EP4176455A1 - Circuit d'alimentation pour module de puissance a transformateur d'isolation integre et module de puissance associe - Google Patents
Circuit d'alimentation pour module de puissance a transformateur d'isolation integre et module de puissance associeInfo
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- EP4176455A1 EP4176455A1 EP21745364.6A EP21745364A EP4176455A1 EP 4176455 A1 EP4176455 A1 EP 4176455A1 EP 21745364 A EP21745364 A EP 21745364A EP 4176455 A1 EP4176455 A1 EP 4176455A1
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Definitions
- the invention relates to the supply of power semiconductor modules and more particularly to isolated power supplies.
- a power module is a circuit using so-called power transistors, made for example in IGBT, MOSFET, SiC or GaN HEMTs technology.
- a conventional control circuit for a power module is made from an electronic printed circuit board (PCB) and directly uses isolated power supplies (incorporating transformers) on the market.
- PCB printed circuit board
- isolated power supplies incorporating transformers
- these power supplies have several drawbacks: they have a limited operating temperature range ( ⁇ 150 ° C); they have a significant parasitic capacitance (> 10pF); they are too large to allow their integration into the power module.
- An alternative solution is a transformer integrated into the PCB which does not include a magnetic core ("coreless").
- This solution has the advantage of allowing a operating at temperatures above 150 ° C, but its integration inside the module requires an additional thermal interface to cool the PCB.
- a solution is also known based on the use of a filtering inductor between two arms of a power module.
- the inductance is made by depositing copper on a single-sided substrate of the power module.
- the use of a single-sided substrate limits the thermal dissipation capacity of the module and does not allow an insulation function provided by a transformer.
- the invention aims to provide the isolation of a power supply circuit of a power module of reduced size, without excessive heating, with control of the parasitic capacitance value, allowing its integration into a power module.
- an electrical supply circuit for a power module comprising an electrical transformer comprising a primary circuit and a secondary circuit.
- the power supply circuit comprises:
- first substrate having a first face comprising a heat sink and a second face opposite the first face
- the primary circuit of the electrical transformer comprising a first part of the first metal tracks and a first part of the second metal tracks
- the secondary circuit of the electrical transformer comprising a second part of the first metal tracks and a second part of the first metal tracks.
- the second face of the first substrate is therefore placed opposite the second face of the second substrate.
- the architecture according to the invention allows for a very compact and small size power supply circuit. It also makes it possible to limit parasitic elements. More particularly, the parasitic capacitance between the turns of the primary and secondary circuits can in particular be reduced or controlled by adjusting the distance between the turns and therefore the width of the magnetic circuit.
- the circuit architecture further improves its resistance to high temperatures, that is to say temperatures typically above 150 ° C. Indeed, the double-sided metal substrate allowing better cooling, the operating temperature range of the supply circuit is extended. In practice, the upper limit temperature depends on the magnetic materials, the insulation and the fasteners of the electrical connection elements which are chosen.
- the reliability of the power supply circuit is also improved.
- better mechanical strength in terms of vibrations and thermal cycles
- a wound transformer with fine wire
- the circuit may include an electrical insulator made of a polymer material in which the electrical elements arranged between the first and second substrates are encapsulated.
- the polymeric material can be, for example, an epoxy polymer, a silicone gel or an elastomer.
- the same manufacturing process and the same polymeric material used to insulate the power semiconductors can advantageously be used.
- the circuit may further comprise a magnetic circuit formed by a magnetic core inserted between the two metal substrates and surrounded by at least part of said electrical connectors.
- the magnetic core can be produced by powder injection molding (known in English as the PIM process) or by a process known in English as "binder jetting".
- the electric transformer can be devoid of a mechanical core.
- the first substrate and the second substrate as well as the electrical connectors connecting the two substrates can be manufactured by additive manufacturing.
- a power module comprising electrical power components, a module control circuit, a module power supply circuit as defined above and a first and a second substrate.
- a module each having a first face comprising a heat sink and a second face opposite the first face, the second faces of the first and second substrates being arranged opposite one another, and the power supply circuit of the module, the module control circuit and the electrical power components being disposed between the first and second substrates, the first substrate of the electrical supply circuit being formed by a part of the first substrate of the module and the second substrate of the electrical supply circuit being formed by part of the second substrate of the module.
