FR3116173A1 - Circuit électrique de puissance pour convertisseur de puissance électrique - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un circuit électrique de puissance (200) pour convertisseur de puissance électrique. Le circuit (200) comprend une première couche conductrice (202), une seconde couche conductrice (204), une couche de refroidissement (206), accolée à la seconde couche conductrice (204) et conçue pour dissiper de la chaleur, et au moins un composant électronique de puissance (208) monté sur la première couche conductrice (202) et connecté électriquement à la seconde couche conductrice (204). La seconde couche conductrice (204) comporte au moins deux portions (204a, 204b) qui s’étendent dans deux plans parallèles distincts (p1, p2) entre lesquels est situé un condensateur (212). Figure pour l'abrégé : Figure 2
Description
Domaine technique de l'invention
L’invention est relative au domaine des cœurs de puissance de convertisseurs de puissance électrique qui sont utilisés notamment en aéronautique. Elle concerne en particulier un circuit électrique de puissance pour de tels convertisseurs de puissance électrique.
Arrière-plan technique
Les cœurs de puissance utilisés dans les convertisseurs de puissance électrique sont généralement constitués soit, pour des fortes puissances, par des modules de puissance sous la forme de blocs de format rectangulaire qui intègrent des liaisons électriques soit, pour des puissances plus faibles, de composants discrets implantés sur un circuit imprimé.
Dans les deux cas, des condensateurs de puissance, dits condensateurs de découplage, sont nécessairement reliés au cœur de puissance pour fournir les courants instantanés qui permettent son bon fonctionnement. Ces condensateurs sont reliés au cœur de puissance soit par l’intermédiaire d’un jeu de barres soit par l’intermédiaire d’un circuit imprimé de puissance.
En outre, comme l’illustre par exemple le brevet FR1857356, la liaison (i.e. la connexion électrique) avec le condensateur se fait soit par liaison vissée, soit, dans le cas de l’utilisation de composants discrets assemblés sur un circuit imprimé, par brasure sur ledit circuit imprimé.
A titre d’exemple, la représente un circuit électrique 100 pour convertisseur de puissance électrique selon l’art antérieur.
Le circuit 100 comprend une première couche conductrice 102, une seconde couche conductrice 104, une couche de refroidissement 106, accolée à la seconde couche conductrice 104 et conçue pour dissiper de la chaleur, et, dans l’exemple représenté, un composant électronique de puissance 108 qui est monté sur la première couche conductrice 102 et connecté électriquement à la seconde couche conductrice 104.
En outre, la seconde couche conductrice 104 est séparée de la première couche conductrice 102 par une couche isolante 110 qui est aussi thermiquement conductrice. Enfin, dans l’exemple représenté, un condensateur 112 est connecté électriquement à la première couche conductrice 102 et à la seconde couche conductrice 104 par des liaisons vissées 114.
Dans l’exemple décrit plus haut de liaison vissée comme dans le cas où la liaison avec le condensateur se fait par brasure, un inconvénient important est qu’il existe une distance, qu’il est difficile de réduire, entre les composants de puissance (typiquement des interrupteurs de type transistors MOS ou IGBT) et le ou les condensateurs de découplage.
Cette distance impacte directement la valeur de l’inductance parasite qui est nécessairement créée entre les composants de puissance et les condensateurs. Or, cette inductance est la source d’une surtension liée à la commutation du courant dans les composants de puissance et cette surtension a un impact significatif sur le dimensionnement desdits composants de puissance.
Des solutions ont été proposées pour enterrer des condensateurs mais ces solutions s’appliquent essentiellement à des applications d’électronique numérique de faible puissance. En particulier, ce sont des solutions dans lesquelles l’énergie des condensateurs utilisée est faible, typiquement de l’ordre du millième de Joule.
En résumé, les différentes solutions connues jusqu’ici impliquent la création d’une inductance parasite liée à la longueur du circuit constitué par le condensateur et les composants de puissance et/ou ont une application restreinte à des condensateurs de faible puissance.
La présente invention propose une solution permettant de remédier au moins en partie aux inconvénients précités.
