FR2814907A1 - Electronic power module for branch of waveform generator, comprising transistor-diode pairs connected in series, for use in electric power distribution circuits in railway traction - Google Patents
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Abstract
Description
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MODULE ELECTRONIOUE DE PUISSANCE ET BRAS D'ONDULEUR COMPORTANT UN TEL MODULE L'invention se rapporte à un module électronique de puissance comportant plusieurs composants de puissance montés en série. Le module électronique de puissance selon l'invention est notamment destiné à être utilisé pour le montage en série de plusieurs transistors bipolaires à grille isolée, dits composants IGBT, dans les circuits de distribution d'énergie du domaine ferroviaire, de type convertisseur, pour lesquels les valeurs de tension sont particulièrement importantes. The invention relates to an electronic power module comprising several power components connected in series. The electronic power module according to the invention is in particular intended to be used for the series connection of several bipolar transistors with insulated gate, called IGBT components, in the energy distribution circuits of the railway sector, of converter type, for which voltage values are particularly important.
Pour répondre au besoin d'une puissance croissante dans les applications du type traction ferroviaire ou distribution d'énergie, les modules de puissance doivent avoir des tensions d'utilisation toujours plus élevées. Or, les modules actuels utilisent des composants IGBT dont la tension est limitée à 6 500 V. To meet the need for increasing power in rail traction or energy distribution applications, power modules must have ever higher operating voltages. However, current modules use IGBT components whose voltage is limited to 6,500 V.
Il est connu du document US 5 811 878 d'augmenter la tension finale des modules de puissance en disposant en série plusieurs composants IGBT de manière à réduire la tension aux bornes de chaque composant IGBT. La mise en série des composants IGBT est alors réalisée en disposant les différents composants IGBT côte à côte sur un substrat céramique refroidi et en les reliant par leur face libre aux moyens de fils électrique de liaison. It is known from document US Pat. No. 5,811,878 to increase the final voltage of the power modules by arranging several IGBT components in series so as to reduce the voltage at the terminals of each IGBT component. The serialization of the IGBT components is then carried out by placing the various IGBT components side by side on a cooled ceramic substrate and by connecting them by their free face to the means of electrical connecting wires.
Une telle solution présente toutefois l'inconvénient de générer, au niveau des fils électriques de liaison, des boucles à fortes inductances parasites et donc de fortes tensions aux commutations, ce qui oblige à surdimensionner les composants de puissance afin qu'ils résistent à ces surtensions. Un autre inconvénient d'une telle solution est le refroidissement des composants IGBT limité à une seule face, l'autre face étant utilisée pour la connexion des fils de liaisons, ce qui limite la puissance maximale exploitable pour chaque composant IGBT. However, such a solution has the drawback of generating, at the level of the connecting electrical wires, loops with high parasitic inductances and therefore high switching voltages, which means that the power components have to be oversized so that they resist these overvoltages. . Another drawback of such a solution is the cooling of the IGBT components limited to one side, the other side being used for the connection of the connecting wires, which limits the maximum usable power for each IGBT component.
Le but de la présente invention est de proposer un module électronique de puissance qui permette de pallier les inconvénients de l'art antérieur évoqués ci-dessus en proposant un module compact assurant la mise en série de composants de puissance The object of the present invention is to propose an electronic power module which overcomes the drawbacks of the prior art mentioned above by proposing a compact module ensuring the placing in series of power components.
