Prolonger la durée de vie : L'importance d'un bon refroidissement des MOSFET

Introduction

Les transistors à effet de champ à métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET) comptent parmi les composants les plus fondamentaux de l'électronique moderne. Les MOSFET ont des fonctions essentielles dans l'industrie, car ils sont utilisés dans les alimentations à commutation à grande vitesse pour les ordinateurs ou les moteurs pour les véhicules électriques (VE), ainsi que dans les systèmes de contrôle complexes pour les machines industrielles. L'efficacité et les performances des MOSFET ont un effet direct sur la fiabilité et la fonctionnalité des circuits dans lesquels ils sont intégrés.

Comme d'autres composants électroniques, les MOSFET génèrent de la chaleur lorsqu'ils gèrent une puissance importante. Par conséquent, le contrôle de la surchauffe n'est pas simplement un aspect de la conception, il tend à être la limite maximale de performance du dispositif en ce qui concerne la stabilité des opérations et la longévité. Ne pas appliquer de bonnes solutions de refroidissement à un MOSFET est aussi grave que de construire une structure et d'ignorer les fondations, ce qui entraînera finalement une instabilité intense et une diminution des performances.

L'objectif de cet article est d'analyser les principales causes de l'échauffement d'un MOSFET, les conséquences néfastes d'un refroidissement insuffisant, les méthodes de refroidissement qui peuvent être employées et la manière dont une régulation thermique optimale améliore la fiabilité et la longévité.

Pourquoi les MOSFETs chauffent-ils ? Les origines de la production de chaleur

Pour comprendre la production de chaleur dans un MOSFET, nous devons explorer son fonctionnement dans un circuit tel que les applications de commutation, où il bascule entre des états conducteurs (marche) et non conducteurs (arrêt) à un rythme rapide. Dans l'idéal, un commutateur ne devrait pas dissiper d'énergie ; cependant, dans la pratique, tous les MOSFET du monde réel ont tendance à avoir des caractéristiques qui entraînent une certaine perte d'énergie, qui se traduit par une perte de puissance sous forme de chaleur.

Deux facteurs principaux sont responsables des pertes de puissance dans un MOSFET : les pertes de conduction et les pertes de commutation.

Les pertes par conduction se produisent lorsque le MOSFET est alimenté et permet au courant de passer du drain à la source. Le MOSFET comporte une résistance entre le drain et la source, appelée R{DS(on)}, dont la valeur augmente également avec le courant. Bien qu'à l'état amélioré, les MOSFET ne sont pas dépourvus de pertes résistives. La perte de puissance due à la conduction est estimée à l'aide de la relation suivante : Pconduction=ID(RMS)2×RDS(on), où ID(RMS) est le courant de drain efficace. Cette perte est présente tant que le dispositif est à l'état passant. Comme dans le cas de R{DS(on)}, la valeur de R{DS(on)} a tendance à augmenter avec la température, ce qui crée une boucle de rétroaction difficile où l'augmentation de la température se traduit par une augmentation de la résistance, ce qui entraîne une nouvelle production de chaleur.

Les pertes lors de la commutation ont lieu dans les courts intervalles où le MOSFET est en train de s'allumer et de s'éteindre. Pendant ces transitions, la tension aux bornes du MOSFET, VDS, et le courant qui le traverse, I(D), ne sont pas nuls simultanément. La perte de commutation est proportionnelle à la fréquence de commutation, aux temps de montée et de descente de la tension et du courant, et à l'énergie consommée pendant la commutation par cycle. Dans l'électronique de puissance moderne, la nécessité de concevoir des circuits plus petits et plus efficaces conduit à une augmentation de la fréquence de commutation. Ce faisant, d'autres fonctions critiques d'un système sont compromises. Les pertes liées à l'entraînement de la grille sont les pertes associées à la charge et à la décharge de la capacité de la grille du MOSFET. Bien que ces pertes soient inférieures aux pertes de conduction et de commutation dans la plupart des applications, elles contribuent néanmoins à la chaleur globale générée.

