Brevet FR2353958A1 — publié le 19771230

L'invention concerne un dispositif à semi-conducteur comprenant un composant à semi-conducteur en forme les composants en forme de disques peuvent étre des thyristors ou des aiodes en forme de disque, par exemple en exécution "flat-pack" (comprimé plat) dans la technique anglosaxonne, ou à fond enfoncé. De tels dispositifs à semi-conducteur sont connus, par exemple, par la revue 11Siemens-Zeitschrift 48 (1974), Fascicule 10, pages 791 à 798n les cellules disques utilisées en tant que composants à semi-conducteur dans les dispositifs à semi-conducteur connus permettent une évacuation bilatérale de la chaleur par leurs deux surfaces de contact et donc un meilleur effet de refroidissement. Aux puissances élevées, on en tire parti en adoptant un système de refroidissement dit bilatéral. Dans le cas d'un faible coefficient d'exploitation du composant à semi-conducteur ou dans le cas d'une exploitation par impulsions, il suffit souvent d'un refroidissement unilatéral, plus économique. Toutefois, lorsqu'on applique le refroidissement unilatéral, le système de refroidissement doit toujours être conçu de telle manière qu'en cas d'une charge alternative, la totalité de la puissance dissipée puisse titre absorbée par le système de refroidissement et qu'en cas de charge permanente, des charges impulsionnelles accrues et des charges accrues de courte durée puissent Stre absorbées sans dommage pour le -composant à semi-conducteur. Ceci abou tit, dans le cas du refroidissement unilatéral, à des dimensions excessives du circuit du fluide de refroidissement. L'objectif à atteindre consiste à établir un dispositif à semi-conducteur du type précité, de telle manière qu'une évacuation suffisante de la chaleur soit assurée par des moyens simples en cas d'une charge alternative ou d'une charge impulsionnelle accrue du composant à semi-conduc tueur. Suivant l'invention, cet objectif est atteint par le fait que le second refroidisseur est un corps à haut coefficient de pénétration de chaleur.Le coefficient de pénetr*Uhn de chaleur est défini par ( #- coefficient de conductibilité thermique, c - capacité calorifique , S - densité) . Il constitue une mesure pour la capacité d'accumulation de chaleur d'un corps. Par "haut coefficient de pénétration de chaleur?1 , on entend ici une grandeur d'environ et plus. Un corps possédans un haut coefficient de pénétration de chaleur sera désigné dans la suite par le terme d'accumulateur de chaleur.Dans le dispositif à semi-conducteur suivant l'invention, le refroidisseur affecté à un côté du composant à semi-conducteur est un accumulateur de chaleur, lequel ne comporte pratiquement pas d'évacuation de chaleur propre, abstraction faite d'une très faible évacuation de chaleur par convection vers le refroidisseur à refroidissement séparé, situé sur l'autre côté du composant à semi-conducteur. On obtient ainsi les avantages économiques d'un refroidissement unilatéral.De plus, l'accumulateur de chaleur absorbe de la chaleur qui est évacuée vers le refroidisseur à refroidissement séparé, à travers le composant à semi-conducteur, à savoir dans les intervalles dans le cas d'une charge alternative ou pendant la durée d'une charge normale ou diminuée dans le cas de charges impulsionnelles. Par conséquent, le refroidisseur à refroidissement séparé peut être conçu en vue d'une moindre puissance frigorifique en service permanent, cela tant pour les charges alternatives que pour les charges impulsionnelles, ce qui rend encore plus simple et moins dispendieux le refroidissement unilatéral, déjà économique par lui-m#me. te refroidisseur peut être constitué en n'importe quelle matière à capacité thermique spécifique élevée et à haute conductibilité thermique.On utilisera de préférence le cuivre (b = 515) ou l'aluminium (b = 338) pour constituer l'accumulateur de chaleur. La masse de l'accumulateur de chaleur et donc ses dimensions doivent être choisies en fonction d'applications particulières, de telle manière que, dans le cas une charge alternative, 1' ac- cumulateur de chaleur absorbe une partie essentielle de la puissance dissipée à