고성능 DC-DC 컨버터 및 AI 전력 모듈에서 DCR 요구 사양이 밀리오옴 또는 심지어 마이크로오옴 수준으로 계속 낮아짐에 따라, 기존의 2선식 측정 방식은 과도한 오차를 유발하여 4선식(켈빈) 접속 방식을 채택해 측정하는 것이 필수적입니다. 많은 엔지니어는 DCR 측정이 간단하다고 생각하며, 멀티미터나 LCR 미터의 테스트 리드를 부품에 단순히 클램프하기만 하면 된다고 여깁니다. 그러나 실제 양산 현장에서는 자주 다음과 같은 문제가 발생합니다: 동일한 인덕터를 여러 계측기로 측정했을 때 결과값이 일치하지 않음, 테스트 리드에 가해지는 압력 변화로 인한 데이터 요동, 저인덕턴스 인덕터의 경우 측정값이 심각하게 과대 산출됨 등입니다. 아래에서 이러한 문제의 근본 원인을 살펴보겠습니다.
1- 인덕터 DCR의 본질 이해 및 측정 난이도
인덕터의 직류 저항(DCR)은 직류 여기 조건에서 인덕터 권선이 나타내는 순저항 성분을 의미하며, 이는 인덕터를 감는 데 사용되는 구리 와이어 자체의 고유 저항에서 기인한다. 이 파라미터는 전력 변환 효율, 발열 해소 능력 및 전력 시스템의 장기 신뢰성에 직접적인 영향을 미친다.
DCR을 정확히 측정하는 데 핵심적인 기술적 어려움은 일반적인 인덕터 권선의 DCR이 보통 수 밀리오옴(mΩ)에서 수백 밀리오옴 사이에 위치한다는 점에 있다. 측정 대상 저항이 밀리오옴 수준으로 낮아질 경우, 기존 2선식 측정 방식에서 테스트 리드 자체의 저항(보통 0.1Ω~0.5Ω)과 프로브 접촉 저항(수 밀리오옴에서 수십 밀리오옴 수준)이 측정 대상 저항과 동일한 차원(오더)이 되어, 측정값이 실제 값에서 심각하게 벗어나게 된다.
2- 켈빈 4선식 방법—리드 오차를 제거하기 위한 근본적인 해결책
저저항 측정을 위한 표준 솔루션은 켈빈 4선식 접속 방식이다. 이 기법은 윌리엄 톰슨 켈빈 경이 1861년에 고안하였으며, 오늘날 정밀 저저항 측정을 위한 벤치마크 방식으로 여전히 사용되고 있다.
2.1 왜 2선식 방법이 불가능한가
일반적인 2선식 측정에서는 전류 여기 루프와 전압 검출 루프가 동일한 한 쌍의 와이어를 공유한다. 계측기에서 측정된 저항 값은 다음과 같다.
R_측정값 = R_시험대상물 + 2 × (R_리드 + R_접점)
여기서 R_리드는 단일 테스트 리드의 저항(보통 수 밀리오옴에서 수백 밀리오옴 수준)이며, R_접점은 프로브와 시험 지점 사이의 접점 저항(수 밀리오옴 수준)이다. R_시험대상물이 단지 몇 밀리오옴에 불과할 경우, 리드 및 접점 저항으로 인해 발생하는 오차는 실제 값의 수십 배에 이를 수 있다.
2.2 켈빈 4선식 방법의 핵심 원리
켈빈 4선식 방법은 전류 경로와 전압 검출 경로를 물리적으로 분리함으로써 이 문제를 해결합니다. 4개의 선은 각각 고유한 목적을 위해 두 쌍으로 나뉩니다.
◾ 강제 라인(전류 여기 라인, 2개의 선): 시험 대상 인덕터에 알려진 일정한 직류 전류를 인가합니다. 이 전류 루프 내에서 전압 강하가 발생할 수 있으나, 리드 저항 및 접촉 저항은 측정 결과의 정확도에 영향을 주지 않습니다.
