EP3759737A1 - Module de commutation de puissance et dispositif électronique de puissance intégrant celui-ci - Google Patents

Module de commutation de puissance et dispositif électronique de puissance intégrant celui-ci

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EP3759737A1
EP3759737A1 EP19713830.8A EP19713830A EP3759737A1 EP 3759737 A1 EP3759737 A1 EP 3759737A1 EP 19713830 A EP19713830 A EP 19713830A EP 3759737 A1 EP3759737 A1 EP 3759737A1
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EP
European Patent Office
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power
capacitor
power module
module according
busbar
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19713830.8A
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German (de)
English (en)
Inventor
Friedbald KIEL
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Institut Vedecom
Original Assignee
Institut Vedecom
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01L25/16—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof the devices being of types provided for in two or more different main groups of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. forming hybrid circuits
    • H01L25/165—Containers
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L23/04—Containers; Seals characterised by the shape of the container or parts, e.g. caps, walls
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    • H01L23/051—Containers; Seals characterised by the shape of the container or parts, e.g. caps, walls the container being a hollow construction and having a conductive base as a mounting as well as a lead for the semiconductor body another lead being formed by a cover plate parallel to the base plate, e.g. sandwich type
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
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    • H01L23/40—Mountings or securing means for detachable cooling or heating arrangements ; fixed by friction, plugs or springs
    • H01L23/4006—Mountings or securing means for detachable cooling or heating arrangements ; fixed by friction, plugs or springs with bolts or screws
    • H01L2023/4018—Mountings or securing means for detachable cooling or heating arrangements ; fixed by friction, plugs or springs with bolts or screws characterised by the type of device to be heated or cooled
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    • H01L24/90—Methods for connecting semiconductor or solid state bodies using means for bonding not being attached to, or not being formed on, the body surface to be connected, e.g. pressure contacts using springs or clips
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2039—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating characterised by the heat transfer by conduction from the heat generating element to a dissipating body
    • H05K7/20436—Inner thermal coupling elements in heat dissipating housings, e.g. protrusions or depressions integrally formed in the housing
    • H05K7/2049—Pressing means used to urge contact, e.g. springs

Definitions

  • the invention generally relates to the field of power electronics. More particularly, the invention relates to power switching modules and power electronic devices incorporating such modules.
  • Power electronic devices such as inverters and power converters, but not exclusively, are very present in many fields of activity such as transport, industry, lighting, heating, etc. With the desired energy transition towards renewable and less carbon-intensive energy sources, power electronics will become more widespread and will have to respond to increasing economic and technological constraints. Current research and developments in the field of electronic power devices focus on reducing costs, increasing power density for more compactness, increasing reliability, reducing parasitic elements and radiation. electromagnetic and thermal transfer of dissipated energy. [004] The various constraints applying to electronic power devices have led to a modular architecture of switching bridges, with elementary power switching modules, called "power modules", each corresponding to a switching branch of the bridge. Thus, for example, a three-phase, hexaphase switching bridge, or comprising any number of phases or poles, can be obtained by assembling several power modules.
  • power modules elementary power switching modules
  • 3D architectures are proposed for power modules, with double-sided cooling power chips, and have a certain interest in increasing the compactness of electronic power devices.
  • the search for greater compactness requires being able to keep the temperatures of active and passive components below critical values, to achieve thermal equilibrium and to ensure reliability. Extraction of the dissipated energy closer to the components is desirable.
  • the thermal path between heat sources consisting of components and heat sinks consisting of heat dissipation means shall be optimized. Powerful cooling devices are therefore essential.
  • the reduction of resistive, inductive and capacitive parasitic elements is essential to achieve the best possible compromise between the search for compactness and the satisfaction of the various design constraints.
  • the parasitic inductances in the power bus buses oppose higher switching frequencies. Higher switching frequencies are favorable for compactness but increase switching losses and the power dissipated by the components.
  • the reduction of parasitic inductances is necessary to protect the circuits against potentially destructive overvoltages, to improve the control of the electromagnetic radiations, to reduce the heat generated and to increase the switching speed.
  • press-pack For the improvement of reliability, particularly in applications where thermal cycles are severe, so-called "press-pack” technology is used.
  • press-pack technology electrical contacts are provided by mechanical pressure or clamping means that hold the components in place and in contact.
  • the "press-pack” technology makes the power modules themselves modular and their submodules testable and replaceable. This results in more standardization and lower production costs.
  • the "press-pack” technology also has the advantage of facilitating the repair of devices because of the dismountability thereof.
  • the invention relates to a power module comprising an electronic card in which is integrated at least one power switching branch, a capacitor and at least three DC power supply buses, in which which the electronic card is mounted between a first busbar and a second busbar and the capacitor is mounted between the second busbar and a third bus bar and the electronic card, the capacitor and the busbar comprise electrical contact faces allowing a mounting of the type called "press pack" of the electronic card and the capacitor.
