FR2951019A1 - Module de puissance pour vehicule automobile - Google Patents

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Stephane Thomelin
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Abstract

L'invention concerne un module de puissance (10), de préférence pour un véhicule, notamment électrique, caractérisé en ce qu'il comprend deux pastilles semiconductrices (12, 14) superposées, chaque pastille comportant une première face (20, 22), destinée à être connectée à un substrat de dissipation de chaleur (24, 26) et une deuxième face (28, 30), distincte de la première, sur laquelle est agencée au moins un composant électronique (38a-44b), le module étant agencé de sorte que les deuxièmes faces des pastilles sont disposées en vis-à-vis.

Description

-1- La présente invention concerne un module de puissance destiné à être utilisé dans l'automobile, notamment pour les véhicules hybrides comportant un moteur électrique. Les modules de puissance sont des modules électroniques comprenant une pastille semi-conductrice portant des composants électroniques et dans lesquels circulent des courants importants. Ceci est notamment le cas lorsque les modules de puissance sont destinés à un usage dans les véhicules hybrides, dans lesquels les courants utilisés sont de l'ordre de 200 Ampères. Comme des courants de grande intensité sont destinés à circuler dans le module de puissance, une grande chaleur se dégage de celui-ci. Il est donc très important de dissiper la chaleur aux abords du module pour eviter une surchauffe des composants électroniques et un dysfonctionnement du module. On connaît déjà dans l'état de la technique un module de puissance comprenant une pastille semi-conductrice comportant une face de connexion sur laquelle sont agencés des composants électroniques et une face opposée de dissipation thermique, reliée électriquement à un substrat permettant de dissiper la chaleur. Un tel module ne dissipe toutefois pas suffisamment de chaleur pour pouvoir fonctionner correctement lorsque des courants de grande intensité, nécessaires dans le cas des véhicules hybrides, circulent dans celui-ci. On connaît également de l'état de la technique, notamment du document EP 1 381 115, un module de puissance comprenant un boîtier renfermant une pastille semi-conductrice, comprenant une première face de connexion sur laquelle sont agencés des composants électroniques et une deuxième face opposée, directement en contact avec un substrat de dissipation de la chaleur. Le boîtier comprend également des ressorts reliés à la face de connexion et assurant une liaison électrique entre cette face et un dispositif de commande et de régulation de la température. Un tel module de puissance possède ainsi une structure permettant de dissiper de la chaleur depuis les deux faces de la pastille semi-conductrice, des courants plus importants pouvant alors circuler dans le module de puissance. Toutefois, un tel module de puissance possède une architecture spécifique présentant un encombrement relativement important et comprenant un nombre relativement élevé de composants, ces composants étant en outre spécifiques. L'invention a notamment pour but de proposer un module de puissance permettant une dissipation thermique importante, de sorte que des courants de grande intensité puissent circuler dans celui-ci sans endommager les composants, tout en étant de conception relativement simple. 2951019 -2- A cet effet, l'invention a pour objet un module de puissance, de préférence pour un véhicule, notamment électrique, comprenant deux pastilles semi-conductrices superposées, chaque pastille comportant une première face, formant face de dissipation thermique et destinée à être connectée à un substrat de dissipation de chaleur et une 5 deuxième face, distincte de la première, formant face de connexion et sur laquelle est agencée au moins un composant électronique, le module étant agencé de sorte que les deuxièmes faces des pastilles sont disposées en vis-à-vis. De ce fait, la chaleur du module peut être dissipée depuis deux faces de celui-ci, de façon très efficace puisque, comme aucune des deux faces destinées à la dissipation 10 thermique ne porte de composants électroniques, le substrat permettant la dissipation thermique peut être en contact direct avec la totalité de la face de dissipation. En outre, les composants des pastilles semi-conductrices peuvent être reliés par des moyens conventionnels et le montage du module ne présente pas de difficultés particulières. En particulier, des éléments spécifiques ne sont pas nécessaires pour relier 15 chaque pastille semi-conductrice à l'autre des pastilles semi-conductrices. De même, la face de dissipation de chacune des pastilles ne portant pas de composants, la liaison de cette face avec le substrat peut s'effectuer simplement, sans l'aide de composants spécifiques. Ainsi, un tel module, bien qu'étant de conception simple et de ce fait économique, 20 permet de dissiper la chaleur depuis deux faces de celui-ci et d'augmenter significativement l'intensité du courant circulant dans le module de puissance sans risquer d'endommager celui-ci. L'invention comprend également l'une ou plusieurs des