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熱暴走のメカニズム｜「正帰還ループ」とは何か
熱暴走は、温度と損失が互いに増幅しあう「正帰還ループ」で発生します。スピーカーをマイクに近づけたときに「キーン」というハウリングが起きるのと同じ原理です。
熱暴走が起きる4ステップ
正帰還ループのイメージ
この円環がループする限り、温度は止められない。
熱暴走するかを計算で確かめる
MOSFETのオン抵抗が温度で増える場合を例に、温度が「どこかで落ち着くか」を計算してみます（数値は説明のための例です）。
ここで出てきた 0.28 は、「温度が1℃上がったときに、損失の増加でさらに何℃上がるか」を表す数で、Rth × (温度1℃あたりの損失の増え方) ＝ 10 × (4×0.007) ＝ 0.28 です。これが1より小さければ温度はどこかで落ち着き、1以上だと落ち着く点がなく熱暴走します。同じ条件で冷却が悪く Rth＝40℃/W なら、40×0.028＝1.12 で熱暴走の側に入ります。
よくある質問
なぜ温度が上がると損失が増えるのか
熱暴走の核心は「温度が上がると損失が増える」という半導体の特性にあります。これを「温度依存性」と呼びます。代表的な3つのメカニズムを見ていきましょう。
①リーク電流（漏れ電流）の指数関数的増加
半導体のリーク電流は、温度上昇に対して指数関数的に増加します。一般に「温度が10℃上がると、リーク電流は約2倍」になると言われます（10℃2倍則）。
オフ状態でも流れるリーク電流が増えると、その分だけ電力消費（=発熱）が増えます。低電流動作では問題にならないレベルでも、高温になると無視できない発熱源になります。
②MOSFETのオン抵抗（Rds(on)）の増加
MOSFETのオン抵抗は温度に対して正の係数を持ちます。Tj=25℃に対して、Tj=125℃ではオン抵抗が約1.7倍〜2倍になる品種が一般的です。
導通損失はP = I²×Rds(on)。同じ電流が流れても、温度が高いほど抵抗が大きくなり、発熱も増えます。
③BJT（バイポーラトランジスタ）の電流増加
BJTは「温度が上がるとベース・エミッタ間電圧（Vbe）が下がる」性質があります。同じVbeで駆動していると、温度が上がるとコレクタ電流（Ic）が増えてしまいます。
BJTは熱暴走を起こしやすい代表選手です。これが、現代のパワエレでBJTがほぼ淘汰され、MOSFET・IGBTに置き換わった大きな理由の一つです。
温度依存性の比較
| 部品種別 | 特性の温度係数 | 熱暴走しやすさ |
|---|---|---|
| BJT | 負（温度↑でIc↑） | 非常に高い |
| MOSFET | 正（温度↑でRds(on)↑） | 中（並列時に注意） |
| IGBT | 混在（電流域で異なる） | 中 |
| SiC-MOSFET | 正（MOSFETと同じ） | 低い（高温動作可） |
熱暴走の臨界条件｜「冷却が追いつかなくなる点」
熱暴走は、いつどんな条件で始まるのでしょうか。鍵は「発熱量と冷却量のバランス」です。
発熱と冷却の競争
通常、温度が上昇すると「部品と周囲の温度差ΔT」が大きくなり、冷却量も増えます。この冷却量の増加が発熱量の増加を上回っていれば、温度はある点で釣り合って安定します。
しかし、発熱の増加が指数関数的なのに対し、冷却の増加は線形（温度差比例）です。ある温度を超えると、発熱の増加が冷却を上回り、温度は無限に上昇していきます。これが熱暴走の臨界点です。
グラフで理解する臨界点
実用的には、「想定する最高ジャンクション温度（Tj_max）で、発熱の温度勾配が冷却の温度勾配より十分小さいこと」を確認すれば良いです。
ケース温度Tcの測定方法
並列接続の落とし穴｜「片方だけ壊れる」現象
複数のパワー半導体を並列接続して大電流を流す回路では、「複数あるうちの1個だけが壊れる」という不思議な現象が起きます。これも熱暴走が原因です。
電流アンバランスのメカニズム