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tout en assurant un excellent refroidissement de ces derniers, et qui possède une très faible inductance de boucle et donc très peu de surtensions à la commutation. A cet effet, l'invention a pour objet un module électronique de puissance comportant plusieurs composants de puissances montés en série, ces derniers comportant de manière conventionnelle un collecteur sur une face, dite réceptrice, et un émetteur sur la face opposée, dite émettrice, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un premier et un second composants de puissance montés en série et disposés à proximité l'un de l'autre, avec l'un des deux composants de puissance en position renversée de telle sorte que la face réceptrice de l'un et la face émettrice de l'autre soient sensiblement dans un même plan, les composants de puissance étant pris en sandwich entre deux substrats rapportés sur les faces réceptrice et émettrice des composants de puissance, l'un des deux substrats comportant au moins une piste conductrice de liaison reliant l'émetteur du premier composant de puissance au collecteur du second composant de puissance, l'autre substrat comportant au moins deux pistes conductrices, isolées l'une de l'autre, reliées respectivement au collecteur du premier composant de puissance et à l'émetteur du second composant, et assurant l'alimentation électrique des composants de puissance. while ensuring excellent cooling thereof, and which has a very low loop inductance and therefore very few switching overvoltages. To this end, the subject of the invention is an electronic power module comprising several power components connected in series, the latter conventionally comprising a collector on one face, called the receiver, and a transmitter on the opposite face, called the transmitter, characterized in that it comprises at least first and second power components mounted in series and arranged close to one another, with one of the two power components in the inverted position so that the face receiving one and the emitting face of the other are substantially in the same plane, the power components being sandwiched between two substrates attached to the receiving and emitting faces of the power components, one of the two substrates comprising at least one conductive connecting track connecting the emitter of the first power component to the collector of the second power component, the other substrate comprising at least s two conductive tracks, isolated from each other, connected respectively to the collector of the first power component and to the emitter of the second component, and ensuring the electrical supply of the power components.
Selon des modes particuliers de réalisation, le module électronique de puissance peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - le contact électrique entre l'émetteur du premier composant de puissance et la piste conductrice de liaison du substrat se fait au moyen d'au moins un bossage qui est interposé entre un plot de connexion de l'émetteur du premier composant de puissance et la piste conductrice réalisée sur le substrat ; - le contact électrique entre le collecteur du second composant de puissance et la piste conductrice de liaison du substrat se fait par brasage de la face réceptrice du composant de puissance ; - les composants de puissance sont refroidis par des radiateurs disposés sur les faces extérieures des substrats ; - les composants de puissance sont des transistors bipolaires à grille isolée dits
IGBT ; According to particular embodiments, the electronic power module can comprise one or more of the following characteristics taken in isolation or according to all technically possible combinations: - the electrical contact between the emitter of the first power component and the conductive track of the substrate is bonded by means of at least one boss which is interposed between a connection pad of the emitter of the first power component and the conductive track produced on the substrate; the electrical contact between the collector of the second power component and the conductive track for connecting the substrate is made by soldering the receiving face of the power component; - the power components are cooled by radiators arranged on the external faces of the substrates; - the power components are so-called insulated gate bipolar transistors
IGBT;
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- ta face émettrice de chaque composant IGBT est munie d'une grille de commande et chaque grille de commande est reliée à une piste de commande réalisée sur le substrat lui faisant face, la connexion entre la grille et la piste de commande étant réalisée au moyen d'au moins d'un bossage interposé entre un plot de connexion de la grille de commande et la piste de commande ; L'invention a également pour objet un bras d'onduleur comportant un tel module de puissance.
- the emitting face of each IGBT component is provided with a control grid and each control grid is connected to a control track produced on the substrate facing it, the connection between the grid and the control track being produced by means at least one boss interposed between a connection pad of the control grid and the control track; The invention also relates to an inverter arm comprising such a power module.
On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci-après d'un mode de réalisation de l'invention, présenté à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : - La figure 1 est une vue en coupe schématique, d'un mode de réalisation du module électronique de puissance selon l'invention ; - La figure 2 est un schéma de principe du module de puissance de la figure 1 ;
La figure 3 est un schéma de principe d'un bras d'onduleur comportant trois modules électroniques de puissance conformes à la figure 1 ;
La figure 4 est une vue en perspective partiellement éclatée du bras d'onduleur de la figure 3 dans laquelle le substrat supérieur et les diodes n'ont pas été représentées pour plus de clarté. The aims, aspects and advantages of the present invention will be better understood from the description given below of an embodiment of the invention, presented by way of non-limiting example, with reference to the accompanying drawings, in which: - Figure 1 is a schematic sectional view of an embodiment of the electronic power module according to the invention; - Figure 2 is a block diagram of the power module of Figure 1;
Figure 3 is a block diagram of an inverter arm comprising three electronic power modules according to Figure 1;
Figure 4 is a partially exploded perspective view of the inverter arm of Figure 3 in which the upper substrate and the diodes have not been shown for clarity.
