이 글은 방열 설계, 240W 외장형 어댑터 열저항과 정션 온도 계산을 2편으로 나누어 정리한 시리즈의 1편입니다. 이번 편에서는 240W 외장형 어댑터의 발열 특성과 열 설계 조건, 전력 스위치의 도통 손실과 스위칭 손실 계산, 1차원 등가 열저항 모델과 정션 온도 계산식을 다룹니다.
240W 외장형 어댑터의 발열 특성과 열 설계 조건
외장형 전원 어댑터는 휴대 편의성과 방수 및 방진 신뢰성을 확보하기 위해 내부 냉각팬을 사용하지 않는 완전 밀폐형 플라스틱 인클로저 구조로 제작합니다. 240W급 고출력 DC-DC 전력 변환 회로가 좁은 밀폐 하우징 내부에 장착되면, 전력 반도체 스위치와 수동 소자에서 발생하는 열이 외부로 신속하게 방출되지 못합니다. 이로 인해 어댑터 내부의 국소 공기 온도는 외부 대기 온도보다 25°C에서 35°C 이상 높게 형성되는 열 집중 현상이 발생합니다.
밀폐된 외장 어댑터 환경에서는 외부 공기 유입을 통한 강제 대류 냉각이 불가능하며, 오직 내부 전도와 표면 자연 대류 및 복사에 의해서만 열을 방출합니다. 따라서 DC-DC 컨버터의 핵심 스위칭 소자인 파워 MOSFET의 접합부 온도가 급격히 상승할 위험에 상시 노출되기 쉽습니다. 접합 온도가 허용 한계를 초과하면 실리콘 소자의 도통 저항이 가파르게 증가하여 손실이 다시 증가하는 열폭주 현상이 유발되며, 소자의 영구적인 파괴나 절연 열화를 초래합니다.
이러한 열적 한계를 극복하고 장기적인 동작 신뢰성을 확보하기 위해서는 전력 스위치의 손실을 정확하게 수식으로 산정해야 합니다. 발생한 열 손실이 주변 공기로 전달되는 경로의 등가 열저항을 체계적으로 모델링하고, 목표 접합 온도를 만족하는 적정 규격의 방열판을 선정하는 정밀한 방열 설계 절차가 반드시 선행되어야 합니다.
전력 스위치의 도통 손실과 스위칭 손실 계산
240W 외장형 어댑터용 DC-DC 벅 컨버터에서 주 발열원인 MOSFET 소자의 총 전력 손실은 도통 손실과 스위칭 손실의 합으로 정확히 계산할 수 있습니다. 입력 전압 48V, 출력 전압 24V, 정격 출력 전류 10A, 스위칭 주파수 100kHz로 동작하는 회로를 기준으로 삼습니다. 이때 컨버터의 전압 변환 듀티비는 0.5로 설정합니다.
MOSFET이 턴온되어 전류가 흐르는 구간 동안 채널의 온 저항에 의해 발생하는 도통 손실 P_cond는 식 (1)과 같이 실효 전류와 온 저항의 곱으로 정의합니다.
식 (1)에서 접합부 고온 동작 상태를 반영한 실효 온 저항 R_DS(on)을 0.04Ω으로 두고, 실효 전류 7.071A를 대입하면 도통 손실은 2.0W로 산출할 수 있습니다.
스위칭 소자가 켜지거나 꺼지는 전이 구간에서는 드레인-소스 간 전압과 드레인 전류가 겹치면서 스위칭 손실이 발생합니다. 스위칭 손실 P_sw는 식 (2)와 같이 전압, 전류, 전이 시간 및 스위칭 주파수의 곱으로 표현할 수 있습니다.
식 (2)에서 스위치의 상승 시간 25ns와 하강 시간 25ns를 합산한 총 전이 시간 50ns를 적용하고 스위칭 주파수 100 000Hz를 대입하면, 스위칭 손실은 1.2W로 계산할 수 있습니다.
따라서 MOSFET 단일 스위칭 소자에서 방열해야 하는 총 전력 손실 P_loss는 식 (3)과 같이 도통 손실과 스위칭 손실의 합으로 산출합니다.
식 (3)에 도통 손실 2.0W와 스위칭 손실 1.2W를 대입하면 총 발열 손실은 3.2W입니다.
1차원 등가 열저항 모델과 정션 온도 계산식
전력 소자에서 발생한 열이 주변 대기로 전달되는 물리적 현상은 옴의 법칙에 기반한 전기 회로와 동일한 수식 구조로 해석할 수 있습니다. 전력 손실은 전류원에 대응하는 열류가 되며, 정션과 주변 환경 사이의 온도 차이는 전위차에 해당하고, 열의 흐름을 방해하는 물리적 경로는 열저항으로 모델링합니다.
MOSFET 반도체 다이 내부의 접합부에서 발생한 열은 소자의 외형 케이스, 절연 및 방열을 위한 써멀 인터페이스 패드, 방열판 표면을 차례로 거쳐 밀폐 케이스 내부 공기로 열을 전달합니다. 이 직렬 경로를 1차원 열저항 회로망으로 구성하면 전체 열저항 R_thJA는 식 (4)와 같이 각 구간별 열저항의 합으로 표현할 수 있습니다.
식 (4)에서 R_thJC는 반도체 접합부에서 케이스까지의 열저항이며, R_thCS는 케이스와 방열판 접촉면 사이의 계면 열저항이고, R_thSA는 방열판 표면에서 주변 공기까지의 대류 열저항입니다.
밀폐 어댑터 내부의 국소 주변 온도 T_a와 총 전력 손실 P_loss가 결정되었을 때, 소자의 정상상태 접합부 온도 T_j는 식 (5)를 통해 계산할 수 있습니다.
식 (5)는 전력 변환 장치의 열 설계에서 소자의 접합부 온도가 최대 허용 기준을 초과하지 않도록 방열판의 열저항 한계치를 역산하는 기본 방정식으로 활용합니다.
다음 편에서는 이어지는 내용을 계속 설명합니다.