Les applications qui commutent des courants importants à des fréquences élevées sont considérées comme des applications à haute puissance. Elles déplacent la barrière thermique vers le bas sur le MOSFET. La chaleur associée aux paramètres opérationnels d'un système électrique dépend de l'énergie électrique consommée. Il convient de noter qu'à mesure que la taille de la matrice de silicium du MOSFET augmente, les besoins en dissipation thermique augmentent proportionnellement.

Le coût de la surchauffe : Dégradation des performances et risques potentiels

Le fonctionnement d'un MOSFET à une température non contrôlée, en raison d'un manque de refroidissement, présente quelques inconvénients, notamment en ce qui concerne ses performances, sa fiabilité et d'autres problèmes externes au système, tels que les pannes, l'augmentation des temps de rétablissement et les coûts de maintenance.

• Efficacité de conversion réduite : Efficacité de conversion réduite : Il est évident qu'une augmentation de la chaleur entraîne une escalade des valeurs R{DS(on)} du MOSFET. En termes plus simples, les pertes par conduction s'aggravent car la quantité d'énergie dissipée sous forme de chaleur est supérieure à la quantité d'énergie fournie à la charge. Il en résulte une diminution de l'efficacité des circuits de conversion de puissance. Dans les étages de puissance qui ne sont pas aussi efficaces, la puissance fournie est proportionnellement supérieure à l'énergie générée, ce qui contribue à la surchauffe du système et à l'augmentation des coûts d'exploitation.
• Impact sur la stabilité du système : Les températures de fonctionnement élevées peuvent entraîner une dérive des caractéristiques électriques d'un MOSFET, telles que la tension de seuil et la transconductance. Dans les circuits de commande sensibles ou les étages de puissance, cette dérive peut entraîner un comportement imprévisible, des problèmes de synchronisation, une augmentation du bruit du signal et, en fin de compte, une instabilité du système ou une panne complète. La surchauffe est une cause fréquente de pannes ou d'arrêts inattendus dans les appareils électroniques.
• Durée de vie réduite des composants : La température a un impact très important sur la dégradation des semi-conducteurs. L'augmentation de la température des jonctions diminue également la durée de vie d'un MOSFET. Différents mécanismes de défaillance, notamment l'électromigration, la détérioration du réseau cristallin du silicium et la dégradation des matériaux d'emballage, peuvent tous se produire beaucoup plus rapidement en raison de l'augmentation de la chaleur. Maintenir un MOSFET à sa température de jonction nominale maximale peut réduire considérablement sa durée de vie par rapport à un fonctionnement à une température beaucoup plus basse.
• Dommages matériels potentiels : Dans les scénarios extrêmes où l'emballement thermique se produit ou les limites fixées pour les températures sont largement dépassées, le MOSFET risque de subir des dommages irréversibles. Des composants tels que les fils de connexion peuvent fondre, la matrice de silicium peut se fissurer ou l'emballage peut être endommagé, ce qui entraîne une perte de fonctionnalité du composant et peut également endommager d'autres parties du circuit.

  Dépasser la température de jonction nominale pendant de longues périodes n'est pas envisageable pour la fiabilité à long terme des systèmes basés sur des dispositifs à semi-conducteurs. Une stratégie bien définie de gestion de la chaleur est essentielle pour obtenir les résultats souhaités et garantir la durabilité.

Aperçu des solutions de refroidissement des MOSFET

Pour minimiser les effets néfastes de la chaleur sur la jonction sensible d'un MOSFET, la chaleur doit être évacuée du composant. Cet objectif peut être atteint de différentes manières, dont la plupart sont mises en œuvre en combinaison avec d'autres, et chacune a ses avantages et ses inconvénients.

