Comportement thermique des composants de protection contre les

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Chapitre I : Synthèse bibliographique
La compréhension des mécanismes thermo - électriques intervenant dans un composant de protection contre les
effets indirects de la foudre passe par la connaissance du phénomène physique qui est à la source de la
perturbation et par celle du composant lui-même. Cette étude bibliographique est donc volontairement large.
Une description succincte du phénomène foudre permet d’être à même de comprendre ses mécanismes de
couplage avec un conducteur électrique et les parasites transitoires ainsi générés.
D’autre part, la mise en œuvre d’un composant de protection nécessite, non seulement de connaître les
performances et les limites du composant utilisé, mais aussi d’être capable d’évaluer sa répartition interne de
chaleur et l’évolution des différentes températures.
Ainsi, nous présentons une revue synthétique des différents phénomènes conduisant à la destruction des
composants semi-conducteurs et des principales méthodes de modélisation thermique.
1 La foudre en tant que perturbation des systèmes électroniques
1.1 La foudre et ses effets sur les systèmes électroniques
La foudre est définie par le passage d’un courant transitoire très important entre deux points normalement isolés
de l’atmosphère. Bien qu'il ne soit nullement question ici de décrire en détail les phénomènes physiques mis en
jeu, une description rapide de la foudre et de ses effets permet d'être mieux à même de comprendre et de mettre
en œuvre les paramètres essentiels d'un dispositif de protection.
La foudre se produit entre un nuage et le sol, entre deux nuages ou entre deux zones chargées au sein d'un même
nuage. Ces charges stockées sont, selon toute vraisemblance, générées par les mouvements d'air chaud dans un
nuage en formation [ 1 ]. Les mesures effectuées montrent que la répartition des charges dans le nuage est
complexe. Néanmoins, la partie supérieure du nuage a une charge globalement négative, la base est
majoritairement positive et des poches positives et négatives occupent le milieu de la structure (Fig. 1). Une
observation plus fine montre que cette répartition globale des charges est modifiée par les courants d'air internes
au nuage. Ils ont tendance à grouper les charges sous forme de cellules positives et négatives juxtaposées. Ces
cellules ont une durée de vie de l'ordre de 30 minutes et une charge de plusieurs centaines de Coulombs.
Lorsque la différence de potentiel entre le sol et le nuage devient supérieure à la rigidité diélectrique de l'air
(généralement estimée entre 10 et 30 kV/cm suivant le taux d’humidité), l'arc se développe [2].

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-Q
≈300C -Q
≈300C
15
6
7
8
9
10
11
12
13
14
2
3
4
5
Altitude (km)
-Q
≈150C
+Q
≈200C
+Q
≈200C
1
0
Fig. 1 : Distribution globale des charges électrique dans
un cumulonimbus mature.
Tout d'abord, une colonne d'air ionisée (pilot stream) se forme et se rapproche lentement du sol. Après une
extension de 30 à 50 m de cette colonne, une décharge plus intense, le précurseur (stepped leader), se forme et
permet au pilot stream de continuer sa progression d’un bond supplémentaire de 30 à 50 m. La période de ces
bonds évolue d’une centaine de microsecondes au moment de l’amorçage jusqu’à entre 5 et 10 µs lorsque la
colonne approche du sol [ 2 ].
Quand le précurseur se rapproche du sol, la charge positive locale du sol se concentre (plus précisément les
charges négatives présentes dans cette région sont repoussées). Une fois le champ électrique suffisant, un canal
ionisé part du sol (streamer) en direction du précurseur. Quand ces deux canaux se rencontrent, les charges se
neutralisent et créent un chemin de basse impédance qui permet à un courant de plus en plus important de
transiter du nuage vers le sol (arc en retour ou return stroke). C’est cette zone fortement conductrice qui crée le
flash associé à l'éclair (Fig. 2).
Temps
(µs)
-5 0 4 8 13 15 17 19
Enveloppe de la
couronne
Canal ionisé
descendant
Canal ionisé
ascendant
Arc en retour
Fig. 2 : Etapes du développement d’un arc en retour.

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1.2 Caractéristiques des différents phénomènes électriques liés à la foudre
Le courant drainé par l’éclair peut atteindre plusieurs dizaines de kiloampères (30 kA d’amplitude en moyenne,
mais il peut atteindre plus de 100 kA dans environ 1% des cas [ 3 ]). La distribution temporelle de ce courant est
bien connue, principalement grâce aux travaux de Berger [ 4 ] (Fig. 3). La charge transférée est de l’ordre de
40 C mais peut atteindre 350 C dans environ 5% des cas [ 5 ]. L’arc en retour chauffe le canal ionisé qui atteint
rapidement une température voisine de 30 000 K.
La dilatation de l’air au voisinage immédiat du canal ionisé se traduit alors par une différence de pression. Cette
dernière a pour effet d’augmenter le canal et de créer une onde de choc qui se transforme en onde acoustique.
Fig. 3 : Mesures expérimentales du courant drainé par un éclair (cas de décharges fortes).
Qs désigne la charge électrique évacuée durant
les deux premières microsecondes de l’éclair et Qk celle évacuée
pendant le reste de l’éclair [ 1 ].
Une intensité de plusieurs dizaines de kiloampères est hautement dévastatrice pour les circuits électriques, même
de forte puissance, qu'elle rencontre. C’est l’effet le plus connu et le plus important de la foudre, mais plusieurs
autres phénomènes lui sont associés.
Lorsque le courant de l’arc en retour traverse un conducteur (la colonne d’air ionisé ou la structure d’un avion
par exemple), il génère un champ électromagnétique [ 6 ]. Des transitoires de tension et de courant peuvent alors
être induits dans les conducteurs plongés dans ce champ [ 7 ].

