transistor mosfet et radiateur à ailettes

[quentino]

Bonjour,

j'aurais voulu savoir si quelqu'un aurais une idée du matériau utilisé pour le boitier SOT-227B pour un transistor IXTN22N100L ? En cherchant et si j'ai bien compris la plaque de base serai en cuivre?

Je pose cette question car pour mon étude thermique sur un radiateur à ailette je dois déterminer les caractéristiques (méca-thermique) du matériau du composant électronique (transistor).

Autre question: dans le choix d'un refroidisseur à ailette, le graphique Rth en fonction de la longueur, on me détermine la plage de la résistance thermique, soit par exemple 0.035 à 0.018 K/W pour une longueur allant de 100 à 350mm. Mais le fournisseur me propose aussi 1000mm. Mais dans le graphique Rth-longueur il n'y a pas de Rth pour 1000mm? Est-ce normal? Ou la valeur est constante à partir de 350mm? (le refroidisseur en exemple est SK461)


voici le refroidisseur en question: https://www.fischerelektronik.de/web...1_/index.xhtml

Merci
-----

[Antoane]

Bonjour,

j'aurais voulu savoir si quelqu'un aurais une idée du matériau utilisé pour le boitier SOT-227B pour un transistor IXTN22N100L ? En cherchant et si j'ai bien compris la plaque de base serai en cuivre?

Oui, la "base-plate" est en cuivre.

Autre question: dans le choix d'un refroidisseur à ailette, le graphique Rth en fonction de la longueur, on me détermine la plage de la résistance thermique, soit par exemple 0.035 à 0.018 K/W pour une longueur allant de 100 à 350mm. Mais le fournisseur me propose aussi 1000mm. Mais dans le graphique Rth-longueur il n'y a pas de Rth pour 1000mm? Est-ce normal? Ou la valeur est constante à partir de 350mm? (le refroidisseur en exemple est SK461)

Le radiateur de 1 m de long est prévu pour être redécoupé.
On voit en effet sur la datasheet que la Rth se stabilise pour les longueurs supérieures à ~ 30 cm. Cela s'explique par le fait qu'ajouter un morceau de radiateur supplémentaire ajoute une surface de dissipation, et donc une résistance thermique de convection en parallèle... mais que la résistance thermique de conduction (celle de l'aluminium) que la chaleur doit traverser pour aller de la puce à ce surface d'échange supplémentaire représente une partie importante de la résistance totale.
Un modèle de résistances distribué peut illustrer assez clairement le problème.

[quentino]

Merci Antoane pour les explications.

Par contre j'aurais voulu savoir quelle est la valeur exacte du Rth si ma longueur est de 400mm?
J'ai pas très bien compris comment déterminer cel

[Antoane]

Bonsoir,

Par contre j'aurais voulu savoir quelle est la valeur exacte du Rth si ma longueur est de 400mm?
J'ai pas très bien compris comment déterminer cel

Si on essaye de prolonger la courbe donnée dans la datasheet, on obtient la courbe verte ci-dessous :

sur laquelle on peut lire Rth ~ 0,18 K/W pour une longueur de 400 mm.

Pense que parler de "valeur exacte" pour la Rth... a peu de sens : la Rth dépend des conditions climatiques (en particulier de la vitesse d'un éventuel vent), de la propreté (la poussière augmente significativement la Rth), et de la température elle-même (le coefficient de convection est variable, de même que la contribution de la radiation).

[A voir en vidéo sur Futura]

[quentino]

Oki merci Antoane

[quentino]

Bonjour,

J'ai encore une question concernant le Rth d'un dissipateur à déterminer....

En faite j'ai plusieurs composants à placer sur un dissipateur thermique. Par rangé elles ont une puissance dissipée différentes (4 composants par rangé)
Soit 1er rangé: P= 375W (pour 4 composants)
2e: P=300W (pour 4 composants)
3e: P=275W (pour 4 composants)
4e: P=250 W (pour 4 composants)
Au total il y a 16 composants.

Et donc j'aurais voulu savoir comment dois-je calculer le Rth du dissipateur vu que les composants ont une puissance différentes?

[Antoane]

Bonjour,

peux-tu faire un schéma de où tu comptes fixer ces composants sur le radiateur ?

[quentino]

Bonjour,



Voici en gros la position des transistors. Te faut t'il aussi les dimensions? (en rouge la position des transistors)

Ce sont des transistors MOSFET IXTN22N100L avec boitier SOT-227B.

Donc:

1er ligne: P= 375W (pour 4 transistors)
2e: P=300W (pour 4 composants)
3e: P=275W (pour 4 composants)
4e: P=250 W (pour 4 composants)
Au total il y a 16 transistors.

Et donc comment déterminer le Rth du refroidisseurs pour l'ensemble de ces transistors?

