FR3002707A1 - Dispositif d’alimentation electrique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif d'alimentation électrique, notamment pour véhicule, comportant un premier composant électronique (2) connecté à un deuxième composant électronique (7), le dispositif (1) comportant une plaque conductrice (8) agencée de sorte à couvrir tout ou partie des éléments de passage d'un courant électrique dans le dispositif (1).

Description

DISPOSITIF D'ALIMENTATION ELECTRIQUE La présente invention concerne un dispositif d'alimentation électrique d'un véhicule, notamment d'un véhicule automobile, ainsi qu'un véhicule comportant un tel dispositif. Les véhicules électriques ou hybrides comprennent généralement un onduleur et un chargeur dans lesquels de forts courants sont commutés, par des dispositifs d'alimentation électrique avec une variation du courant de l'ordre de quelques centaines d'ampères en moins d'une microseconde. Cette commutation est réalisée notamment par des interrupteurs compris dans le dispositif d'alimentation électrique et engendre généralement une forte surtension. Cette forte surtension est liée en particulier à l'inductance parasite des éléments de passage de courant électrique dans un tel dispositif.

Un des inconvénients majeur d'un tel dispositif d'alimentation électrique est lié au fait qu'une telle surtension peut engendrer des dommages irréversibles au niveau notamment des interrupteurs. La présente invention vise à résoudre ces problèmes résultant des inconvénients de l'état de l'art. L'invention vise à résoudre le problème lié à l'amélioration de la suppression d'une inductance parasite notamment au niveau des éléments de passage de courant électrique d'un dispositif d'alimentation 30 électrique.

Dans ce dessein, un aspect de l'invention concerne un dispositif d'alimentation électrique, notamment pour véhicule, comportant un premier composant électronique connecté à un deuxième composant électronique, le dispositif comportant une plaque conductrice agencée de sorte à couvrir tout ou partie des éléments de passage d'un courant électrique dans le dispositif, la plaque conductrice étant isolée électriquement par une couche d'air des éléments de passage d'un courant et comprenant une couche métallique de cuivre ou d'aluminium.

Selon des modes de réalisation particuliers: - le premier composant électronique comporte un ensemble d'interrupteurs électroniques reliés électriquement entre eux par des éléments de liaison électrique ; - les premier et deuxième composants électroniques sont connectés l'un à l'autre par des éléments d'interconnexions ; - les éléments de passages d'un courant électrique comprennent les éléments de liaison électrique et/ou les éléments d'interconnexions ; - la plaque conductrice est agencée au-dessus ou en dessous et au plus proche des éléments de liaison électrique ; - la plaque conductrice est agencée au niveau des éléments d'interconnexions ; - le premier composant électronique est un module de puissance et/ou en ce que le deuxième composant électronique est un condensateur de liaison de courant continu, et - la couche métallique a une épaisseur minimum de 50pm. L'invention concerne également un véhicule électrique ou hybride comprenant un dispositif d'alimentation électrique comportant un tel dispositif d'alimentation électrique.30 En particulier, le dispositif de ce véhicule est agencé entre un dispositif interne et une source de puissance. Avantageusement, un tel dispositif d'alimentation électrique est d'un coût de fabrication faible en comparaison avec ceux des dispositifs de l'art antérieur. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description de deux modes de réalisation préférés qui 10 vont suivre, en référence aux figures ci-dessous, réalisés à titre d'exemple indicatif et non limitatif : - la figure 1 représente un dispositif d'alimentation électrique selon un premier mode de réalisation de l'invention, 15 - la figure 2 illustre le dispositif d'alimentation électrique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 représente une vue détaillée du premier composant électronique du dispositif d'alimentation électrique selon le deuxième mode de réalisation de l'invention, 20 - la figure 4 représente un schéma d'un circuit électrique du dispositif d'alimentation électrique selon le premier ou deuxième mode de réalisation de l'invention, et - la figure 5 illustre un schéma du circuit électrique du dispositif d'alimentation électrique sans inductance parasite. 25 Les premier et deuxième modes de réalisation du dispositif d'alimentation électrique 1 illustrés respectivement aux figures 1 et 2 comprennent un premier composant électronique 2 connecté à un deuxième composant électronique 7 ainsi qu'une plaque conductrice 8 agencée de sorte à 30 couvrir tout ou partie des éléments de passage d'un courant traversant le dispositif.