évacuer sous forme de chaleur, mais que, dans le cas de charges impulsionnelles, en service permanent, il absorbe la presque totalité de la chaleur due aux charges impulsionnelles. le dispositif à semi-conducteur suivant l'invention est décrit ci-après à titre d'exemple d'une manière plus détaillée, en se reportant au dessin annexé, Le dessin représente un composant à semi-conducteur 1 en forme de disque, qui peut être un thyristor ou une diode en forme de disque. Contre un c8té du composant à semi-conducteur 1 est appliqué un refroidisseur 2 à refroidissement séparé, calculé pour le refroidissement par air. le refroidisseur à refroidissement séparé peut aussi entre un refroidisseur à liquide, tel qu'il est décrit dans la publication mentionnée, plus haut, par exemple. Contre l'autre c8té lb du composant à semi-conducteur 1 est appliqué un fragment de matière 3 formant accumulateur de chaleur, qui peut présenter la forme d'un parallélépipède, par exemple.Le fragment 3 est constitué en une matière à capacité calorifique spécifique élevée et à haute conductibilité thermique ; il peut etre constitué en cuivre ou en aluminium, par exempie. Le composant à semi-conducteur 1, le refroidisseur 2 et l'accuxelateur de chaleur 3 sont serrés dans une monture constituée essentiellement par des boulons isolants 4 vissés dans le refroidisseur 2, une plaque de serrage 5 et des ressorts 6 .En ce qui concerne la construction de ce dispositif de serrage, qui engendre la pression de serrage requise entre le refroidisseur 2, l'accumulateur de chaleur 3 et le composant à semi-conducteur 1 on se reportera également à la publication nommée plus haut. le refroidisseur 2 et l'accumulateur de chaleur 3 peuvent d'autre part servir de points de connexion électriques, ce qui est indi que d'une manière schématique par les bornes 7 et 8 Le fonctionnement du dispositif à semi-conducteur est décrit ci-après en partant de l'hypothèse que le composant à semiconducteur 1 fonctionne dans un système à impulsions et est donc soumis à une charge alternative. Avant l'application de la première charge au composant à semi-conducteur c'est-à-dire lorsque la puissance dissipée est égale à zéro et que le circuit de refroidissement est établi, la couche d'arrêt de la plaque à semiconducteur, le refroidisseur 2 et l'accumulateur de chaleur 3 prennent la température du fluide de refroidissement. Lors de la charge du composant à semi-conducteur 1, le flux thermique se répartit sur les deux trajets thermiques désignés par les flèches a et b. le température de la couche d'arrêt du composant à semi conducteur 1 s'élève en fonction du gradient de température qui s1 établit, des résistances des deux trajets thermiques a et b et de la charge des capacités calorifiques.Etant donné que le trajet thermique b ne sert qu'à l'évacuation de la chaleur vers l'accumulateur de chaleur 3, un flux thermique n'existe que jusqu'à ce que l'accumulateur de chaleur 3 prenne la température de la couche d'arrêt Il s'ensuit qutà l'état stationnaire et avec une charge permanente, la chaleur s'écoule exclusivement par le trajet thermique a et le refroidisseur 2 vers le fluide de refroidissement. Lorsque la mise en charge du composant à semi-conducteur 1 est terminée et que, par conséquent, la formation de puissance dissipée est interrompue, l'accumulateur de chaleur 3 agit comme source de chaleur et sa chaleur s'écoule à travers le composant à semi-conducteur 1 vers le refroidisseur 2 et est cédée par celui-ci au fluide de refroidissement.Cette cession de chaleur se poursuit jusqu a ce que le composant à semi-conducteur 1 et l'accumulateur de chaleur 3 se retrouvent à nouveau à la température du fluide de refroidissement. Il s'ensuit que, dans le cas d'une charge alternative du composant à semi-conducteur 1, l'accumulateur de chaleur 3 doit entre calculé de façon qu'il puisse absorber pendant la durée de chaque impulsion, une partie de la puissance dissipée présente sous forme de chaleur, afin d'évacuer ensuite cette chaleur vers le refroidisseur 2 pendant la durée du créneau dtim- pulsions qui suit, pendant lequel le composant à semi-conducteur 1 n'est pas