  • the power module has an outer shape which is contained in a cylindrical sector having a determined angle and the electrical contact faces are substantially perpendicular to a radial plane of symmetry of the cylindrical sector.
  • the capacitor is of the multilayer ceramic type.
  • the electronic card is of the so-called “SiP” type and comprises control means and at least one capacitive first level capacitive filtering capacitor.
  • the first-level capacitive filtering capacitor is a multilayer ceramic capacitor.
  • the first busbar comprises an outer arcuate surface comprising a plurality of cooling fins.
  • At least the first bus bar among the three bus bars comprises two junction faces inclined symmetrically with respect to the radial plane of symmetry.
  • At least one passage channel and / or filling for a liquid having a heat-transfer function and / or fireproofing and / or electrical insulation is included in at least one of the three buses. bars.
  • At least one power switching branch comprises at least one type of transistor GaN, SiC, MOSFET or IGBT.
  • the three bus DC power bus buses are copper and / or aluminum.
  • the invention also relates to an electronic power device comprising a plurality of power modules as briefly described above, the power modules being arranged in a circle and being in electrical contact by their first, second and third bus bars.
  • the electronic power device comprises a central volume occupied by a liquid and / or an electrical, mechanical and / or electronic element, the liquid having a heat-transfer function and / or fireproofing and / or electrical insulation.
  • FIGS. 1 is a block diagram of a particular embodiment of a power module according to the invention
  • Fig.2 is an external perspective view of a power module according to the invention
  • Fig.3 is a sectional view of a power module according to the invention
  • Fig.4 is an outer perspective view of a particular embodiment of an electronic power device according to the invention comprising a plurality of power modules.
  • Fig.1 it is shown the schematic electrical diagram of a particular embodiment 1 of a power module according to the invention.
  • the power module 1 is of the SiP type (for "System in Package” in English) and comprises a BM switching bridge branch to which are associated a pC controller and capacitive filtering means Ci and CE.
  • the BM switching bridge branch here comprises two THS and TLS transistors of Gallium Nitride type (GaN).
  • GaN Gallium Nitride type
  • MOSFET electronic power switch
  • IGBT transistors other types of electronic power switch may be used such as MOSFET or IGBT transistors.
  • the THS and TLS transistors form high and low parts, called “High Side” and “Low Side” in English, and are connected between DC power buses at + DC and negative -DC positive voltages, respectively.
  • drain electrodes D and source S of transistors T H s and T L s are connected to buses + DC and -DC, respectively.
  • Source S and drain D electrodes of transistors T H s and T L s, respectively, are connected together and form the switched power output OUT of power module 1.
  • the controller pC controls the switching of the THS and TLS transistors through their gate electrodes G and can perform other functions that will depend on applications, such as fault detection.
  • the capacitive filtering means comprise a first capacitor Ci and a second capacitor CE which are connected between the bus + DC and -DC.
  • the capacitors Ci and CE respectively form a first level capacitive filtering means and a second level capacitive filtering means.
  • the switching bridge branch BM, the controller pC and the capacitor Ci are included in the same electronic card EB of the SiP type.
  • the capacitor Ci is typically of the multilayer ceramic type and may be formed of a single capacitor or of several capacitors in parallel. By being implanted in the electronic card CE, the capacitor Ci, as capacitive filtering means of first level, is located closer to the chips of the transistors. [0030]
  • the electronic card CE may be formed with proven and economical techniques for manufacturing printed circuit boards and have a 3D architecture.
  • the capacitor CE as second level capacitive filtering means, has a capacity much greater than that of the capacitor Ci and thus provides a larger capacitive filtering.
  • the capacitor CE is a bulky component and is located outside the EB electronic card.
  • the capacitor CE is typically of the multilayer ceramic type.
  • the power module 1 is contained in a cylindrical sector SC.
  • the cylindrical sector SC is defined by a sector axis AA, a radius R, an angle of sector a and a height H.
  • the sector SC has an angle equal to 60 °.
  • This external configuration contained in a cylindrical sector allows for a cylindrical wafer power electronic device, by having several power modules adjacent. As shown in FIG. 4, a hexaphase power electronic device CONV can be obtained here by assembling six similar power modules 1 to 6.
  • the power module 1 essentially comprises the electronic card EB, the capacitor CE and three bus bars B1, B2 and B3.
  • the electronic card EB and the capacitor CE are contained in internal volumes E1 and E2 provided between the bus bars B1, B2 and B2, B3, respectively.
  • the bus bars B1 and B3 are intended to be brought to the negative DC voltage -DC which corresponds to the ground polarity.
  • the bus bar B2 is intended to be taken to positive DC voltage + DC.
  • the bus bars B1, B2 and B3 are formed in conductive metals such as aluminum or copper and may be manufactured by molding and / or machining and / or cutting a profiled bar.
  • the bus bar B1 comprises a plurality of cooling fins 10 which are formed on an outer lateral face F1 in an arc.
  • the cooling fins 10 extend radially outwardly from the external lateral face in a circular arc F1.
