La conception et l'agencement mécaniques sont désormais aussi importants que l'optimisation de l'efficacité, et l'évacuation de la chaleur des modules est devenue un art.
En 1822, le médecin français Joseph Fourier a démontré que le taux de transfert de chaleur à travers un matériau est proportionnel au gradient de température négatif et à la surface. (crédit : PRBX)

La gestion thermique efficace était l'un des défis auxquels j'ai été confronté au début des années 1990, lorsque je travaillais chez Micro-Gisco, une entreprise de microélectronique. J'ai participé à la conception d'un convertisseur DC/DC de 100 W, dans un format équivalent à un quart de brique, pour une application où la température ambiante influençait la température de jonction. À cette époque, la seule technologie disponible était la technologie à couches épaisses, avec des puces collées sur un substrat céramique. Dans ce type d'application, le seul moyen d'assurer un refroidissement efficace était d'utiliser une plaque de base reliée à un échangeur de chaleur. L'importance du refroidissement par conduction et d'une gestion thermique efficace est évidente et demeure une priorité pour tout concepteur de systèmes de puissance.

Parallèlement, le développement des télécommunications mobiles a engendré une demande accrue de solutions d'alimentation intégrées, favorisant l'émergence des modules dits « briques » et une course à la miniaturisation pour concentrer davantage de puissance. Les gains de puissance obtenus sont impressionnants. On peut citer, par exemple, l'augmentation de la densité de puissance des modules dits « quart de brique ». En mars 2000, la division Power Modules d'Ericsson (EPM) lançait un convertisseur CC/CC quart de brique de 100 W à la pointe de la technologie : la série PKM 4000. Vingt ans plus tard, FLEX Power Module (qui a acquis EPM en 2017) commercialisait un quart de brique de 1 300 W, le BMR480 (figure 1).

L'augmentation de la puissance de sortie d'un facteur supérieur à 10 en moins de 20 ans est le résultat d'une combinaison de topologies plus efficaces, de contrôle numérique, de nouveaux composants, de cartes de circuits imprimés multicouches en cuivre épais, de magnétisme intégré et de conceptions extraordinaires - mais pas seulement ! - Pour garantir les performances optimales de ces produits, un refroidissement efficace est essentiel.

En tenant compte de la loi de Fourier
, les ingénieurs en électronique de puissance ont considérablement amélioré le rendement des produits au cours des 20 dernières années, et nous aspirons tous à atteindre le chiffre magique de 99,99 %. Mais en attendant, il est indispensable de maîtriser la chaleur générée par les pertes de puissance. Un convertisseur DC/DC de 1 000 W, avec un rendement typique de 97 %, doit dissiper 31 W [Pd = Pout x ((1-Ƞ) / Ƞ)]. Considérant une température ambiante moyenne de 55 °C dans les équipements de télécommunications ou industriels, un refroidissement efficace est nécessaire pour garantir que la température interne du module ne dépasse pas la limite de sécurité spécifiée par le fabricant, par exemple +105 °C au point de test spécifié.

Formule de la loi de Fourier pour la conduction thermique (Crédit : PRBX)

Comme nous nous en souvenons tous de nos cours d'école, en 1822, le médecin français Joseph Fourier (figure 2) a démontré que le flux thermique à travers un matériau est proportionnel au gradient de température négatif et à la surface. Les lois de Fourier (figure 3) sur la conduction thermique régissent le principe des échanges de chaleur à partir du niveau le plus bas, par exemple, la jonction entre un semi-conducteur et l'environnement. La résistance thermique est l'inverse de la conductance thermique. De même que la résistance électrique est liée à la conduction électrique, la résistance thermique est liée à la conduction de la chaleur. Minimiser la résistance thermique est un défi pour tous les concepteurs de systèmes de puissance, et c'est là que l'électronique rencontre la thermodynamique.

Illustration d'un module de puissance typique refroidi par un dissipateur thermique. De même que la résistance électrique est liée à la conduction de l'électricité, la résistance thermique est liée à la conduction de la chaleur. (Crédit : PRBX)

Les procédés de fabrication des modules de puissance AC/DC et DC/DC sont optimisés pour dissiper la chaleur par conduction thermique du silicium vers une surface d'échange thermique, telle qu'une plaque de base en aluminium. Dans la plupart des applications courantes, un dissipateur thermique est placé sur la plaque de base et refroidi par un flux d'air, évacuant ainsi la chaleur du module (Figure 4). Dans les applications de télécommunications/transmission de données, un flux d'air de 400 LFM (2 m/s) circulant à l'intérieur du rack est très courant pour le refroidissement global du système. Cependant, certains systèmes à très haute densité de puissance peuvent nécessiter jusqu'à deux fois ce débit (800 LFM, soit 4 m/s), ce qui est très bruyant et réduit la durée de vie des ventilateurs et turbines de refroidissement.

