Exemple étudié. Comportement thermique d'un thyristor associé à un radiateur CONTEXTE. Caractéristiques principales

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Adélaïde Normandin
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1 Exemple étudié Comportement thermique d'un thyristor associé à un radiateur Auteur : Pascal Ferran Université Claude Bernard Lyon Date de création 29/06/2009 Réf : FLU2_TP_THM_01 Programme Dimension Version Physique Application Métier Flux 2D 10.3 Thermique Permanent Thermique CONTEXTE Présentation Généralités Objectifs Rappels théoriques Étude de la température d équilibre d un semiconducteur (type thyristor) associé à un dissipateur thermique lorsque des pertes sont générées par le composant électronique. Cette application permet de définir les propriétés géométrique et physique du dissipateur thermique associé au semiconducteur afin d assurer l intégrité du composant lorsque celuici génère des pertes. Exploitation de la valeur de la température au centre du thyristor en fonction des paramètres suivants : Les paramètres que l utilisateur pourra faire varier seront : Les pertes générées par le semiconducteur (P), La valeur du coefficient de convection du radiateur (H), La valeur du coefficient de rayonnement du radiateur (EPS). On peut effectuer des calculs analytiques à partir de schémas thermiques équivalents. Pour cela nous devrons considérer différents modes de transfert de la chaleur. Propriétés Le radiateur est en aluminium : sa conductivité thermique est = 204 W. m 1. C 1, le boitier du thyristor est en silicone, sa conductivité thermique est = 78 W. m 1. C 1, Les échanges entre l air (à 20 C) et le thyristor se font par rayonnement et par convection, Coefficient de convection Coefficient de rayonnement 5 W.m 2. C Les échanges entre l air et le radiateur se font par rayonnement et par convection, Coefficient de convection Coefficient de rayonnement 25 W.m 2. C Les pertes nominales générées par le semiconducteur P = 75 W. Illustration principales CEDRAT S.A. 15, Chemin de Malacher Inovallée MEYLAN Cedex (France) Tél : +33 (0) cedrat@cedrat.com

2 CONTEXTE Flux Quelques résultats Cartographie de la température correspondant aux valeurs nominales des paramètres Variation de la température au centre du thyristor en fonction du coefficient de convection H à la surface d échange entre le radiateur et l air (les autres paramètres sont nominaux) Pour aller plus loin Étude du même dispositif en thermique transitoire, Optiminisation de la géométrie du radiateur, PAGE 2 Comportement thermique d'un thyristor associé à un radiateur

3 MODELE DANS FLUX MODELE DANS FLUX Domaine Dimension 2D Profondeur 40 mm Boîte «infini» Unité long. mm Unité angle degrés Dimensions Rint : Rext : Périodicité Symétrie Nombres de répétitions : Angle de début : Parité Application physique Thermique Permanent Propriétés Géométrie / maillage Modèle dans l environnement FLUX Maillage réalisé Maillage Type 2 ième ordre Nombre de nœuds 2912 Paramètres d entrée Nom Nature Description Valeur nominale H Physique Coefficient de convection de la région SURFRAD 25 W.m 2. C 1 EPS Physique Coefficient de rayonnement de la région SURFRAD 0.5 P Physique Pertes générées par le semi conducteur 75 W Comportement thermique d'un thyristor associé à un radiateur PAGE 3

4 MODELE DANS FLUX Flux Base de matériaux NOM ALU SILICON Modèle B(H) magnétiques Modèle J(H) électriques Modèle D(E) diélectriques Modèle K(T) Isotrope, constante Isotrope, constante K(T) Conductivité thermique Conductivité thermique = 204 W. m 1. C 1 = 78 W. m 1. C 1 Modèle RCP(T) Caractéristique RCP(T) Régions NOM THYRISTOR RADIATOR SURFRAD Nature Surfacique Surfacique Linéique Type Région thermique Région thermique Région avec surface conductrice avec source de conductrice avec source de d échange thermique chaleur chaleur Matériau associé SILICON ALU Ens. mécanique Composant circuit associé électriques P Source de courant Convection : H thermiques Radiation : EPS Source de chaleur éventuelle NOM Nature Type SURFTHYR Linéique Région avec surface d échange thermique Matériau associé Ens. mécanique Composant circuit associé électriques Source de courant thermiques Convection : 5 Radiation : 0.9 Source de chaleur éventuelle PAGE 4 Comportement thermique d'un thyristor associé à un radiateur

5 MODELE DANS FLUX Ensembles mécaniques Ensemble FIXE : Ensemble COMPRESSIBLE : Ensemble MOBILE : Type de cinématique Type Info. générales internes : externes : Butées mécaniques Circuit électrique Composant Type Région(s) associée(s) Schéma électrique Paramètres de résolution Type de solveur Systèmes linéaires Choisit automatiquement Paramètres Définis automatiquement Type de solveur Systèmes non linéaires Newton Raphson Précision Méthode de calcul du coefficient de relaxation Nbre max. d itérations 100 Définis automatiquement Couplage thermique avancées Résolution Nom du Type de Méthode de Scénario Plage de variation Sélection des pas paramètre paramétrage variation SCENARIO H Physique Valeur du pas 5 à 50 Pas de 5 Temps de résolution 5 secondes Système d exploitation Windows XP 32 bits Comportement thermique d'un thyristor associé à un radiateur PAGE 5

6 ANNEXE Flux ANNEXE Rappels théoriques sur les échanges de chaleur Conduction en régime permanent La conduction est le mode de transfert de chaleur qui provient de la différence de chaleur entre deux milieux. Loi de Fourier : En régime permanent, la loi de Fourier exprime la quantité de chaleur dq qui traverse en x une surface S d épaisseur dx durant le temps dt. dq S dt dx dt nom désignation Unité dq énergie élémentaire J Conductivité thermique du matériau W. m 1. C 1 S Surface d échange m² dt Durée de temps élémentaire s dt/dx Gradient de température en un point x C/m Convection en régime permanent La convection est le mode de transfert de chaleur qui provient du déplacement d un fluide (liquide ou gazeux). Loi de Newton : En régime permanent, la loi de Newton permet de définir le flux de chaleur échangé par convection entre deux éléments. h S ( Tc Tf ) nom désignation Unité h Coefficient de convection W. m 2. C 1 Flux de chaleur échangé W S Surface d échange m² Tc Température chaude C Tf Température froide C Ordre de grandeurs du coefficient de convection h en fonction de la nature du fluide : Fluide h en W. m 2. C 1 convection naturelle convection forcée eau 100 à 1000 air 5 à 50 eau 100 à air 10 à 500 huile 50 à 150 PAGE 6 Comportement thermique d'un thyristor associé à un radiateur

7 ANNEXE Rayonnement en régime permanent Le rayonnement thermique est le mode de transfert de chaleur qui s effectue dans le vide. Lorsqu un corps rayonne, il émet de l énergie et sa température baisse. Loi de Stéphan : D après la loi de Stéphan, le flux de chaleur échangé entre une surface S à une température Tc et l air ambiant à une température Tf est donné par la formule : S ( Tc 4 Tf 4 ) nom désignation Unité Coefficient de rayonnement Flux de chaleur échangé W S Surface d échange m² Tc Température chaude C Tf Température froide C Constante de Boltzmann : 5.67 E 8 W. m 2. C 4 Comportement thermique d'un thyristor associé à un radiateur PAGE 7

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