  • the bus bar B1 thus forms a heat sink.
  • the bus bar B1 comprises in particular two inclined junction faces F2, substantially planar, and an inner face F3 substantially flat.
  • the two junction faces F2 form longitudinally opposite ends of the bus bar B1 and are inclined at an angle a / 2 with respect to a radial plane of symmetry PS of the cylindrical sector SC.
  • junction faces F2 of the bus bar B1 are intended to come into contact with corresponding junction faces F2 of adjacent power modules.
  • the term "planes" used here to qualify the F2 junction faces should not be interpreted strictly. Indeed, as shown in Fig.3, these junction faces F2 may, for example, include grooves 11 for the housing of seals, for example of the type called "Viton” (trademark). Removable mechanical connection means (not shown) may also be arranged at these junction faces F2.
  • the inner face F3 substantially flat, is a clamping contact face with the electronic card EB.
  • the term "plane" used here to describe the internal face F3 should not be interpreted strictly, knowing that different arrangements may be provided depending on the applications.
  • the bus bar B2 includes two junction faces F4, forming longitudinally opposite ends of the bus bar B2, and first and second faces F5 and F6.
  • the two junction faces F4 are inclined to the angle a / 2 relative to the radial plane of symmetry PS of the cylindrical sector SC.
  • the junction faces F4 are intended to come into contact with corresponding junction faces F4 of adjacent power modules.
  • the first face F5 of the bus bar B2 is a clamping contact face with the electronic card EB.
  • channels 12 are arranged in this first face F5 and are intended typically for the circulation, or the filling, of a liquid having a function of heat transfer and / or fireproofing and / or electrical insulation.
  • liquid channels may also, or exclusively, be formed in the inner face F3 of the bus bar B1. It should be noted that the fireproofing and electrical insulation functions make it possible to avoid electrical breakdowns and fire starts, and any subsequent degradation of the power module.
  • the faces F3 and F5 are adapted for a type of "press-pack" of the electronic card EB between bus bars B1 and B2.
  • the internal volume E1 arranged between the faces F3 and F5 makes it possible to receive the electronic card EB.
  • the second face F6 of the bus bar B2 is a substantially flat face facing a first substantially planar face F7 of the bus bar B3.
  • the faces F6 and F7 are substantially parallel and define the second internal volume E2 in which the capacitor CE is contained.
  • the faces F6 and F7 are clamping contact faces with first and second substantially flat electrodes of the capacitor CE and are adapted for a "press-pack" type mounting of the capacitor CE between the busbars B2 and B3.
  • the bus bar B3 includes two junction faces F8, forming longitudinally opposite ends of the bus bar, and a second face F9.
  • the two junction faces F8 are inclined by the angle a / 2 with respect to the radial plane of symmetry PS of the cylindrical sector SC.
  • the junction faces F8 are intended to come into contact with corresponding junction faces F8 of adjacent power modules.
  • the set of faces F3, F5, F6 and F7 bus bars B1, B2 and B3 are electrical contact faces which are substantially perpendicular to the radial plane of symmetry SC of said cylindrical sector and allow the mounting type "press pack "of the electronic card EB and capacitor C between the bus bars.
  • the second face F9 of the bus bar B3 is substantially flat and parallel to the first face F7 and forms an end face of the perpendicular power module 1 in the radial plane of symmetry PS of the cylindrical sector SC.
  • a volume E3 is available in the cylindrical sector SC between the sector axis AA and the face F9.
  • channels 13 visible in Fig.2, which are provided on the upper and lower end faces of the bus bar B3.
  • the channels 13 are intended in particular for the passage, or filling, of the coolant and / or fireproof and / or electrical insulation.
  • the assembly "press-pack" of the power module 1 will use, for example, elastic fasteners ensuring the required clamping or screws mounted through insulated screw passages to avoid short circuits. These clamping mechanical assembly techniques are well known to those skilled in the art and are not detailed here.
  • a central volume VC remains available by adding the different volumes E3 left free.
  • the central volume VC may be dedicated to different functions.
  • the central volume VC may be dedicated, partially or completely, to the circulation or filling of a liquid having a function of heat transfer and / or fireproofing and / or electrical insulation.
  • the central volume VC may be dedicated, partially or entirely, to the housing of additional capacitive filtering means and / or energy storage means for example in the form of a lithium-ion battery type , a supercapacitor or any other mechanical, electrical and / or electronic element.
  • the high and low faces of the power electronic device CONV will be closed by plates carried at the voltage -DC bus bars B1 and B3.
  • a Faraday cage is thus obtained and provides an electromagnetic shielding favorable to electromagnetic compatibility (EMC).
  • EMC electromagnetic compatibility
  • the sealing at these high and low faces may be provided by seals, for example of the type called "Viton" (trademark).
  • the circular wafer shape of the CONV power electronic device makes it perfectly suitable for integration into a machine.
  • rotary electric motor for example a traction motor or a reversible machine associated with a regenerative braking system.

