Définition d’un dissipateur thermique en milieu industriel : Situation

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RÉSUMÉ

L’une des étapes, lors de la détermination des différents éléments constituant un convertisseur de puissance, est le choix du dissipateur, qui préserve l’intégrité thermique des semi-conducteurs de puissance. Celle-ci est réalisée en maintenant la température de jonction du composant en dessous de sa valeur critique pendant le cycle de fonctionnement. Le coût du dissipateur, ou plus globalement de la fonction refroidissement, est étroitement lié au couple dissipateur-composant. La démarche industrielle de choix d’un dissipateur est développée ici, compromis entre le calcul académique et une simulation parfois laborieuse.

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ABSTRACT

One of the stages in the determination of the various elements constitutive of a power converter is the choice of the dissipater which preserves the thermal integrity of power semi-conductors. This integrity is achieved by maintaining the junction temperature of the component below its critical value during the operating cycle. The cost of a dissipater or more globally of the cooling function is closely linked to the coupling of the dissipater with the component. The industrial process concerning the choice of a dissipater is presented in this article, a compromise between academic calculation and a sometimes complex simulation.

Auteur(s)

Jean-François ROCHE : Directeur technique, ARCEL

INTRODUCTION

avec la collaboration de Bruno ALLARD

L’une des étapes, lors de la détermination des différents éléments constituant un convertisseur de puissance, est le choix du dissipateur, afin de préserver l’intégrité thermique des semi-conducteurs de puissance. Celle-ci est réalisée en maintenant la température de jonction du composant en dessous de sa valeur critique pendant le cycle de fonctionnement.

Le coût du dissipateur, ou plus globalement de la fonction refroidissement, est étroitement lié au couple dissipateur-composant.

Par exemple, pour maintenir à température un ou deux boîtiers TO3, le coût du couple « dissipateur + ventilateur » est souvent plus important que la somme des coûts des composants à refroidir. En règle générale, plus l’application est de forte puissance, plus le couple « semi-conducteur + étages de commande » est prépondérant, face au poste dissipateur. Cela est dû en partie au coût des semi-conducteurs de puissance.

Le choix du dissipateur ne peut être effectué qu’en connaissance des éléments suivants :

nombre et type des composants à refroidir, donc connaissance du boîtier utilisé pour chaque composant (composant discret, module, presspack...) ;
pertes générées par chaque composant (dépendent du cycle de fonctionnement et de la topologie du montage), surcharges éventuelles ;
mode de refroidissement souhaité (convection naturelle, ventilation forcée, chambres à eau...) ;
contraintes mécaniques et intégration du système dans son environnement final (contraintes diélectriques, fixation du montage, mise en coffret).

L’objet de ce dossier est de développer la démarche industrielle de choix d’un dissipateur, compromis entre le calcul académique et la simulation parfois laborieuse.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-d3117

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Étapes principales de conception d’un convertisseur

1. Situation

Aperçu historique

L’évolution constante des semi-conducteurs permet la conception de systèmes dont les performances ne cessent de croître. Il est loin le temps où le tube électronique utilisé en diode ou bien le transistor régnaient en maîtres.

À cette époque, presque révolue (certaines applications utilisent encore des tubes, comme des ballasts haute tension ou les amplificateurs audiophiles par exemple), les joules dissipées par le tube rayonnaient à travers le verre, dans l’air ambiant. La seule solution pour ne pas détériorer les composants était de contrôler la température ambiante du local industriel. Compte tenu du nombre de composants employés, des températures mises en jeu, et du volume des montages, des systèmes réfrigérants étaient communément utilisés. Le volume occupé par l’ensemble montage – refroidissement était conséquent, et une mise en défaut du système de ventilation entraînait une dégradation rapide de l’installation.

Les composants de puissance de type semi-conducteur présentent l’avantage de ne pas utiliser l’air comme vecteur thermique, mais un substrat qui est lui-même plaqué sur une semelle composée d’un matériau présentant une bonne conduction thermique. La figure 1 montre en coupe un module IGBT (insulated gate bipolar transistor ). Cette structure permet l’utilisation de dissipateurs, dont le rôle est d’évacuer les joules produites par la puce. De plus, l’évolution des semi-conducteurs autorise la réalisation de montages de plus en plus performants, donc l’augmentation des pertes à évacuer par les jonctions. Une grande diversité de dissipateurs permet d’obtenir dans chaque cas le compromis optimal.

1.1 Cahier des charges

Le choix du refroidisseur dépend des éléments fournis dans le cahier des charges du convertisseur. Les éléments de base que l’on doit connaître sont la nature du convertisseur et son environnement.

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1.1.1 Nature du convertisseur

C’est la fonction électrique que doit assurer le convertisseur. Onduleur, redresseur ou hacheur, ces fonctions sont décrites par un vocable...