Les erreurs de conception thermique les plus fréquentes avec les relais statiques

Les relais statiques sont aujourd’hui largement utilisés dans les machines industrielles pour leur fiabilité, leur rapidité de commutation et leur absence d’usure mécanique. Cette image de robustesse peut cependant être trompeuse. En pratique, une part importante des défaillances de SSR observées sur le terrain trouve son origine dans une conception thermique insuffisamment maîtrisée.

Contrairement aux relais électromécaniques, un SSR dissipe de la puissance en permanence dès qu’il conduit le courant. Cette dissipation, si elle n’est pas correctement évacuée, entraîne une élévation de la température de jonction des composants de puissance, avec des conséquences directes sur les performances, la fiabilité et la durée de vie du système. La conception thermique ne doit donc jamais être considérée comme un simple détail de validation, mais comme un choix d’architecture à part entière.

Ce mini-guide a pour objectif d’identifier les erreurs les plus courantes rencontrées lors de la conception thermique des SSR et de proposer des bonnes pratiques concrètes à destination des bureaux d’études.

1-Sous-estimer la dissipation thermique réelle

L’une des erreurs les plus fréquentes consiste à dimensionner un relais statique uniquement à partir du courant nominal de la charge, sans évaluer précisément la puissance dissipée par le composant. Or, la dissipation thermique d’un SSR est directement liée à la chute de tension interne lorsqu’il est passant. Même une valeur apparemment faible devient critique lorsque le courant est élevé et continu.

Un relais statique conduisant 40 A avec une chute de tension de l’ordre de 1,6 V dissipera ainsi plus de 60 W de chaleur en fonctionnement permanent. Cette puissance doit impérativement être évacuée vers l’extérieur. Négliger ce calcul conduit à des conceptions qui semblent correctes sur le papier mais qui se révèlent rapidement limitées en conditions réelles, notamment à température ambiante élevée ou en armoire fermée.

Une bonne pratique consiste à toujours calculer la dissipation maximale, en tenant compte des pires conditions de fonctionnement et en ajoutant une marge de sécurité pour les surcharges transitoires ou les dispersions de composants.

2-Raisonner uniquement sur le composant et non sur la chaîne thermique complète

Une autre erreur classique est de considérer la résistance thermique du SSR comme un paramètre isolé. En réalité, la température de jonction dépend de l’ensemble de la chaîne thermique, depuis la jonction interne du semi-conducteur jusqu’à l’air ambiant.

La chaleur doit successivement traverser le boîtier du relais, l’interface de montage, le dissipateur thermique, puis être évacuée vers l’air environnant. Chacune de ces étapes introduit une résistance thermique qui s’additionne aux autres. Se focaliser uniquement sur les caractéristiques du relais sans intégrer le dissipateur, l’interface thermique et l’environnement conduit à des estimations très optimistes de la température de fonctionnement.

Une approche rigoureuse consiste à calculer la température de jonction à partir de la température ambiante réelle dans l’armoire, en intégrant l’ensemble des résistances thermiques du système. Dans de nombreux cas, le dissipateur et son interaction avec l’air ambiant représentent la part prépondérante du problème.

3-Choisir un dissipateur uniquement sur des critères mécaniques

Le dissipateur thermique est souvent sélectionné tardivement dans le projet, parfois uniquement en fonction de contraintes d’encombrement ou de standardisation mécanique. Cette approche conduit fréquemment à des dissipateurs sous-dimensionnés, incapables d’évacuer la puissance dissipée par le relais statique dans des conditions réalistes.

Il est également courant de supposer une convection naturelle idéale, alors que le dissipateur est installé dans une armoire confinée, avec une circulation d’air limitée et perturbée par le câblage ou d’autres équipements dissipatifs. Lorsque plusieurs SSR partagent un même dissipateur, l’effet cumulatif est souvent mal évalué, ce qui accentue les points chauds.

Un dissipateur doit toujours être dimensionné pour la température maximale réellement atteinte à l’intérieur de l’armoire électrique, et non pour la température ambiante extérieure. Les courbes de performance thermique fournies par celduc® sur son site internet doivent être utilisées avec prudence, en intégrant des facteurs de dégradation liés à l’encrassement, au vieillissement et aux conditions d’installation.

4-Négliger l’interface thermique entre le SSR et le dissipateur

L’interface thermique est parfois perçue comme un détail de montage alors qu’elle joue un rôle clé dans l’évacuation de la chaleur. Un montage sans pâte thermique, l’utilisation inadaptée de pads isolants ou le non-respect du couple de serrage peuvent fortement dégrader le transfert thermique entre le relais et le dissipateur.

Une mauvaise interface peut à elle seule doubler la résistance thermique totale du système, annulant ainsi les bénéfices d’un dissipateur pourtant correctement dimensionné. La planéité des surfaces en contact et la qualité du matériau d’interface sont déterminantes pour garantir une conduction thermique efficace et reproductible.