caractéristiques de la liste suivante : 25 le ou l'un au moins des composants électroniques est choisi parmi une diode ou un transistor, la deuxième face de chaque pastille comprenant au moins un connecteur, le module comprend au moins un élément de connexion pour relier un composant électronique ou un connecteur de l'une des pastilles à un composant électronique 30 ou un connecteur de l'autre des pastilles. Un seul circuit est ainsi composé sur les deux pastilles semi-conductrices, la répartition des différents composants sur les pastilles semi-conductrices permettant d'optimiser la dissipation de chaleur, le ou au moins l'un des éléments de connexion est constitué par un ruban. Un tel ruban est utilisé pour les connexions de puissance et permet d'optimiser la 35 transmission de la puissance entre les différents composants. En particulier, le ruban est ondulé de façon à présenter une alternance d'arches opposées, au 2951019 -3- moins un sommet d'un premier type d'arches étant relié électriquement à la deuxième face de l'une des pastilles et au moins un sommet d'un deuxième type d'arches étant relié électriquement à la deuxième face de l'autre des pastilles, ce qui permet de minimiser le trajet entre les connecteurs et/ou les composants 5 électroniques, et, de ce fait, de limiter les pertes de chaleur lors du passage du courant électrique dans le ruban, chaque pastille comprend, à au moins deux de ses extrémités opposées, un élément d'entretoisement, le module étant agencé de sorte que les éléments d'entretoisement soient en contact et qu'un espace subsiste entre les deuxièmes 10 faces des pastilles. De cette façon, on facilite la conception du module, l'espace subsistant entre les deux faces permettant d'insérer plus facilement les composants électroniques et les éléments de connexion sur les pastilles. De plus, du fait des éléments d'entretoisement, on est capable de contrôler précisément l'épaisseur de l'espace ménagé entre les pastilles et d'éviter une surchauffe du 15 module du fait d'une distance trop petite entre les pastilles, les éléments d'entretoisement comprennent des moyens de verrouillage des pastilles dans leurs positions relatives, comprenant notamment des surfaces de butées de forme complémentaire. Grâce à de tels moyens, on peut plus facilement positionner les deux pastilles l'une par rapport à l'autre et on simplifie ainsi le 20 procédé d'assemblage du module. On peut ainsi économiser des coûts de fabrication du module. Il est avantageux que ces moyens soient constitués par des surfaces de butée complémentaire, car les moyens de positionnement sont dans ce cas peu coûteux à fabriquer, au moins une des pastilles présente un cadre en matière plastique, ce cadre 25 comprenant de préférence les éléments d'entretoisement. Ainsi, le module peut être compact et d'un seul tenant avec les composants électroniques protégés mécaniquement d'éventuelles agressions extérieures grâce au cadre en matière plastique. le module peut également comprendre des moyens de fixation des éléments 30 d'entretoisement et/ou des cadres, ces moyens pouvant être des moyens de fixation par vissage, les cadres ou éléments d'entretoisement présentant alors des trous en vis-à-vis pour accueillir des vis de fixation. L'invention a également pour objet un ensemble d'un module de puissance selon l'invention et de deux substrats de dissipation de la chaleur, chacun des substrats étant 35 respectivement relié électriquement à la première face de l'une des pastilles, de préférence en contact direct avec la première face de l'une des pastilles. Les substrats 2951019 -4- peuvent être reliés au module par une surface conductrice, notamment métallisée, réalisée par des procédés conventionnels tels que le frittage de pâte d'argent ou le brasage à bille. L'invention a également pour objet un procédé d'assemblage d'un module de 5 puissance, comprenant les opérations suivantes: le module comprenant deux pastilles semi-conductrices, on place au moins un composant électronique sur une face dite de connexion de chacune des pastilles, on superpose les pastilles de sorte que les faces de connexion soient placées 10 en vis-à-vis. Un tel procédé permet de fabriquer le module selon l'invention. La face de connexion correspond, comme l'homme du métier l'aura compris, à la deuxième face du module. Le procédé selon l'invention peut également comprendre les étapes suivantes: 15 on place au moins un élément de connexion, de préférence un ruban, sur la face de connexion d'une des pastilles et on superpose les pastilles de sorte que l'élément de connexion relie électriquement au moins un connecteur de la deuxième face de la pastille ou un composant électronique, agencés sur ladite face, à un connecteur de lad 20 deuxième face de l'autre pastille ou un composant électronique, agencés sur ladite face. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective et en éclaté d'un 25 module de puissance selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est une vue schématique en coupe d'un ensemble comprenant le module de puissance de la figure 1, - la figure 3 est une vue d'un schéma électrique du circuit du module de puissance des figures 1 et 2.
