コンポーネントの温度を計算するにはどうすればよいですか?

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2023-03-31 1056

回路ソリューションを購入して作成するとき、多くの場合、コンポーネントの温度を考慮する必要があります。結局のところ、各コンポーネントには温度範囲の制限があります。このとき、適切なコンポーネントを選択する前に、コンポーネントの温度を計算する必要があります。次に、元のコンポーネントの温度変化を計算する方法については、以下のエディターでコンポーネントの温度の計算方法を共有します。

ジャンクション温度の計算方法 1: チューブとシェルの温度による

ジャンクション温度はケース温度から求めることができます。

計算方法 1 または 2 で紹介した、ジャンクションとケース間の熱抵抗を、ジャンクションと環境間の熱抵抗、Rth(jc) の計算方法に置き換えます。次のように。

Tj=Tc+Rth(jc)×P

Tc: ケース温度*
Rth(jc): 接合部からケース間の熱抵抗
P: 消費量**

※Saccoでは放射温度計を使用し、マーキング面の最高点の温度を測定します。測定温度は測定方法により大きく異なる場合がありますのでご注意ください。

**消費電力量は一定ではなく、時間変化時の平均消費電力量から近似的に計算されます。

ただし、特にRth(jc)の値は実装基板の放熱条件やはんだ付け条件により大きく変化しますので、弊社標準基板での測定値がお客様の基板に適合しない場合もありますのでご了承ください。。

一例として、基板のコレクタランド面積が大きくなるにつれてRth(jc)が小さくなる例を示します。 (コレクタランドの面積、厚さ、材質に加え、基板の材質、サイズ、配線サイズも変化します。)

例えば、印加時間が30msの場合、Rth(ja)は20℃/Wなので、周囲温度3℃で30Wの電力を25ms印加すると、接合温度は

このように、Rth(jc)の値は基板条件により変化しやすく、ケース温度を正確に測定することが難しいため、ジャンクション温度の推定方法としては推奨できません。

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ジャンクション温度の計算方法2：周囲温度に基づく（基本）

ジャンクション温度 (またはチャネル温度) は、周囲温度と消費電力から計算できます。熱抵抗の考え方によれば、

Tj=Ta+Rth(ja)×P

Ta：周囲温度（室温の実測値）
Rth(ja): 接合部から大気までの熱抵抗*
P：消費電力**

※Rth(ja)：接合部から周囲までの熱抵抗は実装される基板により異なります。
当社標準基板に実装した場合の値を「代表パッケージの抵抗値」として示しています。

Rth(ja)の値は各トランジスタによって異なりますが、パッケージが同じであればほぼ近い値と考えて良いでしょう。

**消費電力量は一定ではなく、時間変化時の平均消費電力量から近似的に計算されます。
（平均消費電力の計算方法は「トランジスタの使用可否の判断方法」を参照してください。）

下の図は、Rth(ja)が250oC/W、周囲温度が25oCのときの消費電力とジャンクション温度の関係を示しています。

接合温度は消費電力に比例して上昇します。このときの比例定数はRth(ja)です。Rth(ja)は250℃/Wです。

したがって、消費電力が 25W 増加するごとに、接合部温度は 0.1oC 上昇します。

消費電力が 150W のとき、ジャンクション温度は 0.5oC なので、この例では消費電力は 0.5W を超えることはできません。

また、Rth(ja)も250oC/Wであり、周囲温度の変化を考慮する必要があります。

つまり、同じ電力を印加した場合でも、周囲温度が上昇するとジャンクション温度が上昇するため、印加できる電力は小さくなります。

熱抵抗だけでなく、周囲温度も最大消費電力に影響します。周囲温度150℃では印加できる電力はゼロになりますので、

100% ÷ (150℃-25℃)＝0.8%/℃

上記の比率で最大消費電力が小さくなっていることがわかります。

以下の電力減少曲線は、この関係を示しています。

電力軽減曲線の軽減率はパーセントで表されるため、すべてのパッケージに適用できます。

例えば、MPT3 パッケージの 25oC での最大印加電力は 0.5W であり、印加電力は 0.8%/oC の割合で小さくなります。

50℃では80％（20％削減）または0.4Wとなり、100℃では40％（60％削減）または0.2Wとなります。

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ジャンクション温度の計算方法3：周囲温度による（過渡熱抵抗）

