DC-DCコンバータの熱シミュレーションとは

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• 1 ROHM Solution Simulatorの熱シミュレーションとは
• 2 DC-DCコンバータ熱シミュレーション回路
• 3 シミュレーションの方法
• 4 シミュレーション条件
• 5 熱シミュレーションモデル

本記事では、ROHM Solution Simulatorを使って、80V耐圧5A出力のDC-DCコンバータIC BD9G500EFJ-LAによる電源回路の回路動作シミュレーションと、このICと外付け部品であるショットキーバリアダイオードRB088BM100TLの温度シミュレーションを同時に実行することが可能なシミュレーション環境と、その使用方法について説明します。

ROHM Solution Simulatorの熱シミュレーションとは

このシミュレーションは、ROHM Solution Simulatorに追加された熱解析機能を使用します。最初にこの熱解析機能の概要を説明します。

ROHM Solution Simulatorに追加された熱解析機能は、ROHM Solution Simulator用のシミュレーションモデルであるSolution Circuitに含まれる形で提供されます。現在、熱解析機能を備えたSolution Circuitは10点あり、今後順次追加されて行きます。ここで使用するBD9G500EFJ-LAのSolution Circuitも、この10点の内の1つです。

ROHM Solution Simulatorの熱解析機能は以下の特長を持っています。

• ・パワー半導体やICと受動部品による回路の電気・熱連成解析。
• ・回路動作時の半導体チップ温度（ジャンクション温度）に加えて、端子温度や基板上部品の熱干渉まで解析可能。
• ・従来1日近くの時間を要した熱解析シミュレーションを10分以内で実行。
• ・熱解析が簡単にできるので事前に十分な熱設計できるため、試作の再作業が減り開発工数を削減可能。

この熱解析機能は、実基板から算出した放熱に関するパラメータを熱流体解析ツールで3Dモデル化し、電気回路シミュレータで熱解析できるよう1Dに低次元化して、電気と熱を連成解析するものです。連成解析とは、電気、熱、流れなど、異なる2つ以上からなる領域の連成現象を処理し、定常および過渡の状態を計算する解析手法です。以下にイメージを示します。

この熱シミュレーションでは、回路動作時に変化する半導体ジャンクション（チップ）温度T_J、パッケージ上面温度T_T、はんだ面温度T_FINに加えて、SPICEベースの熱モデルでは不可能だった基板上の周辺部品温度、モジュール内チップの熱干渉なども確認することができます。

また、シミュレーション時間も大幅に短縮されています。従来このような熱解析シミュレーションは十数時間から1日近くの時間を要するものでしたが、ROHM Solution Simulatorでは10分以内で実行することができます。

ROHM Solution Simulatorでは、以上のような熱解析が可能です。

DC-DCコンバータ熱シミュレーション回路

ここからは、具体的にROHM Solution Simulatorと熱解析機能を搭載したDC-DCコンバータ BD9G500EFJ-LAのSolution Circuitを使って、使用方法を説明して行きます。実際にROHM Solution Simulatorを起動して操作しながら読んでいただければと思います。

まず、以下の確認をお願いします。

• ・ ROHM Solution Simulatorの概要は以下のROHM Solution Simulatorのページで確認できます。
  https://www.rohm.co.jp/solution-simulator
• ・ ROHM Solution Simulatorの基本的な使用方法については、以下のTech Webの記事を参照願います。
  https://techweb.rohm.co.jp/knowledge/simulation/rss-sim/02-rss-sim/9802
• ・ ROHM Solution SimulatorおよびSolution Circuitの利用は無償ですが、MyROHMへの登録とログインが必要です。
• ・ 説明に使うDC-DCコンバータ BD9G500EFJ-LAのSolution Circuitは、以下をクリックすると直接起動します。
  https://www.rohm.co.jp/solution-simulator/thermal_simulation-bd9g500efj-la
  または、ROHM Solution Simulatorのページ／「シミュレーション回路」の【ICs Solution Circuit】／Switching Regulators/Industrial／BD9G500EFJ-LAのSimulation項目Thermalの「GO」をクリックしてください。
  もしくは、BD9G500EFJ-LAの製品ページの「モデルとツール」からもアクセスできます。
• ・ この記事は、以下のROHM Solution Simulator User’s Guideを基に制作されています。
  「DC-DC コンバータ BD9G500EFJ-LA 熱シミュレーション」（クリックするとPDFがダウンロードされます）

