【MOSFETの絶対最大定格】『許容損失』について！

この記事ではMOSFETの『許容損失P_D』について

MOSFETの『許容損失P_D』とは
MOSFETの『P_D-T_C特性(電力軽減曲線)』

などを図を用いて分かりやすく説明するように心掛けています。ご参考になれば幸いです。

MOSFETの『許容損失P_D』とは

MOSFETの許容損失P_Dとは、チャネル温度T_chが絶対最大定格に達する時の消費電力です。許容損失の記号はデータシートにより異なりますが、『P_D』や『P_d』や『P_T』や『P_tot』や『P』で表されることが多いです。

『TO-220等のヒートシンクを取り付けることが可能なパッケージ』や『TO-252等の裏面放熱が可能であるパッケージ』の場合、データシート上に記載されている許容損失P_Dは『ケース温度T_C=25℃』を基準にしています。

そのため、ケース温度T_Cが『25℃』から『チャネル温度の絶対最大定格T_ch(MAX)』に達する時の消費電力がデータシート上に記載されている許容損失P_Dの値であり、熱抵抗R_th(ch-c)を用いると次式で表されます。

許容損失の理論式

\begin{eqnarray}
P_{D}=\frac{T_{ch(MAX)}-T_c}{R_{th(ch-c)}}=\frac{T_{ch(MAX)}-25{\mathrm{[{^{\circ}C}]}}}{R_{th(ch-c)}}\tag{1}
\end{eqnarray}

上図に示しているのは東芝製NチャネルMOSFET(2SK4017)の絶対最大定格と熱抵抗特性です。データシートに記載されているチャネル温度の絶対最大定格T_ch(MAX)と「チャネル-ケース間」の熱抵抗R_th(ch-c)は以下の値になっていることが確認できます。

チャネル温度の絶対最大定格T_ch(MAX)=150[℃]
「チャネル-ケース間」の熱抵抗R_th(ch-c)=6.25[℃/W]

上記の値を(1)式に代入すると、許容損失P_Dは以下の値となり、データシート上に記載されている許容損失P_Dの値と一致していることが分かります。

\begin{eqnarray}
P_{D}&=&\frac{T_{ch(MAX)}-25{\mathrm{[{^{\circ}C}]}}}{R_{th(ch-c)}}\\
\\
&=&\frac{150{\mathrm{[{^{\circ}C}]}}-25{\mathrm{[{^{\circ}C}]}}}{6.25{\mathrm{[{^{\circ}C}/W]}}}\\
\\
&=&20{\mathrm{[W]}}\tag{2}
\end{eqnarray}

なお、データシートには「チャネル-大気間」の熱抵抗R_th(ch-a)も記載されています。データシートに記載されている「チャネル-大気間」の熱抵抗R_th(ch-a)は以下の値になっていることが確認できます。

「チャネル-大気間」の熱抵抗R_th(ch-a)=125[℃/W]

上記の値を(1)式に代入すると、放熱板を取り付けない状態における許容損失P_Dを求めることができます。

\begin{eqnarray}
P_{D}&=&\frac{T_{ch(MAX)}-25{\mathrm{[{^{\circ}C}]}}}{R_{th(ch-a)}}\\
\\
&=&\frac{150{\mathrm{[{^{\circ}C}]}}-25{\mathrm{[{^{\circ}C}]}}}{125{\mathrm{[{^{\circ}C}/W]}}}\\
\\
&=&1{\mathrm{[W]}}\tag{3}
\end{eqnarray}

放熱板を取り付けない場合、たった1[W]の消費電力でチャネル温度が150℃になるということになります。

補足

データシート上に記載されている許容損失P_DはMOSFETに無限大放熱板(放熱能力を無限大と考えることができる放熱器)を取り付けた場合を考えています。しかし、放熱能力が無限大の放熱器などは存在しません。そのため、実際はデータシートに記載されている許容損失P_Dまで使用することはできないので注意してください。
許容損失は英語では『Power Dissipation』や『Total Power Dissipation』と書きます。
チップ部品の場合、実装基板により許容損失が異なりますので注意してください。

MOSFETの『P_D-T_C特性(電力軽減曲線)』

データシート上に記載されている許容損失P_Dは、ケース温度T_C=25℃を基準にしているため、T_C=25℃よりも高温の場合は、許容損失P_Dが低下します。データシートにはそれを示す「P_D-T_C特性(電力軽減曲線)」が記載されています。

上図に示しているのは東芝製NチャネルMOSFET(2SK4012)の『P_D-T_C特性(電力軽減曲線)』です。

ケース温度T_Cが25℃の時の許容損失P_Dは20Wですが、ケース温度T_Cが25℃よりも高温になると、許容損失P_Dが低下していることが確認できます。例えば、ケース温度T_Cが120℃の場合には、許容損失P_Dが約5Wになってしまいます。

そのため、ケース温度T_Cに合わせて、許容損失P_Dを軽減する必要があります。

なお、(1)式でも各ケース温度により許容損失P_Dを求めることが可能です。ケース温度T_C=120℃を(1)式に代入すると、

\begin{eqnarray}
P_{D}=\frac{T_{ch(MAX)}-T_c}{R_{th(ch-c)}}=\frac{150{\mathrm{[{^{\circ}C}]}}-120{\mathrm{[{^{\circ}C}]}}}{6.25{\mathrm{[{^{\circ}C}/W]}}}=4.8{\mathrm{[W]}}{\;}{\approx}{\;}5{\mathrm{[W]}}\tag{4}
\end{eqnarray}

となり、『P_D-T_C特性(電力軽減曲線)』での値(ケース温度T_Cが120℃の時に許容損失P_Dが約5W)になっていることが確認できます。