Pertes dans les composants de puissance Modèle thermique ... et TD par...

C22 Contrôle des actionneurs électriques Pertes et refroidissement des convertisseurs

sur 8 J-C Rolin Lycée G.Eiffel 11/2014

Pertes dans les composants de puissance Modèle thermique et choix d’un dissipateur

Contenu du cours

1. PERTES DANS UNE JONCTION PN .................................................................................................................... 2

1.1. Modèle de diode en régime établi pour le calcul des pertes ......................................................................... 2 1.2. Expression des pertes de conduction en régime périodique......................................................................... 2

2. EVACUATION DES PERTES, MODELE THERMIQUE ET CALCUL DU RADIATEUR ....................................... 3

2.1. Illustration des échanges thermiques ............................................................................................................ 3 2.2. Modèle thermique permanent ........................................................................................................................ 4 2.3. Exploitation du modèle, condition sur le radiateur ......................................................................................... 4 2.4. Caractéristiques des radiateurs, méthode de choix ...................................................................................... 5 2.5. Modèle thermique et radiateur d'un montage multi composants ................................................................... 6

3. EXERCICE : REFROIDISSEMENT D'UNE DIODE DE ROUE LIBRE D’UN HACHEUR. .................................... 6

Annexes 1 : Équivalence entre grandeurs électriques et grandeurs thermiques ........................................................... 7

Annexe 2 : Impulsion de courant / de puissance périodique, comportement transitoire ................................................ 7

DM : FARDELEUSE ........................................................................................................................................................ 8

Four de rétractation d'un film plastique sur un pack de bouteilles .................................................................................. 8



1. PERTES DANS UNE JONCTION PN La jonction PN est à la base de toutes les fonctions de l'électronique, y compris celles intégrées dans les processeur avec actuellement de l'ordre de 109 transistors MOS par processeur... Pour décrire le fonctionnement d'une jonction PN il faut aborder la physique des semi conducteurs, hors programme en prépa, mais développée en école d'ingénieur. L'usage le plus immédiat d'une jonction PN correspond à la diode... à jonction. Une manière simple d'illustrer le fonctionnement d'une diode est de faire une analogie avec une canalisation munie d'un clapet anti-retour ou valve. Dans le sens passant, à partir d'un seuil de pression du fluide, le clapet est ouvert (analogie avec la tension de seuil), et dans l'autre sens, le fluide ne peut ouvrir le clapet, sauf si la pression est trop forte (analogie avec la tension inverse maximale ou de claquage). La perte de charge dans la valve représente la puissance dissipée dans la diode.

1.1. Modèle de diode en régime établi pour le calcu l des pertes

Lexique de base Caractéristique courant = f tension )

— courant et tension directs, en anglais Forward indice "F" — courant et tension inverses, en anglais Reverse indice "R"

— valeurs répétitives, en anglais Repeat "R"

— valeurs moyennes, en anglais Average indice "AV" On modélise la diode en direct par deux éléments (f ig. 1.c) ;

— la tension directe V Fto du coude — la résistance dynamique directe r F.

On déduit le modèle statique suivant

Modèle statique d'une diode en polarisation directe

I

V

I

V

V rF

F

FtoF

F

F

Fig.1

P NIF

VF

(a) (b) (c)

Les valeurs de VFto et rF sont fournies par les constructeurs, elles servent à évaluer les pertes dans le composant, afin de dimensionner le radiateur de refroidissement.

Exemple : une diode A6F400 de chez IR, prévue pour un courant moyen IFAV = 6 A, à pour valeurs :

VFto = 0,596 V et rF = 13,51mΩ. La chute de tension VF aux bornes de raccordement de la diode est alors donnée par l’expression instantanée :

vF = vFTO + rF.IF

1.2. Expression des pertes de conduction en régime périodique On utilise le modèle et la définition de la puissance active pour un signal périodique

∫=T

FF dttitvT

P0

).().(1

Le courant iF étant périodique, les pertes de conduction Pc d'une diode ont pour expression avec IFAV courant moyen et IFeff courant efficace. Pc = VFTo . IFAV + rT.I²Feff ²

VFto

IFM

VRRM

iF

vF

pente 1/rF

Courant direct maximal

F : Forward R : Reverse



Exemple : Le courant dans une diode A6F400 utilisée dans un redresseur triphasé est le suivant (fig.2). Le constructeur indique : VFto = 0,596 V et rF = 13,51mΩ

— Déterminer la valeur des pertes de conduction Pc dans cette diode.

2. EVACUATION DES PERTES, MODELE THERMIQUE ET CALCU L DU RADIATEUR

2.1. Illustration des échanges thermiques La puissance dissipée P dans un semi-conducteur a pour origine les pertes dans la jonction.

Il faut évacuer l’énergie produite vers l’extérieur du composant pour que la température de jonction ne dépasse pas la limite fixée notée TJ max .

