WO2023110966A1 - Bras de commutation utilisant une carte de circuit imprimé - Google Patents

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WO2023110966A1
WO2023110966A1 PCT/EP2022/085759 EP2022085759W WO2023110966A1 WO 2023110966 A1 WO2023110966 A1 WO 2023110966A1 EP 2022085759 W EP2022085759 W EP 2022085759W WO 2023110966 A1 WO2023110966 A1 WO 2023110966A1
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circuit board
printed circuit
side switch
vias
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PCT/EP2022/085759
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Nicolas ALLALI
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Valeo Systemes De Controle Moteur
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    • H05K1/025—Impedance arrangements, e.g. impedance matching, reduction of parasitic impedance
    • H—ELECTRICITY
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    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
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    • H05K1/0237—High frequency adaptations
    • H05K1/0243—Printed circuits associated with mounted high frequency components

Definitions

  • the present invention relates to a switching arm, a switching power supply comprising such a switching arm and a mobility device comprising such a switching power supply.
  • a switch arm of the type comprising: a printed circuit board comprising an upper layer having an upper outer face, the printed circuit board further having a lower outer face opposite the upper external face; a high side switch and a low side switch, both carried by the upper external face of the printed circuit board and connected to each other by a so-called middle track of the upper layer; a capacitance carried by the upper outer face of the printed circuit board and connected to one of the high side switch and the low side switch by a so-called upper layer capacitance track; and high side switch and/or low side switch heat sink vias extending from the upper outer face to the lower outer face.
  • the heat dissipation vias allow the heat to be routed to the underside of the printed circuit board, where it can be easily dissipated by a heat sink.
  • a switching arm of the aforementioned type is therefore proposed, characterized in that the printed circuit board further comprises an internal so-called looping layer comprising a so-called looping track having openings for the passage of the heat dissipation vias, the capacitor being connected to the other of the high-side switch and the low-side switch via the loopback track of the inner loopback layer.
  • the invention may also include one or more of the following optional features, in any technically possible combination.
  • the printed circuit board comprises several internal layers which are conductive and which follow one another from the upper layer, the internal looping layer being the first of the internal layers starting from the upper layer.
  • the printed circuit board comprises at least one internal so-called doubling layer comprising, for at least one track of the upper layer, a doubling track and doubling vias connecting the considered track of the upper layer. higher than the associated dubbing track.
  • the heat dissipation vias include at least one of the dubbing vias.
  • the upper layer of the printed circuit board has a first track to which the other of the high side switch and the low side switch is connected and a second track to which the capacitor is connected
  • the printed circuit board includes first so-called vias loop connecting the first track to the loop track and second so-called loop vias connecting the second track to the loop track
  • the loop track comprises straight conductive portions extending from the first loop vias to the second loopback vias.
  • each straight conductive portion has a width of at least 200 ⁇ m.
  • the passage openings of the heat dissipation vias are distributed in parallel rows delimiting between them the straight conductive portion or portions.
  • the switch arm further comprises a heat sink pressed against the underside of the printed circuit board.
  • a switched-mode power supply comprising at least one switching arm according to the invention is also proposed.
  • a mobility device comprising a switched-mode power supply according to the invention is also proposed.
  • Figure 1 is an electrical diagram of an electrical installation in which the invention is implemented
  • Figure 2 is a cross-sectional view of elements of a switching arm of the electrical installation, using a multilayer printed circuit board
  • Figure 3 is a top view of an upper layer of the circuit board of the switch arm of Figure 2 with the dotted indication of the footprint of the components of the switch arm
  • Figure 4 is a top view of an internal layer of looping the circuit board of the switch arm of figure 2
  • Figure 5 is a top view of an internal backing layer of the printed circuit board of the switch arm of Figure 2
  • Figure 6 is a cross-sectional view of elements of another switch arm which can be used in the electrical installation, instead of that of figure 2, also using a multi-layer printed circuit board
  • figure 7 is a top view of an inner looping layer of the arm printed circuit board switch in Figure 6.
  • the electrical installation 100 can for example be used in a mobility device, for example a motor vehicle, an electric bicycle, a drone, an electric scooter, etc.
  • the electrical installation 100 firstly comprises a DC voltage source 102 designed to supply a DC voltage U, like a battery.
  • the electrical installation 100 further comprises a switching arm 104 designed to receive the DC voltage U and to alternately supply the DC voltage U and a zero voltage.
  • the switching arm 104 is for example part of a switching power supply, such as an inverter, a DC-DC converter, an AC-DC converter, etc.
  • the switch arm 104 comprises a high side switch HS (English “high side”) and a low side switch LS (English “low side”) connected to one another. the other at a midpoint M.
  • each of the high side switch HS and the low side switch LS has a current input terminal DHS, DLS and a current output terminal SHS, SLS , considering a current flow as shown in Figure 1 .
  • the current output terminal SHS of the high side switch HS is connected to the current input terminal DHS of the low side switch LS.
  • Each of the high side switch HS and the low side switch LS also has, for example, a control terminal GHS, GLS making it possible to define its state, on or off.
  • the switching arm 104 is designed to alternately switch from a configuration where I high side switch HS is on and the low side switch LS blocked to supply the voltage U, to a configuration where the high side switch HS is blocked and the low side switch LS passing to supply zero voltage.
