FR3099632A1 - Composant électronique comprenant au moins deux condensateurs - Google Patents
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Abstract
Composant électronique (1), comprenant : - une première couche électriquement conductrice (17), à un premier potentiel électrique - une deuxième couche électriquement conductrice (18), à un deuxième potentiel électrique, - un premier condensateur (11) ayant une première borne (15) électriquement connectée à la première couche électriquement conductrice (17) et une deuxième borne (16) électriquement connectée à la deuxième couche électriquement conductrice (18), et - un deuxième condensateur (12) ayant une première borne (15) connectée à la deuxième couche électriquement (18) conductrice et une deuxième borne (16) connectée à la première couche électriquement conductrice (17), le premier (11) et le deuxième (12) condensateur étant disposés de manière à ce que, dans une direction (D) orthogonale à l’une au moins de la première (17) et de la deuxième (18) couche, par rapport à laquelle sont définis un premier (C1) et un deuxième (C2) côté, le premier (11) et le deuxième (12) condensateur aient leur première borne (15) respective disposée du premier côté (C1), et leur deuxième borne (16) respective disposée du deuxième côté (C2). Figure pour l’abrégé : Figure 2
Description
La présente invention concerne un composant électronique comprenant au moins deux condensateurs. Un tel composant électronique est par exemple utilisé pour réaliser un convertisseur de tension, par exemple un convertisseur de tension continue/continue, ou encore un onduleur/redresseur. Ce convertisseur de tension peut être intégré à un véhicule hybride ou électrique, telle qu’une automobile, et appartenir au circuit électrique d’alimentation d’un moteur électrique de propulsion de ce véhicule.
Les condensateurs sont fréquemment utilisés aux bornes d’une source d’une tension continue en amont ou en aval en d’un bras de commutation pour filtrer les harmoniques hautes fréquences générées par les interrupteurs du bras de commutation et éviter les surtensions. Chacun de ces condensateurs présente une inductance propre et la connexion en parallèle de ces condensateurs génère une inductance parasite. Toutes ces inductances réduisent la bande passante offerte par ces condensateurs.
Il existe un besoin pour permettre de connecter des condensateurs en parallèle, par exemple en amont ou en aval d’un bras de commutation, tout en réduisant les inductances propres de ces condensateurs et l’inductance parasite résultant de la connexion en parallèle de ces condensateurs.
L’invention a pour but de répondre à ce besoin et elle y parvient, selon l’un de ses aspects, à l’aide d’un composant électronique, comprenant :
- une première couche électriquement conductrice, à un premier potentiel électrique
- une deuxième couche électriquement conductrice, à un deuxième potentiel électrique,
- un premier condensateur ayant une première borne électriquement connectée à la première couche électriquement conductrice et une deuxième borne électriquement connectée à la deuxième couche électriquement conductrice, et
- un deuxième condensateur ayant une première borne connectée à la deuxième couche électriquement conductrice et une deuxième borne connectée à la première couche électriquement conductrice,
le premier et le deuxième condensateur étant disposés de manière à ce que, selon une direction orthogonale à l’une au moins de la première et de la deuxième couche, par rapport à laquelle sont définis un premier et un deuxième côté, le premier et le deuxième condensateur aient leur première borne respective disposée du premier côté, et leur deuxième borne respective disposée du deuxième côté.
Dans tout ce qui suit, et sauf en cas de mention contraire explicite, le terme « connecté » se réfère à une connexion électrique tandis que le terme « disposé » se réfère à une disposition spatiale.
Le premier et le deuxième condensateur sont ainsi connectés en parallèle, puisqu’ils sont chacun connectés entre la première couche électriquement conductrice et la deuxième couche électriquement conductrice mais ils possèdent des orientations différentes étant donné que la borne du premier condensateur qui est connectée à la première couche électriquement conductrice n’est pas disposée du même côté que la borne du deuxième condensateur connectée à cette première couche électriquement conductrice. Le premier et le deuxième condensateur peuvent ainsi être considérés comme montés en parallèle, électriquement parlant, bien que pouvant être considérés comme montés de manière inversée, spatialement parlant.