Merci

[Antoane]

Bonjour,

pour un dimensionnement rapide, je ferais comme suit :
Température : T_j,max = 150 °C, T_a,max = 50 °C => ΔT_{j, max} = 50 °C
Puissance dissipée totale : P_{d, tot} = ΣP_{d, k} = 1.2 kW (ton estimation prend en compte le fait que la puce ne sera pas à 25 °C ?)
Résistance thermique totale : R_{th, j-a, max} = ΔT_{j, max} / P_{d, tot} = 50/1.2 = 42 mK/W
Résistance thermique equivalente entre puce et radiateur : R_{th, j-h, eq} = R_{th, j-h, component} / 16 ~ 3 mK/W
Résistance thermique de radiateur : R_{th, h-a, max} = R_{th, j-a, max} - R_{th, j-h, eq} = 38 mK/W

Quelque cm du radiateur considéré, utilisés dans les conditions spécifiées (en particulier pour ce qui est de la convection forcée), devraient donc convenir.

[quentino]

Bonjour Antoane,

Merci pour ta réponse.
J'ai tout de même quelque questions et correction à faire.

Concernant la puissance, je me suis mal exprimé en faite pour chaque ligne la puissance donnée est la valeur de chaque transistor, ce qui veut dire pour la première ligne on a 4x375W et de même pour les autres lignes. Donc on a une puissance total de 4800W. Concernant la puce à 25°C, pour moi c'est la température de départ. La température augmente lorsque je m'approche de puissance demandé (ex à 375W on a 40°C pour un transistor)

Je n'ai pas compris le ΔTj, max = 50 °C ? Pourquoi 50°C? C'est une sécurité?
Et je n'ai pas compris non plus pour Résistance thermique equivalente entre puce et radiateur : Rth, j-h, eq = Rth, j-h, component / 16 ~ 3 mK/W
Est-ce pas plutot la resistance thermique entre le boitier (c) et radiateur(s) qui correspond à un materiaux interface thermique TIM? Selon la spec du transistor j'ai une valeur de 0,05°C/W, mais je ne sais pas si c'est valeur a prendre?

[Black Jack 2]

Bonjour Antoane,

Merci pour ta réponse.
J'ai tout de même quelque questions et correction à faire.

Concernant la puissance, je me suis mal exprimé en faite pour chaque ligne la puissance donnée est la valeur de chaque transistor, ce qui veut dire pour la première ligne on a 4x375W et de même pour les autres lignes. Donc on a une puissance total de 4800W. Concernant la puce à 25°C, pour moi c'est la température de départ. La température augmente lorsque je m'approche de puissance demandé (ex à 375W on a 40°C pour un transistor)

Je n'ai pas compris le ΔTj, max = 50 °C ? Pourquoi 50°C? C'est une sécurité?
Et je n'ai pas compris non plus pour Résistance thermique equivalente entre puce et radiateur : Rth, j-h, eq = Rth, j-h, component / 16 ~ 3 mK/W
Est-ce pas plutot la resistance thermique entre le boitier (c) et radiateur(s) qui correspond à un materiaux interface thermique TIM? Selon la spec du transistor j'ai une valeur de 0,05°C/W, mais je ne sais pas si c'est valeur a prendre?

Bonjour,

Comme les transistors sont notés à 700 W avec Tc à 25°C (alors que Tjmax = 150 °C) ...
C'est que Rth(j-c) = (150-25)/700 = 0,179 K/W

Si un transistor dissipe 375 W, on a donc une différence de température entre le case et la jonction de : 375 * 0,179 = 67 °C (arrondi)

Si la température ambiante (à ne pas confondre avec la température du boîtier) est de 55 °C, on a donc droit à une élévation de température du heatsink de 155 - 67 - 55 = 33 °C

Si la puissance dissipée par l'ensemble des transistor est 4 * (375 + 300 + 275 + 250) = 4800 W ...

Le Rth du refroidisseur doit être < 33/4800 = 0,0069 K/W ...

et il faudra prendre une bonne sécurité pour tenir compte de la résistance thermique de contact entre le heatsink et les transistors et aussi de la répartition non homogène de la puissance dissipée dans le refroidisseur.

... et on voit sur le graphe que le refroidisseur SK 461 ne convient pas puisque tend vers 0,018 K/W (même avec L = 400 mm)

[quentino]

Le calcul de base me parait pourtant simple...mais je suis perdu en vous lisant :s

Je comprends mieux quand on suit la logique de la somme des résistance thermique entre la jonction et aire ambiante: Rthja= Rthjc+Rthcs+Rthsa
Avec le Rthsa qui est la résistance thermique du radiateur et ce que je recherche.

Dans le cas où j'ai un transistor à P= 375W:

Rthja= (150-55)/375 = 0.25°C/W avec 150°C temperature de jonction
Rthjc= (150-25)/700 = 0,179 °C/W à Tc=25 et lorsque P=375 on a 375 * 0,179 = 67 °C= Tjc
Rthcs= qui correspond au matériau d’interface thermique (graisse thermique DC340 (Dow Corning).): Rthcs= 7,59 x10-4 °C/W

Rthsa=Rthja-Rthjc-Rthcs= 0.25-0.179-7,59 x10-4= 0.070°C/W

Pensez-vous correcte mes calculs?

