FR3127667A1 - Module électronique de puissance - Google Patents
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Abstract
Module électronique de puissance L’invention concerne un module électronique de puissance (2) comprenant une carte de circuit imprimé multicouches (7), au moins un interrupteur électronique, notamment formé par un transistor (8), enterré dans l’une des couches de la carte de circuit imprimé, au moins un élément de filtrage tel qu’un condensateur (9) placé sur la carte de circuit imprimé et en liaison électrique avec l’interrupteur électronique. Figure de l’abrégé : figure 3.
Description
La présente invention concerne un module électronique de puissance.
La demande de brevet EP 3 312 983 décrit un convertisseur de tension, notamment destiné à alimenter en puissance une machine électrique pour véhicule automobile. Ce convertisseur comprend un bloc de filtrage avec une pluralité d'éléments de filtrage, par exemple une pluralité de condensateurs.
La demande de brevet WO 2019002709 décrit un module de puissance comportant, pour chaque barre omnibus de phase, un transistor MOSFET connecté entre la barre omnibus positive et la barre omnibus de phase et un autre transistor MOSFET connecté entre la barre omnibus de phase et la barre omnibus négative. Un pilote, ou Driver en anglais, peut être ajoutée à ce module de puissance.
Un des problèmes généralement rencontrés sur ce type de module de puissance, c’est que les condensateurs sont placés à distance des transistors, les condensateurs du bloc de condensateurs devant alors être relativement volumineux.
La présente invention vise à améliorer ce type de module de puissance.
La présente invention répond à ce besoin à l’aide d’un module électronique de puissance comprenant une carte de circuit imprimé multicouches, au moins un interrupteur électronique, notamment formé par un transistor, enterré dans l’une des couches de la carte de circuit imprimé, au moins un élément de filtrage tel qu’un condensateur placé sur la carte de circuit imprimé et en liaison électrique avec l’interrupteur électronique.
Les éléments de filtrage, notamment les condensateurs, sont agencés pour stabiliser une tension électrique reçue par le module de puissance et pour réduire les perturbations électromagnétiques générées par les électroniques de puissance et de contrôle.
Dans des modules connus de l’état de l’art, les contraintes mécatroniques ou process empêchent d’avoir condensateurs et les transistors MOSFET au plus près. De ce fait, une inductance de boucle importante est présente et engendre lors de la commutation des MOSFET une surtension sur la tension Drain-Source (tension VDS) du transistor MOSFET. Cette surtension peut être critique pour le MOSFET et afin de l’absorber, il faut ajouter des composants d’amortissement (appelés snubber en anglais) qui aident à gérer la surtension. Ces composants d’amortissement entrainent un surcoût, une nécessité d’espace et un mauvais rendement. En rapprochant ces condensateurs et en les mettant sur le même substrat, on réduit fortement l’inductance de boucle, ce qui prévient l’apparition des problèmes précités.
D’autres avantages de l’invention seront détaillés ci-après.
Selon l’un des aspects de l’invention, le ou les éléments de filtrages ont des condensateurs.
L’invention permet, du fait que le ou les transistors et les éléments de filtrage sont sur un même support formé par la carte de circuit imprimé, de réduire les inductances parasites indésirables.
De plus l’invention permet de réduire les échauffements grâce notamment au rapprochement du ou des transistors d’un dissipateur thermique et à l’utilisation d’un PCB avec des couches de cuivre épaisse. La chaleur du ou des transistors doit traverser seulement une ou deux couches de cuivre au lieu de toute l’épaisseur d’un PCB.
L’invention permet d’éviter d’avoir des connecteurs additionnels pour connecter la carte de circuit imprimé aux éléments de filtrage.
De plus, grâce à l’invention, l’utilisation d’un module de puissance qui comprend les transistors et les éléments de filtrage placés proches les uns des autres, permet d’avoir une configuration identique, évitant d’avoir à modifier cette configuration lors d’itérations de produit.
