EP4691201A1 - Dispositif d'électronique de puissance à constante de temps thermique améliorée - Google Patents

Dispositif d'électronique de puissance à constante de temps thermique améliorée

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Publication number
EP4691201A1
EP4691201A1 EP24712848.1A EP24712848A EP4691201A1 EP 4691201 A1 EP4691201 A1 EP 4691201A1 EP 24712848 A EP24712848 A EP 24712848A EP 4691201 A1 EP4691201 A1 EP 4691201A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cooling plate
power
circuit
electronics device
power electronics
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24712848.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Hubert Lescot
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.)
Ampere SAS
Original Assignee
Ampere SAS
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Filing date
Publication date
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Publication of EP4691201A1 publication Critical patent/EP4691201A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • H05K7/20927—Liquid coolant without phase change

Definitions

  • the present invention relates to the fields of electrical engineering and thermodynamics, and more specifically concerns a power electronics device such as an inverter, in particular for a motor vehicle.
  • Electric or hybrid electric vehicles include power electronics devices linked to the operation of their powertrains, their electric chargers or their on-board networks.
  • a vehicle includes a so-called high-voltage traction battery, of the order of 200 to 800V (Volt), to power an electric motor providing sufficient torque to drive the vehicle, the electric motor generally being an alternating current motor.
  • the vehicle must therefore integrate a power inverter converting the direct voltage provided by the traction battery into alternating voltage.
  • the vehicle also generally integrates a direct current - direct current power converter to power an on-board network of the vehicle from the traction battery, in addition to or instead of a much lower voltage service battery, and also generally integrates a power charger to recharge the traction battery from an external charging station.
  • These power electronic devices comprise power electronic components, which are subjected in operation to high currents, of several hundred amperes, causing a rise in temperature of these components, which can damage them if this temperature is not maintained below a certain threshold. For example, too high a temperature can melt power transistors, or damage stator or rotor inductances.
  • such an electric or hybrid vehicle implements at least one mechanism for controlling the temperature of its power electronics devices.
  • a mechanism limits, for example, the power supplied to the engine as soon as the temperature of the components of the power inverter or the electric engine exceeds a high temperature threshold, set for example at around a hundred degrees Celsius.
  • a control mechanism therefore limits the operating power peaks of the vehicle, so that the temperature of the power electronics components does not exceed a critical temperature threshold higher than the high temperature threshold.
  • the critical temperature threshold is, for example, the junction temperature of a silicon transistor, i.e. approximately 150°C (degrees Celsius).
  • the power peaks are generally limited to a duration of around ten to twenty seconds. Such a peak power corresponds for example to a sudden restart of the vehicle.
  • the power modules are generally oversized to provide the torque requested by the driver, without having to activate a temperature control mechanism.
  • the electric or hybrid vehicle comprises a system for cooling the power electronic components.
  • This system may comprise a circulation of heat transfer fluid, passing through a cooling plate on which is fixed at least one power electronic device such as the inverter or the direct current - direct current converter.
  • the cooling plate is cooled by an air flow coming from outside the vehicle, and comprises cooling fins facilitating heat exchange with the air flow.
  • the power electronic components of the power electronic device such as the transistors
  • the thermal resistance of the power electronic device is significant.
  • the surface area of the transistors is very small, the heat exchange surface between the transistors and the cooling plate is very small.
  • the power conductive bars or the inductances of the power electronic device are not cooled by the cooling plate. All this means that the thermal time constant of the power electronic device cooled by the cooling plate is approximately one second, or ten to twenty times smaller than the duration of a power peak. This thermal time constant is representative of the time required for the temperature of the power electronic device, and in particular its electronic components, to follow a temperature increase linked to the electric current flowing through it, despite the cooling plate.
  • the electronic power components of the vehicle are therefore sized to be able to withstand these power peaks, with a value of two to three times that of the nominal operating power of the vehicle.
  • the size of the electronic power components is therefore oversized, worth two to three times the size of these components if they were only used at their nominal power. This oversizing involves a cost, and does not contribute to the efforts to lighten vehicles to reduce their energy consumption.
