FR3004056A1

FR3004056A1 - Module de commande d'un appareil electrique

Info

Publication number: FR3004056A1
Application number: FR1352734A
Authority: FR
Inventors: Bertrand Puzenat; Jonathan Fournier
Original assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Current assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2014-10-03
Anticipated expiration: 2033-03-26
Also published as: FR3004056B1; EP2979522A1; WO2014154572A1

Abstract

L'invention concerne un module de commande (4) d'un appareil électrique (3) comportant une carte de circuit imprimé (11) et un composant électronique de puissance (10) monté sur un substrat (14) en matériau thermiquement conducteur distinct de la carte de circuit imprimé (11), au moins un organe (18) en matériau thermiquement conducteur s'étendant depuis ledit substrat (14) de façon à dissiper la chaleur générée par le composant électronique de puissance (10).

Description

Module de commande d'un appareil électrique La présente invention concerne un module de commande d'un appareil électrique, ainsi qu'un dispositif de chauffage notamment pour véhicule automobile, comportant un tel module de commande. L'invention s'applique notamment au domaine technique des dispositifs de chauffage électriques additionnels pour véhicules automobiles. De tels dispositifs de chauffage sont notamment utilisés dans les premières minutes de démarrage d'un véhicule automobile, lorsque le moteur n'est pas suffisamment chaud pour assurer l'apport d'air chaud dans l'habitacle du véhicule. Ce temps de chauffe est par exemple compris entre 15 et 20 minutes pour un moteur de type Diesel. Un tel dispositif de chauffage additionnel comprend en général un cadre support sur lequel sont montés des modules de chauffage parallèles agencés de façon à être traversés par un flux d'air à chauffer. Chaque module de chauffage comprend deux électrodes entre lesquelles sont placés des éléments résistifs de type à coefficient de température positif (CTP). Deux dissipateurs thermiques opposés sont fixés sur les électrodes, de façon à augmenter la surface d'échange avec le flux d'air à chauffer. Les dissipateurs thermiques sont par exemple formés de rubans métalliques plissés ou ondulés. Chaque module de chauffage comprend ainsi une borne positive reliée électriquement à la borne positive d'une batterie, et une borne négative reliée électriquement à la borne négative de la batterie par l'intermédiaire d'un transistor de puissance, tel qu'un transistor à effet de champ à grille métal-oxyde, également appelé MOSFET. Plus particulièrement, chaque MOSFET est soudé sur une carte de circuit imprimé d'un module de commande, également appelé driver. Le module de commande est monté dans un boîtier fixé au cadre support.

Chaque MOSFET comprend une première borne appelée drain et reliée à la borne négative du module de chauffage correspondant, une deuxième borne appelée source et reliée à la borne négative ou masse de la batterie, et une troisième borne appelée grille servant à l'entrée d'un signal de contrôle permettant de commander l'ouverture et la fermeture du MOSFET.