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Abstract

Le module de puissance comprend une carte électronique (EB) dans laquelle est intégrée au moins une branche de commutation de puissance, un condensateur (CE) et au moins trois bus barres d'alimentation de courant continu (B1, B2, B3), dans lequel la carte électronique est montée entre un premier bus barre (B1 ) et un deuxième bus barre (B2) et le condensateur est monté entre le deuxième bus barre (B2) et un troisième bus barre (B3) et la carte électronique, le condensateur et les bus barres comprennent des faces de contact électrique autorisant un montage du type dit « press pack » de la carte électronique et du condensateur.

Description

MODULE DE COMMUTATION DE PUISSANCE ET DISPOSITIF
ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE INTÉGRANT CELUI-CI
[001 ] La présente invention revendique la priorité de la demande française 1851690 déposée le 27 février 2018 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence.
[002] L’invention concerne de manière générale le domaine de l’électronique de puissance. Plus particulièrement, l’invention se rapporte à des modules de commutation de puissance et des dispositifs électroniques de puissance intégrant de tels modules.
[003] Les dispositifs électroniques de puissance, tels que les onduleurs et convertisseurs de puissance, mais pas exclusivement, sont très présents dans de nombreux domaines d’activité comme les transports, les industries, l’éclairage, le chauffage, etc. Avec la transition énergétique souhaitée vers des sources d'énergie renouvelables et moins productrices d’émissions de CO2, l’électronique de puissance est appelée à se généraliser encore davantage et devra répondre à des contraintes économiques et technologiques croissantes. Les recherches et développements actuels dans le domaine des dispositifs électroniques de puissance se concentrent notamment sur la réduction des coûts, l'augmentation de la densité de puissance pour plus de compacité, l'augmentation de la fiabilité, la réduction des éléments parasites et des rayonnements électromagnétiques et le transfert thermique de l’énergie dissipée. [004] Les différentes contraintes s’appliquant aux dispositifs électroniques de puissance ont conduit vers une architecture modulaire des ponts de commutation, avec des modules élémentaires de commutation de puissance, dits « modules de puissance », qui correspondent chacun à une branche de commutation du pont. Ainsi, par exemple, un pont de commutation hexaphasé, triphasé, ou comprenant un nombre quelconque de phases ou pôles, peut être obtenu en assemblant plusieurs modules de puissance.
[005] Des architectures 3D sont proposées pour les modules de puissance, avec un refroidissement double face des puces de puissance, et présentent un intérêt certain pour accroître la compacité des dispositifs électroniques de puissance. La recherche d'une compacité accrue requiert d’être capable de maintenir les températures des composants actifs et passifs en dessous de valeurs critiques, pour atteindre un équilibre thermique et garantir la fiabilité. Une extraction de l’énergie dissipée au plus près des composants est souhaitable. Le chemin thermique entre les sources de chaleur constituées des composants et les puits de chaleur constitués des moyens de dissipation thermique doit être optimisé. Des dispositifs de refroidissement performants sont donc indispensables.
[006] La disponibilité des nouveaux semi-conducteurs de puissance, comme aujourd’hui le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN) et, prochainement, le diamant, et une utilisation judicieuse de ceux-ci poussent vers une augmentation de la compacité des modules de puissance. Ces nouveaux semi-conducteurs de puissance autorisent des densités de courant supérieures, des fréquences de commutation plus élevées et des tensions plus hautes favorables à la réduction des pertes joules. Cependant, des solutions doivent être trouvées, car des tensions plus élevées augmentent les risques de claquage et s’opposent à une réduction des distances entre les composants à des potentiels électriques différents.
[007] La réduction des éléments parasites résistifs, inductifs et capacitifs est essentielle pour atteindre le meilleur compromis possible entre la recherche de compacité et la satisfaction des différentes contraintes de conception. Les inductances parasites dans les bus barres de puissance s’opposent à des fréquences de commutation plus élevées. Des fréquences de commutation plus élevées sont favorables à la compacité mais augmentent les pertes en commutation et la puissance dissipée par les composants. La réduction des inductances parasites est nécessaire pour protéger les circuits contre des surtensions potentiellement destructrices, améliorer la maîtrise des rayonnements électromagnétiques, réduire la chaleur générée et augmenter la vitesse de commutation.
[008] Pour l’amélioration de la fiabilité, notamment dans les applications où les cycles thermiques sont sévères, la technologie dite "press-pack" est utilisée. Dans la technologie « press-pack », les contacts électriques sont assurés à l’aide de moyens mécaniques de pression ou serrage qui maintiennent les composants en place et en contact. La technologie "press-pack" permet de rendre les modules de puissance eux-mêmes modulaires et leurs sous-modules testables et remplaçables. Il en découle davantage de standardisation et une réduction des coûts de production. De plus, la technologie « press- pack » présente aussi l’intérêt de faciliter la réparation des dispositifs du fait de la démontabilité de ceux-ci.