  • Each of the high side switch HS and the low side switch LS is preferably a controllable semiconductor switch, such as a transistor switch such as a gated field effect transistor.
  • a transistor switch such as a gated field effect transistor.
  • metal-oxide from the English “Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor” also designated by the acronym MOSFET
  • an insulated gate bipolar transistor from the English “Insulated Gate Bipolar Transistor” also designated by the acronym IGBT
  • a gallium nitride field effect transistor from the English “Gallium nitride Field Effect Transistor” also designated by the acronym GaN FET.
  • the current input terminal is called “drain”
  • the current output terminal is called “source”
  • the order is called a "grid”.
  • the switching arm 104 further comprises an input capacitor C connected between the high side switch HS and the low side switch LS, and more particularly between the current input terminal DHS of the high side switch HS and the current output terminal SLS of the low side switch LS.
  • capacitor C can combine several capacitive components, for example connected in parallel.
  • Capacitor C is then for example connected to DC voltage source 102 to receive DC voltage U.
  • the electrical installation 100 further comprises an output component 106 connected between the midpoint M and the current output terminal SLS of the low side switch LS.
  • This output component 106 is for example a phase of an electrical machine.
  • the output component 106 can be an inductive load which essentially behaves like a current source.
  • each of the current input terminals DHS, DLS and the current output terminals SHS, SLS is formed from a single contact surface (from English “contact pad” or “bond pad” or simply “pad”).
  • each of the high side switch HS and the low side switch LS is for example designed to be cooled by the contact surface of its current input terminal DHS, DLS- This contact surface is therefore generally extended, in any case greater than the contact surface of the current output terminal SHS, SLS-
  • the high side switch HS and/or the low side switch LS could be designed to be cooled by the contact surface of its current output terminal SHS, SLS-
  • the switching arm 104 comprises a printed circuit board 202 (from the English "Printed Circuit Board”, also designated by the acronym PCB), which is multilayer that is to say which comprises several conductive layers succeeding one another along its thickness.
  • the layers are for example planar.
  • the printed circuit board 202 thus comprises an upper layer SUP having an upper outer face 204.
  • the printed circuit board 202 further comprises a lower layer INF having a lower outer face 206 and at least one inner layer (two in the example illustrated, respectively designated by the references INT 1 , INT2).
  • the layers SUP, INT 1 , INT2, INF are separated from each other by electrically insulating material, for example a resin such as a prepreg (from the English “prepreg”), represented by a dot filling in the figure 2.
  • each layer SUP, INT 1, INT2, INF can be divided into several conductive tracks separated from each other by the electrically insulating material.
  • the tracks at zero potential have horizontal filling.
  • the tracks at the potential of the DC voltage U have a bottom-left/top-right bias filling.
  • the tracks at the midpoint potential M have a top-left/bottom-right bias fill.
  • the low side switch LS, the high side switch HS and the capacitor C are carried by the upper outer face 204, preferably aligned in a direction X, for example in this order.
  • the latter comprises a so-called high track H S UP connecting the capacitor C and the high side switch HS between them. More precisely, a first terminal Ci of the capacitor C and the current input terminal DHS (in particular its contact surface) of the high side switch HS are pressed against this high track H S UP of the upper layer SUP .
  • the top SUP layer additionally features a so-called middle track M S UP connecting I high side switch HS and I low side switch LS between them. Specifically, the current output terminal SHS (especially its contact surface) of the high side switch HS and the current input terminal DLS (especially its contact surface) of the low side switch LS are pressed against this middle track M S UP of the upper SUP layer.
  • the upper layer SUP further comprises, on the one hand, a first so-called ground track G 1 SUP against which the current output terminal SLS (in particular its contact surface) of the low side switch LS is plated and, on the other hand, a second so-called ground track G2 S UP against which a second terminal C2 of capacitor C is pressed.
  • the printed circuit board 202 comprises at least a first via called loopback V Gi connecting the first ground track G 1 SUP to the loopback track GINTI and at least a second via called loopback V G2 connecting the second track ground G2 S UP at the GINTI loop runway.
  • the printed circuit board 202 may also comprise at least one inner layer of doubling. In figure 2, it is the internal layer INT2. In other embodiments, several internal doubling layers such as the internal doubling layer INT2 could be provided under the internal looping layer INT 1 .
  • the internal looping layer INT2 comprises, for each of one or more of the tracks G 1 SUP, M S UP, H S UP, G2 S UP of the upper layer SUP, a track G1 INT2, MINT2, HINT2, corresponding G2INT2, as well as vias V G i, V M , V , V G2 , called doubling, connecting the track G 1 SUP, M S UP, H S UP, G2 S UP considered from the upper layer SUP to the track G1 INT2, MINT2, HINT2, G2INT2 corresponding to the inner loopback layer INT2.
  • the looping track GINTI of the internal looping layer INT 1 has openings 208 for passage of the doubling vias V, V M .
  • the doubling vias V M , V extend to the underside 206.
  • these doubling vias V M , V serve as heat dissipation vias and transfer heat to the lower face 206, in particular those located under the current input terminals DHS, DLS in the example shown, since the latter constitute the main heat exchange surface high side HS and low side LS switches.