- an aircraft comprising at least one power module as defined above.
- FIG. 1 is a schematic representation of a power module according to one embodiment of the invention.
- FIG. 2 schematically shows an electrical supply circuit of the power module of Figure 1 according to a first embodiment.
- FIG. 3 schematically shows a power supply circuit of the power module of Figure 1 according to a second embodiment.
- Figure 1 is schematically shown a power module according to one embodiment of the invention.
- the power module 1 comprises electrical power components 2, such as power transistors or other semiconductor electronic components, a control circuit 3 of the power module 1 and an electrical supply circuit 4 of the control module. power 1.
- the power module 1 further comprises a first substrate 5 having a first face 50 and a second face 55, as well as a second substrate 6 having a first face 60 and a second face 65.
- the second face 55 of the first substrate 5 is arranged opposite the second face 65 of the second substrate 6.
- the electrical power components 2, the control circuit 3 and the electrical supply circuit 4 are arranged between the first substrate 5 and the second substrate 6. More particularly, the electric power components 2, the control circuit 3 and the electric power supply circuit 4 are each arranged between the second face 55 of the first substrate 5 and the second face 65 of the second substrate 6.
- the first face 50 of the first substrate 5 and the first face 60 of the second substrate each comprise a heat sink 7.
- Figure 2 is schematically shown the power supply circuit 4 of the power module 1 of Figure 1 according to a first embodiment.
- the electric power supply circuit 4 comprises an electric transformer 41 comprising a primary circuit 42 and a secondary circuit 43, and a magnetic core 44.
- the power supply circuit 4 further comprises a first substrate 45. formed by a portion of the first substrate 5 of the power module 1, and a second substrate 46 formed by a portion of the second substrate 6 of the power module 1.
- the first substrate 45 of the power supply circuit 4 has a first face 450, coincident with the first face 50 of the first substrate 5 of the power module 1, on which the heat sink 7 associated with the first substrate 5 is mounted.
- the second substrate 46 of the power supply circuit 4 has a first face 460, coincident with the first face 60 of the second substrate 6 of the power module 1, on which the heat sink 7 associated with the second substrate 6 is mounted.
- the first substrate 45 of the feed circuit 4 has a second face 455 opposite its first face 450, and the second substrate 46 of the feed circuit 4 has a second face 465 opposite its first face 460.
- the electrical supply circuit 4 further comprises first metal tracks 47 arranged on the second face 455 of the first substrate 45 of the electrical supply circuit 4, and second metal tracks 48 arranged on the second face 465 of the second substrate 46, as well as electrical connectors 49 arranged between the second face 455 of the first substrate 45 of the power supply circuit 4 and the second face 465 of the second substrate 46 of the power supply circuit 4 to electrically connect a first metal track 47 to a second metal track 48 and thus form the turns of the primary and secondary circuits.
- the primary circuit 42 of the electric transformer 41 comprises a first part of the first metal tracks 47 and a first part of the second metal tracks 48, these first and second tracks 47 and 48 being connected by corresponding electrical connectors 49 to form the turns of the primary circuit.
- the secondary circuit 43 of the electrical transformer 41 comprises a second part of the first metal tracks 47 and a second part of the second metal tracks 48, these first and second tracks 47 and 48 being connected by corresponding electrical connectors 49 to form the turns of the secondary circuit.
- the power module 1 further comprises an electrical insulator made of a polymer material, such as elastomer or epoxy, extending between the first substrate 5 and the second substrate 6, and in which the electrical elements are taken. arranged between the first and second substrates 5 and 6, that is to say the electrical components 2, the control circuit 3, and the transformer 41.
- an electrical insulator made of a polymer material, such as elastomer or epoxy, extending between the first substrate 5 and the second substrate 6, and in which the electrical elements are taken. arranged between the first and second substrates 5 and 6, that is to say the electrical components 2, the control circuit 3, and the transformer 41.
- FIG. 3 is schematically shown the power supply circuit 4 of the power module 1 of Figure 1 according to a second embodiment.
- the electrical supply circuit 4 illustrated in FIG. 3 differs from that illustrated in FIG. 2 in that the electrical transformer 41 does not have a magnetic core 44, which makes it possible to improve the resistance of the transformer at high temperatures, that is, that is, at temperatures above 150 ° C.