  • the engine compartments of vehicles are very cluttered, it is desirable to optimize as much as possible the size of the devices that these compartments house.
  • the invention aims to remedy at least in part the drawbacks of the prior art, by providing a power electronics device whose components can be sized for use at the maximum of their capacity at nominal power, thanks to better management of their temperature, and a powertrain comprising this power electronics device.
  • the present invention proposes a power electronics device comprising:
  • the power electronics device being characterized in that it comprises a phase change material embedding the circuit.
  • the input and output conductors emerge from the phase change material, or are not covered by the phase change material.
  • the power electronic components are for example sized to operate at their maximum capacity at nominal power only.
  • the cooling plate provides the cooling necessary to maintain the temperature of the power electronic components below their critical temperature, as in the prior art.
  • the phase change material absorbs the excess heat not dissipated by the cooling plate, by changing from the solid state to the liquid state, which allows the power electronic components to remain below their critical temperature.
  • the cooling plate manages to effectively cool the power electronic components, and the phase change material solidifies where it had become liquid.
  • the phase change material is dimensioned in volume so as not to liquefy completely during power peaks.
  • the phase change material occupies a volume whose contours extend around the circuit from the cooling plate to at least one plane parallel to the cooling plate, such that the circuit is between the cooling plate and the plane.
  • the phase change material occupies a volume such that it drowns the power electronic components of the power electronic device outside the contact surface between the components and the cooling plate(s).
  • the phase change material is preferably chosen from materials capable of changing from a solid state to a liquid state at a temperature lower than the maximum junction temperature of a transistor, therefore lower than 150°C if the components of the power electronics device are silicon transistors or lower than 200°C if the components of the power electronics device are gallium nitride or silicon carbide transistors.
  • the phase change material is for example a paraffin composed of an alkane containing more than 17 carbon atoms. It may be hexacontane (60 carbon atoms) whose melting temperature is 100°C.
  • the power electronics device comprises a housing housing the phase change material, the housing comprising side walls extending laterally to the circuit from the cooling plate to an upper wall of the housing, a space being left free between the upper wall of the housing and the phase change material.
  • the housing makes it possible to maintain the phase change material in shape.
  • the space provided between the phase change material and the upper wall of the housing allows the material to expand under heat without deforming the housing.
  • the input and output conductors extend outside the housing.
  • the upper wall of the housing comprises, for example, holes for the input and output conductors to pass through.
  • the circuit is arranged and fixed on an electrically insulating and thermally conductive substrate layer, itself secured to the cooling plate.
  • This substrate layer makes it possible to electrically insulate the cooling plate from the circuit, while allowing the latter to be cooled.
  • the substrate layer is in particular gripped between on the one hand at least a first metal layer of the circuit and on the other hand a second metal layer, fixed to the cooling plate.
  • This characteristic allows good mechanical strength of the circuit and its fixing to the cooling plate, by allowing identical expansion under heat, metal layers gripped by the substrate layer.
  • the substrate layer is for example made of ceramic. It therefore does not necessarily have the same coefficient of expansion as the metal layers, generally made of copper.
  • the cooling plate comprises a heat transfer fluid circulation channel.
  • the cooling plate dodonti is connected to a heat sink via thermal paste.
  • the invention also relates to an electric powertrain comprising a power electronics device according to the invention.
  • the electric powertrain has advantages similar to those of the power electronics device according to the invention.
  • FIG-1 schematically represents a power electronics device according to the invention.
  • a power electronics device 1 according to the invention is in one embodiment of the invention, a power inverter of an electric or hybrid electric vehicle. It comprises in particular at least one diode 12 and one transistor 14 (not all the components of the power electronics device 1 are shown). Of course, these components are given solely as an example, their nature varying according to the power electronics device according to the invention.
  • the diode 12 and the transistor 14 are connected by a circuit 2 comprising copper wires 11 and first flat copper metal layers 28, 24.
  • the diode 12 and the transistor 14 are brazed respectively by means of a brazing 34 and 36 on the first metal layer 28.
  • An output conductor 4 in the form of a copper bar, is welded by a weld 30 on the first metal layer 28, and is arranged orthogonally thereto.