  • the switching arm 104 includes a heat sink 210 pressed against the lower face 206 of the printed circuit board 202, for example through an electrically insulating but thermally conductive interface 212, such as a thermal paste.
  • the heat sink 210 is thus designed to dissipate the heat arriving at the lower face 206. It is for example a heat transfer fluid sink such as water, or even more simply with fins.
  • the doubling track MINT2 of the middle track M S UP is located opposite and close to the heat sink 210. There may therefore be a parasitic capacitance between them. However, the doubling track MINT2 is at the potential of the midpoint which switches at high frequency. Thus, this high frequency switching can lead to the appearance of a parasitic current because of the capacitive coupling with the heat sink 210.
  • the lower layer INF preferably comprises a screen track GINF (also called shielding) at substantially constant potential, for example connected to electrical ground to be at zero potential.
  • the screen track GINF could be at positive potential by being connected to the high track H S UP, for example by vias V .
  • the screen track GINF has openings 214 through which the heat dissipation vias V, V M pass.
  • the openings 208 and 214 are located opposite each other.
  • the openings 208 through which the heat dissipation vias V M , V are distributed in parallel rows.
  • these rows extend in the direction X of alignment of the switches HS, LS and of the capacitor C.
  • These rows are sufficiently spaced to delimit between them one or more straight conductive portions 402 in the looping track GINTI, these straight conducting portions 402 extending from the first looping vias V Gi to the second looping vias V G2 .
  • the conductive portions 402 are straight, they connect the looping vias V G i , V G2 with the shortest possible path, which makes it possible to reduce the parasitic inductance.
  • Each straight conductive portion 402 has for example a transverse dimension (width) of at least 200 ⁇ m, in particular when the internal looping layer INT 1 has a thickness of at least 35 ⁇ m.
  • the switch arm 600 can for example be used instead of the switch arm 104 in the electrical installation 100 of FIG.
  • Switch arm 600 is similar to switch arm 104 of Figure 2 except for the following differences.
  • the capacitor C, the low side switch LS, the high side switch HS are this time aligned along the direction X in this order.
  • the upper strain SUP this time has two tracks H 1 S UP, H2 S up against which the drain DHS of the high side switch HS and the terminal Ci of the capacitor C are respectively pressed.
  • the doubling layer INT2 comprises two corresponding tracks H1 INT2, H2INT2.
  • the HINTI loopback track is used to connect the two tracks H 1 S UP, H2 S UP- It is connected to them by the loopback vias V Hi and V 2 respectively.
  • the openings 208 in the HINTI loop track allow the passage of the ground vias V G and the midpoint vias V M .
  • the screen track GINF is connected to the ground track by the vias V G .
  • the screen track GINF is then provided with passage openings for the other vias, in particular the vias V M , V Hi to allow the removal of heat from the switches HS, LS to the heat sink 210.
  • the openings 208 are distributed in parallel rows.
  • these rows extend in the direction X of alignment of capacitor C and switches HS, LS.
  • These rows are sufficiently spaced to delimit between them the straight conductive portions 402 in the track of HINTI looping, these straight conductive portions 402 s extending from the first looping vias V Hi to the second looping vias V 2.
  • the conductive portions 402 are straight, they connect the looping vias V H with the shortest possible path i, V 2 which makes it possible to reduce the parasitic inductance.
  • Each straight conductive portion 402 has for example a transverse dimension (width) of at least 200 ⁇ m, in particular when the internal looping layer INT1 has a thickness of at least 35 ⁇ m.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Slide Switches (AREA)
  • Structure Of Printed Boards (AREA)

Abstract

Le bras de commutation comporte : - une carte de circuit imprimé (202); - deux interrupteurs (HS; LS) portés par la carte de circuit imprimé (202) et connectés l'un à l'autre et; - une capacité (C) portée par la carte de circuit imprimé (202) et connectée à l'un des interrupteurs (HS, LS); et - des vias (VM, VH) de dissipation thermique de l'un ou les deux interrupteurs (HS, LS). La carte de circuit imprimé (202) comporte, dans une couche interne (INT1), une piste (GINT1; HINT1) dite de bouclage présentant des ouvertures (208) de passage des vias de dissipation thermique (VM, VH), la capacité (C) étant connectée à l'autre parmi l'interrupteur de côté haut (HS) et l'interrupteur de côté bas (LS) par l'intermédiaire de la piste de bouclage (GINT1; HINT1).

Description

Description
TITRE : BRAS DE COMMUTATION UTILISANT UNE CARTE DE CIRCUIT IMPRIMÉ
Domaine technique de l’invention
[0001] La présente invention concerne un bras de commutation, une alimentation à découpage comportant un tel bras de commutation et un engin de mobilité comportant une telle alimentation à découpage.
Arrière-plan technologique
[0002] Il est connu d’utiliser un bras de commutation du type comportant : une carte de circuit imprimé comportant une couche supérieure présentant une face externe supérieure, la carte de circuit imprimé présentant en outre une face externe inférieure à l’opposé de la face externe supérieure ; un interrupteur de côté haut et un interrupteur de côté bas, tous les deux portés par la face externe supérieure de la carte de circuit imprimé et connectés l’un à l’autre par une piste dite milieu de la couche supérieure ; une capacité portée par la face externe supérieure de la carte de circuit imprimé et connectée à l’un parmi l’interrupteur de côté haut et l’interrupteur de côté bas par une piste dite de capacité de la couche supérieure ; et des vias de dissipation thermique de l’interrupteur de côté haut et/ou de l’interrupteur de côté bas s’étendant depuis la face externe supérieure jusqu’à la face externe inférieure.
