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

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, radiateur bruit eau 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 ?

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.