ブリッジダイオード温度計算ツール

ブリッジダイオード選定 & コンデンサインプット型整流動作 シミュレーションツール 取扱説明書 上記アイコンをクリックして シミュレーションツールをダウンロードしてください。 INDEX ブリッジダイオード検索 温度上昇予測を計算 計算結果を比較する 波形を参照する テクニカルノート

1 ブリッジダイオード検索 ■ ブリッジダイオード検索画面 1） 製品の選択 2) 選択パッケージの外形寸法図 3) 選択したブリッジダイオードと仕様 4) 選択した製品の外形写真 1) 製品の選択 1)-1 全製品名から選択 全製品の一覧が表示されています。製品名がわかっている場合はこちらから選択すると便利です。 1)-2 パッケージから選択 左側の欄がパッケージ名称の一覧です。検索したいパッケージ名称をクリックすると、右側に該当パッケージの製品名が表 示されますので、選択したい製品名をクリックしてください。 ※ 選択決定 「全製品名から選択」で選んだ製品と、「パッケージから選択」で選んだ製品のどちらを閲覧するかを決定し、 選択チェックをクリックしてください。 2) 選択パッケージの外形寸法図 「選択決定」で選択されたパッケージの寸法図が表示されます。 この寸法図は半導体の総合カタログ「半導体製品一覧表」からの抜粋です。 パッケージ寸法図の一覧を見たい場合は、この総合カタログ「半導体製品一覧表」を参照してください。 3) 選択したブリッジダイオードと仕様 製品名 「選択決定」で最終決定された製品名が表示されます。 絶対最大定格/電気的・熱的特性 選択された製品の仕様が表示されます。表示内容は半導体の総合カタログ「半導体製品一覧表」に準拠しています。 4) 選択した製品の外形写真 最終決定された製品の外形写真と製品の外形名称が表示されます。 2

2 温度上昇予測を計算 ■ 温度上昇予測計算画面 予測シミュレーター実行ボタン シミュレーション回路 シミュレート結果 再表示 Notesを表示する シミュレーション回路 シミュレートする回路構成で、コンデンサインプット型の全波整流回路となります。 「ブリッジダイオードを検索」で選択されたブリッジダイオードの温度上昇や出力特性をシミュレートすることができます。 Vin（AC) / 入力コンデンサC / 負荷抵抗PL / 周囲温度Ta / 放熱フィンの有無などの条件設定が必要となります。 この設定は、「予測シミュレーター」実行ボタンを押すと設定ができるようになります。 シミュレート動作の詳細は、「Notesを表示する」のボタンを押してテクニカルノートを参照いただくか、本資料P.8のテクニカ ルノートを参照ください。 予測シミュレーター実行ボタン 最終決定された製品での温度上昇予測シミュ レートを開始するボタンです。 ボタンを押すと条件設定画面が表示されます。 シミュレーター実行に際しての条件設定などに ついては、次ページで詳しく説明します。 シミュレート結果 再表示 シミュレートを実行後、既にシミュレート結果が出ている場合は、 このボタンを押すことで結果を再表示することができます。 Notesを表示する 「Notesを表示する」 を押すと、「テクニカルノート」が表示されます。 シミュレート動作の詳細を参照したい場合はご活用ください。 テクニカルノートの内容は本資料でもP.8で詳しく説明しています。 3

2 温度上昇予測を計算 ■ 条件設定画面 1 2 3 4 5 6 7 入力電圧源の周波数を選択します。 ① 周波数設定 50kHzと60kHzの2種類が選べます。 シミュレートに必要な情報をここに入力します。 右側のカッコ内に示した入力範囲から外れた入力はできません。 ② 各種条件設定 出力電力PLはシステムの出力電力ではなく、整流回路としての出力電力ですので、 入力値はシステム全体の効率を加味して入力してください。 ・ ｔｙｐ値を選択した場合・・・ ＶＦばらつきのセンター値を使ったシミュレートを行います。 より実測値に近い算出値になります。また、温度変動にも対応しており、ジャンクション 温度に従ったVF値を使った温度上昇を算出します。 ③ ダイオードのV-I特性設定 ・ max値を選択した場合・・・ VFばらつき最大を考慮した温度上昇をシミュレートします。 VF値はジャンクション温度150°C時の値を使い、温度変動を加味しません。 温度上昇の最悪値をシミュレートしたい場合は、こちらを選択します。 ④ フィン設定 放熱フィンの有無を選択します。 ・フィンありを選択した場合・・・ フィンの熱抵抗値とケース‐フィン間の熱抵抗値を入力します。 ⑤ 放熱フィンの条件設定 この熱抵抗値を使って温度上昇を算出します。 ・フィンなしを選択した場合・・・ この項目は表示されません。 ⑥ 設定更新 設定条件を入力後、シミュレータへの条件設定の入力を実行します。 条件設定画面を閉じます。設定の更新はされません。 ⑦ 閉じる シミュレートを再開するには、再度「予測シミュレーター実行ボタン」を押してください。 4

