Dimensionnement thermique avec CFD de l'électronique de puissance à faible fréquence

Fiabilité thermique

Les transistors IGBT sont soumis à des variations de charges thermomécaniques, cela entraine un vieillissement, une fatigue des matériaux et abrasion des soudures qui peut conduire à une panne. Les pertes de commutation et les températures résultantes peuvent être considérés comme constantes pour des fréquences de 50 Hz et au-delà. Pour des fréquences plus faibles, la commutation ON/OFF est tellement lente que les températures des transistors changent avec le temps. La durée de vie d'un modèle d'IGBT est définie par les cycles de température, elle diminue lorsque les variations de température du transistor augmentent.
Pour la commande de moteurs traction pour métros, il peut intervenir jusqu'à un million de variations de charge entrainant une variation de température entre 15K et 40K. Lorsque les transistors et les connections sont déjà définis, le domaine de température doit être réduit en utilisant un refroidissement plus efficace.

 
Températures de surface d'IGBT et diodes pour une fréquence de 0,1 Hz (Fréquence de la vidéo est la fréquence réelle)


Températures de surface d'IGBT et diodes pour une fréquence de 1 Hz (Fréquence de la vidéo est la fréquence réelle)

Calcul thermique instationnaire avec CFD

Dans ce chapitre les IGBT sont intégrés dans un module de puissance Semikron et montés sur un radiateur. Les pertes sont évacuées grâce à la convection forcée sur les surfaces du radiateur.

Ces calculs ont été faits avec le logiciel FloEFD en utilisant l'option „transient“. Le pas de temps est un centième de la période. Les pertes de commutation sont données en fonction du temps. Comme nous savions dès le départ que le rayonnement thermique exercerait une influence négligeable étant donné les faibles températures, il n'a pas été simulé. La convection naturelle dans le boitier a été calculée. Grâce à l'interface conviviale de FloEFD et à des processeurs puissants, les résultats ont été obtenus rapidement.

Le domaine de calcul a été limité à un demi-million de cellules pour un demi-boitier. Pour le cas extrême d'une fréquence de 0,1 Hz, la température de l'IGBT varie entre 45 et 60°C ; cela correspond à un million de cycles et à une année d'opération de certaines éoliennes onshore.

 
Températures de l'air dans un boîtier IGBT pour une fréquence de 0,1 Hz (Fréquence de la vidéo est la fréquence réelle)

Températures de l'air dans un boîtier IGBT pour une fréquence de 1 Hz (Fréquence de la vidéo est la fréquence réelle)