FR3105710A1 - Système de refroidissement d’un dispositif électronique et système électronique comprenant un tel système de refroidissement - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un système de refroidissement (700) d’un composant électronique (T1) comprenant : un boitier (10) comprenant au moins une paroi (11), une première face (12) de ladite paroi étant tournée vers l’extérieur dudit boîtier (10) et une deuxième face (13) de ladite paroi étant tournée vers l’intérieur dudit boitier (10), ladite paroi (11) comprenant un dispositif de refroidissement réalisé sous forme d’au moins un canal de refroidissement (14,) dans lequel un fluide de refroidissement est destiné à circuler pour refroidir ledit composant électronique (T1), ledit canal de refroidissement (14) comprenant une première ouverture (15) débouchant sur ladite deuxième face (13), un dissipateur de chaleur (20) comprenant : une semelle (21) présentant une face supérieure destinée à recevoir de la chaleur à dissiper émise par ledit composant électronique (T1), au moins une ailette (22) s’étendant sur une face inférieure de la semelle (21), ladite semelle (21) étant fixée à ladite paroi (11) de sorte à fermer ladite première ouverture (15) et de sorte que ladite au moins une ailette (22) s’étende dans ledit canal de refroidissement (14). Figure pour l’abrégé : Figure 1
Description
La présente invention concerne un système de refroidissement d’un dispositif électronique et un système électronique comprenant un tel système de refroidissement.
L’invention concerne également un chargeur électrique ou un convertisseur de tension comprenant un tel système de refroidissement.
L’invention concerne aussi un procédé de fabrication d’un tel système de refroidissement.
ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE
On connait des systèmes de refroidissement pour dispositif électronique comprenant un boitier réalisé en fonderie. Ce type de boitier comprend au moins une paroi, une première face de ladite paroi étant tournée vers l’extérieur dudit boîtier et une deuxième face de ladite paroi étant tournée vers l’intérieur dudit boitier, ledit boîtier comprenant une cavité formée dans ladite paroi du côté de ladite première face, et un capot destiné à venir en appui sur ladite première face de sorte à fermer ladite cavité et à délimiter un canal de circulation d’un fluide de refroidissement. Le capot est généralement maintenu sur le boitier grâce à des vis. Un joint d'étanchéité est en outre positionné entre le capot et le boitier pour réaliser une étanchéité ducanal derefroidissement. Pour améliorer le refroidissement des composants électroniques, les parois de la cavité du boitier comprennent des ailettes.
Un premier inconvénient de cette solution connue réside dans le fait que le boitier, la cavité et les ailettes sont réalisées simultanément en une seule pièce de fonderie, ce qui empêche toute conception modulaire d’un tel système de refroidissement.
En outre, les contraintes de réalisation du boitier, de la cavité et des ailettes doivent être prises simultanément en compte lors de la fabrication d’un tel système de refroidissement ce qui limite l’épaisseur minimale des ailettes réalisables, et ce faisant les performances de refroidissement des systèmes de refroidissement selon l’art antérieur.
En effet, pour un procédé de fabrication par fonderie, la finesse des ailettes et leurs intervalles de tolérance sont déterminés par la plus grande dimension des dimensions du boitier.
Le but de la présente invention est de résoudre les inconvénients décrits ci-dessus.
À cet effet, il est proposé, selon un premier aspect de l’invention, un système de refroidissement d’un composant électronique comprenant:
- un boitier comprenant au moins une paroi, une première face de ladite paroi étant tournée vers l’extérieur dudit boîtier et une deuxième face de ladite paroi étant tournée vers l’intérieur dudit boitier, ladite paroi comprenant un dispositif de refroidissement réalisé sous forme d’au moins un canal de refroidissement dans lequel un fluide de refroidissement est destiné à circuler pour refroidir ledit composant électronique, ledit canal de refroidissement comprenant une première ouverture débouchant sur ladite deuxième face,
- un dissipateur de chaleur comprenant une semelle présentant une face supérieure destinée à recevoir de la chaleur à dissiper émise par ledit composant électronique, et au moins une ailette s’étendant sur une face inférieure de la semelle, ladite semelle étant fixée à ladite paroi de sorte à fermer ladite première ouverture et de sorte que ladite au moins une ailette s’étende dans ledit canal de refroidissement.
Au sens de l’invention, une ailette est une saillie s’étendant sur la face inférieure du corps principal et destinée à augmenter la surface de transmission de la chaleur entre le corps principal et un fluide de refroidissement dans lequel baigne l’ailette.
Ainsi, une ailette peut être une ailette droite à section constante, une ailette droite à section variable ou une ailette en forme de plot conique, ou encore une ailette de forme quelconque.
Grâce à l’invention, il est possible de réaliser le boitier et le dissipateur de chaleur séparément. La réalisation séparée de ces deux éléments permet d’optimiser le processus de fabrication du dissipateur de chaleur en ne prenant pas en compte lors de sa fabrication les contraintes de taille liées au boitier. Ainsi, il est possible d’obtenir un système de refroidissement après assemblage du boitier et du dissipateur ayant par exemple des ailettes d’épaisseur plus petites que dans l’art antérieur.
Le système de refroidissement selon le premier aspect de l’invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques des modes particuliers de réalisation ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
Dans un mode particulier de réalisation de l’invention, le dissipateur comporte en outre une partie se projetant latéralement de la semelle de manière à être plaquée contre ou en appui sur la deuxième face de la paroi et fixée à la deuxième face de la paroi
Dans un mode particulier de réalisation de l’invention, le boîtier comprend une entrée en fluide de refroidissement et une sortie en fluide de refroidissement, le canal de refroidissement reliant l’entrée en fluide de refroidissement à la sortie en fluide de refroidissement.
Dans un mode particulier de réalisation de l’invention, la paroi comprend une protubérance du côté de la première face et le canal de refroidissement est en outre formée en moins partiellement dans ladite protubérance.
