6章 放熱設計方法 PDF [938KB]

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第 6 章
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放熱設計方法
目次
ページ
1
発生損失の求め方
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
6-2
2
ヒートシンク(冷却体)の選定方法
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
6-7
3
IGBT モジュールへの取り付け方法
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
6-11
本章では、放熱設計について説明します。
IGBT を安全に動作させるためには接合温度(Tj)が Tj max.を越えないようにする必要があります。定格負荷
時はもちろんですが、過負荷時等の異常時にも必ず Tj max.以下になるよう、充分余裕を持った熱設計を行
って下さい。
6-1
第6章 放熱設計方法
1
発生損失の求め方
本節では IGBT モジュールの発生損失の求め方について説明します。以下では近似式を用いた簡略的な
発生損失計算方法を示しますが、詳細な損失計算にはウェブ上に公開しています損失計算ソフトをご利用
ください。この計算ソフトを使用することで、各モジュールパッケージに対する様々な運転条件での損失
計算が可能となります。
1.1 損失の考え方
IGBT モジュールは IGBT 部と FWD 部で構成されており、それぞれの発生損失の合計が IGBT モジュー
ル全体の発生損失となります。また、損失が発生する場合は定常時とスイッチング時があり、以上のこと
を整理すると次のようにになります。
発生損失要因
定常損失
(Psat)
トランジスタ部
のみの損失
(PTr)
スイッチング
損失
(Psw)
IGBTモジュールの
1素子当り
トータル発生損失
(Ptotal)
ターンオン損失
(Pon)
ターンオフ損失
(Poff)
定常損失
(PF)
FWD部のみ
の損失
(PFWD)
スイッチング損失(逆回復損失)
(Prr)
IGBT 部も FWD 部も定常損失は出力特性から、またスイッチング損失はスイッチング損失-コレクタ電
流特性から計算する事が出来、これらの発生損失から放熱設計を行い、接合温度 Tj が設計値を越えないよ
うにします。
従って、ここで使用されるオン電圧やスイッチング損失の値には、通常接合温度 Tj が高温時でのデータ
を使用して計算してください。
これらの特性データは仕様書に記載されておりますので参照ください。
6-2
第6章 放熱設計方法
1.2 DC チョッパ応用の場合の発生損失計算方法
この場合、IGBT または FWD に流れる電流を矩形波の連続と考えれば簡単に近似計算をすることが出来
ます。図 6-1 は近似した DC チョッパ波形を示したものであり、コレクタ電流が IC の時の飽和電圧、スイ
ッチング損失をそれぞれ VCE(sat)、Eon、Eoff とし、FWD 順電流が IF の時のオン電圧、逆回復損失をそれぞ
れ VF、Err とおけば発生損失は次のように計算されます。
IGBT 発生損失(W)=定常損失+ターンオン損失+ターンオフ損失
[
] [
= t1 / t 2 × VCE ( sat ) × I C + fc × (E on + E off
)]
FWD 発生損失(W)=定常損失+逆回復損失
= [(1 − (t1 / t 2 )) × I F × VF ] + [ fc × E rr ]
IC
0A
ID
0A
t1
キャリア周波数 fC = 1/t2
IGBTオンduty= t1/t2
FWDオンduty= 1-t1/t2
t2
図 6-1 DC チョッパ波形
実際には直流電源電圧やゲート抵抗値等が仕様書に記載されているものと異なる時があり、このような
場合には以下のような規則に従って簡略計算することができます。
・直流電源電圧 Ed(VCC)が異なる場合
オン電圧
:Ed(VCC)に依存しない
スイッチング損失:Ed(VCC)に比例する
・ゲート抵抗値が異なる場合
オン電圧
:ゲート抵抗値に依存しない
