전력 부품의 밀도 증가와 관련 비용의 축소 압력이 지속됨에 따라 전년도에 비해 점점 더 정밀한 열 설계가 요구되고 있다. 이런 이유로, 열 및 전기 시스템 성능의 상호작용에 대한 지식은 경쟁력 있는 설계를 구현하기 위한 핵심 요소이다. 여기서는 아날로그 PSpice 모델에 대하여, 전기 및 열 부품 설명 간의 동적 링크를 포함하는 열 모델을 사용하여 PSpice Power MOSFET 부회로를 설명한다. 이 모델은 열 환경에 대한 링크가 있는 정의된 노드를 제공한다.

글│가에타노 바자노(Gaetano Bazzano), STMicroelectronics

전력 장치의 접합 온도가 고장률 및 전력전자공학 시스템 신뢰성에 미치는 강력한 영향에도 불구하고, 방열판 설계 계산에 존재하는 일반적인 오류는 정확하게 알려지거나 경험적으로 시험되지 않는다. 실제 전력 손실 파형의 복잡성, 방열판에 분산된 전력 장치에서 나타나는 예상 열 임피던스(Thermal Impedance)와 저항의 부정확성, 스위칭된 전력 장치의 칩 영역 평균 접합 온도 측정의 어려움 등의 결과로, 전력 단계 및 방열판 설계에 구축된 안전 마진은 전혀 최적의 상태가 아니다. 동적 부하 변경에 따른 장치 가열 및 냉각 특성의 변경 효과는 작동 조건에 변동을 일으키며 과도 전류 시뮬레이션 중에 Power MOSFET에서 직접 확인할 수 있다.

열 시스템에 대한 설명

반도체 장치의 열 반응은 애플리케이션 설계에 매우 중요한 변수이다. 실제로, 장치에 적용된 전력 임펄스를 고려하여 실리콘 접합부의 온도를 측정할 수 없다. 매우 짧은 전력 임펄스를 실리콘에 적용하면 접합부는 높은 온도 값에 도달할 수 있다. 이와 같은 열 동작은 정상 상태 중의 작동을 고려하여 평가할 수 없다. 열을 전파하는 세 가지 방법은 대류, 복사, 전도이다. 여기서는 전도 방법만 연구한다.

그림 2와 같은 동급 회로는 열류를 시뮬레이션 할 수 있다. 표는 전기 회로에서 열 변수를 고려할 수 있는 방법을 나타낸다.

접합 온도에 도달하는 방법

처음에는 표준 절차에 따라 전력 펄스가 장치에 적용되도록 설정한다. 정상 상태 장치 온도(Tj1)에 도달하려면 펄스 전력 지속 기간이 충분해야 한다. 이론적으로는 여러 순간에 MOSFET 다이오드 임계 순방향 전압 값을 측정하여 장치의 접합 온도를 얻을 수 있다. 장치 온도가 1℃ 상승할 때 다이오드 임계 전압은 2.2mV 감소한다. 장치가 정상 상태 온도에 도달하면 전력 펄스는 사라지고 장치 냉각 중 다이오드 임계 전압이 끊임 없이 모니터된다. 이와 같은 절차를 통해 `장치 냉각 곡선`을 얻을 수 있다. 다음 공식을 사용하여 열 임피던스를 얻을 수 있다.

Zth(t) = [Tj1(t)-Tj(T)] / P1

열 시스템에서 전력 단계를 적용하면 모든 정보는 시스템 응답에 포함된다. 이 경우, 특정 물질의 온도 의존성을 무시할 수 있는 선형 열 시스템을 고려할 수 있다. 그뿐 아니라 첫번째 방법을 선호하더라도 열 임피던스를 얻기 위해 `냉각 곡선` 대신에 `가열 곡선`을 사용할 수 있다. 예를 들어, 열 임피던스 그래프에서 열 모델을 찾을 수 있다(그림 3).

이 그래프에서 열 임피던스 곡선은 여러 듀티 사이클 값을 고려하여 측정된다. 열 임피던스를 시뮬레이션 하기 위한 다른 절차는 저항기와 축전기로 구성된 여러 전기 네트가 사용되는 모델을 고려하는 것이다.

이 경우, 저항기 및 축전기 값이 여러 패키지 물질 명세와 동일하지 않다는 점을 강조해야 한다. 이 네트는 확정 입력 신호가 적용되고 응답 시스템이 실제 데이터와 동일한 `블랙 박스`로서만 고려해야 한다. 일반적으로, 500μs 이상의 시간 동안 열 임피던스를 측정할 수 있다. 최대 500μs의 시간 범위에서 수학적 모델이 사용된다.

