먼저 알아둘 용어
온저항 RDS(on) — MOSFET이 충분히 켜져 있을 때 D-S 사이에 나타나는 저항입니다. 게이트(gate) 전압과 접합 온도에 따라 값이 달라지므로 한 숫자로 고정하지 않습니다.
접합 온도 Tj·주변 온도 Ta — 접합은 반도체 내부의 동작 영역입니다. Tj는 그 영역의 온도이고 Ta는 주변 공기의 온도입니다. 표면에서 잰 온도가 곧 Tj는 아닙니다.
열저항 Rθ — 단위 열손실에 따라 생기는 온도 차이를 나타냅니다. °C/W는 1 W당 온도 차이입니다. JC는 접합에서 케이스, CS(Chip Select)는 케이스에서 방열판, SA는 방열판에서 주변, JA는 접합에서 주변까지를 뜻합니다.
듀티(duty cycle)·정상 온도 — 듀티는 한 주기 중 켜져 있는 시간의 비율입니다. 정상 온도는 정해진 운전 조건에서 온도 변화가 충분히 작아진 상태의 온도입니다. 짧은 펄스에서는 시간에 따른 열 응답도 확인해야 합니다.
전기 손실과 열 경로에 같은 조건을 사용합니다
계산 예로 연속 전류 10 A와 온저항 20 mΩ을 가정하면 도통 손실 I²R은 2 W입니다. mΩ은 1,000분의 1 Ω입니다. 여기에 스위칭(switching) 손실 0.8 W와 해당 MOSFET에서 실제 소모되는 기타 손실 0.2 W를 더하면 총손실은 3 W입니다. 따로 가정한 2 W 예와 이 3 W를 같은 열 계산에서 섞지 않습니다.
열이 주로 접합 → 케이스 → 접촉면 → 방열판 → 공기로 빠져나간다고 가정하겠습니다. 접합-케이스 1.5°C/W, 케이스-방열판 0.5°C/W, 방열판-공기 10°C/W이면 직렬 합은 12°C/W입니다. 이 수치는 모델을 설명하기 위한 가정이며 특정 패키지(package)의 보편적인 값이나 측정 결과가 아닙니다.
온도 변화도 되돌려 계산합니다. 예를 들어 25°C의 온저항 20 mΩ이 120°C에서 1.54배가 되는 특성을 가정하면, 같은 10 A에서 도통 손실은 3.08 W가 됩니다. 온도를 올린 뒤에도 처음의 2 W를 고정해 사용하는 계산은 맞지 않습니다.
계산한 손실을 실제 열 전달 경로에 반영합니다
도통 손실은 충분히 켜진 상태의 전류 제곱의 시간 평균에 해당 온도·구동 전압에서의 RDS(on)을 곱해 구합니다. 펄스 전류라면 전체 평균 전류를 먼저 구해 제곱하는 것과 다릅니다. 스위칭 손실은 한 번 전환할 때 소모되는 에너지와 반복 횟수로 나눠 봅니다. 게이트 구동 전력이 모두 MOSFET 접합 안에서 열이 된다고 합산하지 않고, 드라이버(driver)와 게이트 저항 등 실제 소모 위치를 구분합니다.
열 경로가 한 방향으로 지배되는 근사에서는 Tj=Ta+P·(RθJC+RθCS+RθSA)를 쓸 수 있습니다. RθJA는 이미 접합에서 주변까지의 전체 결과이므로 여기에 RθJC를 다시 더하지 않습니다. 실제 PCB(Printed Circuit Board)·패키지·외함에는 병렬 경로가 있어 이 직렬 모델이 맞는지 먼저 확인합니다. 플라스틱 윗면과 금속 탭(tab)의 온도도 같은 측정점이 아닙니다.
| 설명용 가정의 검산 | 결과와 의미 |
|---|---|
| 25°C + 2 W × 62°C/W | 149°C: 방열판 없는 전체 경로를 가정한 값 |
| 25°C + 2 W × 12°C/W | 49°C: 위의 직렬 경로와 2 W 손실을 적용한 값 |
| 25°C + 3 W × 12°C/W | 61°C: 같은 경로에 총손실 3 W를 적용한 값 |
| 20 mΩ × 1.54, 전류 10 A 유지 | 30.8 mΩ, 도통 손실 3.08 W |
마지막 줄은 뜨거운 상태의 저항을 반영하면 처음의 2 W를 계속 사용할 수 없다는 검산입니다. 실제 평형 온도가 120°C라는 뜻은 아닙니다. 온도를 가정해 손실을 계산하고 열 경로로 온도를 다시 구한 뒤, 부품의 온도 특성과 일치할 때까지 확인하는 과정이 필요합니다.
확인 순서
① 입력·부하·듀티·주파수·게이트 전압과 주변 온도를 기록합니다. ② 손실 발생 위치와 도통·스위칭 성분을 구분합니다. ③ 열저항의 각 끝점과 방열판·절연재·체결 조건을 대응시킵니다. ④ 정상 온도에 도달하는 동안 전압·전류·온도 변화를 비교합니다. ⑤ 실제 외함·방향·통풍에서 다시 확인합니다. 같은 조건에서 개선 전후를 비교해야 방열판 변경의 효과를 해석할 수 있습니다.
열 경로에는 절연 시트와 접촉면도 포함됩니다. 금속 탭이 전극과 연결된 소자에서는 시트뿐 아니라 나사와 부싱(bushing)을 통한 우회 접촉도 확인합니다. 부싱은 나사와 탭 구멍 사이를 절연하는 부품입니다. 그리스가 필요한지는 접촉 재료에 따라 달라지며 무조건 추가하지 않습니다. 재료·두께·압력·체결 방식이 바뀌면 접촉 열저항도 다시 검토합니다. 큰 방열판 하나만으로 접합 온도, 스위칭 손실, 전류 정격을 모두 보장하지 않습니다.
작업 순서를 다시 확인합니다