[0003] Les vias de dissipation thermique permettent d’acheminer la chaleur jusqu’à la face inférieure de la carte de circuit imprimé, où elle peut être facilement dissipée par un dissipateur de chaleur.
[0004] Pour diminuer les distances entre l’interrupteur de côté haut, l’interrupteur de côté bas et la capacité, il est connu de les aligner et de prévoir, dans la couche supérieure, une piste de bouclage connectant la capacité à l’autre parmi l’interrupteur de côté haut et l’interrupteur de côté bas. Cette piste de bouclage est réalisée la plus courte possible afin de limiter la surface de la boucle, et donc l’inductance parasite en résultant. En effet, cette inductance parasite peut entraîner des surtensions importantes lors de I ouverture de I interrupteur de cote haut et de I interrupteur de côté bas et augmenter ainsi l’énergie perdue lors de la commutation.
[0005] Il peut ainsi être souhaité de prévoir un bras de commutation présentant une faible inductance parasite de boucle.
Résumé de l’invention
[0006] Il est donc proposé un bras de commutation du type précité, caractérisé en ce que la carte de circuit imprimé comporte en outre une couche interne dite de bouclage comportant une piste dite de bouclage présentant des ouvertures de passage des vias de dissipation thermique, la capacité étant connectée à l’autre parmi l’interrupteur de côté haut et l’interrupteur de côté bas par l’intermédiaire de la piste de bouclage de la couche interne de bouclage.
[0007] Ainsi, en utilisant une couche interne de la carte de circuit imprimé pour la connexion de bouclage, il est possible de placer la connexion de bouclage au plus près de la face supérieure et ainsi d’obtenir une surface de boucle très faire et donc une inductance parasite de boucle très faible, tout en gardant un refroidissement par la face inférieure de la carte de circuit imprimé.
[0008] L’invention peut en outre comporter l’une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes, selon toute combinaison techniquement possible.
[0009] De façon optionnelle, la carte de circuit imprimé comporte plusieurs couches internes qui sont conductrices et qui se succèdent depuis la couche supérieure, la couche interne de bouclage étant la première des couches internes en partant de la couche supérieure.
[0010] De façon optionnelle également, la carte de circuit imprimé comporte au moins une couche interne dite de doublage comportant, pour au moins une piste de la couche supérieure, une piste de doublage et des vias de doublage connectant la piste considérée de la couche supérieure à la piste de doublage associée.
[0011] De façon optionnelle également, les vias de dissipation thermique incluent au moins un des vias de doublage.
[0012] De façon optionnelle également, la couche supérieure de la carte de circuit imprimé comporte une première piste à laquelle l’autre parmi l’interrupteur de côté haut et l’interrupteur de côté bas est connecté et une deuxième piste à laquelle la capacité est connectée, la carte de circuit imprimé comporte des premiers vias dits de bouclage connectant la premiere piste a la piste de bouclage et des deuxiemes vias dits de bouclage connectant la deuxième piste à la piste de bouclage, et la piste de bouclage comporte des portions conductrices droites s’étendant depuis les premiers vias de bouclage jusqu’aux deuxièmes vias de bouclage.
[0013] De façon optionnelle également, chaque portion conductrice droite présente une largeur d’au moins 200 pm.
[0014] De façon optionnelle également, les ouvertures de passage des vias de dissipation thermique sont réparties en rangées parallèles délimitant entre elles la ou les portions conductrices droites.
[0015] De façon optionnelle également, le bras de commutation comporte en outre un dissipateur de chaleur plaqué contre la face inférieure de la carte de circuit imprimé.
[0016] Il est également proposé une alimentation à découpage comportant au moins un bras de commutation selon l’invention.
[0017] Il est également proposé un engin de mobilité comportant une alimentation à découpage selon l’invention.
Brève description des figures
[0018] L’invention sera mieux comprise à l’aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est un schéma électrique d’une installation électrique dans laquelle l’invention est mise en oeuvre, la figure 2 est une vue en coupe transversale d’éléments d’un bras de commutation de l’installation électrique, utilisant une carte de circuit imprimé multicouche, la figure 3 est une vue de dessus d’une couche supérieure de la carte de circuit imprimé du bras de commutation de la figure 2 avec l'indication en pointillés de l’emprise des composants du bras de commutation, la figure 4 est une vue de dessus d’une couche interne de bouclage de la carte de circuit imprimé du bras de commutation de la figure 2, la figure 5 est une vue de dessus d une couche interne de doublage de la carte de circuit imprimé du bras de commutation de la figure 2, la figure 6 est une vue en coupe transversale d’éléments d’un autre bras de commutation pouvant être utilisé dans l’installation électrique, à la place de celui de la figure 2, utilisant également une carte de circuit imprimé multicouche, et la figure 7 est une vue de dessus d’une couche interne de bouclage de la carte de circuit imprimé du bras de commutation de la figure 6.
Description détaillée de l’invention
[0019] En référence à la figure 1 , un exemple d’une installation électrique 100 dans laquelle l’invention est mise en oeuvre, va à présent être décrit.
