너무 약하게, 너무 세게, 또는 전혀 구동되지 않는 게이트

태그: 게이트 구동

증상

스위칭 단이 손실 예산으로 예측한 것보다 뜨겁거나, 게이트 전압이 최대 게이트-소스 전압 위로 링잉한 뒤 eGaN 트랜지스터가 고장 나거나, 컨트롤러가 켜지거나 리셋되는 동안 스위치가 잠깐 도통해 전류 스파이크가 생기거나, 하프브리지라면 슛스루(shoot-through)가 일어납니다.

원인

게이트 구동 전압의 창(window)을 정하는 것은 세 가지입니다.

• 너무 약할 때. MOSFET은 설계된 게이트 구동 전압에서만 완전히 켜지고, 게이트 전압이 높을수록 온 저항(on-resistance)이 더 낮아집니다. 로직 레벨(logic-level) MOSFET은 5 V에 맞춰 만들어지고, 표준 레벨 MOSFET은 적어도 10 V가 필요합니다 [Nexperia 2025]. 문턱 전압(threshold)을 겨우 넘는 구동에서는 스위치가 반쯤만 켜져, 데이터시트의 온 저항보다 저항과 손실이 커집니다.
• 너무 셀 때. eGaN FET의 최대 허용 게이트-소스 전압은 실리콘 MOSFET에 비해 낮고 [Efficient Power Conversion (EPC), eGaN FET Drivers and Layout Considerations], 게이트 루프 인덕턴스의 링잉이 구동 전압에 더해지므로(게이트 구동), 구동 전압과 그 링잉을 합친 값이 그 최대 전압보다 낮아야 합니다.
• 구동이 없을 때. 드라이버에 전원이 없으면 아무것도 게이트를 구동하지 않아 게이트 전압이 정해지지 않습니다. 킬로옴 범위의 게이트-소스 저항은 게이트 구동 회로에 고장이 있거나 전원이 없을 때 MOSFET을 꺼진 상태로 유지합니다 [Nexperia 2025]. 전원이 있는 드라이버의 입력이 컨트롤러가 켜지는 동안 떠 있으면, 드라이버는 떠 있는 입력이 읽히는 레벨대로 게이트를 구동하며, 게이트의 저항으로는 이를 막을 수 없습니다.

확인 방법

트랜지스터 자체의 단자에서 짧은 접지 연결로(프로브) 게이트-소스 전압을 재십시오. 스위칭 에지에서, 그리고 컨트롤러가 켜지고 리셋되는 동안 잽니다. 하이사이드 스위치나 오프라인 컨버터 1차 측의 스위치처럼 소스가 오실로스코프의 대지 접지에 있지 않은 스위치에는 차동 프로브(differential probe)를 씁니다. 프로브의 접지선은 오실로스코프의 대지 접지에 연결되어 있기 때문입니다 (게이트 구동). 게이트의 하이 레벨은 트랜지스터 데이터시트가 온 저항을 규정한 구동 전압과, 피크는 게이트의 최대 전압과 비교하십시오. 컨트롤러가 아직 동작하지 않는 동안 펄스가 있는지도 찾으십시오.

해결

게이트는 데이터시트가 온 저항을 규정한 전압으로 구동하고, 드라이버는 전원 전압이 스위치가 반쯤만 켜지는 수준까지 처지기 전에 저전압 차단(undervoltage lockout)으로 멈추는 것을 고르십시오. 게이트 루프를 짧게 해 링잉이 최대 전압보다 충분히 낮게 하십시오. 전원이 없는 드라이버에 대비해 게이트와 소스 사이에 저항을 두고 [Nexperia 2025], 전원이 있는 드라이버에 대해서는 입력을 출력이 로우로 유지되는 레벨로 잡으십시오(비반전 입력이라면 풀다운 저항). 드라이버 데이터시트에 입력이 스스로 그 레벨을 유지한다고 되어 있다면 필요 없습니다. 에지에서의 게이트 전류는 게이트 구동에서 다룹니다 (턴온 때 게이트 전류).

참고 자료

• [Nexperia 2025]: MOSFET이 완전히 켜지는 데 필요한 게이트 전압과, 구동이 없을 때 MOSFET을 꺼진 상태로 두는 게이트-소스 저항.
• [Efficient Power Conversion (EPC), eGaN FET Drivers and Layout Considerations]: eGaN FET의 낮은 최대 게이트-소스 전압.
• 게이트 구동과 프로브와 측정 대역폭.