Refroidissement passif : Dissipateurs de chaleur

Les MOSFET sont le plus souvent refroidis passivement à l'aide d'un dissipateur thermique. Un dissipateur est un conducteur thermique, souvent en aluminium ou en cuivre, qui présente une grande surface par rapport à son volume. L'objectif principal d'un dissipateur est d'absorber l'énergie thermique du MOSFET et de la libérer dans un milieu mal aligné (l'air en général).

L'efficacité d'un dissipateur est une fonction composée de plusieurs attributs : le matériau dont il est fait (le cuivre est meilleur que l'aluminium, mais il est plus lourd et plus cher), les dimensions du dissipateur - en particulier sa forme et son rapport hauteur/largeur (plus de surface et d'ailettes améliorent la dissipation), la résistivité thermique entre le boîtier du MOSFSET et le dissipateur, la circulation de l'air autour du dissipateur et, enfin, la température de l'environnement.

En fonction de sa construction, un dissipateur passif peut dépendre de la convection naturelle et du rayonnement pour le refroidissement. Néanmoins, cela fonctionne pour certaines applications de faible puissance ou pour des zones situées sous la barrière thermique et où l'air peut circuler. Toutefois, en cas de stagnation ou lorsque la dissipation de puissance devient imminente, la stagnation conduit à des rendements décroissants.

Refroidissement actif : Refroidissement assisté par ventilateur

Dans les cas où la convection naturelle ne fonctionne pas, des techniques de refroidissement actif par air forcé, les ventilateurs de refroidissement étant les plus courants, sont appliquées. L'ajout d'un ventilateur de refroidissement pour souffler de l'air sur un dissipateur thermique augmente le taux de transfert de chaleur par convection. L'augmentation du flux d'air amène de l'air plus froid en contact avec les ailettes du dissipateur et évacue l'air chaud. La résistance thermique entre le dissipateur et l'air ambiant est considérablement réduite, de sorte que le dissipateur, associé au MOSFET, peut fonctionner dans des limites de température acceptables.

L'efficacité du refroidissement assisté par ventilateur dépend de la puissance volumétrique et de la pression du ventilateur, de la conception des ailettes du dissipateur thermique pour maximiser le contact avec le flux d'air, et de la configuration générale du système pour assurer une entrée et une sortie d'air correctes. De nombreux blocs d'alimentation d'ordinateurs et contrôleurs électroniques industriels reposent sur cette technologie.

Parmi les autres méthodes de refroidissement, on peut citer le refroidissement par liquide, qui utilise un liquide de refroidissement pour circuler à travers une plaque froide fixée au MOSFET, déplaçant la chaleur vers un radiateur situé dans une autre partie du système. Ce type de refroidissement est typique des applications à très haute puissance ou de celles qui nécessitent un niveau de bruit minimal.

Le refroidissement en pratique : Considérations sur le refroidissement des MOSFET dans différents scénarios

Les restrictions de puissance, les facteurs environnementaux et les limites de conception d'un système ont un effet marqué sur son application, qui à son tour a un impact sur la stratégie de refroidissement des MOSFETs utilisés.

Matériel PC

La carte mère d'un PC contient plusieurs éléments clés, tels que le GPU, la RAM et le CPU, qui ont tous leur propre alimentation électrique. Les modules de régulation de tension (VRM) de la carte mère utilisent des MOSFET comme semi-conducteurs. Lors de tâches exigeantes telles que les jeux ou l'informatique lourde, ces MOSFET sont susceptibles d'être soumis à une charge de courant intense. Bien que les fabricants de cartes mères installent des dissipateurs passifs du côté du VRM, les versions bon marché des cartes mères n'offrent pas une efficacité impressionnante en raison de la mauvaise circulation de l'air dans le boîtier. La plupart des PC avancés ajouteront de petits ventilateurs au-dessus des dissipateurs de chaleur du VRM ou remplaceront le refroidissement liquide personnalisé par le système de refroidissement du VRM du PC. Comme les GPU de station de travail, les cartes graphiques avancées disposent de puissants systèmes de refroidissement qui, parfois, intègrent des dissipateurs et des plaques froides sur les MOSFET de puissance contrôlant la charge afin de fournir une horloge de pointe optimale sans atteindre les températures d'étranglement.