Dans un mode particulier de réalisation de l’invention, le canal de refroidissement comprend une deuxième ouverture débouchant sur la première face et comprend en outre un capot de fermeture, le capot de fermeture étant fixée à la paroi de sorte à fermer la deuxième ouverture.
Dans un mode particulier de réalisation de l’invention, ledit dissipateur est fixé à ladite paroi par soudage par friction malaxage (en anglais «Friction Stir Welding»).
Dans un mode particulier de réalisation de l’invention, la partie se projetant latéralement de la semelle est fixée à ladite paroi par soudage par friction malaxage.
Dans un mode particulier de réalisation de l’invention, le boîtier est obtenu par un premier procédé de fabrication, par exemple par un procédé de fonderie, et le dissipateur est obtenu par un deuxième procédé de fabrication, différent du premier, par exemple par un procédé d’extrusion ou encore par un procédé de frappe à froid.
Ainsi, en utilisant deux procédés de fabrication différents, le boitier et le dissipateur peuvent être réalisés dans des matériaux ayant des conductivités thermiques différente, ce qui améliore les performances en refroidissement du système de refroidissement selon le premier aspect de l’invention.
Ainsi, l’aluminium utilisé en fonderie possède une conductivité thermique de l’ordre de 130 W·m−1·K−1alors que l’aluminium utilisé en extrusion possède une conductivité thermique de l’ordre de 200 W·m−1·K−1.
Il est également proposé, selon un deuxième aspect de l’invention, un système électronique comprenant un composant électronique et un système de refroidissement de ce composant électronique selon le premier aspect de l’invention.
De façon optionnelle, l’interrupteur électronique est un transistor FET en nitrure de gallium ou un transistor MOSFET (de l’anglais «metal–oxide–semiconductor field-effect transistor») en silicium (Si-MOSFET) ou en carbure de silicium (SiC-MOSFET) ou encore un transistors IGBT (de l’anglais «insulated-gate bipolar transistor»).
De façon optionnelle, le transistor est un transistor HEMT (de l’anglais «high-electron-mobility transistor») par exemple en nitrure de gallium.
Il est également proposé, selon un troisième aspect de l’invention, un chargeur électrique ou un convertisseur de tension comprenant un interrupteur électronique et un système de refroidissement de cet interrupteur électronique selon le premier aspect de l’invention.
De façon optionnelle, l’interrupteur électronique est un transistor FET en nitrure de gallium ou un transistor MOSFET (de l’anglais «metal–oxide–semiconductor field-effect transistor») en silicium (Si-MOSFET) ou en carbure de silicium (SiC-MOSFET) ou encore un transistors IGBT (de l’anglais «insulated-gate bipolar transistor»).
De façon optionnelle, le transistor est un transistor HEMT (de l’anglais «high-electron-mobility transistor») par exemple en nitrure de gallium.
Il est également proposé, selon un quatrième aspect de l’invention, un procédé de fabrication d’un système de refroidissement selon le premier aspect de l’invention et comprenant:
- l’obtention d’un boitier comprenant au moins une paroi, une première face de ladite paroi étant tournée vers l’extérieur dudit boîtier et une deuxième face de ladite paroi étant tournée vers l’intérieur dudit boitier, ladite paroi comprenant un dispositif de refroidissement réalisé sous forme d’au moins uncanalderefroidissement dans lequel un fluide de refroidissement est destiné à circuler pour refroidir ledit composant électronique, ledit canal de refroidissement comprenant une première ouverture débouchant sur ladite deuxième face,
- l’obtention d’un dissipateur de chaleur comprenant une semelle présentant une face supérieure destinée à recevoir de la chaleur à dissiper émise par ledit composant électronique, et au moins une ailette s’étendant sur une face inférieure de la semelle, et
- la fixation de ladite semelle à ladite paroi de sorte à fermer ladite première ouverture et de sorte que ladite au moins une ailette s’étende dans ledit canal de refroidissement.
L’invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faisant référence aux figures suivantes:
DESCRIPTION DES FIGURES
La est une vue éclatée en trois dimensions d’un convertisseur de tension dans un premier mode de réalisation de l’invention.
La est une vue en trois dimensions de la partie supérieure d’un boitier d’un convertisseur de tension dans un premier mode de réalisation de l’invention.
La est une vue en trois dimensions de la partie inférieure d’un boitier d’un convertisseur de tension dans un premier mode de réalisation de l’invention.
La est une vue en trois dimensions d’un premier et d’un deuxième dissipateur de chaleur d’un convertisseur de tension dans un premier mode de réalisation de l’invention.
La est une vue en trois dimensions d’une variante du premier dissipateur de chaleur d’un convertisseur de tension dans un premier mode de réalisation de l’invention.
La est un schéma blocs illustrant les étapes d’un procédé de fabrication d’un système de refroidissement selon un premier mode de réalisation de l’invention.
La est une vue éclatée en trois dimensions d’un convertisseur de tension dans un deuxième mode de réalisation de l’invention.
La est une vue en trois dimensions de la partie inférieure d’un boitier d’un convertisseur de tension dans un deuxième mode de réalisation de l’invention.
La est une vue en trois dimensions d’un dissipateur de chaleur d’un convertisseur de tension dans un deuxième mode de réalisation de l’invention.
La est un schéma blocs illustrant les étapes d’un procédé de fabrication d’un système de refroidissement selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
Dans la description qui va suivre les éléments seront repérés dans l’espace par rapport à une direction verticale bas-haut arbitraire (désignée sur les figures par la référence V), pouvant correspondre à la direction verticale usuelle ou bien à une autre direction en fonction de l’orientation du système.
