REFROIDISSEMENT D'UN DISPOSITIF ELECTRONIQUE PAR AILLETTE THERMIQUE

REFROIDISSEMENT D’UN DISPOSITIF ELECTRONIQUE PAR AILLETTE THERMIQUE

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 Ce type de refroidissement exploite le transfert thermique par convection naturelle. L’utilisation de dissipateur thermique par ailette est un exemple typique . Le dissipateur thermique consiste à attacher un bloc de métal fabriqué ou extrudé sur la partie nécessitant le refroidissement. Une pâte thermique peut être utilisée. Figure 2. 2: Le dissipateur thermique II.1 Analogie en modèle électrique et modèle thermique Par analogie, le modèle thermique de la figure 2.3 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). La capacité thermique Cth (en J/C) traduit l’aspect transitaire du phénomène caractérisé par sa constante de temps RthCth.

Schéma thermique analogique avec un circuit électrique

Sans dissipateur thermique

Voici le schéma thermique équivalent par analogie d’un circuit électrique sans dissipateur thermique : Tj (en °C) : température de jonction (Tj max donné par le constructeur de 120 à 250°C) Tc ou Tb (en°C) : température du boîtier Ta (en °C) : température de l’air ambiant Rthjb ou Rthjc (en °C/W) : résistance thermique jonction boîtier donné par le constructeur Rthba (en °C/W) : résistance thermique boîtier air ambiant Les constructeurs indiquent également la valeur Rthja sans radiateur Schéma électrique : UB – UC = I x (RAB + RBC) Schéma thermique : Tj – Ta = Pd x (Rthjb + Rthba)

Avec dissipateur thermique

Le circuit avec dissipateur thermique sera : Rthbr : résistance thermique boitier-radiateur, dépend du mode de fixation, avec ou sans mica, avec ou sans graisse à la silicone Rthra : résistance thermique radiateur air ambiant dépend de la surface du radiateur. Tj – Td = Pd x ∑Rth avec ∑Rth = Rthjb + Rthbr + Rthra

Modèle du dissipateur

Sans se preocuper 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’evacuation , il faut minimiser la résistance globale en augmentant la surface de dissipation, sa nature ou en forçant la convection (ventilation).

Table des matières

I. Généralités
I.1 La chaleur au cours de l’histoire
I.2 Historique de l’électronique
I.3 Effet Joule
I.3.1 Définition
I.3.2 Expériences
I.3.3 Avantages et inconvénients de l’effet Joule
II. Modes de transferts thermiques
II.1 La conduction thermique
II.1.1 Loi de Fourier
II.1.2 Conduction pure d’un circuit électronique
II.1.3 Exemple de calcul : analyse de la conduction de chaleur sur un circuit
II.2 La convection naturelle ou forcée
II.2.1 La convection naturelle
II.2.2 Convection forcée
II.3 Le rayonnement
II.3.1 Définitions
II.3.2 Définition du corps noir et loi d’émission du corps noir
I. Origines des pertes dans les composants
I.1 Pertes en conduction
I.2 Pertes en commutation
I.3 Nécessité de la protection des éléments
II. Dissipateurs thermiques
II.1 Analogie en modèle électrique et modèle thermique
II.2 Schéma thermique analogique avec un circuit électrique
II.2.1 Sans dissipateur thermique
II.2.2 Avec dissipateur thermique
II.3 Modèle du dissipateur
III. Notion de résistance thermique
III.1 Définition
III.2 Utilisation en électronique avec exemple de calcul
III.3 Utilisation d’un radiateur avec exemple de calcul
III.4 Utilisation et montage
III.4.1 Isolation électrique entre le composant et le dissipateur
III.4.2 Amélioration du contact entre le dissipateur et le composant, montage
III.5 Applications : mise en évidence de l’importance des dissipateurs thermiques pour un transistor
IV. Différents types de refroidissement
IV.1 Systèmes de refroidissement par air
IV.1.1 Convection forcée dans l’air
IV.1.2 La pompe piézoélectrique
IV.2 Le refroidissement par liquide
IV.3 Spray cooling
IV.4 Refroidissements par jets
IV.5 Refroidissement par caloducs
IV.6 Drain thermique
IV.7 Refroidissement par effet Peltier
I. Le BJT ou Bipolar Junction Transistor (transistor bipolaire)
I.1 Fonctionnement d’un BJT
I.1.1 Constitution d’un BJT
I.1.2 Le transistor NPN polarisé
I.2 Caractéristique (montage en émetteur commun)
I.2.1 Caractéristique d’entrée : Ib =f (vBE, VCE
I.2.2 Caractéristique de sortie : ic = f (vCE)
I.2.3 Région de fonctionnement
I.3 Polarisation d’un transistor
I.3.1 Polarisation directe
I.3.2 Autopolarisation ou polarisation automatique
I.4 Notion de stabilité
I.4.1 Facteur de stabilité
I.4.2 Exemple de calcul du facteur de stabilité
I.5 Transistor en régime variable (petits signaux, fréquence intermédiaire)
I.5.1 Montage en émetteur commun
I.5.2 Représentation en régime variable avec le modèle naturel : modèle de GIACOLETTO ou modèle en  (pi)
II. Les F.E.T. ou Field Effect Transistor (Transistor à effet de champs)
II.1 Le MOSFET
II.1.1 Structure et fonctionnement
II.1.2 Caractéristiques
II.1.3 Type de MOSFET
II.1.4 Symbole
II.2 Le JFET
II.2.1 Structure, fonctionnement et symboles
II.2.2 Caractéristique
II.2.3 Polarisation des JFET
III. Modèle thermique d’un composant de puissance
III.1 Modèle électrique équivalent
III.2 Equivalence entre grandeurs électriques et grandeurs thermiques
III.3 Modèle thermique élaboré
III.3.1 Structure segmentée du modèle thermique
III.3.2 Interface composant – refroidisseur
III.4 Exemple : modélisation d’un MOSFET en tenant compte des effets de la température
III.4.1 Définition du problème
III.4.2 Relations des paramètres électriques avec la température
III.4.3 Modèle de simulation : exemple d’une dépendance des paramètres à la température
I. Ailettes thermiques
I.1 Généralités
I.1.1 Définition et applications des ailettes thermiques
I.1.2 Problème de l’ailette
I.2 Modèle théorique
I.2.1 Equation de l’ailette thermique
I.2.2 Etudes expérimentales
II. Simulation
II.1 Introduction à ComsolMultiphysics
II.2 Simulation de notre dispositif à ailette thermique via le ComsolMultiphysics 4.3