사용 주위 온도에서 마진 확보한 SOA 이내인지 확인

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

이번에는, 우측 플로우차트의 「④사용 주위 온도에서 마진 확보한 SOA 범위 내에 포함되는가?」 라는 항목에 대해 설명하겠습니다.

• ①실제 전류 ･ 전압 파형 측정
• ②절대 최대 정격 이내인지 확인
• ③SOA (안전 동작 영역) 이내인지 확인
• ④사용 주위 온도에서 마진 확보한
  SOA 이내인지 확인
• ⑤연속 펄스 (스위칭 동작)
• ⑥평균 소비전력이 정격전력 이내인지 확인
• ⑦칩 온도 확인

④사용 주위 온도에서 마진 확보한 SOA 이내인지 확인

「SOA (안전 동작 영역) 이내인지 확인」 편에서 SOA는 무엇인지, 그리고 그래프 등의 사용 방법 등과 유의점에 대해 설명하였습니다. 이번에는, 유의점 중 하나인 「SOA의 그래프는 주위 (Ta) 온도 25℃일 때의 데이터이다」라는 것과 관련하여 실제 사용 온도에서 SOA를 산출하여 적절한 트랜지스터의 사용 조건을 확인해보겠습니다. 제목에 「마진 확보」라는 표현을 사용하는 것은, 실제 동작 주위 온도는 대부분의 경우 25℃보다 높아, 결과적으로 25℃의 SOA를 마진 확보하는 것이기 때문입니다.

SOA의 마진 확보란?

마진 확보란 말 그대로의 의미입니다. 실제 트랜지스터를 사용하는 것보다 높은 온도에서는 25℃의 조건에서 주어진 데이터의 전류 및 전압을 한층 더 저감하여 SOA로 설정할 필요가 있습니다. 하기 그림은, 바이폴라 트랜지스터와 MOSFET의 SOA 마진 확보 예입니다.

SOA의 마진 확보는 기본적으로 허용전력, 즉 열이며, 최종적으로는 Tj max입니다. 상기 그래프는 일반적인 예로, 좌측 바이폴라 트랜지스터의 경우, 열 제한 영역에서는 0.8%/℃, 2차 항복 영역에서는 0.5%/℃의 마진 확보를, 우측 MOSFET의 경우, ON 저항 증가에 따른 최대 전류의 마진 확보와 열 제한 영역에서 0.8%/℃의 마진 확보를 확인할 수 있습니다.

조금 더 구체적으로 예를 들어 설명하겠습니다. 하기는 데이터시트에서 발췌한 MOSFET R6020ENZ의 SOA 그래프와, 허용전력 손실의 마진 확보를 나타낸 그래프입니다.

여기에서는, 실제 트랜지스터의 Tj를 75℃로 합니다. 지금까지는 주위 온도, 즉 Ta로 설명하였지만, 트랜지스터의 허용 손실로 고찰하는 관계상, 최종적으로는 Tj로 설명할 필요가 있습니다.

온도 관계에 대해 정리하면, 앞에서 설명한 유의점에 「데이터는 싱글 펄스에 의한 것」이라는 조건이 있었습니다. 연속적으로 사용하는 경우는 다소 번거로운 조건이지만, 역으로 싱글 펄스의 조건이 붙게 됨에 따라 Ta≒Tj가 성립됩니다. 이는 일반적인 해석으로, 단시간 펄스인 점에서 트랜지스터의 칩 온도 상승은 거의 없다는 개념입니다. 트랜지스터를 포함한 반도체 디바이스의 파라미터 시험에서는, 발열을 동반하는 경우 펄스 시험에 의해 Ta≒Tj로 하는 케이스가 많습니다. 따라서, SOA의 데이터는 Ta≒Tj≒25℃라고 할 수 있습니다.

한편 트랜지스터에 관해서는, 손실 전력과 패키지 열저항 θja 및 Ta, 또는 θjc 및 Tc에서 Tj를 구할 필요가 있습니다. 이 열 계산은 일반적인 것이므로, 여기에서는 생략하겠습니다.

상기 그래프 좌측의 허용전력 손실의 디레이팅 커브에서 Tj＝25℃에 비해 Tj＝75℃에서는 60%로 디레이팅할 필요가 있다는 것을 알 수 있습니다. 이 비율을 이용하여 계산 예와 같이 마진을 확보하면 됩니다. 필요에 따라, 해당 비율 (100%-60%)÷｜25℃-75℃｜=0.8%/℃라는 계수를 구해두면 빠른 계산이 가능하며, 그래프의 청색 선과 같이 SOA의 디레이팅 커브를 표시해도 좋을 것입니다.

마지막으로, 실제 트랜지스터의 사용 조건이 마진 확보한 SOA 이내인지 확인하여, 사용 조건이 적정한지를 판단합니다.