La est une vue éclatée en trois dimensions d’un convertisseur de tension 1000 dans un premier mode de réalisation de l’invention. Le convertisseur de tension 1000 comprend un dispositif électronique 40 et un système de refroidissement 700. Le système de refroidissement 700 comprend un boitier 10, un premier dissipateur de chaleur 20 et un deuxième 30 dissipateur de chaleur.
Le dispositif électronique 40 est dans l’exemple décrit ici un convertisseur de tension continu/continu dit convertisseur de tension DC/DC. Ce convertisseur de tension est destiné à être embarqué dans un véhicule afin de réaliser une conversion de tension entre un premier réseau électrique et un deuxième réseau électrique du véhicule. Typiquement, le premier réseau électrique est un réseau basse tension délivrant une tension inférieure à 30V, par exemple de 24 ou 12V environ, et le deuxième réseau électrique est un réseau haute tension qui délivre une tension supérieure à 30V, par exemple de 48V.
Dans l’exemple décrit ici, le convertisseur de tension DC/DC comprend une carte électronique comportant elle-même une pluralité d’hacheurs de tension. Chacun des hacheurs de tension comprend une inductance et deux transistors, ces deux transistors étant, dans l’exemple décrit ici, des transistors de puissance FET en nitrure de gallium (GaN) fonctionnant comme des interrupteurs électroniques. En variante, ces transistors peuvent également être des transistors MOSFET ou encore des transistors IGBT. Le convertisseur de tension DC/DC comprend également, dans l’exemple décrit ici, pour chaque hacheur de tension un premier transistor de sécurité et un deuxième transistor de sécurité connectés «tête-bêche». Dans l’exemple décrit ici, le premier transistor de sécurité et le deuxième transistor de sécurité sont des MOSFET.
A titre d’illustration sont visibles sur la , des inductances L, L’ de deux hacheurs de tension différents ainsi que des transistors de sécurité T1, T2, T1’ et T2’ du convertisseur de tension DC/DC. Les deux transistors des hacheurs de tension qui sont implantés dans l’exemple décrit ici du même côté que les inductances L, L’ sur la carte électronique du convertisseur de tension DC/DC ne sont pas visibles sur la [Fig. 1].
En référence à la et à la [Fig. 3], qui sont des vues en trois dimensions de la partie supérieure et inférieure d’un boitier 10, celui-ci est de forme creuse et comprend dans l’exemple décrit ici quatre parois latérales et une paroi inférieure constituant le fond de ce boitier 10 et reliant les parois latérales entre elles.
La paroi inférieure comprend une première face 12 tournée vers l’extérieur du boîtier 10 et une deuxième face 13 tournée vers l’intérieur du boitier 10.
La paroi inférieure comprend en outre un dispositif de refroidissement du dispositif électronique 40. Ce dispositif de refroidissement comprend un canal de refroidissement 14 dans lequel un fluide de refroidissement, par exemple un mélange d'eau et de glycol, est destiné à circuler pour refroidir les transistors de sécurité T1, T2, T1’ et T2’ et les transistors de puissance des hacheurs de tension du dispositif électronique 40.
Le boîtier 10 comprend en outre une entrée 19 en fluide de refroidissement et une sortie 19’ en fluide de refroidissement, le canal de refroidissement 14 reliant l’entrée 19 en fluide de refroidissement à la sortie 19’ en fluide de refroidissement.
Le canal de refroidissement 14 est en outre formée au moins partiellement dans une protubérance 70 du côté de la première face 12 de la paroi inférieure du boitier 10.
Le canal de refroidissement 14 comprend une première ouverture 15 débouchant sur la deuxième face 13 de la paroi inférieure du boitier 10. La première ouverture 15 est entourée d’une enceinte formée d’un premier muret 17 s’élevant à partir de la deuxième face 13. La partie haute du premier muret 17 est constituée d’une surface plane.
Le canal de refroidissement 14 comprend une deuxième ouverture 16 débouchant sur la deuxième face 13 de la paroi inférieure du boitier 10. La deuxième ouverture 16 est entourée d’une enceinte formée d’un deuxième muret 18 s’élevant à partir de la deuxième face 13. La partie haute du deuxième muret 18 est constituée d’une surface plane.
Le canal de refroidissement 14 comprend en outre une troisième ouverture 80 débouchant sur la première face 12 de la paroi inférieure du boitier 10.
La deuxième face 13 comprend en outre une cavité 65 formée au moins partiellement dans la protubérance 70. La cavité 65 est en outre non traversante et localisée entre les ouvertures 16, 17.
Dans l’exemple décrit ici, les inductances L et L’ du dispositif électronique 40 sont logées dans la cavité 65.
Dans l’exemple décrit ici, le boitier 10 est réalisé par un premier procédé de fabrication, par exemple un procédé de fonderie, c’est-à-dire en utilisant un moule dans lequel est injecté un matériau sous pression. Ce matériau présente par exemple une conductivité thermique ne dépassant pas 130 W/mK. Il peut s’agir par exemple d’un alliage d’aluminium (comme AlSi9Cu3 ou AlSi12(Fe)).
La troisième ouverture 80 est fermée par un capot de fermeture (non représenté sur les figures). Ce capot de fermeture est par exemple fixé sur la première face 12 par des vis et un joint d'étanchéité est en outre positionné entre le capot de fermeture et la première face 12 pour réaliser l’étanchéité du canal de refroidissement 14. En variante, il est possible de fixer le capot de fixation sur la première face 12 au moyen d’un procédé de soudage par friction malaxage.
En référence à la , le premier dissipateur de chaleur 20 comprend une semelle 21 présentant une face supérieure destinée à recevoir de la chaleur à dissiper émise par les transistors T1’, T2’ et par les transistors de puissance des hacheurs de tension auxquels appartiennent les inductances L, L ainsi qu’une pluralité d’ailettes 22 s’étendant sur la face inférieure de la semelle 21. La semelle 21 présente en outre une épaisseur sensiblement égale à la hauteur du premier muret 17.
