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 D1. 1.2 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
2.3. 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. 2.4. 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). 2.5. 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
Page n 3/10
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 1.1 12.00 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.0-2.00 ID1 1000.00 1010.00 1020.00 1030.00 1040.00 Time (ms) Page n 4/10
Is Is Courant moyen (Average forward current) : <I D > = = 5 A ; courant efficace : IDEFF = = 2 2 7 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. 1.2 100.00 0.0-100.00-200.00-300.00-400.00 VD1 1000.00 1010.00 1020.00 1030.00 1040.00 Time (ms) Tension inverse répétitive maximale : V 2 = 325 V Conclusion : dans la série BYX38, seule les diodes référencées BYX38-600 conviennent. Page n 5/10
Les diodes de la série BYX38 (BYX 300 à BYX38 1200) en boitier type DO4 existent en 2 versions : - cathode au niveau de la partie filetée ; BYX 38-600 : - anode au niveau de la partie filetée; BYX 38-600 (R) Conclusion : Pour les diodes D1 et D3 qui sont à cathodes communes, on choisit 2 diodes BYX38-600 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
ID1*VD1 15.00 V F.I S 12.50 10.00 7.50 5.00 2.50 0.0-2.50 T 1000.00 1010.00 1020.00 1030.00 1040.00 Time (ms) 2.2 Pc = <I D (t)>.v F = 5. 1,4 = 7 W. 2.3. 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
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
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. 2.5. 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
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