スイッチング損失:それぞれスイッチング時間に比例し、ゲート抵抗値に依存する
6-3
第6章 放熱設計方法
1.3 正弦波 VVVF インバータ応用の場合の発生損失計算方法
制御信号と変調信号
1
0
-1
出力電流 IC
2I M
φ
π
− 2I M
π
2
3π
2
2π
IGBT側電流
2I M
FWD側電流
2I M
図 6-2 PWM インバータの出力電流
VVVF インバータ等で PWM 制御を行う場合は、図 2 に示すように常に電流値や動作パターンが変化す
るため、その発生損失を詳細に計算するにはコンピュータ・シミュレーション等を用いる必要があります。
しかしながら実際にはその方法は複雑すぎるため、ここでは近似式を用いて簡略的に計算する方法につい
て説明します。
1)
前提条件
計算を行うにあたり、以下が前提条件となります。
・正弦波電流出力 3 相 PWM 制御 VVVF インバータであること
・正弦波、三角波比較による PWM 制御であること
・出力電流は理想的な正弦波であること
2)
定常損失(Psat、PF)の求め方
IGBT 及び FWD の出力特性は図 6-3 に示すように仕様書のデータから近似値を得る事が出来ます。
6-4
第6章 放熱設計方法
IGBT 側の定常損失 (Psat ) = DT
=
FWD 側の定常損失 (PF ) =
∫
x
0
I CVCE ( sat ) dθ
2 2

1
DT 
I M VO + I M 2 R 
2
 π

2 2

1
DF 
I M VO + I M 2 R 
2
 π

IC あるいは IF (A)
従って定常損失は
VCE(sat)=V0+R・IC
VF=V0+R・IF
R
ただし,DT,DF:出力電流半波における IGBT 及び FWD
V0
の平均導通率
VCE あるいは VF (V)
図 6-4 に示すような特性となります。
図 6-3 出力特性近似
導通率:DT,DF
出力電流半波における IGBT 及び FWD の平均導通率は
1.0
IGBT側: DT
0.8
0.6
FWD側: DF
0.4
0.2
-1
-0.5
0
0.5
1
力率: cos Φ
図 6-4 正弦波 PWM インバータにおける力率と導通率の関係
6-5
第6章 放熱設計方法
3)
スイッチング損失
スイッチング損失-IC 特性は、図 6-5 のような特性となり
ますが,一般的に次に示す式で近似されます。
スイッチング損失 (J)
Eoff’
E on = E on ' (I C / 定格I C )
a
E off = E off ' (I C / 定格I C )
b
E rr = E rr ' (I C / 定格I C )
c
Eon’
Err’
a,b,c:
乗数
Eon’,Eoff’,Err’:
定格 IC 時の Eon,Eoff,Err の値
IC (A)
定格IC 図 6-5 スイッチング損失近似
従ってスイッチング損失は以下のように表せます。
・ターンオン損失(Pon)
n
Pon = fo∑ (E on )k
( n:半周期間のスイッチング回数 =
K =1
= foE on '
1
定格I C a
= foE on '
n
定格I C a × π
≒ foE on '
n
∑ (I )k
π
∫
0
2 I M a sin θdθ
1
nI a
定格I C a M
 I

1
= fcE on '  M 
2
 定格I C 
=
Ca
k =1
a
1
fcE on (I M )
2
Eon(IM):IC=IM 時の Eon
6-6
fc
)
2 fo
第6章 放熱設計方法
・ターンオフ損失(Poff)
Poff ≒
1
fcE off (I M )
2
Eoff(IM):IC=IM 時の Eoff
・FWD 逆回復損失(Prr)
Poff ≒
1
fcE rr (I M )
2
Err(IM):IC=IM 時の Err
4)
全発生損失(トータル発生損失)
2)と 3)項での計算結果より、
IGBT 部の発生損失は、 PTr = Psat + Pon + Poff 、
FWD 部の発生損失は、 PFWD = PF + Prr となります。
実際には直流電源電圧やゲート抵抗値等が仕様書に記載されているものと異なる時がありますが、1.2 項
の場合と同様に考えて簡略計算することが出来ます。
2
