EP3804111A1 - Circuit electrique, bras de commutation et convertisseur de tension - Google Patents

Circuit electrique, bras de commutation et convertisseur de tension

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Publication number
EP3804111A1
EP3804111A1 EP19725183.8A EP19725183A EP3804111A1 EP 3804111 A1 EP3804111 A1 EP 3804111A1 EP 19725183 A EP19725183 A EP 19725183A EP 3804111 A1 EP3804111 A1 EP 3804111A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrical
conductor
switching arm
circuit
partial
Prior art date
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Pending
Application number
EP19725183.8A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Manuel FALGUIER
Romain HENNEGUET
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Valeo Electrification SAS
Original Assignee
Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Valeo Equipements Electriques Moteur SAS filed Critical Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Publication of EP3804111A1 publication Critical patent/EP3804111A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/04—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for rectification
    • 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
    • H05K7/14—Mounting supporting structure in casing or on frame or rack
    • H05K7/1422—Printed circuit boards receptacles, e.g. stacked structures, electronic circuit modules or box like frames
    • H05K7/1427—Housings
    • H05K7/1432—Housings specially adapted for power drive units or power converters
    • H05K7/14329—Housings specially adapted for power drive units or power converters specially adapted for the configuration of power bus bars
    • 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
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/209—Heat transfer by conduction from internal heat source to heat radiating structure
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using DC to AC converters or inverters

Definitions

  • the present invention relates to an electric circuit, a switching arm and a voltage converter.
  • an electrical insulator covering the first main electrical conductor and the electrical component, the electrical insulator having an upper surface opposite the first main electrical conductor.
  • the electrical component is a controllable switch of a switching arm of a voltage converter.
  • the power module comprises a casing delimiting a bowl in which the switch is located.
  • the bowl is filled with an electrical insulator, a gel or an epoxy resin, and closed by a plastic cover.
  • the object of the invention is to overcome at least in part the aforementioned problem.
  • an electrical circuit comprising:
  • an electrical insulator covering the first main electrical conductor and the electrical component, the electrical insulator having an upper surface opposite the first main electrical conductor, characterized in that the electrical circuit further comprises a fire-stop element; extending at least 85% of a portion (604) of the upper face (304) of the electrical insulation (302) or extending at a predefined distance of at least 85% of a portion of the upper face electrical insulation, this part grouping the point or points of the upper face of the electrical insulation closest to the electrical component.
  • the propagation of fire is stopped or at least limited.
  • the predefined distance is less than 1 mm, preferably less than 0.5 mm and even more preferably 0.2 mm.
  • the distance between the firestop element and the upper face of the electrical insulation is preferably as small as possible to stop the spread of fire as close as possible to the electrical component.
  • a distance between the firestop element and the upper face of the electrical insulation less than 1 mm, preferably less than 0.5 mm and even more preferably 0.2 mm makes it possible to keep the cut element - a good ability to stop or limit the spread of fire.
  • the firestop element is metal, for example steel.
  • the firestop element is plate-shaped.
  • the electrical insulation is an epoxy resin.
  • the electrical insulator is sufficiently hard to form itself a protective housing, so that it is no longer necessary to provide a housing defining a bowl.
  • the electrical circuit further comprises at least one electrical connection intended to connect the electrical component to a second electrical conductor, said main, each electrical connection having an electrical conducting section at least ten times smaller than an electrical conducting section of the first main electrical conductor.
  • the electrical component is a controllable switch, for example an insulated gate field effect transistor.
  • a switching arm comprising first and second electrical circuits each according to the invention and a magnetic core, wherein the first main electrical conductor of the second electrical circuit comprises first and second electrical conductors, said partial electrically connected l to one another, wherein the magnetic core is wound around the second partial electrical conductor, and wherein each electrical connection of the first electrical circuit connects the electrical component of the first electrical circuit to the first partial electrical conductor.
  • the second partial electrical conductor is electrically connected to the first partial electrical conductor by soldering, brazing or screwing.
  • the switching arm further comprises a plastic overmolding surrounding the magnetic core and the second partial electrical conductor, and the firestop element is attached to the overmoulding plastic material.
  • the firestop element has at least one tab, each tab being overmolded in the plastic overmold to secure the firestop element to the plastic overmold (402).
  • a voltage converter comprising a switching arm according to the invention and two parts between which the switching arm is intended to extend, wherein the fire element has at least one flexible strip intended to be deformed by one of the two parts so as to press the switching arm against the other of the two parts.
  • one of the two rooms is a heat sink.
  • Figure 1 is an electrical diagram of an electrical system embodying the invention.
  • FIG. 2 is a three-dimensional view of a power module of a voltage converter of the electrical system of FIG. 1, without overmoulding or fireproof element.
  • Figure 3 is a three-dimensional view of a first submodule of the power module.
  • Figure 4 is a three-dimensional view of a second submodule of the power module.
  • Figure 5 is a view similar to that of Figure 4, without overmolding.
  • Fig. 6 is a sectional view of a portion of the power module, illustrating the arrangement of the firestop element.
  • Figure 7 is a sectional view of the voltage converter illustrating the positioning of the power module.
  • Fig. 8 is a block diagram illustrating the steps of a method of manufacturing the power module.
  • the electrical system 100 is for example intended to be implanted in a motor vehicle.
  • the electrical system 100 firstly comprises a power supply source 102 designed to deliver a DC voltage U, for example between 20 V and 100 V, for example 48 V.
  • the power source 102 comprises for example a drums.
  • the electrical system 100 further comprises an electric machine 130 having a plurality of phases (not shown) for presenting respective phase voltages.
  • the electrical system 100 further comprises a voltage converter 104 connected between the power source 102 and the electrical machine 130 to convert between the DC voltage U and the phase voltages.
