電源回路の実装の注意点

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徹底図解★はじめての電源回路設計 Q & A 集
第
5
章
保護回路や熱 /ノイズ対策の常識を身に付けよう
電源回路の実装の注意点
5- 1
考え方をマスタして，
しっかり計算できるようになろう
半導体の使用温度と熱抵抗，許容損失の考え方は？
パワー回路に使用するパワー・デバイスは，絶対最
大定格で使用温度が決められています．ほとんどの半
導体はチャネル（ジャンクション）温度が 150℃までで
す．2SK3911（ 東芝）の絶対最大定格を 表1 に示しま
す． 表1 の絶対最大定格から，チャネル温度が 150
で，デバイスの損失とケース温度が分かればチャネル
温度が分かります．例えば，2SK3911 のデバイス損失
PD が 60 W で，ケース温度 TC が 50℃のとき，チャネ
ル温度T ch ［℃］は，
℃を超えて使用することはできないことが分かります．
また，機器の信頼性を保つために，絶対最大定格に
余裕を持った値
（ディレーティング）で使用します．一
般的にチャネル温度のディレーティングは 80 % 以下
とするので，150℃× 0.8 ＝ 120℃以下のチャネル温度
で使用します．
から，
（0.833℃/W × 60 W）
＋ 50℃≒ 100℃
● チャネル温度の求め方
表2 に示すチャネル−ケース間熱抵抗は， 図1 の
ように，チャネルとケース間の熱抵抗を示しているの
表1
T ch ＝R th（ch−c）×P D ＋T C
（5−1）
となります．
表2 に示すチャネル−外気間熱抵抗は， 図2 のよ
うに，デバイス単体で使用した場合の熱抵抗を示して
います．つまり，周囲温度 T a が 30℃で，デバイス損
失P D が 1.5 W の場合，
T ch ＝R th（ch−a）×P D ＋T a
図1
チャネル−ケース間熱抵抗
チャネル-ケース間熱抵抗
（0.833℃/W）
（1）
MOSFET 2SK3911 の絶対最大定格
（Ta ＝ 25℃）
記号
定 格
単位
ドレイン−ソース間電圧
項 目
VDSS
600
V
ドレイン−ゲート間電圧
（R GS ＝ 20 kΩ）
VDGR
600
V
ゲート・ソース間電圧
VGSS
± 30
V
DC
ID
20
A
パルス
IDP
80
A
許容損失
（T c ＝ 25℃）
PD
150
W
EAS
792
mJ
IAR
20
A
ドレイン電流
アバランシェ・エネルギー
（単発）
アバランシェ電流
アバランシェ・エネルギー
（連続）
チャネル
図2
EAR
15
mJ
チャネル温度
Tch
150
℃
保存温度
Tstg
− 55 ∼ 150
℃
チャネル−外気間熱抵抗
チャネル-外気間熱抵抗
（50℃/W）
外気温度
チャネル
表2
（1）
MOSFET 2SK3911 の熱抵抗特性
記 号
最 大
単位
チャネル−ケース間熱抵抗
項 目
Rth（ch − c）
0.833
℃/W
チャネル−外気間熱抵抗
Rth（ch − a）
50
℃/W
74
第 5 章 電源回路の実装の注意点
ケース温度
ケース-外気間熱抵抗
（49.167℃/W）
チャネル-ケース間熱抵抗
（0.833℃/W）
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図3
（50℃/W × 1.5 W）＋ 30℃＝ 105℃
（5−2）
基礎編
から，
（1）
ケース温度−許容損失のグラフ
200
熱抵抗とは熱の伝わりにくさを表し，電気抵抗の計
算で使うオームの法則と同じ計算式で算出できます．
熱計算をオームの法則に置き換えると，熱抵抗は電気
抵抗，損失は電流，温度は電圧となります．
にチャネル−ケース間熱抵抗が記載されていない場合，
160
120
80
40
0
0
40
チャネル−ケース間熱抵抗は，絶対最大定格の許容損
80
120
ケース温度 TC ［℃］
160
200
失とチャネル温度から計算することもできます．絶対
最大定格にはケース温度 T C が 25℃時の許容損失 P D
（150 W）と最大チャネル温度T ch（150℃）が記載されて
います．
従って，T C ＝ 25℃時は絶対最大定格に記載されて
いる許容損失まで許容され，T C ＝ 150℃時は損失が
0 W である必要があります．
つまり，最大チャネル温度を T ch max［℃］，許容損
失を定義しているケース温度TC ［℃］
，許容損失をPD
［W］
，熱抵抗をR th（ch−c）
［℃ /W］とすると，
（T ch max −T C ）
÷P D ＝R th（ch−c）
から，
（150℃− 25℃）÷ 150 W ＝ 0.833℃/W
（5−3）
と計算できます．この式をグラフにしたのが， 図3
に示すケース温度−許容損失のグラフです．
● 許容損失の求め方
デバイス周囲温度が 40℃になる環境で使用する機
器で，2SK3911 を放熱器に取り付けないで使用する場
合，許容損失は，
［（150℃× 0.8）
− 40℃］
÷ 50℃/W ＝ 1.6 W （5−4）
となります．
なお，デバイスのケース温度は， 図1 のように，
放熱器に取り付ける面で規定しています．型式などの
印刷面は，データシートに記載されている熱抵抗とは
異なるので注意が必要です．
〈浅井 紳哉〉
引用文献
（1）2SK3911 データシート，㈱東芝．
column
パッケージと熱抵抗の例
電源 IC でよく使用されているパッケージと，そ
の熱抵抗の例をいくつか示します．ただし，同じパ
ッケージでも内部構造などによって熱抵抗は大きく
異なりますから，この例はあくまでも参考として見
てください．実際の熱抵抗は，必ずそれぞれの IC
のデータシートで確認が必要です．
〈宮崎 仁〉
● TO220 パッケージの例
［TL2575 シリーズ 1 A 降圧型 DC−DC コンバータ（TI）
］．
放熱タブのある挿入実装用パッケージ．データシートより．
● SOT23 パッケージの例
［TPS62200シリーズ 300 mA 降圧型DC−DCコンバータ
（TI）
］
．
0.95 mm ピッチの面実装用パッケージ．データシートより．
熱抵抗
チャネル−放熱タブ下端
Rth（ch−c）
0.38℃/W
熱抵抗
チャネル−外気
Rth（ch−a）
26.5℃/W
許容損失
10.16mm
4.55mm
チャネル−外気
Rth（ch−a）
250℃/W
TA ＝ 25℃
PD
400 mW
5
4
3.84mm
15.37mm
1.6mm
1
1 2 34 5
2
2.8mm
3
2.9mm
5-1 半導体の使用温度と熱抵抗，許容損失の考え方は？
75
実践編
● ケース温度−許容損失の関係
使用するデバイスのデータシートに， 表2 のよう
許容損失 PD ［W］
となります．