99 % 효율의 인버터도 150 kW를 바꾸면 약 1 kW를 열로 낸다. 그 열은 손톱만 한 SiC 다이 48개에서 나오며, 다이 표면의 열유속은 100 W/cm²를 넘는다. 접합 온도 Tj는 소자의 상한(PW-800: 175 °C)을 정하고, 온저항과 스위칭 에너지를 바꾸어 손실을 다시 바꾸며, 온도 리플 ΔTj는 수명을 정한다. 이 장은 13장의 손실을 입력으로 받아 손실 → 열저항·열 임피던스 → 접합 온도를 계산하는 도구를 하나씩 만든다.
다이에서 냉각수까지 층 구조의 1D 열저항을 계산하고, 45° 열 퍼짐이 왜 열저항을 크게 줄이는지 설명할 수 있다.
카우어·포스터 열 회로의 차이를 알고, 과도 열 임피던스 Zth(t) 곡선을 포스터 급수로 맞출 수 있다.
펄스 전력과 반복 펄스에서 포스터 중첩으로 Tj 피크를 계산할 수 있다.
모터 기본파 주기의 Tj 리플이 출력 주파수에 따라 어떻게 변하는지, 저속·정지 시 왜 커지는지 계산할 수 있다.
온저항의 온도 의존이 만드는 전기-열 결합을 풀고 열 폭주 안정 조건 RthdP/dT<1을 쓸 수 있다.
공랭·간접 수냉·핀핀 직접 냉각·양면 냉각을 열저항과 허용 손실로 비교하고, TSEP로 접합 온도를 재는 법을 설명할 수 있다.
손실에서 열로: 접합에서 냉각수까지
전력 소자의 열은 거의 전부 다이 윗면 몇 µm(MOSFET 채널과 드리프트층 상부)에서 생긴다. 이 열은 다이를 지나 다이 접합(은 소결 또는 솔더), 세라믹 기판의 위아래 구리(DBC·AMB), 기판 솔더, 베이스판(PW-800은 핀핀이 달린 구리 베이스), 그리고 마지막으로 대류로 냉각수에 전달된다. 위쪽(젤·몰드)으로 빠지는 열은 수 % 이하라 무시한다. 층 구조와 재료 선택 자체는 15장에서 다루고, 여기서는 그 결과인 열저항(thermal resistance)과 열용량만 쓴다.
열 회로는 전기 회로와 같은 꼴이다. 온도 차가 전압, 열류(W)가 전류, 열저항(K/W)이 저항, 열용량(J/K)이 커패시턴스다. 정상 상태에서는
Tj=Tf+PRth,j−f,Rth,j−f=i∑Rth,i+Rconv
여기서 Tf는 냉각수(fluid) 온도, P는 스위치 하나의 평균 손실, Rth,j−f는 접합-냉각수 열저항. 데이터시트는 Rth,j−c(접합-케이스)와 Rth,c−h(케이스-방열판, TIM 포함)를 따로 주기도 한다. 직접 냉각 모듈은 케이스가 곧 방열 핀이라 Rth,j−f를 한 덩어리로 준다.
그림 14-1. PW-800 SiC 모듈 한 스위치의 열 경로(두께는 과장). 열은 다이에서 아래로 내려가며 옆으로 퍼진다(빨간 점선 원뿔). 오른쪽은 다음 절 시뮬레이터 기본값으로 계산한 다이 하나의 직렬 열저항. 다이 8개가 병렬이므로 스위치당 약 0.12 K/W가 된다. 가장 큰 항은 대류와 세라믹이다.
기준 운전점의 손실과 접합 온도13장(손실 계산)의 기준점: DC 800 V, 상전류 250 A rms(피크 354 A), M≈0.9, 역률 0.9, 10 kHz SiC. 스위치 하나에서 RDS(on)(T)=2.0mΩ[1+0.004(Tj−25)]를 Tj = 150 °C로 놓고 계산하면 전도 약 94 W(RIrms2/2), 스위칭 약 56 W(fsw(Eon+Eoff)I^/(π⋅400A)), 역회복 약 3 W, 데드 타임 바디 다이오드 약 2 W → 약 155 W/스위치, 인버터 전체 약 0.93 kW, 출력 약 172 kW에서 효율 약 99.5 %. 이 손실로 Rth,j−f = 0.12 K/W, 냉각수 65 °C면 평균 Tj≈65+0.12×155≈84 °C다. 실제로는 Tj가 150 °C보다 낮으니 온저항도 작아, 손실과 온도를 함께 풀면(6절) 약 137 W, 약 81 °C에 수렴한다. 450 A·10 s 부스트에서는 150 °C 가정 손실이 약 410 W(평균 약 115 °C), 자기 일관 해가 약 380 W·111 °C이고, 여기에 기본파 리플이 얹힌다(5절).
