Brevet FR2487629A1 — publié le 19820129

L'invention concerne les dispositifs de régula- tion de puissance à semi-conducteurs, et plus particulièrement les dispositions matérielles et le procédé d'assemblage de dis- positifs de régulation dans lesquels la fonction principale de commutation est assurée par un dispositif de commutation à semi- conducteurs monté de façon à permettre un remplacement facile et un transfert de chaleur maximum au cours du fonctionnement. Les dispositifs de régulation de puissance à semi- conducteurs du type auquel s'applique l'invention, sont généra- lement caractérisés par une combinaison d'éléments de circuits qui assurent des opérations pré-sélectionnées entre une alimen- tation et une charge o des courants élevés peuvent être mis en oeuvre. La fonction principale de commutation dans la plupart de ces dispositifs de régulation de puissance, incluant ceux parfois assimilés à des interrupteurs de circuits à semi-conducteurs ou à des relais à semi-conducteurs, est assurée par des SOR (redres- seurs au silicium commandés) de puissance, bien que d'autres formes de dispositifs de commutation à semi-conducteurs puissent être utilisées. Parmi les nombreuses exigences concernant de tels ensembles, il y a cellesqu sont compact du fait de la nécessité de les monter parfois en grand nombre dans un es- pace limité comme c'est le cas dans les applications aérospatia- les. Le fait que ces dispositifs transportent le courant de charge et soient dans un espace confiné, se traduit par l'exigen- ce qu'une attention spéciale doit être donnée à la chaleur en- gendrée dans ces dispositifs. Ceci peut àtre déterminant,du fait qu'à l'intérieur d'un espace insuffisant, le 8CR ou un autre dis- positif de commutation ne peut pas être monté de façon convenable sur un support conducteur ou une brique conductrice et qui puisse assurer une bonne dissipation de la chaleur. Ainsi, les limita- tions d'encombrement peuvent imposer l'utilisation de SCR du type à bottier isolé dans lequel le bottier du SCR est électriquemes au potentiel de l'anode et doit être électriquement isolé de sa structure de support. Des SCR de ce type sont parfois désignée comme étant du type "Press-in". L'ensemble de régulation de puissance dans sa to- talité est enfermé dans une enceinte en forme de bottier dans la- quelle sont montés un ou plusieurs SCR encapsulés. le bottier renferme également des éléments additionnels de circuits.qui traitent la réponse du dispositif principal de commutation en 1.- accord avec les différents paramètres électriques (par exemple la surintensité ou bien la surtention) comme cela est requis par le système dans lequel le dispositif est appliqué. Ces élé- ments additionnels peuvent être montés sur une ou plusieurs cartes de circuits imprimés. L'ensemble résultant peut 4tre en- tièrement encapsulé ou enrobé avec un matériau, tel qu'une rési- ne époxy pour assurer un support mécanique fiable et une isola- tion électrique. Dans les dispositifs de régulation de puissance à semi-conducteurs de l'art antérieur du type général référencé ci-dessus, il y avait une pratique consistant à fixer le SCR du type encapsulé à une surface interne de l'enceinte métallique en forme de bottier avec un adhésif, tel qu'une résine époxy. Ceci présente de nombreux inconvénients du fait que le transfert de chaleur à travers le matériau adhésif est limité à un niveau re- lativement faible et que des matériaux époxy ne présentent pas en outre une qualité d'isolation élevée. Nécessairement, plus on applique de matériaux adhésifs pour satisfaire à l'isolation électrique, plus le problème thermique devient difficile. Du fait de la chute thermique élevée à travers l'adhésif, il peut être nécessaire de limiter le courant employé dans les ensembles d'une telle construction à un petit nombre d'ampères. Il est également connu que les SCR peuvent être soudés à la paroi de l'enveloppe en utilisant un disque métal- lisef de beryllium pour l'isolation électrique. Cela assure un bon transfert de chaleur mais rend très difficile le remplacement d'un SCR déficient après essai, du fait que l'accessibilité à ce SCR peut être trop limitée. A titre d'autres références, on se reportera au. brevet US 4 172 272 publié le 23 Octobre 1979 qui concerne une forme de conditionnement d'un relais à semi-conducteurs dans le- quel le dispositif de commutation général est supporté sur une base conductrice en céramique qui est fixée à l'intérieur de l'enveloppe par cémentation ou soudure. Il est extrêmement souhaitable de créer une con- figuration structurale et un procédé d'assemblage d'un dispositif de régulation de puissance à semi-conducteurs qui prennent en compte les multiples aspects de la possibilité requise de trans- fert de chaleur, de l'isolation électrique, et de la facilité de montage et de démontage du dispositif de commutation de puis- 2.