Exercice corrigé : La dissipation de puissance dans les redresseurs à diodes

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1 Exercice corrigé : La dissipation de puissance dans les redresseurs à diodes TSI1 Cahier des charges : V D1(t) Ve(t) = V V = 230 V 2sin( ωt) Ve(t) Is est considéré parfaitement continu, 10 A maximum 1. Choix des diodes 1.1 Calculer la valeur maximale, la valeur moyenne et la valeur efficace du courant direct qui traverse la diode D Calculer la tension inverse répétitive maximale aux bornes de la diode D1. Conclure en choisissant dans la documentation page suivante les diodes D1 à D4. 2. Choix des dissipateurs 2.1 Déterminer, à partir des courbes ci-dessous, la chute de tension maximale aux bornes d une diode pour le courant Is maximum (prendre le cas le plus défavorable). 2.2 En déduire pour chaque diode les pertes moyenne, Pc, par conduction. Page n 1/10

2 2.3. Faire le schéma thermique équivalent pour une diode sans dissipateur puis calculer la température de jonction T j, de celle-ci pour une température ambiante maximale de T a = 40 C. Conclure Faire le schéma thermique équivalent pour une diode montée sur un dissipateur; en déduire la résistance thermique maximale du dissipateur à utiliser afin de maintenir une température de jonction de la diode admissible; (on se place en régime permanent (Rth j - c = 4 C/W) et dans le cas le plus défavorable, c'est-à-dire sans utilisation de graisse thermique) Faire le schéma thermique équivalent si on utilise un seul dissipateur par cellule de commutation (pour 2 diodes). En déduire en déduire la résistance thermique maximale des dissipateurs à utiliser. Annexe Page n 2/10

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4 Eléments de correction 1. Choix des diodes à partir du cahier des charges et de la documentation. I D1 (t) Ve(t) V D1(t) Ve(t) = V 2sin( ωt) Is est considéré parfaitement continu, 10 A maximum ID Time (ms) Page n 4/10

5 Is Is Courant moyen (Average forward current) : <I D > = = 5 A ; courant efficace : IDEFF = = A ; courant direct instantané maximum : I D (t) max = Is = 10 A. Conclusion : les diodes de la série BYX38 conviennent (sans toutefois de coefficient de sécurité). Remarque : Les diodes BYX38 supportent un courant moyen de 6 A maximum jusqu à une température maximale du boitier (mounting base) de 110 C VD Time (ms) Tension inverse répétitive maximale : V 2 = 325 V Conclusion : dans la série BYX38, seule les diodes référencées BYX conviennent. Page n 5/10

6 Les diodes de la série BYX38 (BYX 300 à BYX ) en boitier type DO4 existent en 2 versions : - cathode au niveau de la partie filetée ; BYX : - anode au niveau de la partie filetée; BYX (R) Conclusion : Pour les diodes D1 et D3 qui sont à cathodes communes, on choisit 2 diodes BYX et pour les diodes D2 et D4 à anodes communes, on choisit 2 diodes BYX38-600(R). 2. Choix des dissipateurs 2.1 Pour un courant de 10 A, la chute de tension maximale à l état passant est de 1,4 V. A l aide de la caractéristique I F =f(v F ), la chute de tension V F la plus défavorable pour un courant Is de 10 A est de 1,4 V D où les pertes en conduction (moyenne de pc(t) sur une période T). Pc = <I D (t)>.v F Avec <I D (t)> = 2 Is 10 A 1,4V Pc(t)= I D (t).v D (t)= I D (t).v F. Page n 6/10

7 ID1*VD V F.I S T Time (ms) 2.2 Pc = <I D (t)>.v F = 5. 1,4 = 7 W T a =40 C (température ambiante) Schéma thermique équivalent sans dissipateur : Tj Pc T j - T a R th j-a Page n 7/10

8 Nota : une fois le régime permanent atteint, on considère que les températures sont constantes puisque la constante de temps thermique du composant est très supérieure à la période T (voir relevé page précédente). Soit T j = R th j-a. Pc + T a = 390 C et T j max = 150 C Conclusion : Sans dissipateur T j >> T j max, un dissipateur est donc indispensable. 2.4 Cas d un dissipateur par diode : T a =40 C (température ambiante) D1 T j : Température de jonction de la diode T b : Température du boitier de la diode T r : Température du dissipateur (radiateur) Schéma thermique équivalent en régime permanent : L objectif du dissipateur est de favorise l échanger thermique entre la diode et l air ambiant, celui-ci est alors dimensionné afin que : R th c - a << R th b - r + R th r - a Le schéma équivalent est alors simplifié afin de ne prendre en compte que le flux principal de chaleur «canalisé» par le dissipateur. Il faut que T j < T j max soit Pc. (R th j-b + R th b-r + R th r-a ) + T a < T j max Page n 8/10

9 Heat sink: boitier. Heat sink compound : graisse thermique Mounting base : boitier Nota : On se place en régime permanent (Rth j-c = 4 C/W) et dans le cas le plus défavorable, c'est-à-dire sans utilisation de graisse thermique. Conclusion : Afin de maintenir la température de jonction admissible, il faut un dissipateur de résistance thermique inférieure à 11,11 C/W De plus, afin de maintenir une température du boitier inférieure à 110 C, on prend Rth r -a < 10 C/W Cas d un dissipateur par cellule de commutation : On utilise 1 dissipateur pour les 2 diodes à cathodes communes et un dissipateur pour les 2 diodes à anode commune Pc 1 = Pc 3 = Pc D1 D3 T j : Température de jonction T b : Température du boitier T r : Température du radiateur Nota : les 2 diodes sont suffisamment éloignées afin de ne pas s échauffer mutuellement. Page n 9/10

10 Schéma thermique équivalent ne prenant en compte que les flux thermiques principaux : Pc 1 T j T b T b T r R th j-b R th b - r T r - T a Pc 3 T j T b T b T r R th r-a R th j-b R th b-r Il faut que T j < T j max avec Pc1 = Pc3 Soit T j = T a + 2 Pc. R th r-a + (R th j-b + R th b - r ). Pc Conclusion : Afin de maintenir la température de jonction admissible il faut un dissipateur de résistance thermique inférieure à 5,55 C/W De plus, afin de maintenir une température du boitier inférieure à 110 C, on prend Rth r - a < 5 C/W. Exemple de dissipateur : Rth r -a < 5 C/W pour une longueur supérieure à 30 mm. Page n 10/10