À cet effet, selon un premier aspect, l’invention concerne un circuit électrique de puissance pour convertisseur de puissance électrique, le circuit comprenant une première couche conductrice, une seconde couche conductrice, une couche de refroidissement, accolée à la seconde couche conductrice et conçue pour dissiper de la chaleur, et au moins un composant électronique de puissance monté sur la première couche conductrice et connecté électriquement à la seconde couche conductrice,
caractérisé en ce que la seconde couche conductrice comporte au moins deux portions s’étendant dans deux plans distincts, parallèles à un plan dans lequel s’étend la première couche conductrice,
caractérisé en ce que la seconde couche conductrice comporte au moins deux portions s’étendant dans deux plans distincts, parallèles à un plan dans lequel s’étend la première couche conductrice,
et en ce qu’une première portion de la seconde couche conductrice est séparée de la première couche conductrice par au moins une couche isolante thermiquement conductrice et au moins un condensateur est situé entre une seconde portion de la seconde couche conductrice et la première couche conductrice, une première électrode dudit condensateur étant connectée électriquement à la première couche conductrice et une seconde électrode dudit condensateur étant connectée électriquement à la seconde portion de la seconde couche conductrice.
Grâce à l’invention, il est ainsi possible d’implanter des condensateurs de découplage au plus proche des composants de puissance d’un convertisseur afin de limiter les inductances parasites.
De façon optionnelle, l’au moins un condensateur comprend un cœur constitué d’une pluralité de bobineaux de films métallisés.
De façon optionnelle également, l’au moins un condensateur est connecté électriquement aux couches conductrices par une colle conductrice ou des nanoparticules d’argent frittées.
De façon optionnelle également, les électrodes de l’au moins un condensateur sont constituées de métal déposé par projection thermique à l’état liquide, de préférence de l’étain, du zinc ou de l’aluminium.
De façon optionnelle également, les couches conductrices du circuit électrique de puissance sont constituées de feuillards de cuivre, de préférence d’une épaisseur supérieure ou égale à quatre cent micromètres.
De façon optionnelle également, l’au moins un composant électronique de puissance est un puce nue ou un composant discret.
De façon optionnelle également, l’au moins un composant électronique de puissance est fixé sur la première couche conductrice par une colle conductrice, un alliage brasé ou des nanoparticules d’argent frittées.
Il est également proposé un procédé de fabrication d’un circuit électrique de puissance pour convertisseur de puissance électrique, le circuit comprenant une première couche conductrice, une seconde couche conductrice, une couche de refroidissement, accolée à la seconde couche conductrice et conçue pour dissiper de la chaleur, et au moins un composant électronique de puissance monté sur la première couche conductrice et connecté électriquement à la seconde couche conductrice,
ledit procédé comprenant :
- la sérigraphie d’une pâte de frittage sur les première et seconde couches conductrices ;
- le séchage de la pâte de frittage, de préférence pendant trente minutes à cent trente degrés ;
- l’assemblage des différentes couches du circuit électrique de puissance ;
- la stratification par pressage des couches assemblées,
et étant adapté pour que la seconde couche conductrice comporte aux moins deux portions s’étendant dans deux plans distincts, parallèles à un plan dans lequel s’étend la première couche conductrice et pour qu’une première portion de la seconde couche conductrice soit séparée de la première couche conductrice par au moins une couche isolante thermiquement conductrice et un condensateur soit situé entre une seconde portion de la seconde couche conductrice et la première couche conductrice, une première électrode dudit condensateur étant connectée électriquement à la première couche conductrice et une seconde électrode dudit condensateur étant connectée électriquement à la seconde portion de la seconde couche conductrice.
ledit procédé comprenant :
- la sérigraphie d’une pâte de frittage sur les première et seconde couches conductrices ;
- le séchage de la pâte de frittage, de préférence pendant trente minutes à cent trente degrés ;
- l’assemblage des différentes couches du circuit électrique de puissance ;
- la stratification par pressage des couches assemblées,
et étant adapté pour que la seconde couche conductrice comporte aux moins deux portions s’étendant dans deux plans distincts, parallèles à un plan dans lequel s’étend la première couche conductrice et pour qu’une première portion de la seconde couche conductrice soit séparée de la première couche conductrice par au moins une couche isolante thermiquement conductrice et un condensateur soit situé entre une seconde portion de la seconde couche conductrice et la première couche conductrice, une première électrode dudit condensateur étant connectée électriquement à la première couche conductrice et une seconde électrode dudit condensateur étant connectée électriquement à la seconde portion de la seconde couche conductrice.