[0020] L’installation électrique 100 peut par exemple être utilisée dans un engin de mobilité par exemple un véhicule automobile, un vélo électrique, un drone, une trottinette électrique, etc.
[0021] L’installation électrique 100 comporte tout d’abord une source de tension continue 102 conçue pour fournir une tension continue U, comme une batterie.
[0022] L’installation électrique 100 comporte en outre un bras de commutation 104 conçu pour recevoir la tension continue U et pour alternativement fournir la tension continue U et une tension nulle. Le bras de commutation 104 fait par exemple partie d’une alimentation à découpage, telle qu’un onduleur, un convertisseur continu- continu, un convertisseur alternatif-continu, etc.
[0023] Plus précisément, le bras de commutation 104 comporte un interrupteur de côté haut HS (de l’anglais « high side ») et un interrupteur de côté bas LS (de l’anglais « low side ») connectés l’un à l’autre en un point milieu M. Ainsi, chacun de l’interrupteur de côté haut HS et de l’interrupteur de côté bas LS présente une borne d’entrée de courant DHS, DLS et une borne de sortie de courant SHS, SLS, en considérant un écoulement du courant comme illustré sur la figure 1 . Avec cette convention, la borne de sortie de courant SHS de l’interrupteur de côté haut HS est connectée à la borne d’entrée de courant DHS de l’interrupteur de côté bas LS.
[0024] Chacun de l’interrupteur de côté haut HS et de l’interrupteur de côté bas LS présente en outre par exemple une borne de commande GHS, GLS permettant de définir son état, passant ou bien bloqué. Ainsi, le bras de commutation 104 est conçu pour alternativement passer d une configuration ou I interrupteur de cote haut HS est passant et l’interrupteur de côté bas LS bloqué pour fournir la tension U, à une configuration où l’interrupteur de côté haut HS est bloqué et l’interrupteur de côté bas LS passant pour fournir la tension nulle.
[0025] Chacun de l’interrupteur de côté haut HS et de l’interrupteur de côté bas LS est de préférence un interrupteur commandable à semi-conducteur, comme par exemple un interrupteur à transistor tel qu’un transistor à effet de champ à grille métal-oxyde (de l’anglais « Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor » également désigné par l’acronyme MOSFET) ou bien un transistor bipolaire à grille isolée (de l’anglais « Insulated Gate Bipolar Transistor » également désigné par l’acronyme IGBT) ou bien encore un transistor à effet de champ de Nitrure de gallium (de l’anglais « Gallium nitride Field Effect Transistor » également désigné par l’acronyme GaN FET).
[0026] Dans le cas d’un transistor à effet de champ comme illustré sur la figure 1 , la borne d’entrée de courant est appelée « drain », la borne de sortie de courant est appelée « source », et la borne de commande est appelée « grille ».
[0027] Le bras de commutation 104 comporte en outre une capacité d’entrée C connecté entre l’interrupteur de côté haut HS et l’interrupteur de côté bas LS, et plus particulièrement entre la borne d’entrée de courant DHS de l’interrupteur de côté haut HS et la borne de sortie de courant SLS de l’interrupteur de côté bas LS. En pratique, la capacité C peut regrouper plusieurs composants capacitifs, par exemple connectés en parallèle.
[0028] La capacité C est alors par exemple connectée à la source de tension continue 102 pour recevoir la tension continue U.
[0029] L’installation électrique 100 comporte en outre un composant de sortie 106 connecté entre le point milieu M et la borne de sortie de courant SLS de l’interrupteur de côté bas LS. Ce composant de sortie 106 est par exemple une phase d’une machine électrique. De façon générale, le composant de sortie 106 peut être une charge inductive qui se comporte essentiellement comme une source de courant.
[0030] En référence à la figure 2, le bras de commutation 104 va être décrit plus en détail.
[0031] Dans l’exemple illustré, chacune des bornes d’entrée de courant DHS, DLS et des bornes de sortie de courant SHS, SLS est formée d’une unique surface de contact (de I anglais « contact pad » ou bien « bond pad » ou bien simplement « pad »). Par ailleurs, chacun de l’interrupteur de côté haut HS et de l’interrupteur de côté bas LS est par exemple conçu pour être refroidi par la surface de contact de sa borne d’entrée de courant DHS, DLS- Cette surface de contact est donc généralement étendue, en tout cas plus étendue que la surface de contact de la borne de sortie de courant SHS, SLS- Dans d’autres modes de réalisation, l’interrupteur de côté haut HS et/ou l’interrupteur de côté bas LS pourrait être conçu pour être refroidi par la surface de contact de sa borne de sortie de courant SHS, SLS-
[0032] Le bras de commutation 104 comporte une carte de circuit imprimé 202 (de l’anglais « Printed Circuit Board », également désigné par l’acronyme PCB), qui est multicouche c’est-à-dire qui comporte plusieurs couches conductrices se succédant le long de son épaisseur. Les couches sont par exemple planes. La carte de circuit imprimé 202 comporte ainsi une couche supérieure SUP présentant une face externe supérieure 204. La carte de circuit imprimé 202 comporte en outre une couche inférieure INF présentant une face externe inférieure 206 et au moins une couche interne (deux dans l’exemple illustré, respectivement désignées par les références INT 1 , INT2). Les couches SUP, INT 1 , INT2, INF sont séparées les unes des autres par du matériau isolant électrique, par exemple une résine telle qu’un préimprégné (de l’anglais « prepreg »), représenté par un remplissage par points sur la figure 2.