Les différentes liaisons électriques peuvent être notamment assurées par des barreaux conducteurs liés mécaniquement entre eux par une garniture électriquement isolante fixée sur la carte de circuit imprimé. Un tel dispositif de chauffage est notamment connu du document FR 5 2 954 606, au nom de la Demanderesse. Lorsqu'un MOSFET est ouvert, aucun courant ne circule au travers des éléments résistifs correspondants. A l'inverse, lorsque le MOSFET est fermé, un courant passe dans les éléments résistifs de façon à provoquer le chauffage des électrodes et des dissipateurs thermiques. 10 Lorsqu'un MOSFET est fermé, c'est-à-dire lorsqu'il est à l'état passant, il a une résistance Rdson non négligeable. Le courant passant dans le MOSFET et les éléments résistifs étant relativement important, une quantité de chaleur non négligeable (2 à 3 Watts) est dissipée par le MOSFET, en fonctionnement normal. Il existe également un risque très faible que le MOSFET soit 15 endommagé et soit alors dans un état de court-circuit. Dans ce cas, la quantité de chaleur dissipée est plus importante, par exemple de l'ordre de 20 à 30 Watts. Dans les deux cas, il convient de s'assurer que la chaleur ainsi produite par chaque MOSFET n'endommage pas les autres composants électroniques de la carte de circuit imprimé. 20 Pour cela, il est connu de placer une partie des barreaux conducteurs reliant les MOSFETs aux bornes négatives des modules de chauffage dans le flux d'air, de façon à ce qu'une partie de la chaleur dissipée par le MOSFET soit évacuée par l'intermédiaire de ce flux d'air. En général, ce barreau est soudé sur une piste conductrice en cuivre 25 de la carte de circuit imprimé, cette piste ayant une épaisseur réduite, par exemple comprise entre 60 et 80 microns. Compte tenu de la faible épaisseur de cette piste, il est nécessaire d'utiliser des MOSFETs coûteux, qui ont une résistance électrique à l'état passant Rdson relativement faible, de façon à limiter la quantité de chaleur dégagée par les MOSFETs. 30 Il est également connu de prévoir des fentes en forme générale de U entourant partiellement les MOSFETs, de façon à limiter la conduction de chaleur en direction des autres composants électroniques de la carte de circuit imprimé. Ces fentes ne réduisent toutefois pas de façon suffisante ces phénomènes de conduction et il subsiste des risques de dégradation des composants électroniques environnants, notamment lorsque l'on cherche à alimenter des modules de chauffage de grande puissance ou lorsque l'un au moins des MOSFETs est endommagé. En effet, la chaleur peut toujours être conduite par l'intermédiaire de ponts de matière situés entre les parties de la carte de circuit imprimé supportant les MOSFETs et le reste de la carte de circuit imprimé. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème. A cet effet, elle propose un module de commande d'un appareil électrique comportant une carte de circuit imprimé et un composant électronique de puissance monté sur un substrat en matériau thermiquement conducteur distinct de la carte de circuit imprimé, au moins un organe en matériau thermiquement conducteur s'étendant depuis ledit substrat, de façon à dissiper la chaleur générée par le composant électronique de puissance. De cette manière, la majeure partie de la chaleur est dissipée au travers du substrat, par l'organe en matériau conducteur, à la manière d'un puits de chaleur (« heat sink »). Dans ce cas, l'ensemble du substrat permet d'évacuer la chaleur, contrairement à l'art antérieur où seule la piste en cuivre d'épaisseur réduite assure cette fonction. Il est donc possible d'utiliser des transistors de type MOSFET ayant une résistance à l'état passant Rdson plus élevée, qui sont moins coûteux, et/ou des transistors traversés par des courants très importants. Les sections du substrat et de l'organe thermiquement conducteurs sont adaptées au transfert du flux thermique maximal à dissiper. De préférence, en fonctionnement, l'organe en matériau conducteur est placé dans un flux d'air, de manière à favoriser la dissipation de chaleur.

Avantageusement, ledit substrat et ledit organe sont également électriquement conducteurs, de manière à former à la fois un puits de chaleur et une partie d'un circuit électrique. Selon une caractéristique de l'invention, le composant électronique de puissance est un transistor de puissance, par exemple un transistor à effet de champ à grille métal-oxyde. Avantageusement, le substrat a une épaisseur sensiblement égale à 1 MM.

Le substrat peut être en cuivre et peut être, de préférence, recouvert sur sa face destinée à accueillir le composant électronique de puissance, d'une couche d'étain et/ou d'une couche de nickel. Par ailleurs, le substrat peut être écarté de la carte de circuit imprimé.

Le composant électronique de puissance étant écarté ou distant de la carte de circuit imprimé, on évite toute transmission de chaleur par conduction vers les autres composants électroniques. Le substrat peut être séparé de la carte par exemple par une fente débouchant à ses extrémités sur un bord périphérique de la carte de circuit imprimé. Avantageusement, le substrat est situé dans le plan de la carte de circuit imprimé. L'organe en matériau conducteur peut être un organe de liaison électrique fixé sur la carte de circuit imprimé et relié à l'une des bornes du composant électronique de puissance.