- sance. La présente invention dans sa forme la plus large, concerne un dispositif de régulation de puissance à semi-conduc- teurs caractérisé en ce qu'il comporte au moins un dispositif de commutation de puissance à semi-conducteurs monté de manière telle qu'il puisse être remplacé facilement en cas de nécessité, ce dispositif comportant une enveloppe de botte d'un matériau thermiquement conducteur et ayant une ouverture frontale, un sous-ensemble comportant une plaque thermiquement conductrice et monté de façon amovible en recouvrant cette ouverture frontale et de sorte à ne pas empêcher le transfert de chaleur de la pla- que thermiquement conductrice à l'enveloppe, des moyens étant prévus pour assurer une conduction thermique et une isolation électrique ainsi qu'une fixation permanente entre ce dispositif de commutation de puissance à semi-conducteurs et la plaque thermiquement conductrice, ce sous-ensemble étant changé lorsqu'il est souhaitable de changer le dispositif de commutation de puis- sance. Dans une forme de réalisation préférée décrite ci- dessous, il est proposé un dispositif de régulation de puissance à semiconducteurs qui comporte généralement une enveloppe en forme de bottier. Les SCR ou d'autres dispositifs de commutation de puissance, ne sont pas montés directement sur une surface de l'enveloppe, mais sont plut8t montés sur un sous-ensemble à plaques métalliques. Ceci est de préférence assuré en soudant l'enveloppe du 3CR à la plaque métallique utilisant une couche électriquement isolante et-thermicuement conductrice, tel qu'un disque de céramique d'oxyde de beryllium pour assurer l'isola- tion et d'excellentes caractéristiques de transfert de chaleur. Cette plaque est alors maintenue contre le c8té interne de la face frontale de l'enceinte. Cela assure un type d'assemblage temporaire dans lequel le sous-ensemble à plaque est seulement légèrement maintenu sur la face frontale dans l'utilisation du corps d'un tumbler normalement prévu sur cette face frontale comme moyen de support. Ainsi, à ce stade la plaque peut être enlevée et les SCR remplacés de façon appropriée et rapide. L'invention va être décrite plus en détail en se référant à un exemple de réalisation préféré représenté sur les dessins ci-joints, dans lesquels: la figure-1 est une vue en élévation latérale 3.- d'un sous-ensemble pour un dispositif de commutation de puissance monté en accord avec une réalisation de la présente invention, - la figure 2 est une vue en élévation latérale partiellement arrachée d'un dispositif de régulation de puis- sance à semi-conducteurs comprenant le sous-ensemble de la figure 1, - la figure 3 est une vue en élévation latérale d'un dispositif de régulation de puissance à semi-conducteurs complètement monté en accord avec la figure 2. En se référant aux dessins, la figure 1 montre un sous-ensemble comportant une plaque métallique 10 de con- figuration généralement rectiligne ayant une surface frontale et une surface arrière 11 et 12. La plaque 10 peut Otre une feuille de matériau, tel que du cuivre ou de l'aluminium, et elle est de préférence légère en présentant une bonne conduc- tivité thermique. le cuivre est préféré comme étant plus proche des caractéristiques d'expansion thermiques des SOR. Au voisina- ge des extrémités supérieure et inférieure de la surface arrière- de la plaque, sont montés des écrous plats 14 ayant des ouvertu- res alignées avec des ouvertures recevant des fixations dans la plaque elle-même. Les ouvertures dans les écrous plats 14 sont filetées intérieurement pour recevoir des vis ou des boulons 30 montant l'ensemble du dispositif sur un panneau métallique, comme le montre la figure 3. Au stade représenté sur la figure 1, le sous- ensemble à plaque 10 comporte en liaison avec sa surface arrière 12, une paire de SCR 16 ou d'autres dispositifs de commutation de puissance qui sont du type encapsulé et qui ont des terminai- sons s'étendant vers l'arrière, les SCR 16 sont reliés à la pla- que métallique 10 par des moyens tels que des disques 18 d'oxyde de béryllium métallisé et une soudure est effectuée, telle qu'une soudure par reflux pour relier chaque SOR 16 au disque 18 et le disque à la plaque. En outre, un tumbler 20 est représenté, ce tumbler s'étendant à travers une ouverture centrale dans la plaque 10 ayant une partie de corps 21 sur la surface arrière de la plaque et une manoeuvre de commutation 22 actionnée manuellement sur le front de la plaque. Le tumbler est maintenu en place sur la plaque par un écrou de fixation 23. La figure 2 montre le sous-ensemble plaque-SOR 4.