Et dans le cas ou j'ai Ptot=4800W:

je n'ai pas compris votre raisonnement pour le calculer à Ptot

[Black Jack 2]

Le calcul de base me parait pourtant simple...mais je suis perdu en vous lisant :s

Je comprends mieux quand on suit la logique de la somme des résistance thermique entre la jonction et aire ambiante: Rthja= Rthjc+Rthcs+Rthsa
Avec le Rthsa qui est la résistance thermique du radiateur et ce que je recherche.

Dans le cas où j'ai un transistor à P= 375W:

Rthja= (150-55)/375 = 0.25°C/W avec 150°C temperature de jonction
Rthjc= (150-25)/700 = 0,179 °C/W à Tc=25 et lorsque P=375 on a 375 * 0,179 = 67 °C= Tjc
Rthcs= qui correspond au matériau d’interface thermique (graisse thermique DC340 (Dow Corning).): Rthcs= 7,59 x10-4 °C/W

Rthsa=Rthja-Rthjc-Rthcs= 0.25-0.179-7,59 x10-4= 0.070°C/W

Pensez-vous correcte mes calculs?

Et dans le cas ou j'ai Ptot=4800W:

je n'ai pas compris votre raisonnement pour le calculer à Ptot

Bonjour,

Ce n'est pas correct.

On peut calculer pour un transistor : Rth(j-c) = (150 - 25)/700 = 0,179 K/W

Si un tel transistor dissipe 375 W, il y aura une différence de température entre sa jonction et son case de : 0,179 * 375 = 67 °C

Comme la jonction ne peut pas dépasser 150°C, cela signifie que le case (boîtier) du transistor ne peut pas dépasser : 150 - 67 = 83 °C

Si la température ambiante (qui est la température de l'air à proximité immédiate des transistors en fonctionnement) est de 55°C ...

Alors, l'élévation de température du refroidisseur au dessus de la température ambiante doit être limitée à 83 - 55 = 28 °C

(J'avais trouvé 33 °C dans ma réponse précédente car j'avais pris dans un des calcul 155°C pour la température max de jonction permise ... mais dans la datasheet des transistors, elle est notée à 150°C)

Donc l'élévation de température du refroidisseur (au dessus de la température ambiante) doit être limitée à 28°C

Mais le refroidisseur doit dissiper la puissance des 16 transistors soit 4800 W au total ... et donc, la résistance thermique du refroidisseur doit être inférieure à : Rth(heatsink) = 28/4800 = 0,0058 K/W

Et même moins car il faut tenir compte de la résistance thermique de la pâte ajoutée pour le contact thermique entre les transistors et le refroidisseur et aussi de la répartition non homogène de la puissance amenée au refroidisseur.

Le résultat final est (avec un refroidisseur de 0,0058 K/W :

Température ambiante : 55°C
Température de surface du refroidisseur = température case des transistors : 55 + 0,0058 * 4800 = 83°C (**)
Température de jonction d'un transistor dissipant 375 W : = Tc + 0,179 * 375 = 83 + 67 = 150 °C

(**) : Tc sera en pratique un peu plus élevé en tenant compte de la présence de la graisse thermique.
********

Qu'est ce que tu ne comprends pas la dedans ?

Remarque, on ne peut pas (cas de plusieurs transistors montés), ajouter simplement les résistances thermiques du heatsink, de la graisse et de Rth(j-c) transistor ...
car la puissance "passant" par le heatsink (4800W) n'est pas la même que celle passant dans 1 transistor (375 W)

[quentino]

Merci c'est beaucoup c'est plus claire pour moi.

Et concernant le Rthcs est ce que cela concerne uniquement la pate thermique ou aussi la surface du boitier du composant?
Pour le Rth de la pate thermique, (DC340 Dow corning) qui est basé sur la conductivité thermique on a:
Rthcs =(épaisseur/surface) x (1/conductivité)
Avec :
Épaisseur : 0,04 mm = 4 x 10-5 m
Surface : 958 mm² = 958 x 10-4m²
Rthcs = (4 x 〖10〗^(-5) )/(958 x 〖10〗^(-4) ) x 1/(0,55) = 7,59 x10-4 °C/W (Rthcs pate thermique)

Et dans le datasheet du transistor MOSFET IXTN22N100L on trouve Rthcs= 0,05 °C/W
Est ce que cette valeur doit être aditionné au Rthcs de la pâte thermique?
Soit 7,59 x10-4 °C/W + 0,05 °C/W ?

[Black Jack 2]

Merci c'est beaucoup c'est plus claire pour moi.

