Calculs CFD du refroidissement de l'électronique de puissance


L´électronique de puissance est le composant clef entre charges et sources d´énergie électrique. Elle est utilisée dans des domaines aussi différents que les lampes LED et que les centrales électriques éoliennes. Elle est nécessaire pour ajuster les sources d´énergie renouvelable tels que l'éolien ou le photovoltaïque au réseau, ou bien pour ajuster la vitesse de moteurs à vitesse variable.

Modules avec diodes, IGBT et MOSFET

Le respect strict des limites de température des chips est indispensable pour éviter des contraintes thermomécaniques, car cela réduirait de façon drastique la durée de vie des matériaux. Grâce à un refroidissement performant, on peut obtenir une haute densité de courant dans un volume réduit.
Les semi-conducteurs les plus courants tels que diodes, transistors IGBT ou MOSFET sont utilisés en tant que commutateurs qui sont intégrés dans des modules compacts. Les meilleurs modules comprennent un châssis conducteur pour répartir la chaleur.

Températures de surface dans un boîtier IGBT
Températures de surface dans un boîtier IGBT

Radiateurs et matériaux conducteurs thermique

Pour dissiper les pertes électriques les modules sont le plus souvent installés sur des radiateurs qui permettent une répartition optimale de la chaleur. Les radiateurs passifs sont conçus pour fonctionner sans ventilateur: la convection naturelle permet alors d’évacuer la chaleur. Les radiateurs actifs sont équipés d'un ventilateur avec moteur électrique ; le refroidissement se fait alors par convection forcée. Les dissipateurs thermiques sont généralement en aluminium et ont une très faible résistance thermique. Si les radiateurs ne suffisent pas, la chaleur peut être dissipée par un circuit d’eau froide ou même par des heat pipes. Tous ces modes de refroidissement peuvent être calculés grâce à la simulation thermique avec CFD en 3D.

Le contact thermique avec les radiateurs nécessite une couche de matériaux conducteurs (Thermal Interface Material). La détermination de la résistance thermique s’avère imprécise car on ne connait pas vraiment la répartition de la couche ; cela constitue une imprécision supplémentaire pour le calcul des températures. La meilleur méthode est de mesurer la résistance thermique, pour cela des systèmes de mesure complets tel que T3ster peuvent être employés.

Armoires pour rectificateurs et onduleurs

Les modules sont le plus souvent placés dans des armoires électriques à-côté des résistances, des condensateurs et des composants inductifs.
Une simulation élémentaire pourra se contenter de ne représenter que le package. Si de nombreuses conditions externes sont nécessaires à l’analyse thermique des transistors, la simulation doit alors comprendre le board, l’armoire ou bien même la totalité de la pièce.

Calcul combiné du transfert thermique et de l'écoulement avec CFD

Lignes de courant dans un radiateur de module de puissance IGBT
Lignes de courant dans un radiateur de module de puissance IGBT 

Le refroidissement de l´électronique de puissance est suffisamment important pour qu’il doive être dimensionné dès la phase de conception. Il est nécessaire d'effectuer des calculs de 3D Computational Fluid Dynamics pour prévoir la structure de l'écoulement, la répartition du fluide de refroidissement, les pertes de pression ainsi que la distribution des températures. Avec un effort relativement modéré il est possible d´obtenir rapidement des résultats permettant d’optimiser l’électronique si nécessaire, ceci doit être confirmé par des simulations thermiques supplémentaires avant d’être réalisé.

Lignes de courants dans l'armoire d'un convertisseur de vitesses
Lignes de courants dans l'armoire d'un convertisseur de vitesses