서멀 모델 (Thermal Model)이란?

SPICE 모델에는 열에 관한 시뮬레이션을 실행하기 위한 서멀 모델 (Thermal Model)과 서멀 다이나믹 모델 (Thermal Dynamic Model)이 있습니다. 우선 서멀 모델에 대해 설명하겠습니다. 본 편에서는 서멀 모델에 대한 개요를 이해하여 주십시오.

서멀 모델 (Thermal Model)이란?

서멀 모델이란, 열 회로의 계산을 전기 회로 상에서 실행하기 위한, 과도 열 저항에 상당하는 전기 회로의 모델입니다. 열 저항에 R, 열 용량에 C를 사용하여 나타냅니다. 하기는 열 회로를 전기 회로로 대체하여 나타낸 것입니다.

상기 식에서 소비전력 Pd를 전류 I로 하여, 열 모델 Rth에 인가함으로써 junction 온도 Tj를 전압으로서 모니터링할 수 있습니다.

참고로 면실장 타입과 through-hole 실장 타입의 서멀 모델을 하기에 비교하였습니다.
면실장 타입은 칩에서 기판까지를 시뮬레이션하기 위한 Rth (j-a) 모델, through-hole 실장 타입은 칩에서 프레임까지를 시뮬레이션하기 위한 Rth (j-c) 모델입니다.

하기는 앞서 게재한 2SCR523UB (일반 증폭용 NPN 트랜지스터)의 서멀 모델 특성 (과도 열 저항)을 시뮬레이션하여 그래프화한 것입니다. STEP에서 정전류 1A를 인가하여, Tj 단자의 전압을 모니터링합니다.

다음은, 이 서멀 모델의 사용 예입니다. 이 예는 트랜지스터의 전력 Pd와 junction 온도 Tj를 모니터링한 것입니다. Ta에는 해당하는 바이어스, 이 경우에는 25℃＝25VDC를 인가합니다.

상단의 그래프와 같이, 스위칭하는 트랜지스터 2SCR523UB의 온도가 스위칭에 연동되어 상승하는 것을 알 수 있습니다. 이와 같이 과도한 Tj의 변화를 모니터링할 수 있습니다.