  • an input conductor 3 also in the form of a copper bar, is welded by a weld 32 to the first metal layer 24 and is arranged orthogonally thereto.
  • other input and output conductors of the inverter are not shown but are arranged in a similar manner to the input 3 and output 4 conductors.
  • the first metal layers 24, 28 of the circuit 2 are sintered on a flat ceramic layer 22.
  • a second metal layer 26 is sintered on the side opposite the first metal layers 24, 28 on the ceramic layer 22.
  • the ceramic layer 22 is therefore gripped between the first metal layers 28, 24 and the second metal layer 26.
  • the second metal layer 26 is furthermore brazed, via a brazing 38, to a cooling plate 8, comprising a heat transfer fluid circulation channel 9, for example glycolated water.
  • the heat transfer fluid circulation channel 9 is connected to a cooling circuit of the vehicle, not shown.
  • Components 12, 14 are electronic power components di- designed to operate at the rated electrical power of a powertrain of the vehicle powered by the power electronics device 1, i.e. at a power such that the cooling plate 8 is sufficient to ensure that the temperature of these power electronic components 12, 14 does not exceed their junction temperatures, over an indefinite period of operation of the powertrain operating at this rated power.
  • the power electronic components 12, 14 are not designed to operate at a power peak equal to two or three times the rated power of the vehicle, for an indefinite period.
  • the power electronics device 1 comprises a phase-change material 6 embedding a portion of the input 3 and output 4 conductors, the circuit 2, the ceramic layer 22 and the second metallic layer 26 of copper which is brazed onto the cooling plate 8.
  • This phase-change material 6 is for example a paraffin block with more than 17 carbon atoms, this block being housed in a housing 5 comprising side walls 52, 54 extending laterally to the circuit 2 from the cooling plate 8 to an upper wall 56 of the housing, parallel to the cooling plate 8.
  • the block of phase-change material 6 occupies the entire internal volume of the housing left free between the cooling plate 8 and a substantially parallel plane 62 to the upper wall 56 of the housing 5.
  • the space 7 between this parallel plane 62 and the upper wall 56 of the housing 5 is empty. It allows the phase-change material 6 to expand under the action of heat without damaging the housing 5.
  • the input 3 and output 4 conductors exit the housing 5 through orifices arranged in the upper wall 56 of the housing 5.
  • phase-change material 6 becomes liquid around the components 12, 14 to be cooled, and this for the entire duration of the power peak. There is therefore a liquid phase q>2 of the phase-change material 6 around the components 12, 14 for the duration of the power peak, this liquid phase q>2 being contained in a solid phase ⁇ pl of the phase-change material 6, separated from the liquid phase q>2 by a separation surface 60 shown in dotted lines in [Eig.l].
  • the volume of phase-change material 6 is in fact calculated so that during a power peak of operation of the powertrain of the vehicle, the paraffin contained in the housing 5 does not melt entirely.
  • this separation surface 60 decreases until disappearing under the action of the cooling plate 8 which evacuates the calories generated during the power peak and which were absorbed in the phase change material 6 by its change of state. Between two power peaks, the phase change material 6 therefore only has one solid phase q> 1.
  • phase-change material 6 therefore makes it possible to increase the thermal time constant of the power electronics device 1 to a value greater than the duration of the operating power peaks of the vehicle's powertrain. In other words, during power peaks, the temperature of the electronic components of the device will not increase or will increase very little, by not following the temperature increase dynamics normally linked to the increase in power during these peaks.
  • the cooling plate can include cooling fins and not a cooling channel.
  • the method of fixing the components can also have various techniques present in the prior art, for example the second metal layer 26 can be sintered on the cooling plate 8 instead of being brazed there.
  • the circuit 2 can be arranged differently than on a ceramic plate, in particular if it includes inductances, these can be secured to the cooling plate 8 directly or only by means of an electrically insulating layer made of polymer for example.

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif (1) d'électronique de puissance comportant : - des composants électroniques de puissance (12, 14), - une plaque de refroidissement (8), - un circuit (2) comportant les composants électroniques de puissance (12, 14) et les reliant électriquement, le circuit (2) étant solidarisé à la plaque de refroidissement (8), - des conducteurs d'entrée (3) et de sortie (4) du circuit (2), le dispositif (1) d'électronique de puissance étant caractérisé en ce qu'il comporte un matériau (6) à changement de phase noyant le circuit (2).