Le premier dissipateur de chaleur 20 est réalisé en un alliage d’aluminium par le même procédé de fonderie que celui utilisé pour fabriquer le boitier 10.
En effet, de manière générale, pour un même procédé de fabrication, la finesse des pièces et leurs intervalles de tolérance sont proportionnels à la plus grande dimension de la pièce. Ainsi, le premier dissipateur de chaleur 20 étant de plus petite taille que le boitier 10, le même procédé de fabrication peut permettre d’obtenir des ailettes plus fines et plus rapprochées.
En variante, le premier dissipateur de chaleur 20 est réalisé en aluminium (ou dans un alliage d’aluminium) par un procédé d’extrusion ou par un procédé de frappe à froid.
L’utilisation de deux procédés différent procure les avantages suivants. Le deuxième procédé de fabrication peut être plus économique que le premier procédé de fabrication. En outre, il peut permettre d’utiliser, pour le premier dissipateur de chaleur 20, un matériau plus économique et/ou plus performant thermiquement que les matériaux utilisables par le premier mode de fabrication. Par exemple, lorsque le premier dissipateur de chaleur 20 est obtenu par extrusion, c’est-à-dire en poussant une pâte d’un alliage d’aluminium dans un tube (ou une filière) pour obtenir un profilé. Un alliage d’aluminium présentant une conductivité thermique supérieure à 150 W/mK, par exemple atteignant 200 W/mK, peut être utilisé.
En outre, l’utilisation d’un deuxième procédé de fabrication peut permettre d’obtenir des ailettes ayant des géométries différentes que celles obtenues par le premier procédé de fabrication. Ainsi, la montre dans le cadre d’un deuxième procédé de fabrication qui serait un procédé de fabrication par extrusion une variante 20’ de réalisation du premier dissipateur de chaleur dans lequel des ailettes de formes diverses, par exemple en forme de sapin dont les branches sont éventuellement inversées, sont obtenues.
Le premier dissipateur 20 comporte une partie 23 se projetant latéralement de la semelle 21. La partie 23 est plaquée contre et fixée sur la deuxième face 13 de la paroi inférieure.
Dans l’exemple décrit ici, la partie 23 est en continuité de matière avec la semelle 21 (la coupe A-A de la montre en trait pointillé la limite fictive entre la partie 23 et la semelle 21) et se projette latéralement tout autour de la semelle 21. Dans l’exemple décrit ici, l’épaisseur de la semelle 21 et de la partie 23 sont sensiblement égale. En variante, l’épaisseur de la partie 23 peut être inférieure à l’épaisseur de la semelle 21. Les dimensions de la semelle 21 et de la partie 23 sont telles que la partie 23 est en contact avec le premier muret 17 et entourée par celui-ci lorsque la partie 23 de la semelle 21 est mise en appui sur la surface de la deuxième face 13 située entre la première ouverture 15 et le premier muret 17. En outre, la semelle 21 présente une épaisseur sensiblement égale à la hauteur du premier muret 17, la partie haute du premier muret 17 et la face supérieure de la partie 23 sont ainsi sensiblement coplanaire.
La semelle 21 comporte en outre en son centre un muret 25 dont la partie haute est plane. En outre, le muret 25 s’étend de façon rectiligne à partir de la face supérieure du premier dissipateur 20 sur une longueur inférieure à la longueur de la pluralité d’ailettes 22. La partie haute du muret 25 est en contact thermique, éventuellement par l’intermédiaire d’au moins une patte thermique, avec un ou des composants électroniques à refroidir du dispositif électronique 40. Dans l’exemple décrit ici, la partie haute du muret 25 est en contact thermique avec les transistors de sécurité T1’, T2’ par l’intermédiaire d’une patte thermique et de la carte électronique portant ces transistors. D’autre part, la face supérieure de la semelle 21 dans le prolongement du muret 25 est également en contact thermique, par exemple par l’intermédiaire d’une patte thermique, avec les transistors du hacheur de tension auquel appartient l’inductance L’.
Le deuxième dissipateur de chaleur 30 comprend une semelle 31 présentant une face supérieure destinée à recevoir de la chaleur à dissiper émise par les transistors T1, T2 et par les transistors des hacheurs de tension auxquels appartient l’inductance L ainsi qu’une pluralité d’ailettes 32 s’étendant sur la face inférieure de la semelle 31. La semelle 31 présente en outre une épaisseur sensiblement égale à la hauteur du deuxième muret 18.
Le deuxième dissipateur de chaleur 30 est réalisé en aluminium par le même procédé de fonderie que celui utilisé pour fabriquer le boitier 10.
En variante, le deuxième dissipateur de chaleur 30 est réalisé en aluminium (ou dans un alliage d’aluminium) par un procédé d’extrusion ou par un procédé de frappe à froid.
En outre, le deuxième dissipateur 30 comporte une partie 33 se projetant latéralement de la semelle 31. La partie 33 est plaquée contre et fixée sur la deuxième face 13 de la paroi inférieure.
Dans l’exemple décrit ici, la partie 33 est en continuité de matière avec la semelle 31 et se projette latéralement tout autour de la semelle 31. Dans l’exemple décrit ici, l’épaisseur de la semelle 31 et de la partie 33 sont sensiblement égale. En variante, l’épaisseur de la partie 33 peut être inférieure à l’épaisseur de la semelle 31. Les dimensions de la semelle 31 et de la partie 33 sont telles que la partie 33 est en contact avec le deuxième muret 18 et est entourée par celui-ci lorsque la partie 33 est mise en appui sur la surface de la deuxième face 13 située entre la deuxième ouverture 16 et le deuxième muret 18. En outre, la semelle 31 présente une épaisseur sensiblement égale à la hauteur du deuxième muret 18, la partie haute du deuxième muret 18 et la face supérieure de la partie 33 sont sensiblement coplanaire.
