Méthodologie de dimensionnement d’un dissipateur thermique pour les dernières générations de convertisseurs de puissance
Gael Pongnot2, Mickael
Petit3, Marie-Christine
Duluc1, ⋆, Clement
Mayet3, Denis Labrousse3
⋆ : marie-christine.duluc@lecnam.net
1 CNAM
2 Ecole normale
supérieure Paris-Saclay
3 Ecole normale
supérieure Paris-Saclay, CNAM
Mots clés : Dissipateur thermique, dimensionnement,
optimisation
Résumé :
La miniaturisation croissante des composants électroniques de
puissance, ainsi que leur intégration, conduit à une augmentation des
densités de flux de chaleur à dissiper. De ce fait, le refroidissement
des composants devient la contrainte dimensionnante des dernières
générations de convertisseurs de puissance. Dans la communauté du génie
électrique, les problématiques de refroidissement thermique en régime
stationnaire sont couramment étudiées au moyen de modèles empiriques
simples du type « cône de diffusion » dans le dissipateur thermique (ou
« spreader »). Ces méthodes reposent davantage sur un savoir empirique
que sur un dimensionnement clair s’appuyant sur la formulation
rigoureuse d’un problème de conduction thermique. Les géométries
complexes sont, quant à elles, abordées à l’aide de simulations
numériques par éléments finis. Ces dernières sont pertinentes pour
confirmer le bon fonctionnement d’un système complet mais ne sont pas
généralisables. Elles sont par conséquent difficiles à utiliser dans le
cadre d’études préliminaires (ou d’optimisation), pour lesquelles de
nombreux paramètres électriques et thermiques restent à définir.
Nous proposons ici d’aborder le problème du dimensionnement géométrique
d’un dissipateur thermique associé à une puce quelconque donnée.
Considérant une approche bidimensionnelle et un régime permanent,
représentatif du fonctionnement de systèmes de conversion DC-DC, une
solution analytique de conduction thermique est proposée dans le cas
d’un dissipateur rectangulaire thermiquement et électriquement isotrope.
La paroi inférieure du dissipateur est soumise sur une partie de sa
longueur à une densité de flux représentant le composant. La paroi
supérieure du dissipateur échange par convection avec le fluide de
refroidissement. Un terme source représentant le passage du courant
d’alimentation dans le dissipateur est également pris en compte. La
modélisation proposée considère une architecture de composant intégrée
avec un refroidissement non-isolé électriquement, car elle requièrt peu
de paramètres et permet d’obtenir de très bonnes performances thermiques
en comparaison des technologies classiques de refroidissement isolé. Un
adimensionnement permet de réduire l’espace des paramètres physiques, au
nombre de sept, en quatre groupements adimensionnés, ce qui simplifie
considérablement l’analyse. La résolution de l’équation de la chaleur en
régime stationnaire, à l’aide des séries de Fourier, donne accès aux
champs de température et de densité de flux de chaleur en tout point du
dissipateur. On en déduit la résistance thermique du dissipateur,
grandeur fondamentale pour l’électronicien de puissance lui permettant
en particulier d’estimer la température de la puce. La répartition de la
densité de flux de chaleur sur la face supérieure du dissipateur, en
contact direct avec le fluide de refroidissement, présente également un
grand intérêt : l’étude quantitative du concept de « cône de diffusion »
devient enfin abordable.
L’influence des paramètres adimensionnés sur la résistance thermique du
dissipateur et l’étalement du flux de chaleur est étudiée afin
d’élaborer une aide à la décision. En particulier, deux méthodes seront
présentées : la première permet d’obtenir les dimensions optimales du
dissipateur connaissant le composant de puissance et son point de
fonctionnement ; la seconde donne le point limite de fonctionnement du
composant connaissant la source de refroidissement disponible.
doi : https://doi.org/10.25855/SFT2022-050
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