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2012年3月27日 (火)

熱抵抗のはなし

熱抵抗とは
 パワー素子に欠かせないのが、電力損失から生じる熱をどのように放熱するかです。その際、検討するのがパワーデバイスの熱抵抗やヒートシンクの熱抵抗で、これによってどこまで熱損失に耐えられるか計算出来ます。熱抵抗とは発熱源(熱印加点)と放熱点(伝達点)までの熱の伝えやすさです。記号はθ(シータ)で表し、単位は ℃/W で、1Wあたり何度温度が上がるか(温度差が生じるか)を示します。
ハード的には
Thirmor
 右図で説明します。ここではデバイスの熱抵抗θjc(デバイスチップ....jジャンクションとcケースの間)とデバイスをヒートシンクに取り付ける際のシリコングリスとかグラファイトシートなどの熱伝達材料と締め付け方で左右されるθch(cケースとhヒートシンクの間)、そしてヒートシンクが空気中に放熱する性能のθha(hヒートシンクとa大気間)が記載されています。
 最初のθjcはデバイスのカタログ等に記載されています。例えば GaN-HEMT の EGNB010MK は、データーシートでは Rth として記載されています。この例では 4.5℃/W (typ)とあります。データーシートの例では3.5GHzで RFを 10W 出した時に効率は 50%程度ですから、熱も 10W出ていることになります。理想的に大気に放熱されていれば、大気温度TA 25℃としてジャンクション温度Tjは 25℃ +4.5(℃/W) x 10(w) =70℃となります。データーシートよりジャンクション温度(チャンネル温度)は最大 250℃なので、十分余裕がありますが、実際はどうでしょう。
 ヒートシンクにデバイスを固定し、ヒートシンクで放熱しますと、簡単には大気とデバイスのケース間はθca =( θch+θha) となって熱抵抗は直列合成となります。市販のヒートシンクの例を見ますと、100mm x 50mm x 12mm 程度で 10W 熱を加えたときに 50℃上昇ですから、θha =5℃/Wとなります。θch を最大 1℃/W程度に見て、θca =6℃/Wとしますと、上記の例では、Tj= 25℃ +(4.5+6)(℃/W) x 10(w) =130℃ となります。ここで気温を 40℃まで保証するとなると、145℃となります。この時点でジャンクション温度最大定格の 58% 程度ですから、問題ないと計算出来ます。ここが 80%以上になったら危ないですから、ヒートシンクを変えるかファン等で強制空冷する必要があります。
ソフト的には
 さらに正確にするためには常温や恒温槽で実際に動作させて温度を測定します。上記の例ではジャンクションまで測定出来ないので、ケースの温度(Tp)を測定して見積もった熱抵抗通りになっているかを確認します。θca =6℃/W として 10W 損失なので 60℃上昇と考えられます。気温 25℃ならば、 Tp = 25℃+60℃=85℃となっているはずですね。ここの測定でθcaの誤差を訂正出来ます。

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