Chaque couche électriquement conductrice peut définir des plans et l’emploi de ces plans permet de réduire l’inductance parasite liée à l’interconnexion entre ces condensateurs.
Chaque couche électriquement conductrice peut se présenter sous la forme d’une plaque, cette plaque s’étendant entre deux surfaces parallèles entre elles.
Le composant électronique peut comprendre une portion de carte de circuit imprimé, chaque condensateur étant notamment monté sur une même surface d’extrémité de cette portion de carte de circuit imprimé.
L’une au moins de la première et de la deuxième couche électriquement conductrice peut être disposée à l’intérieur de la portion de carte de circuit imprimé. L’une des couches électriquement conductrices est par exemple une couche définissant une surface extérieure de la portion de carte de circuit imprimé, par exemple la surface supérieure ou la surface inférieure tandis que l’autre couche électriquement conductrice est une couche disposée à l’intérieur de cette portion de carte de circuit imprimé.
En variante, chacune des couches électriquement conductrices est disposée à l’intérieur de la portion de carte de circuit imprimé.
En variante encore, chacune des couches électriquement conductrices est une couche définissant une surface extérieure de la portion de carte de circuit imprimé, l’une de ces couches étant la surface supérieure de cette portion de carte de circuit imprimé et l’autre de ces couches étant la surface inférieure de cette portion de carte de circuit imprimé.
Dans le cas d’une portion de carte de circuit imprimé, le premier et le deuxième condensateur peuvent être portés par une surface extérieure de la portion de carte de circuit imprimé.
Toujours dans le cas d’une portion de carte de circuit imprimé et lorsque chacune de la première et de la deuxième couche électriquement conductrice est disposée à l’intérieur de la portion de carte de circuit imprimé, ces deux couches électriquement conductrices peuvent définir entre elles un condensateur haute fréquence, ayant notamment une inductance propre inférieure à 1 nH, comme divulgué dans la demande déposée en France le 1eravril 2019 sous le numéro 19 03457 par la Demanderesse.
La première couche électriquement conductrice peut comprendre plusieurs sous-couches connectées en parallèle.
La deuxième couche électriquement conductrice peut comprendre plusieurs sous-couches connectées en parallèle.
Le cas échéant, le composant électronique peut comprendre une alternance de sous-couche de la première couche électriquement conductrice et de sous-couche de la deuxième couche électriquement conductrice, ces sous-couches étant alors empilées.
L’invention n’est pas limitée à un composant comprenant une portion de carte de circuit imprimé. Le composant comprend par exemple deux barres-bus et chacune de ces barre-bus présente une forme de plaque de manière à définir respectivement la première et la deuxième couche électriquement conductrice.
Les couches électriquement conductrices peuvent être spatialement parallèles entre elles. Dans ce cas, la direction par rapport à laquelle sont définis le premier côté et le deuxième côté peut être la normale à chaque couche électriquement conductrice.
Dans tout ce qui précède, la première et la deuxième couche électriquement conductrice peuvent être superposées en tout ou partie. L’une des couches est par exemple superposée avec l’intégralité de l’autre des couches.
Dans tout ce qui précède, le composant électronique peut comprendre en outre un troisième condensateur, ce troisième condensateur ayant une première borne électriquement connectée à la première couche électriquement conductrice et une deuxième borne électriquement connectée à la deuxième couche électriquement conductrice, le premier condensateur, le deuxième condensateur et le troisième condensateur étant disposés de manière à ce que le deuxième condensateur soit disposé entre le premier et le troisième condensateur.
Dans tout ce qui précède, les condensateurs peuvent être disposés en parallèle spatialement parlant, c’est-à-dire que, une droite étant définie pour chaque condensateur entre sa première et sa deuxième borne, ces droites sont parallèles d’un condensateur à l’autre.