[0033] Comme cela sera décrit plus en détail par la suite, chaque couche SUP, INT 1 , INT2, INF peut être divisée en plusieurs pistes conductrices séparées les unes des autres par le matériau isolant électrique. Sur la figure 2, les pistes au potentiel nul (à la masse électrique) ont un remplissage horizontal. Les pistes au potentiel de la tension continue U ont un remplissage en biais bas-gauche / haut-droit. Les pistes au potentiel du point milieu M ont un remplissage en biais haut-gauche / bas-droit.
[0034] L’interrupteur de côté bas LS, l’interrupteur de côté haut HS et la capacité C sont portés par la face externe supérieure 204, de préférence alignés selon une direction X, par exemple dans cet ordre.
[0035] Ces trois composants sont connectés par la couche supérieure SUP. Ainsi, cette dernière comporte une piste dite haute HSUP connectant la capacité C et l’interrupteur de côté haut HS entre eux. Plus précisément, une première borne Ci de la capacité C et la borne d’entrée de courant DHS (en particulier sa surface de contact) de l’interrupteur de côté haut HS sont plaquées contre cette piste haute HSUP de la couche supérieure SUP. La couche supérieure SUP comporte en outre une piste dite milieu MSUP connectant I interrupteur de cote haut HS et I interrupteur de côté bas LS entre eux. Plus précisément, la borne de sortie de courant SHS (en particulier sa surface de contact) de l’interrupteur de côté haut HS et la borne d’entrée de courant DLS (en particulier sa surface de contact) de l’interrupteur de côté bas LS sont plaquées contre cette piste milieu MSUP de la couche supérieure SUP.
[0036] La couche supérieure SUP comporte en outre, d’une part, une première piste dite de masse G 1 SUP contre laquelle la borne de sortie de courant SLS (en particulier sa surface de contact) de l’interrupteur de côté bas LS est plaquée et, d’autre part, une deuxième piste dite de masse G2SUP contre laquelle une deuxième borne C2 de la capacité C est plaquée.
[0037] Pour connecter l’une à l’autre la borne de sortie de courant SLS de l’interrupteur de côté bas LS et la deuxième borne C2 de la capacité C, il est prévu d’utiliser la couche interne INT 1 , appelée par la suite couche interne de bouclage. Dans l’exemple illustré, cette dernière forme une seule piste dite de bouclage GINTI . Pour cela, la carte de circuit imprimé 202 comporte au moins un premier via dit de bouclage VGi connectant la première piste de masse G 1 SUP à la piste de bouclage GINTI et au moins un deuxième via dit de bouclage VG2 connectant la deuxième piste de masse G2SUP à la piste de bouclage GINTI .
[0038] Par ailleurs, pour doubler au moins en partie la couche supérieure SUP afin de permettre un transfert plus important de courant, la carte de circuit imprimé 202 peut en outre comporter au moins une couche interne de doublage. Sur la figure 2, il s’agit de la couche interne INT2. Dans d’autres modes de réalisation, plusieurs couches internes de doublage comme la couche interne de doublage INT2 pourraient être prévues sous la couche interne de bouclage INT 1 .
[0039] La couche interne de bouclage INT2 comporte, pour chacune d’une ou plusieurs des pistes G 1 SUP, MSUP, HSUP, G2SUP de la couche supérieure SUP, une piste G1 INT2, MINT2, HINT2, G2INT2 correspondante, ainsi que des vias VGi, VM, V , VG2, dits de doublage, connectant la piste G 1 SUP, MSUP, HSUP, G2SUP considérée de la couche supérieure SUP à la piste G1 INT2, MINT2, HINT2, G2INT2 correspondante de la couche interne de bouclage INT2.
[0040] Pour permettre aux vias de doublage V , VM d’atteindre la couche interne de doublage INT2, la piste de bouclage GINTI de la couche interne de bouclage INT 1 présente des ouvertures 208 de passage des vias de doublage V , VM. [0041 ] Pour dissiper la chaleur generee par I interrupteur de cote haut HS et l’interrupteur de côté bas LS, les vias de doublage VM, V se prolongent jusqu’à la face inférieure 206. Ainsi, ces vias de doublage VM, V servent de vias de dissipation thermique et transfèrent la chaleur vers la face inférieure 206, en particulier ceux situés sous les bornes d’entrée de courant DHS, DLS dans l’exemple illustré, puisque ces dernières constituent la surface d’échange thermique principale des interrupteurs de côté haut HS et de côté bas LS. En outre, le bras de commutation 104 comporte un dissipateur de chaleur 210 plaqué contre la face inférieure 206 de la carte de circuit imprimé 202, par exemple au travers d’une interface isolante électrique mais conductrice thermique 212, telle qu’une pâte thermique. Le dissipateur de chaleur 210 est ainsi conçu pour dissiper la chaleur arrivant à la face inférieure 206. Il s’agit par exemple un dissipateur à fluide caloporteur comme de l’eau, ou bien plus simplement à ailettes.
