カーエアコン用ブロアレジスタと MOSFET / PWM 制御 ― 風量制御と熱設計のツボ Blower resistors and MOSFET / PWM control for automotive A/C – Key points of airflow and thermal design
「弱・中・強」の裏側にある、3つの制御方式 Three control methods behind “low / mid / high” airflow
カーエアコンの風量切替は、かつてはシンプルなブロアレジスタ（段階抵抗方式）が主流でしたが、
現在では MOSFET の電圧ドロップ変化を利用する方式 や、
PWM でスイッチング制御する方式 も広く使われています。
本コラムでは、それぞれの方式の特徴と、抵抗器メーカーの視点から見た熱設計・信頼性のポイントを整理します。
In the past, blower airflow control in automotive A/C systems was dominated by simple
multi-step blower resistors. Today, however, both MOSFET linear control using voltage drop
and PWM switching control are widely adopted.
In this column, we compare these control methods and highlight key points of thermal and
reliability design from a resistor manufacturer’s perspective.
1. ブロアレジスタの基本 ─ 「風量を変える」だけではない役割 1. Basics of blower resistors – More than just changing airflow
ブロアレジスタは、ブロアモータと直列に接続された抵抗によって、モータにかかる電圧・電流を変化させ、 風量（モータ回転数）を段階的に切り替える部品です。 A blower resistor is a component connected in series with the blower motor. By changing the voltage and current applied to the motor through different resistance values, it switches the blower speed (airflow) in steps.
典型的には、
・「強」：抵抗なしでモータをフル駆動
・「中」：1段分の抵抗を直列に挿入
・「弱」：2段分の抵抗を直列に挿入
といった構成が用いられます。
A typical configuration is:
· “High”: motor driven at full power without series resistance
· “Medium”: one step of series resistance inserted
· “Low”: two steps of series resistance inserted
一見シンプルな構成ですが、実際には 高温雰囲気・連続動作・振動・湿度・粉塵 といった 厳しい環境の中で安定動作する必要があり、発熱・放熱・寿命設計が重要になります。 Although this configuration seems simple, the resistor must operate stably under harsh conditions such as high temperature, continuous operation, vibration, humidity and dust. Thermal behavior and lifetime design therefore become critical.
2. カーエアコン風量制御の進化 ─ 3つの方式 2. Evolution of airflow control – Three main methods
カーエアコンの風量制御方式は、概ね次の 3つに分類できます。 Airflow control in automotive A/C systems can broadly be classified into the following three methods:
- 段階抵抗方式（ブロアレジスタ） Step-resistor method (blower resistor)
- MOSFET リニア制御方式（電圧ドロップ変化を利用したオートエアコン） MOSFET linear control (auto A/C using controlled voltage drop)
- PWM スイッチング制御方式（スイッチングで風量を制御するオートエアコン） PWM switching control (auto A/C controlling airflow via switching)
2-1. 段階抵抗方式 ─ シンプルで実績豊富 2-1. Step-resistor method – Simple with a long track record
段階抵抗方式は、構造がシンプルでコストバランスに優れ、長年にわたり多くの車種で採用されてきました。 一方で、抵抗で消費した電力がそのまま熱となるため、抵抗器周辺の温度上昇 が大きくなる傾向があります。 The step-resistor method has a simple structure, good cost balance and a long history of use across many vehicle models. However, since the power dissipated by the resistors turns directly into heat, it tends to cause significant temperature rise around the resistor.
2-2. MOSFET リニア制御方式 ─ 電圧ドロップを利用するオートエアコン 2-2. MOSFET linear control – Auto A/C using voltage drop
オートエアコンの普及とともに増えたのが、MOSFET をブロアモータと直列に挿入し、 VGS を制御することで MOSFET の「実効抵抗値」を変化させる方式です。 MOSFET をリニア（線形）領域で動作させることで、 モータにかかる電圧を連続的に変化させ、風量を滑らかに変えられます。 With the spread of automatic A/C, a control method has become popular in which a MOSFET is inserted in series with the blower motor and its “effective resistance” is varied by controlling VGS. By operating the MOSFET in its linear region, the voltage applied to the motor can be changed continuously, enabling smooth airflow control.
回路イメージとしては、バッテリ ─ MOSFET ─ ブロアモータ ─ GND を直列に接続し、 制御ECUが VGS をアナログ的に制御します。 このとき MOSFET は「スイッチ」ではなく、事実上 “可変抵抗”として動作しており、 抵抗に相当する電力を素子内部で熱として消費します。 Conceptually, the battery, MOSFET, blower motor and ground are connected in series, and the control ECU adjusts VGS in an analog manner. In this case, the MOSFET no longer acts as a pure “switch” but effectively as a variable resistor, dissipating the corresponding power as heat inside the device.