Description

Description
Titre de l'invention : Dispositif d’électronique de puissance à constante de temps thermique améliorée
[0001] La présente invention se rapporte aux domaines de F électrotechnique et de la thermodynamique, et concerne plus précisément un dispositif d’électronique de puissance tel qu’un onduleur, notamment pour un véhicule automobile.
[0002] Les véhicules électriques ou hybrides électriques comportent des dispositifs d’électronique de puissance liés au fonctionnement de leurs groupes motopropulseurs, de leurs chargeurs électriques ou de leurs réseaux de bord. En effet, un tel véhicule comporte une batterie dite de traction de tension élevée, de l’ordre de 200 à 800V (Volt), pour alimenter un moteur électrique apportant un couple suffisant pour faire rouler le véhicule, le moteur électrique étant généralement un moteur à courant alternatif. Le véhicule doit donc intégrer un onduleur de puissance convertissant la tension continue fournie par la batterie de traction, en tension alternative. Le véhicule intègre de plus généralement un convertisseur courant continu - courant continu de puissance pour alimenter un réseau de bord du véhicule à partir de la batterie de traction, en complément ou à la place d’une batterie de servitude de tension bien plus faible, et intègre aussi généralement un chargeur de puissance pour recharger la batterie de traction depuis une borne de recharge externe.
[0003] Ces dispositifs d’électronique de puissance comportent des composants électroniques de puissance, qui sont soumis en fonctionnement à des courants élevés, de plusieurs centaines d’ampères, provoquant une montée en température de ces composants, qui peut les détériorer si cette température n’est pas maintenue sous un certain seuil. Par exemple une température trop élevée peut faire fondre des transistors de puissance, ou détériorer les inductances statoriques ou rotoriques.
[0004] De ce fait, un tel véhicule électrique ou hybride implémente au moins un mécanisme de contrôle de la température de ses dispositifs d’électronique puissance. Un tel mécanisme limite par exemple la puissance fournie au moteur dès que la température des composants de l’onduleur de puissance ou du moteur électrique dépasse un seuil haut de température, fixé par exemple à une centaine de degrés Celsius. Un tel mécanisme de contrôle limite donc les pics de puissance de fonctionnement du véhicule, de sorte que la température des composants d’électronique de puissance ne dépasse pas un seuil critique de température supérieur au seuil haut de température. Le seuil critique de température est par exemple la température de jonction d’un transistor en silicium, soit environ 150°C (degrés Celsius). Les pics de puissance sont généralement limités à une durée d’une dizaine à une vingtaine de secondes. Un tel pic de puissance correspond par exemple à un redémarrage brusque du véhicule.
[0005] De manière alternative ou complémentaire, les modules de puissance sont généralement surdimensionnés pour fournir le couple demandé par le conducteur, sans avoir à activer de mécanisme de contrôle de température.
[0006] Pour stopper efficacement la montée en température des composants électroniques de puissance, notamment lors de ces pics de puissance, le véhicule électrique ou hybride comporte un système de refroidissement des composants électroniques de puissance. Ce système peut comporter une circulation de fluide caloporteur, passant dans une plaque de refroidissement sur laquelle est fixé au moins un dispositif d’électronique de puissance tel que l’onduleur ou le convertisseur courant continu - courant continu. Alternativement ou en complément, la plaque de refroidissement est refroidie par un flux d’air provenant de l’extérieur du véhicule, et comporte des ailettes de refroidissement facilitant l’échange thermique avec le flux d’air.