DC-DCコンバータの熱シミュレーションに使用するシミュレーション回路

上記のDC-DCコンバータ BD9G500EFJ-LAのSolution Circuitを起動させると、図1のような回路が開きます。緑色の線に囲まれている部分は熱シミュレーション回路、それ以外は電気シミュレーション回路を表しています。

図1. DC-DCコンバータ BD9G500EFJ-LAのシミュレーション回路

この電気回路は、BD9G500EFJ-LAを使用した最大5A出力の1ch降圧DC-DCコンバータのアプリケーション回路です。

熱シミュレーション回路は、電気シミュレーションで算出したBD9G500EFJ-LA（以下IC）の損失およびショットキーバリアダイオード（以下SBD）RB088BM100TLの損失を熱シミュレーションモデルへ入力し、ICとSBDの温度を算出します。

シミュレーションの方法

シミュレーションの設定や実行は、回路図上部にある「回路図ツールバー」で行います（参照：「ROHM Solution Simulatorツールバーの機能と基本操作」）。

シミュレーション条件

シミュレーションを行うにあたり、シミュレーション条件の設定や選択をする必要があります。

パラメータの定義

図3の青色で示したコンポーネントは、シミュレーション条件を設定する必要があるため、「Manual Options」でパラメータを定義しています。「Simulation Settings」のボタンをクリックして、「Advanced Options」をクリックすると、「Manual Options」のテキストボックスが表示されます（図4）。

表2に、各パラメータの初期値を示します。これらの値は、図4に示すようにシミュレーション設定の「Manual Options」のテキストボックスに書き込まれています。

コンポーネント定数設定

スイッチング周波数、出力LCフィルタ定数、出力電圧などの設定方法は、BD9G500EFJ-LAのデータシートの「アプリケーション部品選定方法」を参照します。コンポーネントの定数設定は、該当コンポーネントをダブルクリックすると「Property Editor」が開き値を変更できます（参照：「シミュレーションのカスタマイズ」、「PartQuest™ Explorerへの回路データのエクスポート」）。

 BD9G500EFJ-LA データシート

熱回路

図5の緑矢印で示したシンボルは、BD9G500EFJ-LAの熱シミュレーションモデルです。図5の赤色配線のノードでジャンクション温度、パッケージ表面温度、FIN表面温度が確認できます。各ノードの詳細を表3に示します。

◆ 熱シミュレーションモデルを選択
熱シミュレーションモデルは表4に示すコンポーネントが用意されており、その中から選択できます。図6に選択方法を示します。まず、BD9G500EFJ-LAコンポーネントをダブルクリックするか、右クリックして「Properties」を選択すると「Property Editor」が開きます。「Property Editor」の「SpiceLib Part」の値を、表4に示した値から選択し（「SpiceLib Part」のボックスに選択肢が表示されます）設定することで熱シミュレーションモデルが変更されます。

熱シミュレーションモデル

BD9G500EFJ-LA 熱シミュレーションモデル

参考までに、BD9G500EFJ-LAの熱シミュレーションモデル作成に使用した3Dモデルのイメージを図7に示します。また、構造情報を表5に示します。

「シミュレーション条件」の「熱シミュレーションモデルを選択」の項で示したように、BD9G500EFJ-LA の熱シミュレーションモデルには2層基板と4層基板の選択肢があります。熱の評価の際には、2層基板と4層基板の両方でのシミュレーションを実施して温度の違いを確認し、熱設計に反映させることができます。