5-Sous-estimer l’impact de l’armoire électrique

De nombreuses études thermiques sont réalisées en supposant une température ambiante constante et homogène, sans prendre en compte la réalité de l’armoire électrique. En pratique, l’intérieur d’une armoire peut atteindre des températures bien supérieures à l’ambiante extérieure, en particulier lorsque plusieurs équipements dissipatifs sont regroupés.

Variateurs de vitesse, alimentations, transformateurs et relais statiques contribuent tous à l’échauffement global. Sans ventilation adaptée ou sans gestion des flux d’air, la température interne peut rapidement devenir le facteur limitant du système. Une conception thermique fiable nécessite donc une vision globale de l’armoire, et non une analyse composant par composant.

6-Mauvaise répartition thermique des SSR

La mauvaise répartition thermique des SSR (Solid State Relays) constitue une erreur fréquente en conception d’armoires électriques. Elle survient notamment lorsque plusieurs relais statiques sont montés côte à côte sur un même dissipateur, ce qui crée des zones chaudes localisées et provoque un effet d’empilement thermique. Cette accumulation de chaleur peut entraîner une élévation excessive de la température, réduire la durée de vie des composants et augmenter le risque de défaillance. Pour éviter ces problèmes, il est recommandé d’espacer les SSR afin de limiter les interactions thermiques, d’utiliser des dissipateurs individuels lorsque la puissance dissipée est importante, et de privilégier une distribution thermique homogène permettant une meilleure évacuation de la chaleur et un fonctionnement plus fiable de l’installation.

7-Se fier au courant nominal sans tenir compte du derating thermique

Le courant nominal d’un relais statique est généralement spécifié pour des conditions idéales, souvent à 25 °C et avec un dissipateur optimisé. Utiliser cette valeur comme critère principal de sélection, sans analyser les courbes de déclassement thermique, conduit à des choix trop justes.

À mesure que la température augmente, la capacité de courant admissible du SSR diminue. Dans de nombreux cas industriels, il est nécessaire de surdimensionner le relais, parfois d’un facteur 1,5 voire 2, afin de garantir un fonctionnement fiable sur toute la plage de température prévue.

8- Ignorer les régimes transitoires et les cycles thermiques

La conception thermique ne doit pas se limiter au régime permanent. Les cycles de marche/arrêt, les courants d’appel, les charges fortement inductives ou les commandes en modulation rapide génèrent des sollicitations thermiques transitoires importantes.

Ces variations répétées de température provoquent des contraintes mécaniques internes dans les semi-conducteurs et les interfaces, accélérant les phénomènes de fatigue thermique. Une analyse réaliste doit intégrer le profil de charge réel de l’application et non un fonctionnement idéalisé en régime stable.

9- Valider uniquement par le calcul et non par la mesure

Enfin, une erreur fréquente consiste à considérer l’étude thermique comme validée une fois les calculs réalisés. En pratique, seule la mesure en conditions réelles permet de confirmer la pertinence d’une conception. Les dispersions de montage, les variations d’environnement et les hypothèses simplificatrices rendent indispensable une phase de validation terrain.

La mesure des températures boîtier, dissipateur et air ambiant, à l’aide de thermocouples ou de caméras thermiques, permet d’identifier les marges réelles et d’anticiper les problèmes avant la mise en service.

10-Ne pas anticiper la fiabilité long terme

Ne pas anticiper la fiabilité à long terme constitue une erreur classique en conception électronique. Concevoir un système pour fonctionner juste en dessous de la température maximale de jonction (Tj_max) peut sembler conforme aux spécifications, mais cela fragilise fortement la durée de vie des composants. Selon la loi d’Arrhenius, chaque augmentation de 10 °C peut diviser par deux la durée de vie d’un composant, ce qui rend une faible marge thermique particulièrement risquée. La bonne pratique consiste donc à viser une température de jonction inférieure de 20 à 30 °C à la valeur maximale admissible, afin d’adopter une conception dite « cool running ». Il est essentiel de considérer la gestion thermique non seulement comme une exigence de conformité technique, mais comme un levier majeur de fiabilité et de durabilité du système sur le long terme.

Conclusion – Concevoir “froid” pour concevoir fiable

La gestion thermique des relais statiques ne doit pas être abordée comme une contrainte secondaire, mais comme un levier majeur de fiabilité et de performance. Une conception qui maintient la température de jonction significativement en dessous de la limite maximale améliore considérablement la durée de vie du système et réduit les risques de défaillance prématurée.

En intégrant la thermique dès les premières phases de conception, en adoptant une approche globale et en validant par la mesure, les bureaux d’études peuvent transformer une contrainte souvent subie en un véritable avantage de conception.