[0007] Dans un tel système de refroidissement, les composants électroniques de puissance du dispositif d’électronique de puissance, tels que les transistors, sont fixés sur la plaque de refroidissement par l’intermédiaire d’une ou plusieurs couches électriquement isolantes mais dont souvent la conductivité thermique n’est pas très efficace. De ce fait la résistance thermique du dispositif d’électronique de puissance est importante. De plus, la surface des transistors étant très petite, la surface d’échange thermique entre les transistors et la plaque de refroidissement est très faible. Enfin les barres conductrices de puissance ou les inductances du dispositif d’électronique de puissance ne sont pas refroidies par la plaque de refroidissement. Tout cela fait que la constante de temps thermique du dispositif d’électronique de puissance refroidi par la plaque de refroidissement est d’environ une seconde, soit dix à vingt fois plus petite que la durée d’un pic de puissance. Cette constante de temps thermique est représentative du temps nécessaire pour que la température du dispositif d’électronique de puissance, et notamment de ses composants électroniques, suive une augmentation de température liée au courant électrique qui le parcourt, malgré la plaque de refroidissement.
[0008] Pour ne pas monter trop haut en température lors des pics de puissance, les composants électroniques de puissance du véhicule sont donc dimensionnés pour pouvoir subir ces pics de puissance, d’une valeur de deux à trois fois celle de la puissance nominale de fonctionnement du véhicule. La taille des composants électroniques de puissance est donc surdimensionnée, valant deux à trois fois la taille de ces composants s’ils n’étaient utilisés qu’à leur puissance nominale. Ce surdimensionnement implique un coût, et ne participe pas aux efforts d’allègement des véhicules pour diminuer leur consommation d’énergie. De plus les compartiments moteur des véhicules étant très encombrés, il est souhaitable d’optimiser au mieux la taille des dispositifs que ces compartiments logent.
[0009] Il existe donc un besoin d’optimiser la taille des dispositifs d’électronique de puissance au sein des véhicules électriques ou hybrides électriques.
[0010] L’invention vise à remédier au moins en partie aux inconvénients de la technique antérieure, en fournissant un dispositif d’électronique de puissance dont les composants peuvent être dimensionnés pour une utilisation au maximum de leur capacité à puissance nominale, grâce à une meilleure gestion de leur température, et un groupe motopropulseur comportant ce dispositif d’électronique de puissance.
[0011] A cette fin, la présente invention propose un dispositif d’électronique de puissance comportant :
- des composants électroniques de puissance,
- une plaque de refroidissement,
- un circuit comportant les composants électroniques de puissance et les reliant électriquement, le circuit étant solidarisé à la plaque de refroidissement,
- des conducteurs d’entrée et de sortie du circuit, le dispositif d’électronique de puissance étant caractérisé en ce qu’il comporte un matériau à changement de phase noyant le circuit. Les conducteurs d’entrée et de sortie émergent du matériau à changement de phase, ou bien ne sont pas recouverts du matériau à changement de phase.
[0012] Grâce à l’invention, les composants électroniques de puissance sont par exemple dimensionnés pour fonctionner au maximum de leur capacité à puissance nominale seulement. En effet en fonctionnement nominal, la plaque de refroidissement assure le refroidissement nécessaire au maintien de la température des composants électroniques de puissance sous leur température critique, comme dans l’art antérieur. En revanche lors des pics de puissance, le matériau à changement de phase absorbe le surplus de chaleur non dissipé par la plaque de refroidissement, en passant de l’état solide à l’état liquide, ce qui permet aux composants électroniques de puissance de se maintenir en dessous de leur température critique. Une fois le pic de puissance dépassé, la plaque de refroidissement parvient à refroidir efficacement les composants électroniques de puissance, et le matériau à changement de phase se solidifie là où il était devenu liquide.
[0013] Selon une caractéristique préférée de l’invention, le matériau à changement de phase est dimensionné en volume de sorte à ne pas se liquéfier totalement lors des pics de puissance. Préférentiellement, le matériau à changement de phase occupe un volume dont des contours s’étendent autour du circuit depuis la plaque de refroidissement jusqu’à au moins un plan parallèle à la plaque de refroidissement, tel que le circuit est compris entre la plaque de refroidissement et le plan. Lorsque la plaque de refroidissement n’est pas plane ou d’un seul morceau, le matériau à changement de phase occupe un volume tel qu’il noie les composants électroniques de puissance du dispositif d’électronique de puissance en dehors de la surface de contact entre les composants et la ou les plaques de refroidissement.