La semelle 31 comporte en outre en son centre un muret 35 dont la partie haute est plane. En outre, le muret 35 s’étend de façon rectiligne à partir de la face supérieure du deuxième dissipateur 30 sur une longueur inférieure à la longueur de la pluralité d’ailettes 32. La partie haute du muret 35 est en contact thermique, éventuellement par l’intermédiaire d’au moins une patte thermique, avec un ou des composants électroniques à refroidir du dispositif électronique 40. Dans l’exemple décrit ici, la partie haute du muret 35 est en contact thermique avec les transistors de sécurité T1, T2 par l’intermédiaire d’une patte thermique et de la carte électronique portant ces transistors. D’autre part, la face supérieure de la semelle 31 dans le prolongement du muret 35 est également en contact thermique, par exemple par l’intermédiaire d’une patte thermique, avec les transistors du hacheur de tension auquel appartient l’inductances L.
La deuxième face 13 comprend en outre des éléments de positionnement 61 de la carte électronique destinés à la positionner sur la deuxième face 13 dans une position prédéterminée. Dans l’exemple décrit ici, les éléments de positionnement sont constitués de deux ergots faisant saillie, de façon perpendiculaire à la paroi inférieure. Ces deux ergots sont destinés à coopérer avec des éléments de positionnement complémentaires 62 de la carte électronique pour positionner la carte électronique vis-à-vis de la paroi inférieure. Dans l’exemple décrit ici, ces éléments de positionnement complémentaires 62 sont des trous traversant réalisés dans la carte électronique.
La deuxième face 13 comporte en outre des moyens de support du dispositif électronique 40. Par exemple, les moyens de support comprennent au moins un fût de vissage 60. Dans l’exemple décrit ici, la deuxième face 13 comporte cinq fûts de vissage sur lesquels la carte électronique du dispositif électronique 40 est posée avant d’être vissée.
La partie haute des futs de vissage est plus élevée que la partie haute du premier muret 17 afin que lors de l’assemblage du dispositif électronique 40 sur les moyens de support du boitier 10, le dispositif électronique 40 puisse être en contact thermique, éventuellement par l’intermédiaire d’une patte thermique, avec le muret 25 du premier dissipateur de chaleur 20.
Par ailleurs, la partie haute des futs de vissage est plus élevée que la partie haute du deuxième muret 18 afin que lors de l’assemblage du dispositif électronique 40 sur les moyens de support du boitier 10, le dispositif électronique 40 puisse être en contact thermique, éventuellement par l’intermédiaire d’une patte thermique, avec le muret 35 du deuxième dissipateur de chaleur 30.
En référence à la , un procédé 500 de fabrication du système de refroidissement de la [Fig. 1] va à présent être décrit.
Au cours d’une étape 510, le boitier 10 est obtenu, par exemple par un procédé de fonderie.
Au cours d’une étape 511, le premier dissipateur de chaleur 20 est obtenu, par exemple par un procédé de fabrication par extrusion.
Au cours d’une étape 512, le deuxième dissipateur de chaleur 30 est obtenu, par exemple par un procédé de fabrication par extrusion.
Au cours d’une étape 513, le capot de fermeture est obtenu, par exemple par un procédé de fabrication par emboutissage.
Au cours d’une étape 520, la partie 23 du premier dissipateur est fixée à la paroi inférieure de sorte à fermer la première ouverture 15 et de sorte que la pluralité d’ailettes 22 s’étende dans le canal de refroidissement 14.
A cet effet, la partie 23 du premier dissipateur 20 est plaquée contre et en appui sur la deuxième face 13 de la paroi inférieure. Une fois positionnée sur la deuxième face 13 de la paroi inférieure, la partie 23 et la partie haute du premier muret 17 sont soudés par friction malaxage.
Au cours d’une étape 521, la partie 33 du deuxième dissipateur 30 est fixée à la paroi inférieure de sorte à fermer la deuxième ouverture 16 et de sorte que la pluralité d’ailettes 32 s’étende dans le canal de refroidissement 14.
A cet effet, la partie 33 du deuxième dissipateur 30 est plaquée contre et en appui sur la deuxième face 13 de la paroi inférieure. Une fois positionnée sur la deuxième face 13 de la paroi inférieure, la partie 33 et la partie haute du deuxième muret 18 sont soudés par friction malaxage.
Nous allons maintenant décrire en référence à la un convertisseur de tension 1000’ selon un deuxième mode de réalisation de l’invention. La [Fig. 7] est une vue éclatée en trois dimensions d’un tel convertisseur de tension 1000’. Le convertisseur de tension 1000’ comprend un dispositif électronique 400 et un système de refroidissement 700’. Le système de refroidissement 700’ comprend un boitier 100 et un dissipateur de chaleur 200.
Le dispositif électronique 400 est dans l’exemple décrit ici un convertisseur de tension continu/continu dit convertisseur de tension DC/DC. Ce convertisseur de tension est destiné à être embarqué dans un véhicule afin de réaliser une conversion de tension entre un premier réseau électrique et un deuxième réseau électrique du véhicule. Typiquement, le premier réseau électrique est un réseau basse tension délivrant une tension inférieure à 30V, par exemple de 24 ou 12V environ, et le deuxième réseau électrique est un réseau haute tension qui délivre une tension supérieure à 30V, par exemple de 48V.
Dans l’exemple décrit ici, le convertisseur de tension DC/DC comprend une carte électronique comportant elle-même une pluralité d’hacheurs de tension. Chacun des hacheurs de tension comprend une inductance et deux transistors, ces deux transistors étant, dans l’exemple décrit ici, des transistors de puissance FET en nitrure de gallium (GaN) fonctionnant comme des interrupteurs électroniques. En variante, ces transistors peuvent également être des transistors MOSFET ou encore des transistors IGBT. Le convertisseur de tension DC/DC comprend également pour chaque hacheur de tension un premier transistor de sécurité et un deuxième transistor de sécurité connectés «tête-bêche». Dans l’exemple décrit ici, le premier transistor de sécurité et le deuxième transistor de sécurité sont des MOSFET.
