Protection thermique des composants de puissance (cours

Protection thermique des composants de puissance
— Fiche technique EnPu —
I. Origines des pertes dans les composants
I.1. Pertes en conduction
En conduction, le passage du courant électrique dans le matériau semi-conducteur d’un
composant de puissance provoque l’élévation de sa température par effet Joule.
rD
VD0
La puissance dissipée résultante peut être exprimée à
A
K
partir des éléments du modèle électrique équivalent en
iD
conduction. Pour la diode et le thyristor, ce modèle
apparaît à la Figure 1.
Figure 1 : Modèle en conduction.
La puissance dissipée en conduction s’exprime :
2
Pcond = p(t ) = V D 0⋅ i (t ) + rD⋅ i 2 (t ) soit Pcond = V D 0⋅ I moy + rD⋅ I eff
.
En conclusion, l’évaluation de la puissance dissipée nécessite la détermination des courants
moyen et efficace dans le composant.
I.2. Pertes en commutation
La puissance dissipée provient aussi des pertes par commutations (changements d’état du
composant entre les états bloqué et passant). Elle s’exprime par la relation :
Pcom = POFF −ON + PON −OFF =
1
1
I D ⋅ V ⋅ t mi ⋅ f + I D ⋅ V ⋅ t di ⋅ f
2
2
où POFF-ON est la puissance dissipée durant la mise en conduction, tmi sa durée (temps de montée
du courant), PON-OFF la puissance dissipée durant le blocage, tdi sa durée (temps de descente du
courant), ID le courant à établir ou couper, V la tension du réseau et f la fréquence des commutations.
I.3. Nécessité de la protection des éléments
La somme des deux puissances précédente provoque l’élévation de la température de
fonctionnement qui diminue la durée de vie du composant pouvant provoquer sa destruction.
La température du composant est limitée en évacuant la puissance produite à l’aide de
dissipateurs thermiques (radiateurs) qui favorisent la conduction et la convection thermiques.
II. Dissipateurs thermiques
II.1. Analogie en modèle électrique et modèle thermique
Par analogie, le modèle thermique de la
Figure 2 montre le flux thermique Pd (en watts) à
évacuer (puissance provenant de l’effet Joule). Ce
flux est assimilé à un courant électrique qui
s’écoule dans la résistance thermique Rth (en
°C/W) pour provoquer la chute de température
ΔT (en °C). La capacité thermique Cth (en J/°C)
traduit l’aspect transitoire du phénomène
caractérisé par sa constante de temps RthCth.
Pd
Flux
thermique Pd
(pertes Joule)
Cth
TJ
Rth
ΔT
Tamb
Figure 2 : Modèle thermique.
II.2. Modèle du dissipateur
Sans se préoccuper de l’évolution transitoire, le flux thermique Pd qui mène de la jonction du
composant à l’air ambiant traverse différentes résistances thermiques placées en série.
Pour favoriser l’évacuation, il faut minimiser la résistance globale en augmentant la surface de
dissipation, sa nature ou en forçant la convection (ventilation). Le comportement thermique suit les
lois de Kirchhoff des circuits linéaires conformément à la Figure 3 pour être modélisé classiquement
tel qu’à la Figure 4 :
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• La résistance thermique jonction-boîtier (RthJB) dépend du composant. Cette valeur est
donnée par le constructeur dans la fiche technique du composant ;
• La résistance boîtier-radiateur (RthBR) dépend du moyen de fixation. Le serrage et la
graisse de silicone la favorise. Les isolants électriques (mica) l’augmentent ;
• La résistance thermique radiateur-air ambiant (RthRA) est favorisée si la surface de
dissipation est importante : les radiateurs de faible encombrement avec une grande surface
d’échange (ailettes). La convection améliore les résultats : la ventilation.
TJ
TB
TR
TA
Pd
RthJB
Figure 3 : Radiateur.
RthBR
RthRA
Figure 4 : Modèle thermique équivalent.
III. Exemples de dissipateurs
III.1. Extraits de documents techniques
Figure 5 : Quelques profils de petits radiateurs et courbes de résistances thermiques.
Figure 6 : Des profils plus imposants…
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