Cependant, il ne s'agit pas uniquement d'un problème électrique. L'ensemble du système doit fonctionner de concert pour dissiper la chaleur. Cela implique de veiller à ce que les exigences mécaniques et de conception, telles que les dimensions et le poids, soient également respectées.

Refroidissement passif

réfrigération par convection
Il existe deux principales méthodes pour gérer la chaleur générée dans un système électronique : le refroidissement passif et le refroidissement actif. Le refroidissement passif repose uniquement sur les principes physiques : la chaleur générée se dissipe dans l’environnement.
La documentation de votre alimentation vous fournira des informations sur la plage de températures de fonctionnement, le montage et les exigences de refroidissement. L’alimentation Traco Power série TBLC 90 de 90 watts, montée sur rail DIN et utilisant le refroidissement par convection, en est un bon exemple. Cette alimentation est spécifiée [LIEN : https://www.tracopower.com/sites/default/files/products/datasheets/tblc90_datasheet.pdf] pour fonctionner entre -20 °C et +70 °C. Cependant, au-delà de +55 °C, l’alimentation doit réduire sa charge de 2,5 %/°K.
Un courant de convection naturelle de 6 mètres linéaires par minute (LFM) est spécifié autour de l’alimentation. Concernant le manuel d'installation [LIEN : https://www.tracopower.com/sites/default/files/products/installation_instructions/tblc90_installation.pdf], l'orientation de montage est également définie et indique que la circulation d'air doit se faire de bas en haut (image 1).

figure1 réfrigération par convection sur rail DIN
Image 1 : L'alimentation montée sur rail DIN utilise le refroidissement par convection.

Mathématiques de la dissipation thermique :
Les composants d’alimentation, tels que les transistors MOSFET, possèdent des pattes métalliques robustes intégrées au boîtier (Figure 2). La puce de silicium étant montée sur ce boîtier, la chaleur est dissipée par le matériau. Cependant, la capacité de dissipation thermique du boîtier est limitée.
Pour déterminer cette limite, consultez la fiche technique et recherchez la résistance thermique de jonction par rapport à l’air ambiant (RθJA). Celle-ci définit l’élévation de température attendue en degrés Celsius pour chaque watt de puissance dissipée par la puce de silicium.

figure 2 dispositifs de puissance de dissipation thermique
Image 2 : Les appareils d'alimentation sont dotés d'une languette métallique (à gauche, au centre) ou d'un coussinet (à droite) pour dissiper la chaleur.

Il est également essentiel de tenir compte de la température ambiante du milieu d'utilisation de votre application. Même au bureau ou à domicile, une alimentation peut être exposée à la lumière directe du soleil à certains moments de la journée, ce qui peut faire grimper la température ambiante à plus de 30 °C. Une telle hausse peut entraîner un dépassement de la limite de température spécifiée pour les semi-conducteurs de l'appareil.
Si votre limite de température maximale est de 150 °C (TJmax) et que la température ambiante est de 30 °C (TA), vous ne disposez que d'une marge de 120 °C. Si le coefficient de dissipation thermique RθJA est de 23,9 °C/W, vous ne pourrez dissiper qu'environ 5 W (PD) sans dissipateur thermique, comme indiqué par le calcul suivant : (TJmax – TA) ÷ RθJA.
Quoi qu'il en soit, la pastille ou le plot métallique de l'alimentation n'est pas conçu pour assurer une dissipation thermique optimale. Il s'agit d'un moyen pour le semi-conducteur de dissiper la chaleur sur une masse thermique plus importante. Cette masse peut être un dissipateur thermique, le boîtier, ou encore un élément métallique intégré au circuit imprimé.

Refroidissement par le cuivre de votre circuit imprimé :
Dans certaines applications, le cuivre du circuit imprimé peut être utilisé. Ceci suppose qu'il y ait suffisamment d'espace pour créer une surface suffisamment grande à cet effet. Pour assurer une bonne liaison thermique, la pastille ou le plot est soudé au circuit imprimé.
Une autre méthode consiste à utiliser un circuit imprimé collé sur une pièce d'aluminium ou de cuivre. Les lampes LED sont un bon exemple d'application utilisant des circuits imprimés collés sur aluminium.
Si le budget le permet et que la conception l'exige, il est également possible d'intégrer un bloc de cuivre, appelé pastille de cuivre, dans le circuit imprimé. Ceci permet de lier thermiquement des composants dissipateurs de chaleur (Figure 3). Cette méthode peut s'avérer utile lorsque l'application est étanche et que les grilles de ventilation ne sont pas envisageables.

figure3 contrôle thermique à l'aide d'une pièce de cuivre
Image 3 : Utilisation d'une pièce de cuivre intégrée dans le circuit imprimé pour dissiper la chaleur.