  • the voltage converter 104 firstly comprises a positive busbar 106 and a negative busbar 108 intended to be connected to the power source 102 to receive the DC voltage U, the positive busbar 106 receiving a high electrical potential. and the negative bus bar 108 receiving a low electrical potential.
  • the voltage converter 104 further comprises at least one power module 110 having one or more phase bus bars 122 for respectively being connected to one or more phases of the electrical machine 130, to provide their respective phase voltages.
  • the voltage converter 104 comprises three power modules 110 each comprising two phase bus bars 122 connected to two phases of the electrical machine 130.
  • the electric machine 130 comprises two three-phase systems each comprising three phases.
  • the two three-phase systems are intended to be electrically out of phase by 120 ° relative to each other.
  • the first phase bus bars 122 of the power modules 110 are respectively connected to the three phases of the first three-phase system, while the second phase bus 122 of the power modules 110 are respectively connected to the three phases of the second three-phase system.
  • Each power module 110 includes, for each phase bus 122, a high side switch 112 connected between the positive bus bar 106 and the phase bus 122 and a low side switch 114 connected between the phase bus 122. and the negative busbar 108.
  • the switches 112, 114 are arranged to form a switching arm, wherein the phase busbar 122 forms a midpoint.
  • Each switch 112, 114 comprises first and second main terminals 116, 118 and a control terminal 120 for selectively opening and closing the switch 112, 114 between its two main terminals 116, 118 as a function of a control signal which it is applied to him.
  • Switches 112, 114 are preferably transistors, for example metal-oxide-semiconductor ("Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”) field-effect transistors having a gate forming the terminal 120, and a drain and a source respectively forming the main terminals 116, 118.
  • the switches 112, 114 each have the form of a plate, for example substantially rectangular, having an upper face and a lower face.
  • the first main terminal 116 extends on the lower face, while the second main terminal 118 extends on the upper face.
  • the positive bus bar 106, the negative bus bar 108 and the bus bars 122 are rigid electrical conductors designed to withstand electrical currents of at least 1 A. They preferably have a thickness of at least 1 A. 1 mm and / or an electrical conducting section of at least 1 mm 2 .
  • the positive busbar 106 firstly comprises a positive common busbar 106A connecting the power modules 110 and, in each power module 110, a positive local bus 106B connected to the positive common bus 106A.
  • the negative bus bar 108 has a negative common bus 108A connecting the power modules 110 and, in each power module 110, a negative local bus 108B for each low side switch 114, the local negative bus bars. 108B being connected to the negative common bus bar 108A.
  • the connections are shown in Figure 1 by rhombuses.
  • the positive common bus 106A and the negative common bus 108A are each formed of a single conductive part.
  • the electric machine 130 has both an alternator and an electric motor function. More specifically, the motor vehicle further comprises a heat engine (not shown) having an output axis to which the electric machine 130 is connected by a belt (not shown). The heat engine is intended to drive wheels of the motor vehicle through its output axis.
  • the electric machine in operation as an alternator, provides electrical energy towards the power source 102 from the rotation of the output axis.
  • the voltage converter 104 then operates as a rectifier. In operation as an electric motor, the electric machine drives the output shaft (in addition to or in place of the engine).
  • the voltage converter 104 then functions as an inverter.
  • the electric machine 130 is for example located in a gearbox or in a clutch of the motor vehicle or instead of the alternator.
  • the power module 110 comprises first and second sub-modules.
  • the first sub-module comprises the positive local bus 106B and the local negative bus 108B.
  • 11 further comprises, for each phase bus 122, a partial bus bar 202 forming a portion of this phase bus 122.
  • 11 further comprises the switches 112, 114.
  • the busbars 106B, 202, 108B are in the form of horizontal flat plates having a thickness of between 1 mm and 1.5 mm, for example 1.2 mm, and having a flat horizontal top face.
  • the busbars 106B, 202, 108B are coplanar and extend next to each other, which limits the vertical bulk of the power module 110.
  • each high-side switch 112 is pressed against the upper face of the positive local bus bar 106B and brazed thereto in order to mechanically fix the high-side switch 112. This attachment also makes it possible to electrically connect its first main terminal at positive local bus 106B.
  • the first sub-module comprises, for each high-side switch 112, one or, preferably, several conductive strips 210, for example made of aluminum, extending from the upper face of the high-side switch 112 considered. to respective one of the partial bus bars 202 to electrically connect them.
  • the conductive strips 210 preferably have an electrical conducting section at least ten times smaller than the electrical conducting section of the busbars 106B, 202, 108B.
  • each low side switch 114 is pressed against the upper face of the partial bus bar 202 and soldered thereto to mechanically fix the low side switch. 114.
  • This attachment also makes it possible to electrically connect its first main terminal to the phase bus bar 122.
  • the first sub-module comprises, for each low-side switch 114, one or, preferably, several conductive strips 212, for example made of aluminum, extending from the upper face of the low-side switch 114 to respective one of the negative local bus bars 108B in order to connect them electrically.
  • the conductive strips 212 preferably have an electrical conducting section at least ten times smaller than the electrical conducting section of the bus bars 106B, 202, 108B.
  • the second sub-module comprises another partial bus bar 204 fixed to the partial bus bar 202, for example by brazing, welding or screwing, so that the two are mechanically fixed and electrically connected to one another.
  • each phase bus 122 comprises the two partial busbars 202, 204.
  • the partial busbars 204 also have a shape of horizontal flat plates having a thickness of between 1 mm and 1.5 mm, for example 1.2 mm.
  • One of the ends of the partial busbars 204 can assume a curved shape to facilitate their attachment to the partial busbars 202.
  • the partial busbar 204 further comprises a connection terminal 206 intended to be connected to a phase of the electrical machine 130.
  • the shape of the connection terminals 206 is related to the shape of the terminals of the phases of the electrical machine. 130.
