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, qui servira de donnée d'entrée pour le calcul.

Calcul CFD combiné transfert thermique et écoulement

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.

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.

Modélisation thermique du PCB

Les cartes de circuits imprimés, également appelées PCB, sont constituées de plusieurs couches de cuivre et de connexions conductrices (traces) ; les connexions entre les couches sont réalisées avec des trous (vias) ; tout le volume est rempli d'un matériau électriquement isolant tel que le FR4. D'un point de vue CFD et CAO, un PCB est une géométrie très complexe. Le PCB peut soit être considéré comme un modèle complexe, soit être réduit à un bloc rectangulaire anisotrope. Si la géométrie d'un PCB est disponible, elle peut être exportée en tant que modèle CAO au format STEP. Le modèle CAO peut être corrigé manuellement et simplifié jusqu'à ce qu'il soit accepté par l'outil CFD. Cette opération peut prendre plusieurs jours même pour un professionnel de la CAO. Sinon, les logiciels CFD commerciaux proposent des outils pour simplifier le modèle PCB, comme le pont FloEDA pour FloEFD. Ceci est adapté à une utilisation régulière uniquement. Il est recommandé de simuler thermiquement l'électronique de puissance dès la phase de conception.
En règle générale, la géométrie complète du PCB n'a pas encore été créée ; seuls le nombre et l'épaisseur des couches de cuivre sont connus. Il n'est pas possible ici d'utiliser des valeurs générales pour la conductivité thermique du PCB, d'autant plus que les vias thermiques améliorent la conduction thermique à travers le PCB. Dans une entreprise, des modèles de substitution peuvent être utilisés pour une catégorie de PCB ; ceux-ci ont été déterminés à l'aide de modèles antérieurs. Par exemple, un fabricant de phares à LED peut avoir des valeurs de conductivité thermique standard pour chacun des PCB selon leur fonction : clignotants, route, croisement et d'arrêt.