ヒートシンク(冷却体)の選定方法
電力用ダイオード、IGBT、トランジスタ等のパワーモジュールは、電極部と取り付けベースが絶縁され
ているものが多く、一つのヒートシンク上に複数個の素子を取り付けて用いることが出来るため、実装が
容易でコンパクトな配線が可能となります。これらの素子を安全に動作させるためには、動作時に各素子
が発生する損失(熱)を効率よく逃がしてやる必要があり、ヒートシンクの選定は重要な鍵となります。以下
にヒートシンクの選定における基本的な考え方を示します。
6-7
第6章 放熱設計方法
2.1 定常状態の熱方程式
半導体の熱伝導は電気回路におきかえて解くことができます。ここで IGBT モジュールのみをヒートシ
ンクに取り付けた場合を考えてみます。この場合、熱的には図 6-6 のような等価回路におきかえられます。
図 6-6 に示した等価回路より、接合温度(Tj)は次の熱方程式で求められます。
Tj = W × {Rth( j − c ) + Rth(c − f ) + Rth( f − a )} + Ta
ただし、ここでいうケース温度 TC 及びヒートシンク温度 Tf とは図 6-13 に示す位置の温度を表していま
す。図 6-7 に示すように、これ以外の点の温度は実際には低く測定され、かつヒートシンクの放熱性能に
依存しますので設計時に注意が必要です。
次に IGBT(2 素子モジュール)とダイオード・ブリッジ・モジュールをそれぞれ 1 個づつヒートシンク
上に取り付ける場合の等価回路例を図 6-8 に示します。この場合の熱方程式は、
Tj (d ) = Wd × [Rth( j − c)d + Rth(c − f )d ] + [(Wd + 2WT + 2WD ) × Rth( f − a )] + Ta
Tj (T ) = WT × Rth( j − c)T + [(WT + WD) × Rth(c − f )T ] + [(Wd + 2WT + 2WD ) × Rth( f − a )] + Ta
Tj ( D) = WD × Rth( j − c) D + [(WT + WD) × Rth(c − f )T ] + [(Wd + 2WT + 2WD ) × Rth( f − a )] + Ta
となります。これらの式より Tj が Tj max.を越えないことを確認してヒートシンクを選定して下さい。
W (W)
Tj
Rth(j-c)
Tc
Rth(c-f)
W:発生損失
Tj:チップ接合温度
Tc:モジュールケース温度
Tf:ヒートシンク表面温度
(モジュール取付部近傍温度)
Ta:周囲温度
Rth(j-c):接合-ケース間熱抵抗
Rth(c-f):ケース-ヒートシンク間熱抵抗
Rth(f-a):ヒートシンク-周囲間熱抵抗
Tf
Rth(f-a)
Ta
図 6-6 熱抵抗の等価回路
6-8
第6章 放熱設計方法
A:モジュールの裏面のチップ直下
B:モジュール裏面のA点より14mmの点
C:モジュール裏面のA点より24mmの点
モジュール
A
B
C
ヒートシンク
A点
B点
C点
Tc(oC)
51.9
40.2
31.4
o
45.4
36.9
30.2
Tf( C)
図 6-7 ケース温度の測定例
図 6-8 熱抵抗の等価回路例
6-9
第6章 放熱設計方法
2.2 過渡状態の熱方程式
一般的には、前述のように平均発生損失から定常状態の Tj を考えれば充分ですが、実際にはスイッチン
グを繰り返す毎に発生損失はパルス状となるので図 6-10 に示すように温度リプルを生じます。この場合、
発生損失を一定周期かつ一定ピーク値の連続矩形波パルスと考えれば、仕様書に記載されている図 6-9 に
示すような過渡熱抵抗曲線を使用して温度リプルのピーク値(Tjp)を近似的に計算することができます。
この Tjp も Tj max.を越えないことを確認してヒートシンクを選定してください。


t1 
t1 
Tjp − TC = P ×  R(∞) × + 1 −  × R (t1 + t 2) − R (t 2) + R(t1)
t2  t2 


R(∞)
R(t1+t2)
R(t2)
R(t1)
t1 t2 t1+t2
図 6-9 過渡熱抵抗曲線
t2
t1
P
0
t
Tj
Tjp
Tc
t
図 6-10 温度リプル
6-10
第6章 放熱設計方法
3
IGBT モジュールの取り付け方法