2 温度上昇予測を計算 ■ 条件設定入力からシミュレート実行の流れ 設定更新 シミュレート開始 条件設定画面での設定が終わったら 「OK」を押して 「設定更新」を押してシミュレータへの シミュレートを開始。 条件設定入力を実行します。 シミュレート中 Statusウインドウが開き、シミュレートの 進行状況が表示されます。 シミュレート完了 演算の延長 製品やフィンの再検討 温度変動が安定し、温度上昇のシミュ 入力コンデンサが大きい場合や温度 シミュレートの結果、ジャンクション温 レートが無事に収束された場合、以 上昇が150°Cを超えるような場合、 度予想値が150°Cを超える場合は 下のウインドウが表示されます。 シミュレート時間が長く温度上昇が収 以下のウインドウが表示されます。 「OK」を押してシミュレート結果を表 束しきらないことがあります。 示します。 このような場合には一旦演算を終了 製品や放熱フィンを再検討して、再度 させます。以下のウインドウが開きま シミュレートを実行してください。 すので、演算を終了するか延長する かを決定します。 「いいえ」を押すと演算を終了し、結 果が表示されます。 製品名 製品名 シミュレートした対象製品名が表示されます。 温度上昇予測値 温度上昇予測値 シミュレート結果の温度上昇予測値が表示されます。 ・フィンなしの場合 ジャンクション温度とリード温度が表示されます。 ・フィンありの場合 ジャンクション温度とケース温度が表示されます。 設定条件 設定条件 条件設定画面で入力した設定条件が表示されます。 終了ボタン シミュレート結果画面を閉じ、シミュレートを終了します。 終了ボタン 5

3 計算結果を比較する ■ 計算結果比較画面 2） All Clearボタン 1） シミュレート結果の表示 1) シミュレート結果の表示 シミュレート結果を、比較①～⑨に最大9個まで書き出すことができます。 様々な条件や製品でのシミュレート結果を比較する場合に便利です。 「比較」ボタンを押すと、そのときのシミュレート結果を表示します。 再度「比較」ボタンを押すと削除確認画面がポップアップ表示され、「はい」を選択すると削除されます。 シミュレート結果を上書きしたい場合は、上書きしたい結果を削除してから、再度「比較」ボタンを押して表示させてください。 2) All Clearボタン 「選択決定」で選択されたパッケージの寸法図が表示されます。 この寸法図は半導体の総合カタログ「半導体製品一覧表」からの抜粋です。 パッケージ寸法図の一覧を見たい場合は、この総合カタログ「半導体製品一覧表」を参照してください。 ・特定のシミュレート結果を削除 ・全てのシミュレート結果を削除 削除したいシミュレート結果の 「比較」ボタンを押す 6

4 波形を参照する ■ 波形参照画面 波形選択ボタン 波形選択ボタン シミュレート結果より、各種波形を表示することができます。 波形のラインが表示されていない状態で各波形選択ボタンを押すと、グラフにラインが表示されます。 波形のラインが表示されている状態で、該当する波形選択ボタンを押すと、ラインが削除されます。 VC 入力コンデンサ電圧波形 グラフ左側の電圧軸を参照ください。 Vin（整流後） 全波整流の入力電圧波形 グラフ左側の電圧軸を参照ください。 IC(rms) 入力コンデンサに流れる実効電流波形 グラフ右側の電流軸を参照ください。 IC 入力コンデンサ電流波形 グラフ右側の電流軸を参照ください。 I（Di） ブリッジダイオードに流れる電流波形 グラフ右側の電流軸を参照ください。 7

