 전압에 머묾; 드라이버는 게이트 루프 저항 뒤에서 V_GS와 0 사이를 스위칭함

비고

게이트가 플래토에 묶여 있는 동안에는 드라이버 전압이 플래토 전압을 넘는 만큼이 게이트 루프 저항에 전류를 흘립니다. 플래토가 구동 전압에 가까우면 전류가 작아 턴온이 느립니다

출처

Balogh 2018, MOSFET turn-on (the Miller plateau); Alexander & Sadiku 2017, Ch. 2 (Basic Laws: Ohm's law); derived here

유도

sympy 단계별 유도

수식 id

gate.I_on · equations.yaml 항목

턴오프 때 드라이버는 게이트를 0으로 끌어내립니다. 플래토에서는 이제 드레인 전압이 올라가며, 게이트 전류는 게이트-드레인 커패시턴스를 충전하는 전류입니다 [Balogh 2018, MOSFET turn-off]. 이때 이 전류를 흘리는 전압은 플래토 전압 자체입니다.

I_G = \frac{V_\mathrm{pl}}{R_G}

$I_G$: 플래토 동안의 게이트 전류
$R_G$: 게이트 루프 저항
$V_\mathrm{pl}$: 밀러 플래토(Miller plateau) 전압

턴오프 때 밀러 플래토의 게이트 전류✓ 테스트 7개로 검증됨

가정, 표기 규약, 출처

가정

드레인 전압이 전이하는 동안 게이트 전압이 플래토 전압에 머묾; 드라이버는 게이트 루프 저항 뒤에서 V_GS와 0 사이를 스위칭함

비고

드라이버가 게이트를 0으로 끌어내리므로 플래토 전압 자체가 전류를 빼냅니다. 두 에지에서 게이트 루프 저항이 같고 플래토가 구동 전압의 절반보다 낮으면 턴오프 전류가 턴온보다 작아 더 오래 걸립니다(싱크 능력이 소스 능력보다 큰 드라이버나, 게이트 저항에 병렬로 넣은 턴오프 다이오드는 이를 바꿉니다)

출처

Balogh 2018, MOSFET turn-off (the Miller plateau); Alexander & Sadiku 2017, Ch. 2 (Basic Laws: Ohm's law); derived here

유도

sympy 단계별 유도

수식 id

gate.I_off · equations.yaml 항목

플래토는 게이트 전류가 $Q_\mathrm{GD}$ 를 공급하는 동안 지속되며, 드레인 전압은 그동안 전이합니다.

t_\mathrm{pl} = \frac{Q_\mathrm{GD}}{I_G}

$t_\mathrm{pl}$: 플래토에 머무는 시간
$I_G$: 플래토 동안의 게이트 전류
$Q_\mathrm{GD}$: 게이트-드레인(밀러) 전하

밀러 플래토에 머무는 시간✓ 테스트 7개로 검증됨

가정, 표기 규약, 출처

가정

드레인 전압이 전이하는 동안 게이트 전압이 플래토 전압에 머묾; 드라이버는 게이트 루프 저항 뒤에서 V_GS와 0 사이를 스위칭함

비고

플래토는 게이트가 일정한 전류로 게이트-드레인 전하를 전달하는 동안 지속되며, 그동안 드레인 전압이 전이합니다. 게이트 전류가 클수록 그에 반비례해 짧아집니다

출처

Vishay Siliconix, Power MOSFET Basics, Q_GD, the charge taken on the Miller plateau; Alexander & Sadiku 2017, Ch. 1 (Basic Concepts: charge and current); derived here

유도

sympy 단계별 유도

수식 id

gate.t_pl · equations.yaml 항목

두 에지에서 게이트 루프 저항이 같다면, 플래토가 구동 전압의 절반보다 낮을 때 턴오프 전류가 턴온 전류보다 작아 스위치가 켜질 때보다 느리게 꺼집니다. 턴오프 때의 저항이 더 작으면(싱크 능력이 소스 능력보다 큰 드라이버) 같은 식에서 턴오프 전류가 커집니다. 매 주기 드라이버는 게이트 전하 전체를 공급하며, 게이트 구동 전력은 게이트 루프의 저항들이 나누어 소산합니다(게이트 구동 손실).

부트스트랩 커패시터

하이사이드 스위치의 게이트는 스위치 노드 위에 떠 있는 전원으로 구동합니다. 스위치 노드 전압이 낮은 동안 충전되는 부트스트랩 커패시터가 바로 그 전원입니다 [Texas Instruments 2023]. 하이사이드가 켜져 있는 동안에는 이 커패시터만이 게이트 전하와 드라이버가 끌어가는 전하를 공급하므로, 그 전압은 그 전하를 커패시턴스로 나눈 만큼 강하합니다. 허용 강하에 맞추면 다음과 같습니다.