Le premier condensateur et le deuxième condensateur peuvent s’étendre dans des plans parallèles, et la distance minimale dans chacun de ces plans entre ces deux condensateurs peut être comprise entre 0,1mm et 2cm. On peut ainsi disposer ces condensateurs de façon adjacente tout en réduisant les inductances précitées.
Dans tout ce qui précède, et notamment lorsque l’une au moins des couches électriquement conductrices est disposée à l’intérieur d’une portion de carte de circuit imprimé, un ou plusieurs vias peut être ménagé pour permettre la connexion électrique entre une borne d’un condensateur et la couche électriquement conductrice correspondante. Chaque via est par exemple formé par un trou métallisé ou par un via laser.
Dans tout ce qui précède, chacun des condensateurs peut présenter une capacité comprise entre 1 pF et 1000 F, notamment comprise entre 10 pF et 100 mF ou entre 1F et 1000F.
Le composant peut encore comprendre au moins un bras de commutation connecté en parallèle entre la première couche électriquement conductrice et la deuxième couche électriquement conductrice, ce bras de commutation étant formé par la connexion en série de deux interrupteurs électroniques dont un au moins est commandable et qui définissent entre eux un point milieu.
Le composant électronique peut définir un convertisseur de tension est par exemple un convertisseur de tension continue/continue, par exemple entre une tension continue de 12V et une tension continue de 48V, ou encore entre une tension continue de 12V et une tension continue de valeur supérieure à 300V. Un tel convertisseur peut être intégré au réseau de bord d’un véhicule électrique ou hybride.
Dans une application à un convertisseur de tension continue 12/48V, la première couche électriquement conductrice peut être à un potentiel de 48V et la deuxième couche électriquement conductrice peut être à la masse. L’invention s’applique alors aux condensateurs connectés en parallèle de l’entrée en tension dont la valeur est de 48V
En variante, dans une application à un convertisseur de tension continue 12/48V, la première couche électriquement conductrice peut être à un potentiel de 12V et la deuxième couche électriquement conductrice peut être à la masse. L’invention s’applique alors aux condensateurs connectés en parallèle de l’entrée en tension dont la valeur est de 12V.
En variante encore, dans une application à un convertisseur de tension continue 12/48V, il existe une première couche électriquement conductrice à un potentiel de 12V, une autre première couche électriquement conductrice à un potentiel de 48V, et la deuxième couche électriquement conductrice est à la masse. L’invention est alors d’une part appliquée aux condensateurs connectés en parallèle de l’entrée en tension dont la valeur est de 48V via la première couche électriquement conductrice à 48V et la deuxième couche électriquement conductrice à la masse, et également aux condensateurs connectés en parallèle de l’entrée en tension dont la valeur est de 12V via la première couche électriquement conductrice à 12V et la deuxième couche électriquement conductrice à la masse.
Dans une application à un convertisseur de tension continue entre une tension continue de 12V et une tension continue de valeur supérieure à 300V, la première couche électriquement conductrice peut être à un potentiel supérieur à 300V et la deuxième couche électriquement conductrice peut être à la masse. L’invention s’applique alors aux condensateurs connectés en parallèle de l’entrée en tension dont la valeur est supérieure à 300V.
En variante, dans une application à un convertisseur de tension continue entre une tension continue de 12V et une tension continue de valeur supérieure à 300V, la première couche électriquement conductrice peut être à un potentiel de 12V et la deuxième couche électriquement conductrice peut être à la masse. L’invention s’applique alors aux condensateurs connectés en parallèle de l’entrée en tension dont la valeur est de 12V.
En variante encore, dans une application à un convertisseur de tension continue entre une tension continue de 12V et une tension continue de valeur supérieure à 300V, il existe une première couche électriquement conductrice à un potentiel de 12V, une autre première couche électriquement conductrice à un potentiel de valeur supérieure à 300V, et la deuxième couche électriquement conductrice est à la masse. L’invention est alors d’une part appliquée aux condensateurs connectés en parallèle de l’entrée en tension dont la valeur est supérieure à 300V via la première couche électriquement conductrice de potentiel supérieur à 300V et la deuxième couche électriquement conductrice à la masse, et également aux condensateurs connectés en parallèle de l’entrée en tension dont la valeur est de 12V via la première couche électriquement conductrice à 12V et la deuxième couche électriquement conductrice à la masse.