◾ 센스 라인(전압 검출 라인, 2개의 선): 시험용 피팅 단자 위치가 아닌 인덕터 양단 사이에서 실제 전압 강하를 독립적으로 측정합니다. 전압 검출 루프의 입력 임피던스는 매우 높기 때문에(최신 측정 기기에서는 일반적으로 1GΩ 이상), 센스 라인을 흐르는 전류는 거의 0에 가깝습니다. 따라서 센스 라인 상의 리드 저항 및 접촉 저항으로 인해 유의미한 전압 강하가 발생하지 않습니다.
옴의 법칙에 따르면, 인덕터의 DCR은 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.
DCR = V_Sense / I_Force
V_Sense는 리드 전압 강하를 포함하지 않고 센스 라인을 통해 인덕터 양단에서 직접 측정된 전압이며, I_Force는 알려진 일정 전류입니다. 이 두 값을 나누면 진정한 직류 저항 값이 산출되며, 이 값은 외부 회로의 모든 접점 저항 및 리드 저항과 완전히 무관합니다.
2.3 4선 측정 주의사항
◾ 독립적 문의하기 4개의 선은 인덕터의 두 전극 상의 4개 서로 다른 지점에 각각 별도로 접촉해야 합니다. 실제 피팅에서는 각 전극이 두 개의 프로브(Force + Sense)에 의해 동시에 접촉되지만, 이 두 프로브는 피팅 내부에서 연결되지 않으며, 접촉 패드에서만 만나게 됩니다.
◾ 프로브 청결도: 패드 산화 또는 잔류 플럭스로 인해 접촉 저항이 불안정해질 수 있습니다. 이는 센스 라인에는 영향을 주지 않지만, 전류 루프의 불안정을 유발하거나 정전류 소스를 포화시킬 수 있습니다. 측정 전에 무수 알코올로 패드를 닦거나 지우개로 부드럽게 닦아 주세요.
3- 시험 데이터의 비교 검증
CODACA 공식 웹사이트에서 AI 응용 분야용 몰딩 파워 초크를 예로 들어, 모델 CSHN100760-56NN을 선정하여 시장에서 흔히 사용되는 세 가지 계측기—DC 저항 측정기, 멀티미터, LCR 브리지—를 이용해 비교 시험을 수행하였습니다.
그림 1. 몰딩 파워 초크 CSHN100760-56NN의 전기적 특성
그림 2. DC 저항 측정기(켈빈 4선식 방법): DCR 측정 구역
그림 3. 멀티미터(2선식 방법)
그림 4. LCR 브리지(고정형 피팅 테스트): LCR 측정 구역
그림 1과 같이, CSHN100760-56NN의 사양서에는 DCR을 최대 0.22mΩ으로 규정하고 있다. DC 저항 측정기(켈빈 4선식 방법)를 사용한 측정 결과는 0.196mΩ으로, 사양서의 요구사항을 충족하며, 실제 측정 결과는 그림 2에 표시되어 있다. 일반 멀티미터(2선식 방법)를 사용할 경우, 기본 저항 측정 범위인 200Ω 범위로 설정하면 해상도가 0.1Ω이 되며, 이때 측정 결과는 600mΩ으로 나타나 사양서의 요구사항을 충족하지 못한다(그림 3 참조). LCR 브리지(고정형 테스트 피팅 방식)를 DCR 범위로 설정한 후 제로 보정을 수행한 후 측정한 결과는 0.387mΩ으로, 목표값에 더 가까운 값이지만 여전히 사양서의 요구사항을 충족하지 못한다.
따라서 인덕터와 같은 자기 부품의 DCR 측정 시 측정 결과의 정확성을 확보하기 위해 전용 DC 저항 측정기(켈빈 4선식 방법) 사용을 권장한다.
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