C_\mathrm{boot} = \frac{Q_\mathrm{boot}}{\Delta V_\mathrm{boot}}

$C_\mathrm{boot}$: 부트스트랩 커패시턴스
$\Delta V_\mathrm{boot}$: 허용하는 부트스트랩 전압 강하
$Q_\mathrm{boot}$: 부트스트랩 커패시터에서 빠져나가는 전하

허용 전압 강하에 맞춘 부트스트랩 커패시턴스✓ 테스트 7개로 검증됨

가정, 표기 규약, 출처

가정

하이사이드 스위치가 켜져 있는 동안 부트스트랩 커패시터만 전하를 공급하고, 로우사이드가 도통할 때만 재충전됨

비고

커패시터 전압은 공급한 전하를 커패시턴스로 나눈 만큼 떨어집니다. 허용 강하를 절반으로 줄이면 필요한 커패시턴스는 두 배가 됩니다

출처

Alexander & Sadiku 2017, Ch. 6 (Capacitors and Inductors); derived here

유도

sympy 단계별 유도

수식 id

boot.C · equations.yaml 항목

커패시터가 최솟값보다 작으면 드라이버의 저전압 차단(undervoltage lockout)이 동작해 하이사이드 스위치가 꺼질 수 있습니다 [Texas Instruments 2023].

GaN 스위치

EPC의 증가형 GaN 스위치(eGaN FET)가 허용하는 최대 게이트-소스 전압은 실리콘 MOSFET보다 낮습니다 [Efficient Power Conversion (EPC), eGaN FET Drivers and Layout Considerations]. 게이트 루프도 루프이므로, 그 인덕턴스는 게이트 전류의 에지마다 전압을 만들고(루프 전압) 게이트 커패시턴스와 링잉합니다. 그래서 게이트 전압이 구동 전압을 넘어 그 낮은 한계 쪽으로 오버슈트할 수 있습니다.

풀이 예제

드라이버, 게이트 루프, 스위치의 게이트 전하 곡선:

게이트 구동 예제

기호	값	구하는 방법
$V_\mathrm{GS}$ 게이트 구동 전압	10 V	주어진 값
$V_\mathrm{pl}$ 밀러 플래토(Miller plateau) 전압	4.5 V	주어진 값
$R_G$ 게이트 루프 저항	5 Ω	주어진 값
$Q_\mathrm{GD}$ 게이트-드레인(밀러) 전하	10 nC	주어진 값
${I_G}_{\mathrm{on}}$ 플래토 동안의 게이트 전류	1.1 A	턴온 때 밀러 플래토의 게이트 전류
${t_\mathrm{pl}}_{\mathrm{on}}$ 플래토에 머무는 시간	9.09 ns	밀러 플래토에 머무는 시간
${I_G}_{\mathrm{off}}$ 플래토 동안의 게이트 전류	900 mA	턴오프 때 밀러 플래토의 게이트 전류
${t_\mathrm{pl}}_{\mathrm{off}}$ 플래토에 머무는 시간	11.1 ns	밀러 플래토에 머무는 시간

턴온 때 게이트는 플래토에서 1.1 A를 끌어가고, 드레인 전압은 9.09 ns에 스위칭됩니다. 턴오프 때 플래토 전압이 흘리는 전류는 900 mA뿐이고, 전이에는 11.1 ns가 걸립니다.

이 스위치 드라이버의 부트스트랩 커패시터:

부트스트랩 예제

기호	값	구하는 방법
$Q_\mathrm{boot}$ 부트스트랩 커패시터에서 빠져나가는 전하	50 nC	주어진 값
$\Delta V_\mathrm{boot}$ 허용하는 부트스트랩 전압 강하	500 mV	주어진 값
$C_\mathrm{boot}$ 부트스트랩 커패시턴스	100 nF	허용 전압 강하에 맞춘 부트스트랩 커패시턴스

직접 해 보기

▶ 수식 탐색기에서 열기: 밀러 플래토에 머무는 시간
초기값을 가져온 예제 bench-gate

게이트 전류를 바꿔 보면 전이 시간이 전류에 반비례합니다. 게이트 저항을 줄이면 전류가 커지고, 게이트가 정격 안에 머무는 한 구동 전압을 높여도 전류가 커집니다.

벤치 실습

로우사이드 스위치의 게이트와 드레인에 각각 회로 접지인 소스를 기준으로 전압 프로브를 대고, 턴온 동안 플래토를 찾습니다. 드레인 전압이 떨어지는 동안 게이트 전압의 상승이 멈춥니다. 소스가 접지가 아닌 스위치에는 차동 프로브를 씁니다. 프로브의 접지선은 오실로스코프의 대지 접지에 연결되어 있기 때문입니다. 플래토의 전압과 길이를 잽니다. 프로브가 재는 곳은 내부 게이트 저항 바깥의 게이트 핀이므로, 측정되는 플래토는 게이트 전류와 그 저항의 곱만큼 턴온 때는 다이(die)의 플래토보다 높고 턴오프 때는 낮습니다. 플래토의 길이를 게이트-드레인 전하를 식으로 구한 게이트 전류로 나눈 값과 비교합니다. 이 전하는 데이터시트의 시험 드레인 전압에서의 값이며, 전압 변화폭이 크면 커집니다. 턴오프에서도, 더 큰 게이트 저항으로도 다시 잽니다.