MOSFETの並列接続が比較的安全な理由
MOSFETは正の温度係数を持つため、並列接続で1個に電流が集中すると、その素子の温度が上がり、オン抵抗が増えて、自然と他の素子に電流が分散されます。これがMOSFETの「自己バランス機能」です。
一方、BJTは負の温度係数のため、温度が上がるとさらに電流が集中する正帰還ループに入ります。BJTの並列接続はエミッタ抵抗（バランス抵抗）を必ず入れて電流バランスを取らないと熱暴走します。
熱暴走を防ぐ4つの設計ポイント
熱暴走を確実に防ぐには、複数の対策を組み合わせることが必要です。代表的な4つのポイントを紹介します。
①熱抵抗を下げる（最重要）
熱暴走の臨界温度を引き上げる最も基本的な対策。熱抵抗が小さいほど、同じ発熱量でも温度上昇が少なく、熱暴走の臨界点まで余裕ができます。
- 大型ヒートシンクの採用
- 強制空冷・水冷への切り替え
- 熱伝導グリス・絶縁シートの最適化
- 銅厚を増やした基板（2oz以上）
②温度モニタリングと過熱保護
ジャンクション温度を直接監視できれば理想ですが、現実にはヒートシンク温度・基板温度・サーミスタによる近傍温度を測定して、規定値を超えたら強制停止します。
- NTCサーミスタで発熱部品近くの温度を測定
- マイコンが温度を読み、規定値超えで出力遮断
- ハードウェア保護として温度ヒューズも併用
- パワーモジュールの内蔵温度センサ（NTC）を活用
③正の温度係数を持つ素子を選ぶ
新規設計ではBJTを避け、MOSFETやIGBTを採用するのが基本です。並列接続が必要な場合は、温度係数が正のSiC-MOSFETやSi-MOSFETが特に有利です。
④電流アンバランスの防止
並列接続時は、配線インピーダンスを揃え、ゲート抵抗を個別配置し、ロットを揃えるなどの対策を行います。BJTの場合はエミッタにバランス抵抗（数十mΩ程度）を直列に入れます。
4つの対策の組み合わせ
| 対策 | 役割 | 優先度 |
|---|---|---|
| 熱抵抗低減 | 臨界温度を引き上げる | 最優先 |
| 温度モニタ＋保護 | 暴走前に強制停止 | 必須 |
| 正特性素子の採用 | 原理的に暴走しにくい | 推奨 |
| 電流バランス | 並列時の集中防止 | 並列時必須 |
熱暴走でやりがちな失敗3選
失敗①：「定格内だから大丈夫」と過信する
データシートの定格は「ケース温度Tc=25℃での値」または「Tj=Tj_max時のディレーティング後の値」です。実際の動作温度（例えばTj=100℃）では、定格電流の半分しか流せない品種もあります。
データシートの「Power Derating Curve（電力ディレーティング曲線）」を必ず確認してください。
失敗②：温度モニタリングを実装しない
コスト削減で温度センサを省略し、過熱保護を入れない設計。試作では問題なくても、量産後の「想定外の使用環境」（高温・通気不良・ファン故障など）で熱暴走に至ります。
NTCサーミスタは1個10円程度です。過熱保護を省略するコスト削減は、致命的な品質コストに変わります。
失敗③：並列素子の配線対称性を無視
MOSFETを並列にしたとき、配線インピーダンスが非対称だと特定の素子に電流が集中します。「ドレイン配線・ソース配線・ゲート配線をすべて等長で対称配置」するのが基本ですが、見落とされがちです。
まとめ｜熱暴走は「予防」が唯一の対策
熱暴走は、設計者にとって最も恐ろしい現象の1つです。一度発生すると数秒で部品が破壊され、火災・人的被害につながる可能性もあります。「絶対に発生させない」予防設計を徹底してください。次回以降の記事では、SOA（Safe Operating Area）やパワーサイクル試験など、より具体的な信頼性設計のテーマを取り上げます。
次に読むべき記事
この記事の内容がわかったら、熱設計の次のテーマに進みましょう。続けて読むと、現場でそのまま使える知識になります。
テーマ別に、もっと深く学ぶ
気になるところから読んでも大丈夫です。どの記事も、はじめて学ぶ人向けにやさしく書いています。
