IGBTパワーモジュール冷却：ヒートシンク選定ガイド

Feb 20,2025

IGBTおよびパワーモジュールの冷却：大電流用ヒートシンクの選定

200 A/スイッチを流す1200 V IGBTモジュールは、通常ハーフブリッジあたり350〜700 Wの熱を放出し、そのヒートシンクは、ジャンクション温度を125 °Cの設計ポイント未満に保つためにケース温度を十分に低く抑える必要があります。これは通常、必要なシンク対周囲熱抵抗が0.05 K/W未満であり、強制空冷が標準であることを意味します。このような電力密度では、自然対流は選択肢になりません。設計上の問題は、どのくらいのフィン押出材が必要か、どのくらいの空気流量が必要か、そしていつ液体冷却に移行するかです。

パワーモジュールは小信号電子機器とは正反対です。損失は大きく、熱流束は高く、熱経路は短く貴重です。モジュール内部のジャンクション対ケース熱抵抗は小さく（多くの場合0.03〜0.1 K/W）、そのためケース対周囲側、つまりヒートシンクと空気流量が温度予算を支配します。これを誤って設計すると、モジュール自身の過熱保護が最悪のタイミングでドライブを停止させます。ここでは、実際の計算方法を説明します。

ステップ1：両方の種類の損失を数える

IGBT損失には2つの種類があります。導通損失は、飽和電圧×電流×デューティサイクルです：Pcond = Vce(sat) × I × duty。スイッチング損失は、1サイクルあたりのターンオンおよびターンオフエネルギー×スイッチング周波数です：Psw = (Eon + Eoff) × fsw。どちらもデータシートに記載されており、電流および電圧クラスに応じて変化します。

パラメータ	600 VクラスIGBT	1200 VクラスIGBT
定格電流時のVce(sat)、25 °C	1.5〜1.9 V	1.7〜2.2 V
1サイクルあたりのEon + Eoff（標準、25 °C）	2〜6 mJ	10〜40 mJ
最大ジャンクション温度	150 °C	150 °C
標準的な設計ジャンクション制限	125 °C	125 °C

重要なポイント：低スイッチング周波数では導通損失が支配的であり、飽和電圧の低いモジュールが有利です。高周波数ではスイッチング損失が支配的になり、モジュールの選択とゲート駆動がシンクよりも重要になります。いずれの場合も、シンクは合計の熱を処理するため、サイズを決める前に両方を計算してください。

ステップ2：200 Aでの設計計算例

各IGBTに200 A rms、デューティ50%で5 kHzでスイッチングする1200 Vモジュールを使用するドライブフェーズを考えます。導通損失：1.9 V × 200 A × 0.5 ≈ 190 W/スイッチ。スイッチング損失：5 kHzで35 mJ/サイクル ≈ 175 W/スイッチ。各IGBTは約365 Wを放散します。2つのスイッチとそれらのダイオードを備えたハーフブリッジモジュールは、合計で約800〜900 Wになります。これは、実際の産業用ドライブレッグが移動させなければならない熱量です。

予算項目	値
周囲温度（最悪のキャビネット）	40〜50 °C
設計ジャンクション温度	125 °C
モジュールのジャンクション対ケース熱抵抗	約0.05〜0.08 K/W
ケース対シンク（TIM + 平坦度）	約0.02〜0.05 K/W
シンク対空気の残り予算	0.03〜0.06 K/W

重要なポイント：約800 Wで利用可能な温度上昇が約70〜80 Kしかない場合、シンク対周囲熱抵抗は約0.04〜0.06 K/Wにする必要があります。パッシブ押出材ではこれを実現できません。自然対流係数では、数平方メートルのフィン表面積が必要になります。適切にダクト処理されたプロファイルに3〜6 m/sの強制空気を流せば、現実的な設置面積で到達できます。

ステップ3：電力密度による冷却方式の選択

以下の方式表は、ほとんどのパワーエレクトロニクス設計で使用される実用的なセレクターです。小型モジュールと低損失は自然対流で対応できます。モジュールあたり数百ワットを超えるものはすべて強制空冷に移行し、高密度スタックは液体冷却になります。

モジュールあたりの消費電力	標準的な方式	シンク要件
約100 W未満	自然対流、十分なフィン	0.3〜1.0 K/W
100〜300 W	強制空冷、2〜4 m/s	0.1〜0.3 K/W
300〜1000 W	ダクト付き強制空冷、3〜6 m/s	0.02〜0.1 K/W
約1 kW以上または高温環境	液体コールドプレート	0.005〜0.02 K/W

重要なポイント：境界は厳密ではありませんが、明確です。パッシブシンクで約0.1 K/W未満が必要になった時点で、フィンを追加するのをやめ、ファンとダクトを追加してください。追加の1 m/sの風速は、さらに100 mmのアルミニウムよりも価値があります。