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Abstract
Circuit d'alimentation électrique (4) pour un module de puissance (1) comprenant un transformateur électrique(41), un premier substrat (45) ayant une première face (450) comportant un dissipateur thermique (7) et une seconde face(455), un second substrat (46) ayant une première face (460) comportant un dissipateur thermique (7) et une seconde face (465), des premières pistes métalliques (47) disposées sur la seconde face (455) du premier substrat (45), des secondes pistes métalliques (48) disposées sur la seconde face (465) du second substrat (46), des connecteurs électriques (49) disposés entre les premier et second substrats (45, 46) pour connecter électriquement une première piste métallique (47) à une seconde piste métallique (48), le circuit primaire (42) du transformateur électrique (41) comprenant une première partie des premières pistes métalliques (47) et une première partie des secondes pistes métalliques (48), et le circuit secondaire (43) du transformateur électrique (41) comprenant une seconde partie des premières pistes métalliques (47) et une seconde partie des secondes pistes métalliques (48).
Description
Description
Titre de l'invention : CIRCUIT D'ALIMENTATION POUR MODULE DE PUISSANCE A TRANSFORMATEUR D'ISOLATION INTEGRE ET MODULE DE PUISSANCE ASSOCIE
Domaine Technique
L’invention concerne l’alimentation des modules semi-conducteurs de puissance et plus particulièrement les alimentations électriques isolées.
Technique antérieure
Un module de puissance est un circuit utilisant des transistors dits de puissance, réalisés par exemple en technologie IGBT, MOSFET, SiC ou GaN HEMTs.
La commande de ces transistors nécessite un circuit électronique de commande de leurs grilles, connu sous le terme de "gâte driver" dans la littérature anglo-saxonne, qui fournit les signaux de commande de grille nécessaires, à partir de la tension d’alimentation logique des circuits électroniques intégrés. Il s'agit donc d'un circuit d'interface électrique. En pratique il est nécessaire d'isoler la partie signal et la partie puissance et une des solutions consiste à utiliser pour cela un transformateur.
Un circuit de commande classique d’un module de puissance est réalisé à partir d’une carte électronique en circuit imprimé (PCB) et utilise directement des alimentations isolées (intégrant des transformateurs) du commerce. Mais ces alimentations ont plusieurs inconvénients : elles ont une plage de température de fonctionnement limitée (<150°C) ; elles présententune capacité parasite importante (>10pF) ; elles sont trop volumineuses pour permettre leur intégration dans le module de puissance.
Il est également connu de réaliser le circuit d’alimentation et avec son transformateur à l’intérieur du PCB. Mais la plage de température de fonctionnement reste limitée (<150°C). De plus, l’intégration du noyau magnétique du transformateur dans le PCB fragilise la solution car des « cassures » peuvent apparaitre suite aux contraintes mécaniques qui s'exercent lors des variations de température, les coefficients d’expansion thermique n'étant pas les mêmes pour les différents matériaux en présence.
Une solution alternative est un transformateur intégré au PCB qui ne comporte pas de noyau magnétique (" coreless "). Cette solution a l'avantage de permettre un
fonctionnement à des températures supérieures à 150°C, mais son intégration à l’intérieur du module requiert une interface thermique supplémentaire pour refroidir le PCB.
Il est également connu une solution basée sur l’utilisation d’une inductance de filtrage entre deux bras d’un module de puissance. L'inductance est réalisée en déposant du cuivre sur un substrat simple face du module de puissance. Mais l’utilisation d’un substrat simple face limite la capacité de dissipation thermique du module et ne permet pas d’avoir une fonction d'isolation apportée par un transformateur.
Par ailleurs, on sait bien que les éléments parasites (capacités, inductances) présents dans les modules de puissance impactent leurs performances. Notamment, un élément à prendre en compte dans la possibilité d'intégrer une alimentation isolée est sa capacité parasite équivalente qui doit être maîtrisée.
Exposé de l’invention
L’invention vise à fournir l’isolation d’un circuit d’alimentation électrique d’un module de puissance de taille réduite, sans échauffement excessif, avec une maîtrise de la valeur de capacité parasite, permettant son intégration dans un module de puissance.