De façon optionnelle, lors de la stratification, des cales de compensation, d’une hauteur sensiblement égale à la distance séparant les deux plans dans lesquels s’étendent la première portion et la seconde portion de la seconde couche conductrice, sont utilisées de sorte que la pression est exercées de manière uniforme sur toute la surface du circuit électronique de puissance en contact avec la presse.
De façon optionnelle également, l’assemblage comprend :
- l’assemblage de couches conductrices et isolantes ;
- l’intégration d’au moins un condensateur ; et,
- le remplissage d’interstices par un matériau isolant.
- l’assemblage de couches conductrices et isolantes ;
- l’intégration d’au moins un condensateur ; et,
- le remplissage d’interstices par un matériau isolant.
Brève description des figures
La présente invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description d’un exemple non limitatif qui suit, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
Les éléments ayant les mêmes fonctions dans les différents modes de réalisation ont les mêmes références dans les figures.
Description détaillée de l'invention
La montre un mode de réalisation d’un circuit électrique de puissance pour convertisseur de puissance électrique selon l’invention.
Dans l’exemple représenté, un circuit électrique de puissance 200 pour convertisseur de puissance électrique comprend une première couche conductrice 202, une seconde couche conductrice 204, une couche de refroidissement 206, accolée à la seconde couche conductrice 204 et conçue pour dissiper de la chaleur, et un composant électronique de puissance 208 monté sur la première couche conductrice 202 et connecté électriquement à la seconde couche conductrice 204.
La couche de refroidissement 206 permet de dissiper les pertes en commutation et en conduction afin d’assurer la pérennité du composant électronique de puissance 208 d’un point de vue thermique. En outre, les couches conductrices 202 et 204 sont thermiquement conductrices tout comme la couche isolante décrite plus en détail plus loin et permettent l’évacuation de la chaleur par cette couche de refroidissement 206.
De manière générale, l’invention s’applique à un circuit comprenant un nombre de composants électroniques de puissance qui peut être supérieur ou égal à un. Ces composants électroniques de puissance peuvent être, par exemple, des transistors MOS (de l’anglais «Metal Oxyde Semi-conductor») ou des transistors IGBT (de l’anglais «Insulated Gate Bipolar Transistor») qui sont utilisés pour former un bras de pont qui constitue le cœur de puissance d’un convertisseur de puissance électrique.
En outre, dans différents modes de réalisation de l’invention, les composants électronique de puissance du circuit électrique de puissance peuvent être aussi bien des puces nues que des composants discrets. Ils peuvent être fixés sur la première couche conductrice 202 par une colle conductrice, par un alliage brasé ou encore par des nanoparticules d’argent frittées.
Dans l’exemple représenté, les deux couches conductrices 202 et 204 sont constituées de feuillards de cuivre. Avantageusement, le circuit électrique de puissance de l’invention peut être adapté pour faire transiter des courants importants en ajustant l’épaisseur de ces feuillards de cuivre. Par exemple, cette épaisseur peut être supérieure ou égale à quatre cent micromètres.
De plus, avantageusement, pour des couches conductrices épaisses, il est possible d’inclure des liaisons de puissances directement dans les couches conductrices et ainsi de permettre, par exemple, un assemblage direct du type vis-écrou de câbles, de barres d’alimentation ou de liaisons du cœur de puissance vers des charges alimentées par ledit cœur de puissance.
La seconde couche conductrice 204 comporte au moins deux portions 204a et 204b qui s’étendent dans deux plans distincts p1 et p2 qui sont parallèles à un plan p3 dans lequel s’étend la première couche conductrice 202.
