Bibliographie & annexes
Présentation
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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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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VERSIONS
- Version courante de mars 2023 par Jean-François ROCHE
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Cas particuliers2. Étapes principales de conception d’un convertisseur
2.1 Modélisation des composants
Les pertes par effet Joule sont données par le produit de la chute de tension v (t ) aux bornes du semi-conducteur par le courant qui le traverse i (t ), sur une période T s du cycle de fonctionnement :
Ces pertes par effet Joule peuvent être découpées en pertes par conduction (fonctionnement quasi statique du composant) et pertes par commutation (lors des changements brefs de fonctionnement). Suivant le composant et son mode de fonctionnement, les deux types de pertes peuvent avoir des valeurs différentes.
La chute de tension doit donc être quantifiée pour pouvoir déterminer les pertes du composant.
Il existe plusieurs niveaux de précision dans la détermination des modèles des semi-conducteurs. Le niveau présenté ci-après permet d’être assez proche de la réalité, tout en utilisant des calculs simples.
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Ce composant est le plus utilisé dans le domaine de l’électronique de puissance.
Lorsque celle-ci est conductrice, la tension à ses bornes peut être approchée par la formule suivante :
Les paramètres sont accessibles soit directement, soit indirectement, à partir de la fiche technique éditée par le constructeur.
La figure 2 donne un extrait d’une fiche de données constructeur. Pour le dispositif considéré, cette fiche donne : R t = 0,63 mΩ et V t0 = 0,75 V.
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Le MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor ) est en fait...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - IGBT Module. Application Manual. - Hitachi Ltd.http://www.pi.hitachi.co.jp/pse/ images/pdf/igbt-aple.pdf
-
(2) - Fuji IGBT Modules Application Manual. - Fuji Device Technology Co Ltd. (2004). http://www.fujisemiconductor.com/old_pdf/app_notes/fuji_igbt_application_manual(REH984).pdf
-
(3) - The next generation of cooling equipment. - Austerlitz. http://www.austerlitz-electronic.de/AE_K2004.pdf
-
(4) - Thermal management. - Ferraz Date Industries (2001). http://www.ferraz-shawmut.com/fr/resources/pdfs/thermal-management.pdf
-
(5) - Thermal Response of Semiconductor. - Application Note AN-292, Motorola.
-
(6) - LEFRANC (P.) - Étude, conception et réalisation de circuits de commande d’IGBT de forte puissance. - Institut national des sciences appliquées de Lyon (2005).
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Convertisseurs à semi-conducteurs. Code d’identification pour montages convertisseurs (supprimée en 2004). - CEI/TR 60971 - 07-89
(liste non exhaustive)
HAUT DE PAGE
Simplorer http://www.ansoft.com/products/em/simplorer/
Saber http://www.synopsys.com/saber/
SPICE http://bwrc.eecs.berkeley.edu/Classes/IcBook/SPICE/
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FLUENT http://www.fluent.com/
FLOTHERM http://www.flomerics.fr/flotherm/
Icepak http://www.icepak.com/
HAUT DE PAGE
(liste non exhaustive)
ABB (IGBT, semi-conducteurs de puissance) http://www.abb.fr/
ARCEL (composants de puissance, dissipateurs, montages) http://www.arcel.fr/
Fuji Electric (IGBT, semi-conducteurs de puissance) http://www.fujielectric.de/
IXYS (IGBT, semi-conducteurs de puissance) http://www.ixys.com/
Infineon...
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