[0014] Le matériau à changement de phase est préférentiellement choisi parmi les matériaux aptes à passer d’un état solide à un état liquide à une température inférieure à la température de jonction maximale d’un transistor, donc inférieure à 150°C si les composants du dispositif d’électronique de puissance sont des transistors à silicium ou inférieure à 200°C si les composants du dispositif d’électronique de puissance sont des transistors à nitrure de gallium ou en carbure de silicium.
[0015] Le matériau à changement de phase est par exemple une paraffine composée d’un alcane comportant plus de 17 atomes de carbone. Il peut s’agir d’hexacontane (60 atomes de carbone) dont la température de fusion est de 100°C.
[0016] Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le dispositif d’électronique de puissance comporte un boîtier logeant le matériau à changement de phase, le boîtier comportant des parois latérales s’étendant latéralement au circuit depuis la plaque de refroidissement jusqu’à une paroi supérieure du boîtier, un espace étant laissé libre entre la paroi supérieure du boîtier et le matériau à changement de phase. Le boîtier permet de maintenir en forme le matériau à changement de phase. L’espace prévu entre le matériau à changement de phase et la paroi supérieure du boîtier permet au matériau de se dilater sous la chaleur sans déformer le boîtier.
[0017] Les conducteurs d’entrée et de sortie s’étendent à l’extérieur du boîtier. Pour cela, la paroi supérieure du boîtier comporte par exemple des orifices de passage des conducteurs d’entrée et de sortie.
[0018] Dans un mode de réalisation de l’invention, le circuit est agencé et fixé sur une couche de substrat électriquement isolante et thermiquement conductrice, elle-même solidarisée à la plaque de refroidissement. Cette couche de substrat permet d’isoler électriquement la plaque de refroidissement du circuit, tout en permettant le refroidissement de celui-ci.
[0019] La couche de substrat est notamment prise en tenaille entre d’une part au moins une première couche métallique du circuit et d’autre part une deuxième couche métallique, fixée à la plaque de refroidissement. Cette caractéristique permet une bonne tenue mécanique du circuit et de sa fixation à la plaque de refroidissement, en permettant une dilatation identique sous la chaleur, des couches métalliques prenant en tenaille la couche de substrat. La couche de substrat est par exemple en céramique. Elle n’a donc pas forcément le même coefficient de dilatation que les couches métalliques, généralement en cuivre.
[0020] Dans un mode de réalisation de l’invention, la plaque de refroidissement comporte un canal de circulation de fluide caloporteur. Alternativement, la plaque de refroi- dissement est connectée à un dissipateur de chaleur par l’intermédiaire d’une pâte thermique.
[0021] L’invention concerne également un groupe motopropulseur électrique comportant un dispositif d’électronique de puissance selon l’invention. Le groupe motopropulseur électrique présente des avantages analogues à ceux du dispositif d’électronique de puissance selon l’invention.
[0022] D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore au travers de la description qui suit d’une part, et de plusieurs exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence à l’unique dessin schématique annexé d’autre part, sur lequel :
[0023] [Fig-1] représente schématiquement un dispositif d’électronique de puissance selon l’invention.
[0024] Un dispositif 1 d’électronique de puissance selon l’invention, représenté [Fig.l], est dans un mode de réalisation de l’invention, un onduleur de puissance d’un véhicule électrique ou hybride électrique. Il comporte notamment au moins une diode 12 et un transistor 14 (tous les composants du dispositif 1 d’électronique de puissance ne sont pas représentés). Bien sûr ces composants sont donnés uniquement à titre d’exemple, leur nature variant suivant le dispositif d’électronique de puissance selon l’invention.
[0025] La diode 12 et le transistor 14 sont reliés par un circuit 2 comportant des fils de cuivre 11 et des premières couches métalliques 28, 24 planes en cuivre. Notamment la diode 12 et le transistor 14 sont brasés respectivement au moyen d’une brasure 34 et 36 sur la première couche métallique 28. Un conducteur de sortie 4, sous forme d’une barre de cuivre, est soudé par une soudure 30 sur la première couche métallique 28, et est disposé orthogonalement à celle-ci. De même, un conducteur d’entrée 3 également sous forme d’une barre de cuivre, est soudé par une soudure 32 à la première couche métallique 24 et est disposé orthogonalement à celle-ci. Il est à noter que d’autres conducteurs d’entrée et de sortie de l’onduleur ne sont pas représentés mais sont agencés de manière similaire aux conducteurs d’entrée 3 et de sortie 4.
