평균 소비전력이 정격전력 이내인지 확인

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

이번에는, 우측 플로우차트의 「⑥평균 소비전력이 정격전력 이내인가?」 라는 항목에 대해 설명하겠습니다. 스위칭 동작을 전제로 설명할 예정이므로 ⑤의 선택은 「연속 펄스」가 됩니다.

• 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

⑥평균 소비전력이 정격전력 이내인지 확인

「사용 주위 온도에서 마진 확보한 SOA 이내인지 확인」 편에서 실제 사용 온도 조건에서 필요한 마진을 확보한 경우에도 SOA 범위 이내인지 확인하였습니다. 이번에는, 스위칭 동작 (연속 펄스)의 경우 평균 소비전력을 구하고, 그것이 정격 이내인지 확인하겠습니다. 이는, ③에서 설명한 것처럼 SOA의 조건이 「단발 (싱글) 펄스」이므로, 스위칭 동작과 같은 연속 펄스의 경우, 단순히 적용할 수 없기 때문입니다. 따라서, 추가 확인으로 소비전력이 정격 이내인지 확인해야 합니다. 스위칭 동작의 경우, 전류가 흘러 전력을 소비하는 트랜지스터 ON 상태와 전력을 소비하지 않는 OFF 상태를 반복하므로, 평균 소비전력을 구할 필요가 있습니다.

스위칭 동작 시의 평균 소비전력 산출 방법

평균 소비전력은, 트랜지스터의 OFF에서 ON으로 천이 (t1－t2), ON 기간 (t2－t3), ON에서 OFF로 천이 (t3－t4), OFF 기간 (t4－t5)의 각 전압과 전류의 곱, 즉 전력을 시간으로 적분한 값을 더하고, 주기 (T)로 나누어 산출할 수 있습니다. 하기의 그림과 식을 참조하여 주십시오.

①실제 전류 ･ 전압 파형 측정에서 측정하여 기록한 스위칭 전압 / 전류 파형을 여기에서 사용합니다.

R6020ENZ의 스위칭 파형

상기의 파형을 바탕으로, 적분 공식에 따라 계산합니다. 우측의 식은 MOSFET의 예이며, 바이폴라 트랜지스터의 경우는 콜렉터 전류 I_C, 콜렉터-에미터 간 전압 V_CE를 가지고 동일하게 계산할 수 있습니다.

계산을 통해 얻은 평균 소비전력이, 데이터시트에 기재된 허용 손실의 최대 정격 안에 포함되면 문제가 없다고 판단합니다. 물론, 사용하는 온도 조건에서 정격 이내인지는 확인해야 합니다.

하기의 표는, R6020ENZ의 절대 최대 정격입니다. 허용 손실 P_D는 120W이지만, 조건을 보면 Tc＝25℃이므로, 그 이외의 조건에서는 단순히 이 값을 적용할 수 없으므로, 그래프를 이용합니다. 이것은, 「④사용 주위 온도에서 마진 확보한 SOA 이내인지 확인」에서도 사용한 P_D 디레이팅 그래프입니다. 기본적으로 이 그래프를 이용하여, 소비전력을 Tj로 환산하는 형식으로 사용 가능 여부에 대해 판단하게 됩니다.

어쨌든 Tj를 구하는 것이므로, 결과적으로는 사용온도 조건에서 Tj가 Tj의 절대 최대 정격 150℃를 초과하지 않은 것을 확인한다는 개념으로 받아들이는 것이 이해하기 쉬울 것입니다. 소비전력을 알고 있으므로, 다음으로는 패키지의 열저항만 알면 간단히 계산할 수 있습니다. 하기 표는 데이터시트에서 발췌한 것입니다.

이 계산은, 기본적인 Tj를 구하는 계산, Tj=소비전력×열저항+사용온도 (최대)입니다. 사용온도를 Ta로 규정할지, Tc로 규정할지는 사용하기 편한 방법으로 선택하여 주십시오.

소비전력이 정격 이내인지 확인하는 방법은 몇 가지가 있지만, 결국 Tj가 절대 최대 정격 이내인지에 도달하게 됩니다. Tj의 계산에 대해서는, 다음 편에 더욱 자세히 설명하겠습니다.