Exemple de plateforme de conduction thermique, optimisée pour le refroidissement par conduction, avec tous les composants du dissipateur thermique fixés à la carte mère. (Crédit : PRBX)

Le refroidissement par air pulsé est la méthode la plus courante pour maintenir les températures dans des limites acceptables. Cependant, dans certaines applications, ces méthodes de refroidissement ne sont pas envisageables, et leur fiabilité et leur durabilité suscitent des inquiétudes croissantes. Généralement, l'air évacué des centres de données et autres équipements à forte consommation est rejeté à l'extérieur du bâtiment, ce qui signifie que la chaleur n'est pas valorisée. De plus, la plupart des centres de données nécessitant des systèmes de climatisation consomment une quantité importante d'énergie, ce qui constitue un problème majeur.

Quand le refroidissement par air forcé n'est pas envisageable :
Dans certaines applications, l'utilisation d'une ventilation active est impossible, voire interdite. Dans les environnements difficiles ou les applications où le niveau de fiabilité requis exige l'élimination de tout risque de panne, les ventilateurs et les extracteurs d'air sont proscrits. Voici quelques exemples :
les machines industrielles, telles que les équipements de découpe laser qui génèrent des particules brûlées, de la fumée et de la vapeur, possèdent des boîtiers de commande et de surveillance étanches afin de prévenir toute contamination et tout risque de dommage lié au processus de découpe. L'alimentation du système de commande est placée dans un boîtier étanche, ce qui nécessite soit d'évacuer la chaleur dissipée par conduction du châssis, soit de fixer l'alimentation sur une paroi froide. Pour optimiser le refroidissement, l'alimentation est conçue avec une large plaque de base sur laquelle sont fixés tous les composants de dissipation thermique (Figure 05).

Dans les applications exigeantes, un élément de refroidissement liquide peut être ajouté à la carte mère de l'alimentation pour faciliter la dissipation de la chaleur (Crédit : PRBX/SUNON)

Certains équipements nécessitent un refroidissement liquide pour refroidir des composants essentiels, tels qu'un laser ou une torche à plasma, pendant leur fonctionnement. Dans ces applications, l'alimentation électrique bénéficie de la circulation du liquide et de la plaque de base fixée à un élément de refroidissement (Figure 6).
Les équipements de surveillance et de sécurité industriels peuvent être installés dans des endroits isolés, exposés à des conditions climatiques extrêmes et où la maintenance peut s'avérer complexe. Dans ces installations, la fiabilité est primordiale et les concepteurs de systèmes doivent éliminer toutes les causes potentielles de défaillance. Malgré des améliorations significatives en termes de qualité, les ventilateurs et les extracteurs d'air restent sujets aux pannes mécaniques et ne conviennent pas à ces applications. Là encore, comme dans l'exemple précédent, le refroidissement ne peut être obtenu que par conduction vers l'extérieur de l'enceinte étanche et par un échangeur de chaleur passif.

Quand le silence est d'or :
On observe une demande croissante pour des équipements installés dans les salles de supervision, voire les bureaux, qui, pour le confort et la santé des employés, sont totalement silencieux ou très silencieux.
C'est le cas, par exemple, des bureaux paysagers où le niveau sonore peut atteindre 60 à 65 décibels. Cela peut paraître faible comparé, par exemple, au bruit d'une route passante qui génère 85 décibels, mais ce niveau sonore peut nuire à la performance lors de tâches exigeant une concentration intense, avec des conséquences néfastes sur la santé et la sécurité. De fait, plusieurs entreprises exigent désormais que le niveau sonore dans les bureaux paysagers soit inférieur à 55 décibels et que la réglementation locale soit appliquée.
Dans ces situations, le niveau sonore des équipements installés, des ordinateurs aux grands écrans, comme ceux utilisés dans les centres de contrôle aérien ou autoroutier, doit être réduit au minimum, et le refroidissement bruyant par air pulsé est interdit. Dans ces conditions, l'alimentation électrique doit être conçue pour fonctionner sans ventilation, grâce à un système de refroidissement adapté.

En conclusion :
la conception d’une alimentation à refroidissement par conduction exige une approche très différente de celle nécessaire à la conception d’une alimentation bénéficiant d’un flux d’air important et d’un refroidissement poussé. Les alimentations à refroidissement par conduction étaient autrefois considérées comme un segment marginal, bien que de nouvelles réglementations environnementales puissent bientôt contraindre de nombreuses applications à refroidissement par air forcé à adopter des solutions de refroidissement par conduction plus respectueuses de l’environnement.

Références :
Powerbox (PRBX) : https://www.prbx.com/

Théorie analytique de la chaleur par M. Fourrier - 1822 https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k1045508v.texteImage#

Modules d'alimentation FLEX : https://flexpowermodules.com/

Pour plus d'informations
, consultez le site www.prbx.com.
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au +46 (0)158 703 00.