Et concernant le Rthcs est ce que cela concerne uniquement la pate thermique ou aussi la surface du boitier du composant?
Pour le Rth de la pate thermique, (DC340 Dow corning) qui est basé sur la conductivité thermique on a:
Rthcs =(épaisseur/surface) x (1/conductivité)
Avec :
Épaisseur : 0,04 mm = 4 x 10-5 m
Surface : 958 mm² = 958 x 10-4m²
Rthcs = (4 x 〖10〗^(-5) )/(958 x 〖10〗^(-4) ) x 1/(0,55) = 7,59 x10-4 °C/W (Rthcs pate thermique)

Et dans le datasheet du transistor MOSFET IXTN22N100L on trouve Rthcs= 0,05 °C/W
Est ce que cette valeur doit être aditionné au Rthcs de la pâte thermique?
Soit 7,59 x10-4 °C/W + 0,05 °C/W ?

Bonjour,

Tes calculs sont faux.
Par exemple, 958 mm² ne sont pas égaux à 958.10^-4 m²
ce qui donnerait avec une épaisseur de 4.10^-5 m et la surface de 358.10^-6 m² ... Rth = 0,076 °C/W

Soit pas très bon.
**********
Le soucis vient de l'épaisseur de 0,04 mm qui ne rime à rien du tout.
Contrairement à la croyance de beaucoup, la pâte thermique n'est pas un bon conducteur de la chaleur ... elle est cependant un moins mauvais conducteur de la chaleur que l'air.
Et le but, en mettant de la graisse thermique est de remplacer, par de la pâte thermique, les micro espaces d'air entre les 2 surfaces dus aux imperfections des finis de surface du heatsink et du transistor.
Mais, en aucun cas, il ne faut intercaler de la graisse thermique dans des endroits où on aurait eu (sans la pate) un contact métal-métal entre le heatsink et le transistor.
On a donc absolument pas (si on applique correctement la pâte ce qui n'est presque jamais fait par les débutants et même par beaucoup qui pensent "savoir") une épaisseur d'environ 0,4 mm partout si c'est bien fait.
On a zéro ou presque sur une bonne partie de la surface et ce n'est que dans les "trous" dus aux imperfections des finis de surface (qui sont souvent de l'ordre de 10 µm de profondeur) qu'on a de la pâte thermique.

La calcul fait, même avec l'erreur sur la surface corrigée ne rime à rien.
**********

Souvent, dans les datasheets des semi-conducteur, les conditions pour avoir la Rth(case-heatsink) indiquée sont clairement stipulées... et puis il y a les datasheets moins bien faites.

Exemple pour le transitor IRFP9140N, la datasheet https://pdf1.alldatasheet.com/datash...IRFP9140N.html
indique clairement :

Rth(cs) = 0,24 °C/W typical sous les conditions : "Case-to-Sink, Flat, Greased Surface"

Quand les conditions ne sont pas indiquées, c'est quand même sous les conditions normales généralement utilisées, donc avec la surface "graissée" correctement et avec "l'état de surface" et la "platitude" du heatsink généralement fournies (il y a aussi des normes là dessus, mais je ne les connais pas).
*****
Bref, si c'est bien "graissé", dans les règles de l'art (et là ce n'est malheureusement pas toujours le cas, voir ci-dessus), la résistance thermique à prendre entre case et heatsink est celle indiquée dans la datasheet du semiconducteur.

Très souvent, on trouve beaucoup trop de graisse thermique ... ce qui est souvent même pire que de ne pas en mettre du tout.
Il faut évidemment mettre de la graisse thermique ... mais correctement.

[quentino]

Salut Black Jack 2,

En effet il y a une petite erreur de ma part c'était plutôt 9,58.10^-4 m²

Donc du coup si j'ai bien compris le Rth cs correspond à celui donné dans le datashet (voir pièce jointe)
Pour ma part je pensais qu'il fallait le calculer.

En essayant de voir les autres technologie de refroidissement, penses-tu que des modules peltier sont efficaces dans mon exemple?

Pour ma part je dirais non d'après ce que j'ai trouvé ci-dessous:

"Le refroidissement par effet Peltier est donc efficace et économe pour des applications nécessitant une faible puissance de refroidissement (jusqu'à quelques dizaines de watts par élément) et fonctionnant à une température proche de l'ambiante (jusqu'à environ 20 °C d'écart)."

Qu'en penses-tu?

[quentino]

Bonjour,

J'aimerai concevoir une plaque froide à fluide au lieu d'utiliser un radiateur pour refroidir des transistors.

J'aurai voulu savoir par après comment déterminer le Rth de la plaque en sachant que je compte utiliser une plaque en cuivre et des serpentins en cuivre soudé à la plaque.
Je n'ai pas encore d'idée sur les dimensions (diamètre et épaisseur) mais est-ce que cela se détermine par la conductivité du cuivre et de l'eau qui circulera dans le serpentin?

Du coup le Rth est la somme de la plaque en cuivre, du serpentin en cuivre et de l'eau?

