트랜지스터란? 안전하게 사용하기 위한 선정 방법

트랜지스터를 동작시키면 전기적, 열적 부하가 걸리게 됩니다.
트랜지스터에 있어서 부하가 너무 크면 수명이 단축되거나, 최악의 경우, 파괴되기도 합니다.
이러한 문제를 방지하기 위해서는 실장 상태를 체크하고, 사용상 문제가 없는지를 확인할 필요가 있습니다.
본 페이지에서는 그 구체적인 판정 방법에 대해 기술하였습니다.
트랜지스터를 안전하게 사용하기 위해, 반드시 참조하여 주십시오.

판정 전 : 트랜지스터의 선정 ~ 실장까지의 절차

트랜지스터의 선정

Web, Short Form 카탈로그 등을 통해 사양을 만족하는 트랜지스터를 선정합니다.
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2. SPEC · 샘플 입수

샘플 일부는 Web에서 입수 가능합니다.

3. 실제의 회로 (평가 회로)에 트랜지스터를 실장

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트랜지스터의 사용 여부 판정 방법

사용 여부 판정은 하기의 흐름에 따라 실시합니다. 각 단계를 클릭하시면 상세 설명 페이지로 이동합니다.

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1. 실제의 전류 · 전압 파형을 측정한다.

전류 · 전압 확인

트랜지스터에 부가되는 전압, 전류를 오실로스코프로 확인합니다.
사양서에 기재되어 있는 정격을 모두 만족할 필요가 있으며, 특히 확인해야 할 항목은 하기와 같습니다.

2. 절대 최대 정격을 항상 만족하고 있는가?

절대 최대 정격 확인

「1. 전류 · 전압 확인」에서 확인한 전류 · 전압이 사양서에 기재되어 있는 절대 최대 정격을 넘지 않는지 확인합니다.
1.의 예에서는 확인하지 않은 항목도 모두 절대 최대 정격 이하일 필요가 있습니다. 돌입 전류 및 전압 서지에 따라 한순간이라도 절대 최대 정격을 넘었다면 사용이 불가능합니다. 절대 최대 정격을 넘으면 파괴되거나 열화될 가능성이 있습니다.

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3. SOA 범위 내에 포함되는가?

안전 동작 영역 (SOA^*1) 확인 1

안전 동작 영역 (SOA)은 트랜지스터가 안전하게 동작할 수 있는 영역을 뜻합입니다. 단, SOA는 1펄스에만 해당되는 데이터이며, 펄스가 반복될 경우에는 모든 펄스가 SOA 내에 포함되는지와 더불어 「4. 안전 동작 영역 (SOA) 확인 2」 에서 계산한 평균 인가 전력이 정격전력 이하일 필요가 있습니다.

^*1 SOA・・・ 안전 동작 영역 (Safety Operating Area)의 약자. ASO (Area of Safe Operating)인 경우도 있습니다.

SOA 확인 방법

「1. 전류 · 전압 확인」에서 확인한 파형이 안전 동작 영역 (SOA) 범위에 포함되는지 확인합니다. 돌입 전류 및 전압 서지에 따라 한순간이라도 절대 최대 정격을 넘었다면 사용이 불가능합니다.
또한, 「2. 절대 최대 정격 확인」에서 확인한 절대 최대 정격의 범위 내에 포함되어도 SOA의 범위를 넘을 경우가 있으므로 주의하여 주십시오. (하기 예 참조)

예 : 2SD2673 SAFETY OPERATING AREA

이 파형의 겨우, 전류는 구형파가 아니므로, 여유를 고려하여
I_C=5.8A, V_CE=10V, Pw=1ms
의 구평파로 생각합니다.
이 조건은 절대 최대 정격 이하이지만,
안전 동작 영역 밖이므로 사용이 불가합니다.

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사용 주위 온도^*1로 경감한 SOA 범위 내에 포함되는가?

^*1 사용 주위 온도 또는 트랜지스터의 발열로 인해 온도가 상승한 경우는 소자 온도

안전 동작 영역 (SOA) 확인 2

통상적인 안전 동작 영역 (SOA)는 상온 (25°C) 시의 데이터이므로, 주위 온도가25℃ 이상인 경우, 또는 트랜지스터 자체의 발열로 인해 소자 온도가 상승한 경우는 SOA의 온도 경감이 필요합니다.

SOA 온도 경감 방법
바이폴라 트랜지스터 편  MOSFET 편

※ 경감하는 온도는 기본적으로 소자의 온도입니다.

소자 온도의 자세한 계산 방법은 『소자 온도 계산 방법』 을 참조하여 주십시오.

참조 SOA (안전 동작 영역)의 온도 경감 방법

1. SOA (안전 동작 영역)

SOA (안전 동작 영역)은 주위 온도가 25°C 이상인 경우, 또는 트랜지스터 자체의 발열로 인해 소자 온도가 상승한 경우는 온도 경감이 필요합니다. 경감하는 온도는 전자의 경우 주위 온도, 후자의 경우는 소자 온도입니다. 구체적으로는 SOA 라인을 저전류 방향으로 평행 이동합니다. 경감률은 그림 1과 같이 그 영역에 따라 달라집니다.

1-1. 열 제한 영역

이 영역에서는 SOA 라인은 45°의 기울기를 지니고 있습니다. (전력 일정 라인)
이 영역에서 경감률은 0.8%/°C입니다.

