Dissipateurs thermiques : guide détaillé sur la manière d'évacuer la chaleur de vos conceptions

Par Aaron Yarnell

Les dissipateurs thermiques sont importants ! Composants essentiels de la conception de circuits, ils permettent d'évacuer efficacement la chaleur des dispositifs électroniques (notamment des transistors BJT et MOSFET, et des régulateurs linéaires) en la redirigeant dans l'air ambiant.

Leur rôle est de créer une plus grande surface sur un dispositif produisant de la chaleur et, ce faisant, de permettre un transfert plus efficace de la chaleur vers l'extérieur. Un chemin thermique amélioré vers l'extérieur du dispositif réduit toute augmentation de température à la jonction du composant.

Cet article a pour objectif de détailler le problème du choix d'un dissipateur thermique, en s'appuyant sur les données thermiques liées à l'utilisation du dispositif ainsi que sur les spécifications fournies par le fournisseur de dissipateur thermique.

Un dissipateur thermique est-il nécessaire ?

Pour les besoins du présent article, supposons que l'application en question comporte un transistor logé dans un boîtier TO-220, dans lequel les pertes de conduction et de commutation équivalent à une dissipation de puissance de 2,78 W. De plus, la température ambiante de fonctionnement ne dépasse pas 50°C. Un dissipateur thermique est-il nécessaire pour ce transistor ?

Schéma de la vue de face et de côté d'un boîtier TO-220 typique avec un dissipateur thermique

Figure 1 : Vue de face et de côté d'un boîtier TO-220 typique avec un dissipateur thermique. (Source de l'image : CUI Inc.)

Dans un premier temps, il faut rassembler et comprendre les caractéristiques de toutes les impédances thermiques susceptibles d'empêcher la dissipation de 2,78 W dans l'air ambiant. Si la dissipation en question n'est pas efficace, la température de jonction dans le boîtier TO-220 augmente au-dessus de la température de fonctionnement maximum désirée, établie à 125°C pour cette application.

En général, les fournisseurs de transistors enregistrent toute impédance thermique jonction/air ambiant, représentée par le symbole Rθ J-A et mesurée en °C/W. L'unité signifie que la température de jonction devrait augmenter au-dessus de la température ambiante autour du boîtier TO-220 pour chaque unité de puissance (Watt) dissipée dans le dispositif.

Pour mettre cela en contexte, lorsqu'un fournisseur de transistors indique que l'impédance thermique jonction/air ambiant est de 62°C/W, la dissipation de 2,78 W à l'intérieur du boîtier TO-220 augmente la température de jonction à 172°C au-dessus de la température ambiante ; calcul : 2,78 W x 62°C/W. Si la température ambiante dans le pire des cas pour ce dispositif est supposée être de 50°C, la température de jonction atteindra alors 222°C ; calcul : 50°C + 172°C. Comme cela dépasse de loin la température maximale spécifiée de 125°C pour le silicium, un dissipateur thermique est absolument nécessaire.

L'utilisation d'un dissipateur thermique dans cette application réduira considérablement l'impédance thermique jonction/air ambiant. À l'étape suivante, il convient de déterminer la valeur minimale du chemin d'impédance thermique pour assurer un fonctionnement sûr et fiable.

Définir des chemins d'impédance thermique

Afin de déterminer le chemin d'impédance thermique, commencez par la plus haute augmentation de température tolérable. Si la plus haute température ambiante de fonctionnement du dispositif est de 50°C, et étant donné que nous avons déjà établi que la jonction silicium ne doit pas dépasser 125°C, l'augmentation de température maximale admissible se situe à 75°C ; calcul :125°C - 50°C.

L'étape suivante consiste à calculer la plus haute impédance thermique tolérable entre la jonction elle-même et l'air ambiant. Si l'augmentation de température maximale admissible est de 75°C et que la puissance dissipée à l'intérieur du boîtier TO-220 est mesurée à 2,78 W, alors l'impédance thermique maximale admissible est de 27°C/W ; calcul : 75°C ÷ 2,78 W.

Enfin, additionnez tous les chemins d'impédance thermique, de la jonction silicium à l'air ambiant, et vérifiez que leur somme est inférieure à l'impédance thermique maximale admissible, qui est ici de 27°C/W.

Image des impédances thermiques à calculer

Figure 2 : Illustration graphique des impédances thermiques à calculer et à additionner entre la jonction et l'air ambiant dans une application TO-220 typique. (Source de l'image : CUI Inc.)

Sur le schéma de la Figure 2, on peut voir que la première impédance thermique nécessaire est l'impédance jonction/boîtier, représentée par le symbole Rθ J-C. Cela indique à quel point il est facile de transférer la chaleur depuis la jonction (où la chaleur est générée) vers la surface du dispositif (ici, le boîtier TO-220). En règle générale, les fiches techniques des fournisseurs répertorient cette impédance, ainsi que la valeur jonction/air ambiant. Ici, l'impédance thermique jonction/boîtier est répertoriée à 0,5°C/W.

Représentée par le symbole Rθ C-S, la deuxième impédance thermique nécessaire est l'impédance boîtier/dissipateur, qui indique la facilité avec laquelle la chaleur peut être transférée du boîtier extérieur du dispositif à la surface du dissipateur thermique. Étant donné qu'il y a parfois des irrégularités dans les deux surfaces, il est normalement recommandé d'utiliser un matériau d'interface thermique (TIM ou « composé thermique ») entre les surfaces du boîtier TO-220 et de la base du dissipateur thermique pour garantir, du point de vue thermique, leur compatibilité totale. L'utilisation d'un matériau d'interface thermique améliore considérablement le transfert de chaleur de la surface du TO-220 au dissipateur thermique, même s'il faut prendre en compte l'impédance thermique associée.