Selon l’un des aspects de l’invention, ce module de puissance est agencé pour être connecté à une carte de contrôle électronique distincte de ce module.
Il est possible d’avoir un microcontrôleur sur la carte de contrôle et des pilotes, ou drivers, et transistors sur le module selon l’invention.
Selon l’un des aspects de l’invention, la carte de circuit imprimé comporte des éléments de connexion électriques, notamment sous la forme de pattes de connexion, pour connecter ce module à une carte électronique de contrôle.
Ces pattes peuvent être au nombre de 8.
Selon l’un des aspects de l’invention, ces pattes de connexion s’étendent perpendiculairement au plan de la carte de circuit imprimé. D’autres angles sont bien entendu possibles.
Selon l’un des aspects de l’invention, ces pattes de connexion sont groupées selon deux groupes de connexion, ces groupes étant placés notamment de part et d’autre d’un ou plusieurs éléments de filtrage. D’autres configurations sont bien entendu possibles.
Selon l’un des aspects de l’invention, la carte de circuit imprimé multicouches comporte des pistes électriques, notamment à base de cuivre.
Selon l’un des aspects de l’invention, ces pistes conductrices enterrées dans la carte de circuit imprimé sont disposées en plusieurs étages suivant l’épaisseur de la carte, notamment quatre, cinq ou six étages.
Selon l’un des aspects de l’invention, l’interrupteur électronique, notamment formé par un transistor, est monté sur une piste conductrice de la carte de circuit imprimé, cette piste étant enterrée dans cette carte.
Selon l’un des aspects de l’invention, l’interrupteur est un transistor, notamment de type transistor à effet de champ à grille isolée ou MOSFET en anglais, qui est pourvu d’une électrode, notamment l’électrode formant un drain du transistor, et la piste comprend un sillon dans lequel est monté le transistor.
Selon l’un des aspects de l’invention, le transistor est brasé sur la piste de cuivre.
Selon l’un des aspects de l’invention, le montage du transistor sur la piste formant le drain sert à la fixation mécanique et/ou à la connexion de contact électrique.
Selon l’un des aspects de l’invention, l’une des pistes conductrices enterrées dans la carte correspond à la grille du transistor.
Selon l’un des aspects de l’invention, l’une des pistes conductrices enterrées dans la carte correspond à la source du transistor.
Selon l’un des aspects de l’invention, l’une des pistes conductrices enterrées dans la carte correspond à un potentiel positif ou négatif.
Selon l’un des aspects de l’invention, le module de puissance comporte quatre interrupteurs, notamment quatre transistors, et ces interrupteurs sont enterrés dans une même couche de la carte de circuit imprimé.
Selon l’un des aspects de l’invention, ces quatre transistors sont placés sur un même plan suivant l’épaisseur de la carte de circuit imprimé.
Selon l’un des aspects de l’invention, les transistors sont disposés suivant un arc de cercle imaginaire entourant le ou les éléments de filtrage.
Selon l’un des aspects de l’invention, ces quatre transistors forment deux bras de pont dans le module de puissance.
L’invention permet d’avoir les éléments de filtrage, notamment des condensateurs, au voisinage des transistors.
Selon l’un des aspects de l’invention, le module comprend quatre éléments de filtrage, notamment quatre condensateurs, et quatre transistors MOSFET.
Ces nombres peuvent bien entendu être différents, par exemple plus élevés.
Selon l’un des aspects de l’invention, les éléments de filtrage au nombre de quatre sont disposés suivant un carré.
Selon l’un des aspects de l’invention, chaque élément de filtrage est disposé dans un logement cylindrique, notamment perpendiculaire au plan de la carte de circuit imprimé.
Selon l’un des aspects de l’invention, le condensateur présente une forme cylindrique.
Selon l’un des aspects de l’invention, les condensateurs sont connectés en parallèle.
L’invention a encore pour objet un convertisseur de tension, notamment agencé pour alimenter en puissance électrique une machine électrique, comprenant au moins un module de puissance tel que décrit ci-dessus, et une carte électronique de contrôle connectée au module de puissance.
