Comment choisir la bonne taille de dissipateur thermique pour les SSR haute puissance afin d'éviter les défaillances thermiques

Introduction : Pourquoi la chaleur est l’ennemie des relais statiques

Les relais statiques (SSR) à haute puissance sont largement privilégiés dans l’automatisation industrielle pour commander des éléments chauffants à fort courant, des moteurs et des charges d’éclairage industriel. Comme les SSR ne comportent aucun contact mécanique mobile, ils sont exempts d’usure mécanique. Toutefois, leur dépendance à l’égard de composants semi-conducteurs de puissance (tels que des thyristors, des triacs ou des MOSFET) introduit une contrainte physique majeure : la génération interne de chaleur.

Pendant le fonctionnement, une petite chute de tension interne en avant (généralement comprise entre 1,0 et 1,6 volt) se produit aux bornes de la jonction semi-conductrice du SSR. Cette chute de tension, multipliée par le courant de charge traversant l’appareil, génère de la chaleur. Par exemple, un SSR commutant une charge de 40 A peut produire une puissance thermique de 40 à 60 W à l’intérieur de son boîtier. En l’absence d’un dissipateur thermique adapté pour évacuer cette énergie thermique, la température de la jonction semi-conductrice interne dépassera rapidement sa limite maximale (généralement 125 degrés Celsius). Cela entraîne une instabilité thermique immédiate, rendant le SSR définitivement endommagé en état de court-circuit. Pour les ingénieurs B2B et les concepteurs de tableaux de commande, le choix de la taille adéquate du dissipateur thermique est essentiel afin d’assurer la longévité et la sécurité du système. Ce guide vous accompagne pas à pas dans le processus de calcul thermique.

La physique de la résistance thermique dans les ensembles SSR

Pour sélectionner le bon dissipateur thermique, nous devons comprendre le concept de résistance thermique, représentée par le symbole Rth et mesurée en degrés Celsius par watt (°C/W). La résistance thermique correspond à l’opposition d’une substance ou d’un ensemble au transfert de chaleur. Une valeur plus faible de Rth signifie que la chaleur peut circuler plus facilement, ce qui se traduit par un refroidissement plus efficace.
Dans un ensemble relais statique solide (SSR) et dissipateur thermique, la chaleur doit traverser trois barrières principales de résistance thermique avant de se dissiper dans l’air ambiant environnant :

1. Résistance thermique jonction-boîtier (Rth-jc) : il s’agit de la résistance entre la puce semi-conductrice interne et la plaque arrière métallique du SSR. Cette valeur est déterminée lors de la fabrication et figure sur la fiche technique du SSR. Pour les SSR haute puissance DAQCN, cette valeur est maintenue exceptionnellement basse grâce à l’utilisation de platines en cuivre à forte conductivité thermique.

2. Résistance thermique entre le boîtier et le dissipateur (Rth-cs) : Il s'agit de la résistance thermique entre la plaque arrière métallique du SSR et la surface de montage du dissipateur. L'air étant un mauvais conducteur thermique, même des micro-espaces d'air entre les deux surfaces peuvent entraver le transfert de chaleur. L'application d'une fine couche de pâte thermique de haute qualité ou l'utilisation d'une pastille thermique est nécessaire pour minimiser cette résistance.

3. Résistance thermique entre le dissipateur et l'ambiant (Rth-sa) : Il s'agit de la résistance thermique du dissipateur lui-même vis-à-vis de l'air ambiant. C'est cette valeur que nous devons calculer et sélectionner lors du choix d'un dissipateur.
Guide étape par étape pour calculer la résistance thermique d’un dissipateur
Pour déterminer la résistance thermique maximale admissible de votre dissipateur (Rth-sa), appliquez cette formule technique :
Rth-sa = ((Tj - Ta) / Pd) - Rth-jc - Rth-cs
Examinons chaque variable de cette formule et expliquons comment obtenir sa valeur :

Étape 1 : Identifier la température maximale de jonction du semi-conducteur (Tj)
Bien que la plupart des semi-conducteurs de puissance soient caractérisés pour une température maximale de jonction (Tj) de 125 degrés Celsius, faire fonctionner un dispositif à sa limite absolue réduit sa durée de vie. Pour des raisons de sécurité et de fiabilité à long terme, les ingénieurs appliquent généralement un facteur de déclassement de sécurité, limitant ainsi la température maximale de jonction en service (Tj) à 95 ou 100 degrés Celsius.

Étape 2 : Déterminer la température ambiante maximale (Ta)
Il s'agit de la température la plus élevée à l'intérieur de l'enceinte de commande électrique où le SSR sera monté. Notez que la température à l'intérieur d'un tableau industriel est souvent nettement supérieure à la température ambiante du sol d'usine. Si le tableau n'est pas ventilé ou s'il est situé à proximité d'autres équipements générant de la chaleur, adoptez une valeur conservatrice de Ta comprise entre 40 et 50 degrés Celsius.

