Calcul d'un dissipateur "HeatSink"

[inviteea5fb208]

Bonjour, je viens vers vous car j'essaie de trouver une solution pour calculer un dissipateur pour un transistor et une diode.

Ils sont montés sur une plaque de cuivre en vertical avec dissipateur sur le bout.
Untitled Diagram(1).jpg

J'aimerais savoir quel dissipateur je dois avoir, sachant que ma plaque de cuivre a une conduction thermique et une résistance thermique aussi (que je ne sais pas calculer).
Sachant que j'ai :
- une puissance totale a dissiper de 7,82 W
- Résistance thermique entre jonction et air ambiant : 40
- Résistance thermique entre jonction et boîtier : 0,75
- Résistance thermique entre boîtier et air ambiant : résistance du cuivre
- Résistance thermique entre dissipateur et air ambiant : ce qu'on cherche

J'ai fait ceci mais ça me semble incorrect ...

disspateurcopper.jpg

Température de jonction (TJ) :
Pd=((TJ-TA))/(Rth (J-A))
∅ JA : Résistance thermique entre jonction et air ambiant(°C/W).

Pd* Rth(J-A) + TA
6W*39,25 (°C)/W+25
TJ=182 °C
Résistance thermique du dissipateur :
Pd=((TJ-TA))/((∅ JC+∅ CS+∅ SA) )

∅ JC : Résistance thermique entre jonction et boîtier (JC = junction/case, en °C/W).
∅ CS : Résistance thermique entre boîtier et air ambiant (CA = case/air, en °C/W).
Plaque de cuivre en cm² : 3,8 * 8,3 = 31,54 cm²
Conductivité thermique du cuivre à 25°C : 400 W/m² °C
400W/m² °C * 0,003154m² = 1,26 °C/W
∅ SA : Résistance thermique entre dissipateur et air ambiant (°C/W).
∅ SA=((TJ-TA))/Pd-(∅ JC+∅ CS)
∅ SA=(182-25)/6-(0,75+1,26)
∅ SA= 24,15 °C/W
La valeur calculée est une valeur maximum. Nous avons donc besoin d'un dissipateur pour boîtier TO-220 ayant une résistance thermique max de 24,15 °C/W.

Seriez-vous m'aider ?
-----

[Antoane]

Bonjour,

Quelle est l'épaisseur de la plaque en cuivre ?

1. Méthode approximative, mais qui a de bonnes chances d'être suffisante ici :

Le calcul suivant tente de répondre à la question : la plaque de cuivre suffit-elle comme dissipateur, ou faut-il lui adjoindre un radiateur externe ?

On suppose que le système contient une unique puce, dissipant toute la puissance (7.8 W).
On suppose que la résistance thermique totale entre la puce et l'ambiant est dominée par la résistance de convection entre le radiateur et l'air ambiant.
On suppose que le coefficient de convection total équivalent vaut h = 7 W/(m²K).
Alors :
La surface à l'air du radiateur vaut
La résistance thermique totale entre la puce et l'ambiant vaut alors

L'échauffement de la puce vs. l'air ambiant vaut alors :
Ce qui est beaucoup trop : il faut donc un radiateur externe. Pour le dimensionner, il faut effectivement estimer la résistance thermique de la plaque de cuivre (même si, en pratique, cette résistance sera négligeable). Cette résistance est difficile )à calculer précisément car le chemin de la chaleur n'est pas trivial. Une manière d'aboutir à un résultat relativement précis serait de faire une simulation. A défault, tu peux faire des hypothèses fortes fortes quant à l'aspect des lignes de flux thermiques dans la plaque et utiliser la formule :

où est la longueur du chemin thermique
où est la conductivité thermique du cuivre
où est la section transverse du cuivre.


A propos de ton calcul :

- une puissance totale a dissiper de 7,82 W

Il faudrait connaitre la puissance dissipée par la diode et celle dissipée par le transistor.

- Résistance thermique entre jonction et air ambiant : 40

Cette valeur suppose le composant nu, sans radiateur externe.

- Résistance thermique entre boîtier et air ambiant : résistance du cuivre
- Résistance thermique entre dissipateur et air ambiant : ce qu'on cherche

Il existe une résistance thermique entre la surface du cuivre radiateur et l'air ambiant.
La résistance ente le boitier et l'air ambiant est constituée de la résistance du cuivre + de celle entre le cuivre et l'air.

Température de jonction (TJ) :
Pd=((TJ-TA))/(Rth (J-A))
∅ JA : Résistance thermique entre jonction et air ambiant(°C/W).

Pd* Rth(J-A) + TA

6W*39,25 (°C)/W+25

D'où viennent les valeurs 6 W et 39.25 K/W ?
Attention : 25 °C comme température ambiante est souvent très optimiste. Il faut te placer dans un pire-cas, considérant par exemple que le système peut se retrouver en plein soleil, et qu'il va, lui-même, chauffer son environement.

Conductivité thermique du cuivre à 25°C : 400 W/m² °C

Ce n'est pas la bonne unité : une conductyivité s'exprime en W/mK (ou W/m°C si tu préfères)
https://fr.wikipedia.org/wiki/Conduc...3%A9_thermique

400W/m² °C * 0,003154m² = 1,26 °C/W

C'est pas homogène : [W/m² °C] * [m²] = W/°C, et non °C/W

[Qristoff]

Salut,
si les surfaces d'appui du transistor et de la diode ne sont pas isolées et à des potentiels différents, il faut rajouter une interface thermique isolante qui rajoute une résistance thermique non négligeable et à prendre en compte dans le calcul !

[inviteea5fb208]

Hello,

Epaisseur de la plaque de cuivre 1mm.