La séparation de électronique de puissance et de électronique de contrôle offre la possibilité d’avoir une électronique de contrôle plus facile à faire, par exemple avec une carte de circuit imprimé relativement simple.
Les coûts peuvent ainsi être réduits.
Il est également possible grâce à l’invention de réduire l’encombrement des électroniques, par rapport au cas où tous les composants de puissance et de contrôle sont sur la même carte de circuit imprimé. Ceci nécessiterait une très grand carte.
Selon l’un des aspects de l’invention, le convertisseur comporte trois modules de puissance.
Dans le cas d’une machine 6 phases, il est possible d’avoir, si nécessaire, plus de trois modules de puissance.
Selon l’un des aspects de l’invention, chaque module de puissance comprend quatre condensateurs, de sorte que le convertisseur comporte au total 12 condensateurs.
Selon l’un des aspects de l’invention, chaque module de puissance comporte des pattes de connexion connectées, par exemple par soudure, à la carte électronique de contrôle pour réaliser les connexions électriques.
Selon l’un des aspects de l’invention, chaque module de puissance est monté sur un dissipateur, par exemple réalisé en aluminium par fonderie, agencé pour évacuer de la chaleur produite par le module de puissance.
Selon l’un des aspects de l’invention, ce dissipateur comporte un tube pour une circulation de fluide caloporteur, notamment de l’eau glycolée.
Selon l’un des aspects de l’invention, le transistor peut être du type GAN, contenant un semi-conducteur de Nitrure de gallium.
L’invention permet ainsi de réduire l'inductance de boucle car les condensateurs sont placés à proximité des transistors MOSFET.
L’invention permet d’avoir des condensateurs de taille plus faible, pour un cahier des charges donné.
L’invention permet en outre de réduire le temps nécessaire pour régler le circuit de commande de grille du fait que la position entre les condensateurs et les transistors reste fixe entre des itérations de produit.
Grâce à l’invention, il est possible d’avoir un découplage thermique entre l’étage de puissance et l’étage de contrôle car les transistors et les condensateurs sont sur un substrat séparé du contrôle avec son propre dissipateur thermique.
L’invention est avantageuse aussi car il est possible de réduire les dimensions dans les directions du plan du module de puissance, en utilisant une conception en deux supports au lieu d'une carte électronique unique plus grande.
Selon l’un des aspects de l’invention, ce module comprend un pilote, ou Driver en anglais, afin d’avoir une commande plus propre du transistor MOSFET. Le module peut ainsi comprendre : un substrat, notamment un PCB, deux transistors MOSFET qui forment un bras de commutation, des condensateurs notamment de type DC Link et un pilote (ou driver) au plus près des transistors MOSFET. On crée ainsi un module sous la forme d’une cellule complète.
L’invention a encore pour objet un équipement électrique comprenant une machine électrique et un convertisseur de tension selon l'invention destiné à contrôler une énergie électrique échangée entre la machine électrique et un réseau électrique extérieur, et dans lequel le convertisseur de tension est monté sur la machine électrique.
La machine électrique est par exemple un alterno-démarreur pour un véhicule, notamment un véhicule automobile
L’alterno-démarreur, en mode alternateur appelé également mode générateur, permet de transformer un mouvement de rotation du rotor entraîné par le moteur thermique du véhicule, en un courant électrique induit dans les phases du stator. Dans ce cas, un pont redresseur relié aux phases du stator permet de redresser le courant induit sinusoïdal en un courant continu pour alimenter des consommateurs du véhicule ainsi qu'une batterie. Au contraire, en mode moteur, la machine électrique fait office de moteur électrique permettant d'entraîner en rotation, via l'arbre du rotor, le moteur thermique du véhicule. Il permet de transformer l'énergie électrique en énergie mécanique. Dans ce cas un onduleur permet de transformer un courant continu provenant de la batterie en un courant alternatif pour alimenter les phases du stator pour faire tourner le rotor.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description détaillée donnée ci-après, et d’un exemple de réalisation donné à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés, sur lesquels :
On a représenté sur les figures 1 et 2 un convertisseur de tension 1, agencé pour alimenter en puissance électrique une machine électrique 100, comprenant trois modules de puissance 2 selon l’invention, et une carte électronique de contrôle d’un étage de contrôle 3, carte de contrôle connectée aux modules de puissance 2.