30 On a représenté sur les figures un module de puissance 10 selon l'invention. Comme on le voit sur les figures 1 et 2, un tel module 10 comprend deux pastilles semi-conductrices 12 et 14, désignées respectivement pastilles inférieure 12 et supérieure 14. Ces pastilles 12, 14 sont composés de circuits conducteurs sur lesquels est surmoulée la matière plastique. Un cadre 16, 18 entoure également chacune des pastilles 12, 14. Ce 35 cadre est réalisé en matière plastique et est également surmoulé sur les circuits conducteurs de la pastille. 2951019 -5- Les cadres 16, 18 sont posés l'un sur l'autre et forment des éléments d'entretoisement permettant d'agencer les pastilles 12 et 14 de sorte qu'elles soient superposées, comme on le voit sur la figure 2 notamment. Ces cadres sont conformés pour laisser un espace 17 entre les deux pastilles superposées, l'épaisseur de l'espace 5 étant déterminée par la forme et les dimensions des cadres 16, 18. Comme on le voit également sur la figure 2, les cadres présentent à leur extrémité inférieure, respectivement supérieure des formes complémentaires, les faces de ces formes constituant des surfaces de butée 13, 15 permettant de positionner plus efficacement et plus facilement les cadres 16, 18 l'un par rapport à l'autre.
10 Le module comprend également des moyens de fixation 19 des deux cadres l'un par rapport à l'autre, comme on le voit sur la figure 1. Ces moyens comportent des orifices superposés disposés à chaque coin du cadre 16, 18 dans lesquels sont destinés à s'engager un élément de fixation tel qu'une vis. Chaque pastille 12, 14 comprend une première face 20,22 destinée à être mise en 15 contact avec un substrat 24, 26 dissipateur de chaleur, comme on le voit sur la figure 2. Cette face est de ce fait recouverte sur toute sa surface d'un film isolant électriquement mais conducteur thermiquement, permettant la dissipation de la chaleur tout en sécurisant le module. Ces faces constituent les faces externes du module. Chaque pastille 12, 14 comprend également une deuxième face 28, 30 opposée à la 20 première face destinée à accueillir des composants électroniques, et appelée face de connexion. Le module est agencé de telle sorte que les faces 28, 30 des deux pastilles 12, 14 sont en vis-à-vis et délimitent l'espace 17 situé entre les deux pastilles. Chaque pastille comprend sur sa face de connexion des connecteurs de puissance, respectivement le connecteur d'alimentation 32 et le connecteur de masse 34 sur la 25 pastille inférieure 12 et le connecteur de phase 36 sur la pastille supérieure 14. Il comprend également des connecteurs de commande et de détection 37. Comme on le voit sur la figure 1, le module comprend des broches 39a, réalisées en métal et ménagées en saillie du module. Ces broches permettent de relier électriquement les connecteurs de puissance du module à d'autres éléments situés à l'extérieur du module et d'intégrer celui- 30 ci à un circuit plus global. Le module comprend également des broches 39b pour relier les connecteurs de commande à un circuit externe. Des composants électroniques 38a, 38b, 40a, 40b, 42a, 42b, 44a, 44b sont également agencés sur les faces de connexion 28, 30 des pastilles 12, 14. Chaque pastille 12, 14 comprend en particulier deux transistors IGBT, respectivement 38a, 40a 35 pour la pastille 12 et 42a, 44a pour la pastille 14 et deux diodes, respectivement 38b, 40b 2951019 -6- pour la pastille 12 et 42b, 44b pour la pastille 14. Ces composants sont brasés sur la face de connexion 28, 30 de chacune des pastilles 12, 14. Des éléments de connexion 46, 48 sont également mis en place sur les faces de connexion pour relier entre eux les connecteurs et/ou les composants électroniques. Les 5 éléments de connexion comprennent des rubans de puissance 46 et des fils de commande 48. Deux rubans de puissance 46 sont notamment agencés sur chaque composant électronique 38a-44b d'une pastille pour relier celui-ci à un connecteur de puissance de l'autre pastille. Les rubans 46 sont plus particulièrement ondulés de façon à présenter 10 une alternance d'arches opposées, les sommets d'un premier type d'arches étant relié électriquement au composant et les sommets d'un deuxième type d'arches étant relié électriquement à un connecteur de puissance de l'autre des pastilles, avec interposition d'un élément métallique 41. Par exemple; comme on le voit sur la figure 2, un ruban 46 relie électriquement le transistor 38a de la pastille 12 au connecteur de phase 36 de la 15 pastille 14. Un autre ruban relie électriquement le transistor 42a de la pastille 14 au connecteur de masse 34 de la pastille 12. Le module comprend également des fils de commande 48 