Brevet FR2665606A1 — publié le 19920207

DISPOSITIF ELECTRONIQUE DE PUISSANCE A FONCTIONNEMENT INTERMITTENT. La présente invention se rapporte à un dispositif électronique de puissance à fonctionnement intermittent, tel que par exemple un convertisseur du type onduleur réversible alimenté par batterie d'accumulateurs rechargeables et disposé en parallèle sur le réseau d'alimentation en énergie électrique. Un convertisseur de ce type est plus spécifiquement destiné à être utilisé comme alimentation de secours apte à suppléer de manière quasi-instantanée le réseau d'alimentation en cas de défaillance de ce dernier. En régime permanent, c'est à dire en l'absence d'anomalie du réseau d'alimentation, ce dernier recharge les batteries d'accumulateurs par l'intermédiaire du convertisseur, ou les maintient chargées si elles le sont déjà. En cas d'anomalie sur le réseau, le convertisseur remplace provisoirement ce dernier, et ce sont ces mêmes batteries qui fournissent alors la puissance électrique nécessaire, ce qui n'est bien entendu possible que Si la panne de réseau est relativement de courte durée. Pour fixer les idées, ces batteries se déchargent en une dizaine de minutes lorsqu'elles alimentent la ligne par l'intermédiaire du convertisseur, tandis qu'elles se rechargent en une dizaine d'heures lorsque tout est redevenu normal. Un tel convertisseur est un circuit électronique de puissance comportant des semi-conducteurs de puissance, des bobines de self-induction, et des condensateurs. En régime permanent le convertisseur ne dissipe pratiquement par d'énergie. Par contre, en cas de défaillance du réseau, c'est à dire en fonctionnement de puissance, le convertisseur fournit 1' energie électrique nécessaire et ses élements de puissance, notamment les semi-conducteurs de puissance dégagent de l'énergie thermique et doivent être refroidis. Dans ce but, ces dispositifs sont généralement équipés, à l'instar des autres dispositifs électroniques de puissance, d'ailettes de refroidissement aptes à assurer l'évacuation des calories, ce qui a pour inconvénients d'entraîner un encombrement souvent jugé trop important. L'invention vise à remédier à ces inconvénients. Elle se base sur le caractère intermittent du fonctionnement de ces dispositifs de puissance, et se rapporte donc à un dispositif électronique de ce type qui se caractérise par le fait qu'il est au moins partiellement noyé dans une matière solide fusible dont la température de fusion est supérieure à la température ambiante maximale, tout en étant inférieure à la température externe maximale admissible de fonctionnement des composants semiconducteurs de ce même dispositif, la masse totale de cette matière solide fusible étant suffisante pour ne pas être totalement fondue pendant la durée d'un fonctionnement sur un cycle d'intermittence du dispositif. De la sorte, l'enthalpie de fusion de cette matière solide est utilisée pour stocker l'énergie calorifique alors dissipée par les composants du dispositif électronique: la température de la zone en fusion qui enrobe ces composants se maintient à une valeur déterminée sensiblement égale à la température de changement d'état de cette matière solide, et ceci tant que la totalité de matière solide disponible n'est pas fondue. Bien entendu, le rapport cyclique de fonctionnement de ce dispositif doit être suffisamment faible pour laisser le temps au liquide obtenu de se resolidifier avant une nouvelle utilisation. On choisit préférentiellement en conséquence une matière solide d'enrobage à forte enthalpie de fusion et fondant à une température de I'ordre de 50 à 600C. Avantageusement, ce choix se porte en particulier sur les paraffines qui sont bien appropriées par leur température de fusion avoisinant les 600C, leur forte enthalpie de fusion, leur grande stabilité, leur faible variation de volume au cours de ces changements d'état, et également leur forte résistivité électrique. De toute façon, l'invention sera bien comprise, et ses avantages et autres caractéristiques ressortiront, lors de la description suivante d'un exemple non limitatif de réalisation, en référence au dessin schématique annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue d'ensemble, en coupe longitudinale partielle, d'une première forme de réalisation d'un dispositif électronique de puissance selon l'invention; - la figure 2 représente ce même dispositif, en coupe transversale partielle, vu selon la direction Il de la figure1; et - la figure 3 montre une variante de ce dispositif. En se reportant aux figures 1 et 2, il s'agit d'un convertisseur électronique de puissance triphasé qui comporte de manière classique des composants de puissance à semi-conducteurs1,2,3, des bobines de self-induction 4,5,6, des condensateurs 7,8,9, et des cartes de