【熱設計】熱抵抗とは？許容損失とは？何に使うのか？を解説

皆様、お疲れ様です。

本日は

という方に向けて熱抵抗と許容損失が何なのか？それらはどうやって使うのか？を解説してみようと思います。

熱抵抗、許容損失とは

熱抵抗とは損失1W発生したら、温度が何℃上昇するか？を示す値です。

オームの法則の熱バージョンです。

オームの法則における抵抗は「電流1A流れたら、電圧が何V上昇するか？」を示す値です。

$$\small{
R=\frac{V}{I}
}$$

ですね。(R：抵抗、V：電圧、I：電流)

熱抵抗Rthは「損失1W発生したら、温度が何℃上昇するか？」です。同じですね。

$$\small{
R_{th}=\frac{T}{W}
}$$

となります。(Rth：熱抵抗、T：温度、W：損失)

例えば、あるパワーデバイスの熱抵抗Rθjcが5[℃/W]だったとします。

jcとはjunction～chipまでの熱抵抗という意味です。絵にするとこんな感じです↓。

チップ温度Tc=60℃のときに、パワーデバイスが5W損失したとします。そのときのジャンクション温度Tjは熱抵抗を使って、以下のように計算できます。

$$\small{
T_j=R_{θjc}*W+T_c=5[℃/W] * 5[W] + 60[℃]=85[℃]
}$$

つまり、ジャンクション温度Tjは85℃まで上がるよ。となります。

許容損失とはデバイスの限界温度に達する損失値のことです。

デバイスには絶対最大定格温度というものがあります。「これ以上の温度で使わないでね。」ってことです。

例えば、ジャンクション温度の最大値Tjmaxが150℃のデバイスがあったとします。

Tc=25℃のときTjmaxとは125℃ほど余裕があります。言い換えれば「ΔT=125℃が発生する損失[W]までは許容できる。」ってことです。

これが許容損失です。

ここで仮に熱抵抗Rθjc=5[℃/W]としたときに許容損失はいくらになるでしょうか。

$$\small{
R_{θjc}=\frac{T}{W}⇒W=\frac{T}{R_{θjc}}
}$$

↑この式で計算できます。

$$\small{
W=\frac{T}{R_{θjc}}=\frac{125}{5}=25[W]
}$$

つまり25WがTc=25℃における許容損失ということになります。

知ってしまえば、簡単ですね。

これらはパワーデバイスの選定や熱設計に使用します。

仮にチップ温度Tcが100℃まで使用するのであれば、Tjmaxまでの余裕が50℃となります。それで使用する条件におけるパワーデバイスの損失(導通損失やスイッチング損失)は許容損失内に収まっているか？

もし収まっていないのであれば、その条件で使用したらTjmaxを超えてしまいます。特性が劣化したり、寿命が速まったり、最悪壊れてしまう可能性があります。

そうならないように熱抵抗が良い素子を選ぶとか、Tcが100℃まで達さないように熱設計をするとかしないといけません。

はい、そんな感じで本記事は以上です。

誰かの参考になれば幸いです。最後までお読みいただきありがとうございました！！