放熱板、放熱器(ヒートシンク)の放熱設計法(モバイル)

放熱板、放熱器(ヒートシンク)の放熱設計法

　半導体の放熱器（放熱板）(ヒートシンク)の設計方法は、個人で回路を作る場合、解り難いものです。適当な放熱板を付けて、動作させてみて、放熱板にさわってあまり熱くなければ、それで良しとする場合が多いのではないでしょうか。
　そんな方法でも良いでしょうが、正式な放熱設計方法を紹介してみたいと思います。

熱抵抗とは

　熱抵抗とは、熱が移動している2点間の1W当りの温度差を言い、熱の伝わりにくさを表しています。単位は[度C/W]です。放熱器の設計にはこの熱抵抗という概念を使います。電気抵抗と同じような考え方です。電圧に相当するのが2点間の温度差で、電流に相当するのが移動している熱（損失した電力）です。

熱抵抗の模式図で
Tj　---半導体のジャンクション（接合部）温度
Tc　---半導体のケース温度
Tｆ　---放熱器の温度
Ta　---空気中の温度
θj-c　---半導体（トランジスター）の熱抵抗
θc-f　---絶縁物やシリコングリスの熱抵抗
θf-a　---放熱器の熱抵抗
とするとこれらの熱抵抗を加えたものが全体の熱抵抗（半導体の接合部から空気中まで）　θj-a　となります。
θj-a　=　θj-c　+　θc-f　+　θf-a
　絶縁物とかシリコングリスの熱抵抗までは、個人が作る物ではそう考慮しなくても良いと思います。約0.5～2[゜C/W]位ですから、無視出来なければ考慮して下さい。
　全体の熱抵抗　θj-a　とコレクタ損失（半導体の熱損失）　Pc　を乗算したものが、ジャンクションの温度上昇ΔT　[゜C]になります。これに周囲温度　Ta　を加えたものが、ジャンクション温度　Tj　になります。
ΔT　=　θj-a　*　Pc
Tj　=　θj-a　*　Pc　+　Ta
ジャンクションの温度は最大定格より十分低くなるように余裕をもって設計して下さい。
　直流の場合は半導体の発熱量（コレクタ損失Pc）は簡単に計算出来ますが、スイッチング素子等の場合は簡単に計算出来ません。この時は、熱抵抗の解っている放熱板で温度を測定して、発熱量を逆算します。

半導体（トランジスター）単体の熱抵抗の計算方法

　半導体（トランジスター）の熱抵抗はトランジスターの規格表には表示してないので、規格表から計算しなければなりません。
トランジスターの規格表の最大定格の例を次に示します。
Pc=25W（Tc=25゜C）　Tj=150゜C
となっていたとします。この場合のトランジスターのジャンクションとケース間の熱抵抗　θj-c　を計算します。
　トランジスターが最大定格の点で動作している時を想定します。無限大の理想放熱器を付けたトランジスターのケース温度が25度で、コレクタ損失が25Wでこの時のジャンクション温度が150゜Cですから、
θj-c　=　(150-25)/25　=　5　[゜C/W]
これが半導体（トランジスター）単体の熱抵抗となります。
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