En variante, le composant électronique peut former un onduleur/redresseur, auquel cas la tension continue a par exemple une valeur de 12V ou de 48V ou de valeur supérieure à 300V.
Dans tout ce qui précède, chaque interrupteur électronique peut être commandable.
Chaque interrupteur commandable peut être un transistor utilisant du nitrure de gallium (GaN) ou du carbure de silicium (SiC) ou du silicium.
Plusieurs bras de commutation peuvent être montés en parallèle, par exemple entre un et six bras de commutation.
Dans tout ce qui précède, chaque couche électriquement conductrice peut être réalisée en cuivre, étant par exemple une plaque de cuivre.
L’invention s’applique à tout type de condensateur, par exemple un condensateur traversant ou un condensateur non traversant, un condensateur en céramique, un condensateur chimique, un condensateur plastiques.
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d’exemples non limitatifs de mise en œuvre de celle-ci et à l’examen du dessin annexé sur lequel :
On a représenté à la figure 1 un composant électronique 1 formant dans l’exemple considéré un convertisseur de tension continue/continue. Dans l’exemple considéré, il s’agit d’un convertisseur de tension 12V/48V mais l’invention n’est pas limitée à un tel exemple.
De façon connue, ce convertisseur 1 comprend une première entrée en tension continue 4, une deuxième entrée de tension continue 5 et un ou plusieurs bras de commutation 6 permettant de convertir la valeur de tension sur la première entrée en tension continue 4 en une autre valeur de tension disponible sur la deuxième entrée en tension continue 5, et réciproquement.
Le bras de commutation 6 comprend dans l’exemple considéré deux interrupteurs électroniques commandables 10 qui sont connectés en série et qui définissent entre eux un point milieu relié à la deuxième entrée en tension 5.
Chaque interrupteur commandable 10 est ici un transistor MOSFET, utilisant par exemple du nitrure de galium, du carbure de silicium ou du silicium.
Le composant électronique 1 comprend encore deux condensateurs 11 et 12, ces deux condensateurs étant tous deux connectés en parallèle, et en parallèle du bras de commutation 6.
Ces deux condensateurs 11 et 12 sont par exemple du même type, à savoir notamment des condensateurs chimiques ou des condensateurs en céramique.
Comme on peut le voir sur la figure 2, ces condensateurs 11 et 12 sont montés dans l’exemple considéré sur une surface extérieure 13 d’une portion de carte de circuit imprimé 14 du composant électronique 1. Les deux condensateurs 11 et 12 comprennent chacun deux bornes, et on peut, par rapport à une droite (D) perpendiculaire à la surface extérieure 13 de la portion de carte de circuit imprimé 14, définir pour chacun des condensateurs 11 et 12 une première borne 15 disposée d’un premier côté C1 de cette droite (D) et une deuxième borne 16 disposée d’un deuxième côté C2 de cette droite (D). La distance mesurée entre le premier condensateur 11 et le deuxième condensateur 12 est par exemple comprise entre 0,1 mm et 2 cm.
On constate dans l’exemple considéré que les deux condensateurs 11 et 12 sont disposés spatialement de façon parallèle sur la surface extérieure 13. On constate en effet que la ligne reliant la première borne 15 et la deuxième borne 16 de l’un des condensateurs est sensiblement parallèle à la ligne reliant la première borne 15 et la deuxième borne 16 de l’autre condensateur. Comme on le comprend en observant les figures 3 et 4, la portion de carte de circuit imprimé 14 comprend deux couches intérieures 17 et 18 qui sont électriquement conductrices. Chaque couche 17, 18 est ici formée par une plaque en cuivre. L’une de ces couches, encore appelée « première couche électriquement conductrice 17 » est au potentiel électrique de la borne positive de la première entrée en tension continue 4, qui est ici le potentiel de 48V, tandis que l’autre de ces couches, encore appelée « deuxième couche électriquement conductrice 18 » est au potentiel électrique de l’autre borne de cette première entrée en tension continue 4, qui est ici la masse.