Le convertisseur est agencé pour produire une puissance électrique pouvant atteindre 4kWatts. Cette valeur est simplement un exemple de réalisation.
La machine électrique 100 est ici un alterno-démarreur pour un véhicule, notamment un véhicule automobile.
L’alterno-démarreur, en mode alternateur appelé également mode générateur, permet de transformer un mouvement de rotation du rotor entraîné par le moteur thermique du véhicule, en un courant électrique induit dans les phases du stator.
Chaque module de puissance 2 est monté sur un dissipateur 5, par exemple réalisé en aluminium par fonderie, agencé pour évacuer de la chaleur produite par le module de puissance.
Ce dissipateur 5 comporte un tube 6 pour une circulation de fluide caloporteur, notamment de l’eau glycolée.
Chaque module électronique de puissance 2 comprend une carte de circuit imprimé multicouches 7, comme on peut le voir sur la qui montre un module de puissance 2 seul.
Chaque module de puissance 2 comporte en outre quatre interrupteurs électroniques 8, formé chacun par un transistor MOSFET, enterrés dans l’une des couches de la carte de circuit imprimé 7.
Chaque module est pourvu d’éléments de filtrage, chacun étant un condensateur 9.
Les condensateurs 9 sont placés sur la carte de circuit imprimé 7 et en liaison électrique avec les transistors MOSFET 8.
Les condensateurs 9 sont agencés pour stabiliser une tension électrique reçue par les modules de puissance 2 et pour réduire les perturbations électromagnétiques générées par les électroniques de puissance et de contrôle.
Les transistors 8 et les condensateurs 9 sont sur un même support formé par la carte de circuit imprimé 7, ce qui permet de réduire les inductances parasites indésirables.
Grâce à l’invention, l’utilisation de modules de puissance 2 qui comprennent les transistors 8 et les condensateurs 9 placés proches les uns des autres, permet d’avoir une configuration identique, évitant d’avoir à modifier cette configuration lors d’itérations de produit.
Les modules de puissance 2 sont agencés pour être connectés à une carte de contrôle électronique 25 distincte de ce module.
La carte de circuit imprimé 7 comporte des éléments de connexion électriques, ici sous la forme de pattes de connexion 10, pour connecter ce module à la carte électronique de contrôle de l’étage 3 .
Ces pattes de connexion 10 s’étendent perpendiculairement au plan de la carte de circuit imprimé 7.
Ces pattes de connexion 10 sont groupées selon deux groupes de connexion, ces groupes étant placés de part et d’autre des condensateurs 9.
La carte de circuit imprimé multicouches 7 comporte des pistes électrique 12 à base de cuivre, comme on peut le voir sur la .
Ces pistes conductrices 12 enterrées dans la carte de circuit imprimé 7 sont disposées en plusieurs étages suivant l’épaisseur de la carte, notamment six étages, comme visible sur la .
Le transistor 8 est monté sur une piste conductrice 14 de la carte de circuit imprimé 7, cette piste étant enterrée dans cette carte 7.
La piste 14 comprend un sillon 15 dans lequel est monté le transistor 8.
Le transistor 8 est brasé sur la piste de cuivre 14.
Le montage du transistor 8 sur la piste formant le drain 14 sert à la fixation mécanique et/ou à la connexion de contact électrique.
L’une des pistes conductrices 14 enterrées dans la carte correspond à la grille du transistor, et une autre des pistes conductrices 14 enterrées dans la carte 7 correspond à la source du transistor.
La piste conductrice 16 enterrée dans la carte correspond à une masse électrique, par exemple.
