DC22 Conversion et contrôle de l’énergie Pertes et modélisation thermique

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Pertes dans les composants de puissance

Modèle thermique et choix d’un dissipateur

SOMMAIRE

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

1.1. MODELE DE DIODE EN REGIME ETABLI POUR LE CALCUL DES PERTES ...................................................................................... 2 1.2. EXPRESSION DES PERTES DE CONDUCTION EN REGIME PERIODIQUE ....................................................................................... 2 1.3. PERTES DE CONDUCTION D’AUTRES COMPOSANTS EN REGIME PERIODIQUE ............................................................................. 3

2. MODELE THERMIQUE ET CALCUL DU RADIATEUR ................................................... 3

2.1. ILLUSTRATION DES ECHANGES THERMIQUES .................................................................................................................... 3 2.2. MODELISATION THERMIQUE : RTH ET CTH RESISTANCE ET CAPACITE THERMIQUES ..................................................................... 4 2.3. MODELE THERMIQUE EN REGIME PERMANENT ................................................................................................................ 5 2.4. EXPLOITATION DU MODELE, CONDITION SUR LE RADIATEUR ................................................................................................ 5 2.5. CARACTERISTIQUES DES RADIATEURS, METHODE DE CHOIX ................................................................................................. 5 2.6. VENTILATION FORCEE PAR VENTILATEUR......................................................................................................................... 6 ANNEXE 1 : MODELE THERMIQUE ET RADIATEUR D'UN MONTAGE MULTI COMPOSANTS .......................................................................... 6 ANNEXE 2 : IMPULSION DE COURANT / DE PUISSANCE PERIODIQUE, COMPORTEMENT TRANSITOIRE ........................................................... 7

3. EXERCICES : ........................................................................................................... 7

3.1. REFROIDISSEMENT D'UNE DIODE DE ROUE LIBRE D’UN HACHEUR .......................................................................................... 7 3.2. FOUR DE DE RETRACTATION D’UN FILM PLASTIQUE SUR UN PACK DE BOUTEILLES (CCP 2010) .................................................... 8

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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 processeurs avec actuellement environ 10 9 transistors MOS par processeur...

Pour décrire le fonctionnement d'une jonction PN il faut aborder la physique des semi-conducteurs, hors programme en CPGE, mais abordée en école d'ingénieur.

La jonction PN élémentaire correspond à la diode.

Une jonction PN désigne la zone d’un semi-

conducteur où le dopage varie brusquement,

passant d'un dopage P (déficit d’électrons) à un

dopage N (électrons excédentaires).

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

Lexique de base

courant et tension directs indice D, ou 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"

valeurs efficaces, en anglais RMS

Modélisation :

On modélise la diode en direct par deux éléments (fig. 1.c) :

la tension directe VFto du coude,

la résistance dynamique directe rF.

Caractéristique courant = f (tension)

Modèle statique d'une diode en polarisation directe

I

V

I

V

V rF

F

FtoF

F

F

Fig.1

PNIF

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

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 + rF.I²FRMS ²

VFto

IFM

VRRM

iF

vF

pente 1/rF

Courant direct maximal

F : Forward R : Reverse

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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.

1.3. Pertes de conduction d’autres composants en régime périodique A partir de la modélisation d’une diode et de la relation pour les pertes de conduction, on déduit les pertes dans les autres composants d’électronique de puissance.

Transistor MOSFET

On définit les pertes à partir de la résistance entre le drain et la source à l’état passant notée RDSon traversée par le courant de drain ID.

Transistor bipolaire

On définit les pertes à partir de la chute

de tension entre collecteur et émetteur à

l’état saturé notée VCEsat et traversée par

le courant IC.

Transistor IGBT

Comme pour le transistor bipolaire, on

retient sa chute de tension entre

collecteur et émetteur à l’état saturé notée

VCEsat et traversée par le courant IC

2. MODELE THERMIQUE ET CALCUL 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

I 70A

T 2TT/30t

F

Fig.2

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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 chaleur à partir du composant

— Montage simple à gauche

— Avec fluide caloporteur à droite

2.2. Modélisation thermique : Rth et Cth résistance et capacité thermiques

Le cheminement du flux de chaleur se

fait avec plus ou moins de facilité selon

le milieu traversé, sa géométrie et ses

caractéristiques physiques.

On est donc amené à introduire 2

notions :

La résistance thermique Rth

(°C/W ou K/W)

Quantifie l'opposition à un flux

thermique (W) entre deux points et

selon le type de transfert thermique

(résistance thermique de conduction,

résistance thermique de convection,

résistance thermique de rayonnement)

La capacité thermique Cth

La capacité thermique (ou capacité

calorifique) d'un corps permet de

quantifier la possibilité qu'a un corps

d'absorber ou restituer de l'énergie par

échange thermique au cours d'une

transformation pendant laquelle sa

température varie.

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2.3. Modèle thermique en régime permanent On s’intéresse dans un premier temps au régime permanent, les capacités thermiques (Cth) des matériaux ne sont pas prises en compte. 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 (anglais / français)

J Junction / Jonction

C Case / B Boitier

S heat-Sink / R 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 permanent et notations

RthJC (Junction/Case) ou RthJB entre jonction et boîtier est propre au composant et figure dans sa documentation.

RthCS (Case/Sink) ou Rth BR entre boîtier et radiateur dépend du mode de fixation sur le radiateur, et peut être abaissée par l'utilisation de graisse au silicone.

RthSA (Sink/ambient) 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...

2.4. Exploitation du modèle, condition sur le radiateur

La température de jonction TJ doit être inférieure à TJmax valeur donnée pour un composant.

A partir du modèle de la figure 5 :

— Exprimer les températures de jonction TJ, du boîtier TC et du radiateur TS,

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

2.5. Caractéristiques des radiateurs, méthode de choix 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

Exemples de lecture de Rth en fonction de longueur :

SK 442

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2.6. 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).

Annexe 1 : Modèle thermique et radiateur d'un montage multi composants

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

Pendant l'application de PDM (durée tp)

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

3. EXERCICES :

3.1. Refroidissement d'une diode de roue libre 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 , 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 (m) RthJC (°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/30t

F

Fig.2

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3.2. Four de de rétractation d’un film plastique sur un pack de bouteilles (CCP 2010)

Modélisation thermique du process