reliant chacun des transistor 38a-44a aux connecteurs de commande 37. Le circuit électronique de l'exemple de ce mode de réalisation est plus 20 particulièrement représenté sur la figure 3. Il s'agit d'un circuit demi-pont classique, comprenant une pluralité de transistors 38a, 40a et 42a, 44a, chaque transistor étant monté en parallèle avec une diode, respectivement 38b, 40b et 42b, 44b. Deux paires transistors-diodes, montées sur la face de connexion 28 de la pastille 12, sont mise en place entre les connecteurs d'alimentation 32 et de phase 36, alors que deux autres 25 paires, montées sur la face de connexion 30 de la pastille 14, sont mises en place entre le connecteur de phase 36 et le connecteur de masse 34. Les transistors 38a, 40a de la pastille 12, ainsi que les transistors 42a, 44a de la pastille 14, sont commandés de la même façon à l'aide des connecteurs de commande et de détection 37, la multiplication des transistors permettant surtout de répartir les courants circulant dans chaque transistor 30 et la chaleur dissipée par le module. Dans ce circuit, les transistors 38a-44a fonctionnent comme des interrupteurs qui sont alternativement ouverts et fermés. Les diodes 38b-44b forment des diodes de roue libre qui permettent de limiter la surtension dans le circuit lors de la commande du transistor agissant comme une ouverture d'interrupteur. Un tel montage permet de fournir 35 en sortie une alternance de tensions positives et négatives. Il est généralement relié en entrée à une batterie électrique du véhicule et en sortie au moteur électrique du véhicule. 2951019 -7- Un tel module permet une dissipation efficace de la chaleur, car deux de ses faces peuvent être reliées à des substrats permettant la dissipation de la chaleur. En outre, il est de conception simple et ne nécessite pas l'utilisation d'éléments de connexion spécifiques. Un tel module n'est de plus que peu encombrant.
5 On va maintenant décrire le procédé de fabrication d'un module tel que décrit précédemment. Tout d'abord, on place les circuits conducteurs dans un moule et on surmoule sur celui-ci de la matière plastique, de façon à obtenir deux pastilles semi-conductrices 12 et 14, entourées chacune d'un cadre 16, 18. On place ensuite les différents composants électroniques 38a, 38b, 40a, 40b, 42a, 10 42b, 44a, 44b sur les pastilles respectivement 12 et 14 et on brase les différents composants sur les circuits conducteurs adaptés des pastilles 12 et 14. On place ensuite les fils de commande 48 et les rubans 46 sur les pastilles comme indiqué plus haut, et on relie électriquement ceux-ci aux connecteurs et/ou aux composants électriques, par soudure par ultrasons .
15 Ensuite, on positionne des éléments métalliques 41 au sommet des rubans 46 de la pastille 12 et sur les connecteurs de cette pastille destinés à recevoir le sommet des arches inférieures des rubans de la pastille supérieure 14. On met ensuite en place la pastille 14 sur la pastille 12 de sorte que les deux pastilles 12 et 14 soient superposées à l'aide des surfaces de butée 13, 15.
20 On brase ensuite chaque ruban 46 à la pastille à laquelle il n'était pas jusqu'alors relié. On recouvre alors la face de dissipation 20, 22 de chaque pastille d'un film isolant électriquement mais conducteur thermiquement, de façon à éviter toute conduction d'électricité à l'extérieur du module par d'autres voies que les broches 39a, 39b. On injecte ensuite de la résine dans l'espace 17 formé entre les deux pastilles 12, 25 14, de façon à protéger les composants des éléments extérieurs. On fixe ensuite les deux pastilles 12, 14 ensemble à l'aide d'éléments de vissage. On peut ensuite assembler les pastilles 12, 14 chacune par leur première face 20, 22 à un substrat 24, 26 permettant la dissipation de la chaleur et fixer ces substrats au module de sorte qu'ils soient en contact direct contre la face de dissipation 20, 22 des 30 pastilles. On obtient ainsi un ensemble selon un mode de réalisation de l'invention. On notera que l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation précédemment décrit. Tout d'abord les composants électroniques placés sur les pastilles ne sont pas limités aux composants décrits. Pour former le circuit demi-pont, on pourrait très bien 35 envisager qu'une seule paire transistor-diode soit placée sur chacune des pastilles. On peut également envisager d'intégrer un autre type de circuit à un tel module de puissance. 2951019 -8- De même, les éléments de connexion ne sont pas limités à ce qui a été décrit. Le module peut ne pas comprendre de rubans de puissance, par exemple. Il pourrait également comprendre un nombre plus important de rubans de puissance par composant.