Selon un objet de l’invention, il est proposé un circuit d’alimentation électrique pour un module de puissance, le circuit d’alimentation comprenant un transformateur électrique comportant un circuit primaire et un circuit secondaire.
Selon une caractéristique générale de l’invention, le circuit d’alimentation électrique comprend :
- un premier substrat ayant une première face comportant un dissipateur thermique et une seconde face opposée à la première face,
- un second substrat ayant une première face comportant un dissipateur thermique et une seconde face opposée à la première face,
- des premières pistes métalliques disposées sur la seconde face du premier substrat, des secondes pistes métalliques disposées sur la seconde face du second substrat,
- des connecteurs électriques disposés entre les premier et second substrats pour connecter électriquement une première piste métallique à une seconde piste
métallique et former ainsi des spires, le circuit primaire du transformateur électrique comprenant une première partie des premières pistes métalliques et une première partie des secondes pistes métalliques, et le circuit secondaire du transformateur électrique comprenant une seconde partie des premières pistes métalliques et une seconde partie des secondes pistes métalliques.
La seconde face du premier substrat est donc disposée en regard de la seconde face du second substrat.
L’architecture selon l’invention permet d’avoir un circuit d’alimentation électrique très compact et de petite taille. Elle permet également de limiter les éléments parasites. Plus particulièrement, la capacité parasite entre les spires des circuits primaire et secondaire peut notamment être réduite ou contrôlée en réglant la distance entre les spires et donc la largeur du circuit magnétique.
L’architecture du circuit permet en outre d’améliorer sa résistance à des températures élevées, c’est-à-dire des températures typiquement supérieures à 150°C. En effet, le substrat métallique double face permettant un meilleur refroidissement, la plage de température de fonctionnement du circuit d'alimentation est étendue. En pratique, la température limite supérieure dépend des matériaux magnétiques, de l'isolant et des attaches des éléments de connexion électrique qui sont choisis.
La fiabilité du circuit d’alimentation électrique est également améliorée. On obtient notamment une meilleure tenue mécanique (en termes de vibrations et cycles thermiques) par rapport à un transformateur bobiné (avec du fil fin) inséré dans le module de puissance ou connecté au module par des brasures.
Selon un premier aspect du circuit d’alimentation électrique, le circuit peut comprendre un isolant électrique en matériau polymère dans lequel sont encapsulés les éléments électriques disposés entre les premier et second substrats.
Le matériau polymère peut être par exemple un polymère époxyde, un gel silicone ou un élastomère. On peut avantageusement utiliser le même procédé de fabrication et le même matériau polymère utilisés pour isoler les semi-conducteurs de puissance.
Selon un deuxième aspect du circuit d’alimentation électrique, le circuit peut comprendre en outre un circuit magnétique formé par un noyau magnétique inséré entre les deux substrats métalliques et entouré par au moins une partie desdits connecteurs électriques.
Selon un troisième aspect du circuit d’alimentation électrique, le noyau magnétique peut être réalisé par moulage par injection de poudre (connu en anglais sous la dénomination de procédé PIM) ou par un procédé connu en anglais sous la dénomination « binder jetting ».
Selon un quatrième aspect du circuit d’alimentation électrique, le transformateur électrique peut être dépourvu de noyau mécanique.
Avoir un transformateur électrique dépourvu de noyau magnétique permet d’améliorer la résistance du transformateur aux hautes températures, c’est-à-dire aux températures supérieures à 150°C.
Selon un cinquième aspect du circuit d’alimentation électrique, le premier substrat et le second substrat ainsi que les connecteurs électriques reliant les deux substrats peuvent être fabriqués par fabrication additive.
Dans un autre aspect de l’invention, il est proposé un module de puissance comprenant des composants électriques de puissance, un circuit de commande du module, un circuit d’alimentation du module tel que défini ci-dessus et un premier et un second substrats de module présentant chacun une première face comportant un dissipateur thermique et une seconde face opposée à la première face, les secondes faces des premier et second substrats étant disposées en regard l’une de l’autre, et le circuit d’alimentation du module, le circuit de commande du module et les composants électriques de puissance étant disposés entre les premier et second substrats, le premier substrat du circuit d’alimentation électrique étant formé par une partie du premier substrat du module et le second substrat du circuit d’alimentation électrique étant formé par une partie du second substrat du module.
