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MOSFET 정격은 접합온도 Tj로 다시 확인한다
데이터시트의 드레인 전류가 커도 실제 PCB에서 그 전류를 계속 흘릴 수 있다는 뜻은 아니다. MOSFET의 도통손실과 스위칭손실이 열로 바뀌고, 이 열이 빠져나가지 못하면 반도체 접합부 온도 Tj가 먼저 한계에 닿는다. 케이스나 PCB에서 측정한 온도는 Tj와 같지 않으므로 손실과 열 경로를 이용해 접합온도를 추정해야 한다.
정상상태 계산은 열저항의 경로부터 맞춘다
주변 공기까지의 경로를 쓰는 1차 계산은 `Tj = Ta + Ploss × RθJA`다. Ta가 50°C, 손실이 2W, RθJA가 40°C/W라면 Tj는 130°C로 계산된다. 단, RθJA는 패키지만의 고정값이 아니다. 데이터시트 시험 보드의 구리 면적, 층수, 동박 두께와 공기 흐름이 실제 보드와 비슷할 때 의미가 있다.
케이스 온도 Tc를 알고 접합부에서 케이스로 빠지는 경로를 평가한다면 `Tj = Tc + Ploss × RθJC`를 사용한다. 히트싱크가 있다면 인터페이스와 히트싱크의 열저항까지 해당 경로에 포함한다. RθJA와 RθJC는 기준 종점이 다른 값이므로 하나의 직렬 경로처럼 더하지 않는다.
손실은 도통과 스위칭을 따로 계산한다
도통손실의 1차 근사는 `Pcond ≈ Irms² × RDS(on)`이다. RDS(on)은 25°C 표 값만 쓰지 말고 실제 게이트 전압과 예상 Tj 조건의 값 또는 온도 보정 곡선을 적용한다. 온도가 오르면 RDS(on)이 증가하는 경우가 많아 손실과 Tj 계산을 반복해야 한다.
하드 스위칭의 간단한 근사식은 `Psw ≈ 0.5 × VDS × ID × (tr + tf) × fsw`다. 전압과 전류가 선형으로 겹친다는 가정이 들어간 값이며, 게이트 구동과 Coss, 바디 다이오드 역회복, 링잉 손실은 별도로 남는다. VDS와 ID 파형을 측정해 계산값과 차이가 큰 구간을 찾는다.
PCB 조건은 데이터시트 조건과 함께 읽는다
SMD MOSFET은 패드와 리드를 거쳐 PCB 구리로 많은 열을 보낸다. 구리 면적, 내부층 연결, thermal via, 솔더 상태와 인접 발열원이 실제 온도를 바꾼다. 데이터시트의 최대 전류가 `Tc = 25°C` 같은 조건에서 제시됐다면 일반 보드의 연속 허용전류로 옮겨 적을 수 없다. Tj(max)도 정상 운전 목표가 아니라 넘지 말아야 할 절대 최대 정격이므로 주변온도와 부품 편차를 위한 여유를 둔다.
짧은 펄스는 Zθ와 SOA를 함께 본다
기동이나 단락 차단처럼 짧은 펄스에는 정상상태 Rθ만 적용하지 않는다. 펄스 폭과 반복 듀티에 맞는 과도 열임피던스 Zθ(t)로 온도 상승을 구하고, 같은 VDS·ID·시간 조건이 SOA 안에 있는지 확인한다. 반복 펄스라면 단일 펄스 곡선을 그대로 쓰지 말고 데이터시트가 제시한 듀티 조건을 맞춘다.
