방열판 크기 선정: 열 계산 실무

핵심 요약

하나의 방열판을 와트, 주변 온도, 케이스 온도로부터 필요한 저항으로 계산합니다. 실무 예시 포함. BQUQ(ISO9001, 둥관)는 12시간 내 견적을 제공합니다.

작성자 BQUQ Editorial Team 검토 BQUQ Quality Engineering 2025년 9월 21일 업데이트 2026년 1월 12일 조회수 ISO 9001:2015 인증 공장

방열판 크기 선정: 전력 예산에 대한 열 계산 실무

방열판 크기는 하나의 숫자에서 역산하여 결정합니다: 장치 케이스와 주변 공기 사이에 허용되는 최대 열 저항. 필요한 방열판-공기 저항은 (최대 케이스 온도 - 최악의 주변 온도)를 소비 전력으로 나눈 값에서 케이스와 방열판 사이의 접촉 열 저항을 뺀 값입니다. 예산이 2.5 K/W로 나오면, 해당 기류에서 2.5 K/W 이상의 성능을 가진 방열판이 필요합니다. 그 외의 것은 공학으로 위장한 추측에 불과합니다.

이 계산은 의도적으로 단순합니다. 실제 주변 온도, 실제 기류, 실제 접촉 계면 재료와 같은 현실과 맞닿아야 하기 때문입니다. 이 가이드는 와트에서 완성된 부품 번호까지 하나의 크기 선정 작업을 안내하며, 공장에 문의하기 전에 자체 예산에 적용할 수 있는 일반적인 값을 제공합니다.

모든 방열판 뒤에 숨은 하나의 방정식

모든 방열판 문제는 열원과 공기 사이에 직렬로 연결된 일련의 열 저항입니다. 접합부-케이스는 부품 패키지에 의해 고정됩니다. 케이스-방열판은 접촉 계면 재료와 장착 방식에 의해 결정됩니다. 방열판-공기는 구매할 수 있는 유일한 항목이며, 이것이 바로 방열판입니다.

필요한 방열판-공기 저항: Rth(sa) = (Tcase,max − Tamb,max) / P − Rth(interface)

말로 풀어보면: 부품 케이스가 도달할 수 있는 최고 온도를 취하고, 제품이 경험할 수 있는 가장 뜨거운 공기 온도를 빼고, 최악의 전력으로 나눕니다. 그런 다음 접촉 계면 저항을 뺀 나머지가 견딜 수 있는 최대 방열판 저항입니다.

열 경로	일반적인 값	비고
TO-220 접합부→케이스	2.5–4 K/W	오래된 워크호스 패키지, 우수한 방열판 필요
TO-247 접합부→케이스	0.3–0.6 K/W	대형 탭, MOSFET 및 다이오드에 일반적
고출력 LED 접합부→납땜 지점	1–3 K/W	다이 크기와 기판에 따라 다름
IGBT 모듈 접합부→베이스플레이트	0.1–0.3 K/W	넓은 DBC 기판이 열을 잘 확산시킴
그리스, 25 × 25 mm 접촉면	0.1–0.3 K/W	얇은 본드 라인, 최고의 가치
실리콘 패드, 25 × 25 mm	0.4–1.0 K/W	조립 용이, 더 높은 저항
TIM 없음(건식 금속 접촉)	0.5–1.5 K/W	공극이 지배적임, 양산 시 피해야 함

결론: 접촉 계면은 거의 무료가 아닙니다. 25W를 방출하는 TO-247에서 접촉 계면 저항 0.1 K/W마다 케이스 온도가 2.5°C 상승합니다. 이것이 냉각 시스템에서 가장 저렴한 부품이 종종 가장 수익성 높은 개선점인 이유입니다. 전체 열 저항 배경 지식은 방열판 열 저항 가이드를 참조하십시오.

실무 예시: 자연 대류 환경에서 25W MOSFET용 크기 선정

최악의 경우 25W를 방출하는 TO-247 MOSFET을 예로 들어 보겠습니다. 제품은 실내에 설치되므로 최악의 주변 온도는 50°C입니다. 데이터시트는 접합부 온도를 150°C로 허용하며, 패키지의 접합부-케이스 열 저항은 0.4 K/W입니다. 0.3 K/W 그리스 접촉 계면을 계획합니다. 방열판이 한계점에 정확히 맞지 않도록 20%의 전력 여유를 허용합니다.

