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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 dans cet article, un compromis entre le calcul académique et une simulation parfois laborieuse.
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Jean-François ROCHE : Directeur technique, ARCEL - avec la collaboration de Bruno ALLARD
INTRODUCTION
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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MOTS-CLÉS
semi-conducteur Convertisseur de puissance Convection température de jonction dissipation d'énergie Convection forcée pertes plaque froide
VERSIONS
- Version archivée 1 de août 2007 par Jean-François ROCHE
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Notations et symboles
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6. Glossaire
IGBT ; Insulated-Gate Bipolar Transistor
Transistor bipolaire à grille isolée : semiconducteur commandé à la fermeture et l’ouverture permettant le passage du courant dans un seul sens.
MOSFET ; Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor
Transistor à effet de champ à grille métal-oxyde : semiconducteur commandé à la fermeture et l’ouverture permettant le passage du courant dans un seul sens.
MOSFET SiC ; Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor Silicium
MOSFET au carbure de silicium : semiconducteur commandé à la fermeture et l’ouverture permettant le passage du courant dans un seul sens.
PRESSPACK
Composant de puissance, en général diode ou thyristor, encapsulé sous vide, dont les deux faces opposées sont à la fois conductrice thermique et électrique.
Thyristor
Semiconducteur commandé à la fermeture permettant le passage du courant dans un seul sens.
Diode
Semiconducteur permettant le passage du courant dans un seul sens.
IGCT
Thyristor à commutation de porte intégré : semiconducteur commandé à la fermeture et l’ouverture permettant le passage du courant dans un seul sens.
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Glossaire
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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
1 Outils logiciels (liste non exhaustive)
SIMPLORER http://www.ansoft.com/products/em/simplorer/
SABER http://www.synopsys.com/saber/
SPICE http://bwrc.eecs.berkeley.edu/Classes/IcBook/SPICE/
MATLAB http://fr.mathworks.com/products/matlab.html
PLECS http://www.plexim.com/products/plecs
HAUT DE PAGE
FLUENT http://www.fluent.com/
FLOTHERM http://www.flomerics.fr/flotherm/
ICEPAK http://www.icepak.com/
...
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