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Thermal

ヒートシンク計算ツール

MOSFET、IGBT、およびパワーICに必要なヒートシンクの熱抵抗 (θ _SA) とジャンクション温度を計算します。熱設計の実現可能性を検証してください。無料の結果。

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公式

θSA=(TJmax−TA)/PD−θJC−θCSθ_SA = (T_Jmax - T_A) / P_D - θ_JC - θ_CS

参考: JEDEC JESD51 thermal measurement standard

θ_SA— ヒートシンクと周囲の熱抵抗 (°C/W)
T_Jmax— 最大接合部温度 (°C)
T_A— 周囲温度 (°C)
P_D— 電力損失 (W)
θ_JC— 接合部とケース間の熱抵抗 (°C/W)
θ_CS— ケースからヒートシンクまでの熱抵抗 (°C/W)

仕組み

ヒートシンク熱抵抗計算ツールを使うと、電源設計、モータドライブ、ハイパワーアンプの熱管理に不可欠な、安全な 接合部温度動作に必要な θSA の要件を計算できます。熱エンジニア、パワーエレクトロニクス設計者、製品信頼性エンジニアは、これを使用してヒートシンクのサイズを決定し、熱マージンを検証します。JEDEC JESD51-12によると、全熱抵抗 θJA = θJC + θCS + θSA, で、 θJC は半導体メーカーによって指定されています（TO-220：1-2°C/W、 D²PAK: 0.5-1°C/W、JEDEC による）、 θCS はインターフェース材料（サーマルグリース：0.1°C/W、ドライコンタクト：0.5°C/W、サーマルパッド：0.2-0.5°C/W）、 θSA はヒートシンクパフォーマンス。自然対流ヒートシンクは、サイズにもよりますが、 θSA = 3-20°C/Wを達成します。2 m/sの強制空気により、AAVID アプリケーションデータによると、 θSA は3〜5倍向上します。

計算例

1Aの負荷で12Vを5Vに変換するLM7805レギュレータのヒートシンクを選択してください。電力損失:Pd = (12V-5V) × 1A = 7W。LM7805データシートより:θ JC = 4°C/W (TO-220)、Tj (最大) = 125°C。設計ターゲット:Ta = 50°C (産業環境) でTj = 100°C。必要な合計 θ JA: θ JA = (Tj-Ta) /Pd = (100-50) /7 = 7.14°C/W。サーマルペーストの場合 θ CS = 0.2°C/W: θ SA (最大) = 7.14-4-0.2 = 2.94°C/W。Avid 531202B02500G (θ SA = 2.5°C/W、50mm × 50mm × 25mm) を選択してください。検証:Tj = 50 + 7× (4 + 0.2 + 2.5) = 50 + 46.9 = 96.9°C — 100°Cのターゲット内、3°Cのマージンがあります。屋外用途 (Ta = 70°C) の場合は、大型のヒートシンクにアップグレードするか、ファンを追加してください。

実践的なヒント

  • ✓自然対流を実現するには、ヒートシンクのフィンの周囲に最低10mmの隙間を設けてください。気流が遮断されると、熱設計ガイドラインに従って θSA が50〜100％増加します
  • ✓黒色の陽極酸化ヒートシンクは、放熱が改善されたため、裸のアルミニウムよりも θSA が10-15％低くなります。これは、周囲温度が ΔT > 40°C高い場合にのみ顕著です。
  • ✓2 m/sで強制空気をかけると、通常、 θSA は3〜5倍減少します。特定のヒートシンクについては、製造元の曲線を参照してください。ファンの選択:AAVID サーマル・ハンドブックによると、小型エンクロージャーの場合は 5 W あたり 1 CFM

よくある間違い

  • ✗取り付け方向を考慮せずにヒートシンク θSA を使用する — 自然対流を伴う垂直フィンは、水平フィンよりも θSA が20〜30％低く、メーカーの仕様では最適な向きを想定しています
  • ✗サーマルインターフェース抵抗を無視 — θCS = 0.5°C/W (ドライコンタクト) を省略すると、標準電力レベルでTjが3～5°C低くなります。必ずサーマルコンパウンドを使用してください
  • ✗電力による線形スケーリングを仮定すると、高い電力密度では (>1W/cm²), のヒートシンク表面が熱的に飽和します。CFDシミュレーションを使用するか、公開されている θSA を20〜30％低下させます

よくある質問

熱抵抗 θ (°C/W) は電気抵抗に似ています: ΔT = θ × P (V = R × I と比較)。これは、消費電力の 1 ワットあたりに発生する温度上昇量を数値化したものです。 θ が低いほど熱伝達が良くなります。標準値：TO-220 θJC = 1-2°C/W、サーマルグリース θCS = 0.1-0.2°C/W、小型クリップオンヒートシンク θSA = 10-20°C/W、大型押し出しヒートシンク θSA = 1-3°C/W。
θJCはパッケージ設計によって決まっており、ユーザーが改善することはできません。これが根本的な熱ボトルネックとなっています。パワーパッケージ (D²PAK、TO-247) はθ JC < 1°C/W、表面実装パッケージ (SOIC、QFP) はθ JC = 20-100°C/Wです。高電力アプリケーションでは、パッケージの選択が重要です。SOIC-8 (θ JC = 40°C/W) の10Wデバイスは、ケースに到達する前に400°C上昇します。
周囲温度Taがベースラインを設定し、すべての温度上昇がTaに加算されます。工業設計ではTa = 50-70°C、民生用電子機器はTa = 35-45°Cを使用します。Taを25°Cから50°Cに上げるには、消費電力を 25°C/θJA ワット減らすか、それに比例して θJA を改善する必要があります。IPC-9592B 信頼性ガイドラインに従い、常に最悪の環境を考慮して設計してください。
θJC: パッケージによる修正（TO-220の代わりに D²PAK のような lower-θJC パッケージを選択）。 θCS: ドライコンタクト（0.5°C/W）の代わりにサーマルグリース（0.1°C/W）を使用するか、相変化材料（0.05°C/W）を使用してください。 θSA: ヒートシンク面積が大きく、フィンが多く、強制空気（3〜5倍の改善）、または液体冷却（10倍の改善）。システム θJA 全体は、50°C/W（ヒートシンクなし）から<2°C/W（最適化された液体冷却）に削減できます。
短期：MOSFETのRds（オン）の増加（Tj（最大）で1.5～2倍）、BJTのhFEの低下、サーマルシャットダウンの可能性（多くのICの保護機能）。長期：アレニウスの各モデルでは摩耗が加速し、設計目標値を10℃上回るごとに予想寿命が半分になります。JEDEC JEP122Hによると、Tj (最大) で継続的に動作させると、1000〜10000時間のMTTFになります。Tj (最大) -50°Cで動作させると、10万時間以上のMTTFが得られます。

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