[0026] Les premières couches métalliques 24, 28 du circuit 2 sont frittées sur une couche de céramique 22 plane. Une deuxième couche métallique 26 est frittée du côté opposé aux premières couches métalliques 24, 28 sur la couche de céramique 22. La couche de céramique 22 est donc prise en tenaille entre les premières couches métalliques 28, 24 et la deuxième couche métallique 26.
[0027] La deuxième couche métallique 26 est d’autre part brasée, via une brasure 38, à une plaque de refroidissement 8, comportant un canal de circulation de fluide caloporteur 9, par exemple de l’eau glycolée. Le canal de circulation du fluide caloporteur 9 est connecté à un circuit de refroidissement du véhicule, non représenté.
[0028] Les composants 12, 14 sont des composants électroniques de puissance di- mensionnés pour fonctionner à la puissance électrique nominale d’un groupe moto- propulseur du véhicule alimenté par le dispositif 1 d’électronique de puissance, c’est-à-dire à une puissance telle que la plaque de refroidissement 8 suffise à ce que la température de ces composants électroniques de puissance 12, 14 ne dépasse pas leurs températures de jonction, sur une durée indéterminée de fonctionnement du groupe motopropulseur fonctionnant à cette puissance nominale. En revanche, les composants électroniques de puissance 12, 14 ne sont pas dimensionnés pour fonctionner à un pic de puissance égal à deux ou trois fois la puissance nominale du véhicule, pendant une durée indéterminée.
[0029] Afin de supporter de tels pics de puissance de fonctionnement du groupe motopropulseur pouvant durer de 10 à 20 secondes, le dispositif 1 d’électronique de puissance comporte un matériau 6 à changement de phase noyant une partie des conducteurs d’entrée 3 et de sortie 4, le circuit 2, la couche de céramique 22 et la deuxième couche métallique 26 de cuivre qui est brasée sur la plaque de refroidissement 8. Ce matériau 6 à changement de phase est par exemple un bloc de paraffine à plus de 17 atomes de carbone, ce bloc étant logé dans un boîtier 5 comportant des parois latérales 52, 54 s’étendant latéralement au circuit 2 depuis la plaque de refroidissement 8 jusqu’à une paroi supérieure 56 du boîtier, parallèle à la plaque de refroidissement 8.
[0030] Le bloc de matériau 6 à changement de phase occupe tout le volume interne du boîtier laissé libre entre la plaque de refroidissement 8 et un plan sensiblement parallèle 62 à la paroi supérieure 56 du boîtier 5. L’espace 7 compris entre ce plan parallèle 62 et la paroi supérieure 56 du boîtier 5 est vide. Il permet au matériau 6 à changement de phase de se dilater sous l’action de la chaleur sans détériorer le boîtier 5.
[0031] Les conducteurs d’entrée 3 et de sortie 4 sortent du boîtier 5 par des orifices agencés dans la paroi supérieure 56 du boîtier 5.
[0032] Lors d’un pic de puissance, le matériau 6 à changement de phase devient liquide autour des composants 12, 14 à refroidir, et ce pendant toute la durée du pic de puissance. Il existe donc une phase liquide q>2 du matériau 6 à changement de phase autour des composants 12, 14 pendant la durée du pic de puissance, cette phase liquide q>2 étant contenue dans une phase solide <pl du matériau 6 à changement de phase, séparée de la phase liquide q>2 par une surface 60 de séparation représentée en pointillés sur la [Eig.l]. Le volume de matériau 6 à changement de phase est en effet calculé de sorte que lors d’un pic de puissance de fonctionnement du groupe motopropulseur du véhicule, la paraffine contenue dans le boîtier 5 ne fonde pas entièrement.