1D 열저항과 45° 열 퍼짐
두께 t, 열전도율 k, 면적 A인 판의 열저항은 R=t/(kA)다. 문제는 A다. 다이(4.5×4.5 mm) 면적만 쓰면 3 mm 구리 베이스 한 층이 0.38 K/W로 계산되지만, 실제 열은 아래로 가면서 옆으로 퍼져 더 넓은 면적을 쓴다. 설계 초기에 흔히 쓰는 근사는 45° 열 퍼짐(heat spreading)이다. 정사각형 열원 한 변 a1이 두께 t인 층을 지나면 한 변이 a2=a1+2t로 넓어진다고 보고(각뿔대), 단면적을 적분한다.
R=∫0tk(a1+2z)2dz=ka1a2t,a2=a1+2t(≤p)
p는 다이 간격(PW-800은 약 9 mm). 이웃 다이의 원뿔이 겹치면 더 퍼질 수 없으므로 한 변을 p에서 멈춘다. 이후 층은 t/(kp2). 열용량은 각뿔대 부피로 C=ρcpt(a12+a1a2+a22)/3. 대류 저항은 바닥 면적 기준 실효 열전달 계수 heff로 Rconv=1/(heffaend2)(핀의 면적 확장 효과를 heff에 포함).
45°는 층의 열전도율이 아래층보다 클 때(구리 위 다이 등) 대략 맞고, 낮은 열전도 층 아래에 높은 열전도 층이 있으면 실제 퍼짐은 더 크다. 정확한 값은 3D 유한 요소 해석이나 측정으로 확인한다. 열 퍼짐 일반론은 PackagingBook 열 장도 참고하자.
그림 14-2. 45° 열 퍼짐 근사. 두께 3 mm 구리에서 원뿔이 1 mm만 내려가도 이웃 원뿔과 만나므로, 두꺼운 베이스는 퍼짐보다 "넓은 바닥으로 나르는" 역할을 한다. 세라믹(k 24–170 W/m·K)은 얇지만 k가 낮아 다이 바로 아래에서 큰 몫을 차지한다.
왼쪽: 층 단면(가로는 열이 쓰는 한 변, 세로는 두께를 로그처럼 눌러 그림). 오른쪽: 층별 열저항 막대(빨간색은 대류). 해볼 것: ① 퍼짐을 끄면 0.12 → 약 0.40 K/W. ② Al₂O₃로 바꾸면 세라믹 한 층이 약 0.05 K/W(스위치당)로 커진다. ③ 다이를 작게 하면 같은 손실에서 열유속과 Tj가 함께 오른다. 이것이 SiC 다이 면적을 줄이기 어려운 열적 이유다. ④ h를 올려도 결국 다이·세라믹 항이 남는다.
카우어·포스터 열 회로와 과도 열 임피던스
층마다 열용량이 있으므로 전력을 계단으로 켜면 접합 온도는 즉시가 아니라 여러 시간 상수에 걸쳐 오른다. 단위 계단 전력에 대한 온도 상승을 과도 열 임피던스(transient thermal impedance)Zth(t)=ΔTj(t)/P라 한다. t→∞에서 Zth→Rth다.
열 회로를 표현하는 방법은 두 가지다. 카우어 회로(Cauer)는 각 층의 R과 C를 사다리로 이어 물리 구조를 그대로 따른다. 노드 온도가 실제 층 온도다. 포스터 회로(Foster)는 RC 병렬 쌍을 직렬로 이은 수학적 표현으로, 계단 응답이 지수 함수의 합이 되어 계산이 쉽다. 데이터시트는 보통 포스터 계수 (Ri,τi) 4개 안팎을 준다. 단, 포스터 노드 온도는 물리적 의미가 없고, 두 모듈의 포스터 회로를 직렬로 이어 붙이면 틀린다(다음 단에서 열이 퍼지는 효과가 빠진다). 방열판을 붙이려면 카우어로 바꾸거나 전체를 다시 측정한다.