D’une part, la première portion 204a de la seconde couche conductrice 204 est séparée de la première couche conductrice 202 par une couche isolante 210 qui est thermiquement conductrice. Dans les différents modes de réalisation de l’invention, les deux couches conductrices 202 et 204 peuvent être situées aux deux extrémités d’un empilement de couches conductrices et de couches isolantes qui sont toutes thermiquement conductrices de manière à pouvoir dissiper la chaleur produite au niveau des composants électroniques de puissance.
D’autre part, la distance qui sépare les deux portions 204a et 204b de la seconde couche conductrice 204 (i.e. équivalente à la distance entre les plans p1 et p2) permet d’intégrer un condensateur dans la structure même du circuit électrique de puissance 200. Ainsi, dans l’exemple représenté, un condensateur 212 est situé entre la seconde portion 204b de la seconde couche conductrice 204 et la première couche conductrice 202. En outre, l’homme du métier appréciera que, dans différents modes de réalisation, le nombre de condensateur peut être supérieur ou égal à l’unité.
Dans un mode de réalisation particulier, le condensateur comprend un cœur constitué d’une pluralité de bobineaux de films métallisés. En d’autres termes, le condensateur qui est intégré à la structure du circuit électrique de puissance est du type condensateur films métallisés. Dans d’autres modes de réalisation, le condensateur peut être du type céramique de puissance en utilisant le même type de liaison entre les électrodes du condensateur et les couches conductrices.
En outre, une première électrode 214 du condensateur 212 est connectée électriquement à la première couche conductrice 202 et une seconde électrode 216 du condensateur 212 est connectée électriquement à la seconde portion 204b de la seconde couche conductrice 204.
Dans un mode de réalisation particulier, les électrodes 214 et 216 du condensateur sont constituées de métal déposé par projection thermique à l’état liquide, comme par exemple de l’étain, du zinc ou de l’aluminium. Ce dépôt de métal peut par exemple être réalisé par une méthode connue dite de « schoopage » du nom de l’inventeur de ladite méthode, Max Schoop.
Avantageusement, la distance séparant les deux portions 204a et 204b de la seconde couche conductrice peut être ajustée pour permettre d’utiliser un ou des condensateurs adaptés à une puissance plus ou moins élevée. En particulier, l’épaisseur des bobineaux de films métallisés intégrés dans la structure du circuit peut varier de quelques millimètres pour des puissances faibles (de l’ordre de quelques dizaines de watts) à plusieurs centimètres pour des puissances plus élevées (de l’ordre du kilowatt).
En outre, dans un mode de réalisation particulier non représenté, il est aussi possible d’associer un condensateur supplémentaire à l’extérieur de la structure pour atteindre des valeurs de capacité de l’ensemble encore plus élevée.
Les électrodes 214 et 216 du condensateur 212 sont connectées électriquement aux couches conductrices 202 et 204 du circuit électrique de puissance 200 par un processus de frittage, utilisant, par exemple, de la pâte (i.e. des nanoparticules) d’argent.
En outre, dans ce cas, le processus de frittage doit être réalisé conjointement à la stratification du circuit (décrite plus loin en référence à la et à la ) et doit donc être adapté en fonction de la pression et de la température requis pour cette opération de stratification.
En référence à la , un exemple de procédé de fabrication d’un circuit électrique de puissance tel que celui décrit en référence à la va maintenant être décrit.
Au cours d’une étape 302, la sérigraphie d’une pâte de frittage sur les première et seconde couches conductrices est réalisée. Par exemple, la sérigraphie d’une pâte de frittage sur deux feuillards de cuivre qui constituent les deux couches conductrices.
Au cours d’une étape 304, le séchage de la pâte de frittage est réalisée. Le séchage peut être réalisé, par exemple, pendant trente minutes à cent trente degrés ce qui permet, avantageusement, de conserver le facteur de forme du dépôt lors de la mise en place des bobineaux de films métallisés du ou des condensateurs.