[009] Les dispositifs électroniques de puissance ayant une forme géométrique extérieure en palet ou galette cylindrique ont un grand intérêt. Cette forme géométrique extérieure en galette cylindrique facilite notamment l’intégration d’un convertisseur électronique de puissance à l'arrière d’une machine électrique tournante, en prolongement de son stator cylindrique. Les modules de puissance du convertisseur doivent alors être contenus géométriquement dans des secteurs cylindriques adjacents. L’implantation à l’arrière d’une machine électrique tournante du condensateur de filtrage des bus d’alimentation de courant continu du convertisseur pose habituellement des difficultés, du fait de l’encombrement d’un tel condensateur. Dans l’état de la technique, il est connu de réaliser ce condensateur de filtrage avec plusieurs condensateurs cylindriques montés en parallèle, de manière à faciliter l’intégration à l’arrière de la machine électrique tournante.
[0010] Il apparaît aujourd’hui souhaitable de proposer un module de puissance ayant une architecture nouvelle qui facilite la fabrication d’un dispositif électronique de puissance de compacité accrue avec une forme extérieure en galette cylindrique, autorisant de meilleurs compromis dans la satisfaction des contraintes de conception susmentionnées et qui soit adapté pour les nouveaux semi-conducteurs de puissance SiC et GaN, ainsi que les technologies 3D et « press-pack ».
[001 1 ] Selon un premier aspect, l’invention concerne un module de puissance comprenant une carte électronique dans laquelle est intégrée au moins une branche de commutation de puissance, un condensateur et au moins trois bus barres d'alimentation de courant continu, dans lequel la carte électronique est montée entre un premier bus barre et un deuxième bus barre et le condensateur est monté entre le deuxième bus barre et un troisième bus barre et la carte électronique, le condensateur et les bus barres comprennent des faces de contact électrique autorisant un montage du type dit « press pack » de la carte électronique et du condensateur.
[0012] Selon une caractéristique particulière, le module de puissance a une forme extérieure qui est contenue dans un secteur cylindrique ayant un angle déterminé et les faces de contact électrique sont sensiblement perpendiculaires à un plan radial de symétrie du secteur cylindrique.
[0013] Selon une autre caractéristique particulière, le condensateur est de type céramique multicouche.
[0014] Selon encore une autre caractéristique particulière, la carte électronique est de type dit « SiP » et comprend des moyens de commande et au moins un condensateur de filtrage capacitif de premier niveau.
[0015] Selon encore une autre caractéristique particulière, le condensateur de filtrage capacitif de premier niveau est un condensateur de type céramique multicouche. [0016] Selon encore une autre caractéristique particulière, le premier bus barre comprend une face extérieure en arc de cercle comprenant une pluralité d'ailettes de refroidissement.
[0017] Selon encore une autre caractéristique particulière, au moins le premier bus barre parmi les trois bus barres comprend deux faces de jonction inclinées symétriquement par rapport au plan radial de symétrie.
[0018] Selon encore une autre caractéristique particulière, au moins un canal de passage et/ou remplissage pour un liquide ayant une fonction de caloportage et/ou d’ignifugation et/ou d’isolation électrique est compris dans au moins un des trois bus barres.
[0019] Selon encore une autre caractéristique particulière, au moins une branche de commutation de puissance comprend au moins un transistor de type GaN, SiC, MOSFET ou IGBT.
[0020] Selon encore une autre caractéristique particulière, les trois bus barres d'alimentation de courant continu sont en cuivre et/ou aluminium.
[0021 ] Selon un autre aspect, l’invention concerne aussi un dispositif électronique de puissance comprenant une pluralité de modules de puissance tels que décrits brièvement ci-dessus, les modules de puissance étant disposés en cercle et étant en contact électrique par leurs premier, deuxième et troisième bus barres.
[0022] Selon une caractéristique particulière, le dispositif électronique de puissance comprend un volume central occupé par un liquide et/ou un élément électrique, mécanique et/ou électronique, le liquide ayant une fonction de caloportage et/ou d’ignifugation et/ou d’isolation électrique.
[0023] D’autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-dessous d’une forme de réalisation particulière de l’invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : la Figs.1 est un schéma électrique de principe d’une forme de réalisation particulière d’un module de puissance selon l'invention ; la Fig.2 est une vue extérieure en perspective d’un module de puissance selon l’invention ; la Fig.3 est une vue en coupe d’un module de puissance selon l’invention ; et la Fig.4 est une vue extérieure en perspective d’une forme de réalisation particulière d’un dispositif électronique de puissance selon l’invention comprenant une pluralité de modules de puissance.
[0024] A la Fig.1 , il est montré le schéma électrique de principe d’une forme de réalisation particulière 1 d’un module de puissance selon l’invention. Le module de puissance 1 est du type SiP (pour « System in Package » en anglais) et comprend une branche de pont de commutation BM à laquelle sont associés un contrôleur pC et des moyens capacitifs de filtrage Ci et CE.