On remarquera sur la figure 4 qui représente le schéma électrique équivalent de ces deux modes de réalisation du dispositif 1, une inductance parasite, résultant des éléments de liaison du premier composant électronique 2, symbolisée par une bobine 13. De manière non exhaustive et non limitative, dans ces modes de réalisation les premier 2 et deuxième 7 composants électroniques correspondent respectivement à un module de puissance et à un condensateur de liaison de courant continu. Ainsi que l'illustrent les figures 1 à 4, ce premier composant électronique 2, le module de puissance, comporte un ensemble d'interrupteurs électroniques 3, tels que des composants électroniques de puissance, montés sur un substrat par brasage ou encore collage. 15 Ce substrat est, par exemple un substrat de type DBC acronyme anglais de Direct Bounded Copper. Ce substrat comporte alors trois couches : - une première couche constituée de traces métalliques gravées 12a,12b formant les liaisons d'un circuit électrique, 20 - une deuxième couche 9 intermédiaire correspondant à une plaque de matériau isolant électriquement tel qu'une céramique, par exemple de l'oxyde d'alumine, et - une troisième couche 10 qui est une plaque métallique constituée de cuivre ou de cuivre nickelé. 25 L'ensemble, constitué du substrat de type DBC et des composants électroniques de puissance brasés ou collés, étant généralement brasé sur un support mécanique agissant comme un dissipateur thermique. Le module de puissance constitué d'un tel substrat, est robuste et apte à 30 supporter une forte puissance. 10 Le substrat peut également être de type SMI acronyme de Substrat Métallique Isolé. Dans ce cas, la plaque de céramique de la deuxième couche 9 est remplacée par une plaque de résine, pouvant supporter une première couche constituée de traces métalliques 12a,12b de cuivre très fine. La troisième couche 10 de dissipation thermique peut dans ce cas être constituée d'une plaque métallique en aluminium. Le module de puissance constitué d'un tel substrat, peut notamment disposer d'un plus grand nombre de composants électroniques de puissance.

Dans ces deux modes de réalisation, les composants électroniques de puissance - les interrupteurs 3 - sont reliés électriquement entre eux par des éléments de liaison électrique, qui correspondent par exemple aux trace métalliques gravées 12a,12b et à des bandes métalliques 11.

Plus précisément, ce premier composant électronique 2 - le module de puissance - comporte la trace métallique 12a formant au moins un ensemble de liaisons électriques sur lesquelles sont disposés des composants électroniques de puissance, les interrupteurs 3. Un composant électronique de puissance est par exemple un composant bipolaire tel qu'une diode, un composant tripolaire tel qu'un transistor de type MOS (acronyme de « Metal Oxide Semiconductor ») ou IGBT (acronyme anglais « Insulated Gate Bipolar Transistor », qui signifie en français «Transistor Bipolaire à grille isolée »), ou bien HEMT (acronyme de High Electron Mobility Transistor (qui signifie en français «transistor à haute mobilité électronique»). A titre d'exemple, dans ces deux modes de réalisation, le composant électronique de puissance peut par exemple correspondre à un transistor 30 de type IGBT dont les pertes par conduction sont faibles. Dans ce module de puissance, les composants électroniques de puissance tels que les transistors IGBT sont alors montés en parallèles. Chaque composant électronique de puissance est fixé à la trace métallique découpée 12a par exemple par une brasure permettant aussi un contact électrique entre le composant et la trace métallique 12a. La face libre de chaque composant électronique de puissance, opposée à la face brasée à la trace métallique 12a, est connectée à la trace métallique 12b. La connexion est réalisée à partir de la bande métallique 11 soudée ou brasée, d'une part, à la trace métallique 12b et, d'autre part, soit directement à la face libre du composant électronique de puissance, l'interrupteur 3. La bande métallique 11 comporte une section qui est fonction de l'intensité du courant destinée à circuler dans celle-ci. Néanmoins, elle est dimensionnée, en épaisseur et en longueur, de manière à pouvoir se déformer, notamment en raison des dilatations thermiques, sans exercer de contrainte mécanique sur le composant électronique de puissance. Sur la figure 1, les premier 2 et deuxième 7 composants électroniques sont connectés l'un à l'autre par des éléments d'interconnexion 5,6 20 pouvant correspondre par exemple à des traces métalliques. Dans les deux modes de réalisation du dispositif 1 d'alimentation électrique, la plaque conductrice 8 est agencée de sorte à couvrir tout ou partie des éléments de passage d'un courant traversant le dispositif. Les 25 éléments de passage du courant sont de manière non exhaustive, les éléments d'interconnexion 5,6 ou encore les éléments de liaison. Cette plaque conductrice 8 peut être par exemple une plaque en cuivre massif ou encore en aluminium.