「1.周囲温度による（基本）」では、連続通電の例を考えます。

次に、瞬時電力投入による温度上昇を考える。

瞬時電力投入による温度上昇は過渡熱抵抗を用いて計算します。

このグラフは過渡熱抵抗（過渡熱抵抗）を表しています。横軸はパルス振幅、縦軸は熱抵抗Rth(ja)である。

図より、印加時間が長くなるとジャンクション温度が上昇し、200秒程度で熱が飽和して一定の温度に達することがわかります。

たとえば、印加時間が 20ms の場合、Rth(ja) は 30oC/W なので、周囲温度 3oC で 30W の電力が 25ms 間印加された場合、接合部温度は次のようになります。

Tj=Ta+Rth(ja)×P
=25℃+(20℃/W)×3W
= 85°C

瞬時電力が 1 回印加されたときのジャンクション温度は、この式から求めることができます。商品詳細ページへ

ジャンクションとケース間の熱抵抗 Rth(jc) について

ジャンクション・ケース間熱抵抗Rth(jc)は、本来はTO220パッケージなどの自立型デバイスをヒートシンクに固定して使用する場合に使用される値です。この場合、主な放熱経路はケースとヒートシンクの間となるため、この経路におけるケース温度を測定することで、ジャンクション温度を正しく求めることができます。特に、理想的な放熱性を持つヒートシンク（無限大ヒートシンク）を使用すると仮定した場合、放熱能力を無限大とみなし、ケース温度＝大気温度（表示Tc=25℃など）とする場合があります。ケース温度＝25℃で計算します。（無限大放熱板の熱抵抗：Rth(ca)=0なので、Rth(ja)=Rth(jc)となります。）

ただし、表面実装デバイスの場合、デバイスの下の回路基板からの熱放散が主な放熱経路となるため、この部分のケース温度を測定することはより困難です。

マーキング面の放熱率は総放熱量に比べて小さいため、デバイスのマーキング面の温度を測定してもジャンクション温度を見積もる値としては適しません。

表面実装品の場合、Rth(jc)の値を知る必要がある製品が多いため、弊社標準基板に実装してマーキング面の温度を測定し、Rth(jc)の値を求める場合があります。この時のRth(jc)は当社標準基板に実装した特殊条件での値です。当社標準基板と異なる基板に実装した場合、マーキング面からの放熱率が変化するため、Rth(jc)の値が変化し、ジャンクション温度が推定できなくなります。

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代表的なパッケージ抵抗値

このデータは特定のLOTの測定に基づいて作成されています。したがって、本データは参考値として柔軟にご利用ください。
（保証値、最大値、最小値ではありません。）
Rth(ja)は基板実装やはんだ付けによる放熱条件や温度測定方法により大きく異なりますので、
参考値として柔軟にご利用ください。

パッケージ	VMT3	EMT3	EMT5	EMT6	TUMT3
実装基板
FR4基板サイズ (単位：mm)	20 12××0.8	20 15××0.8	20 15××0.8	20 15××0.8	20 12××0.8
Rth(ja)/ Rth(ch-a)	833℃/W	833℃/W	1042℃/W	1042℃/W	313℃/W
リマーク	-	-	1つの要素のみが機能する場合	1つの要素のみが機能する場合	-

パッケージ	TUMT6	UMT3	UMT5	UMT6	SMT3
実装基板
FR4基板サイズ (単位：mm)	15 20××0.8	20 12××0.8	20 15××0.8	15 20××0.8	20 12××0.8
Rth(ja)/ Rth(ch-a)	313℃/W	625℃/W	1042℃/W	1042℃/W	625℃/W
リマーク	1つの要素のみが機能する場合	-	1つの要素のみが機能する場合	1つの要素のみが機能する場合	-

パッケージ	SMT5	SMT6	TSMT3	TSMT5	TSMT6
実装基板
FR4基板サイズ (単位：mm)	20 15××0.8	20 15××0.8	30 15××0.8	20 15××0.8	20 15××0.8
Rth(ja)/ Rth(ch-a)	625℃/W	625℃/W	250℃/W	250℃/W	250℃/W
リマーク	1つの要素のみが機能する場合	1つの要素のみが機能する場合	-	1つの要素のみが機能する場合	1つの要素のみが機能する場合

パッケージ	SOP8	MP3	CPT3	SST3
実装基板
FR4基板サイズ (単位：mm)	20 20××0.8	12 20××0.8	12 30××0.8	20 12××0.8
Rth(ja)/ Rth(ch-a)	160℃/W	250℃/W	125℃/W	625℃/W
リマーク	1つの要素のみが機能する場合	-	-	-