5 En outre, la forme du module n'est pas limitée à ce qui a été décrit. Le module peut ne pas comprendre un cadre entourant celui-ci ou des surfaces de butée permettant un bon positionnement des pastilles les unes par rapport aux autres. Le module peut également être fixé par d'autres moyens que les moyens de vissage. Les faces externes du module ne sont pas forcément en contact direct sur toute leur 10 surface avec un substrat dissipateur de chaleur. En outre, les deux pastilles du module peuvent être assemblées à l'aide des mêmes moyens que ceux utilisés pour assembler le module aux substrats. En outre, on notera que le procédé n'est pas non plus limité à ce qui a été décrit. Certaines étapes de celui-ci peuvent par exemple être inversées. 15

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Module de puissance (10), de préférence pour un véhicule, notamment électrique, caractérisé en ce qu'il comprend deux pastilles semi-conductrices (12, 14) superposées, chaque pastille comportant une première face (20, 22), destinée à être connectée à un substrat de dissipation de chaleur (24, 26) et une deuxième face (28, 30), distincte de la première, sur laquelle est agencée au moins un composant électronique (38a-44b), le module étant agencé de sorte que les deuxièmes faces des pastilles sont disposées en vis-à-vis.
  2. 2. Module de puissance selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, la deuxième face de chaque pastille comprenant au moins un connecteur (32,34,36,37), le module comprend au moins un élément de connexion (46, 48) pour relier un composant électronique (38a-44b) ou un connecteur de l'une des pastilles à un composant électronique ou un connecteur de l'autre des pastilles.
  3. 3. Module de puissance selon la revendication précédente, dans lequel le ou au moins l'un des éléments de connexion est constitué par un ruban (46).
  4. 4. Module de puissance selon la revendication précédente, dans lequel le ruban (46) est ondulé de façon à présenter une alternance d'arches opposées, au moins un sommet d'un premier type d'arches étant relié électriquement à la deuxième face (28) de l'une des pastilles (12) et au moins un sommet d'un deuxième type d'arches étant relié électriquement à la deuxième face (30) de l'autre des pastilles (14).
  5. 5. Module de puissance selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque pastille comprend à au moins deux de ses extrémités opposées un élément d'entretoisement (16, 18), le module étant agencé de sorte que les éléments d'entretoisement soient en contact et qu'un espace (17) subsiste entre les deuxièmes faces des pastilles.
  6. 6. Module de puissance selon la revendication précédente, dans lequel les éléments d'entretoisement comprennent des moyens de verrouillage des pastilles dans leurs positions relatives, comprenant notamment des surfaces de butées (13, 15) de forme complémentaire.
  7. 7. Module de puissance selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins une des pastilles présente un cadre (16, 18), ce cadre comprenant de préférence les éléments éléments d'entretoisement.
  8. 8. Ensemble d'un module de puissance (10) selon l'une des revendications 35 précédentes et de deux substrats de dissipation de chaleur (24, 26), chacun des substrats 2951019 -10- étant respectivement relié électriquement à la première face de l'une pastilles, de préférence en contact direct avec la première face de l'une des pastilles.
  9. 9. Procédé d'assemblage d'un module de puissance (10), caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: 5 û le module comprenant deux pastilles semi-conductrices (12, 14), on place au moins un composant électronique (38a -44b) sur une face dite de connexion (28, 30) de chacune des pastilles, on superpose les pastilles (12, 14) de sorte que les faces de connexion soient placées en vis-à-vis. 10
  10. 10. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel on place au moins un élément de connexion, de préférence un ruban (46), sur la face de connexion (28, 30) d'une des pastilles (12, 14) et on superpose les pastilles (12, 14) de sorte que l'élément de connexion relie électriquement au moins un connecteur (32, 34, 36) de la face de connexion de la pastille ou un composant électronique (38a-44b) agencé sur ladite face, à 15 un connecteur de la face de connexion de l'autre pastille ou un composant électronique agencé sur ladite face .
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