  • the second sub-module comprises, around each partial bus bar 204, a magnetic core 208 provided with an air gap where a Hall effect sensor (not shown) is intended to be arranged in order to measure the phase current passing through the terminal. corresponding connection 206.
  • the first submodule, designated 200 further comprises an epoxy resin overmold 302 extending around the positive local bus 106B, the negative local bus 108B, the bus bars. 202, switches 112, 114 and conductive strips 210, 212 to protect them.
  • the overmolding of epoxy resin 302 thus forms an electrical insulator covering in particular the busbars 106B, 202, 108B and the switches 112, 114.
  • the overmoulding of epoxy resin 302 has an upper face 304 opposite the busbars 106B, 202 , 108B. This upper face 304 is flat and horizontal.
  • the material used for overmolding 302 has, for example, a bending limit greater than 80 N / mm 2 , preferably greater than 100 N / mm 2 .
  • the material used for overmoulding 302 may be an epoxy resin bearing the designation G720E type H whose bending limit is 140 N / mm 2 or an epoxy resin bearing the name XE8495 whose bending limit is 105 N / mm 2 .
  • the second sub-module further comprises a plastic overmolding 402 extending around the magnetic toroids 208 and partial busbars 204, in order to maintain the magnetic toroids 208.
  • the second submodule 201 further comprises a fire barrier element 404 formed in the written example of a horizontal metal plate fixed on a lower face of the overmolding 402 and protruding therefrom.
  • the metal plate is for example a steel sheet.
  • the fireproofing element 404 has at least one flexible lamella 406 (three in the example described), preferably located in a zone protruding from the lower face of the overmoulding 402.
  • each flexible lamella 406 is of rectangular shape, one end of which is connected to the remainder of the firestop element 404 by an upward bend.
  • Each flexible strip 406 is for example obtained by cutting and folding the metal plate forming the fire barrier element 404.
  • the fire barrier element 404 has for example a thickness of between 0.5 and 1 mm.
  • the complete power module 110 comprises the first submodule 200 as illustrated in FIG. 3 and the second submodule 201 as illustrated in FIG. 4, fixed to one another.
  • the firestop element 404 furthermore has three tabs 502 intended to be embedded in the overmoulding 402 in order to fix the fire-barrier element 404 therein.
  • the firestop element 404 extends to less than 1 mm, preferably less than 0.2 mm, of at least 85% (100% in the example described) of a portion 604 of the upper face 304 of the electrical insulation 302 closest to the switch 112, 114 considered. More specifically, this part 604 (represented by thick dashed lines in FIG. 6) groups together at least the points of the upper face 304 of the electrical insulator 302 closest to the switch 112, 114 considered. Those points closest to the switch 112, 114 are designated by the reference 606 in FIG. 6. In the example described, the points closest to the switch 112, 114 are those located vertically above the switch. switch 112, 114. Thus, in the example described, the firestop element 404 extends at least above the switch 112, 114 to cover it.
  • the portion 604 groups the points of the upper face 304 of the electrical insulation 302 located at a distance less than or equal to a predetermined distance D of the switch 112, 114 considered.
  • This predefined distance D is greater than the thickness E of the over-molding 302 between the switch 112, 114 considered and the upper surface 304 of the over-molding 302, the thickness E corresponding to the minimum distance between the switch 112, 114 considered and the upper surface 304 of overmolding 302.
  • the predetermined distance D is for example less than 4 mm. In the example described, it is about 2 mm.
  • the conductive strips 210, 212 become increasingly hot until they break. However, since they are embedded in the epoxy resin which is hard, the pieces of conductive strips 210, 212 remain in contact and let the current flow. The passing current then heats the switches 110, 112 and the heat is diffused in the overmoulding 302 to its upper face 304 which catches fire.
  • the closest points to each switch 110, 112 are those whose temperature rises first because of the proximity of the switch 110, 112 and are the points to be protected in priority.
  • the presence of the firestop element 404 makes it possible to prevent the propagation of the fire, or at least to delay it.
  • the voltage converter 104 comprises a housing 702 defining a receiving housing of an electronic card (not shown), for example a printed circuit board, for controlling the switches 112, 114.
  • the converter voltage 104 further comprises a heat sink 704 intended to dissipate the heat including switches 112, 114.
  • the heat sink 704 comprises in particular fins 706 heat dissipation.
  • 11 further comprises a receiving shaft of a screw (not shown) for fixing the housing 702 to the heat sink 704.
  • Each power module 110 is intended to extend between the housing 702 and the heat sink 704.
  • the housing 702 is intended to press the flexible lamella or strips 406 for the deforming so as to press the power module 110 against the heat sink 704.
  • the flexible plate or slats 406 are designed so that, once deformed by the housing 702, they transmit a vertical force of less 70 N power module 110.
  • this plating prevents the bus bars away from the heat sink 704 over time. This plating also makes it possible to avoid the use of screws to fix the power modules 110 to the heat sink 704.
  • the electronic card is housed in the casing 702 and fixed thereto before the casing 702 is attached to the heat sink 704 and presses on the flexible leaf (s) 406.
  • the first and second submodules 200, 201, without the overmoldings 302, 402, are obtained.
  • the epoxy resin is injected at low pressure and then crosslinked to form the overmoulding epoxy resin 302. The low pressure injection can not damage the conductive strips 210, 212, which are fragile.
  • plastic is injected at high pressure to form the plastic overmold 402.
  • the two submodules 200, 201 are fixed to each other.
  • the firestop element 404 is glued against the upper face 304 of the epoxy resin overmold 302 and the partial bus bars 204 are fixed to the partial bus bars 202.
  • overmolding 302 could be in a material other than the epoxy resin.