La puissance disspié par le transistor : 6,071881 W
La puissance dissipé par la diode : 1,75 W

J'ai fait vite les calculs donc je me suis trompé ... pour le 6w ect ....
Ça donnerait du coup : Pd* Rth(J-A) + TA
Soit : (7,82 * 40°C/W) + 25°C

Je prends 25°C car étant en Labo, la température est régulée et oscille à 25°C.
Les surfaces du transistor et de la diode sont soudées directement sur la plaque de cuivre.



Sinon j'ai trouvé cette formule :
R = e /( K.S)
R est la résistance thermique recherchée (en °C/W)
e est l'épaisseur de la couche de pâte thermique (en m) ; en général, de 0,1 à 0,5 mm
K est la conductibilité thermique de la pâte (en W/mK)
S est la surface de contact (en m2)

[A voir en vidéo sur Futura]

[Antoane]

Bonjour,

Bien vu Qristoff.

Avec ce nouveau design, Tu peux estimer la résistance de la plaque de cuivre avec la formule qu j'ai donnée plus haut, avec :
S_t = (1.5cm +2.3cm) * 1mm
et L ~ 6 cm.
C'est approximatif, mais devrait permettre de prouver que la résistance du cuivre est négligeable.

[inviteea5fb208]

Ce qui veut dire :
Rth = L / (λ * St)
où L est la longueur du chemin thermique
où λ est la conductivité thermique du cuivre
où St est la section transverse du cuivre.

Mais pourquoi la longeur est de 6 cm ?

[Antoane]

6 cm est approximativement la distance entre la puce et le milieu du radiateur. C'est la distance que doit parcourir la chaleur dans le cuivre pour voyager de la puce au radiateur.

La valeur exacte importe peu : le but de ce calcul est de montrer que cette Rth est négligeable. Si elle ne l'est pas, il faudra utiliser des méthodes d'estimations plus poussées, e.g. des simulations thermiques.

[inviteea5fb208]

Et ou as-tu trouvé cette formule ?

J'ai trouvé quelque chose de similaire mais pas exactement comme toi
R = e /( K.S)
R est la résistance thermique recherchée (en °C/W)
e est l'épaisseur de la couche de pâte thermique (en m) ; en général, de 0,1 à 0,5 mm
K est la conductibilité thermique de la pâte (en W/mK)
S est la surface de contact (en m2)

[Antoane]

C'est la même formule

résistance = (longueur du chemin) / (conductivité * surface transverse)


C'est aussi le pour la résistance électrique.
ou le pour la reluctance magnétique.
ou le pour le facteur géométrique donnant la capacité entre deux conducteurs.

[inviteea5fb208]

Ce n'est pas vraiment la même chose car d'un côté on utilise l'epaisser du cuivre et de l'autre la longueur du chemin

[Antoane]

Fait un schéma plus ou moins à l'echelle montrant les sources chaudes et froides et en fléchant le chemin suivit par la chaleur.

Dans un cas la chaleur se propage transversalement à la couche de graisse thermique, dans l'autre elle se propage longitudinalement dans la plaque de cuivre.

[inviteea5fb208]

Heat.jpg

Sinon électriquement ça ressemble a ceci

Untitled Diagram (4).jpg

[Antoane]

> https://forums.futura-sciences.com/a...tsink-heat.jpg
Oui.

Et pour la graisse thermique ?

[Qristoff]

Les surfaces du transistor et de la diode sont soudées directement sur la plaque de cuivre.

Avec cette surface de cuivre et l'épaisseur de 1mm, tu dois salement chauffer pour souder la diode et le transistor. Je suis pas bien sûr qu'ils apprécient !

[jiherve]

bonjour,
en effet très mauvaise solution d'autant qu'il existe des pâtes thermiques électriquement conductrices par exemple:https://timtronics.com/electrically-conductive/.
Et que cela reste alors démontable/réparable.
JR

[inviteea5fb208]

J'ai soudé directement le transistor et la diode sur la plaque de cuivre....
Sans graisse thermique

[Qristoff]

J'ai soudé directement le transistor et la diode sur la plaque de cuivre....
Sans graisse thermique

Je suis pas bien sûr que ce soit la meilleur solution côté thermique ! la pâte thermique ou l'interface thermique (souvent appelé chotherm) permettent de compenser les irrégularités de surface entre les deux matériaux pour maximiser la surface de contact. Même en soudant, tu ne peux pas garantir que la soudure a correctement fluée sous la semelle.
Un temps ou une température de soudure excessives défiabilise le composant s'il ne le tue pas !

[inviteea5fb208]

Utilisant une carte de puissance avec un transistor et une diode qui chauffe beaucoup j'aimerais calculer la température de jonction !
Test réalisé dans un laboratoire a une température ambiante régulé de 25°C.

Voici le schéma :



La diode est une STPS41H100CG
Le transistor est un IRF5210S

Résistance jonction_case diode : 0,8°C/W et Température de jonction max 175°C.

1) Je ne connais pas la résistance jonction-ambiant de la diode...

Résistance jonction_case transistor : 0,75°C/W
Résistance jonction_ambiant transistor : 40°C/W

2) Est-ce que la température de jonction des deux composants est-elle additionnable ?
3) Ce qui rendrait : TJ = (Pd*Rth(J-A))(diode) + (Pd*Rth(J-A))(transistor) + T°Ambiante ?

Savez-vous me dire si cela vous semble correct ? J'aimerais connaître la T° de jonction totale

Merci

[jiherve]

Bonsoir,
la température de jonction est propre à chaque composant cela ne s'additionne pas . Ceci dit chacune des températures dépendra du radiateur et de la température atteinte par celui ci.
Comme déjà écrit la resistance thermique jonction/ambiante n'a de sens que s'il n'y a pas de radiateur, s'il y en a un efficace on s'en fout.
JR