「ヒートシンク(放熱器)の大きさの求め方」についてご紹介
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今回は、「ヒートシンク(放熱器)の大きさの求め方」についてご紹介します。
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「ヒートシンク(放熱器)の大きさの求め方」について
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ヒートシンクは、半導体の発熱を外気に移して、半導体接合部の温度を一定温度以下にする働きをします。この放熱性をよくするために、できるだけ表面積が広くなるように複雑な構造をしています。
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熱抵抗
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このヒートシンクをどれくらいの大きさにしたらよいかを決めるのは結構難しい問題です。通常ヒートシンクの放熱の問題を考えるときには、「熱抵抗」という概念を使います。これは、単位が「°C/W」で表され、ある物体に1ワットの熱を加えたら何度上昇するかで表します。
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ここで、半導体を放熱するためのヒートシンクを考えるときのモデルは、熱抵抗を使って下記(発熱と放熱の関係)のように表されます。半導体内部の接合部が熱の発生源ですから、これを出発点にして半導体ケース、熱伝導体、ヒートシンク、周囲気中と順に熱が伝わっていきますが、それぞれの物体ごとに熱の伝わりやすさ、つまり熱抵抗があります。
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この熱伝導の様子は熱抵抗の直列によって表現することができ、下記(発熱と放熱の関係)のような表現で表すことができます。
発熱と放熱の関係
周囲温度Ta | 通常は最大50°Cまで動作環境とする |
Rf | これが求めるヒートシンクの性能 |
取付け面Tf | |
Rc | 通常は接触部の熱抵抗を含めて2~3°C/W程度 |
半導体ケースTc | |
Rj | 半導体の規格表から求めます |
半導体接合部Tj | 通常は最大150°Cまで動作可能とする |
半導体発熱量Q(W消費電力) | |
熱伝導性 | |
絶縁シート |
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ここで発熱と放熱の関係は、
Rt = Rj + Rc + RfとしてTj-Ta = Q×Rt
なので、実際の値を代入すると100>Q×Rtとすれば、十分の放熱をしていることになります。
発熱対応の設計は余裕を持たせて
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この図から、半導体での発熱量と、ケースまでの熱抵抗がわかれば、必要なヒートシンクの熱抵抗の最大値が求められることになります。ここで接合部の温度は上限が150°Cと決められています。しかしこれは許容最大値ですからこれの90%以下として余裕を持たせて設計をします。
シリコングリースと熱伝導性絶縁シートで冷やす
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また、半導体とヒートシンクの接触部の熱抵抗値は、裸の状態で直接ヒートシンクに接触させると、大体0.6°C/W程度でこれにシリコングリースを塗布すると、0.4°C/W程度まで小さくなります。ここに熱伝導性絶縁シートを挿入すると、接触熱抵抗も含めて2~3°C/W前後となります。
発熱対応の計算
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例えば実際の例で説明すると、電源のレギュレータICで、発熱量が4Wで、半導体ケースまでの熱抵抗が4°C/Wとすると、絶縁シート部分を3°C/Wとして、接合部温度を10%の余裕を見ると、
Rf < 14(°C/W)
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と求まります。
後はこの熱抵抗より小さな熱抵抗のヒートシンクを探せばよいのですが、熱容量を明記したヒートシンクが案外少ないので、大体の目安になる値を下記の図表で求めます。
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まず、下記(アルミ板の熱抵抗値)はアルミ板の面積と熱抵抗値の概算値のグラフで、板厚が1.5mm、2mm、3mmの3種類についてそれぞれの面積と熱抵抗値の概算値をグラフにしたものです。
アルミ板の熱抵抗値
アルミ板サイズ | 概算熱抵抗 |
300×300×2mm | 1.4°C/W |
200×200×2mm | 2.3°C/W |
150×150×2mm | 3.3°C/W |
100×100×2mm | 5.2°C/W |
75×75×2mm | 7.6°C/W |
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