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Abstract

Le circuit électrique comporte : un conducteur électrique principal (106B), un composant électrique (112) plaqué contre le conducteur électrique principal (106B), et un isolant électrique (302) recouvrant le conducteur électrique principal (106B) et le composant électrique (112), l'isolant électrique (302) présentant une face supérieure (304) à l'opposé du conducteur électrique principal (106B). Le circuit électrique comporte en outre un élément coupe-feu (404) s'étendant au moins contre 85% d'une partie (604) de la face supérieure (304) de l'isolant électrique (302) ou s'étendant à une distance prédéfinie d'au moins 85% d'une partie (604) de la face supérieure (304) de l'isolant électrique (302), cette partie (604) regroupant le ou les points de la face supérieure (304) de l'isolant électrique (302) les plus proches du composant électrique (112).

Description

CIRCUIT ÉLECTRIQUE, BRAS DE COMMUTATION ET CONVERTISSEUR DE
TENSlON
D0MA1NE TECHN1QUE La présente invention concerne un circuit électrique, un bras de commutation et un convertisseur de tension.
ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE
La demande internationale PCT publiée sous le numéro WO 2007 003824 A2 décrit un circuit électrique comportant :
- un premier conducteur électrique, dit principal,
- un composant électrique plaqué contre le premier conducteur électrique principal,
- un isolant électrique recouvrant le premier conducteur électrique principal et le composant électrique, l’isolant électrique présentant une face supérieure à l’opposé du premier conducteur électrique principal.
Plus précisément, le composant électrique est un interrupteur commandable d’un bras de commutation d’un convertisseur de tension. Le module de puissance comporte un boîtier délimitant une cuvette dans laquelle se trouve l’interrupteur. La cuvette est remplie d’un isolant électrique, un gel ou une résine époxy, et fermée par un capot plastique.
Or, en cas de surchauffe du composant électrique, par exemple en cas de court-circuit s’il s’agit d’un interrupteur commandable, la chaleur se diffuse dans l’isolant électrique de sorte que sa face supérieure risque de prendre feu, mettant en péril les éléments environnants.
L’invention a pour but de pallier au moins en partie le problème précité. RÉSUMÉ DE L’INVENTION
À cet effet, il est proposé un circuit électrique comportant :
- un premier conducteur électrique, dit principal,
- un composant électrique plaqué contre le premier conducteur électrique principal,
- un isolant électrique recouvrant le premier conducteur électrique principal et le composant électrique, l’isolant électrique présentant une face supérieure à l’opposé du premier conducteur électrique principal, caractérisé en ce que le circuit électrique comporte en outre un élément coupe- feu s’étendant au moins contre 85% d’une partie (604) de la face supérieure (304) de l’isolant électrique (302) ou s’étendant à une distance prédéfinie d’au moins 85% d’une partie de la face supérieure de l’isolant électrique, cette partie regroupant le ou les points de la face supérieure de l’isolant électrique les plus proches du composant électrique.
Ainsi, grâce à l’élément coupe-feu, la propagation du feu est stoppée ou du moins limitée.
Selon une caractéristique supplémentaire, la distance prédéfinie est inférieure à 1 mm, de préférence inférieure à 0,5 mm et de manière encore plus préférée à 0,2 mm.
La distance entre l’élément coupe-feu et la face supérieure de l’isolant électrique est de préférence aussi faible que possible pour stopper la propagation du feu le plus près possible du composant électrique. Cependant il est possible d’intercaler une couche de colle ou de résine entre l’élément coupe-feu et la face supérieure de l’isolant électrique notamment pour favoriser une bonne répartition des efforts d’appui entre l’élément coupe-feu et l’isolant électrique. Une distance entre l’élément coupe-feu et la face supérieure de l’isolant électrique inférieure à 1 mm, de préférence inférieure à 0,5 mm et de manière encore plus préférée à 0,2 mm permet de conserver à l’élément coupe-feu une bonne capacité à stopper ou limiter la propagation du feu. De façon optionnelle, l’élément coupe-feu est métallique, par exemple en acier.
De façon optionnelle également, l’élément coupe-feu est en forme de plaque.
De façon optionnelle également, l’isolant électrique est une résine époxy. Ainsi, l’isolant électrique est suffisamment dur pour former lui-même un boîtier protecteur, de sorte qu’il n’est plus nécessaire de prévoir un boîtier délimitant une cuvette.
De façon optionnelle également, le circuit électrique comporte en outre au moins une connexion électrique destinée à relier le composant électrique à un deuxième conducteur électrique, dit principal, chaque connexion électrique présentant une section conductrice électrique au moins dix fois inférieure à une section conductrice électrique du premier conducteur électrique principal.
De façon optionnelle également, le composant électrique est un interrupteur commandable, par exemple un transistor à effet de champ à grille isolée.
11 est également proposé un bras de commutation comportant des premier et deuxième circuits électriques chacun selon l’invention et un tore magnétique, dans lequel le premier conducteur électrique principal du deuxième circuit électrique comporte des premier et deuxième conducteurs électriques, dits partiels, connectés électriquement l’un à l’autre, dans lequel le tore magnétique est enroulé autour du deuxième conducteur électrique partiel, et dans lequel chaque connexion électrique du premier circuit électrique relie le composant électrique du premier circuit électrique au premier conducteur électrique partiel.
De façon optionnelle, le deuxième conducteur électrique partiel est connecté électriquement au premier conducteur électrique partiel par soudure, brasage ou vissage.
De façon optionnelle également, le bras de commutation comporte en outre un surmoulage de matière plastique entourant le tore magnétique et le deuxième conducteur électrique partiel, et l’élément coupe-feu est fixé au surmoulage de matière plastique. De façon optionnelle également, l’élément coupe-feu présente au moins une languette, chaque languette étant surmoulée dans le surmoulage en matière plastique pour fixer l’élément coupe-feu au surmoulage en matière plastique (402).