circuit imprimé 10. Les fils d'interconnexion n'ont pas été représentés sur ce dessin. Conformément à l'invention, la quasi-totalité de ce circuit est noyée dans la paraffine 11, à l'état solide à la température ambiante, elle-même contenue dans une cuve 12, qui peut être métallique. Dans cet exemple de réalisation, il s'agit d'une paraffine de formule chimique C28 H58, dont la température de fusion avoisine les 600C. Les composants de puissance à semi-conducteurs 1,2,3 pour lesquels le refroidissement est particulièrement critique, sont montés, comme représenté, au voisinage du fond de la cuve 12, ce qui leur permet d'avoir un contact thermique correct avec la paraffine 11. En effet, le remplissage de la cuve 12 s'effectue, une fois tous les éléments 1 à 10 du circuit positionnés dans cette cuve, avec de la paraffine à l'état liquide (donc portée à plus de 600C), celle-ci se solidifiant ensuite en refroidissant. Un léger retrait s'effectue néanmoins lors de ce passage de l'état liquide à l'état solide, et ce retrait risquerait d'entraîner un défaut de contact thermique avec ces éléments à semi-conducteurs1,2,3, si ces derniers n'étaient pas placés en fond de cuve. A noter que ces composants semi-conducteurs n'ont pas besoin d'être équipés de radiateurs. Leurs cablages peuvent par ailleurs être plus courts qu'avec la technique antérieure. Il est toutefois avantageusement prévu une plaque de support commune 13 métallique, qui permet d'augmenter leur surface d'échange en limitant ainsi leur élévation de température par rapport a la paraffine en fusion. Cette plaque métallique 13 sert en outre de support pour les cartes 10 de commande des composants à semi-conducteurs (voir figure 2). Les bobinages de self-induction 4,5,6, sont montes au-dessus des composants de puissance respectifs 1,2,3, au coeur même de la masse de paraffine 11. Comme leur température en fonctionnement est maintenue, à une valeur relativement basse correspondant à la température de fusion de la paraffine, de sorte que l'on n'est plus limité par la densité de courant, mais seulement par les pertes, ils peuvent être très sous-dimensionnés en épaisseur de fil conducteur, et présenter, pour une même valeur de self induction, un encombrement de l'ordre de trois à quatre fois moindre que les bobinages classiques correspondants. Les condensateurs 7,8,9, qui présentent des pertes très faibles, n'ont en principe pas besoin d'être refroidis. Afin toutefois de réaliser ce convertisseur sous la forme d'un ensemble solide d'un seul bloc, ils sont cependant partiellement immergés dans la masse de paraffine solide11, et donc montes en partie haute de la cuve. Le refroidissement en fonctionnement de puissance est réalisé de la façon suivante: Le matériau fusible constituant la masse d'enrobage 11 est choisi pour posséder une température de fusion supérieure aux températures ambiantes normales, afin de rester solide à ces températures, mais inférieure à la température maximale admissible de la surface externe de ses composants semiconducteurs en fonctionnement de puissance. Une température de fusion de l'ordre de 50 à 600C répond particulièrement bien à cette double condition. Il est en outre préférentiellement choisi pour présenter une enthalpie de fusion élevée, afin de réduire au maximum la masse 11 nécessaire.Il est enfin choisi pour être, d'une part compatible chimiquement avec les composants qu'il doit refroidir, et d'autre part compatible physiquement avec ceux-ci, de façon en particulier à présenter un minimum de variation de volume lors des changements de phase. La paraffine isole de plus électriquement les divers composants du convertisseur entre eux. Lorsque, lors d'une panne de réseau, le convertisseur vient à fonctionner pour fournir momentanement 1 'energie électrique aux usagers, la température des composants 1 à 5 s'relève jusqu'à atteindre le point de fusion de la paraffine. Celle-ci maintient alors, tant que l'ensemble de la masse 11 n'est pas totalement fondue, sa propre température à une valeur pratiquement fixe égale à sa température de changement d'état. L'enthalpie de fusion de cette masse solide 11 est en conséquence utilisée pour stocker l'énergie calorifique dissipée, de sorte que la température de la zone qui entoure chacun des composants se maintient à une valeur sensiblement égale à la température de fusion de la paraffine, soit environ 600C. Bien entendu, cet avantageux phénomène n'est maintenu que tant que la totalité de la masse solide disponible 11 n'est pas fondue, de sorte que cette masse doit être suffisante pour que compte-tenu du cycle moyen de fonctionnement du convertisseur, l'on n'atteigne jamais cet état de fusion complète de la masse 11. En particulier, le rapport cyclique moyen doit être suffisamment petit pour laisser