전력 임펄스가 100ms보다 높은 열 임피던스 곡선에 맞추기 위해(TO-220FP 패키지가 있는 장치를 사용) 세 가지 RC 네트(3극)로 구성된 전기 회로를 고려할 수 있다. 그 대신에, 전력 펄스 지속 시간이 100ms 이하로 감소할 때는 실제 데이터에 맞추기 위해 더 많은 수의 RC 네트를 고려해야 한다. 예를 들어, 전력 펄스가 10μs 이상일 때 6 RC 네트를 고려할 수 있고, 전력 펄스가 1μs 이상일 때 9 RC 네트를 고려할 수 있다(그림 4).

모델을 평가하기 위해 사용된 장치는 그림 4와 같은 곡선을 나타낸다. 다양한 수의 RC 셀에 대해 시뮬레이션이 수행된다.

위의 그림들과 같이, 여러 전력 임펄스에 맞추기 위해 지속 시간을 감소시키는 복잡한 전기 네트를 고려해야 한다. 열 저항 대 시간의 관계는 다음 관계에서 얻을 수 있다.

Zth(t) = Rth•(1-exp(-t/τ))

여기서 τ는 고려 중인 장치의 접합 케이스 열 시간 상수이며, `Pd`는 펄스 중에 소실된 전력의 크기이다. 따라서 다음 공식을 얻을 수 있다.

ΔT(t)=Pd(t)*Zth(t)

PSPICE 구현

여기서 제시된 모델은 온도에 의존적인 저항기와 소스 전압을 설명하기 위해 다른 아날로그 동작적 모델링(ABM)을 사용한다. ABM을 사용하여 열 및 전기 장치 특성 간의 동적 링크를 얻을 수 있다. 이와 같은 특성의 모델을 구현하기 위해, MOS M1은 기존 방식에 따라 Level-3 MOS 모델로 설명된다. 반복 또는 단일 펄스 작동의 경우, 전력 소실을 결정한 후 이 값을 적절한 열 임피던스 값 Zth(t)로 곱하여 모델의 온도를 계산할 수 있다. 접합 온도 정보는 ABM `Power_diss`를 통해 구현된다. Power_diss는 MOSFET 순간 작동 손실을 계산하고 전류 형식으로 결과를 표현한다.

Tjunction(t) = Pdiss∙.Zth(t) + Tcase

여기서 Tjunction = 접합 온도, Power _diss = 순간 전력 손실, Zth(t)= 열 임피던스 접합부 대 케이스, Tcase = 케이스 온도를 나타낸다. 이런 식으로 피드백 모델을 사용하여 접합 온도에 도달하고 MOSFET 구동 게이트, 방열판 유형 등과 같은 입력 변수를 수정할 수 있다. 곡선 적합 최적화 알고리즘(Curve-Fit Optimization Algorithm)을 사용하여 모든 ABM에 대한 수학적 표현을 끌어낸다. 그러면 시뮬레이션된 특성 및 측정된 특성과 비교하여 Power MOSFET의 정적 및 동적 특성에 대한 좋은 표현을 얻을 수 있다.

결과는 선택한 구조 모델과 변수의 수에 따라 결정된다. 곡선 적합 최적화 알고리즘은 실제에 가장 적합한 시뮬레이션이 나타날 때까지 정의된 범위 내에서 변수를 변경한다. 자체 가열 MOSFET 모델의 기호 표현 예는 그림 3에서 볼 수 있다. Tj는 장치 접합 온도의 표현이며 모니터링 지점으로 사용하거나 정의된 전압 소스에 연결하여 자체 가열 기능을 무시할 수 있다.

모델에 맞추기 위해 사용된 온도 의존적 실험 데이터

- 출력 특성

- 파괴 전압

- Trr

- 게이트 전하

- RC 열 모델

- 열 계수

- 비고정 유도 부하

- VTH

- 소스 드레인 전압 VSD

모델에 맞추기 위해 사용된 온도 의존 실험 데이터의 예(그림 7~그림 11)

시뮬레이션 결과

이 시뮬레이션은 모델을 확인하기 위해 STP25-NM60N MOSFET (600V, 140 mΩ 최대 TO220)를 사용하여 수행되었다. MOSFET 모델에 대한 시뮬레이션은 25℃로 설정된 PSpice TNOM 변수를 사용하여 수행되었다.(그림 12~그림 21)

수많은 회로 구성에서 자체 가열 모델이 시험되었다. `ABSTOL=1μA` 옵션 설정이 제안된다.

결론

측정된 장치 특성에 기초한 열 모델을 사용하는 PSpice Power MOSFET 부회로의 새 버전이 발표되었다. 이 모델은 과도 전류 분석 중 지정된 시간에 MOSFET 반도체 칩의 온도를 나타낸다. 회로에는 전기 및 열 부품 간의 동적 링크가 포함된다. 이 작업은 MOSFET 접합 온도에 영향을 미칠 수 있는 회로 외부 요소의 최적화에 유용할 수 있다.

<자료제공: 월간 반도체네트워크 2006년 05월호>