FR2754669A1 - Module electronique de puissance, et systeme electronique de puissance comprenant une pluralite dudit module - Google Patents

Module electronique de puissance, et systeme electronique de puissance comprenant une pluralite dudit module Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un module électronique de puissance comprenant des composants électroniques de puissance (1) ayant au moins une face de contact (2), des connexions de commande (4) pour connecter les composants à un module de commande, des connexions de puissance (5) pour transmettre la puissance entre composants et/ou à d'autres modules, et au moins un échangeur de chaleur métallique (6) pour évacuer les dissipations de puissance par effet joule desdits composants électroniques de puissance (1), selon l'invention, les faces de contact (2) desdits composants électroniques de puissance (1) sont directement montés sur l'échangeur de chaleur métallique (6), l'échangeur de chaleur métallique (6) étant au même potentiel que les faces de contact (2) des composants électroniques de puissance (1).

Description

MODULE ELECTRONIQUE DE PUISSANCE, ET SYSTEME
ELECTRONIQUE DE PUISSANCE COMPRENANT UNE PLURALITE DUDIT
MODULE
Dans les modules électroniques de puissance, il est nécessaire de refroidir les composants électroniques de puissance ayant des potentiels importants.
Un moyen de refroidissement classique comprend le brasage du composant sur une piste de cuivre, elle même montée sur une céramique isolante électriquement de type AlN ou équivalent, destinée à isoler le composant et la piste de cuivre à haut potentiel de la semelle et dispositif de refroidissement mis à la masse.
Cette structure complexe multicouche est bien adaptée à l'isolation électrique du composant de puissance, cependant les nombreuses interfaces, brasures, colles et graisses utilisées pour fabriquer cette structure multicouche constituent une résistance thermique cumulée importante affectant les capacités de la structure à évacuer convenablement les pertes joules issues des composants de puissance. En outre plus on augmente le potentiel, plus la couche de céramique diélectrique doit être importante, or il est connu que les diélectriques céramiques ne sont pas bon conducteur de chaleur.
Il est aussi très difficile de trouver un matériau bon conducteur thermique et diélectrique bon marché. Le diamant par exemple répond aux critères techniques, mais son coût d'achat exorbitant le disqualifie pour des applications nécessitant de grandes surfaces et de grandes séries.
Un autre inconvénient des modules électroniques de puissance de l'art antérieur est leur manque d'ergonomie dans le cas d'une réalisation multi-modules. Cela veut dire que les modules existants ne disposent pas de moyens de connexion entre modules simple, permettant, de façon aisée, de réaliser des systèmes électroniques de puissance multimodules.
Un des buts de la présente invention est de proposer un module d'électronique de puissance dans lequel les matériaux diélectriques utilisés ne servent aucunement comme interface pour la transmission de la chaleur et où les matériaux conducteur de chaleurs n'ont aucun rôle d'isolation électrique.
Un autre but de la présente invention est de proposer des modules ayant une ergonomie améliorée pour la réalisation de systèmes multi-modules.
A cet effet, l'invention concerne un module électronique de puissance comprenant des composants électroniques de puissance ayant au moins une face de contact, des connexions de commande pour connecter les composants à un module de commande, des connexions de puissance pour transmettre la puissance entre composants et/ou à d'autres modules, et au moins un échangeur de chaleur métallique pour évacuer les dissipations de puissance par effet joule desdits composants électroniques de puissance. Selon l'invention, les faces de contact desdits composants électroniques de puissance sont directement montées sur et liés à l'échangeur de chaleur métallique, l'échangeur de chaleur métallique étant au même potentiel que les faces de contact des composants électroniques de puissance.
Selon une autre caractéristique dépendante, les composants électroniques de puissance et l'échangeur de chaleur métallique sont noyés dans un matériau diélectrique.
Avantageusement, l'échangeur de chaleur métallique comprend des passages dans lesquels circule un fluide diélectrique caloriporteur, lesdits passages étant connectés, par des canalisations diélectriques, à un refroidisseur/recycleur du fluide diélectrique, mis à la masse.
Dans un mode de réalisation, les connexions de commande sont indépendantes et isolées électriquement de l'échangeur de chaleur métallique.
Soit les connexions de commande sont reprises sur une barre de commande disposée parallèlement à l'échangeur de chaleur métallique, soit les connexions de commande sont montées sur l'échangeur, et isolés électriquement de celuici par une plaque diélectrique.
Les connexions de puissance peuvent être reprises directement sur l'échangeur de chaleur métallique.
Dans un autre mode de réalisation, le module électronique de puissance comprend une barre longitudinale de connexion de puissance indépendante de l'échangeur de chaleur métallique, positionnée latéralement par rapport à l'échangeur de chaleur métallique, et un élément isolant électrique intercalé entre ladite barre de connexion de puissance et ledit échangeur de chaleur métallique.