[Antoane]

Bonjour,

Ce composant a une forte Rth(j-a). Avant de passer sur un refroidissement liquide, je chercherais à la réduire :
- en utilisant plusieurs transistors en parallèle
- en choisissant des mosfets plus performants
- en utilisant un module de puissance -- A ce niveau de puissance, ca me semble tout indiqué.

Du coup le Rth est la somme de la plaque en cuivre, du serpentin en cuivre et de l'eau?

C'est vraiment pas évident à estimer à priori, et analytiquement encore moins que par simulation.
On trouve des "cold plates" commercialles, je pense que ce serait la meilleure solution si tu veux un tel refroidissement.

[Black Jack 2]

Bonjour,

Ce composant a une forte Rth(j-a). Avant de passer sur un refroidissement liquide, je chercherais à la réduire :
- en utilisant plusieurs transistors en parallèle
- en choisissant des mosfets plus performants
- en utilisant un module de puissance -- A ce niveau de puissance, ca me semble tout indiqué.


C'est vraiment pas évident à estimer à priori, et analytiquement encore moins que par simulation.
On trouve des "cold plates" commercialles, je pense que ce serait la meilleure solution si tu veux un tel refroidissement.

Bonjour,

Je pense qu'il y a une mauvaise interprétation de l'application.
Il faudrait que quentino soit plus explicite sur le but de l'exercice.

Je soupçonne très fort, qu'il s'agisse d'une charge ajustable en puissance pour un "générateur".
Si oui, la puissance dissipée est voulue, elle ne peut pas être réduite par une mise en parallèles de transistors ou par l'utilisation de transistors plus performants.

Si le but est bien de servir de charge de test pour une générateur de tension ajustable également et que la puissance consommée doit être constante mais ajustable, alors toute méthode pour diminuer la puissance dissipée ne peut pas être utilisée.

Attendre les précisions de quentino sur le but du projet.

[quentino]

Bonjour,

En faite mon sujet concerne l'étude de plusieurs système de refroidissement pour une situation donnée et ensuite de les comparer.

Dans un environnement fermé et ventilé (tiroir) nous avons 16 transistors mosfet de puissance qui servent à simuler une charge.
Elles sont rangées par 4. C'est à dire à la première rangé, les 4 transistors ont chacune une puissance de 375W, ensuite la 2e rangé 4 transistors de chacune 350W, la 3e 4 transistors de 275 W et les 4 dernières de 250 W. Pour un total de 4800W. Ce sont des valeurs max et dépende donc de la charge demandé.
Pour ne pas grillé le semi-conducteur du transistor (Tjmax=150°C) il faut donc refroidir les transistors.

Les solutions sont:

1)radiateur + ventilateur
2)thermoélectrique: modules de Peltier
3)caloduc
4)plaque à eau

- Pour la première solution je suis parvenu à déterminer le Rth du dissipateur en utilisant les notions de "résistance parallèle"
En sachant que la résistance thermique du refroidisseur Rthsa = (Tjmax-Ta)/p -(Rthjc+Rthcs)
J'ai déterminer pour une rangé de 4 le Rthjs= (Rthjc+Rthcs) et sachant que j'ai 4 transistors de chacune de même puissance j''utilise la réglé de "résistance parallèle":
(1/rthjs)= 4x (1/(Rthjc+Rthcs)) → Rthjs= (0,18 +0,05)/4 = 0,057 °C/W
Ensuite je calcule le Rthsa à chaque puissance différente (en sachant que la température varie en fonction de la puissance du transistor)
→ Pd=375W: Rthsa= ((150-79)/357) -0.057 = 0.209 °C/W
→ Pd=300W: Rthsa= ((150-90)/300)-0,057= 0.143 °C/W
→ Pd=275W: Rthsa= 0.161 °C/W
→ Pd=250W: Rthsa= 0.187 °C/W
Et du coup j'ai de nouveau utilisé la règle de la "résistance parallèle" avec (1/Rthsa tot) = (1/0.209)+ (1/0.143)+(1/0.161)+(1/0.187) → Rtsatot= 0.039 °C/W (donc on peux prendre un refroidisseur égale ou plus petit à cette valeur)
→ Le bute ici pour le refroidisseur était de démontrer comment on arrive à déterminer le refroidisseur. En vérité elle existe déjà: 0.015°C/W avec v=5m/s pour la ventilation. Les dimensions étaient imposé car le tiroir à ses limites en dimensions.( 400*400mm) https://www.fischerelektronik.de/web...1_/index.xhtml
Est-ce que mon raisonnement plus haut est correcte?

- Pour le thermoélectrique avec l'effet Peltier, je dirais qu'il est efficace et économe pour des applications nécessitant une faible puissance de refroidissement (jusqu'à quelques dizaines de watts par élément) et fonctionnant à une température proche de l'ambiante (jusqu'à environ 20 °C d'écart)


- Pour les caloduc sur plaque de refroidissement, d'après ce que je comprends les caloduc réussissent bien à déplacer des quantités modérées d'énergie thermique du point A à un point B situé à quelques centimètres, mais deviennent moins attrayants à mesure que les distances augmentent. Et pour une puissance élevé il faut pouvoir refroidir l'ensemble pour que le fluide après condensation redeviennent liquide.

