ジャンクション温度はどう求めますか？

定常なら、損失に接合部から周囲までの熱抵抗を掛けて周囲温度に足します。例では損失20 W、熱抵抗2.0 K/W（接合部–ケース1.0、ケース–周囲1.0）、周囲40 ℃で80 ℃でした。損失が時間で変わる場合は、過渡熱インピーダンス（時間とともに増える熱抵抗）を使います。

パルス動作で平均電力を使ってはいけないのはなぜですか？

チップは小さく熱容量が小さいので、パルスの間に温度が上がり、休みの間に下がります。周波数が低いほど1回のパルスが長くなり、温度の振れが大きくなります。例では平均10 Wでも、10 Hz・デューティ10%のパルスでは最大の温度上昇が56.5 Kで、平均電力から見積もった20 Kの2.8倍でした。

過渡熱インピーダンスはどう使いますか？

データシートのZth曲線やフォスター回路の定数から、パルスの長さに応じた熱抵抗を読み取ります。例では1 msのパルスでZthは0.178 K/W、10 msで0.437 K/Wでした。単発の短いパルスなら定常の熱抵抗よりずっと小さな値で済みますが、繰り返しのときは重ね合わせで最大値を求めます。

ジャンクション温度の予測

カテゴリ: 電子機器の冷却 | 2026-10-01 改稿

CAE visualization for junction temperature theory - technical simulation diagram

ジャンクション温度予測

理論：定常と過渡の熱抵抗

概要

🙋

モータ駆動のMOSFETの平均損失は10 Wで、熱抵抗から計算すると余裕があるはずなのに、故障しました。なぜでしょう？

🎓

損失が一定でなく、パルス状に出ていたからかもしれない。半導体のチップは小さくて熱容量が小さいから、電流が流れている短い間に温度がぐっと上がり、休みの間に下がる。平均の損失に熱抵抗を掛けた値は、その振れの真ん中あたりの温度しか表さない。本当に効くのは最大の温度で、パルスの周波数が低いほど1回が長くなり、振れが大きくなる。過渡熱インピーダンスを使えば、この最大の温度を計算できるんだ。

過渡熱インピーダンス

$$ T_j = T_a + P\,R_{th,ja}\ (\text{steady}), \qquad Z_{th}(t) = \sum_i R_i\left(1 - e^{-t/\tau_i}\right) $$

過渡熱インピーダンス $Z_{th}$ は、一定の電力を入れ始めてから時間 $t$ 後の温度上昇を電力で割ったもの。データシートでは、熱抵抗 $R_i$ と時定数 $\tau_i$ の組（フォスター回路）で表されることが多い。十分時間がたつと定常の熱抵抗に一致する。

繰り返しパルスの最大温度

$$ \Delta T_{peak} = \sum_i P\,R_i\,\frac{1 - e^{-t_{on}/\tau_i}}{1 - e^{-t_{on}/\tau_i}\,e^{-t_{off}/\tau_i}} $$

オンの時間 $t_{on}$ とオフの時間 $t_{off}$ を繰り返すときの、落ち着いた後の最大の温度上昇。時定数ごとに重ね合わせて求める。

Coffee Break よもやま話

温度で決まる半導体の寿命

半導体の故障の多くは、温度が高いほど速く進む化学的・物理的な劣化による。1960年代から、故障率は温度が10 ℃上がるとおよそ2倍になる、という経験則がよく使われてきた（アレニウスの式による）。さらにパワー半導体では、温度が上下するたびにチップとはんだ・ワイヤの熱膨張の差でひずみが生じ、繰り返すとワイヤの接合がはがれる。だから、平均の温度だけでなく、最大の温度と温度の振れ幅の両方を見積もることが寿命の設計の基本になっている。

計算例：MOSFETの温度

接合部–ケースのフォスター回路（0.05 K/W・0.1 ms、0.15・1 ms、0.30・10 ms、0.50・100 ms、合計1.0 K/W）と、ケース–周囲（ヒートシンク込み）1.0 K/W・60 s。周囲40 ℃。

動作	熱抵抗・インピーダンス	温度上昇	ジャンクション温度
定常 20 W	2.0 K/W	40.0 K	80.0 °C
単発 100 W・1 ms	0.178 K/W	17.8 K	57.8 °C
単発 100 W・10 ms	0.437 K/W	43.7 K	83.7 °C
100 W・10%・1 kHz（平均10 W）	—	23.6 K	63.6 °C
100 W・10%・10 Hz（平均10 W）	—	56.5 K	96.5 °C

🙋

同じ平均10 Wなのに、周波数が低いと温度上昇が2倍以上になるんですね。

🎓

平均電力×熱抵抗の見積もりはどちらも20 Kだけど、1 kHzでは1回のパルスが0.1 msと短く、チップの温度が上がりきる前に休みに入るから、振れが小さく23.6 Kで済む。10 Hzでは1回が10 msもあって、チップの時定数（10 ms程度）と同じくらい長いから、パルスの間に大きく温まり、最大56.5 Kまで上がる。低い周波数の間欠運転、例えばモータの起動や停止の繰り返しは、チップにとって厳しい条件なんだ。温度の振れ幅は、はんだやワイヤの疲労の寿命にも直結するよ。

予測の進め方

運転パターンから損失の時間変化（導通損失・スイッチング損失）を求める。
データシートや熱解析からZthまたはフォスター回路の定数を得る。
ケースから周囲まで（熱界面材料・ヒートシンク）の熱抵抗と時定数を加える。
重ね合わせで最大温度と温度の振れ幅を求める。
最大温度を定格と比べ、振れ幅からパワーサイクルの寿命を見積もる。

Coffee Break よもやま話

「平均では余裕だったのに」

フォークリフトのモータ駆動の基板で、平均損失から計算したジャンクション温度は100 ℃ほどで定格の150 ℃に余裕があったのに、実機でMOSFETが壊れた——という例がある。荷物を持ち上げる数秒間だけ大電流が流れ、その間の損失は平均の5倍以上あった。過渡熱インピーダンスで計算し直すと、持ち上げの最後にはジャンクション温度が定格を超えていた。熱の計算は、平均ではなく、最も厳しい運転の数秒から数十秒を見ることが大事だ。

よくある間違い

間違いと対策

間違い	起きること	対策
パルスに平均電力	最大温度を過小評価	Zthで重ね合わせ
θJAをそのまま使う	実際の基板と条件が違う	実装条件で熱解析
ケース温度からθJCで推定	上面温度からでは過大	ΨJTを使う
最悪の運転を見ない	短時間の過熱	数秒〜数十秒の最悪条件
温度の振れ幅を無視	疲労の寿命を見落とす	パワーサイクル評価

🙋

関連する内容も知りたいです。

🎓

ヒートシンク設計ツールで冷却側を試せるよ。関連するページは熱抵抗、ヒートシンクの設計、パワーモジュールの冷却、簡易熱モデル、熱界面材料が参考になる。