■ MOSFET方式の原理（リニア領域） ■ Principle of the MOSFET linear-control method
MOSFETには大きく「OFF領域」「リニア（線形）領域」「飽和領域」があります。 ブロア用のリニア制御方式では、あえてリニア領域を使い、 Gate電圧 VGS を連続的に変化させることで、チャネルの太さ＝実効抵抗値を制御します。 MOSFET operation regions can be roughly divided into “OFF”, “linear” and “saturation”. In blower linear-control systems, the linear region is intentionally used and the channel thickness – that is, effective resistance – is controlled by continuously changing VGS.
その結果、バッテリ ─ MOSFET ─ モータ ─ GND の直列回路の中で、 MOSFETが可変抵抗のように振る舞い、モータ電圧・電流を連続的に変化させることができます。 As a result, in the series loop of battery–MOSFET–motor–ground, the MOSFET behaves as a variable resistor, allowing continuous change of motor voltage and current.
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ブロア電流を I、モータにかかる電圧を VM、バッテリ電圧を VBとすると、
MOSFET にかかる電圧 VDS ≒ VB − VM
損失 P ≒ VDS × I If blower current is I, motor voltage is VM and battery voltage is VB, then:
VDS across the MOSFET ≒ VB − VM
Loss P ≒ VDS × I -
例えば、13.5V 系で「中風量」時にモータ電流 8A、VDS が 4V だとすると、
P ≒ 4V × 8A = 32W の熱を MOSFET が消費する計算になります。 For example, in a 13.5 V system, at “medium” airflow with motor current of 8 A and VDS of 4 V,
P ≒ 4 V × 8 A = 32 W of heat is dissipated in the MOSFET. - 実際には、周囲温度・ダクト内風速・ヒートシンク有無などで許容損失は大きく変わるため、 ケース温度・ジャンクション温度まで含めた熱設計が不可欠です。 In practice, allowable loss varies greatly with ambient temperature, airflow in the duct, presence or absence of heat sinks, etc. A complete thermal design considering case and junction temperatures is essential.
- MOSFET をリニア領域で使う場合、データシートのSOA（Safe Operating Area：安全動作領域）を守ることが重要です。 I–V–時間の 3軸で制限されているため、単純な「定格電流」「定格電圧」だけでは安全とは言えません。 When using a MOSFET in the linear region, it is crucial to stay within the SOA (Safe Operating Area) specified in the datasheet. Because it is defined over three axes – current, voltage and time – meeting only “rated current” and “rated voltage” is not sufficient to ensure safety.
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特に注意すべき最悪条件の例：
・ブロアファンのロック・固着時（I が増加）
・ダクト風が止まった状態での長時間 ON
・高温環境下でのエンジン停止直後（放熱が悪化） Typical worst-case conditions include:
· Blower fan locked or stuck (current increases)
· Long ON time with no airflow in the duct
· Immediately after engine stop in a high ambient temperature (poorer heat dissipation) - これらを想定して、SOA カーブ上で十分なマージンを確保しておくことが、 フィールドでの早期不具合防止に直結します。 Designing with these conditions in mind and securing sufficient margin on the SOA curve is directly linked to preventing early failures in the field.
- 損失 P を安全に逃がすには、「ジャンクション → パッケージ → 基板／ヒートシンク → ダクト内気流」 という熱パスを一連の系として設計する必要があります。 To safely dissipate loss P, the thermal path “junction → package → PCB / heat sink → airflow in the duct” must be designed as one continuous system.
- 例えば、TOパッケージならパッドサイズ・ビア・銅箔厚、モジュール化品ならベースプレートと筐体の熱抵抗など、 抵抗器と同様に「取り付け方」で実力が大きく変わる部品です。 For example, in TO packages, pad size, via structure and copper thickness are critical; in module products, thermal resistance between base plate and housing is important. As with power resistors, performance strongly depends on the mounting method.
このように、MOSFET リニア制御方式は「快適性」を高められる一方で、 SOA・熱設計・最悪条件の取り扱いを誤ると、 抵抗器以上に熱ストレスが集中しやすい方式でもあります。 Thus, while MOSFET linear control can greatly improve comfort, if SOA, thermal design and worst-case conditions are not handled properly, thermal stress can become more concentrated in the MOSFET than in a conventional resistor.
2-3. PWM スイッチング制御方式 ─ 高効率な次世代方式 2-3. PWM switching control – A high-efficiency next-generation method
さらに近年では、MOSFET をスイッチング動作させてデューティ比で平均電圧を決める PWM（Pulse Width Modulation）方式 が主流になりつつあります。 More recently, PWM (Pulse Width Modulation) control, which uses a MOSFET in switching mode to set the average voltage by duty ratio, has become mainstream.