- ,_ 2487629 en position dans une unité de régulation de puissance. Les élé- ments fonctionnels de cette unité sont enfermés dans une envelop- pe au bottier métallique 24 qui comporte des bornes 26 s'éten- dant vers l'arrière. Dans cet assemblage, une surface latérale peut être ouverte pour permettre de placer des composants à l'intérieur du bottier. Des composants variés 28 sont mis en place sur une ou plusieurs cartes de circuits imprimés ou ana- logues dans la partie interne de l'enceinte 24. Des interconne- xions Gnon représentées) entre les éléments 16, 20, 26 et 28 constituent un circuit de régulation de puissance. Le sous-ensem- ble plaque-SOR est en place contre la surface frontale de l'en- veloppe ou de l'enceinte 24 et est maintenu en place à ce stade par le tumbler 20 s'étendant à travers une ouverture dans la surface frontale 24a de l'enceinte 24. Au stade représenté sur la figure 2, les 8CR 16 sont facilement remplaçables en enlevant les connexions électri- que entre eux et les bornes 26 et/ou les composants électroniques 28. Après enlèvement des connexions électriques, il est alors seulement nécessaire d'enlever le tumbler 20, ce qui fait de la plaque 10 avec les 8CR qui y sont fixés, un ensemble séparé rem- plaçable, ou bien un SCR individuel peut être enlevé et remplacé. L'ensemble tel que représenté sur la figure 2 peut être complété par tous ces câblages et essayé. Avant son enrobage final avec une résine époxy, ou avant son assemblage dans un panneau comme représenté sur la figure 3, la performance des BCR peut être contrôlée et, si cela est nécessaire, ils peuvent être facilement remplacés sans risque pour les autres éléments. Cette disposition est bénéfique que l'ensemble soit enrobé ou non. Si l'ensemble est enrobé, il est courant d'installer des vis dans les écrous plats 14 pour empêcher la fuite du matériel d'enrobage à travers les trous de montage. Ces mêmes vis, si leur longueur est choisie de façon adéquate, peu- vent être utilisées en les serrant convenablement pour assujet- tir la plaque contre la face frontale 24a du dispositif complet. La figure 2 montre également un élément de re- couvrement 32 qui se monte sur l'écrou 31 du tumbler pour amélio- rer l'aspect et également pour servir de pilote ou de position- nement pour le montage de l'ensemble sur un panneau. Dans ce dernier but, l'élément de recouvrement 32 peut être centré sur la face frontale de l'unité. La figure 3 montre la disposition finale de monta- ge des SCR et de l'ensemble de commutation sur un panneau 29. Des vis ou d'autres fixations 30 pénètrent dans le panneau sur lequel l'ensemble est monté, et également l'enceinte 24 et la plaque 10 avant que les filetages des écrous plats 14 soient en prise. Lorsque les vis de montage sont serrées, le sous- ensemble plaque-SCR est serré fermement contre la face frontale du dispositif complet qui, à son tour, est serré contre le pan- neau de montage qui sert également de principal évacuateur de la chaleur de l'ensemble. Cela donne un transfert de chaleur excellent depuis les dispositifs SCR 16 vers le panneau 29, servant d'évacuateur de chaleur. On voit ainsi que la technique d'assemblage re- posée a parmi ces éléments significatifs, la jonction, de pré- férence par soudure, des SCR isolés du type encapsulé à une plaque métallique pour former un sous-ensemble. Egalement, l'as- semblage de ce sous-ensemble est mis facilement en place sur la face frontale du dispositif complet de façon qu'il puisse être facilement enlevé pour remplacer des SCR défaillants, la configuration résultante assurant toujours une qualité adéquate de dissipation de la chaleur. Des assemblages, tels que ceux décrits ci-dessus ont été réalisés et essayés expérimentalement en ce qui concerne