Électronique de puissance

Pour les applications à forte puissance telles que les alimentations industrielles, les entraînements de moteur et les onduleurs, la commutation de courants et de tensions importants par des MOSFET est effectuée, ce qui entraîne souvent un échauffement considérable. Dans ce cas, la gestion thermique est un gage d'efficacité et de fiabilité dans des environnements opérationnels difficiles et exigeants. Les ingénieurs procèdent à une analyse thermique approfondie en estimant la dissipation de puissance dans les pires scénarios et en choisissant les dimensions du dissipateur thermique, généralement avec un refroidissement par air forcé au moyen de puissants ventilateurs.

Les données de fiabilité de la norme Telcordia SR-332 (Reliability Predictions Procedure for Electronic Equipment) prétendent renforcer la croyance selon laquelle le taux de défaillance des composants semi-conducteurs tels que les MOSFET a une dépendance exponentielle par rapport à la température de jonction. La température de jonction d'un dispositif en silicium typique de 105°C prévoit un taux de défaillance de plusieurs ordres de grandeur supérieur à 55°C, tandis qu'une température plus modérée de 55°C fait passer la condition par défaut à 55°C. Cela met en évidence l'impact du refroidissement sur le maintien de la fiabilité du système sur des périodes prolongées dans l'électronique de puissance. Il comprend la conception du MOSFET, le dissipateur thermique et le circuit imprimé sur lequel le MOSFET est situé, qui s'interface avec l'enceinte de circulation d'air du système.

Autres applications

Outre les PC et les alimentations à grande échelle, les MOSFET trouvent des applications dans l'éclairage LED périphérique, l'électronique grand public, l'impression 3D, l'électronique automobile et de nombreux autres dispositifs. Dans ce cas, la contrainte de conception dominante est généralement l'espace, en plus du coût et de la durabilité dans des conditions environnementales difficiles telles que les vibrations, la poussière et les températures extrêmes. Pour les MOSFET à faible puissance avec une technologie d'interconnexion à haute densité, le transfert de chaleur peut d'abord dépendre de circuits imprimés recouverts de cuivre et de petits dissipateurs thermiques collés.

Toutefois, ces méthodes passives ne permettent souvent pas de faire face à des niveaux de puissance plus élevés ou à des restrictions de flux d'air dans des boîtiers compacts ou étanches. C'est là qu'un refroidissement actif supplémentaire, en particulier avec l'utilisation de ventilateurs de refroidissement dédiés, devient plus important. Dans certains cas, comme les pilotes de LED de forte puissance ou les boîtiers de commande fermés pour les imprimantes 3D, des ventilateurs CC compacts sont souvent incorporés pour contrôler les températures des MOSFET. Ceci est important pour éviter le scintillement ou les pannes d'impression dues à la surchauffe, afin d'améliorer la fiabilité et la longévité des dispositifs. La nécessité et l'utilisation récurrente de ventilateurs dans ces diverses applications illustrent la demande de performance et les attentes placées sur les limites thermiques de base définies par l'environnement qui doivent être franchies si l'on veut maintenir un fonctionnement fiable du MOSFET au fil du temps.

Choisir la bonne méthode de refroidissement du MOSFET

Les considérations relatives à la méthode de refroidissement choisie pour le MOSFET sont spécifiques à votre application, et il est donc essentiel de prendre en compte de nombreuses variables situationnelles. Il n'existe pas de méthode optimale universelle. Les considérations susmentionnées sont combinées de manière à obtenir un résultat favorable en termes de performances thermiques, d'efficacité, de coût, d'espace, de conditions environnementales, de fiabilité et de durabilité. N'oubliez pas ces facteurs au moment de prendre votre décision :