Au cours d’une étape 306, l’assemblage des différentes couches du circuit électrique de puissance est réalisé. Dans un mode de mise en œuvre particulier, cet assemblage comprend l’assemblage des couches conductrices et isolantes du circuit électrique de puissance, l’intégration du ou des condensateurs et le remplissage d’interstices restant dans le structure du circuit par un matériau isolant. En outre, le matériau isolant peut être un matériau pré imprégné utilisé pour la fabrication de circuits imprimés (par exemple de la fibre de verre croisée imprégnée de résine époxy) et découpé afin de garantir les isolements liés au dessin du circuit électrique de puissance réalisé. En outre, plusieurs couches de ce matériau peuvent être utilisées pour remplir les vides situés autour des bobineaux de films métallisés du ou des condensateurs afin qu’aucun volume d’air ne soit présent à la fin de l’opération de stratification décrite plus loin.
Enfin, au cours d’une étape 308, la stratification par pressage des couches assemblées est réalisée. Cette stratification peut être, par exemple, réalisée à une température de deux cents degrés, à une pression de 5 mégaPascal et pendant une durée de trente minutes. De manière générale, l’homme du métier saura adapter les propriétés de la stratification aux caractéristiques voulues du circuit et notamment à la patte de frittage utilisée pour sa fabrication.
Enfin, au cours d’une étape 308, la stratification par pressage des couches assemblées est réalisée. Cette stratification peut être, par exemple, réalisée à une température de deux cents degrés, à une pression de 5 mégaPascal et pendant une durée de trente minutes. De manière générale, l’homme du métier saura adapter les propriétés de la stratification aux caractéristiques voulues du circuit et notamment à la patte de frittage utilisée pour sa fabrication.
Dans un mode de mise en œuvre particulier du procédé de fabrication, lors de l’étape 308 de stratification, des cales de compensation, d’une hauteur sensiblement égale à la distance séparant les deux plans dans lesquels s’étendent la première portion et la seconde portion de la seconde couche conductrice sont utilisées. Ces cales sont adaptées pour que la pression soit exercée de manière uniforme sur toute la surface du circuit électronique de puissance en contact avec la presse.
Ainsi, la illustre un exemple de pressage de circuit électrique au cours d’un procédé de fabrication d’un circuit électrique de puissance pour convertisseur de puissance électrique selon l’invention.
La presse de stratification 400, utilisée pour la stratification du circuit électrique de puissance 408, comprend des plateaux 404 ainsi que des matelas de pressage 406 dont le rôle est de répartir l’effort de la presse 400 sur la totalité de la surface du circuit électrique de puissance 408.
De manière avantageuse, les cales 402 sont utilisées pour compenser la hauteur des bobineaux de films métallisés 410 des condensateurs 412 et contribuer aussi à répartir la pression exercée de manière uniforme sur toute la surface du circuit électronique de puissance 408 en cours de fabrication.
Claims (10)
- Circuit électrique de puissance (200) pour convertisseur de puissance électrique, le circuit (200) comprenant une première couche conductrice (202), une seconde couche conductrice (204), une couche de refroidissement (206), accolée à la seconde couche conductrice (204) et conçue pour dissiper de la chaleur, et au moins un composant électronique de puissance (208) monté sur la première couche conductrice (202) et connecté électriquement à la seconde couche conductrice (204),
caractérisé en ce que la seconde couche conductrice (204) comporte au moins deux portions (204a, 204b) s’étendant dans deux plans distincts (p1, p2), parallèles à un plan (p3) dans lequel s’étend la première couche conductrice (202),
et en ce qu’une première portion (204a) de la seconde couche conductrice (204) est séparée de la première couche conductrice (202) par au moins une couche isolante (210) thermiquement conductrice et au moins un condensateur (212) est situé entre une seconde portion (204b) de la seconde couche conductrice (204) et la première couche conductrice (202), une première électrode (214) dudit condensateur (212) étant connectée électriquement à la première couche conductrice (202) et une seconde électrode (216) dudit condensateur (212) étant connectée électriquement à la seconde portion (204b) de la seconde couche conductrice (204). - Circuit électrique de puissance (200) selon la revendication 1, dans lequel l’au moins un condensateur (212) comprend un cœur constitué d’une pluralité de bobineaux de films métallisés.