l'élévation de la température des SCR. Une amélioration de 75 % a été observée en comparaison avec les dispositions de l'art an- térieur connues précédemment dans lesquelles les SCR étaient fixés par adhésif à une paroi de l'enceinte. L'élévation de la température de jonction des SCR sur le panneau de montage, était un quart de celle observée sur les conceptions anciennes. Les avantages combinés de la disposition compor- tent l'utilisation d'une plaque amovible pour monter les SCR, cette plaque étant facilement installée et facilement remplacée. En plaçant le sous-ensemble adjacent à l'arrière de la face de montage et en contact immédiat avec elle, on obtient un transfert de chaleur excellent. En fixant les écrous plats sur le sous- ensemble plaque-SCR, et en utilisant le corps du tumbler pour maintenir ce sous-ensemble en position, d'autres nouveaux élé- ments de quincaillerie ne sont pas nécessaires. La rigidité est obtenue lorsque les vis de montage sont utilisées pour fixer - 7.- 2487629 l'ensemble complet sur un panneau de montage. On notera que les dispositions correspondant à cette invention ainsi que les procédés d'assemblage, peuvent être modifiés à partir de ceux représentés et décrits à titre d'exem- ple, sans sortir du cadre de l'invention tel qu'il est défini par les revendications ci-jointes. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de régulation de puissance à semi- conducteurs caractérisé en ce qu'il comporte au moins un disposi- tif de commutation de puissance à semi-conducteurs monté de maniè- re telle qu'il puisse être remplacé facilement en cas de néces- sité, ce dispositif comportant une enveloppe (24)de boite d'un maté- riau thermiquement conducteur et ayant une ouverture frontale, un sousensemble comportant une plaque (10) thermiquement conductrice et monté de façon amovible en recouvrant cette ouverture frontale et de sorte à ne pas empocher le transfert de chaleur de le plaque (10) thermiquement conductrice à l'enveloppe, des moyens (16,20) étant prévus pour assurer une conduction thermique et une isolation électrique ainsi qu'une fixation permanente entre ce dispositif de commutation de puissance à semi-conducteurs et la plaque (1W) ther- miquement conductrice, ce sous-ensemble étant changé lorsqu'il est souhaitable de changer le dispositif de commutation de puis- sance. 2.- Dispositif de régulation de puissance à semi- conducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispo- sitif (16) de commutation est relié à la plaque (10) thermiquement conductrice d'une manière thermiquement conductrice, une couche de matériau électriquement isolant étant interposée en m8me temps, entre cette plaque (10) thermiquement conductrice et ce dispositif (16) de commutation de puissance. 3.- Dispositif de régulation de puissance à semi- conducteurs selon la revendication 2, caractérisé en ce qué le dis- positif (16)de commutation est relié à la couche de matériau élec- triquement isolant et à la plaque (10) par un matériau de soudure métallique. 4.- Dispositif de régulation de puissance à semi- conducteurs selon la revendication 2, caractérisé en ce que le sous-ensemble est prévu pour être monté de façon amovible sur l'en- veloppe (24)au moyen de vis à un étage intermédiaire dans l'assem- blage du dispositif(16)de régulation de puissance, si bien qu'il peut gtre facilement démonté et remplacé. 5.- Procédé pour assembler un dispositif de régu- lation de puissance à semi-conducteurs emballé, utilisant au moins un dispositif (16) de commutation de puissance dans une enveloppe (24)thermiquement conductrice, selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, procédé caractérisé en ce que l'on monte au 8.- 9,_ 2487629 moins un dispositif (16) de commutation de puissance à semi- conducteurs sur une plaque (10) thermiquement conductrice en soudant le bottier du dispositif (16) de commutation sur la plaque (10) après insertion d'une couche intermédiaire électriquement isolante entre la plaque (10) conductrice et le boitier, on place cette plaque (10) conductrice, avec le dispositif (16) de commu- tation soudé en permanence sur elle, de façon immédiatement adjacente à la surface frontale du boitier, pour constituer un sous-ensemble, et on fixe la plaque (10) conductrice en contact immédiat avec la surface frontale de l'enveloppe 124) par des fixations amovibles qui relient également cette enveloppe à un panneau.