Selon une autre caractéristique de l'invention, un premier organe de liaison est relié électriquement à une première borne du composant électronique de puissance et au substrat, un second organe de liaison étant relié électriquement à une seconde borne du composant électronique de puissance, les deux organes de liaison étant liés mécaniquement l'un à l'autre par l'intermédiaire d'une garniture électriquement isolante, ladite garniture étant fixée sur la carte de circuit imprimé. L'invention concerne également un dispositif de chauffage, notamment pour véhicule automobile, comportant un module de commande du type précité, au moins un module de chauffage comprenant une première borne reliée électriquement à une première borne d'une batterie, une seconde borne reliée électriquement à une première borne du composant électronique de puissance et au substrat, par l'intermédiaire d'un premier organe de liaison électrique, une seconde borne de la batterie étant reliée électriquement à une seconde borne du composant électronique de puissance, par l'intermédiaire d'un second organe de liaison électrique. De préférence, la première borne du module de chauffage et/ou de climatisation est reliée électriquement à la première borne de la batterie par l'intermédiaire d'un troisième organe de liaison électrique, les trois organes de liaison étant liés mécaniquement les uns aux autres par l'intermédiaire d'une garniture électriquement isolante fixée sur la carte de circuit imprimé. Les organes de liaison sont par exemple des barreaux conducteurs. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue de face d'un dispositif de chauffage selon l'invention, - la figure 2 est une vue en perspective, de l'avant, d'un module de commande selon l'invention, appartenant au dispositif de chauffage de la figure 1, - la figure 3 est une vue en perspective, de l'arrière, d'une partie du module de commande de la figure 2, - la figure 4 est une vue schématique et en coupe transversale, d'une partie du module de commande des figures 2 et 3, - la figure 5 est une vue de dessus du module de commande précité, - la figure 6 est une vue de dessus d'une carte de circuit imprimé et des substrats des MOSFETs appartenant au module de commande selon l'invention, - la figure 7 est une vue schématique du câblage électrique de puissance du dispositif de chauffage, - la figure 8 est une vue de dessus d'un panneau servant à la réalisation des cartes de circuit imprimé, - la figure 9 est une vue d'une partie du panneau de la figure 8. La figure 1 représente un dispositif de chauffage électrique additionnel 1 selon l'invention, destiné à équiper un véhicule automobile. Un tel dispositif de chauffage 1 est notamment utilisé dans les premières minutes d'utilisation du véhicule automobile, lorsque le moteur n'est pas suffisamment chaud pour assurer l'apport d'air chaud dans l'habitacle du véhicule. Ce dispositif de chauffage 1 comprend un cadre support 2 de forme parallélépipédique sur lequel sont montés des modules de chauffage 3 parallèles et agencés de façon à être traversés par un flux d'air à chauffer. Les modules de chauffage 3 sont commandés à l'aide d'un module de commande 4 (figures 2 et 5) ou « driver » monté dans un boîtier 5 fixé au cadre support 2.

Chaque module de chauffage 3 comprend deux électrodes ou bornes référencées « + » et «-» à la figure 7, entre lesquelles sont placées des éléments résistifs 6 (figure 7) de type à coefficient de température positif. Deux dissipateurs thermiques 8 opposés sont fixés sur les électrodes, de façon à augmenter la surface d'échange avec le flux d'air à chauffer. Les dissipateurs thermiques 8 sont par exemple formés de rubans métalliques plissés ou ondulés. Chaque module de chauffage 3 comprend ainsi une borne positive reliée électriquement à la borne positive d'une batterie 9, et une borne négative reliée électriquement à la borne négative de la batterie 9 par l'intermédiaire d'un transistor de puissance, tel qu'un transistor à effet de champ à grille métal-oxyde 10, également appelé MOSFET. Le module de commande 4 comprend une carte de circuit imprimé 11 sur laquelle sont soudés ou montés différents composants électriques et électroniques 12 et comportant des échancrures 13 de forme rectangulaire ou carrée permettant de loger des substrats 14 sur lesquels sont soudés les MOSFETs. Chaque substrat 14 a une forme correspondant à celle des échancrures 13. Chaque substrat 14 est formé d'une plaque de cuivre qui peut être recouverte avantageusement, sur sa face destinée à accueillir le MOSFET, d'une couche d'étain et/ou d'une couche de nickel.