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Ce champ électromagnétique a fait l’objet de nombreuses études qui ont montré qu’il est constitué d’impulsions
à front de montée de l’ordre de 5 ns et se répétant à un rythme de 1 à 20 impulsions par microseconde [ 8 ].
Son spectre s’étend de quelques kilohertz à plusieurs gigahertz et peut être considéré, en première
approximation, comme inversement proportionnel à la fréquence. Laroche et al. ont également montré [ 9 ] que
les différentes phases de développement de l’éclair sont caractérisées par un rayonnement électromagnétique
différent aussi bien au niveau de son amplitude que de sa fréquence.
On regroupe les tensions et courants induits par couplage dans un conducteur plongé dans le champ par le terme
générique d’effets indirects de la foudre. Le courant induit est plusieurs ordres de grandeur en dessous de celui
de l’arc en retour (quelques dizaines à quelques centaines d’ampères selon le couplage). Il présente néanmoins
un danger réel pour les équipements électroniques.
On distingue trois mécanismes de couplages différents entre un conducteur et le champ électromagnétique
associé à la foudre. Ils peuvent être combinés dans le cas d’un équipement complexe. Le cas d’un avion dont la
carlingue est traversée par l’arc en retour permet de les séparer nettement. C’est donc sur cet exemple qu’ils sont
présentés :
• Couplage par résistance distribuée.
Lorsque la foudre frappe un appareil à carlingue métallique, un courant important traverse ses structures
mécaniques. Celles ci présentent une résistance électrique faible certes mais suffisante pour donner naissance à
une différence de potentiel importante.
En considérant que la résistance de la structure d’un avion est de 2,5 mΩ entre le nez et la queue et que celui-ci
est traversé par un courant de 100 kA, une différence de potentiel de 250 V apparaît entre ces deux points. Un
équipement placé au milieu de l’appareil et avec deux points de masse éloignés sera donc soumis à cette
différence de potentiel (Fig. 4). Il en est de même si ce dernier commande des charges éloignées ou reçoit des
informations de capteurs distribués dans l’ensemble de l’appareil et référencés à une masse locale.
V=I.
R
I
R
I
Fig. 4 : Représentation schématique d’un couplage par résistance
distribuée.
• Couplage magnétique.
En supposant, comme pour le cas précédent, qu’un courant traverse la carlingue de l’avion, il génère un champ
magnétique ext
B
r
variable dans la périphérie de ce dernier. Le champ peut pénétrer à l’intérieur de l’appareil par
les différentes ouvertures (Fig. 5). Une boucle de surface Sb, d’inductance L, en circuit ouvert et normale au
champ int
B
r
plongée dans celui-ci aura donc une tension Voc (E 1) à ses bornes, tandis qu’une boucle en court
circuit sera parcourue par un courant Isc (E 2).
()
dt
dB
.StV int
boc −= (E 1)

20
∫
=dt.V.
L
1
Iocsc (E 2)
int
B
r
I
ext
B
r
I
Fig. 5 : Couplage magnétique.
• Couplage capacitif.
Ce mode de couplage met en jeu le champ électrique entourant l’avion lors de son foudroiement (Fig. 6). Le
champ électrique peut pénétrer à l’intérieur de l’appareil par les ouvertures dans le cas d’une carlingue
métallique ou alors baigner l’ensemble de ses équipements dans le cas d’une carlingue composite. Si Q est la
charge électrique présente à l’intérieur d’une surface S normale au champ interne int
E
r
et si cette surface est
connectée à une impédance quelconque, un courant Isc la parcourt (E 3), (E 4) et (E 5).
∫∫ ε
=
S0
int Q
Sd.E r
r (E 3)
∫
=dt.IQ sc (E 4)
dt
dE
.S.I int
0sc ε= (E 5)
ext
E
r
int
E
r
ext
E
r
ext
E
r
Fig. 6 : Couplage capacitif.
Suivant la configuration du câblage exposé, les champs électriques et magnétiques induits peuvent donner
naissance à des phénomènes très variables. Leur représentation temporelle peut aller d’une forme d'onde
sinusoïdale amortie à une impulsion en double exponentielle longue et énergétique (quelques centaines
d'ampères pour quelques millisecondes).