Figure 3 : Image thermique, diffusion de la chaleur de la jonction au radiateur

La chaleur produite va du point le plus chaud vers le point le plus froid par :

— Conduction, c'est à dire par contact entre matériaux solides, — Convection, c'est à dire par le mouvement de molécules gazeuses ou liquides, — Rayonnement, c'est à dire à distance sous forme de rayonnement électromagnétique dans le domaine infra

rouge (IR).

Situer et nommer les modes d’échanges de la chaleur sur la figure 4 en trois couleurs différentes

Figure 4 Illustration des modes d'échanges de la ch aleur à partir du composant

— Montage simple à gauche — Avec fluide caloporteur à droite

I 70A

T 2TT/30 t

F

Fig.2



2.2. Modèle thermique permanent Le cheminement de la chaleur se fait avec plus ou moins de facilité selon le milieu traversé et ses caractéristiques.

On définit alors les analogies suivantes :

— la source de pertes Pdis (W) analogue à une source de courant,

— des résistances thermiques Rth (°C/W), s'opposant à l'évacuation de la chaleur,

— des températures T(°C) ou élévations de températures ΔT équivalentes à des différentes de potentiels.

D'où le modèle thermique en régime permanent de la figure 5.

Points particuliers du modèle

— J Junction / Jonction

— C Case / Boitier

— R Heatsink / Radiateur

— A Ambient / Ambiant

La température ambiante TA est une source de tension parfaite, le composant de puissance ne peut échauffer le milieu ambiant.

Figure 5 Modèle thermique en régime établi 1 et notations

— Rth JC (junction/case) ou Rth JB entre jonction et boîtier est propre au composant et figure dans sa documentation.

— Rth CR ou Rth BR entre boîtier et radiateur dépend du mode de fixation sur le radiateur, et peut être abaissée par l'utilisation de graisse aux silicones.

— RthRA caractérise l’échange entre radiateur et ambiant et dépend du radiateur choisi et du type d'échange thermique ; convection naturelle ou forcée par ventilateur, circuit à échangeur liquide...

2.3. Exploitation du modèle, condition sur le radia teur

La température de jonction T J doit être inférieure à T Jmax valeur donnée pour un composant.

A partir du modèle de la figure 5 : — Exprimer les températures de jonction T J, du boîtier T C et du radiateur T R,

— Déterminer sous forme d’inégalité la condition que doit respecter la résistance thermique Rth RA du radiateur.

1 Chaque élément possède également une capacité thermique Cth prise en compte seulement pour les régimes transitoires.

J

Pdis

RthJC RthCR RthRA C R A

TJ TC TR TA

ΔTJA



2.4. Caractéristiques des radiateurs, méthode de ch oix Pour un profilé donné, la résistance thermique Rth (°C/W) est fonction de la longueur de l’élément. Elle correspond alors à une utilisation en convection naturelle.

SK 140

SK 220

SK 442

Ventilation forcée par ventilateur En ajoutant une ventilation forcée, on augmente l’échange thermique et la valeur de Rth diminue (exemple des modèles SK 158 à SK162).



2.5. Modèle thermique et radiateur d'un montage mul ti composants

3. EXERCICE : REFROIDISSEMENT D'UNE DIODE DE ROUE L IBRE D’UN HACHEUR. Pour le courant IF décrit par la courbe ci-dessous (fig.2) :

1) Donner l'expression des pertes sous forme littérale en fonction du rapport cyclique α, de l'amplitude de IF et des

éléments du modèle. 2) Faire l'application numérique si la diode 85HF1000, est soumise au courant de la figure 2.

Référence IFAV (A)

VRRM

(V) VFM(V) / IFM (A)

VFO

(V) RT

(mΩ) Rth JC

(°C / W) Rth CS

(°C/W° TJmax

(°C) 85HF1000 85 1000 1,2 / 267 0,68 1,62 0,35 0,25 180

3) Si l’application correspond à la diode de roue libre d’un hacheur, comment faut-il calculer les pertes dans la

plus mauvaise situation.

4) Choisir alors un radiateur (page ¾) qui convient en convection naturelle pour une température ambiante de 60°C maxi.

Pour réduire l’encombrement du radiateur, on monte un ventilateur garantissant en surface d’échange un flux d’air de vitesse v = 5 m/s.

5) Faire le choix du nouveau radiateur.

I 70A

T 2TT/30 t

F

Fig.2



Annexes 1 : Équivalence entre grandeurs électriques et grandeurs thermiques

Annexe 2 : Impulsion de courant / de puissance péri odique, comportement transitoire

Pendant l'application de PDM (durée tp)

En l'absence de puissance (au delà de tp)



DM : FARDELEUSE Four de rétractation d'un film plastique sur un pac k de bouteilles

Q 24 Faire le modèle thermique illustrant le problème posé.

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