A titre d’illustration sont visibles sur la , les transistors de sécurité T10, T20, T10’ et T20’du convertisseur de tension DC/DC. Les deux transistors des hacheurs de tension qui sont implantés dans l’exemple décrit ici sur le côté opposé de la carte électronique au côté sur lequel sont implantés les transistors de sécurité T10, T20, T10’ et T20’ ne sont pas visibles sur la [Fig. 7].
En référence à la et à la [Fig. 8] qui est une vue en trois dimensions de la partie inférieure du boitier 100, celui-ci est de forme creuse et comprend dans l’exemple décrit ici quatre parois latérales et une paroi inférieure constituant le fond de ce boitier 100 et reliant les parois latérales entre elles. Dans l’exemple décrit ici, une des quatre parois latérales comprend une ouverture.
La paroi inférieure comprend une première face 120 tournée vers l’extérieur du boîtier 100 et une deuxième face 130 tournée vers l’intérieur du boitier 100.
La paroi inférieure comprend en outre un dispositif de refroidissement du dispositif électronique 400. Ce dispositif de refroidissement comprend un canal de refroidissement 140 dans lequel un fluide de refroidissement, par exemple un mélange d'eau et de glycol, est destiné à circuler pour refroidir les transistors de sécurité T10, T20, T10’ et T20’ et les transistors des hacheurs de tension du dispositif électronique 400.
Le boîtier 100 comprend en outre une entrée 190 en fluide de refroidissement et une sortie 190’ en fluide de refroidissement, le canal de refroidissement 140 reliant l’entrée 190 en fluide de refroidissement à la sortie 190’ en fluide de refroidissement.
Le canal de refroidissement 140 est en outre formée en moins partiellement dans une protubérance 700 du côté de la première face 120 de la paroi inférieure du boitier 100.
Le canal de refroidissement 140 comprend une ouverture 150 débouchant sur la deuxième face 130 de la paroi inférieure du boitier 100. L’ouverture 150 est entourée d’une enceinte formée d’un muret 170 s’élevant à partir de la deuxième face 130. La partie haute du muret 170 est constituée d’une surface plane.
La deuxième face 130 comprend en outre une cavité 650 formée au moins partiellement dans la protubérance 700. La cavité 650 est en outre non traversante et entourée au moins partiellement par l’ouverture 150 et par le canal de refroidissement 140.
Dans l’exemple décrit ici, le boitier 100 est réalisé par un premier procédé de fabrication, par exemple un procédé de fonderie, c’est-à-dire en utilisant un moule dans lequel est injecté un matériau sous pression. Ce matériau présente par exemple une conductivité thermique ne dépassant pas 130 W/mK. Il peut s’agir par exemple d’un alliage d’aluminium (comme AlSi9Cu3 ou AlSi12(Fe)).
En référence à la , le dissipateur de chaleur 200 comprend une semelle 210 présentant une face supérieure destinée à recevoir de la chaleur à dissiper émise par les transistors T10’, T20’ et par les transistors des hacheurs de tension du convertisseur de tension ainsi que deux groupes d’une pluralité d’ailettes 220, 220’ s’étendant sur la face inférieure de la semelle 210. La semelle 210 présente en outre une épaisseur sensiblement égale à la hauteur du muret 170.
Le premier dissipateur de chaleur 200 est réalisé en un alliage d’aluminium par le même procédé de fonderie que celui utilisé pour fabriquer le boitier 100.
En effet, de manière générale, pour un même procédé de fabrication, la finesse des pièces et leurs intervalles de tolérance sont proportionnels à la plus grande dimension de la pièce. Ainsi, le premier dissipateur de chaleur 200 étant de plus petite taille que le boitier 100, le même procédé de fabrication peut permettre d’obtenir des ailettes 220, 220’ plus fines et plus rapprochées.
En variante, le premier dissipateur de chaleur 200 est réalisé en aluminium (ou dans un alliage d’aluminium) par un procédé d’extrusion ou par un procédé de frappe à froid.
L’utilisation de deux procédés différents procure les avantages suivants. Le deuxième procédé de fabrication peut être plus économique que le premier procédé de fabrication. En outre, il peut permettre d’utiliser, pour le premier dissipateur de chaleur 200, un matériau plus économique et/ou plus performant thermiquement que les matériaux utilisables par le premier procédé de fabrication. Par exemple, lorsque le premier dissipateur de chaleur 200 est obtenu par extrusion, c’est-à-dire en poussant une pâte d’un alliage d’aluminium dans un tube (ou une filière) pour obtenir un profilé. Un alliage d’aluminium présentant une conductivité thermique supérieure à 150 W/mK, par exemple atteignant 200 W/mK, peut être utilisé.
En outre, l’utilisation d’un deuxième procédé de fabrication peut permettre d’obtenir des ailettes ayant des géométries différentes que celles obtenues par le premier procédé de fabrication.
Le dissipateur 200 comporte une partie 230 se projetant latéralement de la semelle 210. La partie 230 est plaquée contre et fixée sur la deuxième face 130 de la paroi inférieure.
Dans l’exemple décrit ici, la partie 230 est en continuité de matière avec la semelle 210 et se projette latéralement tout autour de la semelle 210.