11 est également proposé un convertisseur de tension comportant un bras de commutation selon l’invention et deux pièces entres lesquelles le bras de commutation est destiné à s’étendre, dans lequel l’élément coupe-feu présente au moins une lamelle flexible destinée à être déformée par une des deux pièces de manière à plaquer le bras de commutation contre l’autre des deux pièces.
De façon optionnelle, une des deux pièces est un dissipateur de chaleur.
DESCRIPTION DES FIGURES
La figure 1 est un schéma électrique d’un système électrique mettant en œuvre l’invention.
La figure 2 est une vue en trois dimensions d’un module de puissance d’un convertisseur de tension du système électrique de la figure 1, sans surmoulage ni élément coupe-feu.
La figure 3 est une vue en trois dimensions d’un premier sous-module du module de puissance.
La figure 4 est une vue en trois dimensions d’un deuxième sous-module du module de puissance.
La figure 5 est une vue similaire à celle de la figure 4, sans surmoulage.
La figure 6 est une vue de coupe d’une partie du module de puissance, illustrant l’agencement de l’élément coupe-feu.
La figure 7 est une vue de coupe du convertisseur de tension illustrant le positionnement du module de puissance.
La figure 8 est un schéma-blocs illustrant les étapes d’un procédé de fabrication du module de puissance.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE En référence à la figure 1, un système électrique 100 mettant en œuvre l’invention va à présent être décrit.
Le système électrique 100 est par exemple destiné à être implanté dans un véhicule automobile.
Le système électrique 100 comporte tout d’abord une source d’alimentation électrique 102 conçue pour délivrer une tension continue U, par exemple comprise entre 20 V et 100 V, par exemple 48 V. La source d’alimentation électrique 102 comporte par exemple une batterie.
Le système électrique 100 comporte en outre une machine électrique 130 comportant plusieurs phases (non représentées) destinées à présenter des tensions de phase respectives.
Le système électrique 100 comporte en outre un convertisseur de tension 104 connecté entre la source d’alimentation électrique 102 et la machine électrique 130 pour effectuer une conversion entre la tension continue U et les tensions de phase.
Le convertisseur de tension 104 comporte tout d’abord une barre omnibus positive 106 et une barre omnibus négative 108 destinées à être connectées à la source d’alimentation électrique 102 pour recevoir la tension continue U, la barre omnibus positive 106 recevant un potentiel électrique haut et la barre omnibus négative 108 recevant un potentiel électrique bas.
Le convertisseur de tension 104 comporte en outre au moins un module de puissance 110 comportant une ou plusieurs barres omnibus de phase 122 destinées être respectivement connectées à une ou plusieurs phases de la machine électrique 130, pour fournir leurs tensions de phase respectives.
Dans l’exemple décrit, le convertisseur de tension 104 comporte trois modules de puissance 110 comportant chacun deux barres omnibus de phase 122 connectées à deux phases de la machine électrique 130.
Plus précisément, dans l’exemple décrit, la machine électrique 130 comporte deux systèmes triphasés comportant chacun trois phases. Les deux systèmes triphasés sont destinés à être électriquement déphasés de 120° l’un par rapport à l’autre. De préférence, les premières barres omnibus de phase 122 des modules de puissance 110 sont respectivement connectées aux trois phases du premier système triphasé, tandis que les deuxièmes barres omnibus de phase 122 des modules de puissance 110 sont respectivement connectées aux trois phases du deuxième système triphasé.
Chaque module de puissance 110 comporte, pour chaque barre omnibus de phase 122, un interrupteur de côté haut 112 connecté entre la barre omnibus positive 106 et la barre omnibus de phase 122 et un interrupteur de côté bas 114 connecté entre la barre omnibus de phase 122 et la barre omnibus négative 108. Ainsi, les interrupteurs 112, 114 sont agencés de manière à former un bras de commutation, dans lequel la barre omnibus de phase 122 forme un point milieu.
Chaque interrupteur 112, 114 comporte des première et deuxième bornes principales 116, 118 et une borne de commande 120 destinée à sélectivement ouvrir et fermer l’interrupteur 112, 114 entre ses deux bornes principales 116, 118 en fonction d’un signal de commande qui lui est appliqué. Les interrupteurs 112, 114 sont de préférence des transistors, par exemple des transistors à effet de champ à structure métal-oxyde-semi-conducteur (de l’anglais « Métal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor » ou MOSFET) présentant une grille formant la borne de commande 120, et un drain et une source formant respectivement les bornes principales 116, 118.
Dans l’exemple décrit, les interrupteurs 112, 114 ont chacun la forme d’une plaque, par exemple sensiblement rectangulaire, présentant une face supérieure et une face inférieure. La première borne principale 116 s’étend sur la face inférieure, tandis que la deuxième borne principale 118 s’étend sur la face supérieure.
11 sera apprécié que la barre omnibus positive 106, la barre omnibus négative 108 et les barres omnibus de phase 122 sont des conducteurs électriques rigides conçus pour supporter des courants électriques d’au moins 1 A. Elles présentent de préférence une épaisseur d’au moins 1 mm et/ou une section conductrice électrique d’au moins 1 mm2.
Par ailleurs, dans l’exemple décrit, la barre omnibus positive 106 comporte tout d’abord une barre omnibus commune positive 106A reliant les modules de puissance 110 et, dans chaque module de puissance 110, une barre omnibus locale positive 106B connectée à la barre omnibus commune positive 106A. De manière similaire, la barre omnibus négative 108 comporte une barre omnibus commune négative 108A reliant les modules de puissance 110 et, dans chaque module de puissance 110, une barre omnibus locale négative 108B pour chaque interrupteur de côté bas 114, les barres omnibus locales négatives 108B étant connectées à la barre omnibus commune négative 108A. Les connexions sont représentées sur la figure 1 par des losanges.