Dans une variante, cette plaque conductrice 8 peut comporter, au niveau de la surface d'une de ses faces, un film de matériau isolant par exemple en un polymère tel que le polyimide : un film KaptonTM On notera que le film KaptonTM peut rester stable dans une plage 5 étendue de température, de -269 °C à 410 °C. De manière alternative, un film de ruban adhésif sur une seule face peut également être utilisé comme film de matériau isolant. De manière alternative, la plaque conductrice 8 peut correspondre à une 10 couche mince de cuivre ou d'aluminium sur substrat isolant. La plaque conductrice 8 peut également correspondre à un circuit imprimé (dont le sigle PCB de l'expression en anglais signifie « Printed Circuit Board ») comportant une couche métallique de cuivre ou d'aluminium d'un côté et une partie isolante de l'autre. Ce circuit imprimé 15 peut également être, dans une variante, flexible en utilisant notamment un substrat plastique haute performance, tel que le polyamide (KaptonTM) ou un film PEEKTM Cette couche métallique de cuivre ou d'aluminium sur le circuit imprimé ou le substrat doit avoir une épaisseur minimum de 50pm. L'épaisseur de 20 la couche peut être aussi faible parce qu'il existe un effet de peau sur la couche et que lors d'une commutation rapide de l'interrupteur, le courant ne pourrait pas pénétrer une couche qui serait trop épaisse. Il n'est donc pas utile d'utiliser une couche de cuivre trop épaisse car le courant restera en surface à cause de l'effet de peau. La fréquence équivalente à 25 considérer est de l'ordre de f=0.35/tm où tm est le temps de montée du courant dans les interrupteurs. Il est donc suffisant de placer une couche d'épaisseur 1/racine(sigmemu*pil) avec f la fréquence calculée ci-dessus, sigma la conductivité du cuivre et mu la perméabilité magnétique du cuivre. Si on considère une commutation en 200ns, cela équivaut à 30 2MHz et donc pour une couche en cuivre, il n'est pas nécessaire de dépasser 50pm qui est l'épaisseur de peau à 2MHz.

Dans le premier mode de réalisation illustré en figure 1, la plaque conductrice 8 est agencée au niveau des éléments de passage du courant dans le dispositif 1, correspondants aux éléments d'interconnexion 5,6. En effet, la plaque conductrice 8 est positionnée au plus proche des éléments d'interconnexion 5,6 en évitant d'être en contact électrique avec ces derniers. Dans ces différentes variantes de plaque conductrice 8, cette dernière est pourvue d'une couche isolante comme par exemple un film de matériau isolant ou un substrat isolant ou encore un circuit imprimé, qui est positionnée en regard et à proximité des éléments d'interconnexion 5,6.

Dans le deuxième mode de réalisation illustré aux figures 2 et 3, cette plaque conductrice 8 n'est plus positionnée au niveau des éléments d'interconnexion 5,6, mais au niveau des éléments de passage du courant du premier composant électrique - le module de puissance - que sont les éléments de liaison comportant les bandes métalliques 11 et les traces métalliques 12a,12b. Dans ce mode de réalisation la plaque conductrice 8 est agencée au plus proche de ces éléments de liaison, au-dessus ou en dessous de ces éléments de liaison.