Dans l’exemple décrit ici, l’épaisseur de la semelle 210 et de la partie 230 sont sensiblement égales. En variante, l’épaisseur de la partie 230 peut être inférieure à l’épaisseur de la semelle 210. Les dimensions de la semelle 210 et de la partie 230 sont telles que la partie 230 est en contact avec le muret 170 et entourée par celui-ci lorsque la partie 230 de la semelle 210 est mise en appui sur la surface de la deuxième face 130 située entre l’ouverture 150 et le muret 170. En outre, la semelle 210 présente une épaisseur sensiblement égale à la hauteur du muret 170, la partie haute du muret 170 et la face supérieure de la partie 230 sont ainsi sensiblement coplanaires.
La semelle 210 comporte en outre deux murets 250, 251 qui sont dans l’exemple décrit de même hauteur et dont les parties hautes sont planes.
En outre, les deux murets 250 et 251 s’étendent de façon rectiligne à partir de la face supérieure du dissipateur 200 dans une direction sensiblement égale à la direction de la pluralité d’ailettes 220.
La semelle 210 comporte également deux autres murets 250’, 251’ qui sont dans l’exemple décrit de même hauteur et dont les parties hautes sont planes.
En outre, les deux murets 250’ et 251’ s’étendent de façon rectiligne à partir de la face supérieure du dissipateur 200 dans une direction sensiblement égale à la direction de la pluralité d’ailettes 220’.
En outre les hauteurs des murets 250, 251, 250’, 251’ sont sensiblement égales de sorte que les parties hautes de ces quatre murets sont sensiblement coplanaires.
Les parties hautes des murets 250, 251 sont en contact thermique, éventuellement par l’intermédiaire d’au moins une patte thermique, avec un ou des composants électroniques à refroidir du dispositif électronique 400. Dans l’exemple décrit ici, les parties hautes des murets 250, 251 sont en contact thermique avec les transistors de sécurité T10’, T20’ par l’intermédiaire d’une patte thermique et de la carte électronique portant ces transistors.
Les parties hautes des murets 250’, 251’ sont en contact thermique, éventuellement par l’intermédiaire d’au moins une patte thermique, avec un ou des composants électroniques à refroidir du dispositif électronique 400. Dans l’exemple décrit ici, les parties hautes des murets 250’, 251’ sont en contact thermique avec les transistors de sécurité T10, T20 par l’intermédiaire d’une patte thermique et de la carte électronique portant ces transistors.
D’autre part, la face supérieure de la semelle 210 est également en contact thermique, par exemple par l’intermédiaire d’une patte thermique, avec des transistors des hacheurs de tension du dispositif électronique 400.
En outre, la semelle 210 comporte une ouverture traversante 285 située entre les deux groupes de murets 250, 251 et 250’, 251’ de sorte que des composants électroniques du dispositif électronique 400 puissent traverser la semelle 210 afin de se loger au moins partiellement dans la cavité 650 du boitier 100. Dans l’exemple décrit ici, des inductances des hacheurs de tension du dispositif électronique 400 sont ainsi au moins partiellement logées dans la cavité 650.
La deuxième face 130 du boitier 100 comprend en outre des éléments de positionnement (non représentées sur les figures) de la carte électronique destinés à la positionner sur la deuxième face 130 dans une position prédéterminée. Dans l’exemple décrit ici, les éléments de positionnement sont constitués de deux ergots faisant saillie, de façon perpendiculaire à la paroi inférieure. Ces éléments de positionnement sont destinés à coopérer avec des éléments de positionnement complémentaires de la carte électronique pour positionner la carte électronique vis-à-vis de la paroi inférieure. Dans l’exemple décrit ici, ces éléments de positionnement complémentaires sont des trous traversant réalisés dans la carte électronique.
La deuxième face 130 comporte en outre des moyens de support du dispositif électronique 400. Par exemple, les moyens de support comprennent au moins un fût de vissage 600. Dans l’exemple décrit ici, la deuxième face 130 comporte cinq fûts de vissage sur lesquels la carte électronique du dispositif électronique 400 est posée avant d’être vissée.
La partie haute des futs de vissage est plus élevée que la partie haute du muret 170 afin que lors de l’assemblage du dispositif électronique 400 sur les moyens de support du boitier 100, le dispositif électronique 400 puisse être en contact thermique, éventuellement par l’intermédiaire d’une patte thermique, avec les murets 250, 251, 250’, 251’ du dissipateur de chaleur 200.
En référence à la , un procédé 900 de fabrication du système de refroidissement de la [Fig. 7] va à présent être décrit.
Au cours d’une étape 910, le boitier 100 est obtenu, par exemple par un procédé de fonderie.
Au cours d’une étape 911, le dissipateur de chaleur 200 est obtenu, par exemple par un procédé de fabrication par extrusion.
Au cours d’une étape 920, la partie 230 du dissipateur est fixée à la paroi inférieure de sorte à fermer l’ouverture 150 et de sorte que les pluralités d’ailettes 220 et 220’ s’étendent dans le canal de refroidissement 140.
A cet effet, la partie 230 du dissipateur 200 est plaquée contre et en appui sur la deuxième face 130 de la paroi inférieure de sorte que le dissipateur ferme l’ouverture du canal de refroidissement 140. Une fois positionnée sur la deuxième face 130 de la paroi inférieure, la partie 230 et la partie haute du muret 170 sont soudés par friction malaxage.
La présente invention n’est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits. Il sera en effet apparent à l’homme du métier que des modifications peuvent y être apportées.
Par exemple, dans les modes de réalisation décrits précédemment le fluide de refroidissement peut être de l’air, de l’eau, de l’huile ou de l’azote liquide au lieu d’un mélange d'eau et de glycol.
Par ailleurs, dans un mode de réalisation alternatif à celui décrit en relation avec les à [Fig. 6], le dispositif électronique 40 pourrait être un chargeur électrique, par exemple un chargeur embarqué dans un véhicule automobile.
De même, dans un mode de réalisation alternatif à celui décrit en relation avec les à [Fig .10], le dispositif électronique 400 pourrait être un chargeur électrique, par exemple un chargeur embarqué dans un véhicule automobile.