[0033] Lorsque le pic de puissance se termine, cette surface 60 de séparation diminue jusqu’à disparaître sous l’action de la plaque de refroidissement 8 qui évacue les calories générées lors du pic de puissance et qui étaient absorbées dans le matériau 6 à changement de phase par son changement d’état. Entre deux pics de puissance, le matériau 6 à changement de phase ne présente donc plus qu’une seule phase q> 1 solide.
[0034] La présence du matériau 6 à changement de phase permet donc d’augmenter la constante de temps thermique du dispositif 1 d’électronique de puissance, à une valeur supérieure à la durée des pics de puissance de fonctionnement du groupe moto- propulseur du véhicule. Autrement dit lors des pics de puissance, la température des composants électroniques du dispositif n’augmentera pas ou très peu, en ne suivant pas la dynamique d’augmentation de température normalement liée à l’augmentation de la puissance lors de ces pics.
[0035] Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention. Notamment en variante et suivant le type de composants électroniques de puissance à refroidir, la plaque de refroidissement peut comporter des ailettes de refroidissement et non un canal de refroidissement. Le mode de fixation des composants peut de plus présenter diverses techniques présentes dans l’art antérieur, par exemple la deuxième couche métallique 26 peut être frittée sur la plaque de refroidissement 8 au lieu d’y être brasée. Enfin le circuit 2 peut être agencé autrement que sur une plaque de céramique, notamment s’il comporte des inductances, celles-ci peuvent être solidarisées à la plaque de refroidissement 8 directement ou uniquement par l’intermédiaire d’une couche électriquement isolante en polymère par exemple.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Dispositif (1) d’électronique de puissance comportant :
- des composants électroniques de puissance (12, 14),
- une plaque de refroidissement (8),
- un circuit (2) comportant les composants électroniques de puissance (12, 14) et les reliant électriquement, le circuit (2) étant solidarisé à la plaque de refroidissement (8),
- des conducteurs d’entrée (3) et de sortie (4) du circuit (2), le dispositif (1) d’électronique de puissance étant caractérisé en ce qu’il comporte un matériau (6) à changement de phase noyant le circuit (2).
[Revendication 2] Dispositif (1) d’électronique de puissance selon la revendication précédente, dans lequel le matériau (6) à changement de phase occupe un volume dont des contours s’étendent autour du circuit (2) depuis la plaque de refroidissement (8) jusqu’à au moins un plan parallèle à la plaque de refroidissement (8), telle que le circuit (2) est compris entre la plaque de refroidissement (8) et le plan.
[Revendication 3] Dispositif (1) d’électronique de puissance selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le matériau (6) à changement de phase est une paraffine composée d’un alcane comportant plus de 17 atomes de carbone.
[Revendication 4] Dispositif (1) d’électronique de puissance selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un boîtier (5) logeant le matériau (6) à changement de phase, le boîtier (5) comportant des parois latérales (52, 54) s’étendant latéralement au circuit (2) depuis la plaque de refroidissement (8) jusqu’à une paroi supérieure (56) du boîtier, un espace (7) étant laissé libre entre la paroi supérieure (56) du boîtier (5) et le matériau (6) à changement de phase.
[Revendication 5] Dispositif (1) d’électronique de puissance selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit (2) est agencé et fixé sur une couche de substrat (22) électriquement isolante et thermiquement conductrice, elle-même solidarisée à la plaque de refroidissement (8).
[Revendication 6] Dispositif (1) d’électronique de puissance selon la revendication précédente, dans lequel la couche de substrat (22) est prise en tenaille entre d’une part au moins une première couche métallique (24, 28) du circuit (2) et d’autre part une deuxième couche métallique (26), fixée à la plaque de refroidissement (8).
[Revendication 7] Dispositif (1) d’électronique de puissance selon la revendication 5 ou 6, dans lequel la couche de substrat (22) est en céramique.
[Revendication 8] Dispositif (1) d’électronique de puissance selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la plaque de refroidissement (8) comporte un canal de circulation de fluide caloporteur (9).
[Revendication 9] Dispositif (1) d’électronique de puissance selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la plaque de refroidissement (8) est connectée à un dissipateur de chaleur par l’intermédiaire d’une pâte thermique (9).
[Revendication 10] Groupe motopropulseur électrique comportant un dispositif (1) d’électronique de puissance selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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