- Circuit électrique de puissance (200) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’au moins un condensateur (212) est connecté électriquement aux couches conductrices (202, 204) par une colle conductrice ou des nanoparticules d’argent frittées.
- Circuit électrique de puissance (200) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les électrodes (214, 216) de l’au moins un condensateur sont constituées de métal déposé par projection thermique à l’état liquide, de préférence de l’étain, du zinc ou de l’aluminium.
- Circuit électrique de puissance (200) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les couches conductrices (202, 204) du circuit électrique de puissance (200) sont constituées de feuillards de cuivre, de préférence d’une épaisseur supérieure ou égale à quatre cent micromètres.
- Circuit électrique de puissance (200) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’au moins un composant électronique de puissance (208) est une puce nue ou un composant discret.
- Circuit électrique de puissance (200) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’au moins un composant électronique de puissance (208) est fixé sur la première couche conductrice (202) par une colle conductrice, un alliage brasé ou des nanoparticules d’argent frittées.
- Procédé (300) de fabrication d’un circuit électrique de puissance (200) pour convertisseur de puissance électrique, le circuit (200) comprenant une première couche conductrice (202), une seconde couche conductrice (204), une couche de refroidissement (206), accolée à la seconde couche conductrice (204) et conçue pour dissiper de la chaleur, et au moins un composant électronique de puissance (208) monté sur la première couche conductrice (202) et connecté électriquement à la seconde couche conductrice (204),
ledit procédé comprenant :
- la sérigraphie (302) d’une pâte de frittage sur les première et seconde couches conductrices ;
- le séchage (304) de la pâte de frittage, de préférence pendant trente minutes à cent trente degrés ;
- l’assemblage (306) des différentes couches du circuit électrique de puissance (200) ;
- la stratification (308) par pressage des couches assemblées,
et étant adapté pour que la seconde couche conductrice (204) comporte aux moins deux portions (204a, 204b) s’étendant dans deux plans distincts (p1, p2), parallèles à un plan (p3) dans lequel s’étend la première couche conductrice (202) et pour qu’une première portion (204a) de la seconde couche conductrice (204) soit séparée de la première couche conductrice (202) par au moins une couche isolante (210) thermiquement conductrice et un condensateur (212) soit situé entre une seconde portion (204b) de la seconde couche conductrice (204) et la première couche conductrice (202), une première électrode (214) dudit condensateur (212) étant connectée électriquement à la première couche conductrice (202) et une seconde électrode (216) dudit condensateur (212) étant connectée électriquement à la seconde portion (204b) de la seconde couche conductrice (204). - Procédé (300) de fabrication d’un circuit électrique de puissance (200) selon la revendication 8, dans lequel, lors de la stratification (308), des cales de compensation (402), d’une hauteur sensiblement égale à la distance séparant les deux plans (p2, p3) dans lesquels s’étendent la première portion (204a) et la seconde portion (204b) de la seconde couche conductrice (204), sont utilisées de sorte que la pression est exercées de manière uniforme sur toute la surface du circuit électronique de puissance en contact avec la presse.
- Procédé (300) de fabrication d’un circuit électrique de puissance (200) selon la revendication 8 ou 9 dans lequel l’assemblage (306) comprend :
- l’assemblage de couches conductrices et isolantes ;
- l’intégration d’au moins un condensateur ; et,
- le remplissage d’interstices par un matériau isolant.
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| FR (1) | FR3116173A1 (fr) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20170127524A1 (en) * | 2011-06-21 | 2017-05-04 | Schweizer Electronic Ag | Electronic Assembly Group and Method for Producing the Same |
| DE202018102388U1 (de) * | 2018-04-27 | 2018-06-11 | Semikron Elektronik Gmbh & Co. Kg | Schaltungsanordnung |
-
2020
- 2020-11-06 FR FR2011396A patent/FR3116173A1/fr active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20170127524A1 (en) * | 2011-06-21 | 2017-05-04 | Schweizer Electronic Ag | Electronic Assembly Group and Method for Producing the Same |
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