- Pour la plaque à eau cette solution me semble bien car on peut jouer sur la température de l'eau et le débit. Et pour l'exercice j'aimerai en concevoir un avec un plaque en alu et des serpentin en cuivre. L'arrivée et sortie de l'eau se fait par 2 collecteurs en inox. Du coup ce qui me plairait c'est de pouvoir déterminer le Rth de la plaque à eau. Est ce à partir de la conductivité des différents matériaux que je peux déterminer le Rth?

Merci

[Black Jack 2]

Bonjour,

En faite mon sujet concerne l'étude de plusieurs système de refroidissement pour une situation donnée et ensuite de les comparer.

Dans un environnement fermé et ventilé (tiroir) nous avons 16 transistors mosfet de puissance qui servent à simuler une charge.
Elles sont rangées par 4. C'est à dire à la première rangé, les 4 transistors ont chacune une puissance de 375W, ensuite la 2e rangé 4 transistors de chacune 350W, la 3e 4 transistors de 275 W et les 4 dernières de 250 W. Pour un total de 4800W. Ce sont des valeurs max et dépende donc de la charge demandé.
Pour ne pas grillé le semi-conducteur du transistor (Tjmax=150°C) il faut donc refroidir les transistors.

Les solutions sont:

1)radiateur + ventilateur
2)thermoélectrique: modules de Peltier
3)caloduc
4)plaque à eau

- Pour la première solution je suis parvenu à déterminer le Rth du dissipateur en utilisant les notions de "résistance parallèle"
En sachant que la résistance thermique du refroidisseur Rthsa = (Tjmax-Ta)/p -(Rthjc+Rthcs)
J'ai déterminer pour une rangé de 4 le Rthjs= (Rthjc+Rthcs) et sachant que j'ai 4 transistors de chacune de même puissance j''utilise la réglé de "résistance parallèle":
(1/rthjs)= 4x (1/(Rthjc+Rthcs)) → Rthjs= (0,18 +0,05)/4 = 0,057 °C/W
Ensuite je calcule le Rthsa à chaque puissance différente (en sachant que la température varie en fonction de la puissance du transistor)
→ Pd=375W: Rthsa= ((150-79)/357) -0.057 = 0.209 °C/W
→ Pd=300W: Rthsa= ((150-90)/300)-0,057= 0.143 °C/W
→ Pd=275W: Rthsa= 0.161 °C/W
→ Pd=250W: Rthsa= 0.187 °C/W
Et du coup j'ai de nouveau utilisé la règle de la "résistance parallèle" avec (1/Rthsa tot) = (1/0.209)+ (1/0.143)+(1/0.161)+(1/0.187) → Rtsatot= 0.039 °C/W (donc on peux prendre un refroidisseur égale ou plus petit à cette valeur)
→ Le bute ici pour le refroidisseur était de démontrer comment on arrive à déterminer le refroidisseur. En vérité elle existe déjà: 0.015°C/W avec v=5m/s pour la ventilation. Les dimensions étaient imposé car le tiroir à ses limites en dimensions.( 400*400mm) https://www.fischerelektronik.de/web...1_/index.xhtml
Est-ce que mon raisonnement plus haut est correcte?

- Pour le thermoélectrique avec l'effet Peltier, je dirais qu'il est efficace et économe pour des applications nécessitant une faible puissance de refroidissement (jusqu'à quelques dizaines de watts par élément) et fonctionnant à une température proche de l'ambiante (jusqu'à environ 20 °C d'écart)


- Pour les caloduc sur plaque de refroidissement, d'après ce que je comprends les caloduc réussissent bien à déplacer des quantités modérées d'énergie thermique du point A à un point B situé à quelques centimètres, mais deviennent moins attrayants à mesure que les distances augmentent. Et pour une puissance élevé il faut pouvoir refroidir l'ensemble pour que le fluide après condensation redeviennent liquide.

- Pour la plaque à eau cette solution me semble bien car on peut jouer sur la température de l'eau et le débit. Et pour l'exercice j'aimerai en concevoir un avec un plaque en alu et des serpentin en cuivre. L'arrivée et sortie de l'eau se fait par 2 collecteurs en inox. Du coup ce qui me plairait c'est de pouvoir déterminer le Rth de la plaque à eau. Est ce à partir de la conductivité des différents matériaux que je peux déterminer le Rth?

