트랜지스터 전력 소모는 일반적으로 주변 온도(T_A)와 케이스 온도(T_C)라는 밀접하게 관련된 두 가지 지표를 사용하여 표기됩니다. 예를 들어, 그림 1의 온세미 TIP41BG NPN 트랜지스터의 데이터 시트에서 붉게 강조한 최대 정격 값을 살펴보겠습니다. 케이스 온도를 25도로 가정할 경우 최대 전력 소모는 65W입니다. 반면, 주변 온도를 25도로 가정할 경우 최대 전력 소모는 2W로 감소합니다. 신뢰성 높은 장비를 설계하기 위해서는 이 두 사양 간의 차이를 이해하는 것이 매우 중요합니다.
그림 1: 온세미 TIP41의 규격서에서 발췌하였으며 총 전력 소모 부분이 붉은색으로 강조되어 있습니다.
기술 팁: 총 전력 소모는 절대적인 설계 최대 정격으로, 어떠한 경우에도 이를 초과해서는 안 됩니다. 장비의 장기적인 안정성을 위해 설계 최대치에서 충분한 여유를 두고 운용해야 합니다. 또한 부품에 여러 가지 스트레스를 동시에 가하는 것은 피해야 합니다. TIP41BG를 80VDC의 컬렉터-이미터 전압(V_CE)과 65W의 총 전력 소모로 동시에 구동하는 설계는 장기적인 신뢰성을 보장하기 어렵습니다.
트랜지스터 주변 온도란 무엇인가요?
주변 온도란 전자 소자를 둘러싼 인클로저 내부의 공기 온도를 말합니다. 반도체 소자는 25°C(77°F)의 실온 기준이 보편적으로 사용됩니다. 이는 팬이나 기타 강제 냉각 장치가 없는 정지(움직이지 않는) 상태의 공기를 전제로 합니다.
이 상황을 더 잘 이해하는 방법은 인클로저 내부에 온도 프로브가 설치되어 있다고 가정하는 것으로, 온도 프로브는 트랜지스터와 물리적으로 연결되지 않은 상태에서 공기 온도를 측정합니다.
기술 팁: 주변 온도 기준의 전력 소모 측정은 방열판이 없는 상태를 가정합니다. 이러한 조건에서 TIP41 트랜지스터는 최대 2W까지만 소모할 수 있습니다.
트랜지스터 케이스 온도란 무엇인가요?
케이스 온도는 트랜지스터 표면에서 직접 측정됩니다. 예를 든 TIP41의 경우, 트랜지스터의 금속 탭에서 온도를 직접 측정할 수 있습니다.
이 벤치마크를 더 잘 이해하는 방법은 이상적인(무한대의) 방열판을 사용하여 트랜지스터의 케이스를 25˚C로 유지한다고 가정하는 것입니다. 이런 이상적인 조건에서, 예를 든 TO-220 트랜지스터는 65W의 전력을 소모할 수 있습니다.
기술 팁: 모든 경우에서 최대 전력 소모 지표는 반도체 다이의 코어 온도와 연결되어 있습니다. T_A(주변 온도)와 T_C(케이스 온도)로부터 역으로 계산하면, 동일한 최대 다이 접합 온도 $T_J$를 얻을 수 있습니다. 따라서, $T_A$와 T_C 지표는 접합부에서 주변 그리고 접합부에서 케이스까지의 열 저항을 통해 트랜지스터의 기능을 시각화하는 편리한 방법을 제공합니다.
온도 상승 시 디레이팅
규격서에 최대 전력 소모는 디레이팅 조항과 함께 명시되어 있습니다. 이 예시에서 주변 온도 기준의 총 전력 소모는 2.0W로 명시되어 있으며, 디레이팅은 0.016W/˚C입니다. 반면 케이스 온도 기준의 디레이팅은 0.52W/˚C입니다. 이 수치를 사용하여 온도가 상승한 트랜지스터의 최대 전력 소모를 계산할 수 있습니다.
주변 온도 상승 예시
주변 온도를 50°C로 가정해 보겠습니다. 이는 작은 인클로저에 들어 있는 전자 소자가 일반적인 주거 환경에서 경험할 수 있는 현실적인 온도입니다.
총 전력 소모는 다음과 같이 계산됩니다:
P_D = 2 – 0.016 (50-25) = 1.6 W
25%의 안전 마진을 적용한다면, 권장되는 최대 연속 전력 소모는 1.2W입니다.
케이스 온도 상승 예시
케이스 온도가 상승한 경우의 계산에 유사한 예시를 사용할 수 있습니다. 동일한 50°C 예시를 사용면 최대 전력 소모는 다음과 같이 계산됩니다:
P_D = 65 – 0.52 (50-25) = 52 W
25%의 안전 마진을 적용한다면, 트랜지스터의 최대 전력 소모는 약 40W 정도가 됩니다. 이전과 마찬가지로, 최악의 경우에서도 50°C로 온도를 유지할 수 있는 이상적인 방열판을 사용한다고 가정하겠습니다. 방열판 계산에 대한 자세한 내용은 이 게시글에서 확인하실 수 있습니다. 40W의 정격 전력을 연속적으로 소비하기 위한 적절한 크기의 방열판과 그 비용, 그리고 열 계면 재료까지 고려해 본다면, 40W는 달성하기 쉽지 않다는 사실을 알게 될 것입니다.
글을 맺으며
장비의 긴 수명을 보장하기 위해서는 최대 전력 소모의 결정에 신중한 분석이 필요합니다. 먼저, 트랜지스터 전력 소모의 한계를 결정하는 가장 중요한 요인이 다이 온도라는 점을 인식해야 합니다. 주변 온도와 케이스 온도는 동일한 정보를 편리한 대로 표현하기 위한 방식입니다. 주변 온도는 방열판을 고려하지 않는 반면, 케이스 온도는 이상적인 방열판이 있다고 가정합니다. 실제 환경에서의 계산 방법에 대해서는 이 게시글을 꼭 확인해 보시기 바랍니다.
반도체 소자의 온도를 낮게 유지하세요.
감사합니다,
APDahlen
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저자 소개
미합중국 해안경비대(USCG) 소령(LCDR)으로 전역한 Aaron Dahlen은 디지키에서 애플리케이션 엔지니어로 근무하고 있습니다. 27년간의 군 복무 동안 기술자 및 엔지니어로서 쌓아온 그 만의 전자 및 자동화에 대한 지식은 12년간의 교단을 통해 (상호 연계되어) 더욱 향상되었습니다. 미네소타 주립대학, Mankato에서 전기공학 석사(MSEE) 학위를 받은 Dahlen은 ABET(Accreditation Board for Engineering and Technology, 미국 공학 기술 인증 위원회) 공인 전기공학 과정을 가르치고, EET(Electrical Engineering Technology, 전기공학 기술) 과정의 프로그램 조정관으로 일했으며, 군 전자 기술자에게 부품 수준의 수리에 대해 가르쳤습니다. 미네소타 주 북부의 집으로 돌아와 이런 류의 연구와 글쓰기를 즐기고 있습니다.
영문 원본: Transistor Power Dissipation: Differentiating Between Ambient and Case Temperatures