[0025] La branche de pont de commutation BM comprend ici deux transistors THS et TLS de type Nitrure de Gallium (GaN). Bien entendu, d’autres types d’interrupteur électronique de puissance pourront être utilisés tels que des transistors MOSFET ou IGBT. Les transistors THS et TLS forment des parties haute et basse, dites « High Side » et « Low Side » en anglais, et sont connectés entre des bus d’alimentation de courant continu à des tensions positive +DC et négative -DC, respectivement. Comme visible à la Fig.1 , des électrodes de drain D et de source S des transistors THs et TLs sont reliées aux bus +DC et -DC, respectivement. Des électrodes de source S et de drain D des transistors THs et TLs, respectivement, sont reliées ensemble et forment la sortie de puissance commutée OUT du module de puissance 1 .
[0026] Le contrôleur pC commande les commutations des transistors THS et TLS à travers leurs électrodes de grille G et pourra remplir d’autres fonctions qui dépendront des applications, comme par exemple la détection de panne.
[0027] Les moyens capacitifs de filtrage comprennent un premier condensateur Ci et un deuxième condensateur CE qui sont connectés entre les bus +DC et -DC. Les condensateurs Ci et CE forment respectivement un moyen de filtrage capacitif de premier niveau et un moyen de filtrage capacitif de second niveau.
[0028] La branche de pont de commutation BM, le contrôleur pC et le condensateur Ci sont compris dans une même carte électronique EB du type SiP.
[0029] Le condensateur Ci est typiquement du type céramique multicouche et pourra être formé d’un seul condensateur ou de plusieurs condensateurs en parallèle. En étant implanté dans la carte électronique CE, le condensateur Ci, en tant que moyen de filtrage capacitif de premier niveau, est localisé au plus près des puces des transistors. [0030] Avantageusement, la carte électronique CE pourra être formée avec des techniques éprouvées et économiques de fabrication de carte électronique à circuit imprimé et avoir une architecture 3D.
[0031 ] Le condensateur CE, en tant que moyen de filtrage capacitif de second niveau, a une capacité bien supérieure à celle du condensateur Ci et assure ainsi un filtrage capacitif plus important. Le condensateur CE est un composant volumineux et est implanté à l’extérieur de la carte électronique EB. Le condensateur CE est typiquement du type céramique multicouche.
[0032] L’architecture matérielle du module de puissance 1 , avec l’agencement de la carte électronique EB et du condensateur CE entre des bus barres, est maintenant décrite en détail ci-dessous en référence aux Figs.2 à 4.
[0033] Comme visible à la Fig.2, montrant une vue extérieure en perspective, le module de puissance 1 est contenu dans un secteur cylindrique SC. Le secteur cylindrique SC est défini par un axe de secteur AA, un rayon R, un angle de secteur a et une hauteur H. Dans cette forme de réalisation particulière, le secteur SC a un angle a égal à 60°.
[0034] Cette configuration extérieure contenue dans un secteur cylindrique permet de réaliser un dispositif électronique de puissance en forme de galette cylindrique, en disposant de manière adjacente plusieurs modules de puissance. Comme montré à la Fig.4, un dispositif électronique de puissance hexaphasé CONV peut ici être obtenu en assemblant six modules de puissance analogues 1 à 6.
[0035] En référence plus particulièrement aux Figs.2 et 3, le module de puissance 1 comprend essentiellement la carte électronique EB, le condensateur CE et trois bus barres B1 , B2 et B3. La carte électronique EB et le condensateur CE sont contenus dans des volumes internes E1 et E2 prévus entre les bus barres B1 , B2 et B2, B3, respectivement.
[0036] Dans le module de puissance 1 , les bus barres B1 et B3 sont destinés à être portés à la tension continue négative -DC qui correspond à la polarité de masse. Le bus barre B2 est destiné à être porté à la tension continue positive +DC.
[0037] Les bus barres B1 , B2 et B3 sont formés dans des métaux conducteurs tels que l’aluminium ou le cuivre et pourront être fabriqués par moulage et/ou usinage et/ou tronçonnage d’une barre de profilé. [0038] Le bus barre B1 comporte une pluralité d’ailettes de refroidissement 10 qui sont formées sur une face latérale externe F1 en arc de cercle. Les ailettes de refroidissement 10 se prolongent radialement vers l’extérieur à partir de la face latérale externe en arc de cercle F1 . Le bus barre B1 forme ainsi un dissipateur thermique. En outre, le bus barre B1 comprend notamment deux faces de jonction inclinées F2, sensiblement planes, et une face interne F3 sensiblement plane.
[0039] Les deux faces de jonction F2 forment des extrémités longitudinalement opposées du bus barre B1 et sont inclinées d’un angle a/2 par rapport à un plan radial de symétrie PS du secteur cylindrique SC. Dans cet exemple de réalisation, avec le module de puissance 1 contenu dans un secteur cylindrique d’angle a = 60°, les deux faces de jonction F2 sont inclinées d’un angle a/2 = 30°.