En outre, dans l’exemple décrit, la barre omnibus commune positive 106A et la barre omnibus commune négative 108A sont chacune formée d’une seule pièce conductrice.
En outre, dans l’exemple décrit, la machine électrique 130 a à la fois une fonction d’alternateur et de moteur électrique. Plus précisément, le véhicule automobile comporte en outre un moteur thermique (non représenté) présentant un axe de sortie auquel la machine électrique 130 est reliée par une courroie (non représentée). Le moteur thermique est destiné à entraîner des roues du véhicule automobile par l’intermédiaire de son axe de sortie. Ainsi, en fonctionnement comme alternateur, la machine électrique fournit de l’énergie électrique en direction de la source d’alimentation électrique 102 à partir de la rotation de l’axe de sortie. Le convertisseur de tension 104 fonctionne alors comme redresseur. En fonctionnement comme moteur électrique, la machine électrique entraîne l’arbre de sortie (en complément ou bien à la place du moteur thermique). Le convertisseur de tension 104 fonctionne alors comme onduleur.
La machine électrique 130 est par exemple localisée dans une boîte de vitesses ou bien dans un embrayage du véhicule automobile ou bien en lieu et place de l’alternateur.
Dans la suite de la description, la structure et la disposition des éléments du convertisseur de tension 104 vont être décrits plus en détails, en référence à une direction verticale H-B, « H » représentant le haut et « B » représentant le bas. En référence aux figures 2 à 7, un des modules de puissance 110 va à présent être décrit plus en détail, sachant que les autres modules de puissance 110 sont similaires.
En référence à la figure 2, le module de puissance 110 comporte des premier et deuxième sous-modules.
Le premier sous-module comporte la barre omnibus locale positive 106B et les barres omnibus locales négatives 108B. 11 comporte en outre, pour chaque barre omnibus de phase 122, une barre omnibus partielle 202 formant une partie de cette barre omnibus de phase 122. 11 comporte en outre les interrupteurs 112, 114.
Les barres omnibus 106B, 202, 108B ont la forme de plaques planes horizontales ayant une épaisseur comprise entre 1 mm et 1,5 mm, par exemple 1,2 mm, et présentant une face supérieure plane horizontale. En outre, les barres omnibus 106B, 202, 108B sont coplanaires et s’étendent les unes à côté des autres, ce qui permet de limiter l’encombrement vertical du module de puissance 110.
La face inférieure de chaque interrupteur de côté haut 112 est plaquée contre la face supérieure de la barre omnibus locale positive 106B et brasée à cette dernière afin de fixer mécaniquement l’interrupteur de côté haut 112. Cette fixation permet en outre de connecter électriquement sa première borne principale à la barre omnibus locale positive 106B. En outre, le premier sous- module comporte, pour chaque interrupteur de côté haut 112, une ou, de préférence, plusieurs bandes conductrices 210, par exemple en aluminium, s’étendant de la face supérieure de l’interrupteur de côté haut 112 considéré à l’une respective des barres omnibus partielles 202 afin de les connecter électriquement. Les bandes conductrices 210 présentent de préférence une section conductrice électrique au moins dix fois inférieure à la section conductrice électrique des barres omnibus 106B, 202, 108B.
De manière similaire, la face inférieure de chaque interrupteur de côté bas 114 est plaquée contre la face supérieure de la barre omnibus partielle 202 et brasée à cette dernière afin de fixer mécaniquement l’interrupteur de côté bas 114. Cette fixation permet en outre de connecter électriquement sa première borne principale à la barre omnibus de phase 122.
En outre, le premier sous-module comporte, pour chaque interrupteur de côté bas 114, une ou, de préférence, plusieurs bandes conductrices 212, par exemple en aluminium, s’étendant de la face supérieure de l’interrupteur de côté bas 114 à l’une respective des barres omnibus locale négative 108B afin de les connecter électriquement. Les bandes conductrices 212 présentent de préférence une section conductrice électrique au moins dix fois inférieure à la section conductrice électrique des barres omnibus 106B, 202, 108B.
Le deuxième sous-module comporte une autre barre omnibus partielle 204 fixée à la barre omnibus partielle 202, par exemple par brasure, soudure ou vissage, afin que les deux soient fixées mécaniquement et connectées électriquement l’une à l’autre. Ainsi, chaque barre omnibus de phase 122 comporte les deux barres omnibus partielles 202, 204.
A l’exception de leurs extrémités, les barres omnibus partielles 204 ont également une forme de plaques planes horizontales ayant une épaisseur comprise entre 1 mm et 1,5 mm, par exemple 1,2 mm. L’une des extrémités des barres omnibus partielles 204 pouvant prendre une forme courbée pour faciliter leur fixation aux barres omnibus partielles 202.
La barre omnibus partielle 204 comporte en outre une borne de connexion 206 destinée à être connectée à une phase de la machine électrique 130. De manière générale, la forme des bornes de connexion 206 est liée à la forme des bornes des phases de la machine électrique 130.
Le deuxième sous-module comporte, autour de chaque barre omnibus partielle 204, un tore magnétique 208 muni d’un entrefer où un capteur à effet Hall (non représenté) est destiné à être disposé afin de mesurer le courant de phase passant par la borne de connexion 206 correspondante.
