데드 타임(Dead Time) / 제어 및 보호 기법

1. 데드 타임(Dead Time) 이란?

  전력전자 또는 전력반도체 스위치를 사용하는 전력변환 시스템에서 데드 타임(Dead Time)이란 시스템의 보호를 위한 가장 기본적인 기법이지만 제어 및 실무를 경험하지 못하였다면 생소할 수 있는 개념이다. 먼저 데드 타임이 무엇인지 한 문장으로 기술하자면 직렬 연결된 두 개의 전력반도체 스위치가 동시에 On-state가 되지 않도록 두 스위치에 인가하는 Off-state 시간이라고 할 수 있다. 좌측의 그림은 전력전자 분야에서 가장 기본적인 구조로 두 개의 전력반도체 스위치(Su, Sl)이 직렬 연결되어 극(pole), 상(leg) 등으로 칭해지는데 본 글에서는 해당 구조를 상(leg)로 정의한다. 상(leg)를 제어할 때에는 두 스위치가 동시에 On-state 되지 않도록 상보동작하게 제어하는데, 하기 우측의 그림과 같이 Turn-On / Off Signal을 동시에 인가하게 될 경우 기생 임피던스 또는 시지연(Time delay) 등에  의해서 두 스위치가 동시에 On-state가 되는 경우가 발생할 수 있다. 두 스위치가 동시에 On-state가 되면 과전류*가 발생하여 시스템이 파손될 수 있기 때문에 데드 타임은 두 스위치가 Turn-On 되고, Turn-Off 되는 시점을 지연(Delay)시켜 두 스위치가 동시에 On-state 되는 상황을 예방한다.

 

* 두 스위치가 동시에 On-state가 될 경우 과전류가 발생하는 이유는 옴의 법칙을 생각하면 된다. '전류(I) = 전압(V) / 저항(R)'이기 때문에 전압(V)이 고정된 상수이지만 두 스위치가 동시에 On-state 되어 전원이 직접 접지(GND, Ground)에 연결된다면 저항(R)이 0이 되어 전류(I) 값이 무한대가 되게 된다. 실제로는 전선 등의 임피던스에 의해서 전류가 무한대의 값을 갖지는 않지만 과전류가 발생하기 때문에 두 스위치는 동시에 On-state 되서는 안된다.

 

 

 

2. 데드 타임(Dead Time) 생성 원리

 

  위에서 기술한 것과 같이 데드 타임의 개념은 어렵지 않다. 그렇기 때문에 데드 타임을 구현하는 방식은 설계자의 재량에 따라 상이하다. 두 스위치 중 하나의 스위치에 인가되는  Turn-On 시점을 데드 타임만큼 지연 시키거나, Turn-Off 시점을 데드 타임만큼 단축시킴으로 데드 타임을 구현하는 방법이 있으나, 해당 방법은 데드 타임이 하나의 스위치에 전부 부담되어 왜곡률이 커지게 된다. 그렇기 때문에 보편적으로 데드 타임을 상/하단 스위치가 동일하게 부담하는 방법으로 데드 타임을 구현하게 되는데 상단의 그림은 해당 방식을 설명하기 위한 제어 블록도를 보여준다. 상기 제어 블록도에서 데드타임은 'tdead_u + tdead_l'의 값이 되게 된다. 시스템의 제어기를 통해 출력된 Duty signal은 상단 스위치(Su)와 하단 스위치(Sl)의 상보동작을 위해 2개의 신호(Qu, Ql)로 분기되며, 하나의 신호는 'Not Gate'를 통해 신호를 반전된다. 이후 두 신호는 또다시 두개의 신호로 분기 되어 각각 하나의 신호들이 tdead_u 블록과 tdead_l 블록으로 입력되어 Qu_dead와 Ql_dead 신호로 출력되는데 Qu_dead 와 Ql_dead 신호는 Qu 신호가 tdead_u 시간만큼 지연되고, Ql 신호가 tdead_l 시간만큼 지연된 신호이다. 즉 최종적으로 전력반도체 스위치를 Turn-On / Off 시키는 Su, Sl 신호는 상단 우측의 파형과 같이 Duty signal 대비 turn-On 되는 시간이 지연됨으로써 데드 타임을 구현한다.

 

3. 결론

  시스템의 안정적인 제어 및 동작을 위해 데드 타임을 인가하였지만, 결국 데드 타임은 원하는 제어 값과 상이한 제어를 수행하기 때문에 제어 성능에 악영향을 주게 된다. 그러므로 데드 타임은 가능한 최단 시간으로 인가하는 것이 좋으나, 데드 타임이 줄어들수록 시스템 보호 효과가 감소하기 때문에 설계 엔지니어는 적절한 데드 타임 값을 설정하도록 노력하여야 한다.