Merci

Bonjour,

Bien sûr que non ...
Et je te l'ai déjà dit plusieurs fois.
Si on veut limiter la température de jonction à 150 °C max :

Tj = Tambiante + Rthermique refroidisseur * Puissance totale dans le refroidisseur + (R thermique pâte de contact + Rthermique(jc) du transistor qui passe la plus grande puissance * Puissance dissipée par ce transistor) <= 150

Tj = Tambiante + Rthermique refroidisseur * 4800 + (0,05 + 0,18) * 375 <= 150

Tambiante + 4800 * Rthermique refroidisseur <= 64

Et si Tambiante = 50 °C (température de l'air près du transistor) (Et c'est très optimiste car dans les conditions de l'essai, Ta sera plus que probablement bien plus > 50 °C)

On aurait Rthermique refroidisseur <= (64 - 50)/4800 = 0,0029 °C/W

On peut calculer autrement, par mise en parallèle de résistance thermiques ou autrement ... à condition de faire les raisonnement corrects ... ce que tu ne fais pas.
Néanmoins, quelle que soit la manière (correcte) de calculer, on doit aboutir à la même conclusion, qui est que :

Si Ta = 50 °C, il faut un refroidisseur de Rth <= 0,0029 °C/W pour que la température de jonction des transistors qui dissipent le plus (375 W pour 1 transistor) ne dépasse pas 150 °C

On est très très loin de cela avec le refroidisseur que tu proposes ... qui ne convient donc pas.

[Antoane]

Bonjour,

Le composant choisi a une forte Rth(j-a). Avant de passer sur un refroidissement liquide, je chercherais à la réduire :
- en utilisant plusieurs transistors en parallèle
- en choisissant des mosfets dans des boitiers plus performants
- en utilisant un module de puissance -- A ce niveau de puissance, ca me semble tout indiqué (même si c'est pas évident pour des applications en linéaire).

Refroidissement à eau et par caloduc sont très performants, mais utils uniquement si il y a de la place "un peu plus loin" pour implémenter l'échangeur de chaleur avec l'air ambiant (dans une certaine mesure : idem pour le peltier, qui plus est limité aux faibles puissances). Sinon, un radiateur à refroidissement par air forcé sera probablement le mieux, pour une simplicité et robustesse accrue.

Du coup ce qui me plairait c'est de pouvoir déterminer le Rth de la plaque à eau. Est ce à partir de la conductivité des différents matériaux que je peux déterminer le Rth?

C'est vraiment pas évident à estimer à priori, et analytiquement encore moins que par simulation.
On trouve des "cold plates" commercialles, je pense que ce serait la meilleure solution si tu veux un tel refroidissement.

[quentino]

Bonjour Black Jack 2 et Antoane,

Merci pour vos réponses, c'est plus clair au niveau calcul.

En faite ici c'est un exercice purement théorique et donc les transistors Mosfet ne peuvent pas être changé.

Sinon je me demandais est ce que dans les calculs de Rth avec radiateur-ventilateur faut-il prendre en compte le faite que c'est une ventilation forcée? Dois-je prendre une température ambiante de 40-45°C au lieu de 50°C? A t'il d'autre paramètre à changer?

Merci

[Antoane]

La ventilation forcée améliore le coefficient de transfert thermique entre le radiateur et l'air, diminuant la résistance thermique de convection d'un facteur 1 à 5-10, voire 100, suivant la vitesse du fluide.
Suivant l'importance relative de la résistance de conduction du radiateur vs. celle de convection, cela permet de diminuer plus ou moins la résistance thermique totale.

Les bonne datasheet donnent Rth vs. vitesse de l'air (eg. Fig 6).

[quentino]

Hello,

Donc du coup si j'ai bien compris en utilisant un refroidisseur avec un Rth de 0.015°C/W et plusieurs ventilateur je pourrais réduire la valeur du Rth du radiateur.
Serait-il possible de passer d'environ 0.015°C/W à environ 0,0029 °C/W ?Je vois dans des graphique que l'air qui passe dans les ailettes est à 5 m/s . Peut-il avoir une vitesse supérieur?
D'après ce que j'ai vu pour une vitesse de 5m/s il faudrait multiplier le Rth de 0.2

https://www.abcelectronique.com/foru...achmentid=7578

Mais sachant que le refroidisseur à 0.015°C/W est pour une ventilation à v=5m/s, pourrais je prendre le même refroidisseur et adapter le ventilateur? Si oui quelle doit être la vitesse de l'air?

[quentino]

Hello,

Est-il possible de me corriger pour une variante à mon exercice précédent. Pour voir si j'ai enfin compris
Merci

Si maintenant j'ai 2 transistors par modules. Et sachant que pour un module la répartition de puissance dans les 2 transistors est de 48% et 52%.

La distribution de puissance des modules se fait en rangées de 4 modules (idem à l'énoncé précédente) :

→ 1ère rangée : 4 modules de 375W chacun
→ 2ème rangée : 4 modules de 300W chacun
→ 3ème rangée : 4 modules de 275W chacun
→ 4ème rangée : 4 modules de 250W chacun
Pour un total de 4800W


Il existe un seul dissipateur thermique capable de supporter une puissance totale de 4800W. A l'entrée du tiroir se trouvent 3 ventilateurs avec un débit de 310m³/h et une sortie pour évacuer l'air chaud soufflé par les ventilateurs. La température ambiante est de 26°C dans la pièce. A l'intérieur du tiroir, la température est de 45°C. L'air sortant du tiroir est d'environ 60°C.