En référence à la figure 3, le premier sous-module, désigné par la référence 200, comporte en outre un surmoulage de résine époxy 302 s’étendant autour de la barre omnibus locale positive 106B, des barres omnibus locales négatives 108B, des barres omnibus partielles 202, des interrupteurs 112, 114 et des bandes conductrices 210, 212 pour les protéger. Le surmoulage de résine époxy 302 forme ainsi un isolant électrique recouvrant en particulier les barres omnibus 106B, 202, 108B et les interrupteurs 112, 114. Le surmoulage de résine époxy 302 présente une face supérieure 304 à l’opposé des barres omnibus 106B, 202, 108B. Cette face supérieure 304 est plane et horizontale. Le matériau utilisé pour le surmoulage 302 présente par exemple une limite à la flexion supérieure à 80 N/mm2, de préférence supérieure à 100 N/mm2. Par exemple, le matériau utilisé pour le surmoulage 302 peut être une résine époxy portant la dénomination G720E type H dont la limite à la flexion est de 140 N/mm2 ou une résine époxy portant la dénomination XE8495 dont la limite à la flexion est de 105 N/mm2.
En référence à la figure 4, le deuxième sous-module, désigné par la référence 201, comporte en outre un surmoulage de matière plastique 402 s’étendant autour des tores magnétiques 208 et des barres omnibus partielles 204, afin de maintenir les tores magnétiques 208 mécaniquement fixés aux barres omnibus partielles 204. Le deuxième sous-module 201 comporte en outre un élément coupe-feu 404 formé dans l’exemple écrit d’une plaque métallique horizontale fixée sur une face inférieure du surmoulage 402 et dépassant de ce dernier. La plaque métallique est par exemple une tôle d’acier. L’élément coupe- feu 404 présente au moins une lamelle flexible 406 (trois dans l’exemple décrit), située de préférence dans une les zones dépassant de la face inférieure du surmoulage 402. Dans l’exemple décrit, chaque lamelle flexible 406 est de forme rectangulaire dont une extrémité est connectée au reste de l’élément coupe-feu 404 par une pliure vers le haut. Chaque lamelle flexible 406 est par exemple obtenue par coupage et pliage de la plaque métallique formant l’élément coupe- feu 404. L’élément coupe-feu 404 présente par exemple une épaisseur comprise entre 0,5 et 1 mm.
Ainsi, le module de puissance 110 complet comporte le premier sous- module 200 tel qu’illustré sur la figure 3 et le deuxième sous-module 201 tel qu’illustré sur la figure 4, fixés l’un à l’autre. En référence à la figure 5, l’élément coupe-feu 404 présente en outre trois languettes 502 destinées à être noyées dans le surmoulage 402 pour y fixer l’élément coupe-feu 404.
En référence à la figure 6, pour chaque interrupteur 112, 114, l’élément coupe-feu 404 s’étend à moins de 1 mm, de préférence à moins de 0,2 mm, d’au moins 85% (100% dans l’exemple décrit) d’une partie 604 de la face supérieure 304 de l’isolant électrique 302 la plus proche de l’interrupteur 112, 114 considéré. Plus précisément, cette partie 604 (représentée par des pointillés épais sur la figure 6) regroupe au moins les points de la face supérieure 304 de l’isolant électrique 302 les plus proches de l’interrupteur 112, 114 considéré. Ces points les plus proches de l’interrupteur 112, 114 sont désignés par la référence 606 sur la figure 6. Dans l’exemple décrit, les points les plus proches de l’interrupteur 112, 114 sont ceux situés à la verticale de l’interrupteur 112, 114. Ainsi, dans l’exemple décrit, l’élément coupe-feu 404 s’étend au moins au-dessus de l’interrupteur 112, 114 pour le recouvrir.
De manière générale, la partie 604 regroupe les points de la face supérieure 304 de l’isolant électrique 302 situés à une distance inférieure ou égale à une distance prédéfinie D de l’interrupteur 112, 114 considéré. Cette distance prédéfinie D est supérieure à l’épaisseur E du surmoulage 302 entre l’interrupteur 112, 114 considéré et la surface supérieure 304 du surmoulage 302, l’épaisseur E correspondant à la distance minimale entre l’interrupteur 112, 114 considéré et la surface supérieure 304 du surmoulage 302. La distance prédéfinie D est par exemple inférieure à 4 mm. Dans l’exemple décrit, elle est environ de 2 mm.
Lors d’un court-circuit du module de puissance 110, les bandes conductrices 210, 212 deviennent de plus en plus chaude jusqu’à ce qu’elles cassent. Or, comme elles sont noyées dans la résine époxy qui est dure, les morceaux des bandes conductrices 210, 212 restent en contact et laisse le courant passer. Le courant qui passe fait alors chauffer les interrupteurs 110, 112 et la chaleur se diffuse dans le surmoulage 302 jusqu’à sa face supérieure 304 qui prend feu. Les points les plus proches de chaque interrupteur 110, 112 sont ceux dont la température s’élève en premier du fait de la proximité de l’interrupteur 110, 112 et sont donc les points à protéger en priorité. Ainsi, la présence de l’élément coupe-feu 404 permet d’éviter la propagation du feu, ou du moins de la retarder.
En référence à la figure 7, le convertisseur de tension 104 comporte un boîtier 702 délimitant un logement de réception d’une carte électronique (non représentée), par exemple une carte de circuit imprimé, de commande des interrupteurs 112, 114. Le convertisseur de tension 104 comporte en outre un dissipateur de chaleur 704 destiné à dissiper la chaleur notamment des interrupteurs 112, 114. Le dissipateur de chaleur 704 comporte en particulier des ailettes 706 de dissipation de chaleur. 11 comporte en outre un fût de réception d’une vis (non représentée) de fixation du boîtier 702 au dissipateur de chaleur 704.
Chaque module de puissance 110 est destiné à s’étendre entre le boîtier 702 et le dissipateur de chaleur 704. Lorsque le boîtier 702 est fixé au dissipateur de chaleur 704, le boîtier 702 est destiné à appuyer sur la ou les lamelles flexibles 406 pour les déformer de manière à plaquer le module de puissance 110 contre le dissipateur de chaleur 704. De préférence, la ou les lamelles flexibles 406 sont conçue de manière à ce que, une fois déformées par le boîtier 702, elles transmettent un effort vertical d’au moins 70 N au module de puissance 110. Ainsi, ce plaquage permet d’éviter que les barres omnibus ne s’éloignent du dissipateur de chaleur 704 avec le temps. Ce plaquage permet également d’éviter l’utilisation de vis pour fixer les modules de puissance 110 au dissipateur de chaleur 704.
