Essais & Simulations n°140

MESURESRETOUR

MESURESRETOUR D’EXPÉRIENCEUne étude desimulationélectrothermiquemenée avec succès parZFWImplanté à Stuttgart, l’institut de rechercheen gestion thermique ZFW – Zentrum fürWärmemangement – propose des servicescomplets en matière de gestion thermique etde tests de durée de vie des composants et dessystèmes. Afin de mieux affiner la prédiction dela durée de vie des composants, l'entreprise aeu recours à des outils de simulation de MentorGraphics (groupe Siemens).Quel que soit leur secteur d’activité, nos clientsveulent globalement tous la même chose : unesolution simple et rapide à un problème thermiquespécifique. Nous utilisons un système deCFD (mécanique des fluides numérique) rapide, simple d’emploiet capable de s’adapter à différentes applications, car nosmissions de conseil couvrent la quasi-totalité des secteursd’activité, de l’automobile aux systèmes de production, et nosclients nous appellent généralement pour des projets critiquesen termes de temps. Notre logiciel de CFD nous permet doncde répondre de façon rapide et fiable à leurs questions. Outredes simulations, nous proposons à nos clients un grand choixde techniques de mesure et de bancs d’essai. Nous pensons eneffet que, dans un service d'ingénierie moderne, la simulationet la mesure doivent être liées pour fonctionner efficacement.En électronique de puissance, il est essentiel d’associer étroitementsimulation et mesure. En effet, les plus petits écartslors de la simulation peuvent faire une grande différence lorsqu’ils’agit de prédire la durée de vie d’un composant. Dans lecadre d’un projet industriel, ZFW a réalisé une étude détailléede simulation électrothermique pour un pont redresseur,pour illustrer l’utilisation de simulations couplées dans le butd’obtenir de meilleurs résultats lors des prédictions de fiabilitédans le domaine de l’électronique de puissance.Les prévisions de croissance du marché de l’électronique deChristian RommelfangerIngénieur de développement en gestionthermique au sein de la société allemandeZentrum für Wärmemangement (ZFW)Figure 1. Prévisions de croissance dpuissance montrent une augmentation de 200% au cours desdix prochaines années (figure 1). Cet accroissement de lademande est dû à plusieurs facteurs, tels que le développementrapide du marché de la mobilité électrique, la forte demandeen matière d’énergie renouvelable, et la croissance du marchédes appareils personnels, pour n’en citer que quelques-uns. Pourla plupart de ces applications, les clients ont des exigencesélevées en ce qui concerne la durabilité des appareils.Selon la règle empirique, une variation de température de 10K induit une différence de presque 50% en ce qui concernela durée de vie. Il devient donc évident que même les erreurscourantes résultant des simulations peuvent entraîner deserreurs encore plus grandes dans la prévision de la durée devie. Ainsi, une erreur de 5% dans le calcul des pertes de puissanceau sein d’un appareil peut avoir une forte incidence surla prévision de sa durée de vie. En général, la marge d’erreurde nos clients en matière de prédiction des pertes de puissanceest de +/-10%.36 IESSAIS & SIMULATIONS • N°140 • février - mars 2020

MESURESComme indiqué précédemment, une variationde 10 K de la température induit unevariation de presque 50% de la durée de vie.En raison de cette relation entre températureet durée de vie, il est indispensable de dispo-Voilà pourquoi il est très importantpour les ingénieurs d’utiliser desmodèles exacts pour effectuer leursprévisions de fiabilité lors des premiersstades du développement. En outre, ilest crucial de se baser sur des conditionslimites adéquates, précises et quicorrespondent à l’application.Pour résumer, le terme « électroniquede puissance » désigne l’utilisationde composants électroniquesà semi-conducteurs pour contrôlerle courant électrique. Dans l’industriemoderne, il existe de nombreusesapplications dans lesquelles l’électroniquede puissance contribue à contrôlerle courant électrique. Ainsi, lessance du marché de l’électronique de puissanceredresseurs permettent de transformerle courant alternatif distribué parle réseau électrique en courant continu direct, par exemple pour rechargerla batterie d’une voiture électrique. Dans les appareils personnels tels queles téléphones portables, des convertisseurs CC/CC sont utilisés pour maintenirla tension à une valeur fixe quel que soit le niveau de charge de la batterie.La plupart des entreprises utilisent le modèle empirique de base Coffin-Manson(voir Équation 1) et ajoutent à l’équation des influences spécifiques qu’ellesont observées lors de leurs expériences.Nf : cycles avant défaillancea et n : paramètres empiriquesT : températureAinsi, l’approche d’Arrhenius (Équation 2) est très souvent ajoutée à la loi deCoffin-Manson pour prendre en compte l’influence de la température de jonctionmoyenne sur la prévision de la durée de vie.Figure 2. Niveau de détail - Construction d'un modèle - Qualité des résultats« Grâce aux résultats denotre étude, réalisée à l’aidedu testeur MicReD PowerTester et de FloEFD, il estpossible de créer des modèlesde simulation fiables etréutilisables. »Christian Rommelfanger, ZFWEa : énergie d’activationK : paramètre empiriqueTm : température moyenneTj : température de jonctionNous avons utilisé le testeur MicReD PowerTester afin de déterminer les coefficientsempiriques de l’équation de Coffin-Manson,ainsi que de nombreux autres paramètresutilisés dans différents types de loisrégissant la durée de vie établies par nosclients. Il existe un grand nombre de stratégiespour déterminer les constantes des loisqui déterminent la durée de vie des composants,telles que la variation de la températureconstante ou le courant constant, etc. Lastratégie appropriée dépend toujours de l’applicationconsidérée. En nous basant sur lesconstantes ci-dessous pour une applicationdonnée, appropriées pour la loi Coffin-Mansonde base, nous arrivons au résultat qu’unevariation de la température de jonction d’environ10 K induit une variation d’environ44% de la durée de vie (Équation 3).a = 10000000000n = 2,7Nf (80°C) = 72720Nf (70°C) = 104288ESSAIS & SIMULATIONS • N°140 • février - mars 2020 I37