Avantageusement, les connexions de commande sont intégrées sur ledit élément isolant électrique intercalé.
Dans un troisième mode de réalisation, les composants électroniques de puissance sont directement montés entre deux plaques métalliques, chaque plaque étant au potentiel de la face en regard, chaque plaque constituant une paroi de l'échangeur de chaleur.
L'invention concerne aussi un système électronique de puissance modulaire comprenant une pluralité de modules électronique de puissance tels que décrits ci dessus.
L'un des principaux avantages de la présente invention est de proposer un module électronique de puissance dans lequel les matériaux d'isolation électrique, et les matériaux conducteur de chaleur sont dissociés au maximum les uns des autres pour éviter que les mauvaises propriétés de conducteur thermique des matériaux d'isolation électrique n'affectent l'évacuation de la chaleur et les mauvaises propriétés d'isolant électrique des matériaux conducteur de chaleur n'affectent l'isolation électrique.
Un autre avantage de la présente invention est de proposer des modules facilement associables entre eux pour former des systèmes électroniques de puissance comme des convertisseurs modulaires.
D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention résulteront de la description qui va suivre en référence aux dessins annexés dans lesquels
la figure 1 est une représentation schématique d'un système électronique modulaire selon un premier mode de réalisation de la présente invention.
La figure 2 est une représentation schématique d'une variante de réalisation du système électronique modulaire selon le premier mode de réalisation de la présente invention.
La figure 3 est une représentation schématique dlun module selon la figure 1 ou 2 en coupe longitudinale.
La figure 4 est une représentation schématique d'un système électronique modulaire selon un troisième mode de réalisation de la présente invention.
La figure 5 est une représentation schématique d'un système électronique modulaire selon un quatrième mode de réalisation de la présente invention.
Un module électronique de puissance selon l'invention comprend de façon connue des composants électroniques de puissance 1 ayant au moins une face de contact 2, des connexions de commande 4 pour connecter les composants 1 à un module de commande, des connexions de puissance 5 pour transmettre la puissance entre composants 1 et/ou à d'autres modules, et au moins un l'échangeur de chaleur métallique 6 pour évacuer les dissipations de puissance par effet joule desdits composants électroniques de puissance 1.
Selon l'invention, les faces de contact 2 des composants électroniques de puissance sont directement liés à l'échangeur de chaleur métallique 6, l'échangeur de chaleur métallique 6 étant au même potentiel que les faces de contact 2 des composants électroniques de puissance 1.
De ce fait, toute couche intermédiaire (notamment de diélectrique céramique) entre le composant électronique de puissance et l'échangeur a été supprimée, réduisant la résistance thermique entre le composant et l'échangeur. La liaison entre les composants et l'échangeur peut être de tout type connu, ou bien par thermocompression des composants sur l'échangeur métallique 6.
Les composants électroniques de puissance 1 et l'échangeur de chaleur métallique 6 sont noyés dans un matériau diélectrique 7 permettant d'isoler électriquement le module à haute tension du carter à la masse de la machine électrique dans lequel il est disposé.
Afin d'obtenir un meilleur refroidissement des composants électroniques de puissance 1, l'échangeur de chaleur métallique 6 peut avantageusement comprendre des passages 8 dans lesquels circule un fluide diélectrique caloriporteur. Ces passages 8 peuvent constituer un circuit fermé dans lequel est monté un refroidisseur/recycleur du fluide diélectrique.
Dans la mesure ou il est préférable que la partie refroidisseur/recycleur soit à la masse, il peut être prévues des canalisations diélectriques reliant Les passages 8 à haute tension au refroidisseur/recycleur mis à la masse.
Dans le mode de représentation des figures 1 à 3, l'échangeur 6 comprend une barre métallique percée de deux alésages longitudinaux 8 pour la circulation du fluide diélectrique. Les composants électroniques de puissance 1 sont directement montés sur la barre métallique percée.
Dans un premier mode de réalisation représenté sur la figure 1, Le module comprend en outre une barre métallique longitudinale de commande 9 indépendante de l'échangeur métallique 6, sur laquelle sont reprises les connexions de commandes 4 des composants électroniques de puissance 1 du module.
Ce module peut être associé à un ou plusieurs modules du même type, disposés parallèlement les uns aux autres, chacun ayant sa barre de commande indépendante 9, les connexions de puissance 5 entre les modules étant reprises directement sur les échangeurs 6.
Une fois le montage et les connexions effectués, c'est l'ensemble des modules qui est noyé dans un matériau diélectrique 7.