テクニカルノート 1 シミュレーション回路について 右図がシミュレーションを行う等価回路です。 コンデンサインプット型の全波整流回路となります。 記号は以下の通りで、本ツール内の共通記号となります。 Vin（AC） 入力電圧源 f 入力電圧源周波数 Rin 入力ライン抵抗 I（Di） ブリッジダイオード電流 VC 入力コンデンサ電圧 C 入力コンデンサ容量 IC 入力コンデンサ電流 RL 負荷抵抗 PL 出力電力 IRL 負荷抵抗電流 2 ダイオードの特性モデルについて （1) V-I特性モデルの種類 本ツールは、実際のV-I特性を使ってVFを算出し、ダイオードの損失を計算しています。 V-I特性モデルは2種類を用意しています。 ① typ値 カタログに記載されているVFバラつきのセンター値のV-I特性です。 実機に近い損失量を計算することができるので実機検証時の温度上昇を予測する目安になります。 また、ジャンクション温度に従ったVF値を都度算出しているので制度の高い予測を行います。 ② max値 VF最大値でのV-I特性です。温度上昇の最悪値を予測することができます。 ｔｙｐ値と同様、ジャンクション温度に従ったVF値を都度算出し、シミュレーションを行います。 （2) ダイオードのVF近似モデル 本ツールは、下図のようなダイオードのVF近似モデルを使っています。 詳細については弊社HPに掲載されている「ダイオード技術資料」をご参照ください。 VF近似モデルは、カタログ規格表の最大許容出力電流IOと、IP（IOの3倍の電流値）の2点での直線近似を使っています。 微小電流や大電流以外の領域では、誤差はかなり小さいと考えています。 近似直線モデルは、IF=0の点のVFをV0、直線の傾きの逆数dVF/dIFをr0として VF = VF ＋ r0 × IF で表し、VFを算出します。 本ツールにおいて、この近似モデルによりさまざまな条件におけるVF値を算出しています。 8

テクニカルノート （3） VF近似モデルの温度変動について V-I特性のｔｙｐ値をシミュレーションで使用した場合、温度変動にも対応します。 本ツールには、ジャンクション温度25°ＣのV-I特性と、ジャンクション温度150°CのV-I特性の実測値データが入っており、 そのデータをもとにジャンクション温度が‐40°C～150°C時のVF値を算出してシミュレーションへ反映させています。 下図は、S1NBB80とLL25XB60を例として、V-I特性（ｔｙｐ値）の温度変動をグラフ化したものです。 下図左は25°Ｃと150°Ｃの実測値をもとに温度変動を計算したグラフ、下図右は本ツールの近似式による温度変動グラフ になります。 本ツールのダイオードモデルの近似式は、4項の「(4) その他のV-I特性モデル」を参照ください。 S1NBB80 V-I特性 （実測ｔｙｐ値ベース） S1NBB80 V-I特性 （本ツールの近似モデル） 10 10 ‐40°C ‐40°C ‐20°C ‐20°C 0°C 0°C 25°C 25°C 40°C 40°C 60°C 60°C 80°C 80°C 100°C 100°C 125°C 125°C IF 1 150°C IF 1 150°C 0.1 0.1 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 VF VF LL25XB60 V-I特性 （実測ｔｙｐ値ベース） LL25XB60 V-I特性 （本ツールの近似モデル） ‐40°C ‐40°C ‐20°C ‐20°C 0°C 0°C 25°C 25°C 10 40°C 10 40°C 60°C 60°C 80°C 80°C 100°C 100°C 125°C 125°C IF 150°C IF 150°C 1 1 0.1 0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 VF VF （4） その他のV-I特性モデル ① 微小電流時のVF値 V-I特性は2項「（2) ダイオードのVF近似モデル」のモデルを利用していま すが、シミュレーションにおいて電流が0のとき、 VF値が0～V0となり不安 定になります。 そこで、本ツールでは右図のように100Ωの抵抗を入れて演算しています。 ② IRと耐圧設定について IRは100MΩの抵抗として動作します。また、耐圧設定はありません。 ③ リカバリー特性 一般ダイオードにはtrrの規定はありませんが、一部の一般ダイオードで規 定されている製品も存在します。 しかし、本ツールでは50～60Hzの遅い周波数で、かつ正弦波電圧である こと、ｔｒｒの再現が困難であることから、trrは考慮していません。 9

