デッドタイム
デッドタイムとは、ハーフブリッジやフルブリッジなど相補的に動作する上下アームのスイッチ（MOSFETやIGBT）間で、同時オンを避けるために意図的に挿入する無通電区間である。目的は貫通電流（shoot-through）の防止であり、電源系の破壊や効率低下を避ける基本的な設計要素である。一方でデッドタイムは出力波形の歪み、ゼロ近傍のデッドゾーン、導通損失やボディダイオードの逆回復損失増大などを招くため、過不足のない設定と補償が不可欠である。
定義と目的
デッドタイムは、上アームのスイッチをオフしてから下アームをオンするまで、またはその逆の切替えに挿入する最小の無重なり時間である。目的はスイッチの遅延（伝搬遅延、ゲート立上り・立下り、ミラー効果）や温度ばらつき、デバイス許容差に起因する一瞬の重なりオンを避けることにある。結果として直流バス短絡を防ぎ、信頼性と安全余裕を確保する。
発生要因と必要時間の見積り
- デバイス特性：トータルゲート電荷、トランスコンダクタンス、ボディダイオードの逆回復。
- 駆動系：ゲートドライバの伝搬遅延ばらつき、ソース抵抗（Rg）、スルーレート制御。
- 寄生成分：ゲート配線インダクタンス、ミラー容量（Crss）による意図しないターンオン。
- 環境：温度上昇でスイッチング速度が変化、デバイス個体差。
初期見積りは「ドライバ往復遅延＋デバイスターンオフ時間＋安全余裕」で与え、実機波形で調整する。過大なデッドタイムは歪みを増やし、過小は貫通の危険を高める。
電力変換器への影響
SMPSやインバータではデッドタイムにより出力電圧の有効値が低下し、特に低デューティ領域で電圧歪みが顕著になる。同期整流ではボディダイオード導通が増えて効率が下がる。ハーフブリッジの出力はゼロ近傍でデッドゾーンを形成し、THDが悪化する。結果として制御器はより大きなデューティを要求し、損失・ノイズが増す可能性がある。
モータ駆動・クラスD増幅での挙動
FOCやSVPWMを用いるモータインバータではデッドタイムに伴う位相遅れ・電圧オフセットがトルクリップルや可聴ノイズの原因となる。クラスDアンプでもゼロクロスでの歪みがS/NやTHD+Nを悪化させる。周波数が高いほど相対的影響は増大するため、適応的な挿入量と補償が実用上重要である。
設計指針（初期値と最適化）
- 初期設定：データシートの最大伝搬遅延差と最低ターンオフ時間を合算し、10〜30%の安全余裕を加える。
- 温度・ばらつき：ワーストケース（高温・低温）での測定に基づき上下アームで非対称設定を許容する。
- 周波数依存：スイッチング周波数が高い場合、同一絶対値でも相対的デューティ誤差が増えるため、短縮と補償を優先する。
最終的には実機のVds・Id波形、貫通電流モニタ、効率・発熱を指標に微調整する。
実装上の要点（ゲートドライバと保護）
多くのゲートドライバICはデッドタイム挿入機能を備える。伝搬遅延マッチング、ブートストラップ方式の上側駆動、ミラーターンオン防止のためのゲート抵抗・スナバ・ミラークランプ（Miller clamp）を併用する。レベルシフト方式では耐圧・コモンモードdv/dt耐性を確認する。短絡保護（DESAT）、UVLO、過温でのフェールセーフは必須である。
適応型デッドタイム（ADT）
ADTは電流極性やVdsを検出し、ボディダイオード導通を最小化するようデッドタイムを動的に短縮する手法である。ゼロ電流近傍での最適化により効率と歪みを両立できる。ハードウェア実装（専用ドライバ）とソフトウェア実装（MCU/FPGAのPWMタイマ）いずれでも可能である。
制御系での補償手法
- デッドタイム補償（DTC）：デューティ指令に電圧オフセットを加算して平均出力を補正。
- 前置補償：ゼロ交差近傍で微小デューティを拡張してデッドゾーンを緩和。
- 電流符号依存補償：電流の向きに応じて補償量を切替え、ボディダイオード導通時間を短縮。
- サンプリング位相最適化：ADCサンプリングをスイッチング遷移からずらし、観測誤差を低減。
これらは閉ループ安定度に影響するため、位相余裕・ゲイン余裕を再評価する。
測定・評価方法
オシロスコープで上下アームのゲート・ドレイン電圧（Vgs, Vds）とシャント電流を同時観測し、重なりオンの有無、ダイオード導通期間、リカバリ波形を確認する。スペクトラムでの高調波成分、効率・温度上昇、可聴ノイズの比較も有効である。温度チャンバやライン電圧変動条件で再評価し、量産公差を見込んだ余裕を確保する。
半導体デバイス選定との関係
Si-MOSFETはボディダイオードの逆回復が大きい傾向があり、過大なデッドタイムで導通時間が伸びると損失増となる。SiC-MOSFETは逆回復が小さく高速だが、ミラーターンオンに注意し適正ゲート抵抗とクランプが必要である。IGBTではテール電流が影響し、やや長めのデッドタイムが要求される場合がある。
PWM生成とタイマ設定
MCU/FPGAのアドバンストタイマは相補PWMとデッドタイム挿入をハードウェアで提供する。分解能（ns級）が確保できること、温度・電圧での遅延変動に追随できることを確認する。DPWMの量子化誤差が歪みに寄与する場合はクロックを高めるか補間を用いる。
よくある不具合と対策
- 軽負荷での効率悪化：ダイオード導通の増加。ADTや補償で短縮。
- ゼロクロス歪み：前置補償と高分解能PWMで緩和。
- 温度上昇後の貫通：高温試験でマージン再設定、ミラークランプ強化。
- EMI悪化：スルーレート最適化、レイアウト短縮、スナバ追加。
設計の肝は「最小限のデッドタイムで貫通を確実に防ぎ、残余の歪みは補償する」ことである。適切なデバイス選定、精密なドライバ設計、温度・ばらつきに対する実機検証、そして制御系の同時最適化により、高効率かつ低歪みのブリッジ駆動が達成できる。
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