Pour faciliter la lecture du dessin, seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés. To facilitate reading of the drawing, only the elements necessary for understanding the invention have been shown.
La figure 1 représente un module électronique de puissance comportant un premier composant IGBT la et un second composant IGBT lb montés en série, chaque composant IGBT comportant, de manière conventionnelle, un collecteur de courant sur une face dite réceptrice et un émetteur de courant ainsi qu'une grille de commande sur la face opposée, dite émettrice. A chaque composant IGBT la et lb est associé respectivement une diode 7a et 7b montée en parallèle à ces derniers, en position inverse, afin d'obtenir la bidirectionnalité en courant nécessaire à l'utilisation du module électronique dans une structure de type onduleur ainsi que FIG. 1 represents an electronic power module comprising a first IGBT component la and a second IGBT component lb connected in series, each IGBT component comprising, in a conventional manner, a current collector on a so-called receiving face and a current transmitter as well as '' a control grid on the opposite side, known as the transmitter. Each IGBT component 1a and 1b is associated respectively with a diode 7a and 7b mounted in parallel with the latter, in the reverse position, in order to obtain the bidirectionality in current necessary for the use of the electronic module in a structure of inverter type as well as
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cela est schématisé sur les figures 2 et 3. Dans la suite de la description on s'intéressera essentiellement à l'agencement des composants IGBT la et lb dans le module de puissance, les diodes 7a, 7b associées étant par définition montées en parallèle à ces derniers.
this is shown diagrammatically in FIGS. 2 and 3. In the following description, we will focus mainly on the arrangement of the IGBT components 1a and 1b in the power module, the associated diodes 7a, 7b being by definition mounted in parallel with these latter.
Conformément à la figure 1, les deux composants IGBT la et lb sont disposés à proximité l'un de l'autre avec le composant IGBT lb en position renversée de telle sorte que la face émettrice de l'un et la face réceptrice de l'autre soient sensiblement dans un même plan. Un substrat inférieur 2a et un substrat supérieur 2b sont rapportés de part et d'autre des deux composants IGBT la, lb de manière à former une structure sandwich dans laquelle le substrat 2a est accolé à la face réceptrice du composant IGBT la et à la face émettrice du composant lb et le substrat 2b est accolé à la face émettrice du composant la et à la face réceptrice du composant IGBT 2b. Les substrats 2a, 2b sont avantageusement réalisés en céramique ou en silicium de manière à être électriquement isolant tout en assurant une bonne conduction de la chaleur. In accordance with FIG. 1, the two IGBT components 1a and 1b are arranged close to each other with the IGBT component 1b in the inverted position so that the emitting face of one and the receiving face of the others are substantially in the same plane. A lower substrate 2a and an upper substrate 2b are attached to either side of the two IGBT components 1a, 1b so as to form a sandwich structure in which the substrate 2a is attached to the receiving face of the IGBT component 1a and to the face emitting component 1b and the substrate 2b is attached to the emitting face of component 1a and to the receiving face of IGBT component 2b. The substrates 2a, 2b are advantageously made of ceramic or silicon so as to be electrically insulating while ensuring good conduction of heat.
Dans le mode de réalisation représenté, le substrat inférieur 2a comporte une première piste de cuivre 4, obtenue par métallisation et soumise extérieurement un potentiel + HV. Cette première piste de cuivre 4 s'étend en regard du collecteur du premier composant IGBT la et de la diode 7a et est reliée à ces derniers au moyen de couches de soudure d'étain-plomb non représentées. In the embodiment shown, the lower substrate 2a comprises a first copper track 4, obtained by metallization and externally subjected to a potential + HV. This first copper track 4 extends opposite the collector of the first IGBT component 1a and the diode 7a and is connected to the latter by means of tin-lead solder layers not shown.