[0042] Comme illustré, la piste de doublage MINT2 de la piste milieu MSUP se trouve en vis-à-vis et à proximité du dissipateur de chaleur 210. Il peut donc exister une capacité parasite entre eux. Or, la piste de doublage MINT2 est au potentiel du point milieu qui commute à haute fréquence. Ainsi, cette commutation haute fréquence peut entraîner l’apparition d’un courant parasite à cause du couplage capacitif avec le dissipateur de chaleur 210. Pour éviter ce courant parasite entre la ou les couches internes de doublage INT2 et le dissipateur de chaleur 210, la couche inférieure INF comporte de préférence une piste d’écran GINF (dite aussi de blindage) à potentiel sensiblement constant, par exemple connectée à la masse électrique pour être au potentiel nul. Cela est par exemple réalisé en prolongeant les vias VGi, VG2 jusqu’à la piste d’écran GINF de la couche inférieure INF. Alternativement, la piste d’écran GINF pourrait être au potentiel positif en étant connectée à la piste haute HSUP, par exemple par les vias V .
[0043] Pour permettre aux vias de dissipation thermique V , VM d’atteindre la face inférieure 206, la piste d’écran GINF présente des ouvertures 214 de passage des vias de dissipation thermique V , VM. Ainsi, les ouvertures 208 et 214 sont situées en face les unes des autres.
[0044] En référence à la figure 3, la figure 4 et la figure 5, les ouvertures 208 de passage des vias de dissipation thermique VM, V sont réparties en rangées parallèles. En particulier, ces rangées s’étendent dans la direction X d’alignement des interrupteurs HS, LS et de la capacité C. Ces rangées sont suffisamment espacees pour delimiter entre elles une ou plusieurs portions conductrices droites 402 dans la piste de bouclage GINTI , ces portions conductrices droites 402 s’étendant depuis les premiers vias de bouclage VGi jusqu’aux deuxièmes vias de bouclage VG2. Comme les portions conductrices 402 sont droites, elles relie avec le plus court chemin possible les vias de bouclage VGi, VG2 ce qui permet de réduire l’inductance parasite. Chaque portion conductrice droite 402 présente par exemple une dimension transversale (largeur) d’au moins 200 pm, en particulier lorsque la couche interne de bouclage INT 1 présente une épaisseur d’au moins 35 pm.
[0045] En référence à la figure 6, un autre exemple de bras de commutation 600 selon l’invention va à présent être décrit. Le bras de commutation 600 peut par exemple être utilisé à la place du bras de commutation 104 dans l’installation électrique 100 de la figure 1 .
[0046] Le bras de commutation 600 est similaire au bras de commutation 104 de la figure 2, si ce n’est pour les différences suivantes.
[0047] Dans le bras de commutation 600, la capacité C, l’interrupteur de côté bas LS, l’interrupteur de côté haut HS sont cette fois alignés selon la direction X dans cet ordre.
[0048] En outre, la souche supérieure SUP présente cette fois deux pistes H 1 SUP, H2Sup contre lesquelles sont respectivement plaqués le drain DHS de l’interrupteur de côté haut HS et la borne Ci de la capacité C. De manière similaire, la couche de doublage INT2 comporte deux pistes correspondantes H1 INT2, H2INT2.
[0049] La piste de bouclage HINTI sert à connecter les deux pistes H 1 SUP, H2SUP- Elle leur est connectée par respectivement les vias de bouclage VHi et V 2.
[0050] Les ouvertures 208 dans la piste de bouclage HINTI permettent le passage des vias de masse VG et des vias de point milieu VM.
[0051 ] En outre, la piste d’écran GINF est connectées à la piste de masse par les vias VG. La piste d’écran GINF est alors pourvue d’ouverture de passage des autres vias, en particulier des vias VM, VHi pour permettre l’évacuation de chaleur depuis les interrupteurs HS, LS vers le dissipateur de chaleur 210.
[0052] En référence à la figure 7, les ouvertures 208 sont réparties en rangées parallèles. En particulier, ces rangées s’étendent dans la direction X d’alignement de la capacité C et des interrupteurs HS, LS. Ces rangées sont suffisamment espacées pour délimiter entre elles la ou les portions conductrices droites 402 dans la piste de bouclage HINTI , ces portions conductrices droites 402 s etendant depuis les premiers vias de bouclage VHi jusqu’aux deuxièmes vias de bouclage V 2. Comme les portions conductrices 402 sont droites, elles relie avec le plus court chemin possible les vias de bouclage VHi, V 2 ce qui permet de réduire l’inductance parasite. Chaque portion conductrice droite 402 présente par exemple une dimension transversale (largeur) d’au moins 200 pm, en particulier lorsque la couche interne de bouclage INT1 présente une épaisseur d’au moins 35 pm.
[0053] En conclusion, il apparaît clairement qu’un bras de commutation tel que ceux décrits précédemment permet de diminuer l’inductance parasite de boucle tout en gardant un refroidissement par la face inférieure de la carte de circuit imprimé.
[0054] On notera par ailleurs que l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment. Il apparaîtra en effet à l'homme de l'art que diverses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits ci- dessus, à la lumière de l'enseignement qui vient de lui être divulgué.