Évaluer la dissipation de puissance : La dissipation de puissance est l'aspect le plus important concernant la chaleur générée par le MOSFET. Dans le cas d'une très faible dissipation de puissance, généralement inférieure à 1 ou 2 watts par dispositif, en fonction de son boîtier, l'utilisation de la surface de cuivre du circuit imprimé est suffisante. Les puissances plus modérées, de l'ordre de quelques watts, nécessitent généralement des dissipateurs passifs. Les méthodes de refroidissement actives telles que les ventilateurs ou le refroidissement par liquide doivent être utilisées pour les niveaux de puissance plus élevés en raison de l'augmentation de la dissipation de puissance. Dans certains cas, des densités de puissance très élevées peuvent être nécessaires.

Tenir compte de l'espace et du facteur de forme : La forme, la taille et la conception limitent l'espace disponible, ce qui est l'une des principales considérations. Toute la gamme de dissipateurs thermiques a été conçue pour intégrer des ventilateurs de dissipation de la chaleur. Les ventilateurs nécessitent non seulement de l'espace supplémentaire, mais aussi des passages et des flux d'air qui doivent être conçus en conséquence. Les composants supplémentaires tels que les pompes, les radiateurs et les tuyaux pour le refroidissement liquide ont également besoin d'un espace de montage adéquat.

Évaluer les conditions environnementales : La région de l'environnement opérationnel qui se trouve à proximité du MOSFET (ipason) revêt ici une importance particulière. Tenez compte des aspects thermiques et mécaniques : poussière, humidité, vibrations ou composants corrosifs dans l'environnement, qui peuvent nécessiter des conceptions de refroidissement robustes comme des ventilateurs à indice de protection élevé ou des systèmes de refroidissement liquide scellés.

Déterminer les besoins en matière de performance et de fiabilité : L'obtention de niveaux de performance extrêmes (par exemple, l'overclocking) ou d'une fiabilité à long terme (pour certaines applications industrielles exigeantes) nécessiterait des solutions de refroidissement plus efficaces. Comparé au refroidissement par ventilateur activement contrôlé, le refroidissement passif n'est pas aussi compétent pour gérer les charges thermiques variables.

Analyser les coûts et la complexité : PLes dissipateurs de chaleur massifs, associés à un manque de refroidissement supplémentaire, tendent à être l'option la plus économique et la moins complexe. Par rapport aux ventilateurs, le refroidissement par liquide est souvent le plus cher et le plus complexe, mais il est généralement réservé aux applications haut de gamme spécialisées.

Facteur de sensibilité au bruit : Dans certaines applications (comme l'électronique grand public presque silencieuse), le bruit indésirable est généré par les ventilateurs. Outre les ventilateurs, toutes les autres méthodes de refroidissement mentionnées (passives et liquides) sont silencieuses, même si, dans certains cas, le refroidissement par liquide est plus silencieux que le refroidissement par ventilateur puissant. L'ajustement du bruit est également possible grâce à l'utilisation de ventilateurs à commande PWM sensibles à la température.

La solution d'ACDCFAN : L'utilisation de l'air pour résoudre les problèmes de refroidissement du MOSFET

Bien que les dissipateurs passifs puissent servir de point de départ au refroidissement d'un MOSFET, ils ne suffisent pas dans le cas d'applications à haute densité de puissance ou d'environnements thermiques difficiles. Dans ces cas, un flux d'air actif est nécessaire. C'est là que les ventilateurs de refroidissement puissants sont d'une grande utilité, transformant les avantages offerts par les dissipateurs passifs en solutions thermiques puissantes.

ACDCFAN - un fournisseur de ventilateurs de confiance - sait parfaitement que le flux d'air fiable des ventilateurs utilisés pour refroidir l'électronique joue un rôle crucial dans la gestion des opérations thermiques des composants électroniques. Cela est particulièrement vrai lorsqu'il s'agit de refroidir les MOSFET exigeants. Nos activités comprennent la fabrication et la production de différents types de ventilateurs conçus pour répondre aux exigences de ventilation industrielle standard, ainsi que des solutions de refroidissement industrielles spécialisées.