3.1 ヒートシンクへの取り付け方法
熱抵抗は IGBT モジュールが取り付けられる位置により変化しますので、下記の点に注意して下さい。
・ IGBT モジュール 1 個をヒートシンクに取り付ける場合、ヒートシンクの中心に取り付けると熱抵抗が
最小となります。
・ 1 つのヒートシンクに複数個の IGBT モジュールを取り付ける場合は、各 IGBT モジュールが発生する
損失を考慮して、取り付け位置を決定して下さい。大きな損失を発生する IGBT モジュールには、大き
な占有面積を与えるようにして下さい。
3.2 ヒートシンク表面の仕上げ
IGBT モジュールを取り付けるヒートシンク面の仕上げは、ネジ取り付け位置間で平坦度を 100mm に対
し 50 ㎛以下、表面の粗さは 10 ㎛以下にして下さい。ヒートシンクの面が窪んでいる場合には、接触熱抵
抗(Rth(c-f))の増加を招きます。またヒートシンク面の平坦度が上記範囲外の場合、IGBT モジュールを取り
付けた時(締め付け時)IGBT モジュール内のチップと金属ベースとの間にある絶縁基板にストレスが加わ
り、絶縁破壊を生じる恐れがあります。
3.3 サーマルグリース塗布
接触熱抵抗を小さくするために、ヒートシンクと IGBT モジュールの取り付け面の間にサーマルグリー
スを塗布してモジュールを使用してください。
サーマルグリースの塗布方法についてはローラーでの塗布、ステンシルマスクを用いた塗布などがあり
ます。
サーマルグリースはフィンへの熱伝導を促進するものですが、それ自体熱容量をもっています。したが
って、適切な塗布厚に対して厚く塗布しすぎるとフィンへの放熱を妨げることになりチップ温度の上昇を
招きます。一方、サーマルグリースの厚さを適切な厚さに対して薄くした場合では、ヒートシンクとモジ
ュール間でコンパウンドの未接合部分が生じて接触熱抵抗が上昇する可能性があります。したがって、サ
ーマルグリースは適切な厚さで塗布しなければなりません。
サーマルグリースの塗布厚が不適切な場合にはフィンへの放熱が悪くなるため、最悪の場合にはチップ
温度が Tjmax を上回ることで破壊に至る可能性があります。
このような理由からサーマルグリースの塗布方法としてはモジュール裏面に均一な厚さでの塗布が可能
なステンシルマスクによる塗布方法を推奨します。
ステンシルマスクによるサーマルグリース塗布方法例の概略を図 6-11 に示します。基本的な方法は、所
定の重さのサーマルグリースをステンシルマスクによって IGBT モジュールの金属ベース面に塗布する方
法です。その後、サーマルグリースが塗布された IGBT モジュールをヒートシンクに各製品の推奨トルク
でネジを締め付けることによって、サーマルグリース厚を概ね均一にすることが可能となります。なお富
士電機が推奨するステンシルマスクのデザインは、お客様のご要望に応じて提供が可能です。
6-11
第6章 放熱設計方法
図 6-11 サーマルグリース塗布方法例の概略図
6-12
第6章 放熱設計方法
ここで、サーマルグリース厚が均一であると仮定した場合の必要な重さは次のように算出することがで
きます。
サーマルグリー
ス厚 (um)
=
サーマルグリースの重さ (g) x 104
モジュールのベース面積 (cm2) x サーマルグリースの密度 (g/cm3)
この式から必要なサーマルグリース厚に対する重さを求めて、その重さのサーマルグリースをモジュー
ルに塗布してください。ここでサーマルグリースが広がった後の厚さ(サーマルグリース厚)は約 100um
を推奨いたします。なおコンパウンドの最適な塗布厚は使用するコンパウンドの特性や塗布方法などによ
って変わりますので確認して使用してください。
表 6-1 に推奨サーマルグリースの一例を示します。
表 6-1 サーマルグリースの例
型名
製造メーカ
G746
信越化学工業㈱製
TG221
日本データマテリアル㈱製
SC102
東レダウコーニング㈱製
YG6260
東芝シリコーン㈱製
P12
Wacker Chemie
HTC
ELECTROLUBE
6-13
第6章 放熱設計方法
3.4 締め付け方法
IGBT モジュール取り付け時のネジの締め付け方を図 6-12 に示します。なお、ネジは規程の締付けトル
クで締め付けるようにして下さい。
