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2019.07.24 Si 파워 디바이스

칩 온도 확인

실제 동작에서 트랜지스터의 적합성 확인

지난번에 이어, 선택한 트랜지스터가 실제 동작에서 적절한지 판단하기 위한 방법과 순서에 대해 설명하겠습니다.

이번에는, 우측 플로우차트에는 없지만 하기 목록에 기재한 「⑦칩 온도 확인」에 대해 설명하겠습니다. 기본적으로 「⑥평균 소비전력이 정격전력 이내인지 확인」이 끝나면 대체로 문제는 없지만, 추가로 칩 온도라는 관점에서 안전을 확인할 수 있습니다.

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⑦칩 온도 확인

평균 소비전력이 정격전력 이내인지 확인」 편을 마무리하며, 「소비전력이 정격 이내인지 확인하는 방법은 몇 가지가 있지만, 결국 Tj가 절대 최대 정격 이내인가? 라는 질문에 도달하게 된다.」고 설명했습니다. 이번에는 이러한 내용을 보충하기 위해, 칩 온도, 즉 Tj를 구하기 위한 방법을 설명하겠습니다.

실제로 소비전력이 주어진 정격 이내인 경우, 칩 온도는 절대 최대 정격 이내가 됩니다. 이는, 지난번에 설명한 것처럼 전력 정격의 산출은 칩 온도가 바탕이 되기 때문입니다. 따라서, 사용 조건이 적정한지 아닌지는 지금까지의 확인 방법으로 판단할 수 있습니다. 그럼에도 칩 온도에 대한 확인을 추가한 이유는, 확실성을 높이기 위함이며, 주어진 정격치를 초과한 경우의 대처를 고려할 때 도움이 되기 때문입니다.

칩 온도를 결정하는 요소 중 하나로, 열저항이 있습니다. 뒤에서 식으로 설명하겠지만, 열저항을 내리면 칩 온도는 단순히 저하합니다. 사용 조건의 제한에서, 칩 온도 Tj를 최대 정격 이내로 유지하면서 필요한 전력을 얻기 위해서는 방열 설계를 하는 것이 일반적입니다. 트랜지스터 단품의 열저항만으로 처리할 수 있는 전력은, 트랜지스터가 지닌 능력보다 훨씬 낮습니다. 특히 파워 트랜지스터의 경우, 방열기를 함께 사용하는 경우가 많습니다. 이때, 방열 설계의 근거는 칩 온도 Tj가 됩니다.

칩 온도란?

칩 온도란 트랜지스터 칩 자체의 온도로, Tj (접합부 온도)입니다. 칩 온도 Tj는, 주위 온도 Ta와 칩의 발열을 합산한 온도로, 정격 및 수명을 고려할 때 가장 중요한 요소 중 하나입니다.

칩 온도의 계산

예로 들어 설명하고 있는 R6020ENZ를 비롯한 최근의 트랜지스터는 칩을 수지 봉지 (樹脂封止)하기 때문에, 칩 온도를 직접 측정할 수는 없습니다. 따라서, Tj는 기본적으로 계산을 통해 구하며, 계산식은 하기와 같습니다.

Tj=Ta+θja×P

※ Tj : 칩 (접합부) 온도, Ta : 주위 온도 (℃), θja : 접합부-주위 사이의 열저항 (℃/W), P : 소비전력 (W)

상기 식에서 알 수 있듯이 칩 온도 Tj는, 열저항×전력, 즉 칩의 발열에 주위 온도 Ta를 더한 값이 됩니다. 이것이 가장 기본이 되는 식입니다.

하기는 각 부분의 온도와 열저항의 관계를 나타낸 그림입니다. 그림에는 방열판이 포함되어 있지만, 케이스 (패키지) 온도 Tc는 어디까지나 트랜지스터의 패키지 표면 온도입니다. 열저항의 관계는 하기와 같습니다.

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방열판이 없는 경우의 θca는, 단순히 제시되어 있는 θja에서 θjc를 뺀 값입니다. 방열판이 있는 경우, 방열판의 열저항이 θca에 해당하므로, 반대로 θja는 단품으로 제시되어 있는 값이 아니라, θjc와 θca를 더한 값이 됩니다. 하기는, 데이터시트에서 발췌한 표입니다. 파워 트랜지스터는 방열판을 사용하는 경우가 대부분이므로, 일반적으로 θja와 θjc가 제시되어 있습니다.