モジュールとシンクのインターフェースは設計が失敗する箇所

パワーモジュールは、他のどの箇所よりもインターフェースで冷却を無駄にします。ベースプレートはシンクベースに平らに設置する必要があります。モジュールのベースプレートの平坦度は通常0.05 mm以内に指定されており、シンクの取り付け面はそれに一致するか、それよりも優れている必要があります。ここでCNC加工されたシンクベースがその価値を発揮し、接触面を平坦に保つことでTIMが機能します。フライス加工された平坦なベースプレートポケットを備えたCNC加工ヒートシンクは、まさにこの理由から高出力モジュールの標準となっています。

実際に重要なインターフェースのルール：モジュールの電圧絶縁要件を満たす定格のサーマルパッドまたはグリースを使用し（多くのモジュールはベースプレートとシンク間の絶縁が必要です）、メーカー指定の取り付けトルクを指定された順序で適用し、表面が「平らに見える」からといってTIMを省略しないでください。ドライジョイントは0.1〜0.3 K/Wを追加し、500 Wでジャンクション温度を静かに30〜50 K上昇させる可能性があります。

強制空冷では、より大きなフィンよりもダクトの方が効果的

開放されたフィンブロックにファンで風を当てると、空気の大部分が端から逃げて無駄になります。ファンをフィンブロックにシュラウドで密閉して、すべての空気がチャネルを通過するようにし、出口を塞がないようにしてください。ダクト処理された3 m/sの流れは、ダクト処理されていない5 m/sの送風よりも通常優れています。圧力損失に注意してください。2〜3 mmギャップの密なフィンは表面積の点で魅力的ですが、ファンがストールすると、モジュールはより広いフィンと適正な空気流量の場合よりも高温になります。

現場での2つのチェック：シンク全体の空気温度上昇を測定します（適切に設計されたシステムでは、全負荷時に約15〜20 K未満である必要があります）。また、計算されたケース温度に対して熱電対でシンクベース温度を検証します。ベース温度が予測に近くない場合、原因はフィンではなくインターフェースです。

押出加工ではなく機械加工を選択する場合

押出プロファイルは、冷却コストあたりのコストが量産時に最も低く、厚いベースを備えた400〜800 mmの長さの押出ヒートシンクは、モジュールの列を美しく支えるため、パワーモジュールシンクのデフォルトです。しかし、モジュールには特殊な穴パターン、埋め込みインサート、段付きベースプレートがある場合があります。ここでCNC機械加工が、押出プロファイルでは提供できないポケット、ざぐり穴、正確なベース平坦度を追加します。ヒートシンクタイプガイドでは、各プロセスがいつ最適かを説明しています。東莞にある当社のような両方を実行する工場では、同じ部品を両方の方法で見積もることができるため、実際のコスト比較点がわかります。

よくある質問

Q：IGBTモジュールは大電流時に実際にどのくらいの熱を放散しますか？

A：導通損失（Vce(sat) × 電流 × デューティ）とスイッチング損失（スイッチングエネルギー × 周波数）を加算します。200 A、5 kHzの1200 Vモジュールは、スイッチあたり約350〜400 Wになります。したがって、ダイオードを含むフルハーフブリッジは800 Wを超える可能性があります。これがシンクが移動させなければならない数値です。

Q：600 Wのパワーモジュールにはどの程度の熱抵抗のヒートシンクが必要ですか？

A：設計ジャンクション125 °C、周囲温度50 °C、モジュールとインターフェース内部で約0.1 K/Wの場合、シンク対空気の予算は約0.03〜0.05 K/Wになります。これには、大型のフィン付き押出材に3〜6 m/sのダクト付き強制空冷が必要です。パッシブ冷却では到達できません。

Q：IGBTモジュールを自然対流で冷却できますか？

A：モジュールの消費電力が約100 W未満の場合のみ可能です。それを超えると、必要なシンク対周囲熱抵抗は約0.2〜0.3 K/W未満に低下し、パッシブフィンでは実用的な範囲で実現できません。フィン面積を増やす前に、ファンとダクトを追加してください。

Q：パワーモジュールのヒートシンクにとって、ベースプレートの平坦度がそれほど重要なのはなぜですか？

A：モジュールのベースプレートとシンク面は、熱インターフェース層を薄く均一に保つために、約0.05 mmの平坦度で指定されています。反った接触面はTIMを局所的に厚くし、0.1〜0.3 K/Wを追加し、全負荷時にジャンクション温度を30〜50 K上昇させる可能性があります。

Q：IGBTで強制空冷から液体冷却にいつ移行すべきですか？

A：モジュールあたりの消費電力が約1 kWを超えた場合、または周囲温度が高くエンクロージャーによって空気の流れが制限されている場合です。液体コールドプレートは0.005〜0.02 K/Wに達し、同等サイズの空冷フィンブロックよりも数倍優れています。

heat-sink-types-extruded-vs-cnc-vs-stamped-vs-skived — BQUQサーマルマネジメントエンジニアリングシリーズより。
air-cooling-vs-liquid-cooling-electronics — BQUQサーマルマネジメントエンジニアリングシリーズより。
led-heat-sink-selection-guide — BQUQサーマルマネジメントエンジニアリングシリーズより。