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모터 칼럼

실제 사용 시, 모터 드라이버의 출력전류

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지난 편에서는 절대 최대 정격 및 권장 동작 조건에서의 출력전류에 대해 설명했습니다. 이번에는 모터 드라이버에 필요한 수명을 확보하면서 안전하게 사용하기 위해, 출력전류의 정격만을 고려하는 것이 아니라, 디레이팅이 필요하다는 점에 포커스를 두고 설명하고자 합니다.

규격 상의 모터 드라이버 출력전류

하기 표는 「모터 드라이버의 절대 최대 정격」 편에서 게재한 표입니다. 이 모터 드라이버 IC는 H 브릿지를 구성하는 파워 MOSFET를 내장한 타입입니다. 이러한 조건에서 출력전류는 최대 정격이 3A이지만, 권장 조건의 2.4A를 최대로 하고, 이때 Tjmax=150℃를 초과하지 않으면 사용상 문제가 없다고 이해할 수 있을 것입니다.

동작온도가 높으면 수명이 단축된다.

실제로, 권장 동작 조건에 맞게 사용하면 기본적으로 문제는 없습니다. 그러나, 트랜지스터나 IC와 같은 반도체 부품의 신뢰성 (동작 수명)은 사용 조건에 따라 달라집니다. MTBF 및 FIT와 같은 신뢰성을 나타내는 지수를 도출할 때 사용하는 가속 계수를 결정하는 중요한 항목 중에 하나가 온도입니다. 단순히 표현하자면, 온도가 높을수록 가속이 커져, 열화가 빨라지고 수명은 단축, 즉 신뢰성이 저하됩니다.

부품이나 재료의 수명에 관해서는 「10℃ 2배 법칙 (10℃ 반감 법칙)」이라는 법칙이 있습니다. 이는 온도가 10℃ 상승 (저하)하면 수명이 1/2 (2배)이 된다는 법칙으로, 신뢰성 상의 가속 계수를 산출하는 아레니우스의 법칙에 준거하는 내용입니다. 수명에 충분한 고려가 필요한 알루미늄 전해 콘덴서의 경우 「105℃ / 2000시간」과 같이 수명이 제시되어 있는 경우가 있으며, 10℃의 차이로 수명이 반감 (2배)되므로 중요합니다. 반도체는 콘덴서에 비해 훨씬 수명이 길지만, 기본적으로는 동일합니다. 또한, 온도 이외에도 습도나 화학 반응 등 가속 계수에 관련된 팩터가 있으며, 배율은 차치하더라도 조건이 까다로워지면 수명은 짧아집니다.

신뢰성 및 안전을 확보하기 위해서는 디레이팅이 필요하다.

디레이팅이란, 정격에 대해 마진을 둔다는 것입니다. 온도뿐만 아니라, 내압 등에 대해서도 사용됩니다. 상기 예에서는, 드라이버 전류는 2.4A 연속으로 흘릴 수 있지만, 정확히 Tj=150℃까지 사용하는 것이 아니라, 예를 들어 전류를 2A까지로 하고 (열 계산 결과), 주위 온도 Ta는 60℃까지로 억제한다는 방법입니다. 이는 신뢰성뿐만 아니라 안전성과도 연관됩니다.

특히 파워 디바이스, 모터 드라이버의 경우 출력단의 트랜지스터에 관해서는 안전면에서 안전 동작 영역 (SOA : Safety Operation Area, 또는 ASO : Area of Safety Operation)에서 동작하는지의 여부가 중요합니다.

상기 예는 H 브릿지의 MOSFET 4개를 내장한 모터 드라이버 IC이므로, 트랜지스터 각각이 아니라, IC로서의 정격, 패키지의 허용 손실 (PD), 최종적으로는 Tjmax를 초과하지 않는 조건에서 디레이팅합니다. 컨트롤러 타입의 모터 드라이버 IC를 사용하여, 외장으로 H 브릿지를 구성하는 경우에는 트랜지스터의 선정이나 평가에 있어서 안전 동작 영역의 검토가 필수적으로 필요합니다.

안전 동작 영역 (SOA · ASO)

하기 그림은 MOSFET의 안전 동작 영역 특성도입니다. 안전 동작 영역이란 청색 곡선의 내측 (전압 · 전류가 작은 쪽의 영역)이 해당됩니다.

안전 동작 영역은 단순하게 VDS와 ID의 정격 안쪽이며, 여기에 허용 손실 (열)과 2차항복*1의 제한이 추가됩니다. 그 이외에도 MOSFET의 ON 저항에 의한 제한 (VDS가 낮은 경우, 옴의 법칙에 준거하여 ID가 정격까지 흐르지 않음)이 있지만, 이 그림에서는 생략하였습니다. (해당 내용은 「SOA 이내인지 확인」 편을 참조하여 주십시오.)

  • ① : VDS 정격에 의한 제한. 본 예에서는 20V입니다.
  • ④ : ID의 정격에 의한 제한. 본 예에서는 2A입니다.
  • ③ : VDS 정격과 ID 정격의 안쪽이지만, 허용 손실 (열)에 의한 제한. 발열 (VDS×ID×패키지 열 저항)+Ta=Tj가 Tjmax를 초과하는 경계입니다.
  • ② : 2차항복*1에 의한 제한. 이 수치를 초과하면 열 폭주가 발생되어 열화나 파괴에 이를 가능성이 있습니다.

안전 동작 영역 안쪽에 해당되는지를 확인하기 위해서는 실제의 전압 · 전류를 측정해야 합니다. 모터 드라이브에 관해서는 코일이 인덕턴스 부하이므로 전압과 전류에 위상차가 발생합니다. 이를 전제로 전압 (VDS)과 전류 (ID)를 확인할 필요가 있으므로 주의가 필요합니다.

*1 : 「2차항복」이란, 본래 바이폴라 트랜지스터가 고전압 대전류의 동작 영역에 들어갔을 때 전류 집중으로 인해 핫스팟이 발생하여 임피던스가 낮아지고, 전류가 증가하는 열폭주 상태를 나타내는 용어로, 엄밀히 따지면 MOSFET에 대한 용어는 아닙니다. 그러나, MOSFET에 있어서도 열에 의해 게이트 임계치 전압이 낮아져 채널 저항이 낮아짐에 따라 전류가 증가하고, 온도가 증가하여 전류가 더 증가하게 된다는 열폭주가 발생하므로, MOSFET에서도 이 영역을 2차항복으로 표기하는 경우가 있습니다.

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