1단계 — 접합부 예산: (150 − 50) °C = 접합부에서 공기까지 총 허용 100 K. 2단계 — 여유를 포함한 설계 전력: 25 W × 1.2 = 30 W. 3단계 — 총 허용 저항: 100 K / 30 W = 3.33 K/W. 4단계 — 패키지 및 접촉 계면 저항 차감: 자연 대류에서 방열판의 경우 3.33 − 0.4 − 0.3 = 2.63 K/W.

예산 항목	값	방열판에 남은 총 예산
최대 접합부 − 주변 온도	100 K	—
설계 전력 (25 W × 1.2 여유)	30 W	—
총 Rth 접합부→공기	100/30 = 3.33 K/W	3.33 K/W
접합부→케이스 (TO-247)	0.40 K/W	2.93 K/W
그리스 접촉 계면	0.30 K/W	2.63 K/W
필요한 방열판→공기 Rth	≤ 2.63 K/W	목표

결론: 방열판에는 이제 숫자가 있습니다 — 정지 공기에서 2.63 K/W. 형상에 대한 어떤 것도 아직 결정되지 않았지만, 모든 공급업체와의 대화는 "적당한 크기"가 아닌 이 수치에서 시작됩니다.

예산을 실제 방열판으로 전환

방열판-공기 저항은 노출 면적, 대류 계수 및 핀 효율에 의해 결정됩니다. 빠른 현실 확인은 Q = h × A × ΔT를 사용합니다: 50K 상승에서 30W의 경우 대략 h × A = 0.6 W/K가 필요합니다. 유효 계수가 약 10 W/m²·K(자연 대류에서 흑색 양극 산화 처리된 수직 핀 어레이의 일반적인 값, 복사 포함)인 경우, 약 0.06 m²의 접촉 핀 표면적이 필요합니다 — 100 × 75 mm 베이스에 높이 약 35mm의 핀 8–10개면 충분합니다.

냉각 방식	일반적인 대류 계수	50K 상승에서 ~30W에 대한 실용적인 방열판 크기
자연 대류, 알루미늄	5–8 W/m²·K	대형: 150 × 100 × 40 mm 이상
자연 대류, 흑색 양극 산화 처리	9–14 W/m²·K	중형: 100 × 75 × 40 mm 등급
강제 공기 1–2 m/s	15–40 W/m²·K	소형: 40–60 mm 팬이 있는 75 × 60 × 25 mm
강제 공기 3–5 m/s, 덕트 방식	40–90 W/m²·K	초소형: 60 × 50 × 20 mm 핀 핀

결론: 수동 설계에서 복사는 장식이 아닙니다 — 흑색 양극 산화 처리는 자연 대류에서 유효 면적을 약 30–50% 증가시키는 효과가 있어 거의 모든 수동 방열판이 어두운 색인 이유입니다. 자연 대류 방열판이 인클로저에 맞지 않으면, 정직한 선택은 소형 팬을 추가하거나 전력단을 재설계하는 것입니다. 더 이상 맞지 않는 더 높은 핀 스택을 추가하는 것은 아닙니다.

대부분의 계산이 놓치는 디레이팅 요소

이 방정식은 깨끗한 수직 핀, 해수면, 방해받지 않는 방열판, 베이스를 덮는 열원을 가정합니다. 실제 제품은 네 가지 가정을 모두 위반하므로 부품 번호를 확정하기 전에 배율을 적용하십시오.

조건	일반적인 불이익	해결책
핀이 수직이 아닌 수평인 경우	자연 대류 −20–30%	방열판 또는 제품 회전
열원이 베이스 면적의 ~25% 미만인 경우	확산으로 인해 −10–30%	베이스 두께 증가 또는 히트 스프레더 추가
고도 1,500 m	공기 밀도 효과 −5–10%	방열판 과대 설계
고도 3,000 m	공기 밀도 효과 −10–20%	과대 설계 또는 기류 추가
방열판이 인클로저 벽에서 10 mm 이내인 경우	기류 질식 −10–25%	핀 피치 이상의 간격 유지
덕트 기류, 차폐되지 않은 팬	재순환 −10–25%	슈라우드 또는 덕트 추가

결론: 모든 제품에 모든 불이익을 적용하지 말고, 해당 제품에 적용되는 불이익만 추가하십시오. 밀폐된 실외 인클로저에 수평으로 장착된 LED 드라이버는 세 가지 불이익을 동시에 받습니다. 환기가 되는 실내 장치에 수직 보드가 있으면 아무런 불이익도 받지 않습니다. 확실하지 않으면 최악의 조합을 실행한 다음 첫 번째 프로토타입에서 열전대로 확인하십시오.