카우어 사다리: 노드 j에서 CjdTj/dt=(Tj−1−Tj)/Rj−1−(Tj−Tj+1)/Rj, 첫 노드에 전력 P 주입, 마지막 저항은 냉각수(0 K 기준)로. 시뮬레이터는 이를 음해법(implicit Euler)으로 로그 간격 시간 400단계(1 µs–20 s)에 적분해 Zth(t)를 얻고, 포스터 n항을 상대 오차 최소 제곱으로 맞춘다(Ri≥0 비음 최소 제곱 + logτi 좌표 탐색, 반복 횟수 상한).
그림 14-3. 같은 열 경로의 두 표현. 카우어와 포스터는 접합 노드(입력 단자)에서 보면 같은 Zth(t)를 줄 수 있지만 내부는 다르다. 측정(8절)으로 얻은 Zth 곡선은 보통 포스터로 맞춰 데이터시트에 싣는다.그림 14-4.Zth(t)의 구간(개념도). 짧은 시간에는 열이 다이 안에만 머물러 반무한 고체처럼 Zth∝t로 오르고, 시간이 지나며 아래층이 차례로 "보인다". 곡선의 기울기 변화로 어느 층이 나빠졌는지(예: 솔더 박리) 찾는 것이 구조 함수 분석이다(16장).
SIMULATOR
카우어 사다리 → Zth(t) → 포스터 맞춤
세라믹
Rth (정상)—
Zth(1 ms) / (100 ms)—
맞춤 상대 오차 (RMS)—
포스터 계수 Rᵢ (K/W) @ τᵢ—
실선: 카우어 사다리(층마다 3–6개 노드로 나눔, 스위치당 다이 8개)의 계단 응답. 점선: 포스터 맞춤. 점: τᵢ 위치. 해볼 것: ① n = 1이면 한 지수로 여러 층을 흉내 낼 수 없어 오차가 수십 %다. n = 4에서 약 2 %, n = 5에서 1 % 아래. ② 기판 솔더 박리를 켜면(그 층 열전도 절반) 곡선이 1–10 ms 이후에서만 올라간다. 짧은 시간 구간은 그대로이므로 시간 영역이 고장 위치를 알려 준다.
펄스 전력과 접합 온도 피크
열 회로는 선형이므로 중첩이 성립한다. 전력 펄스(높이 P, 폭 tp)는 t=0에서 +P 계단, t=tp에서 −P 계단의 합이다. 따라서
주기 T, 듀티 D=tp/T인 반복 펄스의 주기적 정상 상태 피크는 포스터 항마다 정확히 ΔTi=RiP(1−e−tp/τi)/(1−e−T/τi)이고, 흔히 쓰는 근사는 Zth(tp,D)≈DRth+(1−D)Zth(T+tp)−Zth(T)+Zth(tp)이다.
시뮬레이터는 앞 절의 기본 구조를 4항으로 맞춘 PW-800 스위치 포스터 계수(아래 표, 합 0.12 K/W)를 쓴다. 단락 같은 µs 사건에서는 열이 다이 밖으로 나가지도 못하므로 Zth가 아주 작아 같은 에너지라도 피크가 매우 높다. 반대로 1 s 이상이면 정상 열저항이 된다.
항 i
1
2
3
4
합
Ri (K/W)
0.0006
0.0030
0.0230
0.0934
0.120
τi
15 µs
0.2 ms
9.6 ms
0.56 s
—
주로 대표하는 층
다이 표면
다이·소결
DBC·세라믹
베이스·대류
그림 14-5. 펄스 중첩. 위: 펄스 = 두 계단의 합. 아래: 응답도 PZth(t)−PZth(t−tp)의 합이며, 피크는 펄스 끝에서 PZth(tp)이다. 반복 펄스는 이 계단 쌍을 주기마다 더한다.