規程トルクは仕様書中に記載されておりますので別途参照してください。このトルクが不足すると、接
触熱抵抗が大きくなることや、動作中に緩みが生じる恐れがあります。逆にトルクが過大の場合にはケー
スの破損等の恐れがあります。
押し出し方向
ヒートシンク
①
ネジ位置
②
モジュール
トルク
順序
1 回目(仮締め)
規程の 1/3 のトルク
①→②
2 回目(本締め)
規程のトルク
②→①
(1) 2 点取り付けタイプモジュールの場合
押し出し方向
ヒートシンク
①
③
ネジ位置
④
モジュール
②
トルク
順序
1 回目(仮締め)
規程の 1/3 のトルク
①→②→③→④
2 回目(本締め)
規程のトルク
④→③→②→①
(2) 4 点取り付けタイプモジュールの場合
図 6-12 IGBT モジュールの取り付け方法
6-14
第6章 放熱設計方法
3.5 IGBT モジュールの取り付け方向
押し出し型によって作られたヒートシンクに IGBT モジュールを取り付ける場合、図 6-12 に示すように、
ヒートシンクの押し出し方向と平行に、IGBT モジュールを取り付けるよう推奨します。これはヒートシン
クが変形する影響を少なくするためです。
3.6 温度の検証
ヒートシンクを選定し、IGBT モジュールの取り付け位置を決めた後、各部の温度を測定し、IGBT モジ
ュールの接合部温度(Tj)が定格あるいは設計値を越えないことを確認して下さい。
なお、ケース温度(TC)の正確な測定方法例を図 6-13 に示します。
モジュール
ネジ止め
ヒートシンク
穴をあけ,赤外線温度計
にて測定する
TC
Tf
図 6-13 ケース温度測定例
6-15
ご 注意
1. このカタログの内容(製品の仕様、特性、データ、材料、構造など)は 2015 年 3 月現在のものです。
この内容は製品の仕様変更のため、または他の理由により事前の予告なく変更されることがあります。このカタログに記載されて
いる製品を使用される場合には、その製品の最新版の仕様書を入手して、データを確認してください。
2. 本カタログに記載してある応用例は、富士電機の半導体製品を使用した代表的な応用例を説明するものであり、本カタログによっ
て工業所有権、その他権利の実施に対する保証または実施権の許諾を行うものではありません。
3. 富士電機(株)は絶えず製品の品質と信頼性の向上に努めています。しかし、半導体製品はある確率で故障する可能性があります。
富士電機の半導体製品の故障が、結果として人身事故,火災等による財産に対する損害や、社会的な損害を起こさぬように冗長設
計、延焼防止設計、誤動作防止設計など安全確保のための手段を講じてください。
4. 本カタログに記載している製品は、普通の信頼度が要求される下記のような電子機器や電気機器に使用されることを意図して造ら
れています。
・コンピュータ ・OA 機器 ・通信機器(端末) ・計測機器 ・工作機械
・オーディオビジュアル機器 ・家庭用電気製品 ・パーソナル機器 ・産業用ロボット など 5. 本カタログに記載の製品を、下記のような特に高い信頼度を持つ必要がある機器に使用をご予定のお客様は、事前に富士電機(株)
へ必ず連絡の上、了解を得てください。このカタログの製品をこれらの機器に使用するには、そこに組み込まれた富士電機の半導
体製品が故障しても、機器が誤動作しないように、バックアップ・システムなど、安全維持のための適切な手段を講じることが必
要です。
・輸送機器(車載、舶用など)
・幹線用通信機器
・交通信号機器
・ガス漏れ検知及び遮断機
・防災/防犯装置
・安全確保のための各種装置 ・医療機器
6. 極めて高い信頼性を要求される下記のような機器及び戦略物資に該当する機器には、本カタログに記載の製品を使用しないでくだ
さい。
・宇宙機器 ・航空機搭載用機器 ・原子力制御機器 ・海底中継機器
7. 本カタログの一部または全部の転載複製については、文書による当社の承諾が必要です。
8. このカタログの内容にご不明の点がありましたら、製品を使用する前に富士電機(株)または、その販売店へ質問してください。
本注意書きの指示に従わないために生じたいかなる損害も富士電機(株)とその販売店は責任を負うものではありません。
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