sous courant. Dans ce cas, le refroidisseur 2 peut être calculé en vue d'une puissance frigorifique notablement moindre, ce qui a pour effet, ainsi qu'il a été dit plus haut, d'améliorer dans une grande mesure le bilan économique du refroidissement unilatéral. Il a été indiqué plus haut qu'en service stationnaires c'est-à-dire en service permanent, 1'adoumulateur de chaleur 3 est à la température de la couche d'arrêt. Il s'ensuit que lorsqu'une charge impulsionnelle apparat brusquement, l'accu mulateur de chaleur 3 absorbe, en régime permanent également, une partie de la chaleur et, à la fin de la charge impulsionnelle, cède cette chaleur au refroidîsseur à travers le composant à semi-conducteur.Il s'ensuit que, dans ce cas également, il suffit de calculer la puissance frigorifique du refroidisseur 2 uniquement en vue de la charge permanente ; la puissance dissipée accrue pendant la charge impulsionnelle est au moins en partie absorbée par l'accumulateur de chaleur 3, ce qui permet d'éviter une détérioration du composant à semi-conducteur 1. En résumés on peut donc constater que, dans le dispositif à semi-conducteur suivant l'invention , une partie de la puissance dissipée présente sous forme de chaleur s'écoule à travers le refroidisseur à refroidissement séparé, tandis qu'une seconde partie de la chaleur est stockée exclusivement dans l'accumulateur de chaleur. On peut aussi faire en sorte qu'au début la plus grande partie de la chaleur s'écoule par le trajet thermique b compte tenu de la grandeur des trajets thermiques a et b de leurs rapports mutuels.Le flux thermique vers l'accumulateur de chaleur 3 va en diminuant avec le temps jusqu a ce que l'accumulateur de chaleur ait acquis la température de la source de chaleur, c' est-à-dire la température de la couche d'arrêt, La résistance thermique transitoire globale correspond alors pendant un court laps de temps à celle qui peut être obtenue avec un refroidissement bilatéral et devient ensuite celle du refroidissement unilatéral.Etant donné que les différentes couches à absorption de chaleur de l'accumulateur de chaleur peuvent etre à une moindre distance par rapport à la source de chaleur, ctest-à-dire au composant à semi-conducteur que cela n'est possible dans le cas d'un refroidisseur, on peut obtenir pendant un bref laps de temps , et en dépit d'un poids moindre, des résistances thermiques moins élevées qu'avec un refroidissement bilatéral. On peut tirer parti de ce comportement aussi bien dans le cas d'une charge alternative que dans celui d'une charge impulsionnelle ou de courte durée.Ainsi qu'il a été dit plus haut, la résistance thermique transitoire pouvant être obtenue dépend de la matière constitutive, des#dimensions et de la forme dé l'ac cumulateur de chaleur, ainsi que de la longueur des trajets thermiques dans celui-ci, Ces grandeurs doivent être adaptées à chaque cas d'application particulier afin d'assurer une ultime optimisation.Cependant dans tous les cas, la construction de dispositif à semi-conducteur devient plus simple et moins disdieuse, étant donné que, lorsque le refroidisseur d'un cotés constitué en accumulateur de chaleur, est refroidi par air on peut omettre les ailettes de refroidissement, la canalisation du flux d'air et la répartition proportionnelle de la quantité d'air , tandis que, lorsque le refroidissement se fait par liquide, les composants à semi-conducteurs 1 peuvent Etre montés sur des barres de refroidissement qui servent simultanément au passage du courant, par exemple ; tandis que pour assurer le refroidissement de l'autre coté du composant à semi-conducteurs , les boites de refroidissement, relativement dispendieuses, et leurs canalisations peuvent être remplacées par de simples blocs de cuivre ou d'aluminium servant d'accumulateurs de chaleur. R E V E N D I C À T I O N Dispositif à semi-conducteur comprenant un composant à semi-conducteur en forme de disque maintenu élastiquement entre deux refroidisseurs, dont l'un est conçu en vue d'un refroidissement par liquide ou par gaz, caractérisé en ce que le second refroidisseur est un corps à haut coefficient de pénétration de chaleur0