1-2. 2차 항복 영역

트랜지스터에서는 열폭주를 원인으로 하는 2차 항복 영역이 존재합니다.
2차 항복 영역에서 SOA 라인은 45° 이상의 기울기를 지니고 있습니다.
이 영역에서의 경감률은 0.5%/°C입니다.

예 Ta＝100°C

2-1. 열 제한 영역에서의 경감

예를 들어, 주위 온도 100°C의 경우, 하기와 같습니다.

따라서, 이 영역의 SOA 라인은 전류가 작아지는 방향으로 60% 평행 이동합니다.

2-2. 2차 항복 영역에서의 경감

2차 항복 영역에서의 경감은 하기와 깉습니다.

따라서, 이 영역에서의 SOA 라인은 전류가 작아지는 방향으로 37.5% 평행 이동합니다.

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5. 연속 펄스? 단발 펄스?

전력 · 발열 확인

단발 펄스

전원 투입 시 및 turn-off 시의 돌입 전류와 같이 펄스가 한번만 발생하는 경우, (반복 펄스가 아닐 경우)를 단발 펄스라고 하며.

이 경우,

SOA 범위에 포함됙을 확인한 후,
사용 가능 학니다. → 사용하여 주십시오.

연속 펄스

펄스가 연속되는 경우를 연속 펄스라고 하며, 이 경우,

주위 온도에서 정격전력 이하인지
확인할 필요 가 있습니다.

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6. 평균 소비전력은 주위 온도에서의 정격전력 이하인가?

정격전력 이하 확인

주위 온도에서의 정격전력 이하 = 소자 온도가 절대 최대 정격 150°C 이하가 됩니다.
소자 온도가 150°C가 되는 전력을 정격전력으로서 정하고 있습니다.
자세한 사항은『소자 온도 계산 방법』을 참조하여 주십시오.

전력 계산 방법

기본적으로 평균 전력은 전류와 전압의 곱을 시간으로 적분한 수치를 시간으로 나눈 것입니다.

이 경우, 1주기를 4개 정도의 구간으로 나누어 계산합니다.

실제의 적분 계산은 적분 공식 을 사용합니다.
하기에서 「1. 전류 · 전압 확인」 에서 확인한 파형 예를 실제로 계산해 보았습니다.

(1) OFF→ON 시

적분 공식에서 ①구간

∫ IVdt

=(1/6)×100ns×(2・0A・5V+0A・2V+1.3A・5V+2・1.3A・2V)
=1.95×10^-7(J)

②구간

∫ IVdt

=(1/6)×230ns×(2・1.3A・2V+1.3A・0.4V+1.3A・2V+2・1.3A・0.4V)
=3.59 × 10^-7(J)

OFF→ON 시

합계 : 5.54×10^-7(J)

가 됩니다

(2) ON 구간 중

∫IVdt

=100µs×0.4V×1.3A
=5.2×10^-5(J)

(3) ON→OFF 시

③구간

∫IVdt

=(1/6)×1480ns×(2・1.3A・0V+1.3A・7V+1.15A・0V+2・1.15A・7V)
=6.22×10^-6(J)

④구간

∫IVdt

=(1/6)×120ns×(2・1.15A・7V+1.15A・28V+0.5A・7V+2・0.5A・28V)
=1.6×10^-6(J)

⑤구간

∫IVdt

=(1/6)×80ns×(2・0.5A・28V+0.5A・28V+0A・28V+2・0A・28V)
=0.56×10^-6(J)

OFF→ON 시

합계 : 8.38×10^-6(J)

가 됩니다

(4) OFF시는 전류가 거의 zero (실제로는 수 nA~수 10ｎA 정도의 리크 전류가 흐르고 있습니다.) 라고 가정하여, OFF 구간 중 소비전력은 0라고 생각합니다.

상기 계산에서 각 구간의 적분치를 합산하여 1주기의 길이 400μs로 나누면, 평균 소비전력은,

또한, 여기에서는 바이폴라 트랜지스터의 2SD2673의 예로 콜렉터 전류 : I_C와 콜렉터 - 에미터간 전압 : V_CE의 적분을 실시하였으나, 디지털 트랜지스터의 경우는 출력전류 : I_O와 출력전압 : V_O로, MOSFET는 드레인 전류 : I_D와 드레인 - 소스간 전압 : V_DS로 적분 계산을 실시하면, 평균 소비전력을 계산할 수 있습니다.

평균 소비전력을 구한 후, 사양서의 콜렉터 손실 (MOSFET의 경우 드레인 손실)을 확인합니다.

예 : 2SD2673 사양서

이 경우, 평균 인가 전력이 0.153Ｗ로 허용 콜렉터 손실이 0.5Ｗ (권장 랜드 : 글래스 에폭시 기판 실장 시)이므로 주위 온도 25°C에서는 사용 가능하다고 판단합니다. (정확히는 허용 콜렉터 손실은 실장 기판 및 랜드 면적 등에 의한 방열 조건에 따라 달라지지만, 권장 랜드 실장 시의 값을 기준으로 하였습니다.)

주위 온도가 25°C 이상인 경우는 전력 경감 곡선을 확인하여 온도 경감을 실시합니다.

소자 온도의 자세한 계산 방법은『소자 온도 계산 방법』을 참조하여 주십시오.

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전력 산출용 적분 공식

전류 I와 전압 V에 의한 a-b간 적산 전력 산출