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Tous les composants électroniques, semi-conducteurs ou non possèdent une certaine « résistance » électrique. Cela signifie que chaque fois qu’ils sont parcourus par un courant, ils dissipent de l’énergie sous forme de chaleur. Pour éviter que le composant ne soit détruit par cette dissipation d’énergie et l’augmentation de température associée, il faut extraire cette énergie à une vitesse suffisamment élevée que pour éviter cette augmentation de température. La façon la plus facile de le faire est d’utiliser un refroidisseur. |
Pour comprendre comment fonctionne ce refroidisseur, il faut faire l’analogie suivante : l’énergie à dissiper peut être comparée à un courant électrique et l’augmentation de la température comme une chute de tension. Il faut aussi qu’on introduise la notion de résistance thermique qui se comporte de manière équivalente à sa compagne : la résistance électrique. Au plus cette résistance thermique est élevée, au plus l’augmentation de température à ses bornes sera élevée.
Comme décrit dans le paragraphe ci-dessus, l’interaction entre les grandeurs thermiques peut être décrite comme un corollaire à la loi d’Ohm.
Pour un transistor, par exemple, T(j-a) est l’augmentation de température en degrés celsius au sein de sa jonction par rapport à la température ambiante. Pd est la puissance à dissiper en watts et Rth(j-a) est la résistance thermique totale entre la jonction et l’air ambiant. Elle est exprimée en degrés par watt. Comme on peut le voir, cette relation est similaire à la loi d’Ohm (U=RxI). Si Rth(j-a) vaut 6°C/W et que la jonction de notre transistor dissipe 20 Watts, sa température de jonction va monter à (6x20)=120° au dessus de la température ambiante.
| Evidemment, si nous voulons garder le transistor dans sa gamme de température de fonctionnement, il faut absolument réduire la valeur de Rth(j-a), résistance thermique totale entre la source de chaleur et l’ambiance. En fait, on peut scinder la résistance thermique en deux parties : Rth(j-c) qui est la résistance thermique entre la jonction du transistor et le boitier du transistor (case) et Rth(c-a) qui est la résistance thermique entre le boitier et l’ambiance. Pour la première résistance, on ne peut que constater sa valeur vu qu’elle est fixée par le type de boitier choisi par le fabriquant du composant. Elle est généralement faible et optimisée. Concernant la deuxième résistance, on peut agir sur sa valeur en utilisant les refroidisseurs. |  |
Si le transistor n’est fixé que par ses pattes au PCB, il ne peut évacuer ses calories vers l’ambiance que par rayonnement et convection. Si on lui ajoute une large pièce de métal, spécialement étudiée pour l’évacuation d’énergie (profil et surface de contact la plus grande possible), on améliore grandement la convection et le rayonnement.
Bien que le refroidisseur parvient à réduire la valeur totale de la résistance thermique Rth(j-a), il introduit quand même quelques résistances thermiques dans le flux d’énergie provenant de la jonction de l’énergie : résistance de contact entre le boitier et le refroidisseur, résistance due au besoin d’ajouter une isolation entre le composant et son refroidisseur,… Ces résistances sont réduites surtout si on ajoute de la pate thermique entre le boitier du composant et le refroidisseur.
Le choix du refroidisseur est donc primordial pour réduire la résistance thermique totale. Les catalogues des fournisseurs permettent de faire le meilleur choix possible sachant qu’ils fournissent la résistance thermique du refroidisseur. En règle générale, plus le refroidisseur est grand, plus sa résistance thermique est faible.
Comme conclusion, on peut dire qu’il faut absolument garder une température de jonction la plus basse possible pour les composants semi-conducteurs afin d’assurer une durée de vie raisonnable et un taux de panne le plus réduit possible pour vos équipements. La température maximum de fonctionnement d’une jonction est mentionnée dans les datasheets des composants.