Le bord de chaque substrat 14 est écarté de la carte de circuit imprimé 11 d'une distance d comprise entre 1 et 2 mm. La fente 15 s'étendant entre la carte de circuit imprimé 11 et le bord de chaque substrat 14 est de forme générale en U et comprend deux bras débouchant au niveau du bord périphérique 16 de la carte de circuit imprimé 11. Chaque substrat 14 s'étend dans le plan de la carte de circuit imprimé 11 et a une épaisseur sensiblement égale à 1 mm, et de préférence sensiblement égale à l'épaisseur de la carte de circuit imprimé 11. Comme cela est mieux visible à la figure 7, chaque MOSFET 10 comprend une première borne appelée drain D (formant la semelle du MOSFET) et reliée à la borne négative du module de chauffage 3 correspondant, une deuxième borne appelée source S et reliée à la borne négative ou masse de la batterie 9, et une troisième borne appelée grille G, servant à l'entrée d'un signal de contrôle permettant de commander l'ouverture et la fermeture du MOSFET 10. La semelle du MOSFET 10, c'est-à-dire le drain D, est en contact direct avec le substrat conducteur 14 et est soudée à ce dernier. Des terminaisons d'un barreau conducteur 18, comme décrit ci-après, sont également soudées sur le substrat 14. Chaque MOSFET 10 comprend en outre deux pattes de faible section, dont l'une est reliée à la source S et dont l'autre est reliée à la grille G. Lesdites pattes S, G sont soudées sur la carte de circuit imprimé 11 (figure 5). Plus particulièrement la patte G reliée à la grille permet de recevoir le signal de consigne destiné à commander l'ouverture ou la fermeture du MOSFET 10 et la patte S est reliée à la borne négative de la batterie 9, par l'intermédiaire d'un barreau conducteur 19 et de pistes conductrices de la carte de circuit imprimé 11 mieux décrit après. Les liaisons électriques entre les MOSFETs 10, les modules de chauffage 3 et la batterie 9 sont assurées par des barreaux conducteurs. Plus particulièrement, trois barreaux conducteurs 18 relient respectivement la borne négative de chaque module de chauffage 3 au drain D du MOSFET 10 correspondant par l'intermédiaire du substrat correspondant 14. Une partie de chaque barreau conducteur 18 est situé dans un flux d'air froid en fonctionnement, de manière à dissiper la chaleur générée par la MOSFET correspondant. Un autre barreau conducteur 19 relie toutes les sources S des MOSFETS à la borne négative ou masse de la batterie 9. Un dernier barreau conducteur 20 relie la borne positive de la batterie 9 aux bornes positives des différents modules de chauffage 3. Les différents barreaux conducteurs 18, 19, 20 sont reliés mécaniquement les uns aux autres et isolés électriquement les uns par rapport aux autres par une garniture 21 surmoulée en matériau synthétique et jouant le rôle de support de façon à ce que lesdits barreaux conducteurs 18, 19, 20 et la garniture 21 forment un ensemble unitaire. La garniture 21 est fixée en 22 sur la carte de circuit imprimé (figure 3). Par ailleurs, les barreaux 19 et 20 sont fixés, par certaines de leurs terminaisons, sur la carte de circuit imprimé (figure 5).

Lorsqu'un MOSFET 10 est ouvert, aucun courant ne circule au travers des éléments résistifs 7 correspondants. A l'inverse, lorsque le MOSFET 10 est fermé, un courant passe dans les éléments résistifs 7 et entraîne ainsi la montée en température du module de chauffage 3 correspondant.

Chaque MOSFET 10 peut être ouvert et fermé de façon cyclique, la température atteinte par chaque module de chauffage 3 étant alors fonction des durées d'ouverture et de fermeture du MOSFET 10. La majeure partie de la chaleur générée par chaque MOSFET 10 est dissipée au travers du substrat 14, par le barreau conducteur correspondant 18 à la manière d'un puits de chaleur. Dans ce cas, l'ensemble du substrat 14 permet d'évacuer la chaleur, contrairement à l'art antérieur où seule la piste en cuivre d'épaisseur réduite assure cette fonction. Il est donc possible d'utiliser des transistors de type MOSFET ayant une résistance à l'état passant Rdson plus élevée (moins coûteux), et/ou des transistors traversés par des courants très importants. Il est également possible d'utiliser des modules de chauffage 3 de grande puissance, dans lesquels un courant important circule dans les MOSFETs 10. Par ailleurs, la séparation du substrat 14 et de la carte de circuit imprimé 11 par la fente 15 permet d'éviter toute conduction de chaleur entre eux, en particulier dans le cas où les MOSFETs 10 sont endommagés généralement dans un état de court-circuit entre le drain D et la source S, ou dans le cas où les MOSFETs 10 sont fermés, c'est-à-dire lorsqu'ils sont à l'état passant. Bien entendu, il est également possible de prévoir des substrats 14 qui ne sont pas écartés de la carte de circuit imprimé 11. En effet, la majeure partie de la chaleur étant évacuée par le puits de chaleur précité, la chaleur transmise à la carte de circuit imprimé 11 par conduction reste faible. Selon une autre variante non représentée, les barreaux conducteurs 18 peuvent former directement tout ou partie des substrats 14 sur lesquels sont 25 montés les MOSFETs 10. Un module de commande 4 selon l'invention est fabriqué par exécution du procédé suivant. Ce procédé utilise un panneau 23 (figure 8) comportant plusieurs cartes de circuit imprimé 11 distinctes, par exemple au nombre de 8 ou 16, 30 chaque carte de circuit imprimé 11 étant reliée au reste du panneau 23 par des ponts de matière 24. Comme cela est mieux visible à la figure 9, chaque carte comprend des échancrures 13. Des composants électriques 12 sont montés sur l'une et/ou l'autre face de la carte de circuit imprimé 11, par exemple par soudage ou par brasage. Il peut s'agit notamment de composants CMS, c'est-à-dire montés en surface. Des MOSFETs 10 préalablement soudés sur des substrats 14 sont en outre montés dans les échancrures 13. On monte alors l'ensemble formé par les différents barreaux conducteurs 18, 19, 20 et par la garniture 21 sur la carte de circuit imprimé 11 et sur le substrat 14. On supprime ensuite par fraisage les différents ponts de matière 24, de façon à détacher chaque carte de circuit imprimé 11 du reste du panneau 23. On obtient alors un module de commande 4 tel que décrit précédemment, comportant une carte de circuit imprimé 11 et des MOSFETs 10 montés sur des substrats 14 distincts de la carte de circuit imprimé 11 et reliés à cette dernière par les barreaux conducteurs 18, 19, 20 et par la garniture 21.

