홍라이프 계산기MOSFET 도통 손실 계산기 쉽게 이해하기 — 개념과 원리
MOSFET이 완전히 켜지면 작은 저항 R_DS(on)처럼 동작하고, 여기에 흐르는 부하 전류가 열을 만듭니다. 이 계산기는 그 도통 손실과 그에 따른 접합 온도를 구해, 모터 드라이버, 부하 스위치, 배터리 보호 회로, 직류 전원 회로에서 방열판 없이 쓸 수 있는지 판단하도록 돕습니다.
계산 방법
- 도통 손실: P = I² × R_DS(on)이며 R_DS(on)은 mΩ을 Ω으로 바꿔 넣습니다.
- 접합 온도: T_j = T_a + P × R_θJA입니다.
I는 드레인 전류의 실효값, T_a는 주위 온도, R_θJA는 접합-주위 열저항(°C/W)입니다. R_θJA는 패키지와 실장 방식(단독, PCB 구리 면적, 방열판)에 따라 크게 달라집니다.
원리
저항에서 소모되는 전력은 I²R이므로 도통 손실은 전류의 제곱에 비례합니다. 전류가 두 배면 열은 네 배입니다. 열은 실리콘 접합에서 주위 공기까지 여러 열저항을 거쳐 흐르는데, 이는 직렬 저항에 전류가 흐르는 것과 같습니다. 1 W마다 접합 온도가 주위보다 R_θJA도씩 올라갑니다. 방열판을 쓰면 R_θJA 대신 R_θJC + R_θCS + R_θSA(접합-케이스, 케이스-방열판, 방열판-공기)를 더해 씁니다. R_DS(on)은 온도가 오르면 커져 100 °C에서 흔히 50% 안팎 증가하므로, 뜨거울 때의 손실은 상온 값보다 큽니다.
예제 풀이
- R_DS(on) = 15 mΩ = 0.015 Ω입니다.
- P = 10² × 0.015 = 1.5 W입니다.
- 온도 상승: 1.5 W × 40 °C/W = 60 °C입니다.
- T_j = 25 + 60 = 85 °C입니다.
| 드레인 전류 (A) | 도통 손실 (W) |
|---|---|
| 2.5 | 0.09375 |
| 5 | 0.375 |
| 7.5 | 0.84375 |
| 10 | 1.5 |
| 12.5 | 2.34375 |
| 15 | 3.375 |
| 20 | 6 |
결과 해석
대부분의 실리콘 MOSFET은 최대 접합 온도가 150 °C나 175 °C이며, 설계할 때는 보통 20~30 °C 이상 여유를 둡니다. 85 °C는 여유가 있지만 이 온도에서는 R_DS(on)이 15 mΩ보다 큽니다. 예를 들어 1.5배인 22.5 mΩ으로 다시 계산하면 2.25 W, 약 115 °C가 됩니다. 접합 온도가 한계에 가까우면 R_DS(on)이 낮은 소자를 고르거나, 구리 면적이나 방열판을 늘리거나, 소자를 병렬로 씁니다.
흔한 실수
- 동작 온도의 최대값 대신 25 °C 대표 R_DS(on)을 쓰는 경우
- 게이트를 4.5 V 이하로 구동하면서 10 V 기준 R_DS(on)을 쓰는 경우
- PWM 회로에서 스위칭 손실을 무시하는 경우
- 실효값 대신 첨두값이나 평균값 전류를 쓰는 경우
자주 묻는 질문
1.5 W면 방열판이 필요한가요?
패키지에 따라 다릅니다. TO-220을 공기 중에 단독으로 두면 약 60 °C/W이므로 방열판 없이 1~2 W 정도가 실용적 한계입니다.
R_DS(on)은 왜 온도에 따라 커지나요?
온도가 오르면 실리콘의 캐리어 이동도가 낮아져 채널 저항이 커지기 때문입니다.
MOSFET을 병렬로 쓰면 손실이 줄어드나요?
같은 소자 두 개면 각각 절반의 전류가 흘러 전체 도통 손실이 절반이 됩니다.
출처: Infineon / International Rectifier application note AN-1084, Power MOSFET Basics · JEDEC JESD51 series, thermal measurement standards for semiconductor packages