UCC21520 게이트 드라이버 사용 관련 문의 — STM32G474 기반 DCDC 가변 전원(Buck-Boost)

기술 토론 전력 전자공학
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다음과 같은 문제에 대해 여쭤보고자 합니다. STM32G474에서 생성한 PWM 신호를 UCC21520AQDWRQ1 드라이버 IC에 입력하여 MOSFET을 구동하고 있는데, 현재 다음과 같은 문제가 발생하고 있습니다. UCC21520AQDWRQ1에 동일 크기의 반대 위상 신호(오실로스코프로 측정했을 때 정상임)를 입력하고 있지만, 뒷단에 MOSFET을 연결하든 하지 않든 상관없이 출력단에서 OUTB(하측 스위치용)에는 증폭된 정방향 파형이 출력되지만, OUTA(상측 스위치용)에는 전혀 신호가 나오지 않으며, 아주 미약한 잡음처럼 보이는 신호만 나타납니다(측정 시 한쪽은 OUTA에, 다른 한쪽은 VSSA에 연결). 또한, MOSFET을 미연결 상태에서는 VDDA와 VSSA 사이에 0V가 나타나지만, 연결하면 약 4.3V 정도로 전압이 나타납니다. 게다가 VSSA를 GND에 직접 연결한 후 OUTA의 파형을 측정해도 마찬가지로 아무런 신호도 나타나지 않습니다.

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UCC21520은 절연 드라이버이며, 두 채널의 출력은 각각 독립된 전원에 연결되어야 합니다. 하측 스위치는 반드시 납땜해야 하며, 이로 인해 하측 스위치가 도통될 때 A채널의 그라운드(VSSA)가 하측 스위치를 통해 GND에 연결되어 회로를 형성하고, 상측 스위치의 전원 공급을 위한 커패시터 충전이 가능해집니다. 이후 하측 스위치가 차단되고 상측 스위치가 도통되면, 상측 스위치의 구동은 커패시터의 부스트 방식으로 전원을 공급받게 됩니다(오실로스코프의 GND는 VSSA에 연결해야 함).
또한 A, B 두 채널에는 보완적인 PWM 신호를 주어야 하며, 데드타임을 설정해야 합니다.

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좋아요, 한번 시도해보겠습니다.

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이것은 UCC21520과 같은 “하프 브리지(Half-Bridge)” 또는 “하이사이드(High-Side)” 게이트 드라이버를 사용할 때 흔히 발생하는 문제입니다. 귀하의 설명과 회로도를 바탕으로 하이사이드(OUTA)가 동작하지 않는 이유와 해결 방법을 분석해 보겠습니다.

1. “단절된(disconnected)” 상태에서의 동작 (0V)은 정상입니다.

MOSFET가 연결되지 않았을 때 VDDA와 VSSA 사이의 전압이 0V라고 말씀하셨는데, 이는 부스트업(bootstrap) 방식으로 전원을 공급받는 회로에서는 완전히 정상적인 현상입니다.

  • 하이사이드 전원(VDDA)은 "부스트업 캐패시터(C108)"를 통해 공급됩니다.
  • 이 캐패시터는 스위칭 노드(VSSA / L_MOS_UP_S)가 GND로 낮춰질 때만 충전될 수 있습니다.
  • MOSFET가 연결되지 않으면 VSSA는 플로팅(floating) 상태이며, VCC_10V → 다이오드(D22) → C108 경로로 전류가 흐를 수 없습니다. 따라서 하이사이드 드라이버에 전원이 공급되지 않아 출력이 발생하지 않습니다.

2. 4.3V 문제 (UVLO)

MOSFET를 연결한 후에는 전압이 4.3V까지 상승한다고 하셨습니다. 이것이 바로 핵심 문제입니다.