Dans un autre aspect de l’invention, il est proposé un aéronef comprenant au moins un module de puissance tel que défini ci-dessus.
Brève description des dessins
[Fig. 1] La figure 1 est une représentation schématique d’un module de puissance selon un mode de réalisation de l’invention.
[Fig. 2] La figure 2 représente schématiquement un circuit d’alimentation électrique du module de puissance de la figure 1 selon un premier mode de réalisation.
[Fig. 3] La figure 3 représente schématiquement un circuit d’alimentation électrique du module de puissance de la figure 1 selon un second mode de réalisation.
Description des modes de réalisation
Sur la figure 1 est représenté schématiquement un module de puissance selon un mode de réalisation de l’invention.
Le module de puissance 1 comprend des composants électriques de puissance 2, tels que des transistors de puissance ou d’autre composants électroniques semi- conducteurs, un circuit de commande 3 du module de puissance 1 et un circuit d’alimentation électrique 4 du module de puissance 1.
Le module de puissance 1 comprend en outre un premier substrat 5 présentant une première face 50 et une seconde face 55, ainsi qu’un second substrat 6 présentant une première face 60 et une seconde face 65. La seconde face 55 du premier substrat 5 est disposée en regard de la seconde face 65 du second substrat 6. Les composants électriques de puissance 2, le circuit de commande 3 et le circuit d’alimentation électrique 4 sont disposés entre le premier substrat 5 et le second substrat 6. Plus particulièrement, les composants électriques de puissance 2, le circuit de commande 3 et le circuit d’alimentation électrique 4 sont, chacun, disposés entre la seconde face 55 du premier substrat 5 et la seconde face 65 du second substrat 6.
La première face 50 du premier substrat 5 et la première face 60 du second substrat comportent chacun un dissipateur thermique 7.
Sur la figure 2 est représenté schématiquement le circuit d’alimentation électrique 4 du module de puissance 1 de la figure 1 selon un premier mode de réalisation.
Le circuit d’alimentation électrique 4 comprend un transformateur électrique 41 comportant un circuit primaire 42 et un circuit secondaire 43, et un noyau magnétique 44. Le circuit d’alimentation 4 comprend en outre un premier substrat 45
formé par une portion du premier substrat 5 du module de puissance 1 , et un second substrat 46 formé par une portion du second substrat 6 du module de puissance 1.
Le premier substrat 45 du circuit d’alimentation 4 présente une première face 450, confondue avec la première face 50 du premier substrat 5 du module de puissance 1 , sur laquelle est monté le dissipateur thermique 7 associé au premier substrat 5.
Le second substrat 46 du circuit d’alimentation 4 présente une première face 460, confondue avec la première face 60 du second substrat 6 du module de puissance 1 , sur laquelle est monté le dissipateur thermique 7 associé au second substrat 6.
Le premier substrat 45 du circuit d’alimentation 4 présente une seconde face 455 opposée à sa première face 450, et le second substrat 46 du circuit d’alimentation 4 présente une seconde face 465 opposée à sa première face 460.
Le circuit d’alimentation électrique 4 comprend en outre des premières pistes métalliques 47 disposées sur la seconde face 455 du premier substrat 45 du circuit d’alimentation électrique 4, et des secondes pistes métalliques 48 disposées sur la seconde face 465 du second substrat 46, ainsi que des connecteurs électriques 49 disposés entre la seconde face 455 du premier substrat 45 du circuit d’alimentation électrique 4 et la seconde face 465 du second substrat 46 du circuit d’alimentation électrique 4 pour connecter électriquement une première piste métallique 47 à une seconde piste métallique 48 et ainsi former les spires des circuits primaire et secondaire.
Le circuit primaire 42 du transformateur électrique 41 comprend une première partie des premières pistes métalliques 47 et une première partie des secondes pistes métalliques 48, ces premières et deuxièmes pistes 47 et 48 étant reliées par des connecteurs électriques 49 correspondants pour former les spires du circuit primaire, et le circuit secondaire 43 du transformateur électrique 41 comprend une seconde partie des premières pistes métalliques 47 et une seconde partie des secondes pistes métalliques 48, ces premières et deuxièmes pistes 47 et 48 étant reliées par des connecteurs électriques 49 correspondants pour former les spires du circuit secondaire.
