電気設備技術 File No.2018-0329

SSR 放熱計算の補足説明です。

SSR の熱損失について

SSR は動作時に半導体素子特有の残電圧やオン抵抗があるため、通電時に大きな電力損失が発生します。

(1) SSR の電力損失
交流用 SSR は、電流の開閉にトライアックを使用しているので、アノード～カソード間に残電圧が約 1.6 ～ 1.8V あります。
負荷電流が流れると、電圧〔V〕× 電流〔A〕の電力損失〔W〕が発生します。

DC 用 SSR は、MOS-FET を使用しています。MOS-FET は素子の ON / OFF をスイッチングするのでなく、ドレイン～ソース間の抵抗変化を利用した素子です。MOS-FET はオン時に約 200mΩ の残抵抗があり、負荷電流が流れると電流〔A〕² × 残抵抗〔Ω〕の電力損失〔W〕が発生します。

(2) 負荷電流と電力損失の関係
電力損失は熱になるので、放熱器（ヒートシンク）の有無や周囲温度によって定格電流に制限がかかります。

(3) 放熱器なしの電力密度
SSR の放熱が不十分のため素子が加熱し、SSR が破損することがあります。
W：4.3cm、H：5.8cm、D：2.7 ～ 3.0cm の SSR の表面積は、約 100cm² です。この素子の電力密度〔℃/cm²〕は、

放熱器がない状態で、定格電流を流したときの素子の温度上昇〔deg〕は概ね下記の値になります。素子が焼け切れることはありませんが、
IV 線の絶縁物は溶けて短絡事故になります。

(4) 通過電流 2 乗時間積〔I²t〕
短絡電流によるジュール熱量は「通過電流 2 乗時間積」（ I²t ）で表します。半導体素子は通過電流 2 乗時間積は、短絡電流の通過電流 2 乗時間積と比べて非常に小さいので、短絡電流はすばやく遮断する必要があります。SSR 素子の短絡電流は交流半サイクル（ 10ms ）以下と短いため、通常の配線用遮断器では遮断できないことがあります。

同じトライアックを使った電力調整器のカタログには、通過電流 2 乗時間積〔I²t〕の記載はありますが SSR にはありません。しかし、限流ヒューズによる SSR の保護は必要だと思います。SSR の通過電流 2 乗時間積〔I²t〕の値は、カタログデータにないのでメーカに確認をお願いします。

放熱器（ヒートシンク）の設計

(1) ヒートシンクの熱抵抗
熱回路の計算は、電気のオームの計算と同じなので難しくありません。
SSR 内部のトライアックの半導体部（ジャンクション）の定格温度は 150℃です。シリコン系の半導体の定格温度は、150 ℃もしくは 175 ℃です。
この温度以上になると素子が壊れるので、電力損失で生じた熱を熱交換器（放熱器）を使って大気中に放出する必要はあります。
トライアックの内部から大気間に熱が、すんなり流れてくれれば素子は効率よく冷却できるが、熱の通り道には熱流を妨げる熱抵抗が存在します。

熱抵抗には、

• R_jc ：トライアック素子から SSR 裏面の金属プレート間の熱抵抗
• R_cs ：SSR ケースからヒートシンク間の熱抵抗
• R_sa ：ヒートシンクから大気間の熱抵抗などがあります。

ヒートシンクの代わりに制御盤の中板（基板） SSR を取り付けた場合、中板のペンキや 1cm のマス目のペンキの厚み（μm ）などがあって、
SSR の裏面の金属プレートと中板が密着しないため、更に広い面積が必要になります。

(2) 放熱面積－負荷電流特性
負荷電流によって電力損失が違うため、それに見合った放熱板面積が必要です。
負荷電流〔A〕∝ 電力損失〔W〕∝ 温度上昇〔deg〕は、比例関係にあるため放熱面積－負荷電流特性の傾きは温度に比例します。

(3) ヒートシンクの取付と冷却効果
ヒートシンクは、取付方向や位置によって冷却効果が異なるので、メーカ指定の取り付け方法を遵守します。
熱設計完全入門　実践編　国峰尚樹著｜日刊工業新聞より引用

(4) 最後に、そんな話しどうでもいい「おまけ」
SSR の三相負荷接続で SSR が線間にある結線と、SSR が相間にある結線では高調波の含有量が違います。超～ヒマなときに計算します。