On constate que la première couche électriquement conductrice 17 s’étend dans des plans qui sont parallèles aux plans dans lesquels s’étend la deuxième couche électriquement conductrice 18. On constate encore dans l’exemple considéré, que ces plans sont également parallèles au plan dans lequel s’étend la surface extérieure 13 de la portion de carte de circuit imprimé 14.
Selon l’invention, comme cela va être maintenant décrit en référence aux figures 2 à 4, les condensateurs 11 et 12, bien que connectés électriquement en parallèle peuvent être considérés comme disposés de façon inversée. On constate sur la figure 3 que l’un des condensateurs, appelé par la suite « premier condensateur 11 » présente sa première borne 15 électriquement connectée à la première couche électriquement conductrice 17 tandis que l’autre condensateur, appelé par la suite « deuxième condensateur 12 » présente sa première borne 15 électriquement connectée à la deuxième couche électriquement conductrice 18. Similairement, on constate sur la figure 4 que le premier condensateur 11 présente sa deuxième borne 16 électriquement connectée à la deuxième couche électriquement conductrice 18 tandis que le deuxième condensateur 12 présente sa deuxième borne 16 électriquement connectée à la première couche électriquement conductrice 17. Chacune de ces connexions électriques d’une borne de condensateur à la couche électriquement conductrice correspondante se fait par exemple à travers une partie de la portion de circuit imprimé par l’intermédiaire d’un via 19 étant un trou métallisé.
Du premier condensateur 11 au deuxième condensateur 12, les premières bornes 15 sont ainsi électriquement connectées de façon inverse, tout comme le sont les deuxièmes bornes 16.
Un tel montage inversé des bornes correspondantes du premier condensateur 11 au deuxième condensateur 12 permet de réduire l’inductance propre de chacun de ces condensateurs. Par ailleurs, la connexion de ces condensateurs 11 et 12 à des couches électriquement conductrices 17 et 18 qui sont planes permet de réduire l’inductance parasite résultant de la connexion de ces deux condensateurs 11 et 12, comme cela sera expliqué plus tard en référence à la figure 6.
La figure 5 représente un autre exemple de mise en œuvre de l’invention. Selon cet exemple, quatre condensateurs 20 sont connectés en parallèle, chacun de ces condensateurs 20 étant connecté en parallèle de la première entrée en tension 4, électriquement parlant. Similairement à l’exemple des figures 2 à 4, les condensateurs 20 sont disposés de façon parallèle, spatialement parlant, sur la surface d’extrémité 13 de la portion de carte de circuit imprimé 14.
Similairement à la figure 2, on peut définir, pour chaque condensateur 20 une première borne 21 disposée d’un premier côté d’une droite de référence, et une deuxième borne 22 disposée d’un deuxième côté d’une droite de référence. Dans l’exemple de la figure 5, deux condensateurs adjacents, spatialement parlant, ont leurs bornes correspondantes connectées de façon inversée, c’est-à-dire que l’un des condensateurs 20 a sa première borne 21 électriquement connectée à la première couche électriquement conductrice 17 et sa deuxième borne 22 électriquement connectée à la deuxième couche électriquement conductrice 18.
La figure 6 représente ;
- selon une courbe 100 l’impédance équivalente en dB du montage formé par quatre branches en parallèle, chaque branche étant constituée par un condensateur 20 connecté en série avec une inductance. D’une branche à l’autre, les condensateurs ont leur première borne électriquement connectée à un même potentiel électrique de 48V et leur deuxième borne électriquement connectée à une inductance, cette dernière étant pour chaque branche connectée à la masse. Chacun de ces condensateurs a ici une capacité de 2,2 µF et il est connecté en série avec une inductance de 3 nH
- selon une courbe 110 l’impédance équivalente en dB d’un montage ne différant du précédent selon la courbe 100 que par le fait que les condensateurs 20 ont leur première et deuxième borne connectées selon l’invention, c’est-à-dire avec des bornes connectées de façon inversée.