주의할 점

플래토가 구동 전압에 가까우면 게이트 루프에 걸리는 전압이 작아, 전류가 작고 전이가 느립니다(턴온 때 게이트 전류).
켜질 때보다 느린 턴오프: 두 에지에서 게이트 루프 저항이 같고 플래토가 구동 전압의 절반보다 낮으면, 턴오프 때의 게이트 전류가 둘 중 작은 쪽입니다 (턴오프 때 게이트 전류).
부트스트랩 커패시터가 너무 작으면 드라이버의 저전압 차단이 하이사이드를 끌 때까지 전압이 떨어집니다 [Texas Instruments 2023].
eGaN 게이트는 전압 한계가 낮아 [Efficient Power Conversion (EPC), eGaN FET Drivers and Layout Considerations] 게이트 루프 자체의 인덕턴스가 더하는 링잉을 견딜 여유가 적습니다.

더 알아보기

응용 노트 Fundamentals of MOSFET and IGBT Gate Driver Circuits (SLUA618A) — L. Balogh, Texas Instruments · 확인일 2026-09-23
MOSFET 스위칭 동작, 게이트 전하와 게이트 구동 전력, 실용적인 게이트 구동 회로.
응용 노트 Power MOSFET Basics: Understanding Gate Charge and Using it to Assess Switching Performance (AN608A) — Vishay Siliconix · 확인일 2026-09-24
게이트 전하 곡선을 구간별로 읽는 방법과, 각 전하로 알 수 있는 스위칭 시간.
응용 노트 Bootstrap Circuitry Selection for Half-Bridge Configurations (SLUA887A) — Texas Instruments · 확인일 2026-09-24
하프 브리지 드라이버의 부트스트랩 커패시터·다이오드·저항 선정과, 값이 너무 작을 때 생기는 문제.

퀴즈

턴온 때 드레인 전압이 떨어지는 동안 게이트-소스 전압은 어떻게 됩니까?
1. 가장 빠르게 오름
2. 0으로 떨어짐
3. 진동함
4. 일정하게 머묾(밀러 플래토)
정답과 해설
정답: D 드레인 전압이 떨어지는 동안 드라이버가 낼 수 있는 게이트 전류는 모두 게이트-드레인 커패시턴스를 방전하는 데 쓰이므로, 게이트 전압은 플래토에 머뭅니다.
12 V 드라이버가 전체 4 Ω의 게이트 루프를 거쳐 게이트를 구동하고, 플래토는 4 V입니다. 턴온 때 플래토에서의 게이트 전류는 얼마입니까?
1. 3 A
2. 2 A
3. 1 A
4. 4 A
정답과 해설
정답: B 드라이버 전압에서 플래토를 뺀 8 V가 4 Ω 게이트 루프에 걸리므로 2 A입니다.
게이트-드레인 전하가 20 nC이고 플래토에서의 게이트 전류가 2 A입니다. 드레인 전압이 스위칭되는 데 걸리는 시간은 얼마입니까?
1. 40 ns
2. 1 ns
3. 10 ns
4. 100 ns
정답과 해설
정답: C 플래토는 게이트-드레인 전하를 게이트 전류로 나눈 시간만큼 지속됩니다. 20 nC ÷ 2 A = 10 ns입니다.
게이트 루프의 저항이 두 에지에서 같고, 플래토는 3 V, 구동 전압은 10 V입니다. 어느 전이가 더 느립니까?
1. 턴온
2. 같은 시간이 걸림
3. 게이트-드레인 전하에만 달려 있음
4. 턴오프(플래토 전압이 턴온 때 남는 7 V보다 작은 전류를 흘리기 때문)
정답과 해설
정답: D 턴온 때는 7 V가, 턴오프 때는 3 V 플래토만이 같은 저항을 거쳐 게이트 전류를 흘립니다.
하이사이드가 켜져 있는 동안 부트스트랩 커패시터가 40 nC의 전하를 공급하고, 허용 전압 강하는 0.4 V입니다. 필요한 최소 커패시턴스는 얼마입니까?
1. 100 nF
2. 16 nF
3. 10 nF
4. 1 uF
정답과 해설
정답: A 전하를 허용 강하로 나눕니다. 40 nC ÷ 0.4 V = 100 nF입니다.
부트스트랩 커패시터가 너무 작으면 어떤 일이 생길 수 있습니까?
1. 전압 강하 때문에 드라이버의 저전압 차단(UVLO)이 하이사이드 스위치를 끌 수 있음
2. 로우사이드 스위치가 켜지지 못함
3. 스위칭 주파수가 두 배가 됨
4. 아무 일도 없음. 드라이버가 자기 전원을 조절함
정답과 해설
정답: A 하이사이드가 켜져 있는 동안에는 커패시터만이 전원을 공급하므로, 커패시턴스가 작으면 전압이 드라이버의 차단 임계값 아래로 떨어집니다.

이 사이트의 예제, 프리셋, 연습 문제에 나오는 수치는 교육용으로 만든 어림수(합성 값)이며, 실제 설계의 데이터가 아닙니다.