Cette plaque conductrice 8 peut être agencée dans le boîtier dans lequel est compris le premier composant électrique comme par exemple dans le couvercle, qui est susceptible de fermer ce boîtier. Dans cette configuration, lorsque la plaque conductrice 8 comporte une couche isolante telle qu'un film de matériau isolant ou un substrat isolant ou encore un circuit imprimé, cette couche isolante correspond alors tout ou partie de la surface intérieure de ce couvercle. Cette surface intérieure est positionnée en regard et à proximité des interrupteurs 3, et donc des éléments de liaison. Dans une variante, le couvercle peut également être métallisé de sorte à ce qu'il ait les mêmes propriétés et caractéristiques que la plaque conductrice 8. En outre, cette plaque conductrice 8 peut avoir une forme plus ou moins complexe car elle doit recouvrir les éléments de passage du courant dans ce dispositif 1 tels que notamment les éléments de liaison électrique ou les éléments d'interconnexion 5,6. Dans ces deux modes de réalisation, lors de la commutation des interrupteurs 3 un courant I traverse alors le dispositif d'alimentation électrique, comme l'illustre les flèches sur la figure 3 pour le deuxième mode de réalisation. Ainsi, lors de cette commutation, un champ magnétique extérieur traversant ainsi la plaque conductrice 8 varie, créant alors, dans cette plaque conductrice 8, un courant de Foucault If. Ainsi, la plaque conductrice 8, agencée au niveau des éléments d'interconnexion 5,6 ou au niveau des éléments de liaison - les bandes métalliques 11 et les traces métalliques 12a,12b - , est traversée par un courant de Foucault If, ce qui permet alors de diminuer voire supprimer l'inductance parasite générée par les éléments liaison et donc d'éviter les surtensions résultant de la commutation des interrupteurs 3.

La plaque conductrice 8 peut être modélisée au premier ordre comme un secondaire d'un transformateur en court-circuit, le primaire étant les éléments d'interconnexion ou les éléments de liaison. Le secondaire étant en court-circuit tout se passe comme si la bobine 13 du schéma électrique de la figure 4 était court-circuitée, c'est-à-dire annulée. Dès lors, la surtension générée dans les dispositifs 1 d'alimentation électrique lors des commutations des interrupteurs 3 est quasi inexistante. La taille de ces interrupteurs 3, ici des IGBTs, peuvent donc être diminuée, ce qui permet de représenter le circuit électrique équivalent selon l'invention par la figure 5, dans lequel l'inductance parasite n'existe plus.

Un tel dispositif d'alimentation électrique peut être mis en oeuvre dans un véhicule, notamment un véhicule automobile de type électrique ou hybride, en étant en particulier agencé entre un dispositif externe ou interne - un onduleur ou un chargeur - et une source de puissance. Pour ce faire, des connecteurs électriques sont prévus sur le dispositif 1 d'alimentation électrique pour être par exemple raccordé à une source de puissance ou à tout dispositif externe. 20

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif (1) d'alimentation électrique, notamment pour véhicule, comportant un premier composant électronique (2) connecté à un deuxième composant électronique (7) caractérisé en ce qu'il comporte une plaque conductrice (8) agencée de sorte à couvrir tout ou partie des éléments de passage d'un courant électrique dans le dispositif (1), la plaque conductrice (8) étant isolée électriquement par une couche d'air 10 des éléments de passage d'un courant et comprenant une couche métallique de cuivre ou d'aluminium.
2. 2. Dispositif (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le premier composant électronique (2) comporte un ensemble 15 d'interrupteurs électroniques (3) reliés électriquement entre eux par des éléments de liaison électrique.
3. 3. Dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les premier (2) et deuxième (7) composants 20 électroniques sont connectés l'un à l'autre par des éléments d'interconnexions (5,6).
4. 4. Dispositif (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les éléments de passages d'un courant électrique comprennent 25 les éléments de liaison électrique et/ou les éléments d'interconnexions (5,6).
5. 5. Dispositif (1) selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la plaque conductrice (8) est agencée au-dessus ou 30 en dessous et au plus proche des éléments de liaison électrique.
6. 6. Dispositif (1) selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la plaque conductrice (8) est agencée au niveau des éléments d'interconnexions (5,6).
7. 7. Dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier composant électronique (1) est un module de puissance et/ou en ce que le deuxième composant électronique est un condensateur de liaison de courant continu.
8. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche métallique a une épaisseur minimum de 50pm. 15
9. 9. Véhicule électrique ou hybride comprenant un dispositif (1) d'alimentation électrique selon l'une des revendications 1 à 8.
10. 10. Véhicule selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit dispositif (1) est agencé entre un dispositif interne et une 20 source de puissance. 10