[0040] Les faces de jonction F2 du bus barre B1 sont destinées à venir en contact avec des faces de jonction F2 correspondantes de modules de puissance adjacents. On notera que le terme « planes » utilisés ici pour qualifier les faces de jonction F2 ne doit pas être interprété de manière stricte. En effet, comme montré à la Fig.3, ces faces de jonction F2 pourront, par exemple, comprendre des rainures 11 pour le logement de joints d’étanchéité, par exemple du type dit « Viton » (marque déposée). Des moyens de liaison mécanique démontable (non représentés) pourront aussi être agencés au niveau de ces faces de jonction F2.
[0041 ] La face interne F3, sensiblement plane, est une face de contact par serrage avec la carte électronique EB. De même qu’indiqué ci-dessus pour la face de jonction F2, le terme « plane » utilisé ici pour qualifier la face interne F3 ne doit pas être interprété de manière stricte, sachant que différents aménagements pourront être prévus en fonction des applications.
[0042] Le bus barre B2 comprend notamment deux faces de jonction F4, formant des extrémités longitudinalement opposées du bus barre B2, et des première et deuxième faces F5 et F6.
[0043] De manière analogue aux faces F2 du bus barre B1 , les deux faces de jonction F4 sont inclinées de l’angle a/2 par rapport au plan radial de symétrie PS du secteur cylindrique SC. Les faces de jonction F4 sont destinées à venir en contact avec des faces de jonction F4 correspondantes de modules de puissance adjacents. [0044] La première face F5 du bus barre B2 est une face de contact par serrage avec la carte électronique EB. Comme visible aux Figs.2 et 3, des canaux 12 sont aménagés dans cette première face F5 et sont destinés typiquement à la circulation, ou le remplissage, d’un liquide ayant une fonction de caloportage et/ou d’ignifugation et/ou d’isolation électrique. Bien entendu, dans d’autres formes de réalisation, des canaux de liquide pourront aussi, ou exclusivement, être formés dans la face interne F3 du bus barre B1. On notera que les fonctions d’ignifugation et d’isolation électrique permettent d’éviter des claquages électriques et des départs de feu, et une dégradation consécutive éventuelle du module de puissance.
[0045] Les faces F3 et F5 sont adaptées pour un montage de type « press-pack » de la carte électronique EB entre les bus barres B1 et B2. Le volume interne E1 aménagé entre les faces F3 et F5 permet de recevoir la carte électronique EB.
[0046] La deuxième face F6 du bus barre B2 est une face sensiblement plane orientée en regard d’une première face F7, sensiblement plane, du bus barre B3. La faces F6 et F7 sont sensiblement parallèles et définissent le deuxième volume interne E2 dans lequel est contenu le condensateur CE. Les faces F6 et F7 sont des faces de contact par serrage avec des première et deuxième électrodes sensiblement planes du condensateur CE et sont adaptées pour un montage de type « press-pack » du condensateur CE entre les bus barres B2 et B3.
[0047] Outre la première face F7, le bus barre B3 comprend notamment deux faces de jonction F8, formant des extrémités longitudinalement opposées du bus barre, et une deuxième face F9. De manière analogue aux faces F2 du bus barre B1 , les deux faces de jonction F8 sont inclinées de l’angle a/2 par rapport au plan radial de symétrie PS du secteur cylindrique SC. Les faces de jonction F8 sont destinées à venir en contact avec des faces de jonction F8 correspondantes de modules de puissance adjacents.
[0048] L'ensemble des faces F3, F5, F6 et F7 des bus barres B1 , B2 et B3 sont des faces de contact électrique qui sont sensiblement perpendiculaires au plan radial de symétrie SC dudit secteur cylindrique et autorisent le montage de type « press pack » de la carte électronique EB et du condensateur C entre les bus barres.
E
[0049] La deuxième face F9 du bus barre B3 est sensiblement plane et parallèle à la première face F7 et forme une face d’extrémité du module de puissance 1 perpendiculaire au plan radial de symétrie PS du secteur cylindrique SC. Un volume E3 est disponible dans le secteur cylindrique SC entre l’axe de secteur AA et la face F9.
[0050] On notera la présence de canaux 13, visibles à la Fig.2, qui sont prévus sur des faces d’extrémité haute et basse du bus barre B3. Les canaux 13 sont destinés notamment au passage, ou remplissage, du liquide caloporteur et/ou ignifuge et/ou isolant électrique.
[0051 ] L’assemblage « press-pack » du module de puissance 1 fera appel, par exemple, à des attaches élastiques assurant le serrage requis ou des vis montées à travers des passages de vis isolés pour éviter des courts-circuits. Ces techniques d’assemblage mécanique avec serrage sont bien connues de l’homme du métier et ne sont pas détaillées ici.
