EV充電設備における放熱設計とシリコーン系サーマルパッドの選定

EVの普及と急速充電技術の高度化に伴い、充電器や充電スタンドに搭載されるパワー半導体の発熱対策は、製品の信頼性を左右する重要な設計課題となっています。MOSFET、IGBT、整流素子、電源モジュールなどは、充電時に継続的な熱負荷を受けるため、発生した熱を効率よくヒートシンクや筐体へ伝導させる必要があります。

特に高出力のEV充電設備では、単純に「熱伝導率の高い材料」を選ぶだけでは十分ではありません。実際の設計では、熱伝導性能に加えて、絶縁性、圧縮性、厚み公差、実装性、長期信頼性などを総合的に評価することが重要です。そのため、シリコーン系サーマルパッドは、パワーエレクトロニクス分野における代表的な熱伝導インターフェース材料（TIM）の一つとして採用されています。

EV充電設備で放熱対策が重要となる理由

充電設備内部には、電力変換を担う複数のパワー半導体や電子部品が配置されています。特に急速充電時には電力密度が高くなり、局所的な温度上昇が発生しやすくなります。半導体の温度が過度に上昇すると、部品寿命の低下や電気特性の変化、周辺材料の劣化につながる可能性があります。

このため、発熱部品とヒートシンクの間に存在する微細な凹凸や空気層を適切に埋め、安定した熱伝導経路を形成することが必要です。空気は熱伝導率が非常に低いため、接触面に残る空隙を低減することは、実装状態における熱抵抗を抑えるうえで重要です。

こうした用途では、所定の厚みを持ち、部品表面の凹凸に追従できる熱伝導シートや放熱シートが有効です。特にシリコーンをベースとしたサーマルインターフェース材料は、柔軟性と電気絶縁性を両立しやすいことから、高電圧を扱う充電設備との適合性を検討しやすい材料です。

熱伝導シートの選定では熱伝導率だけを見ない

エンジニアが熱伝導シートを選定する際、最初に確認すべき項目の一つが熱伝導率です。しかし、カタログ上の熱伝導率が高い材料ほど、実装状態で必ずしも優れた放熱性能を示すとは限りません。

実際の熱設計では、材料そのものの熱伝導率だけでなく、部品とヒートシンクの間に形成される総合的な熱抵抗を評価する必要があります。例えば、接触面の平坦度が低い場合や、一定のギャップが存在する場合には、硬すぎる材料では十分な接触面積を確保できない可能性があります。

一方、適切な柔軟性と圧縮性を持つサーマルパッドであれば、表面の微細な凹凸や部品高さのばらつきを吸収しながら、発熱部品と放熱構造の間に安定した接触状態を形成できます。

サーマルパッドと放熱グリースの違い

熱設計では、サーマルパッドと放熱グリースの比較が検討されることがあります。どちらが優れているかを一律に判断するのではなく、製品構造、ギャップ、組立工程、必要な熱抵抗、保守性などを基準に選択することが適切です。

放熱グリースは非常に薄い界面に充填することで低い界面熱抵抗を実現しやすい一方、塗布量や塗布厚の管理、組立工程での取り扱い、経時変化などを考慮する必要があります。

これに対してサーマルパッドは、あらかじめ厚みが設定されたシート状材料であるため、一定のギャップを持つ構造に適用しやすく、部品形状に合わせた打ち抜き加工やカスタム形状にも対応できます。

量産型のEV充電設備では、材料の取り扱いやすさ、位置決め、組立工程の安定性、検査のしやすさも重要な要素となります。その意味で、サーマルパッドは液状材料とは異なる製造上のメリットを持っています。

EV充電設備にシリコーン系サーマルパッドを使用するメリット

シリコーン系サーマルパッドがパワーエレクトロニクス用途で使用される理由の一つは、柔軟性と追従性です。

充電モジュールでは、パワー半導体、ヒートシンク、筐体などの寸法公差が完全にゼロになることはありません。材料に適度な柔軟性があれば、こうした公差を吸収しながら接触状態を維持できます。

また、高電圧を扱うEV充電設備では、熱を伝えながら電気的には絶縁するという相反する要求への対応も必要です。適切に設計されたシリコーン系熱伝導材料は、熱伝導性と電気絶縁性を両立できるため、パワーモジュール周辺の絶縁放熱用途で検討されています。