En outre, dans un mode de réalisation alternatif à celui décrit en relation avec les à [Fig. 6], les ailettes du premier dissipateur de chaleur 20 et/ou du deuxième dissipateur de chaleur 30 pourraient être remplacées par une pluralité d’ailettes ayant une forme de plot conique occupant sensiblement la même surface sur la face inférieure de ce ou ces dissipateurs.
De même, dans un mode de réalisation alternatif à celui décrit en relation avec les à [Fig. 10], les ailettes du dissipateur de chaleur 200 pourraient être remplacées par une pluralité d’ailettes ayant une forme de plot conique occupant sensiblement la même surface sur la face inférieure de ce dissipateur.
En outre, les termes utilisés dans les revendications ne doivent pas être interprétés comme limités aux éléments des modes de réalisation précédemment décrits, mais doivent au contraire être interprétés comme incluant tous les éléments équivalents dont la prévision est à la portée de l’homme du métier appliquant ses connaissances générales
Claims (10)
- Système de refroidissement (700, 700’) d’un composant électronique (T1, T1’) comprenant:
- un boitier (10, 100) comprenant au moins une paroi, une première face (12, 120) de ladite paroi étant tournée vers l’extérieur dudit boîtier (10, 100) et une deuxième face (13, 130) de ladite paroi étant tournée vers l’intérieur dudit boitier (10, 100), ladite paroi comprenant un dispositif de refroidissement réalisé sous forme d’au moins un canal de refroidissement (14, 140) dans lequel un fluide de refroidissement est destiné à circuler pour refroidir ledit composant électronique (T1, T1’), ledit canal de refroidissement (14, 140) comprenant une première ouverture (15, 150) débouchant sur ladite deuxième face (13, 130), et
- un dissipateur de chaleur (20, 200) comprenant:
- une semelle (21, 210) présentant une face supérieure destinée à recevoir de la chaleur à dissiper émise par ledit composant électronique (T1, T1’), et
- au moins une ailette (22, 220) s’étendant sur une face inférieure de la semelle (21, 210),
- ladite semelle (21, 210) étant fixée à ladite paroi de sorte à fermer ladite première ouverture (15, 150) et de sorte que ladite au moins une ailette (22, 220) s’étende dans ledit canal de refroidissement (14, 140).
- Système de refroidissement (700, 700’) selon la revendication précédente dans lequel ledit dissipateur (20, 200) comporte en outre une partie (23, 230) se projetant latéralement de ladite semelle (21, 210) de manière à être plaquée contre ou en appui sur ladite deuxième face (13, 130) de ladite paroi et fixée à ladite deuxième (13, 130) face de ladite paroi.
- Système de refroidissement (700, 700’) selon l’une des revendications précédentes dans lequel ledit boîtier (10, 100) comprend une entrée (19, 190) en fluide de refroidissement et une sortie en fluide (19’, 190’) de refroidissement, ledit canal de refroidissement (14, 140) reliant ladite entrée (19, 190) en fluide de refroidissement à ladite sortie (19’, 190’) en fluide de refroidissement.
- Système de refroidissement (700, 700’) selon l’une des revendications précédentes dans lequel ladite paroi comprend une protubérance (70, 700) du côté de ladite première face (12, 120) et dans lequel ledit canal de refroidissement (14, 140) est en outre formée en moins partiellement dans ladite protubérance (70, 700).
- Système de refroidissement (700) selon l’une des revendications précédentes dans lequel ledit canal de refroidissement (14) comprend une deuxième ouverture (80) débouchant sur ladite première face (12) et comprenant en outre un capot de fermeture, ledit capot étant fixée à ladite paroi (11) de sorte à fermer ladite deuxième ouverture (80).
- Système de refroidissement (700, 700’) selon l’une des revendications précédentes dans lequel ledit dissipateur (21, 210) est fixé à ladite paroi par soudage par friction malaxage.
- Système de refroidissement (700, 700’) selon l’une des revendications précédentes dans lequel le boîtier est obtenu par un premier procédé de fabrication, par exemple par un procédé de fonderie, et dans lequel ledit dissipateur est obtenu par un deuxième procédé de fabrication, différent du premier, par exemple par un procédé d’extrusion ou encore par un procédé de frappe à froid.
- Chargeur électrique ou convertisseur de tension comprenant un interrupteur électronique (T1, T1’) et un système de refroidissement (700, 700’) dudit interrupteur électronique (T1, T1’) selon l’une des revendications 1 à 7.
- Chargeur électrique ou convertisseur de tension (1000, 1000’) selon la revendication précédente dans lequel ledit interrupteur électronique est un transistor FET en nitrure de gallium ou un transistor MOSFET ou encore un transistors IGBT.
- Procédé de fabrication (500, 900) d’un système de refroidissement (700, 700’) d’un composant électronique (T1, T1’) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant:
- l’obtention (510, 910) d’un boitier comprenant au moins une paroi, une première face de ladite paroi étant tournée vers l’extérieur dudit boîtier et une deuxième face de ladite paroi étant tournée vers l’intérieur dudit boitier, ladite paroi comprenant un dispositif de refroidissement réalisé sous forme d’au moins un canal de refroidissement dans lequel un fluide de refroidissement est destiné à circuler pour refroidir ledit composant électronique, ledit canal de refroidissement comprenant une première ouverture débouchant sur ladite deuxième face,
- l’obtention (511, 911) d’un dissipateur de chaleur comprenant:
- une semelle présentant une face supérieure destinée à recevoir de la chaleur à dissiper émise par ledit composant électronique,
- au moins une ailette s’étendant sur une face inférieure de la semelle,
- la fixation (520, 920) de ladite semelle à ladite paroi de sorte à fermer ladite première ouverture et de sorte que ladite au moins une ailette s’étende dans ledit canal de refroidissement.
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