Schéma d'une vue surface-à-surface agrandie

Figure 3 : Vue surface-à-surface agrandie illustrant la nécessité d'un matériau d'interface thermique (TIM). (Source de l'image : CUI Inc.)

Matériaux d'interface thermique

En règle générale, les matériaux d'interface thermique se caractérisent par leur conductivité thermique, exprimée en watts par mètres-Celsius (W/(m °C)) ou en watts par mètres-Kelvin (W/(m K)). Dans cet exemple, Celsius et Kelvin sont transposables, car tous les deux utilisent la même mesure d'augmentation de la température, où la hausse et la baisse de température sont calculées. Par exemple, une augmentation de température de 45°C équivaut à une augmentation de température de 45 K.

On ajoute des mètres, car l'impédance du matériau d'interface thermique repose sur le rapport entre l'épaisseur (épaisseur du matériau d'interface thermique en mètres) et l'ensemble de la zone (la surface couverte par le matériau d'interface thermique en m2), ce qui donne 1/m (calcul : m/m2 = 1/m). Dans cet exemple, une fine couche de matériau d'interface thermique est appliquée sur la zone de la languette métallique de la surface du boîtier TO-220, avec les propriétés et les détails d'application spécifiques suivants :

Équation 1

En utilisant les propriétés énumérées ci-dessus, l'impédance thermique du matériau d'interface thermique peut être calculée avec l'équation suivante, en utilisant les mètres pour la cohérence :

Équation 2

Choisir un dissipateur thermique

La dernière impédance thermique nécessaire est l'impédance dissipateur/air ambiant, qui est représentée par le symbole Rθ S-A. Ce calcul révèle la facilité avec laquelle la chaleur peut être transférée de la base du dissipateur thermique vers l'air ambiant environnant. Le fabricant de composants électroniques CUI est un fournisseur de dissipateurs thermiques qui propose des schémas comme celui illustré à la Figure 4 pour démontrer la facilité avec laquelle la chaleur peut être transférée du dissipateur thermique vers l'air ambiant via différentes charges et conditions de flux d'air.

Schéma de l'élévation typique de la température de la surface de montage du dissipateur thermique par rapport à la température ambiante

Figure 4 : Schéma illustrant l'élévation typique de la température de la surface de montage du dissipateur thermique par rapport à la température ambiante. (Source de l'image : CUI Inc.)

Dans cet exemple, on suppose que le dispositif fonctionne dans des conditions de convection naturelle sans aucun flux d'air. Le schéma peut servir à calculer l'impédance thermique finale, du dissipateur à l'air ambiant, pour ce dissipateur thermique spécifique. L'augmentation de la température de surface au-dessus de la température ambiante, divisée par la chaleur dissipée, donne un résultat d'impédance thermique dans ces conditions de fonctionnement spécifiques. Ici, la chaleur dispersée est de 2,78 W, ce qui entraîne une augmentation de la température de surface supérieure à la température ambiante de 53°C. En divisant 53°C par 2,78 W, on obtient une impédance thermique dissipateur/air ambiant de 19,1°C/W.

Dans les calculs précédents, l'impédance maximale autorisée entre la jonction et l'air ambiant était de 27°C/W. En soustrayant l'impédance jonction/boîtier (0,5°C/W) et l'impédance boîtier/dissipateur (0,45°C/W), on obtient la tolérance maximale du dissipateur thermique, calculée à 26,05°C/W ; calcul : 27°C/W - 0,5°C/W - 0,45°C/W.

Pour les besoins de cet exemple, dans ces conditions supposées, une impédance thermique de 19,1°C/W pour ce dissipateur thermique tombe bien en dessous du calcul précédent concernant la tolérance de 26,05°C/W. Cela se traduit par une température de jonction silicium plus froide à l'intérieur du boîtier TO-220, ainsi qu'une marge thermique plus grande dans la conception. De plus, la température maximale de la jonction peut être évaluée de manière approximative en additionnant toutes les impédances thermiques, en les multipliant par le nombre de watts dissipés au niveau de la jonction, puis en ajoutant le résultat à la température ambiante maximale, comme suit :

Équation 3

L'exemple présenté ici montre à quel point les dissipateurs thermiques jouent un rôle important dans la gestion thermique d'une application. Si le dissipateur thermique avait été omis, la jonction silicium dans le boîtier TO-220 aurait largement dépassé la limite nominale de 125°C de la conception. Le processus utilisé ici peut simplement être modifié et répété afin d'aider les concepteurs à sélectionner les dissipateurs thermiques appropriés, correctement dimensionnés pour une variété d'applications.

Conclusion

Les dissipateurs thermiques jouent un rôle important dans la conception des circuits, car ils permettent d'évacuer de manière efficace la chaleur des dispositifs électroniques en la redirigeant vers l'air ambiant. En identifiant la température maximale de l'environnement ambiant ainsi que la puissance dissipée dans le dispositif, il est possible d'optimiser le choix du dissipateur thermique : ni trop petit pour provoquer un grillage, ni trop grand pour gaspiller de l'argent. En outre, il convient de prendre en compte le rôle important que jouent les matériaux d'interface thermique dans le transfert efficace et cohérent de la chaleur entre deux surfaces.

Enfin, une fois les paramètres de l'application définis (température ambiante, dissipation de puissance et chemins d'impédance thermique), consultez le portefeuille de dissipateurs thermiques niveau carte de CUI afin d'identifier le modèle adapté aux besoins en refroidissement du projet.

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À propos de l'auteur

Aaron Yarnell

Article provided by Aaron Yarnell, Field Applications Engineering Manager, CUI.