Le module de puissance 2 comporte quatre transistors qui sont enterrés dans une même couche de la carte de circuit imprimé.
Ces quatre transistors 8 sont placés sur un même plan suivant l’épaisseur de la carte de circuit imprimé 7.
Les transistors 8 sont disposés suivant un arc de cercle imaginaire entourant les condensateurs 9, comme on peut le voir sur l .
Les condensateurs 9 au nombre de quatre sont disposés suivant un carré.
Chaque condensateur 9, de forme cylindrique, est disposé dans un logement cylindrique 17 perpendiculaire au plan de la carte de circuit imprimé.
Les condensateurs 9 sont connectés en parallèle.
Chaque module de puissance 2 est logé dans un réceptacle 19 du dissipateur 5.
Le module peut comporter un pilote, ou driver en anglais, pour piloter le ou les transistors.
.
.
Claims (15)
- Module électronique de puissance (2) comprenant une carte de circuit imprimé multicouches (7), au moins un interrupteur électronique, notamment formé par un transistor (8), enterré dans l’une des couches de la carte de circuit imprimé, au moins un élément de filtrage tel qu’un condensateur (9) placé sur la carte de circuit imprimé et en liaison électrique avec l’interrupteur électronique.
- Module selon la revendication précédente, dans lequel ce module de puissance (2) est agencé pour être connecté à une carte de contrôle électronique (25) distincte de ce module.
- Module selon la revendication précédente, dans lequel la carte de circuit imprimé (7) comporte des éléments de connexion électriques, notamment sous la forme de pattes de connexion (10), pour connecter ce module à une carte électronique de contrôle (25).
- Module selon la revendication précédente, dans lequel ces pattes de connexion (10) s’étendent perpendiculairement au plan de la carte de circuit imprimé.
- Module selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la carte de circuit imprimé multicouches comporte des pistes électriques (12), notamment à base de cuivre.
- Module selon la revendication précédente, dans lequel ces pistes conductrices (12) enterrées dans la carte de circuit imprimé sont disposées en plusieurs étages suivant l’épaisseur de la carte, notamment six étages.
- Module selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’interrupteur électronique, notamment formé par un transistor (9), est monté sur une piste conductrice (14) de la carte de circuit imprimé, cette piste étant enterrée dans cette carte.
- Module selon la revendication précédente, dans lequel l’interrupteur est un transistor, notamment de type transistor à effet de champ à grille isolée ou MOSFET en anglais, qui est pourvu d’une électrode, notamment l’électrode formant un drain du transistor, et la piste comprend un sillon dans lequel est monté le transistor.
- Module selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le module de puissance comporte quatre transistors (9), et ces interrupteurs sont enterrés dans une même couche de la carte de circuit imprimé.
- Module selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les transistors (9) sont disposés suivant un arc de cercle imaginaire entourant le ou les éléments de filtrage.
- Module selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les éléments de filtrage au nombre de quatre sont disposés suivant un carré.
- Module selon la revendication précédente, dans lequel chaque élément de filtrage (9) est disposé dans un logement cylindrique, notamment perpendiculaire au plan de la carte de circuit imprimé.
- Convertisseur de tension (1), notamment agencé pour alimenter en puissance électrique une machine électrique (100), comprenant au moins un module de puissance (2) selon l’une des revendications précédentes, et une carte électronique de contrôle (25) connectée au module de puissance.
- Convertisseur selon la revendication précédente, dans lequel le convertisseur comporte trois modules de puissance (2) selon l’une des revendications 1 à 12.
- Equipement électrique (100) comprenant une machine électrique et un convertisseur de tension (1) selon l'une des revendications 13 et 14, le convertisseur étant destiné à contrôler une énergie électrique échangée entre la machine électrique et un réseau électrique extérieur, et dans lequel le convertisseur de tension est monté sur la machine électrique.
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| FR3127667A1 true FR3127667A1 (fr) | 2023-03-31 |
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- 2021-09-29 FR FR2110257A patent/FR3127667A1/fr active Pending
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