1 OBJECTIFS: Département d électronique industrielle Bien comprendre le phénomène de dissipation thermique pour un semi-conducteur de puissance. Savoir choisir un dissipateur thermique approprié. 2 Convention de notation : Symbole Signification J Jonction d un semi-conducteur. C Boîtier «case» d un semi-conducteur. A Air ambiant S (ou HS) Dissipateur thermique «Heat Sink» I Isolateur T Température R Résistance thermique «R théta» Concernant la température (T), il faut spécifier de quelle température il est question : Notation T C T A T S Signification Température de la jonction Température du boîtier Température ambiante Température du dissipateur thermique Concernant la résistance thermique (R ), il faut spécifier entre «quoi et quoi» cette résistance s applique : Notation Signification Résistance thermique de la jonction au boîtier RJC RCA RCS RSA RJA Résistance thermique du boîtier à l air Résistance thermique du boîtier au dissipateur Résistance thermique du dissipateur à l air Résistance thermique de la jonction à l air J Fortier, 2017-11-21 Page 1 sur 7
On utilise le symbole d une résistance pour représenter la résistance thermique R. Par exemple le lien entre la température de jonction et la température du boîtier est la résistance thermique RJC. J Fortier, 2017-11-21 Page 2 sur 7
3 Analogies avec l électricité Département d électronique industrielle Domaine thermique Domaine électrique Puissance dissipée «P D» «source de chaleur» (W) Source de courant (A) Résistance thermique (C/W) Résistance () Température (C) Tension (V) T R PD V R I C C W W Volt A La loi d Ohm s applique toujours, comme on peut le voir. Donc plus il y a de puissance à dissiper à travers un isolant (résistance), plus la température augmente. De la même façon qu en électricité, plus il y a de courant à travers une résistance, plus la tension augmente. 4 Calculer la température d un semi-conducteur La température d une jonction (d un semi-conducteur) dépend en gros de 3 facteurs : J Fortier, 2017-11-21 Page 3 sur 7
4.1 Cas sans dissipateur thermique Lorsqu il n y a pas de dissipateur thermique, la puissance doit passer de la jonction au boîtier puis directement à l air. On a donc : R t totale R JC R CA R t totale R tja R JC R CA Le circuit suivant illustre la dissipation thermique et les températures : La température de la jonction s exprime généralement par rapport à l air ambiant (de J à A) comme suit : P D R JC R CA T A C W C C W Les valeurs de RJC et de RCA sont données par la fiche technique d un semi-conducteur. Quelque fois, on y trouve directement RJA (sans dissipateur). Ces valeurs dépendent directement du type de boîtier et de ces propriétés thermiques. Par exemple un petit boîtier en plastique (TO-92) dissipe beaucoup moins la puissance qu in gros boîtier métallique (TO-3). TO-92 TO-3 R JC = 80 C/W R CA = 120 C/W R JC = 1,5 C/W R CA = 45 C/W J Fortier, 2017-11-21 Page 4 sur 7
1.1.1 Application #1 Un transistor 2N3055 est utilisé dans un circuit où il dissipe 2 W (sans dissipateur thermique). On désire calculer si ces conditions d opération respectent les normes données par la fiche technique. La fiche technique nous dit que la température de jonction maximale est 200 C et que la résistance thermique est RJC= 1,5 C/W. Il n y a pas de valeur de RCA car ce type de transistor presque toujours utilisé avec un dissipateur. On va donc utiliser une valeur approximative de 45 C/W. Si la température ambiante (T A ) est de 25C, on peut calculer : P D R JC R CA T A 21,5 45 25 118 C est inférieure à 200 C. 4.2 Cas avec dissipateur thermique Lorsqu il y a un dissipateur thermique, la puissance doit passer de la jonction au boîtier puis au dissipateur pour arriver l air. On a donc : R t totale R JC R CS R CA R t totale R tja R JC R CS R CA Le circuit suivant illustre la dissipation thermique et les températures : J Fortier, 2017-11-21 Page 5 sur 7
La température de la jonction par rapport à l air ambiant (de J à A) est : P D R JC R CS R SA T A C W C C W La résistance thermique d un dissipateur se trouve dans les fiches techniques des fabricants de dissipateurs thermiques. Elle est généralement exprimée par un graphique. Ce graphique montre deux modèles de dissipateurs (401 et 403) utilisés avec ET sans ventilateur. Les courbes de dissipation naturelles (sans ventilateur) commencent à (0,0) et se lisent sur les échelles X et Y régulières (en bas et à gauche). Par exemple, un dissipateur 403 utilisé pour dissiper 40 W verra sa température (Ts) augmentée de 70 C au-dessus de la température ambiante. R SA 70C 40W 1, 75 C W Évidemment la valeur de RSA est plus faible que RCA (boîtier à air sans dissipateur). Autrement dit, un dissipateur transfert beaucoup mieux la «chaleur» dans l air qu un boîtier de transistor seul. J Fortier, 2017-11-21 Page 6 sur 7
1.1.2 Application #2 Département d électronique industrielle Un transistor 2N3055 est utilisé dans un circuit où il dissipe 40 W (avec dissipateur thermique). On désire calculer si ces conditions d opération respectent les normes données par la fiche technique. La fiche technique nous dit que la température de jonction maximale est 200 C et que la résistance thermique est RJC= 1,5 C/W. Le dissipateur utilisé est le «403» du graphique précédent. La résistance entre le boîtier et le dissipateur n est pas donnée, mais elle est approximativement 0,5 C/W (dans ce cas). Si la température ambiante (T A ) est de 25C, on peut calculer : P D R JC R CS R SA T A 401, 5 0, 5 1, 75 25 175 C La température de la jonction est plus élevée que dans le premier cas, mais la puissance dissipée est 20 fois plus grande! NB : 175 C tout comme 118 C, c est trop élevé pour opérer un transistor de façon continue. Il serait judicieux de tenir la température de jonction sous les 100 C. 5 Isolant et pâte thermique 5.1 Isolant Dans plusieurs applications en électronique, il est nécessaire que le boîtier du transistor demeure isolé électriquement du dissipateur thermique. Dans ce cas, on doit ajouter un mince isolant à base de mica ou de silicone. Cet isolant vient ajouter deux interfaces thermiques, soit entre le boîtier (C) et l isolant (I) puis entre l isolant (I) et le dissipateur (S). R CI R IS Il est fréquent, d inclure volontairement ces deux résistances dans RCS car elles sont assez faibles. La conductivité thermique de ces isolants est donnée en W/K ou ce qui est l inverse d une résistance thermique. On peut approximer une valeur typique à 0.05 C/W (pour le mica). J Fortier, 2017-11-21 Page 7 sur 7