De préférence, la carte électronique est logée dans le boîtier 702 et fixée à ce dernier avant que le boîtier 702 ne soit fixé au dissipateur de chaleur 704 et appuie sur la ou les lamelles flexibles 406.
En référence à la figure 8, un procédé 800 de fabrication d’un des modules de puissance 110 va à présent être décrit.
Au cours d’une étape 802, les premier et deuxième sous-modules 200, 201, sans les surmoulages 302, 402, sont obtenus. Au cours d’une étape 804, de la résine époxy est injectée à basse pression puis réticulée pour former le surmoulage de résine époxy 302. L’injection à basse pression permet de ne pas détériorer les bandes conductrices 210, 212, qui sont fragiles.
Au cours d’une étape 806, de la matière plastique est injectée à haute pression pour former le surmoulage de matière plastique 402.
Au cours d’une étape 808, les deux sous-modules 200, 201 sont fixés l’un à l’autre. Pour cela, l’élément coupe-feu 404 est collé contre la face supérieure 304 du surmoulage de résine époxy 302 et les barres omnibus partielles 204 sont fixées aux barres omnibus partielles 202.
La présente invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment. 11 sera en effet apparent à l’homme du métier que des modifications peuvent y être apportées.
Par exemple, le surmoulage 302 pourrait être dans un matériau autre que la résine époxy.
Par ailleurs, les termes utilisés ne doivent pas être compris comme limités aux éléments des modes de réalisation décrits précédemment, mais doivent au contraire être compris comme couvrant tous les éléments équivalents que l’homme du métier peut déduire à partir de ses connaissances générales.

Claims

REVENDICATIONS
1. Circuit électrique comportant :
- un premier conducteur électrique (106B ; 122), dit principal,
- un composant électrique (112 ; 114) plaqué contre le premier conducteur électrique principal (106B ; 122),
- un isolant électrique (302) recouvrant le premier conducteur électrique principal (106B ; 122) et le composant électrique (112 ; 114), l’isolant électrique (302) présentant une face supérieure (304) à l’opposé du premier conducteur électrique principal (106B ; 122), caractérisé en ce que le circuit électrique comporte en outre un élément coupe- feu (404) s’étendant au moins contre 85% d’une partie (604) de la face supérieure (304) de l’isolant électrique (302) ou s’étendant à une distance prédéfinie d’au moins 85% d’une partie (604) de la face supérieure (304) de l’isolant électrique (302), cette partie (604) regroupant le ou les points de la face supérieure (304) de l’isolant électrique (302) les plus proches du composant électrique (112 ; 114).
2. Circuit électrique selon la revendication 1, dans lequel la distance prédéfinie est inférieure à 1 mm, de préférence inférieure à 0,5 et de manière encore plus préférée à 0,2 mm.
3. Circuit électrique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’élément coupe-feu (404) est métallique, par exemple en acier.
4. Circuit électrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l’élément coupe-feu (404) est en forme de plaque.
5. Circuit électrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l’isolant électrique (302) est une résine époxy.
6. Circuit électrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, comportant en outre au moins une connexion électrique (210 ; 212) destinée à relier le composant électrique (112 ; 114) à un deuxième conducteur électrique (122 ; 108B), dit principal, chaque connexion électrique (210 ; 212) présentant une section conductrice électrique au moins dix fois inférieure à une section conductrice électrique du premier conducteur électrique principal (106B ; 122).
7. Circuit électrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le composant électrique (112 ; 114) est un interrupteur commandable, par exemple un transistor à effet de champ à grille isolée.
8. Bras de commutation comportant des premier et deuxième circuits électriques chacun selon les revendications 6 et 7 prises ensemble et un tore magnétique (208), dans lequel le premier conducteur électrique principal (122) du deuxième circuit électrique comporte des premier et deuxième conducteurs électriques (202 ; 204), dits partiels, connectés électriquement l’un à l’autre, dans lequel le tore magnétique (208) est enroulé autour du deuxième conducteur électrique partiel (204), et dans lequel chaque connexion électrique (210) du premier circuit électrique relie le composant électrique (112) du premier circuit électrique au premier conducteur électrique partiel (202).
9. Bras de commutation selon la revendication 8, dans lequel le deuxième conducteur électrique partiel (204) est connecté électriquement au premier conducteur électrique partiel (202) par soudure, brasage ou vissage.
10. Bras de commutation selon la revendication 8 ou 9, comportant en outre un surmoulage de matière plastique (402) entourant le tore magnétique (208) et le deuxième conducteur électrique partiel (204), et dans lequel l’élément coupe- feu (404) est fixé au surmoulage de matière plastique (402).
11. Bras de commutation selon la revendication 10, dans lequel l’élément coupe-feu (404) présente au moins une languette (502), chaque languette (502) étant surmoulée dans le surmoulage en matière plastique (402) pour fixer l’élément coupe-feu (404) au surmoulage en matière plastique (402).
12. Convertisseur de tension comportant un bras de commutation selon l’une quelconque des revendications 8 à 11 et deux pièces (702, 704) entre lesquelles le bras de commutation est destiné à s’étendre, dans lequel l’élément coupe-feu (404) présente au moins une lamelle flexible (406) destinée à être déformée par une (702) des deux pièces de manière à plaquer le bras de commutation contre l’autre (704) des deux pièces.
13. Convertisseur de tension selon la revendication 12, dans lequel une (704) des deux pièces est un dissipateur de chaleur.
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