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일반적으로 θjc는 θja에 비해 상당히 작으므로, 방열판의 열저항을 통해 θja를 대폭 저감할 수 있습니다. 단품의 θja (표 : RthJA)는 40℃/W이지만, 예를 들어 10℃/W의 방열판을 사용하면 θja를 11.04℃/W*로 저감할 수 있습니다. 또한, 방열판을 무한대로 상정한 경우에는, θja=θjc가 성립됩니다. (* 예시를 위한 단순 계산. 실제로 θca는, 패키지 표면과 방열판 접합부의 열저항을 고려할 필요가 있다. 또한, 본래 방열판의 열저항은 Tj가 정격 이내에 포함되도록 필요한 값을 산출하여 선택하는 것.)

다음으로, 계산에 필요한 수치가 모두 입수되면, 계산은 매우 간단합니다. 소비전력은 이전 편에서 설명한 평균 소비전력을 베이스로, 최악의 조건을 고려합니다. Ta는 기본적으로 실측해야 하지만, Ta의 측정은 의외로 까다롭습니다. 측정 시에는 열전대로 주위의 온도를 측정하면 되지만, 발열체에 가까운 부분과 발열체에서 떨어진 부분은 온도가 상당히 다릅니다. 또한, 실제 기기에서는 기기 내부에 실장 되어 공랭 팬에 의해 공기가 유동하는 등, 어떤 조건에서의 주위 온도를 Ta로 할지는, 실제로 상당히 어려운 문제입니다. 이에 대해, 최근에는 Tc를 사용하여 Tj를 구하는 경우가 많아졌습니다.

Tc에서 Tj를 구하는 방법

최근, 서모그래피 (thermography)나 방사 온도계 등이 보급됨에 따라, 패키지 표면의 온도 측정이 비교적 간단해졌습니다. 계산을 위한 Tc는 패키지 표면의 가장 높은 온도를 사용하게 되므로, 서모그래피는 패키지 표면의 가장 높은 온도를 한눈에 알 수 있어 매우 편리합니다.

이러한 방법은, 면실장 패키지에서는 유효하지만, 상기 그림과 같이 TO-220 타입의 through hole 부품에서는 조금 다른 접근이 필요합니다. TO-220 타입 파워 트랜지스터의 경우, 실제 사용시에는 패키지 이면에 방열판을 설치하여 사용하는 경우가 대부분입니다. 따라서, 상기 그림을 통해 알 수 있듯이 이러한 경우의 케이스 (패키지) 온도 (이면, 표면을 가리키는 것이 아닌 θjc의 c라는 의미)는, 방열판과의 접합면의 온도가 됩니다. 또한, 방열판을 함께 사용하므로 서모그래피를 통해 케이스 온도 (방열판과의 접합면)를 측정하는 것은 무리입니다.

대안 중 하나로, 열전대를 사용하는 방법이 있습니다. 방열판에 구멍을 뚫고, 패키지 이면에 열전대를 접촉하여 온도를 측정합니다.

또한, 방열판 온도로부터의 역산도 가능합니다. 이 경우, 방열판의 θca가 아닌, 방열판 자체의 열저항이 필요합니다. 아니면, 기본으로 돌아가 Ta부터 계산하는 편이 간단할지도 모르겠습니다. Tj를 정확히 아는 것은 중요하지만, 결국은 마진을 취하므로, 얼만큼의 정밀도가 필요한지에 대해 고려할 필요가 있습니다.

하기는 Tc를 사용한 계산식입니다. 열저항 관계를 통해 하기와 같은 식을 얻을 수 있습니다.

Tj=Tc+θjc×P

※ Tc : 최대 케이스 (패키지) 표면 온도 (℃), θjc : 접합부 – 케이스 표면의 열저항 (℃/W), 
  P : 소비전력 (W)

이로써, Tj가 최대 정격인 150℃를 초과하지 않으면, 선택한 트랜지스터는 적절하다는 결론을 얻을 수 있습니다. 단, 기본적으로 방열 설계는 필요하므로, 만약 Tj가 150℃ 이상이라고 해도 열저항을 저감함으로써 대처할 수 있습니다.

키 포인트

・최종적으로 Tj가 절대 최대 정격을 초과하지 않았는지 확인한다.

・Ta 또는 Tc와 발열 (열저항×소비전력)의 합계가 Tj가 된다.

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