SIMULATOR
펄스 전력 → Tj(t): 포스터 중첩과 Zth(tp, D)
파형
Zth(tp)—
펄스 에너지—
Tj 피크—
반복: 피크 / 최저—
위: Tj(t)(단일 펄스는 0–3tp, 반복 펄스는 정상 상태의 마지막 3주기). 아래: Zth(tp,D) 곡선족(D = 0, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 실선은 정확한 주기 해)과 현재 점. 해볼 것: ① 5 kW·10 µs(50 mJ, 단락 일부와 비슷한 에너지)는 Tj를 겨우 수 K 올리지만, 다이 표면 층만 데우므로 실제 국부 온도는 더 높다(1D 근사 한계). ② 같은 50 mJ도 10 ms(5 W)면 거의 0. ③ 반복 펄스에서 tp가 τ4(0.56 s)보다 훨씬 짧으면 피크 ≈ Tf+DPRth + 작은 리플.
모터 기본파 주기의 Tj 리플
인버터 스위치의 손실은 상전류를 따라 기본파 주기로 출렁인다. 상단 스위치는 전류가 양일 때 하드 스위칭하고(Eon+Eoff), 음일 때는 동기 정류 쪽이 되어 바디 다이오드 역회복(Err)과 데드 타임 도통만 진다. SiC MOSFET은 3사분면에서도 채널로 도통하므로 전도 손실은 전류 부호와 상관없이 듀티 d(θ) 동안 생긴다. 스위칭 주기로 평균한 순시 손실은
i(θ)=I^sin(θ−φ), d(θ)=[1+Msinθ]/2, E=Eon+Eoff=20 mJ(i>0) 또는 Err=1 mJ(i<0), 데드 타임 td=200 ns, VSD≈3.5 V. 한 주기 평균은 앞 PW-800 노트의 식과 같다.
출력 주파수 fo의 주기 1/fo가 열 시간 상수보다 짧으면 Tj는 평균 근처에서 조금만 출렁이고, 길면 각 반주기마다 거의 정상 상태까지 오르내린다. 전기차가 언덕에서 정지 상태로 버티거나(정지 토크, stall) 아주 느리게 출발할 때는 fo→0이어서 한 상의 한 스위치가 피크 전류를 계속 진다. 평균 손실은 같아도 Tj 피크와 ΔTj가 크게 늘어 수명(16장)과 정격을 함께 위협한다. 그래서 트랙션 인버터는 저속에서 전류 한계를 낮추거나 스위칭 주파수를 줄인다.
그림 14-6. 같은 평균 손실, 다른 리플(개념도). 리플 크기는 반주기 1/(2fo)에서의 Zth에 비례한다고 생각하면 된다. 정지(fo=0)는 "가장 긴 펄스"다.
SIMULATOR
기본파 주기의 Tj 리플: 출력 주파수와 정지 토크
평균 손실/스위치—
Tj 평균—
Tj 최대—
ΔTj—
위: 기본파 한 주기(3주기 적분 후 마지막 주기)의 순시 손실 p(θ)(빨강)과 Tj(굵은 빨강, 오른쪽 축은 °C), 상전류(주황). 포스터 4항을 단계마다 정확한 지수 갱신 θi←θie−Δt/τi+Rip(1−e−Δt/τi)으로 적분하고, RDS(on)은 순간 Tj로 갱신한다. 아래: fo 0.1 Hz–1 kHz에 대한 ΔTj·Tj,max 곡선과 현재 점. 해볼 것: ① 250 A에서 50 Hz → 1 Hz로 내리면 ΔTj가 약 4 K → 약 20 K, 0.1 Hz에서는 약 50 K. ② 정지 토크를 흉내 내려면 fo 0.1 Hz, M ≈ 0.05로 두자. ③ 역률을 −0.9(회생)로 바꾸면 하드 스위칭 구간이 바뀌어 리플 모양이 달라진다.