Nos offres de ventilateurs spécialisés pour un refroidissement efficace des MOSFET

ACDCFAN est également le principal fournisseur de ventilateurs axiaux entièrement métalliques. Contrairement aux ventilateurs dont les pièces en plastique sont sujettes à une détérioration des performances par la chaleur, nos ventilateurs entièrement métalliques utilisent des matériaux résistants aux hautes températures et sont donc fiables jusqu'à 150 degrés Celsius. Ces ventilateurs sont idéaux pour les alimentations critiques et les applications industrielles où les MOSFET sont soumis à des conditions de température croissante, en raison de leur durée de vie plus longue et de leur fiabilité par rapport à d'autres solutions.

Outre les ventilateurs PWM DC, dont nous sommes spécialistes, nous fabriquons également des ventilateurs EC. Ces ventilateurs offrent un contrôle précis de la vitesse, ce qui permet d'adapter le refroidissement à la charge thermique présentée, de minimiser le bruit et d'optimiser l'efficacité. Le bruit est encore réduit grâce à la conception de notre moteur sans balais et à la technologie avancée de ventilation sous vide qui permet à nos ventilateurs d'atteindre la protection IP68.

Ce niveau de protection contre les intrusions garantit un fonctionnement fiable dans des conditions difficiles dues à la poussière, à l'humidité, à l'eau ou à d'autres contaminants, comme c'est souvent le cas dans l'industrie électronique ou dans les systèmes extérieurs utilisant des MOSFET.

ACDCFAN n'a pas de solution universelle. Nous comprenons que le refroidissement d'un MOSFET est souvent adapté à une utilisation particulière. C'est pourquoi nous offrons un haut degré de personnalisation, y compris des changements de taille et de conception du ventilateur, des changements fonctionnels, et bien d'autres choses encore pour répondre aux demandes très variées de nos clients. Qu'il s'agisse d'un ventilateur à débit d'air particulier avec une conception d'élément de refroidissement spécifique ou d'un ventilateur sophistiqué pour des conditions d'environnement sévères, nos services OEM, ODM et OBM visent à surmonter les défis les plus déroutants concernant la gestion thermique non linéaire de vos MOSFET. Lorsque vous travaillez avec nous, ACDCFAN devient votre fournisseur de solutions de refroidissement, vous équipant de systèmes personnalisés et performants conçus pour une gestion thermique efficace, améliorant ainsi la durée de vie et la fiabilité de vos MOSFETs et autres systèmes électroniques.

Conclusion

Une modulation efficace de la température est essentielle au fonctionnement fiable et à la durée de vie des MOSFET. Une gestion thermique défaillante entraînera invariablement une surchauffe, qui se traduira à son tour par une réduction de l'efficacité, un vieillissement, une instabilité, une détérioration du matériel et une réduction de la durée de vie.

Les techniques de refroidissement robustes basées sur les principes de conception électronique, telles que les dissipateurs thermiques passifs, les systèmes actifs à base de ventilateurs et les méthodes plus avancées, doivent être des éléments inclusifs plutôt qu'optionnels dans une conception électronique fiable. Une installation précise, l'utilisation de matériaux d'interface thermique et l'attention portée aux détails permettent d'améliorer encore le refroidissement.

La compréhension des défis thermiques et l'utilisation de solutions de refroidissement actif de haute qualité, telles que celles fournies par ACDCFAN, permettent aux ingénieurs et aux concepteurs de gérer les risques, en garantissant une température sûre pour un fonctionnement efficace des MOSFET. Cette approche favorise l'amélioration de la durée de vie, les performances optimales du système et la résilience des appareils électroniques de la prochaine génération. Des systèmes de refroidissement optimisés et stratégiquement adaptés améliorent fondamentalement la valeur des produits, la fiabilité et les avantages globaux pour les clients. Ainsi, l'investissement dans les solutions de refroidissement est directement lié au succès et à la longévité des produits.