On constate en comparant les courbes 100 et 110 que la fréquence de résonance augmente lorsque les condensateurs 20 sont connectés selon l’invention, de sorte que l’impédance équivalente à ces condensateurs est réduite pour les hautes fréquences. Le filtrage des harmoniques hautes fréquences à l’aide des condensateurs 20 est donc amélioré.
Claims (10)
- Composant électronique (1), comprenant :
- une première couche électriquement conductrice (17), à un premier potentiel électrique
- une deuxième couche électriquement conductrice (18), à un deuxième potentiel électrique,
- un premier condensateur (11) ayant une première borne (15) électriquement connectée à la première couche électriquement conductrice (17) et une deuxième borne (16) électriquement connectée à la deuxième couche électriquement conductrice (18), et
- un deuxième condensateur (12) ayant une première borne (15) connectée à la deuxième couche électriquement (18) conductrice et une deuxième borne (16) connectée à la première couche électriquement conductrice (17),
le premier (11) et le deuxième (12) condensateur étant disposés de manière à ce que, selon une direction (D) orthogonale à l’une au moins de la première (17) et de la deuxième (18) couche, par rapport à laquelle sont définis un premier (C1) et un deuxième (C2) côté, le premier (11) et le deuxième (12) condensateur aient leur première borne (15) respective disposée du premier côté (C1), et leur deuxième borne (16) respective disposée du deuxième côté (C2). - Composant électronique selon la revendication 1, le composant
électronique (1) comprenant une portion de carte de circuit imprimé (14), chaque
condensateur (11, 12) étant monté sur une même surface d’extrémité (13) de cette portion de carte de circuit imprimé (14), et l’une au moins de la première (17) et de la deuxième (18) couche électriquement conductrice étant disposée à l’intérieur de la portion de carte de circuit imprimé (14). - Composant électronique selon la revendication 1 ou 2, les couches
électriquement conductrices (17, 18) étant spatialement parallèles entre elles. - Composant électronique selon la revendication 3, les couches
électriquement conductrices (17, 18) étant en tout ou partie superposées. - Composant électronique selon l’une quelconque des revendications
précédentes, comprenant en outre un troisième condensateur (20), ce troisième condensateur ayant une première borne (21) électriquement connectée à la première couche électriquement conductrice (17) et une deuxième borne (22) électriquement connectée à la deuxième couche électriquement conductrice (18), le premier condensateur, le deuxième condensateur et le
troisième condensateur étant disposés de manière à ce que le deuxième condensateur soit disposé entre le premier et le troisième condensateur. - Composant électronique selon l’une quelconque des revendications
précédentes, une droite étant définie pour chaque condensateur entre sa première et sa deuxième borne, et les droites étant parallèles d’un condensateur à l’autre. - Composant électronique selon l’une quelconque des revendications
précédentes, le premier condensateur (11) et le deuxième condensateur (12) s’étendant dans des plans parallèles et la distance minimale dans ces plans entre ces deux condensateurs étant comprise entre 0,1mm et 2cm. - Composant électronique selon l’une quelconque des revendications
précédentes, comprenant un ou plusieurs vias (19) pour permettre la connexion électrique entre une borne (15, 16) d’un condensateur (11, 12) et la couche électriquement conductrice correspondante (17, 18). - Composant électronique selon l’une quelconque des revendications
précédentes, chaque condensateur (10, 11) présentant une capacité comprise entre 10pF et 100mF - Composant électronique selon l’une quelconque des
revendications précédentes, comprenant encore au moins un bras de commutation (6) connecté en parallèle entre la première couche électriquement conductrice (17) et la deuxième couche électriquement conductrice (18), ce bras de commutation étant formé par la connection en série de deux interrupteurs électroniques (10) dont un au moins est commandable et qui définissent entre eux un point milieu.
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