Sciences Industrielles pour l`Ingénieur

Sciences Industrielles pour l’Ingénieur
Centre d’Intérêt 5 :
DISTRIBUER l'énergie
Compétences :
CONVERTISSEURS STATIQUES DE PUISSANCE
– Choix d'un dissipateur thermique pour les SC –
COURS
Déterminer les pertes en conduction dans un interrupteur statique –
Dimensionner un dissipateur thermique
TD
RESOUDRE
TP
PROBLEME TECHNIQUE
SUR UN SYSTEME
AUTOMATIQUE
D'ALIMENTATION POUR
CHEVRES (CCP)
Le cahier des charges du
système Capristar d'alimentation
pour
chèvrerie
implique
l’utilisation d’un entraînement à
vitesse variable.
Le schéma de puissance pour la
machine à courant continu
(MCC) utilisée est le suivant :
im(t)
Uc
um(t)
Q1. Nommer les 4 étages encadrés.
im(t)
Chaque interrupteur du hacheur (4 quadrants) est
réalisé par un transistor IGBT en parallèle avec une
diode. La structure est donc :
Uc
um(t)
Le problème technique est le suivant : comment
calculer les pertes par effet Joule dans les composants
semi-conducteurs, et comment éviter que cet
échauffement ne les détruise ?
ORIGINE DES PERTES DANS LES COMPOSANTS SEMI-CONDUCTEURS
1/ Pertes en conduction
● En conduction, le passage du courant électrique dans le matériau semi-conducteur d’un composant de puissance (diode, IGBT,
MOS …) provoque l’élévation de sa température par effet Joule. Quel que soit le semi-conducteur K parcouru par le courant ik et
soumis à la tension vk, la puissance thermique qu'il dissipe s'exprime par P = < vK .iK >
• Cette puissance peut être exprimée à partir des éléments du modèle électrique équivalent en conduction :
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DIODE
MOS
IGBT
● On comprend bien que l’évaluation de la puissance dissipée nécessite la détermination des courants moyen <iK> et/ou efficace
IK dans le composant K.
2/ Pertes en commutation
La puissance dissipée provient aussi des pertes par commutation (changements d’état du composant entre les états bloqué et
passant), dont l'étude est hors-programme.
3/ Application à notre problème
Pour le hacheur 4 quadrants du système
Capristar, on adopte une stratégie de
commande complémentaire : sur une
période de découpage (hachage) Td, on a :
 Pour 0 < t < .Td :
(K1, K4) fermés
(K2, K3) ouverts
 Pour .Td < t < Td : (K1, K4) ouverts
(K2, K3) fermés
 est le rapport cyclique de commande ; on
note Fd la fréquence de découpage : Fd = 1/Td
= 20 KHz.
Q2. Tracer ci-contre, pour les 2 phases de
fonctionnement, les graphes de um(t), vk1(t)
et ik1(t) pour  = 0,7. Préciser les semiconducteurs en conduction.
Q3. Exprimer <um> (valeur moyenne de
um(t)), <ik1> (valeur moyenne de ik1(t)), et la
valeur efficace Ik1 de ik1.
Q4. Calculer la puissance dissipée par un
IGBT, sachant que :
- la tension à ses bornes est VCE(on) = 2,2 V
lorsqu'il conduit ;
- le courant Im vaut 36 A.
Q5. Quelle est la puissance max. à dissiper ?
CIRCUIT ELECTRIQUE EQUIVALENT – CALCUL DU DISSIPATEUR
1/ Nécessité de la protection des éléments
● Les pertes P en conduction et en commutation provoquent l’élévation de la température du composant (température de
"jonction") qui diminue sa durée de vie et qui peut entraîner sa destruction si l’énergie calorifique n’est pas correctement évacuée
vers l’air ambiant par convection naturelle à travers le boîtier.
Le constructeur spécifie une température de jonction maximale à ne pas dépasser (Tjmax) et qui est de l’ordre de 150 °C.
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● La solution au problème de l’échauffement consiste à doter le composant d’un dissipateur thermique (ou "radiateur" (bien qu'il
serve à refroidir !), ou "heatsink" en anglais).
Le but du dissipateur est d’augmenter la surface de contact du boîtier du composant avec l’air ambiant en améliorant ainsi
l’évacuation de la chaleur et donc en facilitant les échanges thermiques.