Le substrat inférieur 2a comporte également une seconde piste en cuivre 5 isolée électriquement de la première piste 4 et soumise extérieurement à un potentiel-HV. Cette seconde piste 5 s'étend en regard de l'émetteur du second composant IGBT lb et de la diode 7b et est reliée électriquement à des plots de connexion de ces derniers au moyen d'un ou plusieurs bossages 6 réalisés en étain-plomb-argent dont la taille correspond à celle des plots de connexion. Dans l'exemple considéré les bossages 6 ont une composition d'environ 2 % d'étain, 95,5 % de plomb et 2,5 % d'argent et la connexion est obtenue par fusion de chaque bossage 6 en les chauffant par exemple à environ 330 C pendant 10 secondes. The lower substrate 2a also includes a second copper track 5 electrically isolated from the first track 4 and externally subjected to a HV potential. This second track 5 extends opposite the emitter of the second IGBT component 1b and of the diode 7b and is electrically connected to connection pads of the latter by means of one or more bosses 6 made of tin-lead- silver whose size corresponds to that of the connection pads. In the example considered, the bosses 6 have a composition of approximately 2% tin, 95.5% lead and 2.5% silver and the connection is obtained by melting each boss 6 by heating them, for example. at around 330 C for 10 seconds.
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Le substrat inférieur 2a comporte également une piste conductrice de commande, non représentée sur les figures, constituée par une piste en cuivre isolée électriquement des première et seconde pistes conductrices 4 et 5, et reliée électriquement à un plot de connexion de la grille de commande du second composant IGBT 2b par un ou plusieurs bossages 6. The lower substrate 2a also includes a conductive control track, not shown in the figures, consisting of a copper track electrically isolated from the first and second conductive tracks 4 and 5, and electrically connected to a connection pad of the control grid of the second IGBT component 2b by one or more bosses 6.
Le collecteur du second composant IGBT lb est relié par des couches de soudure d'étain-plomb, non représentées, à une piste de cuivre de liaison 3 s'étendant sur la face inférieure du substrat supérieur 2b entre les deux composants IGBT la et lb. The collector of the second IGBT component lb is connected by layers of tin-lead solder, not shown, to a copper bonding track 3 extending on the underside of the upper substrate 2b between the two IGBT components la and lb .
Cette piste de cuivre 3 s'étend également en regard de l'émetteur du premier composant la et est reliée à un plot de connexion de ce dernier par un ou plusieurs bossages 6 semblables à ceux décrits précédemment. Le substrat supérieur 2b comporte également une piste conductrice de commande, non représentée sur les figures, constituée par une piste cuivre isolée de la piste de liaison 3, et reliée électriquement à un plot de connexion de la grille de commande du premier composant IGBT la au moyen d'un ou plusieurs bossages 6. This copper track 3 also extends opposite the emitter of the first component 1a and is connected to a connection pad of the latter by one or more bosses 6 similar to those described above. The upper substrate 2b also includes a conductive control track, not shown in the figures, constituted by a copper track isolated from the connection track 3, and electrically connected to a connection pad of the control grid of the first IGBT component 1a to using one or more bosses 6.
L'isolation électrique des deux substrats la, lb du module de puissance est effectuée classiquement au moyen d'un gel isolant disposé entre les deux substrats la, lb. The electrical insulation of the two substrates 1a, 1b of the power module is conventionally carried out by means of an insulating gel placed between the two substrates 1a, 1b.
Deux radiateurs de refroidissement, non représentés sur les figures, sont rapportés sur les faces extérieures des deux substrats afin d'assurer le refroidissement des composants IGBT 1 a et 1 b par conduction au travers des substrats 2a et 2b. Two cooling radiators, not shown in the figures, are attached to the external faces of the two substrates in order to ensure the cooling of the IGBT components 1 a and 1 b by conduction through the substrates 2a and 2b.
