MOSFET heatsink 열해석

 

MOSFET과 같은 스위칭 소자의 경우 발열해소를 위해 HEAT sink를 적용합니다.

스위칭 소자에서 일정 Heatflux가 발생할 경우 열해석을 통해 방열핀의 사이즈가 적절한지 알아보도록 하겠습니다.

대류열전달을 고려하지 않고 Heatsink의 열전도계수만을 고려하여 설계할 경우 대기로 100%의 방열효율을 가진다고 가정한 것이기에 정확하지 않은 결과를 가져오고 이를 위한 안전율을 많이 가져야 하기 때문에 오버스펙을 가진 Heat sink를 적용하게 됩니다.

그렇기에 대류열전달을 고려한 열 해석을 통해 적절한 Heatsink의 선정이 필요합니다.

 

예시로 다음과 같은 Heat sink에 MOSFET이 2W의 손실이 일정하게 발생한다고 할 때 MOSFET의 온도를 알아보도록 하겠습니다.

 

1.ANYSY에서 제공하는 3d CAD프로그램을 통해 다음과 같이 모델링 합니다.

 

 

2. TIM(Thermal interface material)이 적용된 것을 구현하기 위해 TIM또한 Mosfet이 부착될 곳에 모델링 후

Model~Solution에서 material과 시뮬레이션 조건을 적용합니다.

시뮬레이션에 적용된 material 의 열특성은 다음과 같습니다.

 

 

3. mesh 설정

간단한 형상의 열해석이기 때문에 삼각mesh로 진행하였고 계산시간을 줄이기 위해 body sizing을 통해 1mm로 적용하였습니다.

mesh는 열전달이 계산되는 node의 수를 결정짓는 것으로 가로세로의 비율이 일정하고 작은 사이즈의 mesh가 정확하지만 cpu의 spec을 고려해 간단한 삼각메쉬와 큰 사이즈의 mesh를 선정했습니다.

CPU i5 10300H

Ram 16 GB

계산시간은 위와 같은 스펙으로 3시간 정도 걸렸습니다.

 

 

2W의 손실이 발생하고 MOSFET과 Heat sink가 맞닿는 면으로만 방열이 발생한다 가정하고 시뮬레이션을 진행하였습니다.

 

대류열전달 계수 h는 자연대류의 경우로 가정하고 (25W/m^2 k) 진행했습니다.

 

시뮬레이션 결과

---

Heat Sink

MOSFET