Comment ajouter un dissipateur thermique :
Les dissipateurs thermiques et les circuits imprimés utilisent de l’aluminium ou du cuivre et optimisent la masse totale en fonction de la surface pour assurer la dissipation thermique souhaitée. Ces dispositifs comportent généralement de nombreuses ailettes ou protubérances à cet effet.
Ces deux matériaux présentent de bonnes propriétés thermiques (237 W/m²K pour l’aluminium et 401 W/m²K pour le cuivre). Le coût de l’aluminium est trois fois et demie inférieur à celui du cuivre.
Pour garantir une bonne adhérence thermique, une pastille ou une pâte thermique est appliquée sur la bride de l’alimentation et fixée par une vis, assurant ainsi une fixation mécanique.
Le calcul de la résistance thermique totale avec dissipateur thermique nécessite la prise en compte de la résistance thermique jonction-boîtier (RθJC) du composant semi-conducteur, ainsi que des résistances thermiques du dissipateur et de la pâte thermique. En supposant que la résistance thermique du semi-conducteur (RθJC) soit de 1,7 °C/W, celle du dissipateur de 2,67 °C/W et celle de la pâte thermique de 0,33 °C/W, la résistance thermique totale (R<sub>TOTAL</sub>) est de 1,7 + 2,67 + 0,33 = 4,7 °C/W. La température de fonctionnement de cet ensemble est alors calculée à l'aide de la formule (PD × R<sub>TOTAL</sub>) + TA.
Par conséquent, si une puissance de 5 W est dissipée comme indiqué ci-dessus pour une température TA de 30 °C, on peut s'attendre à ce que la température atteigne (5 × 4,7) + 30 = 53,5 °C.

Refroidissement actif :
refroidissement forcé
Il arrive qu’un dissipateur thermique soit insuffisant. Cela peut se produire dans toutes les conditions de fonctionnement ou seulement aux conditions extrêmes. Pour y remédier, on peut opter pour un refroidissement actif, c’est-à-dire l’intégration d’un ventilateur.
Cette solution est pertinente, mais elle représente également un point de défaillance potentiel. Lorsque le convertisseur utilise la ventilation forcée pour maintenir l’unité dans la plage de température spécifiée, il est impératif de s’assurer que le ventilateur tourne lorsqu’il est activé, et il peut même être judicieux de surveiller en continu sa vitesse. Heureusement, de nombreux fabricants de semi-conducteurs proposent des contrôleurs de ventilateur, tels que l’EMC2301 de Microchip Technology [LIEN : https://www.microchip.com/en-us/product/emc2301]. Ces dispositifs I2C/SMBus s’intègrent facilement aux microcontrôleurs, incluent souvent une régulation en boucle fermée et permettent une surveillance continue du ventilateur.
Le refroidissement liquide est une autre option. Cette solution est courante dans les véhicules électriques, où les IGBT, les MOSFET et les modules de puissance sont intégrés aux onduleurs de moteur et aux convertisseurs de puissance haute densité.

Résumé :
L'importance de la conception thermique s'accroît à mesure que les applications exigent des alimentations toujours plus petites, plus compactes et à densité de puissance plus élevée. Cependant, les méthodes pour relever ce défi dépendent du budget disponible et des contraintes de conception. L'approche privilégiée et la plus économique est le refroidissement passif par convection naturelle et dissipateur thermique. Le refroidissement actif, tel que la ventilation forcée par un ventilateur, constitue l'étape suivante, mais il nécessite une surveillance du ventilateur. En cas de panne de ce dernier, l'alimentation surchauffera rapidement et deviendra inutilisable. Pour résoudre les problèmes thermiques, il est essentiel de toujours lire attentivement la fiche technique et le manuel d'installation. En cas de doute, n'hésitez pas à contacter des fournisseurs comme Traco Power, toujours prêts à fournir une assistance technique.

Auteur:

Article fourni par Traco Electronic AG – http://www.tracopower.com