Un tel module de puissance présente l'avantage d'avoir une très grande compacité et de très faibles inductances parasites, du fait des liaisons massives très courtes entre les deux composants IGBT, ce qui permet de réduire les surtensions aux commutations. Ce module de puissance permet donc, pour une même puissance d'utilisation, l'utilisation de composants IGBT résistant à des surtensions moins importantes et donc moins chers et également de tirer pleinement partie de l'amélioration du refroidissement par la présence d'échangeur de chaleur sur les deux faces. De plus, la liaison massive réalisée entre les deux composants IGBT permet des densités de courant plus élevées que la connexion par fils. Such a power module has the advantage of having a very high compactness and very low parasitic inductances, due to the very short massive links between the two IGBT components, which makes it possible to reduce the overvoltages at switching. This power module therefore allows, for the same power of use, the use of IGBT components resistant to lower overvoltages and therefore less expensive and also to take full advantage of the improvement in cooling by the presence of heat exchanger. heat on both sides. In addition, the massive connection made between the two IGBT components allows higher current densities than the wire connection.
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Ainsi que cela est représenté sur les figures 3 et 4, le module de puissance selon l'invention peut avantageusement être utilisé pour réaliser un bras 15 d'onduleur pour véhicule ferroviaire dans lequel il est nécessaire de transfonner le courant continu haute tension de la caténaire en un courant alternatif d'alimentation des moteurs de traction. As shown in FIGS. 3 and 4, the power module according to the invention can advantageously be used to make an inverter arm 15 for a rail vehicle in which it is necessary to transfer the high voltage direct current from the catenary by an alternating current supplying the traction motors.
Le bras 15 d'onduleur comporte, dans l'exemple représenté, trois modules de puissance identiques à celui qui a été décrit précédemment, montés en série et dont les deux modules extrêmes sont alimentés en courant continu par un bus haute tension au niveau de connecteurs 10 et 12, le module central comportant deux composants IGBT présentant une piste de liaison 3 se prolongeant par un connecteur 11 délivrant le courant alternatif constituant une phase de l'onduleur. Sur la figure 4, le substrat supérieur 2b ainsi que les diodes accompagnant les composants IGBT la et lb n'ont pas été représentés pour plus de clarté. The inverter arm 15 comprises, in the example shown, three power modules identical to that which has been described above, connected in series and the two extreme modules of which are supplied with direct current by a high voltage bus at the connectors. 10 and 12, the central module comprising two IGBT components having a connection track 3 extended by a connector 11 delivering the alternating current constituting a phase of the inverter. In FIG. 4, the upper substrate 2b as well as the diodes accompanying the IGBT components 1a and 1b have not been shown for clarity.
Le bras d'onduleur ainsi réalisé présente l'avantage d'une très grande compacité et peut être refroidi sur les deux faces extérieures des deux substrats 2a et 2b qu'il comporte, permettant ainsi un refroidissement très efficace des composants de puissance. The inverter arm thus produced has the advantage of being very compact and can be cooled on the two outer faces of the two substrates 2a and 2b which it comprises, thus allowing very efficient cooling of the power components.
Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. Of course, the invention is in no way limited to the embodiment described and illustrated, which has been given only by way of example.
Ainsi, dans l'exemple précédemment décrit, le module de puissance comporte des composants IGBT, mais le module de puissance selon l'invention peut également comporter d'autres types de composants de puissance fonctionnant sous forte tension en dégageant beaucoup d'énergie et nécessitant donc un très bon refroidissement ainsi qu'une minimisation des inductances parasites Ainsi, le module de puissance selon l'invention pourra indifféremment comporter un nombre pair ou impair de composants de puissance montés en série.Thus, in the example described above, the power module includes IGBT components, but the power module according to the invention can also include other types of power components operating under high voltage while releasing a lot of energy and requiring therefore very good cooling as well as minimization of parasitic inductances. Thus, the power module according to the invention may equally include an even or odd number of power components connected in series.
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