Le module de puissance 1 comprend encore un isolant électrique en matériau polymère, tel que de l’élastomère ou de l’époxyde, s’étendant entre le premier substrat 5 et le second substrat 6, et dans lequel sont pris les éléments électriques
disposés entre les premier et second substrats 5 et 6, c’est-à-dire les composants électriques 2, le circuit de commande 3, et le transformateur 41.
Sur la figure 3 est représenté schématiquement le circuit d’alimentation électrique 4 du module de puissance 1 de la figure 1 selon un second mode de réalisation. Le circuit d’alimentation électrique 4 illustré sur la figure 3 diffère de celui illustré sur la figure 2 en ce que le transformateur électrique 41 est dépourvu de noyau magnétique 44, ce qui permet d’améliorer la tenue du transformateur aux hautes températures, c’est-à-dire aux températures supérieures à 150°C.
Claims
[Revendication 1] Circuit d'alimentation électrique (4) pour un module de puissance (1), le circuit d'alimentation électrique (4) comprenant un transformateur électrique (41) comportant un circuit primaire (42) et un circuit secondaire (43), caractérisé en ce qu'il comprend :
- un premier substrat (45) ayant une première face (450) comportant un dissipateur thermique (7) et une seconde face (455) opposée à la première face (450),
- un second substrat (46) ayant une première face (460) comportant un dissipateur thermique (7) et une seconde face (465) opposée à la première face (460),
- des premières pistes métalliques (47) disposées sur la seconde face (455) du premier substrat (45), des secondes pistes métalliques (48) disposées sur la seconde face (465) du second substrat (46),
- des connecteurs électriques (49) disposés entre la seconde face (455) du premier substrat (45) et la seconde face (465) du second substrat (46) pour connecter électriquement une première piste métallique (47) à une seconde piste métallique (48), le circuit primaire (42) du transformateur électrique (41) comprenant une première partie des premières pistes métalliques (47) et une première partie des secondes pistes métalliques (48), et le circuit secondaire (43) du transformateur électrique (41) comprenant une seconde partie des premières pistes métalliques (47) et une seconde partie des secondes pistes métalliques (48).
[Revendication 2] Circuit d'alimentation électrique (4) selon la revendication 1, comprenant un isolant électrique en matériau polymère dans lequel sont encapsulés les éléments électriques (41) disposés entre les premier et second substrats (45, 46).
[Revendication 3] Circuit d'alimentation électrique (4) selon l'une des revendications 1 ou 2, comprenant en outre un circuit magnétique formé par un noyau magnétique (44) inséré entre les premières et secondes pistes
métalliques (47, 48) et entouré par au moins une partie desdits connecteurs électriques (49).
[Revendication 4] Circuit d'alimentation électrique (4) selon la revendication 3, dans lequel le noyau magnétique (44) est réalisé par un procédé de fabrication additive tel qu'un procédé de moulage par injection de poudre.
[Revendication 5] Circuit d'alimentation électrique (4) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le transformateur électrique (41) est dépourvu de noyau magnétique.
[Revendication 6] Circuit d'alimentation électrique (4) selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le premier substrat (45) et le second substrat (46) sont fabriqués par fabrication additive.
[Revendication 7] Module de puissance (1) comprenant des composants électriques de puissance (2), un circuit de commande (3) du module de puissance (1), un circuit d'alimentation électrique (4) du module de puissance (1) selon l'une des revendications 1 à 6, et un premier et un second substrats de module (5, 6) présentant chacun une première face (50, 60) comportant un dissipateur thermique (7) et une seconde face (55, 65) opposée à la première face (50, 60), les secondes faces (55, 65) des premier et second substrats (5, 6) étant disposées en regard l'une de l'autre, et le circuit d'alimentation électrique (4), le circuit de commande (3) et les composants électriques de puissance (2) étant disposés entre les premier et second substrats (5, 6), le premier substrat (45) du circuit d'alimentation électrique (4) étant formé par une partie du premier substrat de module (5) et le second substrat (46) du circuit d'alimentation électrique (4) étant formé par une partie du second substrat de module (6).
[Revendication 8] Aéronef comprenant au moins un module de puissance (1) selon la revendication 7. I
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