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Auteur(s)
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Jacques LECLERCQ : Ingénieur de l’École des Hautes Études Industrielles et de l’Institut Supérieur des Matériaux et de la Construction Mécanique - Licencié ès Sciences - Chef de Service à la Société GEC ALSTHOM Transport (Établissement de Villeurbanne)
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Lire l’articleINTRODUCTION
La fabrication des composants semiconducteurs de puissance, éléments de base des convertisseurs, nécessite la mise en œuvre successive de divers procédés. Les couches de concentrations variées en impuretés de dopage, nécessaires à la formation des jonctions, peuvent être obtenues, en partant du matériau de base 1.1, soit par la formation d’une surcouche de composition appropriée, soit par diverses techniques d’introduction des impuretés 1.2. Puis, après traitement de la surface et préparation des prises de connexion 1.3, le composant est généralement encapsulé dans un boîtier 1.4, afin d’être intégré aisément dans un convertisseur.
Chacun sait que tous les dispositifs électriques en fonctionnement sont le siège de pertes d’énergie qui se manifestent par la production de chaleur. Celle‐ci doit être évacuée pour éviter que la température des composants n’atteigne des valeurs intolérables. Après un rappel succinct des lois de base de la thermique 2.1 et 2.2 sont décrits les principaux systèmes de refroidissement utilisés dans les convertisseurs électroniques de puissance 2.3, avant de conclure sur le calcul des échauffements 2.4.
Les convertisseurs électroniques de puissance sont, par nature, des constituants des équipements de distribution d’énergie électrique, dans lesquels ils assurent une fonction particulière de réglage progressif d’une ou plusieurs grandeurs de sortie (courant, tension, fréquence...). Aussi leur réalisation s’apparente‐t‐elle, dans une large mesure, à celle de ces équipements 3.
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2. Refroidissement des composants de puissance
2.1 Importance des problèmes thermiques
La production de chaleur, à l’intérieur d’un dispositif électrique en fonctionnement, provoque l’élévation de sa température jusqu’à ce que la différence avec celle de son environnement soit suffisante pour que la chaleur dissipée vers celui‐ci équilibre la chaleur produite.
De plus, tout dispositif ne présente un fonctionnement correct que dans un certain domaine de température. En dehors de ce domaine, il y a risque de dégradation de ses performances, d’accélération de son vieillissement et, même, de destruction. Il est donc nécessaire, pour que le dispositif fonctionne normalement pendant sa durée de vie assignée, que les moyens d’évacuation de la chaleur produite en son sein présentent une efficacité suffisante pour que sa température ne dépasse jamais les limites admissibles.
Pour beaucoup d’appareils électrotechniques, ces problèmes sont généralement résolus par le constructeur ; l’utilisateur, ou l’intégrateur, n’a qu’à appliquer quelques règles simples d’implantation et/ou d’aération : température ambiante maximale, distance minimale à respecter pour permettre la libre circulation de l’air, etc.
Pour les composants de l’électronique de puissance, notamment les semiconducteurs, il n’en va généralement pas de même :
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la température limite de la pastille de silicium pour laquelle les performances sont garanties dépasse rarement 125 oC ;
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et le montant des pertes est grand par rapport au volume et à la surface libre du dispositif, donc à ses capacités naturelles d’évacuation à l’air libre.
Le concepteur d’équipement qui intègre ces composants doit donc, impérativement, prévoir les moyens d’évacuer leurs pertes et vérifier leur adéquation.
HAUT DE PAGE2.2 Rappel des lois de base de la thermique
le lecteur pourra se reporter dans le traité Génie énergétique l’article Transmission de l’énergie thermique. Conduction [28].
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