2/ Analogie thermique-électricité
● On peut faire l'analogie d'un circuit thermique avec un circuit électrique.
Dans un circuit thermique et dans la relation fondamentale (loi d'Ohm thermique) qui en découle, on assimilera :
 ou T (différence de température) : à une différence de potentiel,
P (puissance à dissiper) : au courant,
Rth (résistance thermique) : à une résistance.
Ainsi le problème revient à résoudre celui d'une source de courant débitant dans des résistances.
3/ Sans dissipateur thermique
Milieu
ambiant
TA
P
TB
● La jonction est à la température Tj (j comme "jonction")
Le boîtier est à la température TB (B comme "boîtier") ou TC (C comme "case")
Le milieu ambiant est à la température TA.
● On définit :
RthJ-B : résistance thermique jonction-boîtier (en °C/W ou en K/W) ;
RthB-A : résistance thermique boîtier-ambiance (en °C/W ou en K/W).
La résistance thermique Rth d’un élément exprime sa résistance au passage d’un flux de
conduction thermique.
Par ex., Rth = 2 °C/W signifie qu'1 W traversera l'élément en provoquant une différence de
température de 2 °C.
27 °C
25 °C
1W
● Le circuit thermique équivalent est le suivant :
● La loi d'Ohm thermique s'écrit : Tj - TA = (RthJ-B + RthB-A ).P = RthJ-A .P
● Si Tj > Tjmax, il y a destruction de la jonction. Pour maintenir une température
acceptable, il est nécessaire de monter le composant sur un dissipateur thermique, qui
doit permettre de diminuer RthJ-A afin que l'écart Tj – TA soit plus faible.
Boîtier du composant
4/ Avec dissipateur thermique
● Le rôle du dissipateur est de diminuer la
résistance thermique RthB-A entre le boîtier et le
milieu ambiant en augmentant la surface
d'échange thermique avec ce dernier.
● Le modèle équivalent devient :
Jonction du composant
ou RthJ-B
Boîtier - Radiateur
ou RthB-R
ou RthR-A
TA
Boîtiers
● La loi d'Ohm thermique est maintenant : Tj - TA = (RthJ-B + RthB-R + RthR-A ).P = RthJ-A .P
(RthJ-B : résistance thermique jonction-boîtier (en °C/W ou en K/W) ;
RthB-R : résistance thermique boîtier-radiateur (en °C/W ou en K/W) ;
RthR-A : résistance thermique radiateur-milieu ambiant (en °C/W ou en K/W), donnée par
le fabricant).
Dissipateurs
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● RthB-R est liée au contact entre le boîtier du composant et le radiateur. On la minimise en utilisant par exemple une pâte
thermique. RthB-R est donc une donnée.
● Le problème va donc consister en la recherche de la valeur de Rth R-A maximale. Ensuite, on choisit un radiateur qui présente
une valeur de RthR-A inférieure ou égale à celle déterminée. Il est à noter que RthR-A est inversement proportionnelle à la surface de
dissipation du radiateur.
Tjmax - TA
- (RthJ-B + RthB-R )
Pour éviter la destruction de la jonction (Tj < Tjmax), il faut donc choisir RthR-A telle que : RthR-A <
P
5/ Application à notre problème
Nous avons précédemment établi que chaque composant IGBT doit dissiper 80 W au maximum. Les composants choisis ont une
résistance thermique jonction-boîtier RthJ-B de 0,5 K/W.
Chaque IGBT est fixé sur un dissipateur de résistance thermique RthR-A. Pour réaliser l'interface entre le composant et le radiateur,
nous utilisons de la graisse thermique qui a pour résistance thermique RthB-R = 0,2 K/W.
Q6. Quelle doit être la résistance thermique maximale du radiateur sachant que l'air ambiant peut atteindre 50 °C et que la
température maximale de la jonction de l'IGBT est 150 °C ?
Q7. Choisir un radiateur parmi les 2 présentés ci-après, sachant que nous voulons que la taille du dissipateur ne dépasse pas 10 cm et
que la vitesse de la ventilation ne dépasse pas 4 m/s. Justifier.
Q8. Avec ce radiateur, calculer TB,
TR et Tj si TA = 20 °C.
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