ヒートシンクの選び方（基礎編）
1. 熱抵抗とは?
ヒートシンクの選定で重要な「熱抵抗」とは、“熱が伝わるときの“抵抗“を意味します。ヒートシンクを選定するとき、採用するパワー半導体とともに、どんな形でどの大きさのものが良いかの目安になるものです。
イメージ的には電気回路における「抵抗」と似ています。世の中には熱が伝わりやすい物質、そうでない物質がありますよね。熱が伝わりやすい物質は熱抵抗が小さく、熱が伝わりにくい物質は熱抵抗が大きくなります。
熱抵抗の単位は 「℃/W（摂氏度/ワット）」 です。この単位は、1ワットの熱を伝えるときにどれだけ温度が上昇するかを表します。たとえば、熱抵抗が2℃/Wのヒートシンクでは、10Wの熱を伝えるときに20℃の温度上昇が起こります。
初心者解説！
ワット（W）とは？
電力の単位で、1ワット（W）は1秒間に1ジュール（J）のエネルギーを消費または発生することを意味します。
ヒートシンクの場合、半導体素子が発生する熱エネルギー（電力損失）を表すのに使われます。
電流I(A)、電圧(V)、電気抵抗R(Ω)とすると、
Wは、W=I×V＝IR2=V2/Rでも求めることができます。
具体例でイメージ
熱抵抗を具体例でイメージしてみましょう。
熱抵抗の場合
- 熱抵抗が高い：熱が伝わりにくく、物体が冷えにくい。
例）プラスチック、断熱材
- 熱抵抗が低い
熱が効率よく外部に逃げるため、物体が早く冷えます。
例) 銅、アルミ
2. 理解しておきたい3つの熱抵抗
パワー半導体内部で発生する熱を冷却するためにヒートシンクを通して空気中に熱が伝わる過程で以下の3つの部分で熱抵抗を考えます。
①ジャンクション(接合部)―ケース間熱抵抗：Rj-c[℃/W]
半導体素子の内部（接合部）から、素子のケースに熱が伝わるときの抵抗です。
- 接合部の許容温度：Tj[℃]
この温度を超えると半導体素子が壊れてしまうため、このTjを超えないようにしなければなりません。
※一般的にはパワー半導体データシートに記載しています。
- ケース表面の温度：Tc[℃]
- この間の熱抵抗 Rth(j-c)=Tj-Tc/P [℃/w]
※ この値はパワー半導体素子固有のもので、メーカーがデータシートで提供しています。
②ケース－ヒートシンク間熱抵抗：Rth(c-f) [℃/W]
半導体素子をヒートシンクに取り付けた際、素子のケースから伝熱グリスを通してヒートシンクまでに発生する抵抗です。
この部分には「接触熱抵抗」と呼ばれるものがあり、接触面の状態や、伝熱グリスの使用状況によって値が変わります。
※ この値もパワー半導体メーカーが提供していることが多いです。
③ヒートシンクー空気間熱抵抗：Rth(f-a) [℃/W]
ヒートシンクの表面から、周囲の空気に熱を放出する際に発生する抵抗です。
- ヒートシンク表面の温度：Tf[℃]
- 周囲温度：Ta[℃]
※この値はヒートシンクメーカーが提供しています。
当社製ヒートシンクもデータを取り揃えていますのでお気軽にお問い合わせください。
上記をまとめると、以下の式が成り立ちます。
Tj-Ta/P=Rj-c + Rc-f + Rf-a
3. 電気抵抗との比較で考える
少し難しかったでしょうか。熱抵抗は電気抵抗と比較すると理解しやすくなります。
電気抵抗は、電流が電線や回路を通るときにどれだけ妨げられるかを示します。有名なオームの法則と比較して考えたいと思います。
電気抵抗：R（オーム, Ω）
電圧（V）と電流（I）の関係は、オームの法則で表されます：
V/I=R
熱抵抗：Rth（℃/W）
熱抵抗は、温度差（ΔT）と発生損失（P）の関係を以下の式で表します：
ΔT/P = Rth
つまり、先ほどの式を電気抵抗と比較すると、温度上昇ΔＴは電圧Ｖ、発生損失Ｐは電流Ｉ、熱抵抗Rthは電気抵抗Rと対比して考えることができます。
電気抵抗の場合： V1-V4/I=R1 + R2 + R3
熱抵抗の場合： Tj-Ta/P=Rj-c + Rc-f + Rf-a