MOSFET を高速で ON/OFF し、その ON 時間と OFF 時間の比率（デューティ比）によって モータに印加される平均電圧を制御するため、高効率かつ発熱が少ない のが大きな特徴です。 The MOSFET is switched ON and OFF at high speed, and the duty ratio between ON and OFF determines the average voltage applied to the motor. As a result, this method is highly efficient and generates less heat.
- 高効率：MOSFET がリニア損失を持たないため、発熱が少ない High efficiency: low heat generation since the MOSFET has little linear loss
- 高精度制御：デューティ比制御により風量を細かく調整可能 Precise control: airflow can be finely adjusted via duty ratio
- EMI/EMC：スイッチングノイズ対策（フィルタリング・レイアウト・シールド）が必須 EMI/EMC: switching noise requires careful filtering, layout and shielding
2-4. 方式比較 ─ 用途によって最適解が変わる 2-4. Method comparison – Best choice depends on application
| 項目Item | 段階抵抗Step resistor | MOSFET（リニア）MOSFET (linear) | PWM（スイッチング）PWM (switching) |
|---|---|---|---|
| 快適性Comfort | △ 段差あり△ Step changes | ○ 滑らか○ Smooth | ◎ 高精度◎ High precision |
| 熱効率Thermal efficiency | △ 熱ロス大△ High loss | △ 中△ Medium | ◎ 低損失◎ Low loss |
| 回路複雑度Circuit complexity | ○ 低い○ Low | △ 中△ Medium | △〜× 高△–× High |
| ノイズ対策Noise countermeasures | ◎ ほぼ不要◎ Minimal | ○ 少なめ○ Moderate | × 必須× Essential |
| EV/HEV との親和性Suitability for EV/HEV | ○ 場合による○ Depends | ○ 条件次第○ Depending on conditions | ◎ 高効率で親和性高い◎ Highly compatible due to efficiency |
3. 設計のツボ ─ 発熱・放熱・寿命をどう見るか 3. Design tips – How to handle heat and lifetime
方式が異なっても、風量制御部品の設計で共通して重要になるのは、 「どこで熱が発生し、どこに逃がすか」 と 「その状態が長期にわたり維持できるか」 です。 Regardless of the control method, the common key issues in airflow control component design are “where heat is generated and where it is dissipated” and “whether this condition can be maintained over the long term”.
- 各風量モードごとの損失と、最悪条件での部品温度 Losses in each airflow mode and component temperature in worst-case conditions
- ダクト内の風が止まった場合（ブロア停止時）の温度マージン Temperature margin when airflow stops in the duct (blower stopped)
- ハーネス・樹脂部品・近傍部品への熱影響 Thermal impact on harnesses, plastic parts and nearby components
- 温度サイクル・振動・湿度を組み合わせた長期信頼性 Long-term reliability under combined temperature cycling, vibration and humidity
- 抵抗値ドリフトや接触抵抗上昇がシステムに与える影響 Impact of resistance drift and rising contact resistance on system behavior
4. 実際のトラブル事例（一般化・匿名） 4. Typical trouble cases (generalized, anonymized)
→ 実使用ではその段の使用時間が想定より長く、 損失が一部の抵抗体に偏っていたことが原因。 · Trouble where only “low” or “medium” airflow stops working.
→ In actual use, that particular setting was used longer than assumed, causing losses to be concentrated on a specific resistor element.
→ 接触抵抗の上昇や、振動による接触不良が発熱源になっていたケース。 · Even though the resistor value and MOSFET itself were within spec, local overheating and discoloration occurred around connectors, terminals or solder joints.
→ Increased contact resistance or contact failure due to vibration became the source of heat.
5. まとめ ─ 快適性と信頼性を両立するために 5. Summary – Balancing comfort and reliability
段階抵抗方式・MOSFET リニア制御方式・PWM スイッチング方式は、それぞれに明確な特長とトレードオフがあります。 どれか一つが「常に正解」というわけではなく、車種・市場・コスト・快適性・効率要求 によって最適な組み合わせが変わります。 Step-resistor, MOSFET linear and PWM switching methods each have clear strengths and trade-offs. There is no single “always correct” solution – the optimal choice depends on vehicle model, market, cost, comfort and efficiency requirements.
中村電機工業では、これら 3方式のいずれにも対応できる抵抗器・放熱構造の設計ノウハウを活かし、 お客様のシステムに合わせた最適な風量制御部品のご提案を行っています。 At Nakamura Electric Industry, we leverage our design know-how for resistors and thermal structures suitable for all three methods, and propose optimum airflow control components tailored to each customer’s system.
図面・現行仕様をお送りいただければ、最適な抵抗仕様・放熱構造をご提案いたします。 Whether you need to confirm temperature margins of existing blower resistors or explore new structures for future control methods, send us your drawings and current specifications,
and we will propose optimal resistor specifications and thermal structures.