Calculs:

Sachant que pour un module, la répartition de puissance dans les 2 transistors est de 48% et 52%. On a donc pour le module 375W, une répartition de 180W pour le transistor 1 et 195W pour le transistor 2.

Tj = Tambiante + (Rthsa refroidisseur * Puissance totale dans le refroidisseur) + Rthcs pâte de contact + (Rthjc du transistor par lequel passe la plus grande puissance * Puissance dissipée par ce transistor) <= 150

150=45+(Rthsa*4800)+(0.05+0.18 )195
150=45+(Rthsa4800)+44.85
Rthsa=(150-44.85-45)/4800 = 0.0125°C/W

Est-ce que mon raisonnement vous semble correct ?

Sinon j'ai une question concernant la température ambiante à prendre en compte dans les calculs, est-ce la température ambiante à l'intérieur du tiroir (45°C) ou celle à l'extérieur (26°C) ?

Et si c'est la température ambiante intérieure que je dois prendre en compte dans mes calculs, dois je considérer une température ambiante comme si il y avait déjà un radiateur et ventilateur soit 45°C ou celle sans radiateur et ventilateur (55°C-60°C) ?

[Antoane]

Bonjour,
La température a prendre pour Ta est celle de l'air à l'entrée du ventilateur.
Tu pourrais faire un schéma utilisant des résistances thermiques et sources de courant/puissance pour représenter ton circuit, cela te permettrait d'être plus sûr de ton raisonnement.

La Rth du radiateur est donné dans des conditions précises, probablement pour une unique source de chaleur centrée sur le radiateur. Ici, avec une source distribuée, la Rth équivalente serait plus faible, car l'impact de la résistance de l'aluminium est réduit

[quentino]

Bonjour Antoane,

Merci pour la réponse.

Les courants sont analogues aux puissances thermiques.
Les résistances sont équivalentes aux résistances thermiques.

R est la résistance équivalent à la Rth du refroidisseur.
Va est l'équivalent de la température ambiante (celle à proximité des transistors)

Vj est l'équivalent de la température des jonctions des transistors qui dissipent le plus.
Chaque résistance de 0,23 ohm est l'équivalent de la résistance thermique jonction-sink d'un transistor.

On a donc : Vj = Va + 4800*R + 0,23/4 * 1500

Donc avec Ta=26°C:

150=26+(Rthsa*4800)+(0.05+0.18 )*195
150=26+(Rthsa4800)+44.85
Rthsa=(150-44.85-26)/4800 = 0.016°C/W

[Black Jack 2]

Bonjour Antoane,

Merci pour la réponse.

Les courants sont analogues aux puissances thermiques.
Les résistances sont équivalentes aux résistances thermiques.

R est la résistance équivalent à la Rth du refroidisseur.
Va est l'équivalent de la température ambiante (celle à proximité des transistors)

Vj est l'équivalent de la température des jonctions des transistors qui dissipent le plus.
Chaque résistance de 0,23 ohm est l'équivalent de la résistance thermique jonction-sink d'un transistor.

On a donc : Vj = Va + 4800*R + 0,23/4 * 1500

Donc avec Ta=26°C:

150=26+(Rthsa*4800)+(0.05+0.18 )*195
150=26+(Rthsa4800)+44.85
Rthsa=(150-44.85-26)/4800 = 0.016°C/W

Bonjour,

Tu as doublé le nombre de transistors et donc chaque transistor dissipe la moitié de qu'il faisait avant.

La relation Vj = Va + 4800*R + 0,23/4 * 1500 aurait été correcte avec l'ancienne version à 16 transistors.

Ici, en tenant compte du doublement du nombre de transistors, il vient :

Vj = Va + 4800*R + 0,23/8 * 1500

Donc avec Ta=26°C (douce illusion) ...

150 = 26 + 4800*R + 43
Rth(sa) = (150 - 26 - 43)/4800
Rth(sa) = 0,017 °C/W

C'est un peu optimiste car la répartition de puissance dans les groupes de 2 transistors qui dissipent le plus n'est pas pile de 50 %.
*****
Pour Ta = 26 °C comme ambiance dans une armoire où on dissipe 4800 W, je suis sceptique.

[quentino]

Bonjour Black Jack 2,

Merci pour ta réponse.

Pour un module dont la répartition de puissance dans les 2 transistors est de 48% et 52%.
Cela reviendrais donc à dire pour 375W on a 180W et 195W?

Vj = 26 + 4800*R + (0,23/4 * (4*180))+(0.23/4*(4*195))
R=0.021°C/W

Est-ce que cela est plus correcte?

Pour la température ambiante si c'est celle du local, elle est aérer et on a 26°C