  • UVLO (저전압 잠금 기능, Under-Voltage Lock-Out): UCC21520은 내부적으로 보호 회로를 가지고 있으며, AQDWRQ1 버전의 경우 출력 채널 UVLO 임계값은 일반적으로 상승 시 약 8V, 하강 시 7.3V입니다.
  • VDDA와 VSSA 사이의 전압이 4.3V라면, 게이트 구동 전압이 부족하여 MOSFET 손상을 방지하기 위해 하이사이드 드라이버는 “잠김(Lock-out)” 모드 상태를 유지합니다. 그래서 OUTA에 아무런 신호도 나타나지 않는 것입니다.

왜 전압이 4.3V에 머무르는 것일까요?

  • VCC_10V 전원 확인: D22의 양극(GND 대비) 전압을 측정해 보세요. 실제로 10V가 인가되고 있습니까? 만약 이 전원이 실은 5V라면, 다이오드 전압 강하(~0.7V)를 고려하면 정확히 5V - 0.7V = 4.3V가 됩니다.
  • 부스트업 재충전: 부스트업 캐패시터가 전체 전원 전압까지 충전되기 위해서는 로우사이드 MOSFET(Q3)이 충분한 시간 동안 ON되어야 합니다. 로우사이드의 PWM 듀티 사이클이 매우 작거나, 아예 로우사이드를 스위칭하지 않고 있다면 캐패시터는 제대로 충전되지 않습니다.
  • 다이오드 속도: 현재 1N4148W를 사용하고 계신데, 비록 고속 다이오드이긴 하지만 상대적으로 순방향 전압 강하가 크고 전류 용량이 제한적입니다. 전력 단계(power stage)에서는 일반적으로 고속 복구 다이오드(Fast Recovery Diode) 또는 충분한 내압을 가진 쇼트키 다이오드(Schottky diode) (예: RS1M 등)를 사용하는 것이 더 적합합니다.

3. 측정 방법 주의

OUTA와 VSSA 사이를 측정할 때 "잡음과 유사한 신호"가 관찰된다고 하셨습니다.

  • 플로팅 기준점: VSSA는 "스위칭 노드"로서 매 사이클마다 0V에서 VCC_IN (예: 24V 또는 48V)까지 급격히 변합니다.
  • 표준 오실로스코프 프로브의 그라운드 클립을 VSSA에 연결하면, 스코프의 케이스 그라운드가 고속 스위칭 노드에 직접 연결되는 셈이 되며, 이는 심각한 공통모드 노이즈를 유발하고, 스코프나 드라이버 IC가 손상될 수도 있습니다.
  • 정확한 측정 방법: 차동 프로브(Differential Probe) 를 사용하거나, 두 개의 프로브를 이용해 (채널 1은 OUTA, 채널 2는 VSSA에 연결) 오실로스코프의 수학 함수 기능(Math function, CH1 - CH2) 을 사용해야 합니다.

문제 해결을 위한 추천 조치:

  1. VCC_10V 확인: 드라이버 단에 인가되는 전원이 실제로 10V~12V인지 반드시 확인하세요. 5V라면 UCC21520의 하이사이드는 절대 동작하지 않습니다.
  2. 초기 전원 인가 시퀀스: STM32 코드에서 하이사이드(INA)를 시작하기 전에 먼저 로우사이드(INB)를 몇 차례 펄스하도록 해야 합니다. 이를 통해 부스트업 캐패시터를 "프라임(prime)"할 수 있습니다.
  3. 최소 듀티 사이클 확인: PWM 주파수가 너무 높아서 데드타임이나 로우사이드의 "온 타임"이 1uF 캐패시터(C108)를 충전하기에 너무 짧지 않은지 확인하세요.
  4. 하드웨어 점검: 헤더 H16(VSSA → 소스)의 연결이 확실한지 확인하세요. 접촉 저항이 크다면 부스트업 충전이 실패할 수 있습니다.
  5. 고정 전원으로 테스트: 부스트업 회로 문제를 배제하기 위해, 일시적으로 격리된 외부 10V 전원을 C108 양단에 직접 연결해 볼 수 있습니다 (양극은 VDDA, 음극은 VSSA). 이때 OUTA가 정상 동작한다면, 문제는 부스트업 충전 로직이나 전압 레벨에 있다는 것을 알 수 있습니다.
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이 칩에서 VDDA와 VDDB에 각각 독립된 절연 전원 모듈을 사용하여 전원을 공급하면 100% 듀티 사이클을 달성할 수 있습니까?

