熱回路

スイッチング損失および導通損失の算出

Heat sink

熱マネジメントは、パワーエレクトロニクスシステムの設計において重要な項目です。 近年のパッケージ集約化により、パワエレ機材の小型化および電力密度の増加が進み、より重要な問題となっています。 PLECS では、電気回路設計の上流工程において、熱シミュレーションを組み込む事によって、 各適用分野における適切な冷却手法を、設計初期段階から検討することが可能です。 PLECS では理想スイッチを使用して損失を算出するため、シミュレーション速度にも影響を与えません。

PLECS では、パワー半導体のスイッチング損失として、スイッチング時に生じる、 各素子の詳細な電流・電圧値(非定常)を用いる代わりに、 パワー半導体の、各スイッチング条件における動作特性をパラメータとして、 予めテーブル入力(順電流、耐圧電圧、ジャンクション温度)により設定し、シミュレーションに適用します。 3D-ルックアップ・テーブルにより入力される、このパラメータ値は、スイッチング時のエネルギー(電力)損失として参照されます。 パワー半導体スイッチング・デバイスが、ターン・オン条件になると、デバイスの電流値と温度値により、電力損失は算出されます。

PLECS は、理想スイッチによる電気回路シミュレーションと、詳細な損失パラメータを組み合わせることによって、 高速かつ正確で、効率的な電力損失シミュレーションを可能にします。 3D-ルックアップ・テーブルの損失データは、PLECS に実装されている熱設定ファイル・エディタによって、 視覚的に編集・確認することが可能です。

ヒートシンクの概念

熱シミュレーションを実行するうえで、最も重要な熱回路コンポーネントは、半透明な青色で表示されるヒートシンクになります。 ヒートシンクは、ヒートシンクにより囲まれた境界内のコンポーネントから生じる熱損失を全て吸収すると同時に、 ヒートシンク内を等温条件にするために、各コンポーネントへの温度伝播もおこないます。

熱等価回路

あるヒートシンクから他のヒートシンク、もしくは雰囲気温度への熱伝達は、 ヒートシンクに接続された、熱等価回路の、熱抵抗および熱容量によってモデリングされます。 必要であれば、より詳細な熱伝達モデルを実装し、 複雑な熱伝達システムを検討することも可能です。

半導体メーカーから入手可能なPLECS熱設定ファイル

下記表はPLECS用半導体熱損失モデルを配布している半導体メーカーです:

企業名 デバイス種類 リンク/連絡先
ABB IGBT insulated modules Link
  IGBT press-pack modules Link
  IGCTs Link
  fast recovery diodes Link
Dynex IGBTs, fast recovery diodes Link
GaN Systems MOSFETs Link
Infineon Discrete IGBTs (limited set) Link
  IGBT IPMs Infineon Technical Assistance Center
Rohm Semiconductor SiC power modules Link
Wolfspeed MOSFETs, modules, diodes Link