Le matériau diélectrique 7 peut être un gel diélectrique, remplissant un boîtier diélectrique contenant le ou les modules.
Comme représentés sur la figure 3, les barres de commande 9 et l'échangeur 6 comprennent des connexions électriques traversantes 10 pour que le ou les modules encapsulés puissent être alimentés et commandés.
La figure 2 est une variante de réalisation du premier mode de réalisation dans laquelle les connexions de commande 4 sont montées sur l'échangeur 6, et isolés de celui-ci par une plaque diélectrique 11. Cette solution est envisageable car les pertes joules des connexions de commande sont quasi inexistantes (faible tension).
Dans un autre mode de réalisation du module selon l'invention, représenté sur la figure 4, le module comprend une barre longitudinale de connexion de puissance 12 indépendante de l'échangeur de chaleur métallique 6, positionnée latéralement par rapport à l'échangeur de chaleur métallique 6, connectée électriquement à la face libre 3 d'au moins un des composants électroniques de puissance 1, et un élément isolant électrique 13 intercalé entre ladite barre de connexion de puissance 12 et le l'échangeur de chaleur métallique 6.
En disposition multi-modules, la face latérale libre 12a de la barre longitudinale de connexion de puissance 12 est au contact mécanique et électrique de la paroi latérale 6a de l'échangeur de chaleur métallique 6 du module qui le précède assurant ainsi la transmission de puissance entre les modules. L'alimentation du système multi-modules comprend deux amenées parallèles 14, 15, à proximité l'une de l'autre, séparées par une entretoise diélectrique 16, l'une des amenées 14 étant disposée au contact de la face latérale libre 6a de l'échangeur 6 d'un des deux modules d'extrémité, l'autre amenée 15, ayant un prolongement 17 en forme de U, étant disposée au contact de la face latérale libre 12a de la barre longitudinale de connexion de puissance 12 de l'autre module d'extrémité. Avantageusement il peut être prévue des amenées intermédiaires localisées entre deux modules constitutifs du système multi-modules. La proximité des amenées parallèle 14, 15 diminue sensiblement les inductances parasites et les pertes par effet joules dans les amenées.
Avantageusement les connexions de commande 4 sont intégrées sur l'élément isolant électrique intercalé 13. De la même façon que précédemment, le multi-modules peut être noyé dans un diélectrique assurant son isolement par rapport aux pièces de la machine mises à la masse.
Dans un autre mode de réalisation d'un système multimodules selon l'invention, représenté sur la figure 5 l'agencement du multi-modules repose sur le principe d'un échangeur à plaque.
Dans ce mode de réalisation, les composants électroniques de puissance 1 de chaque module sont disposés entre et au contact de deux plaques échangeur de chaleur métallique 6, 6'. Les modules sont disposés les uns sur les autres, isolés les uns des autres par des entretoises diélectriques 18, chaque plaque métallique 6, 6' d'un module constituant, avec la plaque métallique 6', 6 en regard du module suivant ou précédant un passage 8 pour la circulation du fluide diélectrique caloriporteur. Les entretoises diélectriques 18 assurent l'étanchéité des passages 8.
Les passages 8 de circulation du fluide caloriporteur sont reliés entre eux par des collecteurs diélectriques 19.
Avantageusement, le fluide caloriporteur peut être mis sous pression de manière à appliquer une pression de contact des plaques métalliques 6, 6' sur les faces de contact 2 des composants électroniques de puissance 1.
Chaque plaque 6, 6' dépasse des entretoises diélectriques 18 de manière à constituer les connexions de puissance 5. Les connexions de commande sont amenées vers les composants électroniques de puissance 1 d'un module par l'espace inter-plaques 20 du module.
L'un des principaux avantages de la présente invention est de proposer un module électronique de puissance dans lequel les matériaux d'isolation électrique, et les matériaux conducteur de chaleur sont dissociés au maximum les uns des autres pour éviter que les mauvaises propriétés de conducteur thermique des matériaux d'isolation électrique n'affectent l'évacuation de la chaleur et les mauvaises propriétés d'isolant électrique des matériaux conducteur de chaleur n'affectent l'isolation électrique.
Un autre avantage de la présente invention est de proposer des modules facilement associables entre eux pour former des systèmes électroniques de puissance par exemple des convertisseurs modulaires.
Un avantage de ces systèmes multi-modules est de pouvoir calibrer le système d'une part en courant, en fonction du nombre de composants électronique de puissance disposé par module élémentaire, et d'autre part en tension en fonction du nombre de modules élémentaires associés dans le système électronique de puissance.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de mise en oeuvre ou de réalisation décrit et représenté, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme du métier sans que l'on s'écarte de l'invention.