au liquide obtenu, après une séquence de fonctionnement, le temps de se resolidifier avant une nouvelle utilisation du convertisseur. A noter que la chaleur stockée par le matériau fusible 11 est évacuée vers l'extérieur en majeure partie par les parois de la cuve 12. Celle-ci est de préférence métallique, mais peut bien entendu être réalisé en tout autre matériau permettant des échanges thermiques satisfaisants avec l'extérieur. Dans certains cas, il peut être prévu de munir ces parois d'ailettes de refroidissement, afin d'accélérer le processus de resolidification du matériau 11, ou même de les refroidir par circulation forcée de fluide liquide ou gazeux. La réalisation qui vient d'être décrite aboutit à réaliser le convertisseur sous forme d'un ensemble pratiquement monolithique.Dans le cas où la taille et le nombre des composants à refroidir le justifie, il peut avantageusement être prévu, pour des raisons de commodité de montage, de manutention, et de maintenance, de disposer, comme il est par exemple représenté en figure 3, ces composants dans plusieurs plus petites cuves 121,122,123, associée chacune a un pôle et chacune remplie d'une plus petite masse de paraffine, respectivement 111,112 et 113, les connexions électriques 14 étant par exemple réalisées par la partie supérieure ouverte de ces cuves. Comme il va de soi, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits. C'est ainsi que, bien que les paraffines (de formule chimique générale (Cn H2n+2) soient particulièrement bien appropriées, il peut être prévu pour la masse solide 11 bien d'autres matériaux, tels que: - des composés organiques autres que les paraffines: Tristatéarine, Acide myristique, Acide stéarique, Acide élaidique,... - des composés minéraux hydratés: Nitrate de lithium trihydraté, Monohydrate de barium octo-hydraté,... - ou même certains métaux et alliages: Gallium, Eutectique de Bi,Pb,Sn,Cd...Dans ce dernier cas, les composants devront être isolés électriquement avant d'être noyés dans le matériau fusible. REVENDICATIONS 1. Dispositif électronique de puissance à fonctionnement intermittent, caractérisé en ce qu'il est au moins partiellement noyé dans une matière solide fusible (11) dont la température de fusion est supérieure à la température ambiante maximale, tout en étant inférieure à la tempe rature externe maximale admissible de fonctionnement des composants semi-conducteurs (1,2,3) de ce même dispositif, la masse totale de cette matière solide fusible (11) étant suffisante pour ne pas être totalement fondue pendant la durée d'un fonctionnement sur un cycle d'intermittence du dispositif, de sorte que l'enthalpie de fusion de cette matière est utilisée pour stocker l'énergie calorifique alors dissipée. 2. Dispositif selon la revendication1, caractérisé en ce que son rapport cyclique de fonctionnement est suffisamment faible pour laisser le temps au liquide ainsi obtenu de se resolidifier avant une nouvelle utilisation de cette matière (11) comme organe d'absorption de cette énergie calorifique. 3 Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que cette matière solide d'enrobage (11) est une matière à forte enthalpie de fusion. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la température de fusion de cette matière solide d'enrobage est de l'ordre de 50 à 600C. 5 Dispositif selon l'un des revendications 1 à4, caractérisé en ce que cette matière solide d'enrobage (11) est une paraffine (Cn H2n+2), de préférence de formule chimique (C28 H58). 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est constitué d'au moins une cuve (12) qui contient cette matière solide fusible (11) ainsi que les éléments (1 à10) du circuit électronique, le dispositif comportant des composants semi-conducteurs (1,2,3) placés en fond de cuve, des bobinages (4,5,6) places en milieu de cuve, et des condensateurs (7,8,9) placés en haut de cuve. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il est prévu une plaque de support métallique commune (13) pour les composants semi-conducteurs (1,2,3), pouvant servir également de support pour les cartes (10) de commande de ces composants semi-conducteurs. 8. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 7, caractérisé en ce que la cuve (12) est métallique et munie de moyens de refroidissement qui lui sont propres. 9. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que ses éléments sont disposés dans plusieurs cuves (121,122,123), chacune remplie d'une masse (111,112,113) de matière solide fusible, et interconnectées électriquement(14). 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est constitué par un onduleur réversible à fonctionnement intermittent destiné à être utilisé comme alimentation de secours en cas de défaillance d'un réseau sur lequel il est monté en parallèle.