정지 토크와 450 A 부스트기본 포스터 계수로 계산하면 250 A, 50 Hz에서 Tj는 평균 약 81 °C, ΔTj 약 4 K로 여유가 크다. 같은 250 A로 0.1 Hz·M 0.05(사실상 정지)에서는 피크 전류를 진 스위치의 순시 손실이 약 350 W까지 올라 Tj,max 약 104 °C, ΔTj 약 36 K가 된다. 450 A 부스트는 평균 Tj가 약 112 °C이지만 1 Hz에서 Tj,max 약 148 °C, 0.5 Hz에서 약 165 °C, 정지(0.1 Hz, M 0.05)에서 약 173 °C로 설계 상한 150 °C를 넘어 175 °C에 다가간다. 그래서 PW-800은 fo 2 Hz 미만에서 전류 한계를 약 70 %로 낮추는 디레이팅 표를 둔다(가정).
전기-열 결합과 열 폭주
손실이 온도에 따라 변하면 손실과 온도를 함께 풀어야 한다. SiC MOSFET의 온저항은 25 → 175 °C에서 약 1.6배(PW-800: 2.0 → 3.2 mΩ)가 되므로 온도가 오르면 손실도 오른다(양의 되먹임). 정상 상태 해는 두 곡선의 교점이다.
전도 손실만 온도에 선형으로 의존하면 Pgen=P0[1+α(Tj−25)]+Psw이고, 해는 Tj−25=1−αRthP0Tf−25+Rth(P0+Psw). 분모가 0 이하(αRthP0≥1)면 해가 없다 = 열 폭주(thermal runaway). 누설 전류처럼 지수적으로 늘어나는 항 Pleak=VdcIL0e(Tj−25)/ΔTL이 있으면 교점이 두 개 생기며, 아래 것은 안정, 위 것은 불안정하다.
PW-800 기준점의 되먹임 계수는 αRthP0=0.004×0.12×62.5=0.03으로 아주 작다. 온저항 온도 계수 때문에 실제 수냉 인버터가 폭주하는 일은 드물다. 폭주가 문제 되는 것은 ① 열저항이 큰 경우(공랭 디스크리트, TIM 건조·솔더 박리로 Rth가 몇 배가 된 경우), ② 누설이 큰 고온 차단 상태(HTRB 시험, 쇼트키·Si 소자의 고온 누설), ③ 병렬 다이 사이(뜨거운 다이가 전류를 덜 받아 안정 — 양의 온도 계수의 장점, 음의 온도 계수인 IGBT 저전류 구간·바이폴라 소자는 반대)다. 다이 수준의 국부 열점과 전류 집중은 8장, 칩 수준 열 해석은 SoCBook 열 장도 참고하자.
그림 14-7. 열 안정성의 그래프 풀이. 냉각 직선의 기울기 1/Rth가 발열 곡선 기울기보다 크면 안정하다. 전류·열저항·냉각수 온도가 커지면 직선이 곡선에 접하게 되고, 그 너머에서는 교점이 없다.
SIMULATOR
전기-열 결합 해와 열 폭주 경계
해 Tj—
손실 P—
안정 지수 Rth·dP/dT—
반복 횟수—
판정—
발열 곡선(빨강) Pgen=2.0mΩ[1+α(T−25)]I2/2+Psw+Pleak(Psw는 13장 식, 800 V·10 kHz)과 냉각 직선(청록). 고정점 반복 T←Tf+RthPgen(T)을 최대 300회 돌려 수렴하면 해, 300 °C를 넘거나 수렴하지 않으면 폭주로 판정한다(안정 지수가 1에 가까우면 반복이 느려진다). 해볼 것: ① 기본값의 안정 지수는 약 0.03. ② Rth를 1.2 K/W로(공랭 디스크리트 수준) 올리면 해는 있지만 약 290 °C(안정 지수 0.3) — 폭주 전에 소자가 먼저 죽는다. 해 자체가 없는 폭주(αRthP0≥1)는 α 1.2 %/K, Rth 1.5 K/W에서 보인다. ③ 누설을 켜고 IL0 10 µA에서 Rth를 0.5 K/W로, 또는 IL0를 1 mA로 키우면 두 번째(불안정) 교점이 내려와 폭주한다.