[0052] Comme cela apparaît à la Fig.4, lorsque plusieurs modules de puissance selon l’invention, 1 à 6 dans cet exemple, sont assemblés pour réaliser un dispositif électronique de puissance CONV en forme de galette cylindrique, un volume central VC reste disponible par l’addition des différents volumes E3 laissés libres.
[0053] Selon les dispositifs électroniques de puissance réalisés à l’aide de plusieurs modules de puissance selon l’invention, le volume central VC pourra être dédié à différentes fonctions. Ainsi, par exemple, le volume central VC pourra être dédié, partiellement ou en totalité, à la circulation ou au remplissage d’un liquide ayant une fonction de caloportage et/ou d’ignifugation et/ou d’isolation électrique. Dans une autre application, le volume central VC pourra être dédié, partiellement ou en totalité, au logement de moyens de filtrage capacitif supplémentaires et/ou de moyens de stockage d’énergie par exemple sous la forme d’une batterie de type lithium-ion, d’un supercondensateur ou de tout autre élément mécanique, électrique et/ou électronique.
[0054] Les faces haute et basse du dispositif électronique de puissance CONV seront fermées par des plaques portées à la tension -DC des bus barres B1 et B3. Une cage de Faraday est ainsi obtenue et apporte un blindage électromagnétique favorable à la compatibilité électromagnétique (CEM). L’étanchéité au niveau de ces faces haute et basse pourra être assurée par des joints d’étanchéité, par exemple du type dit « Viton » (marque déposée).
[0055] On notera ici que la forme circulaire en galette du dispositif électronique de puissance CONV rend celui-ci parfaitement adapté pour une intégration dans une machine électrique tournante, par exemple un moteur de traction ou une machine réversible associée à un système de freinage récupératif.
[0056] L’invention ne se limite pas à la forme de réalisation particulière qui a été décrite ici à titre d’exemple. L’homme du métier, selon les applications de l’invention, pourra apporter différentes modifications et variantes qui entrent dans la portée des revendications ci-annexées.

Claims

REVENDICATIONS
1) Module de puissance (1 ) comprenant une carte électronique (EB) dans laquelle est intégrée au moins une branche de commutation de puissance (BM), un condensateur (CE) et au moins trois bus barres d'alimentation de courant continu (B1 , B2, B3), dans lequel ladite carte électronique (EB) est montée entre un premier bus barre (B1 ) et un deuxième bus barre (B2) et ledit condensateur (CE) est monté entre ledit deuxième bus barre (B2) et un troisième bus barre (B3) et lesdits carte électronique (EB), condensateur (CE) et bus barres (B1 , B2, B3) comprennent des faces de contact électrique (F3, F5, F6, F7) autorisant un montage du type dit « press pack » desdits carte électronique (EB) et condensateur (CE).
2) Module de puissance selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il a une forme extérieure qui est contenue dans un secteur cylindrique (SC) ayant un angle déterminé (a) et lesdites faces de contact électrique (F3, F5, F6, F7) sont sensiblement perpendiculaires à un plan radial de symétrie (PS) dudit secteur cylindrique (SC).
3) Module de puissance selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit condensateur (CE) est de type céramique multicouche. 4) Module de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite carte électronique (EB) est de type dit « SiP » et comprend des moyens de commande (pC) et au moins un condensateur (Ci) de filtrage capacitif de premier niveau.
5) Module de puissance selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit condensateur (Ci) de filtrage capacitif de premier niveau est un condensateur de type céramique multicouche.
6) Module de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit premier bus barre (B1 ) comprend une face extérieure en arc de cercle (F1 ) comprenant une pluralité d'ailettes de refroidissement (10). 7) Module de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 et la revendication 2, caractérisé en ce que au moins ledit premier bus barre (B1 ) parmi lesdits trois bus barres (B1 , B2, B3) comprend deux faces de jonction (F2, F4, F8) inclinées symétriquement par rapport audit plan radial de symétrie (PS). 8) Module de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'au moins un canal (12, 13) de passage et/ou remplissage pour un liquide ayant une fonction de caloportage et/ou d’ignifugation et/ou d’isolation électrique est compris dans au moins un desdits trois bus barres (B1 , B2, B3).
9) Module de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ladite au moins une branche de commutation de puissance (BM) comprend au moins un transistor de type GaN, SiC, MOSFET ou IGBT.
10) Module de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que lesdits trois bus barres d'alimentation de courant continu (B1 , B2, B3) sont en cuivre et/ou aluminium. 11) Dispositif électronique de puissance, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de modules de puissance (1 à 6) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, lesdits modules de puissance (1 à 6) étant disposés en cercle et étant en contact électrique par leurs dits premier, deuxième et troisième bus barres (B1 , B2, B3). 12) Dispositif électronique de puissance selon la revendication 11 , caractérisé en ce qu'il comprend un volume central (VC) occupé par un liquide et/ou un élément électrique, mécanique et/ou électronique, ledit liquide ayant une fonction de caloportage et/ou d’ignifugation et/ou d’isolation électrique.
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