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가능합니다. 두 개의 분리된 절연 전원 모듈을 사용하여 UCC21520의 VDDA와 VDDB에 각각 전원을 공급하면, 100% 듀티 사이클 구현이 완전히 가능하며, 이는 고측/저측 드라이버 응용에서 해당 칩을 사용하는 표준 설계 방안 중 하나입니다.

핵심 근거 및 원리

  1. 공식 설계 지원: UCC21520은 듀얼 채널 절연 게이트 드라이버로, 독립적인 A채널과 B채널의 2차측 전원 도메인(VDDA/VSSA, VDDB/VSSB)을 내장하고 있으며, 각 채널에 독립적으로 전원을 공급할 수 있습니다. 데이터 시트에서는 이 드라이버를 듀얼 하이사이드, 듀얼 로우사이드, 반파 브리지 등 다양한 구성으로 설정할 수 있음을 명시하고 있어 독립 전원 공급 아키텍처에 완전히 적합합니다.
  2. 부스트(자기 기동) 회로와의 핵심 차이점:
    • 부스트 회로는 장기간 100% 듀티 사이클을 달성할 수 없습니다. 부스트 커패시터는 저측 스위치가 도통할 때 충전되어야 하므로, 고측 듀티 사이클이 제한됩니다.
    • 반면, 독립 절연 전원은 이러한 제약이 없으며, 각 채널의 전원이 독립적으로 공급되므로 0%~100% 듀티 사이클까지 안정적으로 연속 조절이 가능합니다.
  3. 하드웨어적 절연 보장: 두 개의 2차측 전원 도메인 간에는 최대 1500VDC의 내부 기능 절연이 제공되어 높은 공통모드 전압을 견딜 수 있으며, 고측 및 저측이 동시에 작동할 때에도 신뢰성과 신호 무결성을 확보합니다.

주요 설계 포인트

  • 전원 모듈 선정: VDDA/VDDB의 공급 전압 범위는 3V–18V이며, 리플이 작고 순간 응답 특성이 우수한 절연형 전원 모듈을 선택하여 게이트 드라이브 요구사항에 맞추는 것이 권장됩니다.
  • 디커플링 커패시터: 각 전원 라인에는 저 ESR/ESL 세라믹 커패시터(권장값: 0.1µF–1µF)를 VDDA-VSSA 및 VDDB-VSSB 핀 근처에 가까이 배치하여 기생 인덕턴스와 노이즈 간섭을 최소화해야 합니다.
  • 접지 및 PCB 레이아웃: 두 전원의 접지(VSSA, VSSB)는 싱글 포인트 접지(Single-point grounding) 방식으로 연결하여 그라운드 루프를 방지해야 하며, PCB 레이아웃은 대칭성을 유지하고 드라이브 루프를 최적화하여 EMI 및 스위칭 노이즈를 줄여야 합니다.
  • 입력 제어: INA/INB 입력 신호는 정확하게 구성되어야 하며, 디드타임 회로가 오작동하지 않도록 하고, 각 채널의 독립적인 제어를 보장해야 합니다.

실제 적용 사례 검증

TI 공식 포럼의 사례에 따르면, 엔지니어가 두 개의 독립된 12V 절연 전원을 각각 VDDA와 VDDB에 공급하여 인버터에서 100% 듀티 사이클 출력을 성공적으로 구현하였으며, 이는 해당 설계 방안의 실현 가능성과 안정성을 입증한 바 있습니다.

요약

독립 절연 전원을 통해 VDDA와 VDDB에 전원을 공급하면, UCC21520은 제약 없이 100% 듀티 사이클을 구현할 수 있으며, 고측/저측 드라이브, 풀 브리지 등의 토폴로지에서 이상적인 설계 방안이 됩니다. 이는 부스트 회로의 듀티 사이클 한계를 완전히 해결할 수 있습니다.