Définition d’un dissipateur thermique en milieu industriel : Cas particuliers

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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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Version courante de mars 2023 par Jean-François ROCHE

DOI (Digital Object Identifier)

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

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Conclusion

3. Cas particuliers

Certains cahiers des charges introduisent une notion de surcharge transitoire (démarrage d’un moteur par exemple) ou un profil de fonctionnement particulier (variation de courant dans un onduleur de traction en fonction du chemin emprunté par la motrice). Dans les cas de surcharge, un calcul complémentaire doit être effectué afin de vérifier les répercussions sur la température de jonction.

3.1 Notion d’impédance thermique

Certaines fiches techniques donnent une courbe d’impédance thermique comme sur la figure 30.

À l’aide de cette courbe, on détermine la résistance thermique équivalente pour une surcharge et un temps donné.

Le temps permet de déterminer un coefficient entre 0 et 1, par exemple 0,64 pour un échelon de puissance de 100 s sur la courbe de la figure 30, la résistance thermique à utiliser pour déterminer l’élévation de température du dissipateur est alors :

L’élévation de température du dissipateur est donc pour un échelon de 1 000 W de 21 ^oC, au lieu de 33 ^oC dans le cas classique.

Ces notions sont utilisées dans les circuits de décharge de condensateurs, de démarrage de moteurs et plus généralement pour les phénomènes transitoires.

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3.2 Notion de constante de temps thermique

Les résistances thermiques permettent de calculer l’élévation de température entre le dissipateur et l’air ambiant dans des conditions stationnaires. Mais l’établissement de la température du dissipateur dans son environnement n’est pas instantané.

On introduit alors une notion d’impédance thermique, qui intègre la capacité thermique en plus de la résistance thermique.

Le calcul de l’élévation de température devient :

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