냉각 방식 비교
같은 모듈 칩이라도 어떻게 식히느냐에 따라 Rth,j−f가 2–4배 달라진다. 큰 차이를 만드는 것은 두 가지다. ① TIM 층이 있느냐: 베이스판을 냉각판에 나사로 조이는 간접 냉각은 서멀 그리스(k 약 1–5 W/m·K) 층이 전체의 20–40 %를 차지한다. ② 대류 면적과 열전달 계수: 공기의 h는 수십–수백 W/m²·K, 물-글리콜 강제 대류는 수천–수만이다.
대류 열전달 계수는 난류에서 유속의 약 0.8승(디투스-뵐터 꼴 Nu∝Re0.8Pr0.4)에 비례한다. 냉각수는 인버터를 지나며 ΔTfluid만큼 데워진다: 50/50 글리콜 10 L/min(m˙cp≈0.178kg/s ×3300J/kg·K ≈590 W/K), 0.93 kW면 약 1.6 K. 마지막 모듈은 입구보다 그만큼 뜨거운 물을 받는다. 펌프 압력 손실은 유량의 약 1.8승으로 는다.
그림 14-8. 냉각 방식 단면(개념도). 다이에서 냉각제까지의 층 수와 대류 면적이 다르다. 양면 냉각은 다이 윗면에 와이어 대신 구리 스페이서·클립을 소결해 위로도 열을 뺀다(15장).
방식
Rth,j-f/스위치 (기준 유량)
장점
단점
공랭 강제 대류
약 0.45 K/W (공기 40 °C)
냉각 회로 불필요, 간단
방열판 부피 수 L, 냉매 온도·h가 낮음
간접 수냉 (베이스+TIM+냉각판)
약 0.17 K/W
모듈 교체 쉬움, 표준 부품
TIM 펌프아웃·건조로 열화
핀핀 직접 냉각
약 0.12 K/W
TIM 제거, 큰 대류 면적
밀봉·부식·압력 손실 관리
양면 냉각
약 0.08 K/W
열저항 약 30 % 감소, 작은 다이 가능
제조 복잡, 와이어 없는 접합 필요
SIMULATOR
냉각 방식 비교: 열저항 분해와 허용 손실
방식
Rth,j-f/스위치—
냉매 온도 상승 (6스위치)—
Tj (출구 쪽 스위치)—
150 °C까지 허용 손실—
상대 압력 손실—
왼쪽: 네 방식의 열저항 누적 막대(접합-케이스 / TIM / 대류). 선택한 방식은 진하게. 오른쪽: 스위치당 손실에 대한 Tj 직선과 150 °C 선. 공랭은 입구 온도 대신 공기 40 °C(유량 기준 약 0.06 kg/s), 수냉은 글리콜 10 L/min 기준. 해볼 것: ① 유량을 2배로 늘리면 대류 항은 2−0.8≈0.57배지만 압력 손실은 약 3.5배. ② 간접 수냉에서 TIM 항이 대류 항과 비슷하다. ③ 양면 냉각의 허용 손실은 핀핀보다 약 1.5배라 같은 전류에 더 작은 다이를 쓸 수 있다.
접합 온도 측정: 온도 민감 전기 변수
다이 윗면에 열전대를 붙일 수는 없으므로 소자 자신의 전기적 특성을 온도계로 쓴다. 이를 온도 민감 전기 변수(TSEP)라 한다. 가장 흔한 것은 작은 감지 전류(수십–100 mA)에서의 순방향 전압이다. Si IGBT는 VCE(감지 전류에서 약 −2 mV/K), SiC MOSFET은 게이트를 음 바이어스(−4 V 등)로 두고 바디 다이오드 VSD(약 −2.5~−3.5 mV/K, 소자마다 보정)를 쓴다. SiC는 VGS(th)가 바이어스·스트레스에 따라 움직여(8장) 문턱 전압 기반 TSEP는 덜 믿을 만하다.
보정: 소자를 오븐(또는 온도 조절 냉각판)에 넣고 여러 온도에서 감지 전류의 VSD를 재어 직선 VSD(T)=V0+k(T−25)을 맞춘다. 감지 전류가 작아야 자기 발열이 없다.
측정: 큰 가열 전류로 정상 상태를 만든 뒤 가열 전류를 끊고 감지 전류로 바꿔 VSD(t)를 기록한다(냉각 곡선). Tj(t)=25+(VSD(t)−V0)/k.