Claims

REVENDICATIONS1. Module de commande (4) d'un appareil électrique (3) comportant une carte de circuit imprimé (11) et un composant électronique de puissance (10) monté sur un substrat (14) en matériau thermiquement conducteur distinct de la carte de circuit imprimé (11), au moins un organe (18) en matériau thermiquement conducteur s'étendant depuis ledit substrat (14) de façon à dissiper la chaleur générée par le composant électronique de puissance (10).
2. Module de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composant électronique de puissance est un transistor de puissance,
3. Module de commande selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le substrat (14) a une épaisseur au moins égale à 1 mm.
4. Module de commande selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le substrat (14) est en cuivre.
5. Module de commande selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le substrat (14) est recouvert, sur sa face destinée à accueillir le composant électronique de puissance (10), d'une couche d'étain et/ou d'une couche de nickel.
6. Module de commande selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le substrat (14) est écarté de la carte de circuit imprimé (11).
7. Module de commande selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'il est séparé de la carte de circuit imprimé (11) par une fente (15) débouchant à ses extrémités sur un bord périphérique (16) de ladite carte de circuit imprimé (11).
8. Module de commande selon la revendication 1 à 7, caractérisé en ce que le substrat est situé dans le plan de la carte de circuit imprimé (1).
9. Module de commande selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'organe en matériau conducteur (18) est un organe de liaison électrique fixé sur la carte de circuit imprimé (11) et relié à l'une (D) des bornes (S, D, G) du composant électronique de puissance (10).
10. Module de commande selon la revendication 7, caractérisé en ce que qu'un premier organe de liaison (18) est relié électriquement à une première borne (D) du composant électronique de puissance (10) et au substrat (14), un second organe de liaison (19) étant relié électriquement à une seconde borne (S) du composant électronique de puissance (10), les deux organes de liaison (18, 19) étant liés mécaniquement l'un à l'autre par l'intermédiaire d'une garniture électriquement isolante (21), ladite garniture (21) étant fixée sur la carte de circuit imprimé (11).
11. Dispositif de chauffage, notamment pour véhicule automobile, comportant un module de commande (4) selon l'une des revendications 1 à 10, au moins un module de chauffage (3) comprenant une première borne reliée électriquement à une première borne d'une batterie (9), une seconde borne reliée électriquement à une première borne (D) du composant électronique de puissance (10) et au substrat (14), par l'intermédiaire d'un premier organe de liaison électrique (18), une seconde borne de la batterie (9) étant reliée électriquement à une seconde borne (S) du composant électronique de puissance (10), par l'intermédiaire d'un second organe de liaison électrique (19).
12. Dispositif de chauffage selon la revendication 11, caractérisé en ce que la première borne du module de chauffage (3) est reliée électriquement à la première borne de la batterie (9) par l'intermédiaire d'un troisième organe de liaison électrique (20), les trois organes de liaison (18, 19, 20) étant liés mécaniquement les uns aux autres par l'intermédiaire d'une garniture (21) électriquement isolante fixée sur la carte de circuit imprimé (11).