Claims (16)

REVENDICATIONS
1. Module électronique de puissance comprenant des composants électroniques de puissance (1) ayant au moins une face de contact (2), des connexions de commande (4) pour connecter les composants à un module de commande, des connexions de puissance (5) pour transmettre la puissance entre composants et/ou à d'autres modules, et au moins un échangeur de chaleur métallique (6) pour évacuer les dissipations de puissance par effet joule desdits composants électroniques de puissance (1), caractérisé en ce que les faces de contact (2) desdits composants électroniques de puissance (1) sont directement montés sur l'échangeur de chaleur métallique (6), l'échangeur de chaleur métallique (6) étant au même potentiel que les faces de contact (2) des composants électroniques de puissance (1).
2. Module électronique de puissance selon la revendication 1 caractérisé en ce que les composants électroniques de puissance (1) et l'échangeur de chaleur métallique (6) sont noyés dans un matériau diélectrique (7).
3. Module électronique de puissance selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur métallique (6) comprend des passages (8) dans lesquels circule un fluide diélectrique caloriporteur, lesdits passages (8) étant connectés, par des canalisations diélectriques, à un refroidisseur/recycleur du fluide diélectrique, mis à la masse.
4. Module électronique de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les connexions de commande (4) sont indépendantes et isolées électriquement de l'échangeur de chaleur métallique (6).
5. Module électronique de puissance selon la revendication 4 caractérisé en ce que les connexions de commande (4) sont reprisent sur une barre de commande (9) disposée parallèlement à l'échangeur de chaleur métallique (6).
6. Module électronique de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les connexions de commande (4) sont montées sur l'échangeur (6), et isolés électriquement de l'échangeur (6) par une plaque diélectrique (11).
7. Module électronique de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que les connexions de puissance (5) sont reprises directement sur l'échangeur de chaleur métallique (6).
8. Module électronique de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 qu'il comprend une barre longitudinale de connexion de puissance (12) indépendante de l'échangeur de chaleur métallique (6), positionnée latéralement par rapport à l'échangeur de chaleur métallique (6), et un élément isolant électrique (13) intercalé entre ladite barre de connexion de puissance (12) et ledit échangeur de chaleur métallique (6).
9. Module électronique de puissance selon la revendication 8 caractérisé en ce que les connexions de commande (4) sont intégrées sur ledit élément isolant électrique intercalé (13).
10. Module électronique de puissance selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que les composants électroniques de puissance sont directement montés entre deux plaques d'échangeur de chaleur métallique (6, 6'), chaque plaque (6, 6') étant au potentiel de la face de contact (3), chaque plaque (6, 6') constituant une paroi d'un échangeur de chaleur
11. Système électronique de puissance multi-modules caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de modules électronique de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 connectés entre eux.
12. Système électronique de puissance multi-modules caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de modules électronique de puissance selon les revendications 8 ou 9 connectés entre eux, la face latérale libre (12a) de la barre longitudinale de connexion de puissance (12) d'un module étant au contact mécanique et électrique de la paroi latérale (6a) de l'échangeur de chaleur métallique (6) du module qui le précède assurant ainsi la transmission de puissance entre les modules.
13. Système électronique de puissance modulaire selon la revendication 12 caractérisé en ce qu'il est alimenté par deux amenées parallèles (14, 15), à proximité l'une de l'autre, séparées par une entretoise diélectrique (16), l'une (14) des amenées étant disposée au contact de la face latérale libre (6a) de l'échangeur (6) d'un des modules d'extrémité, l'autre amenée (15), ayant un prolongement en forme de U (17), étant disposée au contact de la face latérale libre (12a) de la barre longitudinale de connexion de puissance (12) de l'autre module d'extrémité.
14. Système électronique de puissance multi-modules caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de modules électronique de puissance selon la revendication 10, les modules étant disposés les uns sur les autres, isolés les uns des autres par des entretoises diélectriques (18), chaque plaque métallique (6, 6') d'un module constituant, avec la plaque métallique (6', 6) en regard du module suivant ou précédant un passage (8) pour la circulation du fluide diélectrique caloriporteur, les passages (8) de circulation du fluide caloriporteur étant reliés entre eux par des collecteurs diélectriques (19).
15. Système électronique de puissance multi-modules selon la revendication 14 caractérisé en ce que chaque plaque (6, 6') dépasse des entretoises diélectriques (18) de manière à constituer les connexions de puissance (5).
16. Système électronique de puissance multi-modules selon la revendication 14 ou 15 caractérisé en ce que les connexions de commande (4) sont amenées vers les composants électroniques de puissance d'un module par l'espace interplaques 20 des modules par un fil isolé électriquement.
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