보정 지연: 가열 전류를 끊은 직후 수십–수백 µs는 전기적 과도(전하 저장, 링잉) 때문에 읽을 수 없다. 그동안 다이는 이미 식는다. 짧은 시간 다이는 반무한 고체처럼 Tj(t)≈Tj(0)−κt로 식으므로, 지연 이후 점들을 t에 대해 직선으로 맞춰 t=0으로 외삽한다(JEDEC 51-1 정적 시험법의 t 보정).
PH는 가열 전력. 냉각 곡선을 뒤집으면 가열 곡선과 같은 Zth(t)가 된다(선형계). 이것을 포스터로 맞추면 3절의 계수가 나온다.
그림 14-9. 정적 TSEP 측정. 가열 전류를 끊는 순간(점선)부터 감지 전류로 바디 다이오드 VSD를 기록한다. 노란 구간은 전기적 과도로 읽을 수 없는 지연이다. 운전 중 온도 추정(온라인 TSEP)은 게이트 내부 저항·턴오프 지연 시간·dv/dt 같은 동적 변수를 쓰기도 한다.
SIMULATOR
TSEP 보정과 냉각 곡선: VSD로 Tj 재기
맞춘 k (mV/K)—
실제 Tj(0)—
지연 시점 읽기—
√t 외삽—
추정 Rth—
왼쪽: 오븐 보정(25–175 °C, 감지 전류 100 mA, 참값 V0 = 2.95 V, k = −3.3 mV/K 가정)과 최소 제곱 직선. 오른쪽: 냉각수 65 °C 위에서 PH로 정상 상태까지 가열한 뒤 끊었을 때의 참 Tj(t)(선, 포스터 4항)와 지연 이후 측정점, 지연 후 0.5 ms 구간을 t 직선으로 외삽한 결과. 해볼 것: ① 지연을 1 ms까지 늘리면 지연 시점 읽기는 약 2 K 낮아지고(300 W) 외삽이 이를 대부분 되찾는다. ② 잡음이 크고 보정 점이 적으면 기울기 k 오차가 온도 오차로 그대로 번진다(150 °C 근처에서 특히).
설계 흐름과 손잡이 → 결과
열 설계는 한 방향이 아니라 고리다. ① 미션 프로파일(전류·주파수·냉각수 온도)에서 13장 식으로 손실을 구하고, ② Zth로 Tj(t)를 계산하고, ③ 그 온도로 온저항·스위칭 에너지를 다시 고쳐 수렴시키고, ④ Tj,max≤150 °C(설계 상한)와 ΔTj·Tj,m으로 수명(16장)을 확인한다. 만족하지 않으면 다이 면적, 스위칭 주파수, 냉각, 저속 전류 한계 중 하나를 돌린다.
손잡이
평균 Tj
ΔTj 리플
비고
다이 수 8 → 6 (면적↓)
↑ (RDS(on)·Rth 모두 ↑)
↑
원가 ↓, 열유속 ↑
솔더 → 은 소결
↓ 약 1 K
약간 ↓
파워 사이클 수명은 크게 ↑
Al₂O₃ → Si₃N₄
↓ 약 7 K (155 W)
↓
세라믹 강도 ↑, 원가 ↑
간접 → 핀핀 직접 냉각
↓ 약 8 K
약간 ↓ (느린 항)
밀봉 관리
fsw 10 → 20 kHz
↑ 약 7 K
↑
전류 리플·필터 ↓(13장)
fo 50 → 1 Hz (저속)
거의 같음
↑↑ (약 4 → 20 K)
저속 디레이팅
냉각수 65 → 85 °C
↑ 약 20 K
같음
엔진·배터리 냉각 회로 공유 시
수치 감각스위치당 손실 100 W가 바뀌면 Tj는 12 K 바뀐다(0.12 K/W). 다이 8개, 활성 면적 합 약 1.6 cm²에 155 W면 열유속 약 100 W/cm²로 전기 레인지 상판(약 10 W/cm²)의 10배다.
핵심 정리
Tj=Tf+PRth,j−f. PW-800 스위치는 Rth,j−f 약 0.12 K/W, 기준점 손실 약 155 W(150 °C 가정)·자기 일관 약 137 W로 평균 Tj 약 81–84 °C.