계산에서 부품 번호까지

예산과 디레이팅이 확정되면 형상 선택은 카탈로그 작업입니다: 목표를 충족하는 공개 또는 측정된 자연 대류 저항을 가진 프로파일을 선택한 다음, 베이스를 필요한 길이로 절단하고, 밀링하여 평평하게 하고, 드릴링하고, 도면에 따라 마감 처리할 수 있는지 확인하십시오. 압출 방열판과 CNC 가공 방열판을 모두 운영하는 공급 공장이 도움이 되는 이유가 여기에 있습니다: 압출은 표준 프로파일의 대량 생산에 유리하고, 가공은 베이스에 포켓, 장착 보스 또는 다이로는 얻을 수 없는 엄격한 평면도가 필요할 때 유리합니다. 와트, 주변 온도 범위, 케이스 온도 제한, 기류(또는 "정지 공기"), 엔벨로프 제약 조건을 함께 보내십시오. 이 다섯 가지 입력만 있으면 공장은 한 번에 방열판 크기와 가격을 산정할 수 있습니다. 당사의 8단계 방열판 선정 워크플로우는 이 계산부터 출시된 부품 번호까지의 나머지 과정을 다룹니다.

자주 묻는 질문

Q: 방열판 크기를 결정하는 데 사용하는 공식은 무엇입니까?

A: 필요한 방열판-공기 저항은 (Tcase,max − Tamb,max)를 소비 전력으로 나눈 값에서 접촉 계면 저항을 뺀 값입니다. 그런 다음 해당 기류에서 정격 저항이 이 예산보다 낮거나 같은 방열판을 선택하십시오. 전체 규율은 최악의 경우에도 이 부등식을 유지하는 것입니다.

Q: 자연 대류 방열판의 좋은 열 저항은 얼마입니까?

A: 약 100 × 75 × 40 mm 크기의 중형 압출 알루미늄 방열판은 일반적으로 흑색 양극 산화 처리 시 정지 공기에서 2–3 K/W이며, 더 크거나 핀 밀도가 높은 프로파일은 1–1.5 K/W에 도달할 수 있습니다. 팬 없이 약 1 K/W 미만이 되면 방열판이 비현실적으로 커지며, 이는 강제 공기 냉각으로 전환해야 하는 지점입니다.

Q: 크기 선정 시 전력 여유는 얼마나 추가해야 합니까?

A: 측정된 최악의 소비 전력에 15–30%를 더하고, 방향, 고도 또는 인클로저 막힘에 대한 디레이팅을 추가하십시오. 여유는 도면 단계에서는 저렴하지만 인클로저, PCB 및 열 솔루션이 모두 고정된 후에는 매우 비쌉니다.

Q: 계산에 접촉 계면 재료를 정말 포함해야 합니까?

A: 그렇습니다. 건식 금속 접합부는 0.5–1.5 K/W를 추가할 수 있으며, 25W 장치에서는 케이스 온도가 12–37°C 상승합니다. 그리스 또는 상변화 패드는 일반적으로 0.1–0.5 K/W이며 전체 열 체인에서 가장 저렴한 성능 업그레이드입니다.

Q: 프로토타입이 계산보다 더 뜨거운 이유는 무엇입니까?

A: 일반적으로 네 가지 원인 중 하나입니다: 열원이 작고 베이스가 열을 제대로 확산시키지 못하거나, 핀이 수직이 아니거나, 방열판이 인클로저 벽에 너무 가깝거나, 실제 주변 온도가 가정보다 높습니다. 여러 부하에서 열전대로 케이스 온도를 측정하고 예산 항목별로 비교하십시오.

방열판 크기 선정: 전력 예산에 대한 열 계산 실무

방열판 크기 선정: 전력 예산에 대한 열 계산 실무

모든 방열판 뒤에 숨은 하나의 방정식

실무 예시: 자연 대류 환경에서 25W MOSFET용 크기 선정

예산을 실제 방열판으로 전환

대부분의 계산이 놓치는 디레이팅 요소

계산에서 부품 번호까지