さらに、シート状材料であるため、厚み、硬度、熱伝導率、形状などを用途に合わせて設計できる点も実装上の利点です。

TOUSENシリコーン系サーマルパッドの特徴

EV充電設備やパワーエレクトロニクスの熱設計では、用途ごとに必要な熱性能と機械特性が異なります。TOUSENでは、異なる熱負荷やギャップ条件に対応できるシリコーン系サーマルパッドをシリーズ展開しています。

TOUSEN シリコーン系サーマルパッドでは、熱伝導率1.5～15.0 W/m·Kの製品グレードを展開しており、用途に応じた材料選定が可能です。

例えば、SF500は公称熱伝導率3.0 W/m·Kで、1 mm厚・30 psi条件における熱インピーダンスは0.45 °C·in²/Wです。また、より高い熱伝導性能が求められる用途に対しては、SF600D（4.0 W/m·K）、SF800（8.0 W/m·K）、SF1000（10.0 W/m·K）、SF1200（12.0 W/m·K）、SF1500（15.0 W/m·K）などの選択肢があります。

製品シリーズでは、用途に応じた厚みや形状への対応に加え、カスタム打ち抜き加工も可能です。製品情報では、電気絶縁性、UL94 V-0、RoHS、Halogen Free、REACHなどの仕様も掲載されています。

実際の充電設備では、必要な熱伝導率だけでなく、部品間ギャップ、圧縮率、取り付け構造、絶縁要求などを総合的に確認したうえで、適切なグレードを選定することが重要です。

EV充電器向けサーマルパッドの選定ポイント

エンジニアリングの観点から、EV充電設備に使用する熱伝導シートを選定する際には、少なくとも以下の項目を確認することが推奨されます。

1. 発熱量と実際の熱抵抗

MOSFET、IGBT、整流素子などが発生する熱量を確認し、材料単体の熱伝導率ではなく、実装後の総合的な熱抵抗を評価します。

2. 実際のギャップ寸法

設計図上の公称寸法だけでなく、組立後の実測ギャップと公差を確認します。材料が薄すぎると十分な接触を確保できず、逆に必要以上に厚い材料を使用すると熱抵抗が増加する場合があります。

3. 圧縮特性

サーマルパッドの硬度や圧縮特性は、使用する部品や固定構造との適合性を確認する必要があります。柔軟性が高すぎても、構造によっては望ましい状態を維持できない可能性があります。

4. 電気絶縁性能

高電圧回路では、熱伝導性能だけでなく絶縁耐圧や体積抵抗率など、要求される電気特性を確認する必要があります。

5. 長期信頼性

充電設備は長時間の連続運転や温度サイクルにさらされるため、熱老化、圧縮永久ひずみ、材料の安定性なども選定条件に含めるべきです。

他の熱伝導材料と比較したシリコーン系サーマルパッドの位置付け

放熱グリースと比較すると、シリコーン系サーマルパッドは厚みを管理しやすく、液状材料のような塗布工程を必要としない点がメリットです。一方、非常に薄い界面で極めて低い熱抵抗を求める用途では、グリースなどの液状TIMが適する場合もあります。

また、放熱ゲルと比較した場合、一定のギャップと形状が確立された量産部品では、シート状のサーマルパッドのほうが加工や位置決めを容易にできるケースがあります。

つまり、材料の優劣を単純に比較するのではなく、発熱量、ギャップ、圧縮条件、絶縁要求、組立方法、コスト、保守性を含めて判断することが重要です。

まとめ

EV充電設備の高出力化に伴い、熱設計は今後さらに重要な技術要素となります。適切な熱伝導シートは、単に熱を伝えるだけではなく、発熱部品とヒートシンクの間に安定した熱伝導経路を形成し、さらに電気絶縁性、機械的追従性、量産性、長期信頼性などの要求にも対応する必要があります。

特にEV充電器や充電モジュールのように、一定のギャップと明確な実装構造を持つ用途では、シリコーン系サーマルパッドは、熱伝導性、柔軟性、電気絶縁性、加工性をバランスよく確保できる選択肢の一つです。

TOUSENのシリコーン系サーマルパッドシリーズでは、1.5～15.0 W/m·Kの熱伝導率範囲から用途に応じたグレードを選択できます。充電設備の設計では、最高の熱伝導率を持つ材料を選ぶことだけを目的とせず、実際の熱抵抗、ギャップ、公差、圧縮条件、絶縁性能、製造工程を総合的に評価することが、安定した放熱性能と長期信頼性を実現するための基本となります。

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