Étape 3 : Calculer la dissipation de puissance (Pd)
La dissipation de puissance est la quantité totale de puissance thermique générée par le SSR, mesurée en watts. Une règle empirique fiable en ingénierie pour les SSR CA standard est qu’ils génèrent environ 1,2 watt de chaleur par ampère de courant de charge.
Pd = Courant de charge (I) × 1,2
Pour une charge de 40 A :
Pd = 40 × 1,2 = 48 watts de chaleur.

Étape 4 : Obtenir les constantes du document technique (Rth-jc et Rth-cs)

• Rth-jc : Reportez-vous à la fiche technique du produit DAQCN. Pour un SSR industriel typique de 40 A, cette valeur est généralement d’environ 0,3 °C/W.
  
• Rth-cs : Si une graisse thermique de haute qualité est correctement appliquée, la résistance entre le boîtier et le dissipateur thermique est extrêmement faible, généralement d’environ 0,1 °C/W.
  

Étape 5 : Effectuer le calcul
En utilisant notre exemple de charge de 40 A avec une température de jonction Tj dégradée pour des raisons de sécurité de 95 degrés Celsius et une température ambiante dans l’enceinte Ta de 45 degrés Celsius :
Tj = 95 °C
Ta = 45 °C
Pd = 48 W
Rth-jc = 0,3 °C/W
Rth-cs = 0,1 °C/W
Rth-sa = ((95 - 45) / 48) - 0,3 - 0,1
Rth-sa = (50 / 48) - 0,4
Rth-sa = 1,04 - 0,4 = 0,64 °C/W
Pour maintenir la température de jonction du SSR en dessous de 95 degrés Celsius, vous devez choisir un dissipateur thermique dont la résistance thermique est égale ou inférieure à 0,64 °C/W. Un dissipateur thermique de 0,5 °C/W ou 0,6 °C/W constituerait un excellent et sûr choix pour cette application.
Facteurs pratiques à prendre en compte lors de la sélection de dissipateurs thermiques
Bien que les formules mathématiques fournissent une base précise, plusieurs facteurs réels peuvent influencer les performances du dissipateur thermique et doivent être pris en compte au cours du processus de conception :

• Débit d'air et convection forcée : La résistance thermique d'un dissipateur est généralement spécifiée pour la convection naturelle (air immobile). L'introduction d'un ventilateur de refroidissement à l'intérieur de l'enceinte améliore considérablement la dissipation thermique, réduisant la résistance thermique effective du dissipateur jusqu'à 50 % environ. Si l'espace est limité, un dissipateur plus petit équipé d'un ventilateur à air forcé est souvent privilégié par rapport à un dissipateur passif massif.
  
• Orientation de montage : Les dissipateurs reposent sur les courants de convection naturelle pour faire remonter l'air chaud. Pour maximiser leur efficacité, montez toujours le dissipateur verticalement, de sorte que les ailettes de refroidissement soient orientées verticalement. Un montage horizontal peut réduire l'efficacité du dissipateur de 20 à 30 %.
  
• Ventilation de l'enceinte : Un dissipateur ne peut pas refroidir un SSR si l'air chaud reste piégé à l'intérieur d'une enceinte étanche. Assurez-vous que l'armoire de commande dispose de grilles d'aération, d'ouvertures de ventilation ou de ventilateurs d'extraction actifs suffisants afin d'assurer l'échange entre l'air chaud intérieur et l'air extérieur plus frais.
  
• Approvisionnement d'unités pré-assemblées : Pour éliminer les risques liés à la conception et réduire le temps d'assemblage sur le sol de l'usine, les grossistes B2B et les fabricants de tableaux électriques choisissent souvent des combinaisons SSR et dissipateurs thermiques pré-testées et certifiées comme une seule unité par le fabricant.
  

Pourquoi DAQCN est votre partenaire de confiance pour les solutions de gestion thermique

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Conclusion : Protéger votre investissement industriel

La défaillance thermique est la principale cause de dommages aux SSR, mais elle est entièrement évitable. En calculant avec précision la résistance thermique requise du dissipateur, en utilisant des matériaux d’interface thermique de haute qualité et en assurant un flux d’air adéquat, les ingénieurs B2B peuvent garantir la fiabilité à long terme de leurs systèmes. Collaborer avec un fournisseur spécialisé tel que DAQCN permet d’accéder aux composants haute performance et à l’expertise technique nécessaires pour éliminer totalement les défaillances thermiques.