[0055] Dans la présentation détaillée de l’invention qui est faite précédemment, les termes utilisés ne doivent pas être interprétés comme limitant l’invention aux modes de réalisation exposés dans la présente description, mais doivent être interprétés pour y inclure tous les équivalents dont la prévision est à la portée de l'homme de l'art en appliquant ses connaissances générales à la mise en oeuvre de l'enseignement qui vient de lui être divulgué.

Claims

Revendications
[1] Bras de commutation (104 ; 600) comportant : une carte de circuit imprimé (202) comportant une couche supérieure (SUP) présentant une face externe supérieure (204), la carte de circuit imprimé (202) présentant en outre une face externe inférieure (206) à l’opposé de la face externe supérieure (204) ; un interrupteur de côté haut (HS) et un interrupteur de côté bas (LS), tous les deux portés par la face externe supérieure (204) de la carte de circuit imprimé (202) et connectés l’un à l’autre par une piste dite milieu (MSUP) de la couche supérieure (SUP) ; une capacité (C) portée par la face externe supérieure (204) de la carte de circuit imprimé (202) et connectée à l’un parmi l’interrupteur de côté haut (HS) et l’interrupteur de côté bas (LS) par une piste dite de capacité (HSUP) de la couche supérieure (SUP) ; et des vias (VM, V ; VM, VHi) de dissipation thermique de l’interrupteur de côté haut (HS) et/ou de l’interrupteur de côté bas (LS) s’étendant depuis la face externe supérieure (204) jusqu’à la face externe inférieure (206) ; caractérisé en ce que la carte de circuit imprimé (202) comporte en outre une couche interne (INT1) dite de bouclage comportant une piste (GINTI ; HINTI) dite de bouclage présentant des ouvertures (208) de passage des vias de dissipation thermique (VM, V ; VM, VHI), la capacité (C) étant connectée à l’autre parmi l’interrupteur de côté haut (HS) et l’interrupteur de côté bas (LS) par l’intermédiaire de la piste de bouclage (GINTI ; HINTI) de la couche interne de bouclage (INT1).
[2] Bras de commutation (104 ; 600) selon la revendication 1 , dans lequel la carte de circuit imprimé (202) comporte plusieurs couches internes (INT 1 , INT2) qui sont conductrices et qui se succèdent depuis la couche supérieure (SUP), la couche interne de bouclage (INT 1 ) étant la première des couches internes (INT 1 , INT2) en partant de la couche supérieure (SUP).
[3] Bras de commutation (104 ; 600) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la carte de circuit imprimé (202) comporte au moins une couche interne dite de doublage (INT2) comportant, pour au moins une piste (MSUP, HSUP ; H1 SUP, H2SUP) de la couche supérieure (SUP), une piste de doublage (MINTS, HINTS ; H1 INTS, H2INTS) et des vias de doublage (VM, V ; VHi, V s) connectant la piste (MSUP, HSUP ; H1 SUP, H2SUP) considérée de la couche supérieure (SUP) a la piste de doublage (MINTS, HINTS ! H I INTS, H2INTS) associée.
[4] Bras de commutation (104 ; 600) selon la revendication 3, dans lequel les vias de dissipation thermique (VM, V ; VM, VHi) incluent au moins un des vias de doublage (VM, VH ; VM, VHi).
[5] Bras de commutation (104 ; 600) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la couche supérieure (SUP) de la carte de circuit imprimé (202) comporte une première piste (G 1 SUP ; H 1 SUP) à laquelle l’autre parmi l’interrupteur de côté haut (HS) et l’interrupteur de côté bas (LS) est connecté et une deuxième piste (G2Sup ; H2Sup) à laquelle la capacité (C) est connectée, dans lequel la carte de circuit imprimé (202) comporte des premiers vias dits de bouclage (VGi ; VHi) connectant la première piste (G 1 SUP ; H 1 SUP) à la piste de bouclage (GINTI ; HINTI) et des deuxièmes vias dits de bouclage (VG2 ; V 2) connectant la deuxième piste (G2Sup ; H2Sup) à la piste de bouclage (GINTI ; HINTI ), et dans lequel la piste de bouclage (GINTI ; HINTI ) comporte des portions conductrices droites (402) s’étendant depuis les premiers vias de bouclage (VGi ; VHi) jusqu’aux deuxièmes vias de bouclage (VG2 ; VHS).
[6] Bras de commutation (104 ; 600) selon la revendication 5, dans lequel chaque portion conductrice droite (402) présente une largeur d’au moins 200 pm.
[7] Bras de commutation (104 ; 600) selon la revendication 5 ou 6, dans lequel les ouvertures (208) de passage des vias de dissipation thermique (VM, V ; VM, VHi) sont réparties en rangées parallèles délimitant entre elles la ou les portions conductrices droites (402).
[8] Bras de commutation (104 ; 600) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, comportant en outre un dissipateur de chaleur (210) plaqué contre la face inférieure (206) de la carte de circuit imprimé (202).
[9] Alimentation à découpage comportant au moins un bras de commutation (104 ; 600) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
[10] Engin de mobilité comportant une alimentation à découpage selon la revendication 9.
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US20200288562A1 (en) * 2017-11-08 2020-09-10 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Electronic circuit device
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DE102019217343A1 (de) * 2019-11-11 2021-05-12 Zf Friedrichshafen Ag Wechselrichter mit einem Kühlkörper

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