テクニカルノート 3 負荷抵抗の動作モデルについて 一般的に負荷の種類は抵抗負荷・容量負荷・誘導負荷が多いですが、本ツールでは設定の容易さやブリッジダイオードの挙動 を安定化させるために定電力負荷モデルを採用しています。 定電力負荷とは、印加される電圧によらず一定の電力を保つように抵抗値をフレキシブルに変動させる負荷のことです。 この負荷設定により、初期に設定した負荷電力を維持することができるので、さまざまな入力電圧や整流後のリップル電圧変 動に対して負荷電力を固定にすることができます。 ただし、負荷の印加電圧に対するリップルが非常に大きいと実効電流が大きくなり、初期設定された電力値との乖離が大きく なりますので注意が必要です。 入力コンデンサを大きくして、あまり乖離しないように設定しておくことが必要です。 右図は、本ツールの負荷抵抗モデルです。 定電力負荷モデルは印加電圧が低くなると、その分電流を大きく流します。 入力電圧源投入直後は、過大な電流が流れてしまいシミュレートの演算結果に 大きな影響を与えてしまうため、正弦波電圧の1/4周期は定抵抗負荷で動作 させています。 これにより、演算速度のアップと安定性を確保しています。 4 内部設定されている設定条件について ユーザーが決められる項目以外に、シミュレートの設定条件として内部で決定されている項目があります。 （1) 入力ライン抵抗 Rin 入力ライン抵抗は設定が難しく、実機環境では動作設備に大きく左右されます。 AVR（Automatic Voltage Regulator）などのラインシミュレーションができるような入力電圧源では、インピーダン スが非常に小さく(0Ωに近く)、商用コンセントでは建屋の設備によって差があり7～8Ωにおよぶこともあります。 従って、仮想的に抵抗値を決めてしまう方法を取らざるを得ません。 本ツールの入力ライン抵抗は、上記のような入力インピーダンスのほかに、フィルターのインピーダンス、入力コンデンサの CSR、パターンインピーダンスも含めた設定を想定しています。 一概に抵抗値が決められないことから、以下のルールで入力ライン抵抗を決めていますが、温度上昇予測計算としてはほ とんど影響がありませんので、目安として設定していると考えてください。 PL ＜ 10W → 10Ω 10W ≦ PL ＜ 100W → 3Ω 100W ≦ PL ＜ → 2Ω 250W ≦ PL → 1Ω （2) 位相角 入力電圧源は正弦波ですので、位相角によって入力電圧源投入直後のダイオードに流れる電流値が大きく変わります。 本ツールは、飽和温度上昇を予測するツールのため、位相角による影響を考慮する必要が無く、固定値にしています。 位相角設定値 = 0° （3） 入力コンデンサ初期電圧 入力電圧源の投入時に、入力コンデンサにどのくらいの電圧を持たせておくかを設定しています。 温度収束までの時間に影響するため、入力電圧源のピーク電圧に近い電圧を設定しています。 入力コンデンサ初期電圧設定値 ＝ 入力電圧 × 2 ×0.99 (4) サンプリングレート サンプリングレートとは、1秒あたりのサンプル数です。 入力電圧源である正弦波電圧は時間で変化する電圧源で、このようなアナログ電圧をデジタル解析する場合、サンプル数 が多いほど正確にアナログ電圧を解析することができます。 しかし、サンプリングレートを大きくするとデータ量が増え、ファイルサイズの肥大化・解析時間の長期化を招きます。 本ツールでは、入力電圧源周波数が50/60kHzであることから、適正なサンプリングレートとして以下のサンプリング レートを定めています。 サンプリングレート ＝ 100kHz 10

テクニカルノート （5) 波形グラフの表示期間 波形グラフの表示できる時間は100msの固定で、演算結果のデータ保持数は10000個です。 さまざまな項目の計算結果は、この10000個のデータを繰返し演算を行い、入力電圧源投入からの経過時間を延長して いくことで算出していきます。 従って、直近の100ms分のデータ以外は削除し、その結果、グラフ表示期間は100ms間となります。 5 温度上昇収束と収束判定について ブリッジダイオードの温度上昇は、サンプリングレートに従って10usごとに演算し算出しています。 通常、出力電圧はリップルを伴いますので、温度上昇値も一定ではなくリップルを持っており、この温度リップルの平均値を算 出することで温度上昇値を決定しています。 従って、温度上昇が収束したかどうかの判定は、温度上昇値ではなく温度上昇の傾きで判定しています。 本ツールの判定基準は、±0.0001°C/s内の変化率になった場合に収束したと判定し、これにより精度と演算速度を両立して います。 6 本ツールの演算手法について 本ツールのシミュレータは、RC直列回路に終端抵抗を付けたモデルがベースとなります。 このモデルでは、コンデンサの入出力電流を計算することが回路網を解くカギとなります。 1項の「1 シミュレーション回路について」の回路図と記号を用いて、コンデンサの入出力電流を求める数式は以下のようにな ります。 Vin － VC ＝ Rin × I(Di） ・・・この式が基本となる等価式です。 Vinは、Vin(AC)の全波整流後の電圧Vin（整流後）とします。 この式に・・・ 1 I(Di） ＝ IRL＋IC、 VC = IRL × RL、 VC = ∫ iC dt ・・・の3式を当てはめると、 C 1 1 1 IC ＝ Vin－ ∫ iC dt － ∫ iC dt ・・・が得られます。 Rin C RL×C この式をもとに、サンプリングレートによって決められる時間幅で積算していくことで、各項目の電圧・電流値を求めています。 以上の考え方により、本ツールの収束解は漸化式による積算値を使った近似解を求めています。 漸化式としては・・・ 1 1 1 IC ＝ Vin－ ∑ iC － ∑ iC ・・・となります。 Rin C RL×C 11

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