층 열저항은 t/(kA)이고 45° 퍼짐 근사로 R=t/(ka1a2). 퍼짐을 무시하면 열저항을 3배 넘게 과대평가한다. 가장 큰 항은 대류와 세라믹.
카우어는 물리 사다리, 포스터는 Zth=∑Ri(1−e−t/τi) 급수. 포스터는 계산이 쉽지만 직렬로 이어 붙일 수 없다.
열 회로는 선형이므로 펄스는 계단의 중첩. 단일 펄스 피크 =PZth(tp), 반복 펄스는 Zth(tp,D).
기본파 주기 Tj 리플은 반주기에서의 Zth로 정해진다. 저속·정지에서 크게 늘어 디레이팅이 필요하다.
전기-열 결합의 안정 조건은 RthdP/dT<1. 수냉 SiC 인버터는 여유가 크지만 열저항 열화·고온 누설에서 폭주할 수 있다.
냉각은 TIM 제거(직접 냉각)와 양면 냉각이 Rth를 크게 낮춘다. 유량을 늘리면 대류 항은 V˙−0.8, 압력 손실은 V˙1.8.
접합 온도는 TSEP(VSD, VCE)로 보정 후 냉각 곡선에서 재며, 측정 지연은 t 외삽으로 보정한다.
확인 퀴즈
1. 스위치당 손실 200 W, Rth,j−f = 0.12 K/W, 냉각수 65 °C일 때 정상 상태 평균 접합 온도는?
65+200×0.12=89 °C. 여기에 기본파 리플의 절반 정도가 피크로 더해진다.
2. 한 변 4.5 mm 열원이 두께 0.32 mm, k = 90 W/m·K 세라믹을 45° 퍼짐으로 지날 때 그 층의 열저항에 가장 가까운 것은? (위 경계 한 변은 약 5.5 mm)
세라믹 위 한 변이 5.46 mm, 아래가 6.1 mm이므로 R=0.32×10−3/(90×5.46×10−3×6.1×10−3)≈0.107 K/W(다이 하나). 퍼짐 없이 4.5 mm로 계산하면 약 0.18 K/W다.
3. 데이터시트의 모듈 포스터 계수와 방열판의 포스터 계수를 직렬로 이어 붙여 Zth를 구하면 안 되는 이유는?
포스터 표현은 특정 경계 조건에서 접합 단자에서 본 응답을 맞춘 수학적 급수다. 연결하려면 카우어로 바꾸거나 시스템 전체 Zth를 다시 측정·계산해야 한다.
4. 같은 평균 손실에서 출력 주파수를 50 Hz에서 1 Hz로 낮추면 Tj는?
평균 손실이 같으므로 평균 Tj는 같다. 반주기가 10 ms에서 0.5 s로 길어져 반주기의 Zth가 거의 Rth에 가까워지므로 리플이 수 K에서 수십 K로 커진다. 수명(ΔTj)과 피크(정격) 모두 문제다.
5. 전도 손실 P0[1+α(T−25)]만 있는 소자의 열 폭주 조건은?
T−25=[Tf−25+RthP0]/(1−αRthP0)의 분모가 0 이하가 되면 해가 없다. PW-800 기준점은 0.004×0.12×62.5=0.03로 여유가 크다.
6. 간접 수냉 모듈을 핀핀 직접 냉각으로 바꿀 때 열저항이 줄어드는 가장 큰 이유는?
TIM은 k 1–5 W/m·K로 다른 층보다 수십–수백 배 나쁘다. 직접 냉각은 이 층을 없애고 핀으로 대류 면적을 키운다.
7. 냉각 곡선 TSEP 측정에서 t 외삽을 쓰는 이유는?
짧은 시간 다이는 반무한 고체처럼 t로 식는다. 지연 이후 점을 t에 대해 직선으로 맞춰 t=0으로 외삽한다.
8. 유량을 2배로 늘렸을 때 대류 열저항 항과 펌프 압력 손실의 변화로 옳은 것은?
h∝V˙0.8이므로 Rconv∝2−0.8≈0.57, 압력 손실 ∝V˙1.8이므로 21.8≈3.5배. 다른 층 항은 그대로라 Rth,j−f 감소는 그보다 작다.