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システム構築技術講座 講座詳細

講座概要
講座名 CT11 「パワーエレクトロニクスの熱設計」
~パワエレ熱設計の基礎から実践まで~
日数 2日 時間 14時間
品質・信頼性向上
講座詳細

【ね ら い】
パワーエレクトロニクス機器の発熱の基本と放熱設計のポイントと定石を、熱回路網法による熱計算をEXCELのマクロ機能で実現した熱設計ツール「Thermocalc」を使った実習とグループ実習によって学ぶ。

【対  象】
➢ 電子機器の設計業務2年以上の回路設計や機構設計技術者。
➢ 特にインバータやモータ駆動の設計業務に携わる技術者。
➢ 熱設計に興味があり、これから学ぼうとする方。

【講義内容】

1章  パワーエレクトロニクスと熱
  1. パワエレで熱設計が重要な理由
  2. 汎用インバータ装置の体積の推移
  3. IGBTチップ小型化の推移
  4. パワーモジュール故障のメカニズム
  5. インバータ機器の熱的課題マップ
2章  伝熱の基礎

【熱設計○×問題】

  1. 熱の伝わり方(ミクロ視点)
  2. 熱の伝わり方(マクロ視点)
    【補足】熱抵抗が重要な理由
    【補足】熱流束で設計基準を作る
  3. 熱移動の基礎式(熱のオームの法則)
  4. 熱伝導の計算(1次元定常熱伝導)
  5. 主な材料の熱伝導率
  6. 電子機器でよく使う「異方性等価熱伝導率」
  7. 対流のメカニズム
  8. 温度境界層(物体の周りの熱伝達)
  9. 対流熱伝導率
  10. 自然対流熱伝達の簡易計算式
  11. 強制対流熱伝達の簡易計算式
  12. さまざまな強制対流熱伝達計算式
    【演習1】強制空冷平板の対流伝熱計算
  13. 放射のメカニズム
  14. 放射の基礎式
  15. 放射の簡易熱計算式
  16. 電子機器に使用される素材の放射率
  17. 物質の移動による熱輸送
  18. 式のまとめ
  19. 過渡熱変動計算
    【演習2】ブロックの冷却時間
3章  パワエレ熱設計の基礎知識
  1. 機器内部発熱の考え方
  2. 主な部品の発熱量(熱損失)の目安
  3. 発熱量のカウント
  4. 間欠的な発熱の扱い
  5. パワエレで使う部品パワー半導体
  6. 集積回路の温度上限と熱抵抗
  7. パワーデバイスの熱抵抗
  8. パワー半導体の負荷低減曲線の見方
  9. 抵抗器
  10. コンデンサの種類
  11. コンデンサの特性・発熱
  12. コイル・トランスの発熱量
  13. コイル・トランスの温度上限と等価熱伝導率
  14. コイル・トランスの温度上昇予測
4章  強制空冷/液冷機器で重要な伝熱の応用
  1. 機器の放熱経路における伝導・対流・放射・換気
  2. 機器の熱等価回路と熱抵抗
  3. 熱対策の分類
  4. 空冷ルートで放熱する機器の考え方
  5. 空冷機構の熱抵抗計算
  6. 強制空冷の温度計算の流れ
5章  流れと流体抵抗の計算
  1. 通風抵抗の計算①
    管路内流れの基礎式
  2. 通風抵抗の計算②
    圧力損失とは
  3. 通風抵抗の計算③
    圧力損失から通風抵抗へ
  4. 様々な圧力損失係数の計算
    (摩擦圧損)
  5. 様々な圧力損失係数の計算
    (局所圧損)
  6. 装置の通風抵抗測定
    【演習3】ダクト内の発熱体の温度
6章  冷却ファンの基本特性
  1. 強制空冷ファンの役割
  2. ファンの特性と動作点
  3. ファンの種類
  4. さまざまなファンの動作領域
  5. 換気用ファン 風量の決め方
  6. 吸気口面積の決め方
  7. ファンの最適動作点
  8. 局所冷却ファンの風速
  9. 局所冷却ファン風速の計算値と実測値
  10. ファン風速分布の特徴
  11. 並列ファンの相互干渉
  12. ダクトを使った局所冷却
  13. ファン風量低下要因壁面障害物距離の影響
  14. ファンの取付はPUSHかPULLか?
  15. 強制空冷シェルフの基板実装ピッチ
  16. 塵埃対策 効果的なフィルタの取付
  17. 塵埃対策 フィルタの性能
7章  EXCELを使った強制空冷機器の熱計算演習

【演習4】強制空冷シェルフ内の部品温度上昇計算

【演習5】強制空冷筐体の熱計算

【補 足】ファンDB登録と検索

8章  ヒートシンクの設計
  1. ヒートシンクの選定/設計の手順
  2. 目標熱抵抗Rfaの決定
  3. 自然空冷ヒートシンクの熱抵抗計算早見表
  4. 自然空冷ヒートシンクの設置方向と性能
  5. 自然空冷ヒートシンクへの障害物の影響
  6. 自然空冷フィンの最適フィン間隙
  7. 強制空冷用ヒートシンクの測定法(AMCA 210-85)
  8. 強制空冷ヒートシンクの熱抵抗計算
  9. 強制空冷ヒートシンク 使用上の注意点①
  10. 強制空冷ヒートシンク 使用上の注意点②
  11. 強制空冷ヒートシンク 使用上の注意点③
  12. ヒートシンクへの部品の取り付け
  13. ラジエターの性能の特徴
  14. 強制空冷フィンとファンの関係①
  15. 強制空冷フィンとファンの関係②
    水冷ラジエタ
  16. 強制空冷・水冷用ヒートシンクの構造と性能
  17. 液冷の放熱経路
  18. 各種TIMの実測結果(例)
9章  EXCELを使ったヒートシンクの熱計算演習
  1. ヒートシンク設計用シート一覧

【演習6】自然空冷ヒートシンクの性能計算

【演習7】自然空冷ヒートシンクの最適化

【演習8】強制空冷 ヒートシンクの設計

【演習9】複数部品を実装した強制空冷ヒートシンク

10章  熱設計事例1

全閉型自然空冷インバータ
【演習10】全閉型インバータ

11章  熱設計事例2 強制空冷インバータ

【演習11】強制空冷インバータの設計

12章  熱設計事例3 小型パワエレ機器の設計

【演習12】小型密閉機器の対策

【演習13】様々な冷却条件① 表面温度が固定された場合

【演習14】様々な冷却条件② 筐体表面にフィンを立てる

【演習15】様々な冷却条件③ 筐体に部品を接触させる

13章  熱実験 ~強制空冷機器の熱対策~
  1. 実験概要
  2. 実験装置と実験概要
  3. 基礎実験 実験手順
  4. 対策実験
演習問題 解答集

【演習1・解答】強制空冷平板の対流伝熱計算

【演習2・解答】ブロックの冷却時間

【演習3・解答】ダクト内の発熱体の温度


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