シャーシ内のパワー MOSFET の熱設計ガイドラインの作成

MOSFET はエレクトロニクス分野で広く普及しており、その性能は設計の熱特性に大きな影響を与えます。 その影響を物理的に評価することは困難な場合がありますが、図 1 に示すように、Ansys などの企業のソフトウェア ツールを使用して熱流をシミュレーションすることで、厳密にモデル化することができます。

時間とコストの制約により、考えられるすべての熱条件を表す評価ボードを開発することは困難です。 ただし、適切に設計されたシミュレーションにより、空気の流れと追加の冷却調整についての深い洞察が得られます。 このようなモデルは適応性が高く、さまざまな条件の研究が可能であり、評価ボードに関連するコストもかかりません。

この記事では、密閉シャーシ内の MOSFET の熱挙動のシミュレーション モデリングについて説明します。 以下の影響を調査します。

シミュレーションの結果が提示され、その後、それらの結果に基づいた設計の推奨事項が提示されます。

この記事では、異なるシャーシ寸法、PCB 寸法と構造、追加コンポーネントの有無で構成される 2 つの異なる設計モデルを検討します。

シミュレーションには 2 種類のシャーシ モデルが使用されます。

モデル 1 の PCB は 100 × 180 × 1.6 mm で 4 層です。 上部、底部、および内層のトレースの厚さはすべて 35 μm です。

モデル 2 の PCB は 125 × 175 × 1.6 mm で 4 層です。 このモデルの上部、底部、および内層トレースの厚さは、それぞれ 70、70、および 35 μm です。

すべての PCB ボードは FR4 で作られており、トレースの銅の割合は 80% に設定されていることに注意してください。 ボードの上部にはソルダー レジスト層がなく、シミュレーション設定にはその層の影響を補償する放射率のみが含まれます。 さらに、ボードにはスルーホールやサーマルビアがありません。

MOSFET のモデルは、チップ サイズ 4 × 4 × 0.25 mm、リードの厚さ 0.6 mm、モールド 16 × 20 × 4.4 mm の TO-247 パッケージに基づいています。 解析時間をより最適化するために、MOSFET は、ボンディング ワイヤとはんだを省略した、モールド、チップ、リードの 3 つの部品を使用してモデル化されます。 結果は直方体に非常に近似します。

モデル 2 には、IC デバイス、インダクタ (コイルとトランス)、電解コンデンサも含まれます。 インダクタと IC デバイスは、発熱デバイスではなく空気流に対する抵抗としてモデル化されています。 このモデルの典型的なレイアウトを図 3 に示します。

シミュレーションでは 40 × 40 mm のファンが使用され、さまざまな PQ (圧力-体積) 曲線が組み込まれて表現されています。

シャーシの壁に取り付けられたグリルは、ファンを吸引ファンまたは送風ファンとして使用することにより、吸気口または排気口として構成できます。 グリルの開口率は 1.0 であることに注意してください。

このシミュレーションは最も単純なケースであり、熱源として単一の MOSFET (消費電力 2 W) を備えたモデル 1 を使用します。 シャーシ内のさまざまな位置に配置された 1 つの MOSFET と、さまざまなファンおよびグリルの配置の熱挙動をしっかりと理解することは、残りのシミュレーションの開始点として役立ちます。

図 4 は、MOSFET、グリル、ファンの位置のさまざまな組み合わせを示しています。

Ansys ソフトウェアを使用して取得したエアフローの結果を、A1、A2、A3、A4、および A5 のデバイス配置について図 5 に示します。 ここでは、ファンが位置 A に、グリルが位置 C に配置されています。

このシミュレーションと残りのすべてのシミュレーションの MOSFET 熱抵抗は、次の方程式に従って計算されます。

熱抵抗 = (シミュレートされたチップの平均温度 – 周囲温度) / 消費電力

デバイス、グリル、ファンの配置の考えられるすべての組み合わせの結果によると、ファンからグリルに直接つながる経路に沿って MOSFET を配置することが最も効果的なアプローチであることがわかります。

次に、合計 25 個の MOSFET をモデルに配置し、モデル 1 の左下 (ファン位置 A) にファン、右上隅 (グリル位置 C) にグリルをそれぞれ配置して同時に電源をオンにします。